WO2021219199A1 - Drive device, robotic arm, and method for measuring torque - Google Patents

Drive device, robotic arm, and method for measuring torque Download PDF

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WO2021219199A1
WO2021219199A1 PCT/EP2020/061728 EP2020061728W WO2021219199A1 WO 2021219199 A1 WO2021219199 A1 WO 2021219199A1 EP 2020061728 W EP2020061728 W EP 2020061728W WO 2021219199 A1 WO2021219199 A1 WO 2021219199A1
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WO
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drive device
drive
torque
outer ring
hub
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/061728
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Bachmaier
Christian Bachmann
Dominik Bergmann
Gerit Ebelsberger
Matthias Gerlich
Christian Mose
Thomas Vontz
Wolfgang Zöls
Original Assignee
Rethink Robotics Gmbh
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 Rethink Robotics Gmbh filed Critical Rethink Robotics Gmbh
Priority to PCT/EP2020/061728 priority Critical patent/WO2021219199A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1457—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • 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
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2231—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc- or ring-shaped, adapted for measuring a force along a single direction

Definitions

  • the present invention relates to a drive device which has a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis.
  • the invention also relates to a robot arm with such a drive device and a method for measuring a torque within a drive device.
  • Various drive devices are known from the prior art, in which a drive shaft is moved in rotation by a drive motor. In this way, a corresponding output body can be set into a rotary movement either directly or by means of a gear connected in between.
  • Such rotary drives are used, for example, in numerous industrial applications, but also in the field of electromobility or for many other applications.
  • the drive motor is often an electric motor.
  • the swivel joints of a robot arm are usually moved by a typically highly integrated rotary drive.
  • measuring devices are required in order to be able to characterize the system status as well as possible.
  • collaborative robots which work together with people in industrial processes, it is particularly important to record the current system status as precisely as possible other drive device) acting torque.
  • the object of the invention is therefore to provide a drive device which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a drive device is to be made available which enables the precise measurement of a torque that is decisive for the respective application with a design that is as compact as possible.
  • Another object is to specify a robot arm with such a drive device and a method for measuring a torque within a drive device.
  • the drive device comprises a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis of rotation.
  • the drive device further comprises a base holder and a measuring device for measuring a torque acting within the drive device.
  • the measuring device comprises a spoke wheel with a hub, a radially outer ring and a plurality of spokes which connect the hub and the outer ring to one another and the deformation of which can be used to measure the torque. Either the hub or the ring on the outside is firmly connected to the base holder.
  • the basic holder is used to connect the drive device to an external mechanical mass.
  • the mechanical mass is understood to be the mechanical reference point for the respective drive application.
  • this can be a base of a robot joint or another industrial drive, the chassis of a vehicle or another mechanical reference point.
  • the base holder serves as an internal mechanical reference point for the drive device, relative to which an output element rotates.
  • the drive motor can in particular be an electric motor. This can in particular include a rotor and a stator.
  • the measuring device for measuring the torque is integrated into the drive device and, in contrast to this, is not coupled to it as an external attachment.
  • one of the two essential reference elements of the measuring device namely either the hub or the outer ring of the spoked wheel, is firmly connected to the base holder.
  • the central element of the measuring device for measuring the torque is the spoked wheel, which is arranged in particular coaxially around the central axis A.
  • the Spei chenrad is designed to transmit a torque acting within the drive device, this torque being transmitted between the inner hub and the outer ring. So there is a transfer of torque across the spokes.
  • the deformation of one or more spokes is measured.
  • at least some of the spokes are each provided with one or more sensors, by means of which a deformation of the respective spoke can be detected.
  • Such a deformation can in particular include an expansion or a compression in a partial area of the spoke.
  • the hub or the outer ring of the spoke wheel is firmly connected to the base holder.
  • the spoked wheel is therefore in relation to the one described above mechanical mass seen in the fixed part of the drive device attached. This enables a stationary measurement of the torque.
  • the at least one sensor for deforming the associated spoke can be connected to an associated readout or evaluation unit via a fixed electrical connection (and not via a slip ring or another wireless connection). A transmission of the sensor signal from a rotating system to a stationary system is therefore advantageously not required.
  • the element of the spoked wheel that is firmly connected to the base holder can particularly preferably be the internal hub.
  • the hub is in particular directly connected to the basic holder - that is, directly and not via an additional intermediate part.
  • the hub is then directly connected to the base holder on its own inner radius (and not on the outer radius, mediated by the spokes).
  • the outer ring of the spoked wheel could also be firmly and directly connected to the base holder.
  • the embodiment according to the invention advantageously enables a particularly compact integration of the measuring device for torque measurement in the internal structure of the drive device.
  • This inner support torque can in particular be a support torque of a transmission optionally present within the drive device.
  • a torque can be measured within the drive device, in which both the motor torque and the output torque (that is to say the load torque) of the drive device are included.
  • Such an internal support torque is an important parameter, especially for applications in the field of robotics.
  • the compact integration of a torque measuring device into the drive device is advantageous in order to achieve the smallest possible installation space overall.
  • the robot arm according to the invention comprises one or more robotic joints, at least one of which has a drive device according to the invention.
  • the advantages of such a robot arm result analogously to the advantages of the drive device according to the invention described above.
  • the method according to the invention is used to measure a torque within a drive device according to the invention. This measurement takes place by means of the integrated measuring device described, the torque being determined from a measurement signal which is influenced by a deformation of one or more spokes of the spoked wheel. Such a deformation can in particular be an expansion and / or compression of the corresponding spoke.
  • a deformation can in particular be an expansion and / or compression of the corresponding spoke.
  • the drive device can comprise a drive housing which jointly encloses at least the drive motor and the spoked wheel.
  • the drive housing With this drive housing, the drive device is encapsulated from the external environment.
  • the fact that the spoked wheel as part of the measuring device for the torque is also located inside the housing makes it clear that this measuring device is in particular not implemented as an external attachment, but actually within the drive device. tion is integrated.
  • the drive housing can advantageously also enclose the additional optional elements, which are described below. These are in particular a transmission, a brake, at least a section of an output shaft and / or at least a section of the base holder.
  • an optionally present disk element of the base holder is advantageously also arranged within the drive housing.
  • an optionally present radially outer coupling element or base element of the basic holder can preferably be located outside or at least in the edge region of the drive housing.
  • a part of the base holder together with the hous se form the outer encapsulation and / or merge with respect to the outer contour into the other parts of the housing, so that part of the base holder can also be viewed as part of the housing.
  • the base holder can have a disk element which is oriented perpendicular to the central axis.
  • This disc element can in particular be firmly connected to the hub of the spoked wheel.
  • This disk element then forms a kind of inner wall which is in particular arranged in a circular and coaxial manner around the central axis.
  • It can advantageously be an annular disk element in which a recess is formed in the area of the central axis A through which further elements can be guided in the axial direction.
  • the base holder can have a radially outer coupling element which is provided for connection to an outer mechanical mass - that is to say in particular a base. This connection can be realized, for example, by a flange.
  • the drive device additionally has a gear, wherein the gear can comprise a fixed element, a drive element and an output element.
  • the driving force is Element connected in particular to transmit torque to the drive shaft of the drive motor.
  • the fixed element is verbun before geous with the outer ring of the spoked wheel.
  • the integration of a transmission in the drive device is useful when an increase or decrease in speed is to be achieved between the drive shaft of the motor and an additional output body that is optionally available.
  • the torque on the output side is also changed.
  • the general principle of internal torques can, however, in principle also be used with a direct drive - that is, a drive device that does not include such a transmission.
  • the fixed element of the optionally available transmission is used to connect it to the mechanical mass of the drive device.
  • a transmission support torque can be measured particularly easily and at the same time with a compact design of the measuring device.
  • the sum of the transmission support torque, output torque and motor torque results in a total of zero. From this consideration it also follows that not only the engine torque but also the output torque (as the load torque of the output) is included in the measured gear support torque.
  • This type of integrated torque measurement enables a real load condition of the drive device to be determined. For example, when using such a drive device in a robot arm, a load condition can be determined in which effects are taken into account by the intrinsic mass of the robot arm and also its external loads.
  • the transmission of the drive device can for example be a harmony drive transmission before geous.
  • the fixed element can then be formed by a circular spline of the harmonic drive transmission.
  • the drive element can by a wave generator and the output element can be formed by a flex spline of this gear.
  • Such a Harmonie Drive transmission in particular enables the implementation of a drive device with a relatively high gear ratio. With such a gear, the speed between drive and output can be reduced by a factor of about 100, for example.
  • other configurations of the transmission are also possible, for example as a planetary transmission.
  • the drive device in addition to a disk element of the base holder and a gear, also has an output body which is rotatably mounted by means of a radial bearing.
  • the output body can comprise an output shaft via which the output torque is diverted. It is particularly preferred here if the disk element of the base holder is arranged axially between the transmission and the radial bearing of the output body. This axial sequence, in which the disk element is embedded between the other elements, enables a particularly compact integration of the measuring device for the (internal) torque measurement. A transmission support torque is then measured, which is carried through the spoked wheel between the fixed element of the transmission and the disk element of the base holder.
  • the radial bearing of the output body is advantageously a roller bearing, in particular a roller bearing and particularly advantageously a crossed roller bearing.
  • the output body can in particular be designed as a hollow shaft, in which case further elements can then be passed through the interior of the hollow shaft, for example one or more electrical connection lines.
  • the hub of the spoke wheel is configured in a ring-shaped manner and has a recess in the area of the central axis.
  • the hub is then a radially inner ring.
  • electrical connection lines and / or a drive body can be passed through.
  • an output shaft connected to the output element of the transmission can in this way be passed through the torque measuring device to the side of the drive device axially opposite the motor - that is, to the output side.
  • the disk element of the base holder also advantageously has such a central recess so that cables and / or output bodies can be guided through both the spoke wheel and through the base holder.
  • the gear and the spoked wheel are nested in one another in such a way that they axially overlap at least in an axial partial area.
  • This also enables a particularly compact integration of the transmission and the measuring device for the torque.
  • the spoked wheel in the area of the outer ring has a jump that surrounds the transmission at least partially ra dial.
  • This projection can in particular extend over the entire outer ring, but alternatively also only over a radial part thereof. In the first-mentioned case, the entire outer ring is axially longer in the direction of the gearbox than the hub, so that this projection surrounds at least part of the gearbox in an annular manner.
  • An optionally available perforated ring of the outer ring (which is provided for the fixed torque-transmitting connection with the fixed element of the transmission by means of screws and / or bolts) can then extend in particular in the axial direction through this sleeve-like projection.
  • the disk element of the basic holder also has an axial projection in the direction of the gearbox in its radially outer area, so that the- this axial projection surrounds the spoke wheel and / or the gear radially.
  • This projection of the disk element particularly advantageously surrounds both a substantial part of the spoke wheel and an axial partial area of the transmission in the manner of a sleeve. Overall, this also allows a particularly compact integration of the transmission with the measuring device (including the torque support of the transmission).
  • a fixed part of the drive motor is mechanically firmly connected to the Grundhal ter.
  • the stator of an electric motor can be additionally supported against the base holder.
  • the fixed element of the transmission and the stator of the electric motor are then supported against the base holder as a common mechanical mass.
  • a brake can be arranged in the axial direction between the motor and the transmission.
  • This brake can be arranged around the drive shaft so that the rotation of the drive shaft can be braked or stopped with it.
  • Such a brake makes it possible to stop the movement caused by the drive device, in particular in the event of a malfunction.
  • This is particularly advantageous, for example, when using such a drive device in a robotic joint.
  • Such safety mechanisms are particularly relevant for robot arms, which work as collaborative robots with human workers. Further advantageous embodiments with regard to the brake and also with regard to the drive device in general are described in the application filed by the same applicant on the same filing date with the title "Drive device for a robotic joint", which should therefore be included in the content of the present application.
  • fixed, torque-transmitting connections are required between the outer ring or the hub and each necessary neighboring elements.
  • the disk element of the base holder can be firmly connected to the hub of the spoked wheel.
  • the outer ring of the spoked wheel can be firmly connected to the fixed element of the transmission.
  • These fixed torque-transmitting connections can each be implemented by a form-fitting connection.
  • the connection can be implemented by means of matching perforated rings and screws or bolts guided therein.
  • it can also be realized by a fitting polygonal connection or toothing of the elements to be connected to one another. Such a polygonal connection or toothing is particularly useful in the area of the hub, since here torque transmission must take place on a comparatively small radius.
  • the transition between the spokes and the outer ring lies on a first radius which is at least 70% of the outer radius of the drive device, particularly advantageously even at least 75% or even 80% and more.
  • the transition described can either lie on the same radius as the inner radius of the outer ring or it can be offset with respect to this radi al.
  • the transition area can be offset radially outwards in order to achieve an increased radial length for the torque-transmitting spokes. In the area described for the radius of the transition point, a particularly sensitive torque measurement is achieved because the torque with the spoked wheel is transmitted between two radially far apart points.
  • the transition between the spokes and the hub lies on a second radius which is at most 55% and in particular only at most 45% of the outer diameter.
