EP4689442A1 - Verfahren zur detektion eines fehlerhaften messkanals in einem spannungswellengetriebe - Google Patents

Verfahren zur detektion eines fehlerhaften messkanals in einem spannungswellengetriebe

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Publication number
EP4689442A1
EP4689442A1 EP24712160.1A EP24712160A EP4689442A1 EP 4689442 A1 EP4689442 A1 EP 4689442A1 EP 24712160 A EP24712160 A EP 24712160A EP 4689442 A1 EP4689442 A1 EP 4689442A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
strain gauge
transmission element
measuring channel
gauge arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24712160.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kazuaki Kaneko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4689442A1 publication Critical patent/EP4689442A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions
    • F16H2049/003—Features of the flexsplines therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a faulty measuring channel on an elastic transmission element in a stress wave transmission.
  • the invention also relates to a drive module with a stress wave transmission.
  • Strain wave gears also known as wave gears, sliding wedge gears, English “strain wave gearing” or “harmonic drive”
  • Strain wave gears enable almost backlash-free power transmission with a high transmission ratio and are therefore particularly suitable for applications that require precise movements and a small space requirement. Since the high transmission ratio allows high torques to be generated with relatively small motors, very compact drive mechanisms can be realized with strain wave gears, which are used in robotics, for example.
  • the main components of a stress wave transmission are a wave generator, a rigid outer ring (“circular spline”) with internal teeth and an elastic transmission element (“flexspline”) with external teeth arranged between them.
  • the transmission of torque between the wave generator and the outer ring is based on elastic deformation, in which the transmission ring is deformed into an oval by the wave generator in such a way that it engages with the outer ring on two opposite sides of its circumference.
  • the transmission ring rolls on the outer ring so that a torque is transmitted between the transmission ring and the outer ring through the intermeshing teeth.
  • the transmission ratio of the transmission is determined by the difference in the number of teeth on the transmission ring and the outer ring.
  • a meshing fault is an engagement between the transmission ring and the outer ring that is at least partially lost, so that the teeth of the transmission ring skip over the teeth of the outer ring (“ratcheting”). While the rotation of the transmission ring and that of the outer ring are strictly coupled in normal operation, such a meshing fault temporarily leads to an uncontrolled relative rotation between the two rings. This creates an unknown angular offset on the output side. (offset) compared to the drive side, which makes precise control of the angular position impossible.
  • Torque sensors in the stress wave transmission can provide information about the state of the stress wave transmission during operation and can be used to monitor operation.
  • the torque sensors are designed as strain gauges and arranged on the elastic transmission element to measure the mechanical stress on the transmission element. The torque acting on the elastic transmission element is then determined from the mechanical stress.
  • strain gauge arrangements with several strain gauges are used, which are arranged in a bridge circuit, for example. If a strain gauge arrangement only covers a limited angular range of the transmission element, the measurement signal depends on the angular position of the wave generator. If, on the other hand, the strain gauge arrangement extends over the entire or almost the entire circumference of the transmission element, a measurement signal can be obtained which does not depend, or only depends to a small extent, on the angular position of the wave generator.
  • WO 2021/148068 A1 discloses a method for checking an arrangement of strain gauges, which makes it possible to detect a single defect in one of several strain gauges.
  • the method uses a prediction model determined by finite element analysis or machine learning and therefore requires considerable computing power.
  • the task is to provide a method and a system that increases functional safety by detecting a failure or faulty function of a measuring channel of a strain gauge arrangement, while reducing the computing power required to detect such a defect.
  • the object is achieved by a method for detecting a faulty measuring channel on an elastic transmission element in a stress wave transmission, wherein a wave generator acts on the elastic transmission element, wherein the elastic transmission element has a first strain gauge arrangement with a first measuring channel, wherein a first measuring signal of the first measuring channel of the first strain gauge arrangement is proportional to the torque and does not depend or only depends to a small extent on an angular position of the wave generator, and wherein the elastic transmission element has a second strain gauge arrangement with a plurality of second measuring channels, wherein second measuring signals of the individual second measuring channels of the second strain gauge arrangement are dependent on the rotational position of the wave generator, wherein a plausibility check is carried out for each of the second measuring channels on the basis of the first measuring signal and one or more second measuring signals.
  • the method according to the invention makes use of an elastic transmission element which comprises two strain gauge arrangements.
  • the second strain gauge arrangement has a plurality of second measuring channels, each of which provides second measuring signals which are dependent on the rotational position of the wave generator. By linking these second measuring signals, an output signal can be obtained which does not have this dependency and is proportional to the torque. This output signal can have a high degree of accuracy and can be used to measure the torque during operation of the transmission element.
  • the first strain gauge arrangement comprises only a first measuring channel, the first measuring signal of which, however, is not or only to a small extent dependent on an angular position of the wave generator.
  • the method according to the invention makes it possible to detect faulty second measuring channels by carrying out a plausibility check for each of the second measuring channels based on the first measuring signal and one or more second measuring signals.
  • a measuring channel of a strain gauge arrangement can have one or more strain gauges.
  • the strain gauges measure the mechanical stress in the elastic transmission element, with the mechanical stress being proportional to the torque present.
  • a faulty measuring channel can occur in particular if a strain gauge is damaged.
  • each first and each second measuring channel comprises several strain gauges that are connected in a bridge circuit, in particular a Wheatstone measuring bridge.
  • the first strain gauge arrangement has a first measuring channel, the first measuring signal of which does not depend, or only depends to a small extent, on the angular position of the wave generator.
  • the first strain gauge arrangement can extend around the entire or almost the entire circumference of the elastic transmission element.
  • the first strain gauge arrangement can be arranged on a lateral surface (parallel to the axis of rotation of the transmission element) or an end face (perpendicular to the axis of rotation of the transmission element) of the elastic transmission element.
  • the second strain gauge arrangement can be arranged on a lateral surface (parallel to the axis of rotation of the transmission element) or an end face (perpendicular to the axis of rotation of the transmission element) of the elastic transmission element.
  • the first and second strain gauge arrangements are preferably arranged together on the lateral surface or together on the end face.
  • the strain gauges of the several second measuring channels of the second strain gauge arrangement are preferably arranged in such a way that two second measuring signals each deliver an almost identical value. The redundancy of the measuring signals can further increase the integrity of the stress wave transmission.
  • the torque is determined from the measuring signals and the measured mechanical stresses, whereby the determined torque from the second measuring channels depends on the angular position of the wave generator.
