WO2009135696A1 - Sensoranordnung - Google Patents

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WO2009135696A1
WO2009135696A1 PCT/EP2009/003450 EP2009003450W WO2009135696A1 WO 2009135696 A1 WO2009135696 A1 WO 2009135696A1 EP 2009003450 W EP2009003450 W EP 2009003450W WO 2009135696 A1 WO2009135696 A1 WO 2009135696A1
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transducer
tongues
force
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PCT/EP2009/003450
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Manfred Weiss
Jörg EICHHOLZ
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement with the Malawid and cost-saving loads (forces, torques) can be determined in different spatial directions, for example in robotics or medical technology.
  • strain gauges which are glued directly onto an object to be measured.
  • the change in the electrical resistance is measured, which results purely geometrically predominantly due to the change in length when stretched.
  • the strain gauges are normally meandering, flexible, thin metal lines.
  • systems are known in which optically the displacement of two plates, which are interconnected by springs, are measured.
  • spatial arrangements tions of several sensors which allow in this way a multi-dimensional detection of forces and moments, but are relatively large-scale.
  • Object of the present invention to provide a sensor assembly that is physically small and remains inexpensive to produce.
  • Claim 1 relates to a sensor arrangement, comprising a substantially disc-shaped sensor and a substantially disc-shaped transducer (force transmitter) connectable thereto, wherein the transducers is constructed so that it transmits forces and / or moments in at least one spatial direction to the sensor.
  • the transducers is constructed so that it transmits forces and / or moments in at least one spatial direction to the sensor.
  • the transducers is constructed so that it transmits forces and / or moments in at least one spatial direction to the sensor.
  • 3 tongues are sufficient.
  • 4 tongues can be chosen because of the crystal structure of the silicon 3 bridges would be slightly less favorable.
  • the tongues are coupled to one another via a separate mechanical connection, wherein sections of the tongues act on a force-sensitive area of the sensor, and wherein the sensor arrangement also contains an evaluation unit which controls the action of the tongues on the force-sensitive area in force and / or moments - Convert information.
  • the advantage here is first of all the disc-shaped design of the sensor and the transducer. As a result, very small-sized arrangements can be created, for example, in the field of mechanical interface (ie between a robot arm and tool, in a human joint, etc.) are to accommodate. Also advantageous here is the ease of manufacture, the sensor can be produced, for example, in processes known from semiconductor technology, and the transducer can be separated out of a single-layer material.
  • a sensor made of silicon can be glued to a robot for power transmission or else screwed. As a rule, these adhesive connections also determine the size of the sensor arrangement.
  • a transducer a construction has been developed that is based on one
  • the transducer is designed in such a way that forces and torques in all six axes (optionally less) are limited to exactly one sensor. can be transferred.
  • the senor consists only of a single piece of silicon with piezoresistive resistors in the surface and four bridges each with four measuring resistors for immediate measurement value determination.
  • further resistances are possible in places where no mechanical stress is applied. However, these resistances change with the temperature. If one measures these temperature-dependent resistances, one can distinguish and calculate the influence of temperature-induced stress on force-induced stress.
  • the transducer can be both glued and screwed to the sensor, the same applies to the attachment to the robot or the object whose force / moment load is to be recorded.
  • Screw variant is particularly suitable for stable transducer materials, e.g. Steel, on.
  • transducers have force dividers which are constructed so that only a part of the force acting on the transducer is transmitted to the sensor via the tongues. As a result, only a defined part of the force is transmitted to the sensor, the other is picked up by the transducer, so that the force-sensitive region can not be made too resilient here got to .
  • the tongues also have a mechanical stop which can act as overload protection and anti-failure protection for the sensor.
  • the transducer is designed in one piece and is produced, for example, as a punched or laser cut of a preferably insertable body. It makes sense that the transducer is made of a plastic or a metal, such as steel or titanium.
  • the force-sensitive region of the sensor is preferably designed as a piezoelectric, piezoresistive or capacitive measuring range.
  • the sensor is preferably made in one piece, and more preferably made of silicon, however, other methods of measurement or materials are not excluded here.
  • Transducer and sensor are preferably designed in two dimensions, so that they can be simply placed on top of each other and still allow a measurement in several spatial directions.
  • the senor has at least one further resistance to the temperature. tur gliss. With this, the temperature influence on the measurement result can be excluded. This is the case, for example, if the sensor made of silicon and the transducer made of steel and due to the different thermal expansion properties here distortions of the force or torque results could otherwise occur.