  • the underlying measuring principle and the general structure of the measuring device can be very easily scaled to different absolute radii.
  • at least some of the Spei surfaces can be provided with one or more strain gauges (DMS).
  • DMS strain gauges
  • Such strain gauges can, for example, only be arranged on one of the spokes or also on several spokes.
  • the respective strain gauges can be designed either as single strips or as multiple strips (eg with several meander-shaped conductor structures and several electrical connection pairs).
  • the design as a double strain gauge is particularly advantageous in order to enable the signal to be averaged for two closely adjacent positions in a simple manner.
  • the electrical connections of the respective strain gauges for reading out the signals can be interconnected with an electrical bridge circuit.
  • the signals from a total of eight pairs of electrical connections i.e. eight individual strain gauges or four double strain gauges
  • the change in length of the spokes can also be determined in other ways, for example via a magnetostrictive measurement or via a measurement using fiber optics.
  • strain gauges are used for the measurement, then these can advantageously be arranged on an azimuthal boundary surface of the associated spoke.
  • the respective spoke can particularly advantageously have such opposing strain gauges on both azimuthal sides.
  • the azimuthal arrangement allows the strain gauges to be easily aligned along the main direction of the spoke, because an inclined installation position that is true to the angle is not required.
  • the main direction of the individual strain gauges thus runs in particular in the radial direction. In this way, an unambiguous measurement can take place with regard to a clearly defined one-axis load condition - namely the measurement a local radial change in length along the spoke.
  • the azimuthal arrangement in contrast to an axial, end-face arrangement) of the strain gauge enables the direction of rotation to be determined. Depending on the direction of rotation, a given azimuthal side of a spoke is either compressed or stretched.
  • Such a drive device can in particular be a drive device for a robotic joint in a robot arm.
  • a drive device for a robotic joint in a robot arm there are also numerous other advantageous applications into consideration, for example other industrial drives and / or drives in automated guided vehicles and in other electric vehicles.
  • the compact integration of a torque measurement directly into the drive is advantageous.
  • the present robotic joints can be equipped with a drive device according to the invention.
  • the measurement of the internal torques in several (especially all) such joints enables the measurement of a real load condition of the entire robot arm, including the effects caused by the weight and the external loads on the arm.
  • the measurement signal can be an electrical signal measured by means of one or more strain gauges.
  • it can be a deformation-dependent measurement of the electrical resistance of one or more strain gauges.
  • Figure 1 shows a schematic longitudinal section of a drive device according to a first example of the invention
  • Figure 2 shows a longitudinal section for partial elements of a second embodiment
  • Figure 3 shows a longitudinal section for a subset of the sectionele elements of Figure 2
  • Figure 4 shows a perspective view of a spoked wheel
  • Figure 5 shows a schematic cross section of the spoked wheel of Figure 4
  • Figure 6 shows a schematic longitudinal section of the spoked wheel of Figures 4 and 5
  • Figure 7 shows an exemplary load condition of such a spoked wheel
  • Figure 8 shows a plan view of a double strain gauge
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a bridge circuit for reading out four such double strain gauges.
  • Figure 10 shows a schematic perspective illustration of a robot arm. Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
  • a drive device 1 is shown according to a first example of the invention. Shown is a schematic longitudinal section along the central axis A.
  • the drive device 1 comprises a drive housing 3, which encloses a drive motor 5, a gear 50, a measuring device 30 for measuring an internal torque and other, partly optional components. It is therefore a highly integrated drive device, which is also extremely compact in the example.
  • the torque generated by the drive motor 5 is diverted via a drive shaft 7 and transmitted to a drive element 52 of the transmission 50.
  • the drive device 1 has an axial end a1 on the engine side and an axial end a2 on the output side.
  • the gear 50 also includes an output element 53 and a fixed element 51 as essential components.
  • the gear 50 is designed as a harmony drive gear, the drive element 52 being the wave generator, the Output element 53 forms the flex spline and the fixed element 51 forms the circular spline of this gear.
  • the flex spline here comprises a bushing-like shaped sub-element 53a, which is connected to an output body 40 to transmit torque. From this drive body 40 is shown here schematically as a rotationally symmetrical output shaft.
  • the dashed line shown on the right can either stand for a rotating, radi al extended part of the output body or for a stationary housing part - depending on the radial size of the rotating element on the output side a2.
  • the drive device 1 further comprises a base holder 20, which is designed in particular for connection to an external mechanical mass.
  • This basic holder 20 forms So a kind of mechanical reference body of the drive device 1, against which the other elements are supported.
  • the drive motor 5 is mechanically supported against a base 21 of this base holder via a support element 9, which is only shown extremely schematically here.
  • This base 21 lies in a radially outer region of the entire drive device 1 and is designed for connection to external elements, for example via a flange.
  • the drive device 1 comprises a measuring device for measuring a torque acting within the drive device.
  • a spoked wheel 31 forms an essential part of this measuring device.
  • This spoked wheel 31 is designed to transmit a torque between a radially inner and a radially outer area, as will become even clearer in connection with FIGS.
  • the torque transmitted by the spoked wheel is the size that is measured by the measuring device. In the present example, it is a support torque of the gear 50 against the base holder 20.
  • the radially outer area of the spoked wheel 31 is connected to the fixed element 51 of the gear 50 in a fixed and torque-transmitting manner.
  • This fixed connection Ver is conveyed for example via an outer perforated ring 38.
  • the radially inner region of the Spei chenrads 31 is firmly and torque-transmitting with the Grundhal ter 20 connected.
  • This fixed connection is conveyed via an inner perforated ring 39, for example.
  • it can also be conveyed by other types of connection, in particular via a toothing not shown in detail here.
  • the base holder in this example has a disk element 22 which is oriented perpendicular to the central axis A.
  • This disk element 22 lies in particular parallel to the main plane of the spoke wheel 31.
  • the spoke wheel 31 can be arranged essentially concentrically around the central axis A.
  • the disk element 22 enables a compact implementation of a fixed, torque-transmitting connection between the base holder 20 and the inner area of the spoke wheel 31.
  • the disk element 22 has an axially inner recess 23 through which the output shaft 40 is guided.
  • the spoked wheel has a similar internal recess 35, so that the output shaft 40 can extend both through the spoke wheel 31 and through the disk element 22 through from the gear 50 to the output-side end a2 of the drive device.
  • the disk element 22 has a projection 22a which extends in the axial direction towards the end a1 on the motor side.
  • the axial area a22 of the disk element is enlarged and the base holder 20 at least partially encloses the spoke wheel 31 in the manner of a sleeve.
  • the spoke wheel 31 also has an axial projection 32a, so that the axial area a31 of the spoke wheel is enlarged and at least encloses the bushing 53a of the output element of the transmission like a sleeve.
  • the area a31 thus at least partially overlaps the axial area a50 of the transmission. This results in a very compact and mechanically stable overall arrangement.
  • FIG 2 is a schematic longitudinal section for Operaelemen te a drive device 1 according to a second example of the invention is shown.
  • the drive device (also with regard to the elements not shown) is constructed in a manner similar to the drive device in FIG 50, through the spoke wheel 31 and through the disk element 22 of the base holder to the output-side end a2.
  • This embodiment causes the advantage that further elements can be passed through the inner recess 41 of the hollow shaft 40, for example an electrical connection line 42.
  • the output shaft 40 is rotatably supported here by means of a radial bearing 43 against the external fixed parts of the drive device, not shown here.
  • the Radi allager can be, for example, a crossed roller bearing. A similar radial bearing can also be provided for mounting the central output shaft in the example of FIG.
  • the disk element 22 of the base holder 20 should be arranged axially between the gear 50 and the bearing 43 of the output shaft 40.
  • the radial bearing 43 can generally advantageously lie on a comparatively large radius, that is to say in particular also further out than is indicated schematically in FIG.
  • the drive element 52 is omitted from the transmission 50 for the sake of clarity.
  • the axial Operabe rich, in the gear 50 and spoke wheel 31 axially overlap pen, is denoted by a3.
  • the area of the outer ring of the spoke wheel is denoted by 32, the area of the (here annular) hub by 33 and the radial area of the spokes by 34.
  • the output shaft can generally also extend all the way to the motor-side end al of the drive device, that is to say in particular also through the transmission and even through the drive motor.
  • the output shaft can either be hollow or solid.
  • a Hin implementation of the output shaft all the way to the engine-side axial end al enables an angle measurement and / or rotational speed measurement for the movement of the output to be carried out on this page in a relatively simple manner, in particular with an axially outer sensor. Due to the comparatively small twist of the spoked wheel 31 during the measurement of the torque, such an angle or speed measurement is advantageously only influenced insignificantly.
  • the drive shaft 7 shown in FIG. 1 is designed as a hollow shaft. Then the drive shaft 40 can for example be coaxial within the drive shaft 7 ge leads.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the drive device according to the example of FIG. 2, the view being limited to the base holder 20 and the spoke wheel 31.
  • the connection of these two elements is brought about by the inner perforated ring 39 and / or a toothing not shown here or another form-fitting connection.
  • the axial sub-area in which the axial projection 22a of the disk element 22 closes the spoke wheel 31 in a sleeve-like manner is denoted here by a4.
  • the inner cavity of the spoke wheel, which is formed by the axial projection 32a of the outer ring, is denoted by 32b.
  • at least a part of the gear 50 is inserted into this inner cavity 32b - in particular the bushing 53a of the flex spline.
  • FIGS. 4 to 7 various individual views of a spoked wheel 31 are shown, as can be used in particular in the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 3.
  • This spoke wheel 31 comprises an outer ring 32, a hub 33, which is configured in the form of a ring here, and four Spei surfaces 34, which each extend in the radial direction between the two ring-shaped elements 32 and 33.
  • the torque is measured via one or more sensors 36, which are attached to at least part of the spokes 34 and are designed to measure a deformation (in particular an expansion or compression) of the respective spoke.
  • sensors can be arranged either on an azimuthal boundary surface 34a and / or on an axial boundary surface 34b of the respective spoke.
  • the sensors are on the azimuthal boundary surfaces 34a arranged by two spokes. This has the advantage that by determining that side of a spoke that is stretched or compressed, a determination of the sign of the torque is made possible in a direct and simple manner.
  • FIG. 5 an embodiment of a spoke wheel 31 is shown, in which the two vertically aligned spokes are each equipped with such sensors on the left and right.
  • the sensors are strain gauges (strain gauges), which enable a simple, extremely sensitive and precise measurement of changes in length in the sub-per mil range by changing a resistance.
  • strain gauges strain gauges
  • FIG. 7 an exemplary load condition of such a spoked wheel 31 is shown in a schematic cross section.
  • a load condition is shown by an internal torque M of the drive device, the outer ring 32 being rotated clockwise in relation to the inner hub 33.
  • the surface 34c is stretched and the surface 34d is compressed.
  • the measurement of a torque M via such a spoked wheel is particularly sensitive if the torque is transmitted by means of the spokes over the greatest possible radial distance.
  • the first radius rl at which the transition between the spokes 34 and the outer ring 32 lies, is as large as possible. Accordingly, it is also advantageous if the second radius r2, at which the transition between the spokes and the hub 33 lies, is as small as possible.
  • the outer radius of the drive device is denoted here by ra, the radi al external housing 3 is only indicated here.
  • the outer radius ra of the drive device should be understood to mean the outer radius of a circular cylindrical part of the housing (in which the additional dimension of an optionally present lateral base 21 is not taken into account).
  • the first radius rl can, for example, generally lie in a range between 70% and 90%.
  • the second radius r2 can, for example, generally lie in a range between 25% and 55% of ra.
  • a strain gauge 60 as it can be used, for example, as one of the sensors Dia to D2b, is shown in a schematic plan view.
  • the strain gauge 60 is designed as a double strain gauge and comprises two single strain gauges 60a and 60b.
  • a conductor element is routed in a meandering manner, the main direction of each such individual strain gauge corresponding to the radial direction of the respective associated spoke.
  • a total of four electrical connections 61 are available for measuring the change in resistance in such a double strain gauge.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a bridge circuit 70 which is designed for reading out a total of four such double DMS (for example as in the arrangement in FIG. 5).
  • the two associated single strain gauges are integrated into this bridge circuit via their two electrical connections. So includes the Double DMS Dia, for example, the two single DMS Dia 'and Dia''.
  • the total of eight available individual strain gauges Dia 'to D2b'' are connected to one another via a double full bridge, so that the signals averaged by means of the circuit are transmitted via the six outer connections ol to o4 and a subsequent amplifier and output, not shown here seelektronik can be read out.
  • FIG. 10 shows a schematic perspective illustration of a robot arm 80 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the robot arm has seven Robotikge joints J1 to J7, which each allow a rotation about an associated axis of rotation A1 to A7. So it is a robotic arm with seven degrees of rotational freedom.
  • the "innermost" joint J1 is connected to a base 81, which serves as a superordinate mechanical measuring device.
  • the "outermost” joint J7 can, for example, carry a tool holder.