  • the second strain gauge arrangement can, for example, have two, four or eight measuring channels, whereby the second strain gauge arrangement particularly preferably has four measuring channels.
  • a difference is formed between a first term dependent on the first measurement signal and a second term dependent on several second measurement signals. This makes it possible to determine whether a measurement channel is faulty by comparing the first and second terms. This simple calculation has a particularly advantageous effect on the computing power required.
  • the first and/or the second term preferably comprises one or more proportionality factor(s) and/or one or more constant(s), which are preferably determined empirically. These proportionality factors and constants can be determined from experimental data or from simulation data or by calibration. For plausibility checks, the amount of the difference can be calculated and compared with a tolerance value.
  • This tolerance value can be determined empirically or by simulation, whereby the tolerance value can be selected to be identical for all measuring channels or can be determined individually for each measuring channel. Furthermore, the tolerance value can have a fixed value or can be adjusted as the operating time progresses.
  • a Plausibility check of the first measuring channel is carried out in a validation step preceding the plausibility check of the second measuring channels.
  • the plausibility check of the first measuring channel can increase the integrity of the plausibility check of the second measuring channels.
  • the plausibility check of the first measuring channel is carried out using predetermined parameters of the stress wave transmission and an input torque value transmitted by a motor control unit of an electric motor connected to the stress wave transmission.
  • the predetermined parameter of the stress wave transmission is preferably determined from the transmission ratio of the transmission and the transmission efficiency.
  • the plausibility is advantageously formed from the amount of the difference between the first term and a third term, the third term being determined from the specified parameter of the stress wave transmission and the input torque value transmitted by a motor control unit of an electric motor connected to the stress wave transmission.
  • the amount of the difference can be compared with a tolerance value.
  • the input torque value is determined based on a measured electrical current and/or based on control signals from the motor control unit.
  • the existing input torque can be determined from the measured electrical current without using an additional strain gauge. Additionally or alternatively, the existing input torque can also be determined from the existing control signals for controlling an electric motor. By eliminating an additional strain gauge, a potential source of error is eliminated.
  • the plausibility check of the first measuring channel is carried out using predetermined parameters of the stress wave transmission and a sensor torque value transmitted by a further torque sensor.
  • the further torque sensor can be arranged on the input side or output side of the stress wave transmission.
  • a further subject of the invention is a method for determining a torque acting on an elastic transmission element of a stress wave transmission, wherein a wave generator acts on the elastic transmission element, wherein the elastic transmission element has a first strain gauge arrangement with a first measuring channel, wherein a first measuring signal of the first measuring channel of the first strain gauge arrangement is proportional to the torque and does not depend, or depends only to a small extent, on an angular position of the wave generator, and wherein the elastic transmission element has a second strain gauge arrangement with a plurality of second measuring channels, wherein second measuring signals of the individual second measuring channels of the second strain gauge arrangement are dependent on the rotational position of the wave generator, wherein a faulty second measuring channel is detected according to a method according to an embodiment of the present invention, the faulty second measuring channel is corrected using the first measuring signal and one or more second measuring signals, and wherein the torque acting on the transmission ring is determined using the corrected second measuring channel and the remaining second measuring channels.
  • the detection of a faulty second measuring channel makes it possible to correct the second measuring channel that is identified as faulty.
  • a replacement signal can be determined that is dependent on the first measuring signal and one or more of the other second measuring signals.
  • the corrected second measuring channel can be included in the determination of the torque acting on the transmission ring. The advantage is that a faulty channel can be corrected or replaced so that this channel further increases the integrity of the measured torque on the stress wave transmission.
  • the first measurement signal and exactly one second measurement signal are required to correct the measurement channel identified as faulty. No computationally intensive prediction models are required here.
  • the first measurement signal and a second measurement signal are each multiplied by a proportionality factor and/or a constant is added to this.
  • a further subject of the invention is a drive module with a stress wave transmission, which has an elastic transmission element and a wave generator acting on the elastic transmission element, wherein the elastic transmission element has a first strain gauge arrangement with a first measuring channel, wherein a first measuring signal of the first measuring channel of the first strain gauge arrangement is proportional to the torque and does not depend, or only depends to a small extent, on an angular position of the wave generator, and wherein the elastic transmission element has a second strain gauge arrangement with a plurality of second measuring channels, wherein second measuring signals of the individual second measuring channels of the second strain gauge arrangement depend on the rotational position of the wave generator, and with an evaluation unit which is configured to detect a faulty second measuring channel according to a method according to an embodiment of the present invention, to correct the faulty second measuring channel based on the first measuring signal and one or more second measuring signals and to determine the torque acting on the transmission ring based on the corrected second measuring channel and the remaining second measuring channels.
  • the drive module can achieve the same advantages and effects that have already been described in connection with the method according to the invention for detecting a faulty measuring channel.
  • the drive module has an electric motor and a motor control unit, wherein the evaluation unit is further configured to carry out a plausibility check of the first measuring channel in a validation step preceding the plausibility check of the second measuring channels, wherein the plausibility check of the first measuring channel is carried out on the basis of predetermined parameters of the stress wave transmission and an input torque value transmitted by a motor control unit of an electric motor connected to the stress wave transmission.
  • the advantageous embodiments and features described in connection with the method according to the invention for detecting a faulty measuring channel can also be applied to the drive module, alone or in combination.
  • Another subject matter of the invention is a robot arm with at least one drivable arm segment, wherein the arm segment can be driven via the drive module according to one of the preceding embodiments of the invention.
  • the robot arm can achieve the same advantages and effects that have already been described in connection with the method according to the invention for detecting a faulty measuring channel.
  • the advantageous embodiments and features described in connection with the method according to the invention for detecting a faulty measuring channel can also be used in the robot arm, alone or in combination. Further details and advantages of the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an elastic transmission element with a first and a second strain gauge arrangement
  • Fig. 2 is a schematic representation of a preferred connection of strain gauges of a measuring channel
  • Fig. 3 several measurement signals from different second measurement channels
  • Fig. 4 is a schematic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a robot in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows an elastic transmission element 1, wherein the elastic transmission element 1 has a first strain gauge arrangement 10 and a second strain gauge arrangement 20.
  • the elastic transmission element 1 can be used as part of a stress wave transmission.
  • the stress wave transmission can have a wave generator, a rigid outer ring with internal teeth and the elastic transmission element 1 arranged between them.