  • the advantage here is that it is “closed” structures that mechanically connect the tongues together. It is advantageous, via the axial load as well as the torsional loading of the tongues or the separate mechanical connection, to carry out a "holistic" recording of the force or moment load.
  • the modular design of the transducer with the additional separate mechanical connecting element is in this case also advantageous manufacturing technology, since both parts can be manufactured in one layer and then mechanically stable coupled to each other, for example, in a screw connection.
  • the tongues are arranged radially converging towards each other.
  • these can converge towards one another in a "star-shaped" manner, as a result of which, for example, a force-sensitive region can be provided in the center of the star, which permits a central measurement value detection.
  • a further advantageous development provides that the total thickness of the sensor arrangement is between 0.5 mm and 10 mm and the total area of the
  • the sensor arrangement can be designed as a disposable product and for this purpose have an internal power supply. As a result, a coupling to other objects is not necessary.
  • a cordless coupling to an interface can be provided in order to be able to retrieve stored or measured values of the sensor without cable connection.
  • the evaluation unit is designed in the immediate vicinity of the sensor, e.g. in the form of a printed circuit board on the transducer.
  • This arrangement can furthermore be enclosed by a housing.
  • An axial pressure load of the printed circuit board arrangement can preferably be intercepted by protruding screw heads on the transducer.
  • the sensor arrangement according to the invention can be used in a wide variety of fields, in particular for loading loads of robot arms or in medical technology, in particular for loading loads on human or animal joints.
  • the sensor arrangement may be attached to a robot arm or a tool connected thereto and in this way to the arm or the tool acting forces and / or moments are determined.
  • 1 is a plan view of a silicon sensor
  • FIG. 2 is a plan view of a transducer according to the invention
  • FIG. 3 is a plan view of a sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a sensor arrangement
  • Fig. 6 is a view according to A on the arrangement according to
  • Fig. 7 is a schematic representation of an industrial robot with sensor assembly incorporated therein.
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor 2. Hatched areas are shown on which a transducers 3 can be glued or screwed on.
  • the sensor has four resistance bridges 10, which are designed as piezoresistive resistors. Furthermore, a total of four resistors 11 for tempering turflop provided with which temperature-related disturbances that could distort a force or moment measurement, can be deducted. A force-sensitive region is provided in the middle of the sensor 2, on which tongues 4 of a transducer 2 are force-sensitive (for further details see FIG. 2).
  • the sensor 2 is made in one piece and consists of silicon. By means of semiconductor manufacturing processes functional units such as resistance bridges were built on top of this, in addition adhesive layers were applied to ensure a connection to the transducer.
  • the sensor 2 is designed two-dimensionally.
  • FIG. 2 shows a plan view of a transducer 3 according to the invention.
  • This transducer 3 is designed in one piece and was cut out of a piece of steel by means of laser cutting onto the two-dimensional shape shown here.
  • the transducer has a total of four tongues 4, which press with their foremost sections 6 on a force-sensitive region 7 (see here Fig. 1) of the sensor 2.
  • the tongues are in this case arranged radially converging towards one another, they run towards each other pointedly, so that the sections 6 meet in the region of the force-sensitive region 7 (see FIG. 1).
  • the sections 6 are connected to force introduction points of the force-sensitive region 7, the center 16 of the transducer provided for the support is also connected here for reasons of stability.
  • force dividers 9 are provided, the cantilevered springs are executed. This causes only a defined part of the transducer kenden force transmitted to the sensor, the other part is absorbed by the transducer.
  • the springs 4 are designed as cantilevered elements, which are respectively held at its radially outer end and there pass into the other transducers.
  • a connecting element 5 shown in FIG. 3 is applied, which is connected to the tongues, preferably screwed.
  • holes 17 are provided for fastening the ring to the tongues 4.
  • the sensor is glued to the transducer.
  • the ring is attached to each of the springs with screws.
  • the ring changes its position relative to the transducer upon application of force and therefore requires a small distance to the transducer (which is currently the thickness of a nut).
  • the ring can be attached to the same side of the transducer as the sensor, as well as on the opposite side.
  • the element 5 connects all tongues 4. This will cause a force acting on the transducer to cause a deformation of the tongues (torsion as well as bending), this loading takes place over all tongues, so that a multi-dimensional load condition arises , which is absorbed by the load of the sections 6 to the corresponding force application points of the force-sensitive area 7.