  • Each of the individual joints J1 to J7 has a local mechanical mass for the respective rotary movement, which is given by the base of the respective joint.
  • the base of the third joint J7 is denoted here by 21.
  • the robotics joints J1 to J7 is provided with a drive device according to the invention.
  • a drive device according to the invention.
  • the base 21 represents the local mechanical mass of this joint J3. This is the base of a basic holder, as was previously described in connection with FIGS.
  • the remaining components not visible here, such as the drive motor, drive shaft, transmission, measuring device and output shaft are arranged.
  • the motor-side end is denoted by a1 and the output-side end is denoted by a2.
  • An end cap 82 is located at the end a1 on the motor side.
  • the output shaft (rotatable with respect to the local mechanical mass 21) merges into the base of the next robotic joint J4.
  • the disk element provided to support the internal torque measured by the measuring device is identified here by the dashed line 22.
  • An internal gear support torque is thus measured within the robotic joint J3, into which not only the motor torque but also the load due to the weight of the robot arm parts located further outside is included.
  • Such a torque measurement (in particular in several joints) enables the determination of an exact load state of the robot arm. This is particularly advantageous when it is used in a collaborative work environment.

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Abstract

The invention relates to a drive device (1) comprising: - a drive motor (5) having a driveshaft (7) which can be rotated with respect to a central rotational axis (A); - a base holder (20); - and a measuring device (30) for measuring a torque (M) acting inside the drive device. The measuring device (3) has a spoked wheel (31) comprising: - a hub (33); - a radially outer ring (32); - and a plurality of spokes (34) which connect the hub (33) and the outer ring (32) to one another and the deformation of which can be used to measure the torque (M). Either the hub (33) or the outer ring (32) is fixedly connected to the base holder (20). The invention also relates to: a robotic arm (80) comprising such a drive device (1); and a method for measuring a torque (M) inside such a drive device (1).

Description

Beschreibung description
Antriebseinrichtung, Roboterarm und Verfahren zur Drehmoment messung Drive device, robot arm and method for torque measurement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, welche einen Antriebsmotor mit einer Antriebswelle aufweist, die bezüglich einer zentralen Achse drehbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Roboterarm mit einer solchen An triebseinrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines Dreh moments innerhalb einer Antriebseinrichtung. The present invention relates to a drive device which has a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis. The invention also relates to a robot arm with such a drive device and a method for measuring a torque within a drive device.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Antriebseinrich tungen bekannt, bei welchen durch einen Antriebsmotor eine Antriebswelle rotierend bewegt wird. Hierdurch kann entweder direkt oder durch ein dazwischen geschaltetes Getriebe ein entsprechender Abtriebskörper in eine Drehbewegung versetzt werden. Solche Rotationsantriebe werden beispielsweise in zahlreichen industriellen Anwendungen, aber auch im Bereich der Elektromobilität oder auch für viele andere Anwendungen eingesetzt. Der Antriebsmotor ist dabei häufig ein Elektromo tor. Im industriellen Bereich werden zum Beispiel die Drehge lenke eines Roboterarms meist durch einen typischerweise hoch integrierten Rotationsantrieb bewegt. Vor allem im Bereich der Robotikantriebe, aber auch bei vielen anderen Anwendun gen, werden Messvorrichtungen benötigt, um den Systemzustand möglichst gut charakterisieren zu können. Gerade im Bereich der kollaborativen Roboter (englisch „Cobots"), welche in in dustriellen Prozessen gemeinsam mit Menschen Zusammenarbei ten, ist es besonders wichtig, den aktuellen Systemzustand möglichst präzise zu erfassen. Hierzu gehört auch die Messung eines in einem Robotikgelenk (oder innerhalb einer anderen Antriebseinrichtung) wirkenden Drehmoments. Various drive devices are known from the prior art, in which a drive shaft is moved in rotation by a drive motor. In this way, a corresponding output body can be set into a rotary movement either directly or by means of a gear connected in between. Such rotary drives are used, for example, in numerous industrial applications, but also in the field of electromobility or for many other applications. The drive motor is often an electric motor. In the industrial sector, for example, the swivel joints of a robot arm are usually moved by a typically highly integrated rotary drive. Especially in the field of robotic drives, but also in many other applications, measuring devices are required in order to be able to characterize the system status as well as possible. In the area of collaborative robots (cobots), which work together with people in industrial processes, it is particularly important to record the current system status as precisely as possible other drive device) acting torque.
Bei herkömmlichen Robotikantrieben existieren bereits Vor richtungen zur Messung von Drehmomenten. Diese sind jedoch meist nicht in die Antriebseinrichtung selbst integriert, sondern werden nachträglich als Mess-Aufsatz mit dieser ver- bunden. Ein solcher externer Aufsatz ist funktional vom eigentlichen Antrieb unabhängig, auch wenn er häufig eng mit dem Gelenk verbunden ist. So wird durch einen solchen Aufsatz ein außerhalb der eigentlichen Antriebseinrichtung wirkendes Drehmoment erfasst. Durch die beschriebene getrennte Reali sierung von Messvorrichtung und Antriebseinrichtung ist au ßerdem der benötigte Bauraum oft vergleichsweise groß. Conventional robotic drives already have devices for measuring torques. However, these are usually not integrated into the drive device itself, but are subsequently combined with this as a measuring attachment. bound. Such an external attachment is functionally independent of the actual drive, even if it is often closely connected to the joint. A torque acting outside the actual drive device is detected by such an attachment. Owing to the separate realization of the measuring device and the drive device described, the space required is also often comparatively large.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbe sondere soll eine Antriebseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche die präzise Messung eines für die jeweilige Anwendung maßgeblichen Drehmoments mit einer möglichst kom pakten Ausführung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Roboterarm mit einer solchen Antriebseinrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines Drehmoments innerhalb einer Antriebseinrichtung anzugeben. The object of the invention is therefore to provide a drive device which overcomes the disadvantages mentioned. In particular, a drive device is to be made available which enables the precise measurement of a torque that is decisive for the respective application with a design that is as compact as possible. Another object is to specify a robot arm with such a drive device and a method for measuring a torque within a drive device.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Antriebseinrichtung, den in Anspruch 14 beschriebenen Robo terarm und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst. These objects are achieved by the drive device described in claim 1, the robot arm described in claim 14 and the method described in claim 15.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung umfasst einen An triebsmotor mit einer Antriebswelle, die bezüglich einer zentralen Rotationsachse drehbar ist. Die Antriebseinrichtung umfasst weiterhin einen Grundhalter sowie eine Messvorrich tung zur Messung eines innerhalb der Antriebseinrichtung wir kenden Drehmoments. Die Messvorrichtung umfasst ein Speichen rad mit einer Nabe, einem radial außen liegenden Ring und ei ner Mehrzahl von Speichen, welche die Nabe und den außenlie genden Ring miteinander verbinden, und über deren Verformung das Drehmoment messbar ist. Dabei ist entweder die Nabe oder der außen liegende Ring fest mit dem Grundhalter verbunden. The drive device according to the invention comprises a drive motor with a drive shaft which is rotatable with respect to a central axis of rotation. The drive device further comprises a base holder and a measuring device for measuring a torque acting within the drive device. The measuring device comprises a spoke wheel with a hub, a radially outer ring and a plurality of spokes which connect the hub and the outer ring to one another and the deformation of which can be used to measure the torque. Either the hub or the ring on the outside is firmly connected to the base holder.
Der Grundhalter dient zur Verbindung der Antriebsvorrichtung mit einer äußeren mechanischen Masse. Unter der mechanischen Masse wird dabei der mechanische Bezugspunkt für die jeweili ge Antriebs-Anwendung verstanden. Beispielsweise kann dies ein Sockel eines Robotergelenks oder eines anderen industri ellen Antriebs, das Fahrwerk eines Fahrzeugs oder auch ein anderer mechanischer Bezugspunkt sein. In jedem Fall dient der Grundhalter als innerer mechanischer Bezugspunkt für die Antriebseinrichtung, relativ zu dem sich ein Abtriebselement dreht. The basic holder is used to connect the drive device to an external mechanical mass. The mechanical mass is understood to be the mechanical reference point for the respective drive application. For example, this can be a base of a robot joint or another industrial drive, the chassis of a vehicle or another mechanical reference point. In any case, the base holder serves as an internal mechanical reference point for the drive device, relative to which an output element rotates.
Der Antriebsmotor kann insbesondere ein Elektromotor sein. Dieser kann insbesondere einen Rotor und einen Stator umfas sen. The drive motor can in particular be an electric motor. This can in particular include a rotor and a stator.
Die Messvorrichtung zur Messung des Drehmoments ist in die Antriebseinrichtung integriert und im Unterschied dazu nicht als außenliegender Aufsatz an sie angekoppelt. Hierzu ist eines der beiden wesentlichen Referenzelemente der Messvor richtung, nämlich entweder die Nabe oder der außenliegende Ring des Speichenrads fest mit dem Grundhalter verbunden. The measuring device for measuring the torque is integrated into the drive device and, in contrast to this, is not coupled to it as an external attachment. For this purpose, one of the two essential reference elements of the measuring device, namely either the hub or the outer ring of the spoked wheel, is firmly connected to the base holder.
Das zentrale Element der Messvorrichtung zur Messung des Drehmoments ist das Speichenrad, welches insbesondere koaxial um die zentrale Achse A angeordnet ist. Dabei ist das Spei chenrad zur Übertragung eines innerhalb der Antriebseinrich tung wirkenden Drehmoments ausgebildet, wobei dieses Drehmo mente zwischen der innenliegenden Nabe und dem außenliegenden Ring übertragen wird. Es findet also eine Übertragung eines Drehmoments über die Speichen hinweg statt. Zur Messung des Drehmoments wird die dabei auftretende Verformung von einer oder mehreren Speichen gemessen. Dazu ist zumindest ein Teil der Speichen mit jeweils einem oder mehreren Sensoren verse hen, mittels derer eine Verformung der jeweiligen Speiche de- tektierbar ist. Eine solche Verformung kann insbesondere eine Dehnung oder eine Stauchung in einem Teilbereich der Speiche umfassen. The central element of the measuring device for measuring the torque is the spoked wheel, which is arranged in particular coaxially around the central axis A. The Spei chenrad is designed to transmit a torque acting within the drive device, this torque being transmitted between the inner hub and the outer ring. So there is a transfer of torque across the spokes. To measure the torque, the deformation of one or more spokes is measured. For this purpose, at least some of the spokes are each provided with one or more sensors, by means of which a deformation of the respective spoke can be detected. Such a deformation can in particular include an expansion or a compression in a partial area of the spoke.
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass entweder die Nabe oder der außenliegende Ring des Speichenrads fest mit dem Grundhalter verbunden ist. Das Speichenrad ist also im Verhältnis zu der oben beschriebenen mechanischen Masse gesehen im feststehenden Teil der An triebseinrichtung angebracht. Hierdurch wird eine stationäre Messung des Drehmoments ermöglicht. Ein Vorteil hierbei ist, dass der wenigstens eine Sensor zur Verformung der zugehöri gen Speiche über eine feste elektrische Verbindung (und nicht über einen Schleifring oder eine andere drahtlose Verbindung) mit einer zugehörigen Auslese- bzw. Auswerte-Einheit verbun den sein kann. Eine Übertragung des Sensorsignals von einem rotierenden System auf ein feststehendes System wird also vorteilhaft nicht benötigt. Das fest mit dem Grundhalter ver bundene Element des Speichenrads kann besonders bevorzugt die innenliegende Nabe sein. Dies ermöglicht insbesondere im Zu sammenspiel mit den weiter unten beschriebenen optionalen Elementen der Antriebseinrichtung (wie dem Getriebe und dem Radiallager des Abtriebskörpers) eine besonders kompakte In tegration in die Antriebseinrichtung. Dazu ist die Nabe ins besondere unmittelbar mit dem Grundhalter verbunden - also direkt und nicht über ein zusätzliches Zwischenteil. Mit an deren Worten ist dann die Nabe dann auch direkt auf ihrem eigenen inneren Radius (und nicht auf dem Außenradius, über die Speichen vermittelt) mit dem Grundhalter in Verbindung. Prinzipiell könnte aber bei einer alternativen Ausgestaltung auch der außenliegende Ring des Speichenrads fest und unmit telbar mit dem Grundhalter verbunden sein. It is essential in connection with the present invention that either the hub or the outer ring of the spoke wheel is firmly connected to the base holder. The spoked wheel is therefore in relation to the one described above mechanical mass seen in the fixed part of the drive device attached. This enables a stationary measurement of the torque. One advantage here is that the at least one sensor for deforming the associated spoke can be connected to an associated readout or evaluation unit via a fixed electrical connection (and not via a slip ring or another wireless connection). A transmission of the sensor signal from a rotating system to a stationary system is therefore advantageously not required. The element of the spoked wheel that is firmly connected to the base holder can particularly preferably be the internal hub. This enables particularly compact integration into the drive device, particularly in conjunction with the optional elements of the drive device described below (such as the gearbox and the radial bearing of the output body). For this purpose, the hub is in particular directly connected to the basic holder - that is, directly and not via an additional intermediate part. In other words, the hub is then directly connected to the base holder on its own inner radius (and not on the outer radius, mediated by the spokes). In principle, however, in an alternative embodiment, the outer ring of the spoked wheel could also be firmly and directly connected to the base holder.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft eine besonders kompakte Integration der Messvorrichtung zur Drehmomentmessung in den inneren Aufbau der Antriebseinrich tung. Hierdurch wird vorteilhaft die Messung eines innerhalb der Antriebseinrichtung wirkenden inneren Abstützmoments er möglicht. Dieses innere Abstützmoment kann insbesondere ein Abstützmoment eines optional innerhalb der Antriebseinrich tung vorhandenen Getriebes sein. Hierdurch kann innerhalb der Antriebseinrichtung ein Drehmoment gemessen werden, in wel ches sowohl das Motormoment als auch das Abtriebsmoment (also das Lastmoment) der Antriebseinrichtung eingeht. Ein solches inneres Abstützmoment ist vor allem für Anwendungen im Robo tik-Bereich eine wichtige Kenngröße. Vor allem in diesem Be- reich ist die kompakte Integration einer Drehmoment-Messvor richtung in die Antriebseinrichtung vorteilhaft, um insgesamt einen möglichst geringen Bauraum zu erreichen. The embodiment according to the invention advantageously enables a particularly compact integration of the measuring device for torque measurement in the internal structure of the drive device. In this way, the measurement of an internal supporting torque acting within the drive device is advantageously made possible. This inner support torque can in particular be a support torque of a transmission optionally present within the drive device. As a result, a torque can be measured within the drive device, in which both the motor torque and the output torque (that is to say the load torque) of the drive device are included. Such an internal support torque is an important parameter, especially for applications in the field of robotics. Especially in this The compact integration of a torque measuring device into the drive device is advantageous in order to achieve the smallest possible installation space overall.