  • the two strain gauge arrangements are arranged on a front side of the transmission element 1, which is arranged perpendicular to a rotation axis of the transmission element 1.
  • the first strain gauge arrangement 10 extends completely over the circumference of the transmission element, i.e. it completely covers the winding area around the rotation axis.
  • the second strain gauge arrangement 20 comprises several, here four, second measuring channels 22, 23, 24, 25.
  • the second strain gauge arrangement 20 is arranged radially outside the first strain gauge arrangement 10.
  • the strain gauge arrangement 20 can be arranged radially inside the first strain gauge arrangement 10.
  • the first measuring channel and the second measuring channels 22, 23, 24, 25 each have several strain gauges. As a result of mechanical stress, the strain gauges are deformed and their electrical resistance changes. This change in resistance can be detected and the mechanical stress in the elastic transmission element 1 and the torque acting on the transmission element 1 can be derived from it.
  • Fig. 2 shows an example of a schematic representation of a preferred connection 30 of the strain gauges of a measuring channel as a Wheatstone bridge. This connection is preferably used for the first measuring channel and the second measuring channels 22, 23, 24, 25.
  • the bridge circuit shown in Fig. 2 comprises four strain gauges 31, 32, 33, 34. Two of these strain gauges 31, 32, 33, 34 are each connected in series to form a branch of the bridge circuit.
  • the bridge circuit comprises two branches connected in parallel. A supply voltage is applied to the branches between a supply voltage connection 35 and a ground connection 36. Between the two strain gauges of each branch, a tap 37, 38 is provided, via which the measurement signal of the respective measurement channel can be taken.
  • Fig. 3 shows second measurement signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 of the second measurement channels 22, 23, 24, 25. It can be seen that the second measurement signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 have a sinusoidal shape depending on the rotational position W of the wave generator.
  • the second measurement channels 22, 23, 24, 25 are arranged in such a way that the second measurement signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 each have a phase offset of 45° from one another.
  • Two of the second measurement signals are each symmetrical (e.g. measurement signals ST_0 and ST_90 as well as ST_45 and ST_135), so that their oscillations cancel each other out when added together.
  • the sum of all four measuring signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 is proportional to the torque on the elastic transmission element 1.
  • the torque can thus be calculated by multiplying the sum of all four measuring signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 by a predetermined proportionality factor (e2).
  • T G es e2*(ST_0+ST_45+ST_90+ST_135)
  • each measurement signal ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 has a proportionality factor and/or a constant. It is conceivable that the factors and constants are adapted as the operating time progresses.
  • a torque present on a second measuring channel can be determined using the measurement signals from two measuring channels that are each offset by 180°.
  • torque values T_0, T_45, T90 and T135 result:
  • T_135 a7*ST_135 + a8*ST_45 + b4
  • the first measuring signal ST_circular of the first measuring channel of the first strain gauge arrangement 10 is only slightly or not at all dependent on a rotational position W of the wave generator.
  • the torque values can alternatively be determined from the symmetrical second measurement signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 and the first measurement signal ST_circular:
  • ST_135_hat c3*ST_45 + c4*ST_circular + d2
  • ST_0_hat c5*ST_90 + c6*ST_circular + d3
  • ST_45_hat c7*ST_135 + c8*ST_circular + d4
  • a1 to a7, b1 to b4 and c1 to c8 are predefined values that were determined, for example, during a calibration.
  • torque values can be specified based on the above equations by inserting ST_90_hat for ST_90 etc., which are only dependent on a second measuring channel and the first measuring channel:
  • Fig. 4 shows a flow chart of an embodiment of a method 400 for detecting and correcting a faulty measuring channel.
  • a first method step 401 the plausibility of the measurement signal of the first measuring channel is checked in a plausibility check.
  • it is validated to what extent the determined torque of the first measuring channel differs from the present torque.
  • the torque present at the elastic transmission element 1 can be determined based on predetermined parameters of the stress wave transmission and an input torque value transmitted by a motor control unit of an electric motor connected to the stress wave transmission.
  • the motor control unit can transmit the input torque value and/or other parameters to an evaluation unit, for example using the SPI protocol (serial peripheral interface).
  • the input torque value can be determined using a measured electrical current and/or control signals from the motor control unit.
  • the first measuring channel can be validated using another torque sensor, which is arranged on the input or output side of the stress wave gear.
  • a first comparison step 402 it is determined whether the measured torque value of the first measuring channel is within a predetermined tolerance range. If the measured torque value is outside this tolerance range (arrow 403'), an error state 404 of the first measuring channel is present. In a notification step 405, an error message is generated and transmitted, for example, to the engine control unit.
  • the first measuring channel is in a functional operating state 406.
  • the first measuring channel can therefore be used for the subsequent checking of the plausibility of the second measuring signals ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 of the second measuring channels 22, 23, 24, 25 in a test step 407.
  • a difference is formed for every second measurement signal from the product of the first measurement signal ST_circular with a predetermined proportionality factor e1 and the respective torque value T_0, T_45, T_90, T_135, which only depends on a second measurement signal and the first measurement signal ST_circular.
  • the tolerance values_0, 45, 90, 135 can be identical or different. This also includes the variant that the tolerance values_0, 90 are identical and the tolerance values_45, 135 are identical, but the tolerance value_0, 90 and tolerance value_45, 135 are different.
  • a method step 408 it is checked whether all second measuring channels 22, 23, 24, 25 are faulty. If this is the case (arrow 409), a state 414 with four defective second measuring channels 22, 23, 24, 25 exists.
  • a notification step 415 an error message is generated and, if necessary, transmitted to the engine control unit. Error correction is not possible.
  • step 411 it is checked whether only a single second measuring channel
  • the respective faulty second measuring channel 22, 23, 24, 25 is corrected.
  • the respective equation with the index _hat is used for the correction.
  • the measuring signal ST_0 is replaced, for example, by ST_0_hat, the measuring signal ST_45 by ST_45_hat, etc.