  • Holes 18 are also provided in the transducer 3 for fastening the transducer to the sensor by means of screws, alternatively or additionally, bonding is also provided both components possible.
  • the thickness of the sensor arrangement is here, for example, with housing 15 mm and the total area is about 150 cm 2 .
  • Fig. 3 shows a fully assembled sensor assembly 1, which is not yet surrounded by a protective housing.
  • the evaluation unit 8 can be seen in the form of printed circuit boards.
  • the four tongues are screwed to the element 5 and the sensor, in addition there is a screw connection between the sensor and the transducer.
  • the sensor arrangement has an internal power supply and thus does not have to be connected by cable to other components, for example a control device of the robot, but this is preferably also possible.
  • the senor arrangement includes a
  • Interface for storing and checking measured values here also a wireless cutting parts can be provided.
  • the sensor arrangement according to the invention lends itself in particular to the load absorption of robot arms or in medical technology, in particular to the load absorption of human or animal joints, but these application areas are not to be understood as limiting.
  • Fig. 3 a coordinate system has been drawn, this is the same as in Fig. 7 (which will be discussed below).
  • Fig. 4 shows a mechanicaltechnischseletnent 5 (this may alternatively be embodied for example as a ring or frame), which is connectable by means of holes 20 with the transducer, so that the tongues 4 are additionally mechanically coupled to each other.
  • holes 19 are provided on the element 5, with which a coupling to external components whose forces are to take place. The delivered to these external components and practicing the mounting holes 19 passed forces or moments are then detected by the sensor assembly.
  • FIG. 5 shows a plan view of a sensor arrangement with mounted connecting element 5, wherein protruding sections of the connecting element 5 can be seen in addition to the schematically illustrated transducer 3 and sensor 2, in particular also the fastening holes or fastening points 19.
  • FIG. 6 shows view A according to FIG. 5, it can be seen here how a base plate 22, which are connected to the sensor 2 and the transducer 3 via corresponding spacing bolts 21 (or screws), enclose the connecting element.
  • FIG. 7 shows an industrial robot 12 with a robot arm 13. Attached to the robot arm 13 is a tool 14, in this case a gripper tool. In the area between robot arm 13 and tool 14, the disk-shaped sensor arrangement 1 is shown.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1), die einen im Wesentlichen scheibenförmigen Sensor (2) sowie einen damit verbindbaren im Wesentlichen scheibenförmigen Transducer (3) enthält, wobei der Transducer so aufgebaut ist, dass er Kräfte und/oder Momente in mindestens eine Raumrichtung auf den Sensor überträgt und der Transducer eine oder mehrere Zungen (4) aufweist, die über eine gesonderte mechanische Verbindung (5) miteinander gekoppelt sind und wobei Abschnitte (6) der Zungen auf einen kraftsensitiven Bereich (7) des Sensors wirken, und wobei die Sensoranordnung außerdem eine Auswerteeinheit (9) enthält, die die Einwirkung der Zungen auf den kraftsensitiven Bereich in Kraft- und/oder Momenten-Informationen umrechnet. Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird eine kleinbauende und kostensparende Sensoranordnung bereitgestellt.

Description

SENSORANORDNUNG FÜR KRÄFTE UND MOMENTE
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit der kleinbauend und kostensparend Belastungen (Kräfte, Drehmomente) in verschiedenen Raumrichtungen ermittelbar sind, beispielsweise in der Robotik oder der Medizintechnik .
Sensoranordnungen in Form von Dehnungsmessstreifen, die direkt auf einen zu messenden Gegenstand geklebt werden, sind bereits bekannt. Es wird hierbei die Änderung des elektrischen Widerstands gemessen, der überwiegend durch die Längenänderung bei Dehnung rein geometrisch resultiert. Um einen messbaren Effekt zu erhalten, handelt es sich bei den Dehnungsmessstreifen normalerweise um mäanderförmige, flexible, dünne Metallleitungen. Alternativ hierzu sind Systeme bekannt, bei denen optisch die Verschiebung zweier Platten, die über Federn miteinander verbunden sind, gemessen werden. Bekannt sind auch räumliche Anord- nungen mehrerer Sensoren, die auf diese Weise eine mehrdimensionale Erfassung von Kräften und Momenten erlauben, jedoch relativ großbauend sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zu schaffen, die kleinbauend ist und kostengünstig herstellbar bleibt.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Anspruch 1 betrifft eine Sensoranordnung, enthaltend einen im Wesentlichen scheibenförmigen Sensor sowie einen damit verbindbaren im Wesentlichen scheibenförmigen Transducer (Kraftübertrager) , wobei der Trans- ducer so aufgebaut ist, dass er Kräfte und/oder Momente in mindestens eine Raumrichtung auf den Sensor überträgt. Hierbei sind im 3-dimensionalen Raum 3 Zungen ausreichend. Bei der Ausführung des Sensors in einem Silizium-Material können vorteilhafterweise 4 Zungen gewählt werden, da wegen der Kristallstruktur des Siliziums 3 Brücken etwas ungünstiger wären.