Der erfindungsgemäße Roboterarm umfasst ein oder mehrere Ro botikgelenke, von denen wenigstens eines eine erfindungsgemä ße Antriebseinrichtung aufweist. Die Vorteile eines solchen Roboterarms ergeben sich analog zu den weiter oben beschrie benen Vorteilen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung. The robot arm according to the invention comprises one or more robotic joints, at least one of which has a drive device according to the invention. The advantages of such a robot arm result analogously to the advantages of the drive device according to the invention described above.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Messung eines Dreh moments innerhalb einer erfindungsgemäßen Antriebseinrich tung. Diese Messung erfolgt mittels der beschriebenen inte grierten Messvorrichtung, wobei das Drehmoment aus einem Messsignal ermittelt wird, welches durch eine Verformung von einer oder mehreren Speichen des Speichenrads beeinflusst wird. Bei einer solchen Verformung kann es sich insbesondere um eine Dehnung und/oder Stauchung der entsprechenden Speiche handeln. Auch die Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen An triebseinrichtung . The method according to the invention is used to measure a torque within a drive device according to the invention. This measurement takes place by means of the integrated measuring device described, the torque being determined from a measurement signal which is influenced by a deformation of one or more spokes of the spoked wheel. Such a deformation can in particular be an expansion and / or compression of the corresponding spoke. The advantages of the method also result analogously to the advantages of the drive device according to the invention described above.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen der Antriebseinrichtung, des Roboter arms und des Messverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the claims dependent on claim 1 and the following description. The described configurations of the drive device, the robot arm and the measuring method can generally be advantageously combined with one another.
Allgemein vorteilhaft kann die Antriebseinrichtung ein An triebsgehäuse umfassen, welches zumindest den Antriebsmotor und das Speichenrad gemeinsam umschließt. Durch dieses An triebsgehäuse wird die Antriebseinrichtung gegen die äußere Umgebung gekapselt. Durch die Tatsache, dass auch das Spei chenrad als Teil der Messvorrichtung für das Drehmoment in nerhalb des Gehäuses liegt, wird deutlich, dass diese Mess vorrichtung insbesondere nicht als externer Aufsatz reali siert ist, sondern tatsächlich innerhalb der Antriebseinrich- tung integriert ist. Das Antriebsgehäuse kann dabei vorteil haft auch die zusätzlichen optionalen Elemente umschließen, welche weiter unten beschrieben werden. Dies sind insbesonde re ein Getriebe, eine Bremse, zumindest ein Teilabschnitt einer Abtriebswelle und/oder zumindest ein Teilbereich des Grundhalters. Dabei ist insbesondere ein optional vorliegen des Scheibenelement des Grundhalters vorteilhaft ebenfalls innerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet. Dagegen kann ein optional vorliegendes radial außenliegendes Kopplungselement bzw. Sockelelement des Grundhalters bevorzugt außerhalb oder zumindest im Randbereich des Antriebsgehäuses liegen. So kann auch ein Teilbereich des Grundhalters zusammen mit dem Gehäu se die äußere Kapselung ausbilden und/oder bezüglich der Außenkontur in die übrigen Teile des Gehäuses übergehen, so dass ein Teil des Grundhalters auch als Bestandteil des Ge häuses angesehen werden kann. Generally advantageously, the drive device can comprise a drive housing which jointly encloses at least the drive motor and the spoked wheel. With this drive housing, the drive device is encapsulated from the external environment. The fact that the spoked wheel as part of the measuring device for the torque is also located inside the housing makes it clear that this measuring device is in particular not implemented as an external attachment, but actually within the drive device. tion is integrated. The drive housing can advantageously also enclose the additional optional elements, which are described below. These are in particular a transmission, a brake, at least a section of an output shaft and / or at least a section of the base holder. In particular, an optionally present disk element of the base holder is advantageously also arranged within the drive housing. In contrast, an optionally present radially outer coupling element or base element of the basic holder can preferably be located outside or at least in the edge region of the drive housing. Thus, a part of the base holder together with the hous se form the outer encapsulation and / or merge with respect to the outer contour into the other parts of the housing, so that part of the base holder can also be viewed as part of the housing.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Grundhalter ein Scheibenelement aufweisen, welches senkrecht zur zentralen Achse ausgerichtet ist. Dieses Scheibenelement kann insbesondere fest mit der Nabe des Speichenrads verbun den sein. Dieses Scheibenelement bildet dann eine Art innen liegende Wand aus, welche insbesondere kreisförmig und koaxi al um die zentrale Achse angeordnet ist. Es kann sich dabei vorteilhaft um ein ringförmiges Scheibenelement handeln, bei dem im Bereich der zentralen Achse A eine Aussparung gebildet ist, durch welche weitere Elemente in axialer Richtung ge führt werden können. Zusätzlich zu diesem Scheibenelement kann der Grundhalter ein radial außenliegendes Kopplungsele ment aufweisen, welches zur Verbindung mit einer außenliegen den mechanischen Masse vorgesehen ist - also insbesondere einen Sockel. Diese Verbindung kann beispielsweise durch ei nen Flansch realisiert werden. According to a further advantageous embodiment, the base holder can have a disk element which is oriented perpendicular to the central axis. This disc element can in particular be firmly connected to the hub of the spoked wheel. This disk element then forms a kind of inner wall which is in particular arranged in a circular and coaxial manner around the central axis. It can advantageously be an annular disk element in which a recess is formed in the area of the central axis A through which further elements can be guided in the axial direction. In addition to this disk element, the base holder can have a radially outer coupling element which is provided for connection to an outer mechanical mass - that is to say in particular a base. This connection can be realized, for example, by a flange.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform weist die Antriebseinrichtung zusätzlich ein Getriebe auf, wobei das Getriebe ein Fest-Element, ein Antriebs-Element und ein Abtriebs-Element umfassen kann. Dabei ist das Antriebs- Element insbesondere drehmomentübertragend mit der Antriebs welle des Antriebsmotors verbunden. Das Fest-Element ist vor teilhaft mit dem außenliegenden Ring des Speichenrads verbun den. Allgemein ist die Integration eines Getriebes in die An triebseinrichtung dann zweckmäßig, wenn zwischen der An triebswelle des Motors und einem optional vorliegenden zu sätzlichen Abtriebskörper eine Erhöhung oder Erniedrigung der Drehzahl erreicht werden soll. Dabei wird auch das abtriebs seitige Drehmoment verändert. Das allgemeine Prinzip der in ternen Drehmomente kann aber prinzipiell auch bei einem Di rektantrieb zum Einsatz kommen - also einer Antriebsvorrich tung, welche kein solches Getriebe umfasst. According to a further generally advantageous embodiment, the drive device additionally has a gear, wherein the gear can comprise a fixed element, a drive element and an output element. The driving force is Element connected in particular to transmit torque to the drive shaft of the drive motor. The fixed element is verbun before geous with the outer ring of the spoked wheel. In general, the integration of a transmission in the drive device is useful when an increase or decrease in speed is to be achieved between the drive shaft of the motor and an additional output body that is optionally available. The torque on the output side is also changed. The general principle of internal torques can, however, in principle also be used with a direct drive - that is, a drive device that does not include such a transmission.
Das Fest-Element des optional vorhandenen Getriebes dient zu dessen Verbindung mit der mechanischen Masse der Antriebsein richtung. Insbesondere liegt bei dieser Ausführungsvariante eine feste und direkte The fixed element of the optionally available transmission is used to connect it to the mechanical mass of the drive device. In particular, there is a fixed and direct one in this embodiment variant
Verbindung zwischen dem Fest-Element des Getriebes und dem außenliegenden Ring des Speichenrads vor. Auf diese Weise kann besonders einfach und bei gleichzeitig kompakter Ausfüh rung der Messvorrichtung ein Getriebeabstützmoment gemessen werden. Allgemein gilt, dass an einem solchen Getriebe bilan ziert die Summe aus Getriebeabstützmoment, Abtriebsmoment und Motormoment insgesamt Null ergibt. Aus dieser Betrachtung folgt auch, dass in das gemessene Getriebeabstützmoment nicht nur das Motormoment, sondern auch das Abtriebsmoment (als Lastmoment des Abtriebs) eingeht. Diese Art der integrierten Momentenmessung ermöglicht die Bestimmung eines echten Belas tungszustands der Antriebseinrichtung. Beispielsweise kann bei der Verwendung einer solchen Antriebseinrichtung in einem Roboterarm damit ein Belastungszustand bestimmt werden, in welchen Effekte durch die Eigenmasse des Roboterarms und auch dessen äußere Belastungen eingehen. Connection between the fixed element of the gearbox and the outer ring of the spoked wheel. In this way, a transmission support torque can be measured particularly easily and at the same time with a compact design of the measuring device. In general, on such a transmission, the sum of the transmission support torque, output torque and motor torque results in a total of zero. From this consideration it also follows that not only the engine torque but also the output torque (as the load torque of the output) is included in the measured gear support torque. This type of integrated torque measurement enables a real load condition of the drive device to be determined. For example, when using such a drive device in a robot arm, a load condition can be determined in which effects are taken into account by the intrinsic mass of the robot arm and also its external loads.
Das Getriebe der Antriebseinrichtung kann beispielsweise vor teilhaft ein Harmonie Drive Getriebe sein. Insbesondere kann dann das Fest-Element durch einen Circular Spline des Harmo nie Drive Getriebes gebildet sein. Das Antriebs-Element kann durch einen Wave Generator und das Abtriebs-Element kann durch einen Flex Spline dieses Getriebes gebildet sein. Ein solches Harmonie Drive Getriebe ermöglicht insbesondere die Realisierung einer Antriebseinrichtung mit einem relativ ho hen Übersetzungsverhältnis. So kann mit einem solchen Getrie be die Drehzahl zwischen Antrieb und Abtrieb beispielsweise um etwa einen Faktor 100 reduziert werden. Alternativ sind aber auch andere Ausgestaltung des Getriebes möglich, bei spielsweise als Planetengetriebe. The transmission of the drive device can for example be a harmony drive transmission before geous. In particular, the fixed element can then be formed by a circular spline of the harmonic drive transmission. The drive element can by a wave generator and the output element can be formed by a flex spline of this gear. Such a Harmonie Drive transmission in particular enables the implementation of a drive device with a relatively high gear ratio. With such a gear, the speed between drive and output can be reduced by a factor of about 100, for example. Alternatively, however, other configurations of the transmission are also possible, for example as a planetary transmission.
Bei einer allgemein besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Antriebseinrichtung zusätzlich zu einem Scheiben element des Grundhalters und einem Getriebe außerdem einen Abtriebskörper auf, welcher mittels eines Radiallagers dreh bar gelagert ist. Der Abtriebskörper kann eine Abtriebswelle umfassen, über die das Abtriebsdrehmoment ausgeleitet wird. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn das Scheibenelement des Grundhalters axial zwischen dem Getriebe und dem Radial lager des Abtriebskörpers angeordnet ist. Diese axiale Abfol ge, bei der das Scheibenelement derart zwischen die anderen Elemente eingebettet ist, ermöglicht eine besonders kompakte Integration der Messvorrichtung für die (innenliegende) Dreh momentmessung. Es wird dann ein Getriebeabstützmoment gemes sen, welches durch das Speichenrad zwischen dem Fest-Element des Getriebes und dem Scheibenelement des Grundhalters über tragen wird. In a generally particularly advantageous embodiment, the drive device, in addition to a disk element of the base holder and a gear, also has an output body which is rotatably mounted by means of a radial bearing. The output body can comprise an output shaft via which the output torque is diverted. It is particularly preferred here if the disk element of the base holder is arranged axially between the transmission and the radial bearing of the output body. This axial sequence, in which the disk element is embedded between the other elements, enables a particularly compact integration of the measuring device for the (internal) torque measurement. A transmission support torque is then measured, which is carried through the spoked wheel between the fixed element of the transmission and the disk element of the base holder.