  • the correction is thus carried out using the first measuring signal ST_circular and a second measuring signal.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of an embodiment of a robot designed as an industrial robot 200 with several arm segments 201, each of which is rotatably connected via drive modules 100, in which the invention is implemented. Even if the industrial robot 200 shown here has three arm segments 201 and three drive modules 100, designs of the industrial robot 200 with a different number of arm segments 201 and drive modules 100 are conceivable, for example four, five, six or seven. Furthermore, a drive module 100 can be used for any robot joints. Such industrial robots 200 are often used as collaborative robots that work in close cooperation with people.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals an einem elastischen Übertragungselement in einem Spannungswellengetriebe, wobei ein Wellengenerator auf das elastische Übertragungselement einwirkt, wobei das elastische Übertragungselement eine erste Dehnungsmessstreifen-Änordnung mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Änordnung proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement eine zweite Dehnungsmessstreifen-Änordnung mit mehreren zweiten Messkanälen aufweist, wobei zweite Messsignale der einzelnen zweiten Messkanäle der zweiten Dehnungsmessstreifen-Änordnung abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, dadurch gekennzeichnet, dass: - für jeden der zweiten Messkanäle eine Plausibilitätskontrolle anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals in einem Spannungswellengetriebe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals an einem elastischen Übertragungselement in einem Spannungswellengetriebe. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe.
Spannungswellengetriebe (auch Wellgetriebe, Gleitkeilgetriebe; engl. „strain wave gearing“ oder „harmonic drive“) ermöglichen eine nahezu spielfreie Kraftübertragung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und sind daher insbesondere für Anwendungen geeignet, für die präzise Bewegungen und ein geringer Raumbedarf erforderlich sind. Da sich aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses mit relativ kleinen Motoren hohe Drehmomente erzeugen lassen, können durch Spannungswellengetriebe sehr kompakte Antriebsmechanismen realisiert werden, die beispielsweise in der Robotik zum Einsatz kommen.
Ein Spannungswellengetriebe enthält als Hauptkomponenten einen Wellengenerator („wave generator“), einen starren Außenring („circular spline“) mit Innenverzahnung und einen dazwischen angeordneten elastischen Übertragungselement („flexspline“) mit Außenverzahnung. Im Gegensatz zu starren Getrieben basiert die Übertragung des Drehmoments zwischen Wellengenerator und Außenring auf einer elastischen Verformung, bei welcher der Übertragungsring durch den Wellengenerator derart zu einem Oval verformt wird, dass er an zwei gegenüberliegenden Seiten seines Umfangs in Eingriff mit dem Außenring steht. Durch die Drehung des Wellengenerators wälzt der Übertragungsring auf dem Außenring ab, so dass durch die ineinandergreifenden Verzahnungen ein Drehmoment zwischen dem Übertragungsring und dem Außenring übertragen wird. Hierbei wird das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch die Differenz der Zähnezahlen von Übertragungsring und Außenring bestimmt.
Im Betrieb entstehen bei einem übermäßig starken Drehmoment, beispielsweise wenn das Getriebe gegen einen hohen Widerstand arbeitet, sogenannte Eingriffsstörungen. Eine Eingriffsstörung ist ein zwischen Übertragungsring und Außenring zumindest teilweise verloren gehender Eingriff, so dass die Zähne des Übertragungsrings die Zähne des Außenrings überspringen („ratcheting“). Während die Drehung des Übertragungsrings und die des Außenrings im Normalbetrieb strikt gekoppelt sind, kommt es bei einer solchen Eingriffsstörung vorübergehend zu einer unkontrollierten Relativdrehung zwischen den beiden Ringen. Dadurch entsteht auf der Abtriebsseite ein unbekannter Winkelversatz (Offset) gegenüber der Antriebsseite, der eine genaue Kontrolle der Winkelposition unmöglich macht.
Drehmomentsensoren in dem Spannungswellengetriebe können während des Betriebes Aufschluss über den Zustand des Spannungswellengetriebes liefern und der Überwachung des Betriebes dienen. Die Drehmomentsensoren werden hierzu als Dehnungsmessstreifen ausgebildet und auf dem elastischen Übertragungselement angeordnet, um die mechanische Spannung am Übertragungselement zu messen. Aus der mechanischen Spannung wird anschließend das auf das elastische Übertragungselement wirkende Drehmoment bestimmt. Typischerweise werden Dehnungsmessstreifen-Anordnungen mit mehreren Dehnungsmesstreifen verwendet, die beispielsweise in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Wenn eine Dehnungsmessstreifen-Anordnung lediglich einen beschränkten Winkelbereich des Übertragungselements abdeckt, ist das Messignal von der Winkelposition des Wellengenerators abhängig von dessen Winkelstellung. Erstreckt sich die Dehnungsmessstreifen-Anordnung hingegen über den gesamten oder nahezu den gesamten Umfang des Übertragungselements, so kann ein Messsignal erhalten werden, welches nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt.
Um fehlerhafte Dehnungsmessstreifen einer Dehnungsmessstreifen-Anordnung zu erkennen, ist aus der WO 2021/148068 A1 ein Verfahren zur Überprüfung einer Anordnung von Dehnungsmessstreifen bekannt, welches es ermöglicht, einen einzelnen Defekt eines von mehreren Dehnungsmessstreifen zu erkennen. Das Verfahren verwendet ein Vorhersagemodell, welches durch eine Finite-Elemente-Analyse oder maschinelles Lernen bestimmt wird, und erfordert daher eine erhebliche Rechenleistung.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und ein System zur Verfügung zu stellen, welches die funktionale Sicherheit erhöht, indem ein Ausfall oder eine fehlerhafte Funktion eines Messkanals einer Dehnungsmessstreifen-Anordnung erkannt wird, wobei die Rechenleistung zur Erkennung eines solchen Defekts reduziert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals an einem elastischen Übertragungselement in einem Spannungswellengetriebe, wobei ein Wellengenerator auf das elastische Übertragungselement einwirkt, wobei das elastische Übertragungselement eine erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement eine zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit mehreren zweiten Messkanälen aufweist, wobei zweite Messsignale der einzelnen zweiten Messkanäle der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, wobei für jeden der zweiten Messkanäle eine Plausibilitätskontrolle anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht von einem elastischen Übertragungselement Gebrauch, welches zwei Dehnungsmessstreifen-Anordnungen umfasst. Die zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung weist mehrere zweite Messkanäle auf, die jeweils zweite Messignale bereitstellen, die von der Drehstellung des Wellengenerators abhängig sind. Durch eine Verknüpfung dieser zweiten Messsignale kann ein Ausgangssignal erhalten werden, welches diese Abhängigkeit nicht aufweist und proportional zum Drehmoment ist. Diesen Ausgangssignal kann eine hohe Genauigkeit aufweisen und im Betrieb des Übertragungselements zur Messung des Drehmoments genutzt werden. Die erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung umfasst hingegen nur einen ersten Messkanal, dessen erstes Messsignal jedoch nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, fehlerhafte zweite Messkanäle zu detektieren, indem für jeden der zweiten Messkanäle eine Plausibilitätskontrolle anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale durchgeführt wird.