Die Zungen sind über eine gesonderte mechanische Verbindung miteinander gekoppelt, wobei Abschnitte der Zungen auf einen kraftsensitiven Bereich des Sensors wirken, und wobei die Sensoranordnung außerdem eine Auswerteeinheit enthält, die die Einwirkung der Zun- gen auf den kraftsensitiven Bereich in Kraft- und/oder Momenten- Informationen umrechnet.
Vorteilhaft ist hier zunächst einmal die scheibenförmige Ausführung des Sensors sowie des Transducers. Hierdurch können sehr kleinbauende Anordnungen geschaffen werden, die beispielsweise im Bereich einer mechanischen Schnittstelle (also zwischen einem Roboterarm und Werkzeug, in einem menschlichen Gelenk, etc.) unterzubringen sind. Vorteilhaft ist auch hier die leichte Herstellbarkeit, der Sensor kann bei- spielsweise in aus der Halbleitertechnologie bekannten Verfahren hergestellt werden, der Transducer kann aus einem einlagigen Material herausgetrennt sein.
Trotz dieser "zweidimensionalen" Anordnung können Kräfte und/oder Momente auch in zusätzlichen Raumrichtungen ermittelt werden. Diese Zungen werden über eine gesonderte mechanische Verbindung miteinander gekoppelt, wodurch Rückschlüsse auf Belastungen in mehreren Raumrichtungen möglich sind. Diese miteinan- der "gekoppelten" Zungen wirken auf mindestens, vorzugsweise einen gemeinsamen, kraftsensitiven Bereich des Sensors. Die Sensoranordnung weist hierbei außerdem eine Auswerteeinheit auf, die die Einwirkung der Zungen auf den kraftsensitiven Bereich in Kraft- und/oder Momenteninformationen umrechnet. Somit ist hier auch eine "autarke" Aufnahme von Kraft- bzw. Momentenbelastungen möglich.
Zur kostengünstigen Herstellung der Sensoranordnung, sollte diese möglichst kleinbauend sein. Hierzu kann ein Sensor aus Silizium mit einem Roboter zur Kraftübertragung verklebt oder aber auch verschraubt werden. Diese Klebeverbindungen bestimmen in der Regel auch die Größe der Sensoranordnung. Als Transducer wurde eine Konstruktion entwickelt, die auf der einen
Seite mit dem Sensor und auf der anderen Seite z.B. mit einem Roboter oder ähnlichem (je nachdem wovon Kräfte aufgenommen werden sollen bzw. gemessen werden sollen) verbunden wird. Der Transducer ist so kon- struiert, dass Kräfte und Drehmomente in allen sechs Achsen (wahlweise auch weniger) auf genau einen Sen- sor übertragen werden können.
In einem beispielhaften Modell besteht der Sensor nur aus einem einzigen Stück Silizium mit piezoresistiven Widerständen in der Oberfläche und vier Brücken mit jeweils vier Messwiderständen zur unmittelbaren Mess- wertbestimmung. Zusätzlich sind weitere Widerstände an Stellen möglich, wo kein mechanischer Stress einwirkt. Diese Widerstände verändern sich allerdings mit der Temperatur. Misst man diese temperaturabhängigen Widerstände mit, so kann man den Einfluss von temperaturinduziertem Stress gegenüber kraftinduziertem Stress unterscheiden und herausrechnen. Der Transducer kann an den Sensor sowohl geklebt als auch geschraubt werden, das Gleiche gilt für die Befestigung am Roboter bzw. dem Gegenstand, dessen Kraft/Momentenbelastung aufgezeichnet werden soll.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der mit dem Sensor verklebt oder verschraubt ist. Das Verschrauben des Tansducers mit dem Sensor bietet den Vorteil, dass die Teile gegeneinander austauschbar sind, diese
Schraubvariante bietet sich insbesondere für stabile Transducermaterialien, z.B. Stahl, an.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass der Trans- ducer Kraftteiler aufweist, die so aufgebaut sind, dass nur ein Teil der auf den Transducer wirkenden Kraft über die Zungen an den Sensor weitergeleitet wird. Hierdurch wird nur ein definierter Teil der Kraft auf den Sensor übertragen, der andere wird vom Transducer aufgenommen, so dass der kraftsensitive Bereich hier nicht zu belastbar ausgestaltet sein muss .