Das Radiallager des Abtriebskörpers ist vorteilhaft ein Wälz lager, insbesondere ein Rollenlager und besonders vorteilhaft ein Kreuzrollenlager. Der Abtriebskörper kann insbesondere als Hohlwelle ausgebildet sein, wobei dann durch den Innen raum der Hohlwelle weitere Elemente geführt werden können, beispielsweise ein oder mehrere elektrische Verbindungslei tungen. The radial bearing of the output body is advantageously a roller bearing, in particular a roller bearing and particularly advantageously a crossed roller bearing. The output body can in particular be designed as a hollow shaft, in which case further elements can then be passed through the interior of the hollow shaft, for example one or more electrical connection lines.
Allgemein vorteilhaft ist die Nabe des Speichenrads ringför mig ausgestaltet und weist eine Aussparung im Bereich der zentralen Achse auf. Mit anderen Worten ist die Nabe dann ein radial innenliegender Ring. Durch die Aussparung der Nabe können elektrische Verbindungsleitungen und/oder ein Ab triebskörper hindurchgeführt sein. Insbesondere kann eine mit dem Abtriebs-Element des Getriebes verbundene Abtriebswelle auf diese Weise durch die Drehmoment-Messvorrichtung hindurch auf die dem Motor axial gegenüberliegende Seite der Antriebs einrichtung hindurchgeführt werden - also auf die Abtriebs seite. Damit wird eine besonders kompakte und eng integrier te, axial innenliegende Ausgestaltung der Messvorrichtung für das Drehmoment ermöglicht. Auch das Scheibenelement des Grundhalters weist vorteilhaft eine solche zentrale Ausspa rung auf, so dass Kabel und/oder Abtriebskörper sowohl durch das Speichenrad als auch durch den Grundhalter hindurchge führt werden können. It is generally advantageous that the hub of the spoke wheel is configured in a ring-shaped manner and has a recess in the area of the central axis. In other words, the hub is then a radially inner ring. Through the recess in the hub electrical connection lines and / or a drive body can be passed through. In particular, an output shaft connected to the output element of the transmission can in this way be passed through the torque measuring device to the side of the drive device axially opposite the motor - that is, to the output side. This enables a particularly compact and tightly integrated, axially internal configuration of the measuring device for the torque. The disk element of the base holder also advantageously has such a central recess so that cables and / or output bodies can be guided through both the spoke wheel and through the base holder.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Getriebe und das Speichenrad derart ineinandergeschachtelt, dass sie sich zumindest in einem axialen Teilbereich axial überlappen. Auch dies ermöglicht eine besonders kompakte Integration des Getriebes und der Messvorrichtung für das Drehmoment. Beson ders vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, wenn das Speichenrad im Bereich des außenliegenden Rings einen Vor sprung aufweist, welcher das Getriebe zumindest teilweise ra dial umgibt. Dieser Vorsprung kann sich insbesondere auf den gesamten außenliegenden Ring erstrecken, alternativ aber auch nur auf einen radialen Teil davon. Im erstgenannten Fall ist der ganze außenliegende Ring in Richtung des Getriebes axial länger als die Nabe, sodass dieser Vorsprung zumindest einen Teil des Getriebes ringförmig umhüllt. Ein optional vorlie gender Lochkranz des außenliegenden Rings (welcher zur festen drehmomentübertragenden Verbindung mit dem Fest-Element des Getriebes mittels Schrauben und/oder Bolzen vorgesehen ist) kann sich dann insbesondere in axialer Richtung durch diesen hülsenartigen Vorsprung hindurch erstrecken. According to an advantageous embodiment, the gear and the spoked wheel are nested in one another in such a way that they axially overlap at least in an axial partial area. This also enables a particularly compact integration of the transmission and the measuring device for the torque. It is particularly advantageous in this embodiment if the spoked wheel in the area of the outer ring has a jump that surrounds the transmission at least partially ra dial. This projection can in particular extend over the entire outer ring, but alternatively also only over a radial part thereof. In the first-mentioned case, the entire outer ring is axially longer in the direction of the gearbox than the hub, so that this projection surrounds at least part of the gearbox in an annular manner. An optionally available perforated ring of the outer ring (which is provided for the fixed torque-transmitting connection with the fixed element of the transmission by means of screws and / or bolts) can then extend in particular in the axial direction through this sleeve-like projection.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform weist alternativ oder zusätzlich auch das Scheibenelement des Grundhalters in seinem radial außenliegenden Bereich einen axialen Vorsprung in Richtung des Getriebes auf, sodass die- ser axiale Vorsprung das Speichenrad und/oder das Getriebe radial umgibt. Besonders vorteilhaft umgibt dieser Vorsprung des Scheibenelements sowohl einen wesentlichen Teil des Spei- chenrads als auch einen axialen Teilbereich des Getriebes hülsenartig. Auch dies erlaubt insgesamt eine besonders kom pakte Integration des Getriebes mit der Messvorrichtung (in klusive der Drehmomentabstützung des Getriebes). According to a further generally advantageous embodiment, the disk element of the basic holder also has an axial projection in the direction of the gearbox in its radially outer area, so that the- this axial projection surrounds the spoke wheel and / or the gear radially. This projection of the disk element particularly advantageously surrounds both a substantial part of the spoke wheel and an axial partial area of the transmission in the manner of a sleeve. Overall, this also allows a particularly compact integration of the transmission with the measuring device (including the torque support of the transmission).
Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn ein feststehen der Teil des Antriebsmotors mechanisch fest mit dem Grundhal ter verbunden ist. So kann insbesondere der Stator eines Elektromotors zusätzlich gegen den Grundhalter abgestützt sein. Bei den Ausführungsformen mit einem Getriebe sind dann insbesondere das Fest-Element des Getriebes und der Stator des Elektromotors gegen den Grundhalter als gemeinsame mecha nische Masse abgestützt. Furthermore, it is generally advantageous if a fixed part of the drive motor is mechanically firmly connected to the Grundhal ter. In particular, the stator of an electric motor can be additionally supported against the base holder. In the embodiments with a transmission, in particular the fixed element of the transmission and the stator of the electric motor are then supported against the base holder as a common mechanical mass.
Optional kann in axialer Richtung zwischen dem Motor und dem Getriebe eine Bremse angeordnet sein. Diese Bremse kann um die Antriebswelle herum angeordnet sein, sodass mit ihr die Drehung der Antriebswelle abgebremst beziehungsweise gestoppt werden kann. Eine solche Bremse ermöglicht es, die von der Antriebseinrichtung bewirkte Bewegung insbesondere in einem Störfall anzuhalten. Dies ist beispielsweise bei der Anwen dung einer solchen Antriebseinrichtung in einem Robotikgelenk besonders vorteilhaft. Vor allem bei Roboterarmen, welche als kollaborative Roboter mit menschlichen Arbeitskräften Zusam menarbeiten, sind solche Sicherheitsmechanismen besonders re levant. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen bezüglich der Bremse und auch bezüglich der Antriebsvorrichtung allgemein sind in der von derselben Anmelderin am selben Anmeldetag eingereichten Anmeldung mit dem Titel „Antriebseinrichtung für ein Robotikgelenk" beschrieben, welche daher in den In halt der vorliegenden Anmeldung einbezogen sein soll. Optionally, a brake can be arranged in the axial direction between the motor and the transmission. This brake can be arranged around the drive shaft so that the rotation of the drive shaft can be braked or stopped with it. Such a brake makes it possible to stop the movement caused by the drive device, in particular in the event of a malfunction. This is particularly advantageous, for example, when using such a drive device in a robotic joint. Such safety mechanisms are particularly relevant for robot arms, which work as collaborative robots with human workers. Further advantageous embodiments with regard to the brake and also with regard to the drive device in general are described in the application filed by the same applicant on the same filing date with the title "Drive device for a robotic joint", which should therefore be included in the content of the present application.
Zur Übertragung eines Drehmoments mittels des Speichenrads werden feste, drehmomentübertragende Verbindungen zwischen dem außenliegenden Ring beziehungsweise der Nabe und den je- weiligen benachbarten Elementen benötigt. So kann insbesonde re das Scheibenelement des Grundhalters mit der Nabe des Speichenrads fest verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der außenliegende Ring des Speichenrads mit dem Fest- Element des Getriebes fest verbunden sein. Diese festen dreh momentübertragenden Verbindungen können jeweils durch eine formschlüssige Verbindung realisiert sein. Beispielsweise kann die Verbindung durch zueinander passende Lochkränze und darin geführte Schrauben oder Bolzen realisiert sein. Alter nativ oder zusätzlich kann sie auch durch eine passförmige Polygonverbindung oder Verzahnung der jeweils miteinander zu verbindenden Elemente realisiert sein. Eine solche Polygon verbindung oder Verzahnung ist vor allem im Bereich der Nabe sinnvoll, da hier eine Drehmomentübertragung auf einem ver gleichsweise geringen Radius erfolgen muss. To transmit a torque by means of the spoked wheel, fixed, torque-transmitting connections are required between the outer ring or the hub and each necessary neighboring elements. In particular, the disk element of the base holder can be firmly connected to the hub of the spoked wheel. Alternatively or additionally, the outer ring of the spoked wheel can be firmly connected to the fixed element of the transmission. These fixed torque-transmitting connections can each be implemented by a form-fitting connection. For example, the connection can be implemented by means of matching perforated rings and screws or bolts guided therein. Alternatively or additionally, it can also be realized by a fitting polygonal connection or toothing of the elements to be connected to one another. Such a polygonal connection or toothing is particularly useful in the area of the hub, since here torque transmission must take place on a comparatively small radius.
Es ist allgemein bevorzugt, wenn der Übergang zwischen den Speichen und dem außenliegenden Ring auf einem ersten Radius liegt, welcher wenigstens 70% des Außenradius der Antriebs einrichtung beträgt, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 75% oder sogar 80% und mehr. Der beschriebene Übergang kann entweder auf demselben Radius liegen wie der Innenradius des außenliegenden Rings oder aber er kann gegenüber diesem radi al versetzt sein. Insbesondere kann der Übergangsbereich ra dial nach außen hin versetzt sein, um eine vergrößerte radia le Länge für die drehmomentübertragenden Speichen zu errei chen. In dem beschriebenen Bereich für den Radius des Über gangspunkts wird eine besonders empfindliche Drehmomentmes sung erreicht, weil das Drehmoment mit dem Speichenrad zwi schen zwei radial weit auseinanderliegenden Stellen übertra gen wird. In ähnlicher Weise ist es auch allgemein vorteil haft, wenn der Übergang zwischen den Speichen und der Nabe auf einem zweiten Radius liegt, welcher höchstens 55% und insbesondere sogar nur höchstens 45% des Außendurchmessers beträgt. Insgesamt sind das zugrundeliegende Messprinzip und der allgemeine Aufbau der Messvorrichtung sehr leicht auf verschiedene absolute Radien skalierbar. Zur Messung des Drehmoments kann zumindest ein Teil der Spei chen mit einem oder mehreren Dehnmessstreifen (DMS) versehen sein. Dies ermöglicht eine Drehmomentmessung mit einem ver gleichsweise einfachen apparativen Aufbau. Solche Dehnmess streifen können beispielsweise nur an einer der Speichen oder aber auch an mehreren Speichen angeordnet sein. Die jeweili gen Dehnmessstreifen können entweder als Einfach-Streifen oder auch als Mehrfach-Streifen (z.B. mit mehreren mäander förmigen Leiterstrukturen und mehreren elektrischen An schlusspaaren) ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung als Doppel-Dehnmessstreifen, um auf einfache Weise eine Mittelung des Signals für zwei eng benachbarte Po sitionen zu ermöglichen. Allgemein vorteilhaft können die elektrischen Anschlüsse der jeweiligen Dehnmessstreifen zur Auslesung der Signale mit einer elektrischen Brückenschaltung miteinander verschaltet sein. Beispielsweise können die Sig nale von insgesamt acht elektrischen Anschlusspaaren (also von acht einzelnen Dehnmessstreifen oder vier Doppel-Dehn messstreifen) über eine doppelte Vollbrücke miteinander ver schaltet sein. Alternativ zu den beschriebenen Dehnmessstrei fen kann die Längenänderung der Speichen aber auch auf andere Weise ermittelt werden, beispielsweise über eine magneto striktive Messung oder über die Messung mittels einer Faser optik. It is generally preferred if the transition between the spokes and the outer ring lies on a first radius which is at least 70% of the outer radius of the drive device, particularly advantageously even at least 75% or even 80% and more. The transition described can either lie on the same radius as the inner radius of the outer ring or it can be offset with respect to this radi al. In particular, the transition area can be offset radially outwards in order to achieve an increased radial length for the torque-transmitting spokes. In the area described for the radius of the transition point, a particularly sensitive torque measurement is achieved because the torque with the spoked wheel is transmitted between two radially far apart points. In a similar way, it is also generally advantageous if the transition between the spokes and the hub lies on a second radius which is at most 55% and in particular only at most 45% of the outer diameter. Overall, the underlying measuring principle and the general structure of the measuring device can be very easily scaled to different absolute radii. To measure the torque, at least some of the Spei surfaces can be provided with one or more strain gauges (DMS). This enables a torque measurement with a comparatively simple apparatus structure. Such strain gauges can, for example, only be arranged on one of the spokes or also on several spokes. The respective strain gauges can be designed either as single strips or as multiple strips (eg with several meander-shaped conductor structures and several electrical connection pairs). The design as a double strain gauge is particularly advantageous in order to enable the signal to be averaged for two closely adjacent positions in a simple manner. Generally advantageously, the electrical connections of the respective strain gauges for reading out the signals can be interconnected with an electrical bridge circuit. For example, the signals from a total of eight pairs of electrical connections (i.e. eight individual strain gauges or four double strain gauges) can be connected to one another via a double full bridge. As an alternative to the strain gauges described, the change in length of the spokes can also be determined in other ways, for example via a magnetostrictive measurement or via a measurement using fiber optics.