Ein Messkanal einer Dehnungsmessstreifen-Anordnung kann einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen aufweisen. Die Dehnungsmesstreifen messen dabei die mechanische Spannung im elastischen Übertragungselement, wobei die mechanische Spannung proportional zum vorliegenden Drehmoment ist. Ein fehlerhafter Messkanal kann insbesondere dann vorliegen, wenn ein Dehnungsmessstreifen beschädigt ist. Bevorzugt umfasst jeder erste und jeder zweite Messkanal jeweils mehrere Dehnungsmesstreifen, die in einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstoneschen Messbrücke, verschaltet sind.
Die erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung weist einen ersten Messkanal auf, wobei dessen erstes Messignal nicht oder nur in geringem Maße von der Winkelposition des Wellengenerators abhängt. Die erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung kann sich dabei um den gesamten oder nahezu den gesamten Umfang des elastischen Übertragungselementes erstrecken. Die erste Dehnungsmessstreifenanordnung kann auf einer Mantelfläche (parallel zur Drehachse des Übertragungselements) oder einer Stirnfläche (senkrecht zur Drehachse des Übertragungselements) des elastischen Übertragungselements angeordnet sein.
Die zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung kann auf einer Mantelfläche (parallel zur Drehachse des Übertragungselements) oder einer Stirnfläche (senkrecht zur Drehachse des Übertragungselements) des elastischen Übertragungselements angeordnet sein. Bevorzugt sind die erste und die zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung zusammen auf der Mantelfläche oder zusammen auf der Stirnfläche angeordnet. Die Dehnungsmessstreifen der mehreren zweiten Messkanäle der zweiten Dehnungsmesstreifen-Anordnung sind dabei bevorzugt derart angeordnet, dass je zwei zweite Messsignale einen nahezu identischen Wert liefern. Die Redundanz der Messsignale kann die Integrität des Spannungswellengetriebes weiter erhöhen. Aus den Messsignalen und den gemessenen mechanischen Spannungen wird das Drehmoment bestimmt, wobei das ermittelte Drehmoment von den zweiten Messkanälen von der Winkelposition des Wellengenerators abhängig ist. Die zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung kann beispielswiese zwei, vier oder acht Messkanäle aufweisen, wobei die zweite Dehnungsmesstreifen-Anordnung besonders bevorzugt vier Messkanäle aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Plausibilitätskontrolle eine Differenz eines von dem ersten Messsignal abhängigen ersten Terms und eines von mehreren zweiten Messsignalen abhängigen zweiten Terms gebildet wird. Somit besteht die Möglichkeit, dass anhand eines Vergleichs des ersten und des zweiten Terms erkannt werden kann, ob ein Messkanal fehlerhaft ist. Besonders vorteilhaft wirkt sich diese simple Rechnung auf die benötigte Rechenleistung aus.
Der erste und/oder der zweite Term umfasst bevorzugt einen oder mehrere Proportionalitätsfaktor(en) und/oder eine oder mehrere Konstante(n), welche bevorzugt empirisch ermittelt sind. Diese Proportionalitätsfaktoren und Konstanten können aus experimentellen Daten oder aus Simulationsdaten oder durch eine Kalibrierung bestimmt werden. Zur Plausibilitätskontrolle kann der Betrag der Differenz gebildet und mit einem Toleranzwert verglichen werden. Dieser Toleranzwert kann empirisch oder simulativ ermittelt werden, wobei der Toleranzwert für alle Messkanäle identisch gewählt sein kann oder für jeden Messkanal individuell ermittelt sein kann. Ferner kann der Toleranzwert einen festen Wert aufweisen oder mit fortschreitender Betriebsdauer angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem der Plausibilitätskontrolle der zweiten Messkanäle vorhergehenden Validierungsschritt eine Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals durchgeführt wird. Die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals kann dabei die Integrität der Plausibilitätskontrolle der zweiten Messkanäle erhöhen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs-Drehmomentwerts durchgeführt wird. Bevorzugt wird der vorgegebene Parameter des Spannungswellengetriebes aus dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes und dem Getriebewirkungsgrad bestimmt.
Die Plausibilität wird vorteilhafterweise aus dem Betrag der Differenz des ersten Terms und einem dritten Term gebildet, wobei der dritte Term aus dem vorgegebenen Parameter des Spannungswellengetriebes und dem von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs- Drehmomentwerts ermittelt wird. Der Betrag der Differenz kann mit einem Toleranzwert verglichen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Eingangs- Drehmomentwert anhand eines gemessenen elektrischen Stroms und/oder anhand von Steuersignalen der Motorsteuereinheit ermittelt wird. Aus dem gemessenen elektrischen Strom kann ohne die Verwendung eines weiteren Dehnungsmessstreifens das vorliegende eingangsseitige Drehmoment bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch aus den vorliegenden Steuersignalen zur Ansteuerung eines Elektromotors das vorliegende eingangsseitige Drehmoment ermittelt werden. Durch den Entfall eines weiteren Dehnungsmessstreifen, entfällt eine potenzielle Fehlerquelle.
Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einem weiteren Drehmomentsensor übermittelten Sensor- Drehmomentwerts durchgeführt wird. Der weitere Drehmomentsensor kann eingangsseitig oder ausgangsseitig an dem Spannungswellengetriebe angeordnet sein.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung eines an einem elastischen Übertragungselement eines Spannungswellengetriebes wirkenden Drehmoments, wobei ein Wellengenerator auf das elastische Übertragungselement einwirkt, wobei das elastische Übertragungselement eine erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement eine zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit mehreren zweiten Messkanälen aufweist, wobei zweite Messsignale der einzelnen zweiten Messkanäle der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, wobei ein fehlerhafter zweiter Messkanal gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detektiert wird, der fehlerhafte zweite Messkanal anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale korrigiert wird und wobei das an dem Übertragungsring wirkende Drehmoment anhand des korrigierten zweiten Messkanals und der restlichen zweiten Messkanäle ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Detektion eines fehlerhaften zweiten Messkanals ermöglicht es, den als fehlerhaft erkannten, zweiten Messkanal zu korrigieren. Zur Korrektur des fehlerhaften zweiten Messkanals kann ein Ersatzsignal ermittelt werden, welches abhängig ist von dem ersten Messsignal und einem oder mehreren der anderen zweiten Messsignale. Darüber hinaus kann der korrigierte zweite Messkanal bei der Bestimmung des an dem Übertragungsring wirkenden Drehmoments mit einbezogen werden. Der Vorteil liegt darin, dass ein fehlerhafter Kanal korrigiert bzw. ersetzt werden kann, sodass dieser Kanal die Integrität des gemessenen Drehmoments am Spannungswellengetriebe weiter erhöht.