Vorzugsweise weisen die Zungen außerdem einen mechanischen Anschlag auf, der als Überlastschutz und Zer- störungsSicherung für den Sensor wirken kann.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Transducer einteilig ausgeführt ist und beispielsweise als Stanz- oder Laserzuschnitt eines vorzugsweise einla- gigen Körpers hergestellt ist. Hierbei bietet es sich an, dass der Transducer aus einem Kunststoff oder einem Metall, beispielsweise Stahl oder Titan hergestellt ist.
Der kraftsensitive Bereich des Sensors ist vorzugsweise als piezoelektrischer, als piezoresistiver oder als kapazitiver Messbereich ausgeführt. Der Sensor ist vorzugsweise einteilig und besonders vorzugsweise aus Silizium gefertigt, allerdings sind hier auch weitere Messmethoden oder Materialien nicht ausgeschlossen.
Transducer und Sensor sind vorzugsweise zweidimensional ausgeführt, so dass diese einfach aufeinander ge- legt werden können und trotzdem eine Messung in mehrere Raumrichtung ermöglichen.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung, die eine Messung von Kräften und Momenten in allen Raum- richtungen erlaubt, sind vier Widerstandsbrücken mit jeweils vier Widerständen zur Weiterverarbeitung der Messsignale der Zungen auf den kraftsensitiven Bereich vorgesehen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Sensor mindestens einen weiteren Widerstand aufweist zur Tempera- turmessung. Hiermit kann der Temperatureinfluss auf das Messergebnis herausgerechnet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Sensor aus Silizium und der Transducer aus Stahl besteht und aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften hier Verfälschungen der Kraft- bzw. Momentenergebnisse sonst auftreten könnten.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die gesonderte me- chanische Verbindung der Zungen als Ring oder als
Rahmen ausgeführt ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass es sich um "geschlossene" Strukturen handelt, die mechanisch die Zungen miteinander verbinden. Vorteilhaft ist, über die axiale Belastung sowie die Torsi - onsbelastung der Zungen bzw. der gesonderten mechanischen Verbindung eine "ganzheitliche" Aufnahme der Kraft- bzw. Momentenbelastung erfolgt. Der modulare Aufbau des Transducer mit dem zusätzlichen gesonderten mechanischen Verbindungselement ist hierbei auch herstellungstechnisch vorteilhaft, da beide Teile einlagig hergestellt werden können und dann beispielsweise in einer Schraubverbindung miteinander mechanisch stabil gekoppelt werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Zungen radial aufeinander zulaufend angeordnet sind. Vorteilhafterweise können diese "sternförmig" aufeinander zulaufen, hierdurch kann beispielsweise in dem Zentrum des Sterns ein kraftsensitiver Bereich vorge- sehen werden, der eine zentrale Messwerterfassung erlaubt .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Dicke der Sensoranordnung insgesamt zwischen 0,5 mm und 10 mm beträgt und die Gesamtfläche der
Sensoranordnung in ihrer größten Ausdehnung zwischen 10 mm2 und 200 cm2 beträgt. Hierdurch wird klar, dass dieser Sensor relativ kleinbauend vorgesehen werden kann und somit eine Fülle von Einsatzmöglichkeiten einerseits z.B. in der Robotik (wo relativ hohe Kräf- te wirken) , andererseits auch beispielsweise in der Medizintechnik (wo bei implantierbaren Gegenständen der kleinbauende Aspekt besonders wichtig ist) besteht.