Wenn für die Messung ein oder mehrere Dehnmessstreifen einge setzt werden, dann können diese vorteilhaft auf einer azimu talen Begrenzungsfläche der zugehörigen Speiche angeordnet sein. Besonders vorteilhaft kann dabei die jeweilige Speiche auf beiden azimutalen Seiten solche gegenüberliegenden Dehn messstreifen aufweisen. Allgemein erlaubt es die azimutale Anordnung, dass die Dehnmessstreifen leicht entlang der Hauptrichtung der Speiche ausgerichtet werden können, weil eine winkelgetreue schräge Einbaulage nicht erforderlich ist. Die Hauptrichtung der einzelnen Dehnmessstreifen verläuft al so insbesondere in radialer Richtung. Auf diese Weise kann eine eindeutige Messung bezüglich eines klar definierten ein achsigen Belastungszustands erfolgen - nämlich die Messung einer lokalen radialen Längenänderung entlang der Speiche. Dabei wird durch die azimutale Anordnung (im Unterschied zu einer axialen, stirnseitigen Anordnung) des Dehnmessstreifens die Bestimmung der Drehrichtung ermöglicht. Je nach Drehrich tung erfolgt nämlich für eine gegebene azimutale Seite einer Speiche nämlich entweder eine Stauchung oder eine Streckung. If one or more strain gauges are used for the measurement, then these can advantageously be arranged on an azimuthal boundary surface of the associated spoke. The respective spoke can particularly advantageously have such opposing strain gauges on both azimuthal sides. In general, the azimuthal arrangement allows the strain gauges to be easily aligned along the main direction of the spoke, because an inclined installation position that is true to the angle is not required. The main direction of the individual strain gauges thus runs in particular in the radial direction. In this way, an unambiguous measurement can take place with regard to a clearly defined one-axis load condition - namely the measurement a local radial change in length along the spoke. The azimuthal arrangement (in contrast to an axial, end-face arrangement) of the strain gauge enables the direction of rotation to be determined. Depending on the direction of rotation, a given azimuthal side of a spoke is either compressed or stretched.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen bei Anwendun gen im Bereich der Robotik besonders wirksam zum Tragen. Da her kann eine solche Antriebseinrichtung insbesondere eine Antriebseinrichtung für ein Robotikgelenk in einem Roboterarm sein. Es kommen aber auch zahlreiche andere vorteilhafte An wendungen in Betracht, beispielsweise andere industrielle An triebe und/oder Antriebe in fahrerlosen Transportfahrzeugen (Automated Guided Vehicles) sowie in sonstigen Elektrofahr zeugen. Bei diesen Anwendungen erweist sich die kompakte In tegration einer Drehmomentmessung direkt in den Antrieb als vorteilhaft . The advantages of the present invention are particularly effective in applications in the field of robotics. As a result, such a drive device can in particular be a drive device for a robotic joint in a robot arm. However, there are also numerous other advantageous applications into consideration, for example other industrial drives and / or drives in automated guided vehicles and in other electric vehicles. In these applications, the compact integration of a torque measurement directly into the drive is advantageous.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Roboterarms können auch mehrere und insbesondere sogar alle der vorlie genden Robotikgelenke mit einer erfindungsgemäßen Antriebs einrichtung ausgestattet sein. Die Messung der inneren Dreh momente in mehreren (insbesondere allen) solchen Gelenken er möglicht die Messung eines echten Belastungszustands des ge samten Roboterarms, inklusive der durch die Eigenmasse und die äußeren Belastungen des Arms verursachten Effekte. According to an advantageous embodiment of the robot arm, several and in particular even all of the present robotic joints can be equipped with a drive device according to the invention. The measurement of the internal torques in several (especially all) such joints enables the measurement of a real load condition of the entire robot arm, including the effects caused by the weight and the external loads on the arm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann das Messsignal ein mittels eines oder mehrerer Dehnmessstrei fen gemessenes elektrisches Signal sein. Insbesondere kann es sich um eine verformungsabhängige Messung des elektrischen Widerstands von einem oder mehreren Dehnmessstreifen handeln. According to an advantageous embodiment of the method, the measurement signal can be an electrical signal measured by means of one or more strain gauges. In particular, it can be a deformation-dependent measurement of the electrical resistance of one or more strain gauges.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Messme thode können bei der Drehmomentmessung mehrere Einzelsignale miteinander gemittelt werden. Dies kann beispielsweise vor teilhaft über eine Brückenschaltung erfolgen. Optional kann zusätzlich zu der Drehmomentmessung innerhalb der Antriebseinrichtung eine Winkelmessung und/oder eine Drehzahlmessung erfolgen. Eine solche gleichzeitige Winkel messung wird dabei von der Drehmomentmessung aufgrund der vergleichsweise geringen Deformation des Speichenrades nur unwesentlich beeinflusst. Mit anderen Worten kann die Winkel verformung des Speichenrads und die daraus resultierende Ver zerrung der relativen räumlichen Anordnung von anderen Kompo nenten zueinander im Zusammenhang mit der Winkelmessung im Wesentlichen vernachlässigt werden. It is generally advantageous and independent of the exact measuring method that several individual signals can be averaged with one another when measuring the torque. This can for example be done before geous via a bridge circuit. Optionally, in addition to the torque measurement, an angle measurement and / or a speed measurement can take place within the drive device. Such a simultaneous angle measurement is only insignificantly influenced by the torque measurement due to the comparatively low deformation of the spoked wheel. In other words, the angular deformation of the spoked wheel and the resulting distortion of the relative spatial arrangement of other components to one another can essentially be neglected in connection with the angle measurement.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: The invention is described below on the basis of a few preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawings, in which:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt einer Antriebsein richtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt, Figure 1 shows a schematic longitudinal section of a drive device according to a first example of the invention,
Figur 2 einen Längsschnitt für Teilelemente eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt, Figure 2 shows a longitudinal section for partial elements of a second embodiment,
Figur 3 einen Längsschnitt für eine Untermenge der Teilele mente der Figur 2 zeigt, Figure 3 shows a longitudinal section for a subset of the Teilele elements of Figure 2,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Speichenrads zeigt, Figure 4 shows a perspective view of a spoked wheel,
Figur 5 einen schematischen Querschnitt des Speichenrads der Figur 4 zeigt, Figure 5 shows a schematic cross section of the spoked wheel of Figure 4,
Figur 6 einen schematischen Längsschnitt des Speichenrads der Figuren 4 und 5 zeigt, Figure 6 shows a schematic longitudinal section of the spoked wheel of Figures 4 and 5,
Figur 7 einen beispielhaften Belastungszustand eines solchen Speichenrads zeigt, Figure 7 shows an exemplary load condition of such a spoked wheel,
Figur 8 eine Aufsicht eines Doppel-Dehnmessstreifens zeigt,Figure 8 shows a plan view of a double strain gauge,
Figur 9 eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung zur Auslesung von vier solchen Doppel- Dehnmessstreifen zeigt und FIG. 9 shows a schematic representation of a bridge circuit for reading out four such double strain gauges and
Figur 10 eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboterarms zeigt. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figure 10 shows a schematic perspective illustration of a robot arm. Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
In Figur 1 ist eine Antriebseinrichtung 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein schematischer Längsschnitt entlang der zentralen Achse A. Die Antriebsein richtung 1 umfasst ein Antriebsgehäuse 3, welches einen An triebsmotor 5, ein Getriebe 50, eine Messvorrichtung 30 zur Messung eines inneren Drehmoments und weitere, teils optiona le Komponenten umschließt. Es handelt sich also um eine hoch integrierte Antriebsvorrichtung, welche in dem Beispiel auch äußerst kompakt ausgebildet ist. Das von dem Antriebsmotor 5 erzeugte Drehmoment wird über eine Antriebswelle 7 ausgelei tet und auf ein Antriebs-Element 52 des Getriebes 50 übertra gen. Die Antriebswelle 7 ist bezüglich der zentralen Achse A der Antriebseinrichtung 1 drehbar angeordnet. Insgesamt weist die Antriebseinrichtung 1 ein motorseitige axiales Ende al und ein abtriebsseitiges axiales Ende a2 auf. In Figure 1, a drive device 1 is shown according to a first example of the invention. Shown is a schematic longitudinal section along the central axis A. The drive device 1 comprises a drive housing 3, which encloses a drive motor 5, a gear 50, a measuring device 30 for measuring an internal torque and other, partly optional components. It is therefore a highly integrated drive device, which is also extremely compact in the example. The torque generated by the drive motor 5 is diverted via a drive shaft 7 and transmitted to a drive element 52 of the transmission 50. Overall, the drive device 1 has an axial end a1 on the engine side and an axial end a2 on the output side.
Das Getriebe 50 umfasst als wesentliche Bestandteile neben dem Antriebs-Element 52 auch ein Abtriebs-Element 53 und ein Fest-Element 51. Im gezeigten Beispiel ist das Getriebe 50 als Harmonie Drive Getriebe ausgestaltet, wobei das Antriebs- Element 52 den Wave Generator, das Abtriebs-Element 53 den Flex Spline und das Fest-Element 51 den Circular Spline die ses Getriebes bildet. Der Flex Spline umfasst dabei ein büch senartig geformtes Teilelement 53a, welches drehmomentüber tragend mit einem Abtriebskörper 40 verbunden ist. Dieser Ab triebskörper 40 ist hier schematisch als rotationssymmetri sche Abtriebswelle gezeigt. Die rechts dargestellte gestri chelte Linie kann dabei entweder für einen rotierenden, radi al erweiterten Teil des Abtriebskörpers oder für einen fest stehenden Gehäuseteil stehen - je nach radialer Größe des drehenden Elements auf der Abtriebsseite a2. In addition to the drive element 52, the gear 50 also includes an output element 53 and a fixed element 51 as essential components. In the example shown, the gear 50 is designed as a harmony drive gear, the drive element 52 being the wave generator, the Output element 53 forms the flex spline and the fixed element 51 forms the circular spline of this gear. The flex spline here comprises a bushing-like shaped sub-element 53a, which is connected to an output body 40 to transmit torque. From this drive body 40 is shown here schematically as a rotationally symmetrical output shaft. The dashed line shown on the right can either stand for a rotating, radi al extended part of the output body or for a stationary housing part - depending on the radial size of the rotating element on the output side a2.
Die Antriebseinrichtung 1 umfasst weiterhin einen Grundhalter 20, welcher insbesondere zur Verbindung mit einer äußeren me chanischen Masse ausgelegt ist. Dieser Grundhalter 20 bildet also eine Art mechanischen Referenzkörper der Antriebsein richtung 1, gegen den die übrigen Elemente abgestützt sind.The drive device 1 further comprises a base holder 20, which is designed in particular for connection to an external mechanical mass. This basic holder 20 forms So a kind of mechanical reference body of the drive device 1, against which the other elements are supported.
So ist beispielsweise auch der Antriebsmotor 5 über ein hier nur äußerst schematisch dargestelltes Abstützelement 9 mecha nisch gegen einen Sockel 21 dieses Grundhalters abgestützt. Dieser Sockel 21 liegt in einem radial äußeren Bereich der gesamten Antriebseinrichtung 1 und ist zur Verbindung mit außenliegenden Elementen ausgestaltet, beispielsweise über einen Flansch. For example, the drive motor 5 is mechanically supported against a base 21 of this base holder via a support element 9, which is only shown extremely schematically here. This base 21 lies in a radially outer region of the entire drive device 1 and is designed for connection to external elements, for example via a flange.