Bevorzugt ist zur Korrektur des als fehlerhaft erkannten Messkanals lediglich das erste Messsignal und genau ein zweites Messsignal erforderlich. Hierbei bedarf es keiner rechenintensiver Vorhersagemodelle. Bevorzugt wird das erste Messsignal und ein zweites Messsignal jeweils mit einem Proportionalitätsfaktor multipliziert und/oder eine Konstante zu diesem addiert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsmodul mit einem Spannungswellengetriebe, das ein elastisches Übertragungselement und einen auf das elastische Übertragungselement wirkenden Wellengenerator aufweist, wobei das elastische Übertragungselement eine erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement eine zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung mit mehreren zweiten Messkanälen aufweist, wobei zweite Messsignale der einzelnen zweiten Messkanäle der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, und mit einer Auswerteeinheit, die dazu konfiguriert ist, einen fehlerhaften zweiten Messkanal gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu detektieren, den fehlerhaften zweiten Messkanal anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale zu korrigieren und das an dem Übertragungsring wirkende Drehmoment anhand des korrigierten zweiten Messkanals und der restlichen zweiten Messkanäle zu ermitteln.
Bei dem Antriebsmodul können dieselben Vorteile und Wirkungen erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals beschrieben worden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Antriebsmodul einen Elektromotor und eine Motorsteuereinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit ferner dazu konfiguriert ist, in einem der Plausibilitätskontrolle der zweiten Messkanäle vorhergehenden Validierungsschritt eine Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals durchzuführen, wobei die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs- Drehmomentwerts durchgeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich können die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale auch bei dem Antriebsmodul, allein oder in Kombination, Anwendung finden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Roboterarm mit mindestens einem antreibbaren Armsegment, wobei das Armsegment über das Antriebsmodul nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung antreibbar ist.
Bei dem Roboterarm können dieselben Vorteile und Wirkungen erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können auch bei dem Roboterarm, allein oder in Kombination, Anwendung finden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines elastischen Übertragungselements mit einer ersten und einer zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Verschaltung von Dehnungsmessstreifen eines Messkanals;
Fig. 3 mehrere Messsignale von unterschiedlichen zweiten Messkanälen;
Fig. 4 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters in einer schematischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt ein elastisches Übertragungselement 1, wobei das elastische Übertragungselement 1 eine erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung 10 und eine zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung 20 aufweist. Das elastische Übertragungselement 1 kann als Teil eines Spannungswellengetriebes Verwendung finden. Das Spannungswellengetriebe kann einen Wellengenerator, einen starren Außenring mit Innenverzahnung und das dazwischen angeordnete elastische Übertragungselement 1 aufweisen.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Dehnungsmessstreifen-Anordnungen auf einer Stirnseite des Übertragungselements 1 angeordnet, die senkrecht zu einer Drehachse des Übertragungselements 1 angeordnet ist. Die erste Dehnungsmessstreifen-Anordnung 10 erstreckt sich vollständig über den Umfang des Übertragungselements, d.h. sie deckt den Wickelbereich um die Drehachse vollständig ab. Die zweite Dehnungsmessstreifen- Anordnung 20 umfasst mehrere, hier vier, zweite Messkanäle 22, 23, 24, 25. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die zweite Dehnungsmessstreifen-Anordnung 20 radial außerhalb der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung 10 angeordnet. Gemäß einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels kann die Dehnungsmessstreifen-Anordnung 20 radial innerhalb der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung 10 angeordnet sein.
Der erste Messkanal und die zweiten Messkanäle 22, 23, 24, 25 weisen jeweils mehrere Dehnungsmessstreifen auf. Infolge mechanischer Belastung werden die Dehnungsmessstreifen verformt und ihr elektrischer Widerstand verändert sich. Diese Widerstandsveränderung kann detektiert und daraus die mechanische Spannung im elastischen Übertragungselement 1 und das auf das Übertragungselement 1 wirkende Drehmoment abgeleitet werden. Fig. 2 zeigt exemplarisch eine schematische Darstellung einer bevorzugten Verschaltung 30 der Dehnungsmessstreifen eines Messkanals als Wheatstonesche Brücke. Diese Verschaltung findet bevorzugt Anwendung bei dem ersten Messkanal und den zweiten Messkanälen 22, 23, 24, 25.
Die in Fig. 2 gezeigte Brückenschaltung umfasst vier Dehnungsmessstreifen 31, 32, 33, 34. Zwei dieser Dehnungsmessstreifen 31, 32, 33, 34 sind jeweils in Serie geschaltet, um einen Zweig der Brückenschaltung zu bilden. Die Brückenschaltung umfasst zwei parallel geschaltete Zweige. An den Zweigen wird eine Versorgungsspannung zwischen einem Versorgungsspanungsanschluss 35 und einem Masseanschluss 36 angelegt. Zwischen den beiden Dehnungsmesstreifen jedes Zweigs ist ein Abgriff 37, 38 vorgesehen, über welche das Messsignal des jeweiligen Messkanals abgenommen werden kann.
In Fig. 3 sind zweite Messsignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 der zweiten Messkanäle 22, 23, 24, 25 abgebildet. Es ist erkennbar, dass die zweiten Messsignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 in Abhängigkeit von der Drehstellung Wdes Wellengenerators einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Dabei sind die zweiten Messkanäle 22, 23, 24, 25 derart angeordnet, dass die zweiten Messsignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 jeweils einen Phasenversatz von 45° gegeneinander aufweisen. Zwei der zweiten Messignale sind jeweils symmetrisch (z.B. Messsignale ST_0 und ST_90 sowie ST_45 und ST_135), so dass sich ihre Schwingungen bei Addition auslöschen. Die Summe aller vier Messsignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 ist proportional zum Drehmoment am elastischen Übertragungselement 1. Das Drehmoment kann somit dadurch berechnet werden, dass die Summe aller vier Messsignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor (e2) multipliziert wird.