Die Sensoranordnung kann als Einmalprodukt ausgeführt sein und hierzu eine interne Stromversorgung aufweisen. Hierdurch ist eine Ankopplung an andere Gegenstände nicht notwendig. Vorzugsweise kann eine schnurlose Kopplung zu einer Schnittstelle vorgesehen werden, um somit ohne Kabelanbindung gespeicherte bzw. gemessene Werte des Sensors abrufen zu können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Auswerteeinheit ausgeführt ist in der unmittelbaren Nähe des Sensors, z.B. in Form einer Leiterplatte auf dem Transducer. Diese Anordnung kann weiterhin von einem Gehäuse umschlossen sein. Eine axiale Druckbelastung der Leiterplattenanordnung kann vorzugsweise durch herausstehende Schraubenköpfe auf dem Transdu- cer abgefangen werden.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist in vielfältigen Bereichen einsetzbar, insbesondere zur Belastungsaufnahme von Roboterarmen oder in der Medizin- technik, insbesondere zur Belastungsaufnahme von menschlichen oder tierischen Gelenken.
In einer besonders vorzugsweise Ausführungsform kann die Sensoranordnung an einem Roboterarm oder einem daran angeschlossenen Werkzeug angebracht sein und auf diese Weise die auf den Arm bzw. das Werkzeug wirkenden Kräfte und/oder Momente ermittelt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Siliziumsensors,
Fig. 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Transducers,
Fig. 3 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein gesondertes mechanisches Verbindungselement für die Zungen,
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung,
Fig. 6 eine Ansicht gemäß A auf die Anordnung nach
Fig . 5 , und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Industrieroboters mit darin eingebauter Sensoranordnung .
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines Sensors 2. Hierbei sind schraffierte Flächen gezeigt, auf die ein Trans- ducer 3 aufgeklebt oder aufgeschraubt werden kann.
Der Sensor weist vier Widerstandsbrücken 10 auf, die als piezorestistive Widerstände ausgeführt sind. Ferner sind insgesamt vier Widerstände 11 zur Tempera- turmessung vorgesehen, mit denen temperaturbedingte Störgrößen, die eine Kraft- oder Momentenmessung verfälschen könnten, herausgerechnet werden können. In der Mitte des Sensors 2 ist ein kraftsensitiver Be- reich vorgesehen, auf den Zungen 4 eines Transducers 2 kraftsensitiv wirken (Näheres hierzu in Fig. 2) .
Der Sensor 2 ist einteilig ausgeführt und besteht aus Silizium. Mittels Halbleiterfertigungsverfahren wur- den Funktionseinheiten wie Widerstandsbrücken hierauf aufgebaut, zusätzlich wurden noch Klebeschichten aufgebracht, um eine Verbindung mit dem Transducer zu gewährleisten. Der Sensor 2 ist zweidimensional ausgeführt .
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Transducers 3. Dieser Transducer 3 ist einteilig ausgeführt und wurde aus einem Stück Stahl mittels Laserzuschnitt herausgetrennt auf die hier gezeigte zweidimensionale Form.
Der Transducer hat insgesamt vier Zungen 4, die mit ihren vordersten Abschnitten 6 auf einen kraftsensitiven Bereich 7 (siehe hier Fig. 1) des Sensors 2 drücken. Die Zungen sind hierbei radial aufeinander zulaufend angeordnet, sie laufen spitz aufeinander zu, so dass sich die Abschnitte 6 im Bereich des kraftsensitiven Bereichs 7 (siehe Fig. 1) treffen.
Hierbei werden die Abschnitte 6 mit Krafteinleitungs- punkten des kraftsensitiven Bereichs 7 verbunden, der zur Stützung vorgesehene Mittelpunkt 16 des Transducers wird hier ebenfalls aus Stabilitätsgründen verbunden. Außerdem sind Kraftteiler 9 vorgesehen, die auskragende Federn ausgeführt sind. Hierdurch wird nur ein definierter Teil der auf den Transducer wir- kenden Kraft an den Sensor übertragen, der andere Teil wird vom Transducer aufgenommen.
Insgesamt sind die Federn 4 als auskragende Elemente gestaltet, die jeweils an ihrem radial äußeren Ende gehalten sind bzw. dort in den übrigen Transducer übergehen. Im Bereich dieser radial außen liegenden Haltepunkte wird ein (in Fig. 3 dargestelltes) Verbindungselement 5 aufgebracht, das mit den Zungen verbunden, vorzugsweise verschraubt wird. Hierfür sind Löcher 17 zur Befestigung des Rings an den Zungen 4 vorgesehen.