Die Antriebseinrichtung 1 umfasst eine Messvorrichtung zur Messung eines innerhalb der Antriebseinrichtung wirkenden Drehmoments. Einen wesentlicher Teil dieser Messvorrichtung bildet ein Speichenrad 31. Dieses Speichenrad 31 ist zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Bereich ausgebildet, wie im Zusam menhang mit den Figuren 4 bis 7 noch deutlicher werden wird. Das durch das Speichenrad übertragene Drehmoment ist die Grö ße, welche durch die Messvorrichtung gemessen wird. Es han delt sich dabei im vorliegenden Beispiel um ein Abstützmoment des Getriebes 50 gegen den Grundhalter 20. Um die Messung dieser Größe zu ermöglichen, ist der radial äußere Bereich des Speichenrads 31 fest und drehmomentübertragend mit dem Fest-Element 51 des Getriebes 50 verbunden. Diese feste Ver bindung wird beispielsweise über einen äußeren Lochkranz 38 vermittelt. Außerdem ist der radial innere Bereich des Spei chenrads 31 fest und drehmomentübertragend mit dem Grundhal ter 20 verbunden. Diese feste Verbindung wird beispielsweise über einen inneren Lochkranz 39 vermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann sie aber auch durch andere Arten der Verbin dung, insbesondere über eine hier nicht näher dargestellte Verzahnung vermittelt sein. The drive device 1 comprises a measuring device for measuring a torque acting within the drive device. A spoked wheel 31 forms an essential part of this measuring device. This spoked wheel 31 is designed to transmit a torque between a radially inner and a radially outer area, as will become even clearer in connection with FIGS. The torque transmitted by the spoked wheel is the size that is measured by the measuring device. In the present example, it is a support torque of the gear 50 against the base holder 20. In order to enable this variable to be measured, the radially outer area of the spoked wheel 31 is connected to the fixed element 51 of the gear 50 in a fixed and torque-transmitting manner. This fixed connection Ver is conveyed for example via an outer perforated ring 38. In addition, the radially inner region of the Spei chenrads 31 is firmly and torque-transmitting with the Grundhal ter 20 connected. This fixed connection is conveyed via an inner perforated ring 39, for example. As an alternative or in addition, however, it can also be conveyed by other types of connection, in particular via a toothing not shown in detail here.
Um die feste Verbindung mit dem radial inneren Teil des Spei chenrads 31 zu ermöglichen, weist der Grundhalter in diesem Beispiel ein Scheibenelement 22 auf, welches senkrecht zur zentralen Achse A ausgerichtet ist. Dieses Scheibenelement 22 liegt insbesondere parallel zur Hauptebene des Speichenrads 31. Es kann ebenso wie das Speichenrad 31 im Wesentlichen konzentrisch um die zentrale Achse A angeordnet sein. Wesent lich ist vor allem, dass das Scheibenelement 22 eine kompakte Realisierung einer festen drehmomentübertragenden Verbindung zwischen dem Grundhalter 20 und dem inneren Bereich des Spei chenrad das 31 ermöglicht. Beim Beispiel der Figur 1 weist das Scheibenelement 22 eine axial innenliegende Aussparung 23 auf, durch welche die Abtriebswelle 40 geführt ist. Entspre chend weist das Speichenrad eine ähnliche innenliegende Aus sparung 35 auf, sodass sich die Abtriebswelle 40 sowohl durch das Speichenrad 31 als auch durch das Scheibenelement 22 hin durch von dem Getriebe 50 zum abtriebsseitigen Ende a2 der Antriebsvorrichtung erstrecken kann. In order to enable the fixed connection with the radially inner part of the Spei chenrads 31, the base holder in this example has a disk element 22 which is oriented perpendicular to the central axis A. This disk element 22 lies in particular parallel to the main plane of the spoke wheel 31. Like the spoke wheel 31, it can be arranged essentially concentrically around the central axis A. Above all, it is essential that the disk element 22 enables a compact implementation of a fixed, torque-transmitting connection between the base holder 20 and the inner area of the spoke wheel 31. In the example of FIG. 1, the disk element 22 has an axially inner recess 23 through which the output shaft 40 is guided. Correspondingly, the spoked wheel has a similar internal recess 35, so that the output shaft 40 can extend both through the spoke wheel 31 and through the disk element 22 through from the gear 50 to the output-side end a2 of the drive device.
Das Scheibenelement 22 weist in seinem radial außenliegenden Bereich einen Vorsprung 22a auf, welcher sich in axialer Richtung zum motorseitigen Ende al hin erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass der axiale Bereich a22 des Scheibenele ments vergrößert ist und der Grundhalter 20 das Speichenrad 31 zumindest teilweise hülsenartig umschließt. In ähnlicher Weise weist auch das Speichenrad 31 einen axialen Vorsprung 32a auf, so dass der axiale Bereich a31 des Speichenrads ver größert ist und zumindest die Büchse 53a des Abtriebs-Ele ments des Getriebes hülsenartig umschließt. Der Bereich a31 überlappt also zumindest teilweise mit dem axialen Bereich a50 des Getriebes. Hierdurch wird eine sehr kompakte und me chanisch stabile Gesamtanordnung erzielt. In its radially outer region, the disk element 22 has a projection 22a which extends in the axial direction towards the end a1 on the motor side. What is achieved hereby is that the axial area a22 of the disk element is enlarged and the base holder 20 at least partially encloses the spoke wheel 31 in the manner of a sleeve. Similarly, the spoke wheel 31 also has an axial projection 32a, so that the axial area a31 of the spoke wheel is enlarged and at least encloses the bushing 53a of the output element of the transmission like a sleeve. The area a31 thus at least partially overlaps the axial area a50 of the transmission. This results in a very compact and mechanically stable overall arrangement.
In Figur 2 ist ein schematischer Längsschnitt für Teilelemen te einer Antriebseinrichtung 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung gezeigt. Die Antriebseinrichtung ist (auch be züglich der nicht dargestellten Elemente) insgesamt ähnlich aufgebaut wie die Antriebseinrichtung der Figur 1. Im Unter schied zu dieser ist die Abtriebswelle 40 insgesamt als Hohl welle ausgebildet, welche sich vom motorseitigen Ende al aus (zumindest) durch das Getriebe 50, durch das Speichenrad 31 und durch das Scheibenelement 22 des Grundhalters hindurch zum abtriebsseitigen Ende a2 erstreckt. Diese Ausführungsform bewirkt den Vorteil, dass durch die innere Aussparung 41 der Hohlwelle 40 weitere Elemente hindurchgeführt sein können, beispielsweise eine elektrische Verbindungsleitung 42. Die Abtriebswelle 40 ist hier mittels eines Radiallagers 43 gegen die hier nicht näher dargestellten, außenliegenden festen Teile der Antriebseinrichtung drehbar gelagert. Bei dem Radi allager kann es sich beispielsweise um ein Kreuzrollenlager handeln. Ein ähnliches Radiallager kann auch zur Lagerung der zentralen Abtriebswelle im Beispiel der Figur 1 vorgesehen sein und ist dort nur der Übersichtlichkeit halber nicht dar gestellt. Bei allen Ausführungsformen soll aber das Scheiben element 22 des Grundhalters 20 axial zwischen dem Getriebe 50 und dem Lager 43 der Abtriebswelle 40 angeordnet sein. Das Radiallager 43 kann allgemein vorteilhaft auf einem ver gleichsweise großen Radius liegen, also insbesondere auch weiter außen als in Figur 2 schematisch angedeutet ist. In Figure 2 is a schematic longitudinal section for Teilelemen te a drive device 1 according to a second example of the invention is shown. The drive device (also with regard to the elements not shown) is constructed in a manner similar to the drive device in FIG 50, through the spoke wheel 31 and through the disk element 22 of the base holder to the output-side end a2. This embodiment causes the advantage that further elements can be passed through the inner recess 41 of the hollow shaft 40, for example an electrical connection line 42. The output shaft 40 is rotatably supported here by means of a radial bearing 43 against the external fixed parts of the drive device, not shown here. The Radi allager can be, for example, a crossed roller bearing. A similar radial bearing can also be provided for mounting the central output shaft in the example of FIG. 1 and is not shown there for the sake of clarity. In all embodiments, however, the disk element 22 of the base holder 20 should be arranged axially between the gear 50 and the bearing 43 of the output shaft 40. The radial bearing 43 can generally advantageously lie on a comparatively large radius, that is to say in particular also further out than is indicated schematically in FIG.
In Figur 2 ist bei dem Getriebe 50 das Antriebs-Element 52 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Der axiale Teilbe reich, in dem Getriebe 50 und Speichenrad 31 axial überlap pen, ist mit a3 bezeichnet. Der Bereich des außenliegenden Rings des Speichenrads ist mit 32 bezeichnet, der Bereich der (hier ringförmigen) Nabe mit 33 und der radiale Bereich der Speichen mit 34. In FIG. 2, the drive element 52 is omitted from the transmission 50 for the sake of clarity. The axial Teilbe rich, in the gear 50 and spoke wheel 31 axially overlap pen, is denoted by a3. The area of the outer ring of the spoke wheel is denoted by 32, the area of the (here annular) hub by 33 and the radial area of the spokes by 34.
Die Abtriebswelle kann sich allgemein auch ganz bis zum mo torseitigen Ende al der Antriebsvorrichtung erstrecken, also insbesondere auch durch das Getriebe und sogar durch den An triebsmotor hindurch. Dabei kann die Abtriebswelle prinzipi ell entweder hohl oder massiv ausgestaltet sein. Eine Hin durchführung der Abtriebswelle ganz bis zum motorseitigen axialen Ende al ermöglicht es, auf dieser Seite zusätzlich auf relativ einfache Weise eine Winkelmessung und/oder Dreh zahlmessung für die Bewegung des Abtriebs durchzuführen, ins besondere mit einem axial außenliegenden Sensor. Durch die vergleichsweise geringe Verwindung des Speichenrads 31 bei der Messung des Drehmoments wird eine solche Winkel- bzw. Drehzahlmessung vorteilhaft nur unwesentlich beeinflusst. Um die Abtriebswelle 40 ganz bis zum motorseitigen Ende al durch die Antriebsvorrichtung hindurchzuführen ist es allgemein vorteilhaft, wenn die (in Figur 1 dargestellte) Antriebswelle 7 als Hohlwelle ausgeführt ist. Dann kann die Antriebswelle 40 beispielsweise koaxial innerhalb der Antriebswelle 7 ge führt sein. The output shaft can generally also extend all the way to the motor-side end al of the drive device, that is to say in particular also through the transmission and even through the drive motor. In principle, the output shaft can either be hollow or solid. A Hin implementation of the output shaft all the way to the engine-side axial end al enables an angle measurement and / or rotational speed measurement for the movement of the output to be carried out on this page in a relatively simple manner, in particular with an axially outer sensor. Due to the comparatively small twist of the spoked wheel 31 during the measurement of the torque, such an angle or speed measurement is advantageously only influenced insignificantly. Around It is generally advantageous if the drive shaft 7 (shown in FIG. 1) is designed as a hollow shaft. Then the drive shaft 40 can for example be coaxial within the drive shaft 7 ge leads.
In Figur 3 ist ein Längsschnitt durch die Antriebseinrichtung nach dem Beispiel der Figur 2 gezeigt, wobei die Ansicht auf den Grundhalter 20 und das Speichenrad 31 beschränkt ist. Die Verbindung dieser beiden Elemente wird durch den inneren Lochkranz 39 und/oder eine hier nicht näher dargestellte Ver zahnung oder eine andere formschlüssige Verbindung bewirkt. Der axiale Teilbereich, in dem der axiale Vorsprung 22a des Scheibenelements 22 das Speichenrad 31 hülsenartig um schließt, ist hier mit a4 bezeichnet. Der innenliegende Hohl raum des Speichenrads, der durch den axialen Vorsprung 32a des äußeren Rings gebildet wird, ist mit 32b bezeichnet. In diesen inneren Hohlraum 32b ist gemäß Fig. 2 zumindest ein Teil des Getriebes 50 eingelegt - insbesondere die Büchse 53a des Flex Splines. FIG. 3 shows a longitudinal section through the drive device according to the example of FIG. 2, the view being limited to the base holder 20 and the spoke wheel 31. The connection of these two elements is brought about by the inner perforated ring 39 and / or a toothing not shown here or another form-fitting connection. The axial sub-area in which the axial projection 22a of the disk element 22 closes the spoke wheel 31 in a sleeve-like manner is denoted here by a4. The inner cavity of the spoke wheel, which is formed by the axial projection 32a of the outer ring, is denoted by 32b. According to FIG. 2, at least a part of the gear 50 is inserted into this inner cavity 32b - in particular the bushing 53a of the flex spline.