TGes = e2*(ST_0+ST_45+ST_90+ST_135)
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jedes Messsignal ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 einen Proportionalitätsfaktor und/oder eine Konstante auf. Hierbei ist es denkbar, dass die Faktoren und Konstanten mit fortschreitender Betriebsdauer angepasst werden.
Ein an einem zweiten Messkanal vorliegendes Drehmoment kann allerdings anhand der Messsignale zweier jeweils um 180° versetzt angeordneter Messkanäle ermittelt werden. Es ergeben sich beispielsweise folgende Drehmomentwerte T_0, T_45, T90 und T135:
T_0 = a1*ST_0 + a2*ST_90 + b1 T_45 = a3*ST_45 + a4*ST_135 + b2 T_90 = a5*ST_90 + a6*ST_0 + b3
T_135 = a7*ST_135 + a8*ST_45 + b4
Das erste Messsignal ST_circular des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen- Anordnung 10 ist hingegen nur in geringem Maße oder gar nicht abhängig von einer Drehstellung W des Wellengenerators.
Die Drehmomentwerte können alternativ aus den symmetrischen zweiten Messignalen ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 und dem ersten Messsignal ST_circular ermittelt werden:
ST_90_hat = c1*ST_0 + c2*ST_circular + d1
ST_135_hat = c3*ST_45 + c4*ST_circular + d2 ST_0_hat = c5*ST_90 + c6*ST_circular + d3 ST_45_hat = c7*ST_135 + c8*ST_circular + d4
Dabei sind a1 bis a7, b1 bis b4 und c1 bis c8 vorgegebene Werte, die z.B. im Rahmen einer Kalibrierung ermittelt wurden.
Sofern der erste Messkanal funktionstüchtig ist, können auf Grundlage der oben genannten Gleichungen bei Einsetzen von ST_90_hat für ST_90 usw. Drehmomentwerte angegeben werden, die jeweils nur abhängig von einem zweiten Messkanal und dem ersten Messkanal sind:
T_0 = a1*ST_0 + a2*( c1*ST_0 + c2*ST_circular + d1) + b1 T_45 = a3*ST_45 + a4*( c3*ST_45 + c4*ST_circular + d2) + b2 T_90 = a5*ST_90 + a6*( c5*ST_90 + c6*ST_circular + d3) + b3 T_135 = a7*ST_135 + a8*( c7*ST_135 + c8*ST_circular + d4) + b4
In Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zur Detektion und Korrektur eines fehlerhaften Messkanals gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 401 wird in einer Plausibilitätskontrolle die Plausibilität des Messsignals des ersten Messkanals überprüft. In diesem Schritt wird validiert, inwiefern das ermittelte Drehmoment des ersten Messkanals sich von dem vorliegenden Drehmoment unterscheidet. Hierzu kann, anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs-Drehmomentwerts, das am elastischen Übertragungselement 1 vorliegende Drehmoment bestimmt werden. Die Motorsteuereinheit kann dabei den Eingangs-Drehmomentwert und/oder weitere Parameter an eine Auswerteeinheit übermitteln, beispielsweise mittels des SPI-Protokolls (serial peripheral interface) mitteilen. Der Eingangs-Drehmomentwert kann anhand eines gemessenen elektrischen Stroms und/oder anhand von Steuersignalen der Motorsteuereinheit ermittelt werden. Alternativ kann der erste Messkanal über einen weiteren Drehmomentsensor validiert werden, welcher ein- bzw. ausgangsseitig am Spannungswellengetriebe angeordnet ist.
In einer ersten Vergleichsschritt 402 wird festgestellt, ob der gemessene Drehmomentwert des ersten Messkanals in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt. Liegt der gemessene Drehmomentwert außerhalb dieses Toleranzbereichs (Pfeil 403‘) so ist ein Fehlerzustand 404 des ersten Messkanals gegeben. In einem Benachrichtigungsschritt 405 wird eine Fehlernachricht erzeugt und beispielsweise an die Motorsteuereinheit übermittelt.
Liegt der gemessene Drehmomentwert innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs (Pfeil 403) so befindet sich der erste Messkanal in einem funktionstüchtigen Betriebszustand 406. Der erste Messkanal kann daher zur nachfolgenden Prüfung der Plausibilität der zweiten Messignale ST_0, ST_45, ST_90, ST_135 der zweiten Messkanäle 22, 23, 24, 25 ein einem Prüfungsschritt 407 herangezogen werden.
In diesem Prüfungsschritt 407 wird für jeden zweiten Messsignal eine Differenz gebildet aus dem Produkt des ersten Messsignals ST_circular mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor e1 und dem jeweiligen Drehmomentwert T_0, T_45, T_90, T_135, der nur von einem zweiten Messsignal und dem ersten Messsignal ST_circular abhängig ist.
Wenn abs(e1*ST_circular - T_0) > Toleranzwert_0, so ist der zum zweiten Messsignal ST_0 gehörige zweite Messkanal 22 fehlerhaft. Wenn abs(e1*ST_circular - T_45) > Toleranzwert_45, so ist der zum zweiten Messsignal ST_45 gehörige zweite Messkanal 23 fehlerhaft. Wenn abs(e1*ST_circular - T_90) > Toleranzwert_90, so ist der zum zweiten Messsignal ST_90 gehörige zweite Messkanal 24 fehlerhaft. Wenn abs(e1*ST_circular - T_135) > Toleranzwert_135, so ist der zum zweiten Messsignal ST_135 gehörige zweite Messkanal 25 fehlerhaft.
Die Toleranzwerte_0, 45, 90, 135 können identisch sein oder sich unterscheiden. Hierbei wird auch die Variante umfasst, dass die Toleranzwerte_0, 90 identisch sind und die Toleranzwerte_45, 135 identisch sind, jedoch der Toleranzwert_0, 90 und Toleranzwert_45, 135 sich unterscheiden. Zunächst wird in einem Verfahrensschritt 408 geprüft, ob alle zweiten Messkanäle 22, 23, 24, 25 fehlerhaft sind. Ist dies der Fall (Pfeil 409), so liegt ein Zustand 414 mit vier defekten zweiten Messkanälen 22, 23, 24, 25 vor. In einem Benachrichtigungsschritt 415 wird eine Fehlermeldung erzeugt und ggf. an die Motorsteuereinheit übermittelt. Eine Fehlerkorrektur ist nicht möglich.