Der Sensor wird auf dem Transducer festgeklebt. Der Ring wird mit Schrauben an jeder der Federn befestigt. Der Ring verändert seine Position relativ zum Transducer bei Krafteinwirkung und benötigt deshalb einen kleinen Abstand zum Transducer (der ist zur Zeit die Dicke einer Mutter) . Der Ring kann dabei auf derselben Seite des Transducers wie der Sensor befestigt werden als auch auf der gegenüberliegenden Seite.
Das Element 5 verbindet im fertig montierten Zustand der Sensoranordnung alle Zungen 4. Hierdurch wird eine auf den Transducer wirkende Kraft zum einen eine Verformung der Zungen (Torsion sowie Biegung) einleiten, diese Belastung erfolgt über alle Zungen, so dass ein mehrdimensionaler Belastungszustand ent- steht, der über die Belastung der Abschnitte 6 an die entsprechenden Krafteinleitungspunkte des kraftsensitiven Bereichs 7 aufgenommen wird.
Im Transducer 3 sind außerdem Löcher 18 zur Schraub- befestigung des Transducers am Sensor vorgesehen, alternativ oder auch zusätzlich ist auch ein Verkleben beider Komponenten möglich.
Das vorliegende Beispiel von Transducer und Sensor ist geeignet zur Anwendung in Industrierobotern, die Dicke der Sensoranordnung beträgt hier beispielsweise mit Gehäuse 15 mm und die Gesamtfläche beträgt ca. 150 cm2.
Fig. 3 zeigt eine fertig montierte Sensoranordnung 1, die noch nicht von einem schützenden Gehäuse umgeben ist. In dieser Figur ist die Auswerteeinheit 8 in Form von Leiterplatten zu sehen.
Hierin werden die vier Zungen mit dem Element 5 und dem Sensor verschraubt, zusätzlich ist eine Ver- schraubung zwischen dem Sensor und dem Transducer gegeben.
Die Sensoranordnung verfügt über eine interne Strom- Versorgung und muss insofern nicht kabelmäßig an weitere Bauteile, beispielsweise eine Steuereinrichtung des Roboters, angebunden sein, dies ist allerdings vorzugsweise auch möglich.
In jedem Fall enthält die Sensoranordnung eine
Schnittstelle zum Abspeichern und Prüfen gemessener Werte, hier kann auch eine Drahtlos-Schnittsteile vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung bietet sich insbesondere zur Belastungsaufnahme von Roboterarmen oder auch in der Medizintechnik, insbesondere zur Belastungsaufnahme von menschlichen oder tierischen Gelenken an, diese Einsatzbereiche sollen jedoch nicht einschränkend verstanden werden. In Fig. 3 wurde ein Koordinatensystem eingezeichnet, dieses ist dasselbe wie in Fig. 7 (auf die im Folgenden eingegangen wird) . Fig. 4 zeigt ein mechanisches Verbindungseletnent 5 (dies kann alternativ beispielsweise auch als Ring oder Rahmen ausgeführt sein) , das mittels Löchern 20 mit dem Transducer verbindbar ist, so dass die Zungen 4 zusätzlich mechanisch untereinander gekoppelt sind.
Außerdem sind Löcher 19 am Element 5 vorgesehen, mit denen eine Ankopplung an externe Bauteile, deren Kräfte aufzunehmen sind, erfolgt. Die an diese externen Bauteile abgegebenen und übe die Befestigungslöcher 19 weitergegebenen Kräfte bzw. Momente werden dann von der Sensoranordnung erfasst.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Sensoranordnung mit montiertem Verbindungselement 5, wobei neben dem schematisch dargestellten Transducer 3 und Sensor 2 herausstehende Abschnitte des Verbindungselements 5 zu sehen sind, insbesondere auch die Befestigungslö- eher bzw. Befestigungspunkte 19.
Fig. 6 zeigt Ansicht A gemäß Fig. 5, hier ist zu sehen, wie eine Grundplatte 22, die über entsprechende Abstandsbolzen 21 (bzw. Schrauben) mit dem Sensor 2 und dem Transducer 3 verbunden sind, das Verbindungs- element einschließen.
Fig. 7 zeigt einen Industrieroboter 12 mit einem Roboterarm 13. Am Roboterarm 13 ist ein Werkzeug 14, vorliegend ein GreifWerkzeug, angebracht. Im Bereich zwischen Roboterarm 13 sowie Werkzeug 14 ist die scheibenförmige Sensoranordnung 1 gezeigt.