Sofern nicht sämtliche zweite Messkanäle 22, 23, 24, 25 defekt sind (Pfeil 409‘), werden in Schritt 410 Fehlerregister für die jeweils defekten Messkanäle 22, 23, 24, 25 gesetzt. Nachfolgend wird in Schritt 411 geprüft, ob ausschließlich ein einzelner zweiter Messkanal
22, 23, 24, 25 defekt ist. Sofern ein solcher einzelner Fehler eines zweiten Messkanals 22,
23, 24, 25 vorliegt (Pfeil 412) wird der jeweilige fehlerhafte zweite Messkanal 22, 23, 24, 25 korrigiert. Zur Korrektur wird die jeweilige Gleichung mit dem Index _hat verwendet. Das Messsignal ST_0 wird zur Korrektur beispielsweise durch ST_0_hat ersetzt, das Messsignal ST_45 durch ST_45_hat usw. Somit erfolgt die Korrektur anhand des ersten Messsignals ST_circular und eines zweiten Messsignals.
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines als Industrieroboter 200 ausgebildeten Roboters mit mehreren Armsegmenten 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 drehbar verbunden sind, bei denen die Erfindung verwirklicht ist. Auch wenn der hier dargestellte Industrieroboter 200 drei Armsegmente 201 und drei Antriebsmodule 100 aufweist, sind Ausgestaltungen des Industrieroboters 200 mit einer abweichenden Anzahl an Armsegmenten 201 und Antriebsmodulen 100 denkbar, beispielsweise jeweils vier, fünf, sechs oder sieben. Ferner kann ein Antriebsmodul 100 für jegliche Robotergelenke verwendet werden. Solche Industrieroboter 200 finden oftmals Verwendung als kollaborative Roboter, welche in enger Zusammenarbeit mit Menschen arbeiten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion eines fehlerhaften Messkanals an einem elastischen Übertragungselement (1) in einem Spannungswellengetriebe, wobei ein Wellengenerator auf das elastische Übertragungselement (1) einwirkt, wobei das elastische Übertragungselement (1) eine erste Dehnungsmessstreifen- Anordnung (10) mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal (ST_circular) des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (10) proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, wobei das elastische Übertragungselement (1) eine zweite Dehnungsmessstreifen- Anordnung (20) mit mehreren zweiten Messkanälen (22, 23, 24, 25) aufweist, wobei zweite Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) der einzelnen zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (20) abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) eine Plausibilitätskontrolle anhand des ersten Messsignals (ST_circular) und eines oder mehrerer zweiter Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilitätskontrolle eine Differenz eines von dem ersten Messsignal abhängigen ersten Terms und eines von mehreren zweiten Messsignalen (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) abhängigen zweiten Terms gebildet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Plausibilitätskontrolle der zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) vorhergehenden Validierungsschritt eine Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs-Drehmomentwerts durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangs- Drehmomentwert anhand eines gemessenen elektrischen Stroms und/oder anhand von Steuersignalen der Motorsteuereinheit ermittelt wird.
6. Verfahren zur Ermittlung eines an einem elastischen Übertragungselement (1) eines Spannungswellengetriebes wirkenden Drehmoments, wobei ein Wellengenerator auf das elastische Übertragungselement (1) einwirkt, wobei das elastische Übertragungselement (1) eine erste Dehnungsmessstreifen- Anordnung (10) mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal (ST_circular) des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (10) proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement (1) eine zweite Dehnungsmessstreifen- Anordnung (20) mit mehreren zweiten Messkanälen (22, 23, 24, 25) aufweist, wobei zweite Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) der einzelnen zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (20) abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, wobei ein fehlerhafter zweiter Messkanal (22, 23, 24, 25) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche detektiert wird, der fehlerhafte zweite Messkanal (22, 23, 24, 25) anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) korrigiert wird und wobei das an dem Übertragungsring (1) wirkende Drehmoment anhand des korrigierten zweiten Messkanals und der restlichen zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) ermittelt wird.
7. Antriebsmodul (100) mit einem Spannungswellengetriebe, das ein elastisches Übertragungselement (1) und einen auf das elastische Übertragungselement (1) wirkenden Wellengenerator aufweist, wobei das elastische Übertragungselement (1) eine erste Dehnungsmessstreifen- Anordnung (10) mit einem ersten Messkanal aufweist, wobei ein erstes Messsignal (ST_circular) des ersten Messkanals der ersten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (10) proportional zum Drehmoment ist und nicht oder nur in geringem Maße von einer Winkelposition des Wellengenerators abhängt, und wobei das elastische Übertragungselement (1) eine zweite Dehnungsmessstreifen- Anordnung (20) mit mehreren zweiten Messkanälen (22, 23, 24, 25) aufweist, wobei zweite Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) der einzelnen zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) der zweiten Dehnungsmessstreifen-Anordnung (20) abhängig von der Drehstellung des Wellengenerators sind, und mit einer Auswerteeinheit, die dazu konfiguriert ist, einen fehlerhaften zweiten Messkanal (22, 23, 24, 25) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu detektieren, den fehlerhaften zweiten Messkanal (22, 23, 24, 25) anhand des ersten Messsignals und eines oder mehrerer zweiter Messsignale (ST_0, ST_45, ST_90, ST_135) zu korrigieren und das an dem Übertragungsring (1) wirkende Drehmoment anhand des korrigierten zweiten Messkanals und der restlichen zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) zu ermitteln.
8. Antriebsmodul (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmodul (100) einen Elektromotor und eine Motorsteuereinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit ferner dazu konfiguriert ist, in einem der Plausibilitätskontrolle der zweiten Messkanäle (22, 23, 24, 25) vorhergehenden Validierungsschritt eine Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals durchzuführen, wobei die Plausibilitätskontrolle des ersten Messkanals anhand vorgegebener Parameter des Spannungswellengetriebes und eines von einer Motorsteuereinheit eines mit dem Spannungswellengetriebe verbundenen Elektromotors übermittelten Eingangs- Drehmomentwerts durchgeführt wird.
9. Roboterarm (200) mit mindestens einem antreibbaren Armsegment (201), wobei das Armsegment (201) über das Antriebsmodul (100) nach Anspruch 8 antreibbar ist.
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