Auf das Greifwerkzeug 14 wirken Kräfte und Momente in jeweils drei Raumrichtungen. Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die in der X-Y-Ebene des mitbe- wegten X-Y-Z -Koordinatensystems montiert ist, werden die Kräfte und Momente aufgenommen und durch die Bewegung der Zungen 4 bezüglich des kraftsensitiven Bereichs 7 in ihrer Größe ermittelt. Bemerkenswert ist hierbei, dass dieser räumliche Belastungszustand mit einer zweidimensionalen (scheibenförmigen) Anordnung ermittelbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (1), enthaltend einen im Wesentlichen scheibenförmigen Sensor (2) sowie einen damit verbindbaren im Wesentlichen scheibenförmigen Transducer (3) , wobei der Transducer so aufgebaut ist, dass er Kräfte und/oder Momente in mindestens eine Raumrichtung auf den Sensor überträgt und der Transducer mindestens eine oder mehrere Zungen (4) aufweist, die über eine gesonderte mechanische Verbindung (5) miteinan- der gekoppelt sind und wobei Abschnitte (6) der
Zungen auf einen kraftsensitiven Bereich (7) des Sensors wirken, und wobei die Sensoranordnung außerdem eine Auswerteeinheit (9) enthält, die die Einwirkung der Zungen auf den kraftsensiti- ven Bereich in Kraft- und/oder Momenten- Infor- mationen umrechnet.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (3) mit dem Sensor (2) verklebt oder verschraubt ist .
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (3) Kraftteiler (9) aufweist, die so aufgebaut sind, dass nur ein Teil der auf den Transducer wirkenden Kraft über die Zungen (4) an den Sen- sor weitergeleitet wird.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4) einen mechanischen Anschlag aufweisen, der als Überlastschutz und Zerstörungssicherung für den Sensor wirkt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (3) einteilig ausgeführt ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kraftsensitive Bereich (7) des Sensors (2) als piezoelektrischer, als piezoresistiver oder als kapa- zitiver Messbereich ausgeführt ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbrücken (10) mit jeweils mindestens einem oder mehreren Widerständen zur Weiterverarbei- tung der Messsignale der Zungen (4) auf den kraftsensitiven Bereich (7) vorgesehen sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) und der Transducer (3) zweidimensional ausge- führt sind.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) einteilig ist und aus Silizium gefertigt ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) mindestens einen weiteren Widerstand aufweist zur Temperaturmessung.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesonderte mechanische Verbindung der Zungen als Ring (5) oder als Rahmen ausgeführt ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (4) radial aufeinander zulaufend angeordnet.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass diese so aufgebaut ist, dass sie in drei Raumrichtungen Momente und/oder Kräfte aufnimmt.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Sensoranordnung (1) insgesamt zwischen 0,5 mm und 10 mm beträgt und die Gesamtfläche der Sensoranordnung in ihrer größten Ausdehnung zwischen 10 mm2 und 200 cm2 beträgt.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) als Einmalprodukt ausgeführt ist und eine interne Stromversorgung aufweist.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoran- Ordnung (1) eine Schnittstelle zum Abspeichern und Prüfen gemessener Werte aufweist.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- einheit (8) ausgeführt ist in unmittelbarer Nähe des Sensors und z.B. auf einer der Seiten des
Transducers angeordnet ist.
18. Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Robotik, insbesondere zur Belastungsaufnahme von Roboterarmen oder in der Medizintechnik.
19. Roboter (17), enthaltend einen Roboterarm (13) sowie ein daran zu befestigendes Werkzeug (14) , dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 am Roboterarm oder Werkzeug angebracht ist und dass auf diese Weise die auf den Roboterarm oder das Werkzeug wirkenden Kräfte und/oder Momente messbar sind.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080047366A1 (en) * 2006-08-24 2008-02-28 Honda Motor Co., Ltd. Force sensor and method for producing the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3611336A1 (de) * 1986-04-04 1987-10-15 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Kraft-drehmoment-fuehler
DE102006041593A1 (de) * 2006-09-05 2008-04-24 Rigobert Opitz Schicht-Kraftsensor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080047366A1 (en) * 2006-08-24 2008-02-28 Honda Motor Co., Ltd. Force sensor and method for producing the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GROSSER, HUBERT: "New low-cost microsystem-based robot force sensor", INFORMATIONSDIENST WISSENSCHAFT, 1 April 2008 (2008-04-01), XP002540059, Retrieved from the Internet <URL:http://idw-online.de/pages/de/news253118> [retrieved on 20090803] *

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