In den Figuren 4 bis 7 sind verschiedene Einzelansichten eines Speichenrades 31 gezeigt, wie es insbesondere in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 zum Einsatz kommen kann. Dieses Speichenrad 31 umfasst einen außenliegenden Ring 32, eine hier ringförmig ausgebildeten Nabe 33 und vier Spei chen 34, welche sich jeweils in radialer Richtung zwischen den beiden ringförmigen Elementen 32 und 33 erstrecken. Die Messung des Drehmoments erfolgt über ein oder mehrere Senso ren 36, welche zumindest auf einem Teil der Speichen 34 ange bracht sind und zur Messung einer Verformung (insbesondere einer Dehnung bzw. Stauchung) der jeweiligen Speiche ausge legt sind. Prinzipiell können solche Sensoren entweder auf einer azimutalen Begrenzungsfläche 34a und/oder auf einer axialen Begrenzungsfläche 34b der jeweiligen Speiche angeord net sein. Beim dem in Figur 5 näher illustrierten Beispiel sind die Sensoren auf den azimutalen Begrenzungsflächen 34a von zwei Speichen angeordnet. Dies bewirkt den Vorteil, dass durch die Bestimmung derjenigen Seite einer Speiche, die ge dehnt bzw. gestaucht wird, in direkter und einfacher Weise eine Bestimmung des Vorzeichens des Drehmoments ermöglicht wird. In FIGS. 4 to 7, various individual views of a spoked wheel 31 are shown, as can be used in particular in the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 3. This spoke wheel 31 comprises an outer ring 32, a hub 33, which is configured in the form of a ring here, and four Spei surfaces 34, which each extend in the radial direction between the two ring-shaped elements 32 and 33. The torque is measured via one or more sensors 36, which are attached to at least part of the spokes 34 and are designed to measure a deformation (in particular an expansion or compression) of the respective spoke. In principle, such sensors can be arranged either on an azimuthal boundary surface 34a and / or on an axial boundary surface 34b of the respective spoke. In the example illustrated in more detail in FIG. 5, the sensors are on the azimuthal boundary surfaces 34a arranged by two spokes. This has the advantage that by determining that side of a spoke that is stretched or compressed, a determination of the sign of the torque is made possible in a direct and simple manner.
In Figur 5 ist eine Ausführungsform eines Speichenrads 31 dargestellt, bei dem die beiden senkrecht ausgerichteten Speichen jeweils links und rechts mit solchen Sensoren ausge stattet sind. Bei den Sensoren handelt es sich hier jeweils um Dehnmessstreifen (DMS), welche über eine Änderung eines Widerstands eine einfache und äußerst empfindliche und genaue Messung von Längenänderungen im Sub-Promille-Bereich ermögli chen. Beim Beispiel der Figur 5 liegen also insgesamt vier solche Dehnmessstreifen vor: Dia, Dlb rechts und links auf der oben dargestellten Speiche und D2a, D2b rechts und links auf der unten dargestellten Speiche. Durch elektrische Ausle sung und Mittelung der entsprechenden vier Signale kann eine sehr genaue Bestimmung des mittels der Speichen übertragenen inneren Drehmoments (inklusive seines Vorzeichens) erfolgen. Figur 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch das Speichenrad der Figur 5, und zwar entlang der Schnittebene VI-VI, welche zwei der Dehnmessstreifen enthält. In Figure 5, an embodiment of a spoke wheel 31 is shown, in which the two vertically aligned spokes are each equipped with such sensors on the left and right. The sensors are strain gauges (strain gauges), which enable a simple, extremely sensitive and precise measurement of changes in length in the sub-per mil range by changing a resistance. In the example in FIG. 5, there are a total of four such strain gauges: Dia, Dlb right and left on the spoke shown above and D2a, D2b right and left on the spoke shown below. By electrical readout and averaging of the four corresponding signals, a very precise determination of the internal torque transmitted by means of the spokes (including its sign) can be made. FIG. 6 shows a schematic longitudinal section through the spoked wheel of FIG. 5, specifically along the section plane VI-VI, which contains two of the strain gauges.
In Figur 7 ist ein beispielhafter Belastungszustands eines solchen Speichenrads 31 im schematischen Querschnitt gezeigt. Gezeigt ist ein Belastungszustand durch ein inneres Drehmo ment M der Antriebseinrichtung, wobei der außenliegende Ring 32 im Verhältnis zur innen liegenden Nabe 33 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Hierdurch wird beispielsweise bei der im oberen Bereich der Figur dargestellten Speiche 34 die Fläche 34c ge dehnt und die Fläche 34d gestaucht. Bei einer Messung des Wi derstands der hier aufgeklebten Dehnmessstreifen Dia und Dlb ergibt sich eine entsprechende Veränderung - mit einem unter schiedlichen Vorzeichen zwischen den beiden Sensoren Dia und Dlb. Die Messung eines Drehmoments M über ein solches Speichenrad ist besonders empfindlich, wenn die Übertragung des Drehmo ments mittels der Speichen über eine möglichst große radiale Distanz hinweg erfolgt. Mit anderen Worten ist es günstig, wenn der erste Radius rl, bei dem der Übergang zwischen den Speichen 34 und dem außenliegenden Ring 32 liegt, möglichst groß ist. Entsprechend ist es auch günstig, wenn der zweite Radius r2, bei dem der Übergang zwischen den Speichen und der Nabe 33 liegt, möglichst klein ist. Der Außenradius der An triebseinrichtung ist hier mit ra bezeichnet, wobei das radi al außenliegende Gehäuse 3 hier nur angedeutet ist. Unter dem Außenradius ra der Antriebseinrichtung soll dabei der Au ßenradius eines kreiszylindrischen Teils des Gehäuses ver standen werden (bei dem die zusätzliche Abmessung eines opti onal vorliegenden seitlichen Sockels 21 nicht berücksichtigt wird). Im Verhältnis zu diesem Außenradius ra kann der erste Radius rl beispielsweise allgemein in einem Bereich zwischen 70% und 90% liegen. Der zweite Radius r2 kann beispielsweise allgemein in einem Bereich zwischen 25% und 55% von ra lie gen. In FIG. 7, an exemplary load condition of such a spoked wheel 31 is shown in a schematic cross section. A load condition is shown by an internal torque M of the drive device, the outer ring 32 being rotated clockwise in relation to the inner hub 33. As a result, for example, in the case of the spoke 34 shown in the upper region of the figure, the surface 34c is stretched and the surface 34d is compressed. When measuring the resistance of the strain gauges Dia and Dlb affixed here, there is a corresponding change - with a different sign between the two sensors Dia and Dlb. The measurement of a torque M via such a spoked wheel is particularly sensitive if the torque is transmitted by means of the spokes over the greatest possible radial distance. In other words, it is advantageous if the first radius rl, at which the transition between the spokes 34 and the outer ring 32 lies, is as large as possible. Accordingly, it is also advantageous if the second radius r2, at which the transition between the spokes and the hub 33 lies, is as small as possible. The outer radius of the drive device is denoted here by ra, the radi al external housing 3 is only indicated here. The outer radius ra of the drive device should be understood to mean the outer radius of a circular cylindrical part of the housing (in which the additional dimension of an optionally present lateral base 21 is not taken into account). In relation to this outer radius ra, the first radius rl can, for example, generally lie in a range between 70% and 90%. The second radius r2 can, for example, generally lie in a range between 25% and 55% of ra.
In Figur 8 ist ein Dehnmessstreifen 60, wie er beispielsweise als einer der Sensoren Dia bis D2b zum Einsatz kommen kann, in schematischer Aufsicht gezeigt. Der Dehnmessstreifen 60 ist als Doppel-DMS ausgebildet und umfasst zwei Einzel-DMS 60a und 60b. Bei jedem der Einzel-DMS ist ein Leiterelement mäanderartig geführt, wobei die Hauptrichtung von jedem sol chen Einzel-DMS der radial Richtung der jeweiligen zugeordne ten Speiche entspricht. Zur Messung der Widerstandsänderung in einem solchen Doppel-DMS liegen insgesamt vier elektrische Anschlüsse 61 vor. In FIG. 8, a strain gauge 60, as it can be used, for example, as one of the sensors Dia to D2b, is shown in a schematic plan view. The strain gauge 60 is designed as a double strain gauge and comprises two single strain gauges 60a and 60b. In each of the individual strain gauges, a conductor element is routed in a meandering manner, the main direction of each such individual strain gauge corresponding to the radial direction of the respective associated spoke. A total of four electrical connections 61 are available for measuring the change in resistance in such a double strain gauge.
In Figur 9 ist eine schematische Darstellung einer Brücken schaltung 70 gezeigt, welche zur Auslesung von insgesamt vier solchen Doppel-DMS (beispielsweise wie bei der Anordnung in Figur 5) ausgelegt ist. Für jeden Doppel-DMS sind die beiden zugehörigen Einzel-DMS über ihre beiden elektrischen An schlüsse in diese Brückenschaltung integriert. So umfasst die Doppel-DMS Dia beispielsweise die beiden Einzel-DMS Dia' und Dia''. Die insgesamt acht vorliegenden Einzel-DMS Dia' bis D2b' ' sind über eine doppelte Vollbrücke miteinander ver schaltet, so dass die mittels der Schaltung gemittelten Sig nale über die sechs äußeren Anschlüsse ol bis o4 und eine nachfolgende, hier nicht dargestellte Verstärker- und Ausle seelektronik ausgelesen werden können. FIG. 9 shows a schematic representation of a bridge circuit 70 which is designed for reading out a total of four such double DMS (for example as in the arrangement in FIG. 5). For each double strain gauge, the two associated single strain gauges are integrated into this bridge circuit via their two electrical connections. So includes the Double DMS Dia, for example, the two single DMS Dia 'and Dia''. The total of eight available individual strain gauges Dia 'to D2b''are connected to one another via a double full bridge, so that the signals averaged by means of the circuit are transmitted via the six outer connections ol to o4 and a subsequent amplifier and output, not shown here seelektronik can be read out.
In Figur 10 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Roboterarms 80 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Roboterarm weist sieben Robotikge lenke J1 bis J7 auf, welche jeweils eine Drehung um eine zu gehörige Rotationsachse Al bis A7 ermöglichen. Es handelt sich also um einen Roboterarm mit sieben rotatorischen Frei heitsgraden. Das „innerste" Gelenk J1 ist mit einer Basis 81 verbunden, welche als übergeordnete mechanische Messe dient. Das „äußerste" Gelenk J7 kann beispielsweise einen Werkzeug halter tragen. Jedes der Einzel-Gelenke J1 bis J7 weist eine lokale mechanische Masse für die jeweilige Drehbewegung auf, welche durch den Sockel des jeweiligen Gelenks gegeben ist.FIG. 10 shows a schematic perspective illustration of a robot arm 80 according to a further exemplary embodiment of the invention. The robot arm has seven Robotikge joints J1 to J7, which each allow a rotation about an associated axis of rotation A1 to A7. So it is a robotic arm with seven degrees of rotational freedom. The "innermost" joint J1 is connected to a base 81, which serves as a superordinate mechanical measuring device. The "outermost" joint J7 can, for example, carry a tool holder. Each of the individual joints J1 to J7 has a local mechanical mass for the respective rotary movement, which is given by the base of the respective joint.
So ist beispielsweise der Sockel des dritten Gelenks J7 hier mit 21 bezeichnet. For example, the base of the third joint J7 is denoted here by 21.
Bei dem gezeigten Roboterarm ist zumindest eines der Robotik gelenke J1 bis J7 mit einer erfindungsgemäßen Antriebsein richtung versehen. Besonders vorteilhaft sind mehrere und insbesondere sogar alle dieser Gelenke mit erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen ausgestaltet. Exemplarisch wird dies für das dritte Gelenk J3 näher erläutert: Der Sockel 21 stellt die lokale mechanische Masse dieses Gelenks J3 dar. Dies ist der Sockel eines Grundhalters, wie er vorab im Zu sammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurde. Im In neren des Gehäuses 3 der Antriebseinrichtung 1 für dieses Robotikgelenk J3 sind die übrigen, hier nicht sichtbaren Kom ponenten wie Antriebsmotor, Antriebswelle, Getriebe, Messvor richtung und Abtriebswelle angeordnet. Das motorseitige Ende ist mit al und das abtriebsseitige Ende ist mit a2 bezeich net. Am motorseitigen Ende al befindet sich eine Endkappe 82. Im Bereich des abtriebsseitigen Endes a2 geht die (bezüglich der lokalen mechanischen Masse 21 drehbare) Abtriebswelle in den Sockel des nächsten Robotikgelenks J4 über. Das zur Ab stützung des von der Messvorrichtung gemessenen inneren Dreh- moments vorgesehene Scheibenelement ist hier mit der gestri chelten Linie 22 gekennzeichnet. Es wird also innerhalb des Robotikgelenks J3 ein inneres Getriebe-Abstützmoment gemes sen, in welches nicht nur das Motormoment, sondern unter an derem auch die Belastung durch die Eigenmasse der weiter au- ßen liegenden Roboterarm-Teile eingeht. Solch eine Drehmo ment-Messung (insbesondere in mehreren Gelenken) ermöglicht die Bestimmung eines genauen Belastungszustands des Roboter arms. Dies ist vor allem bei dessen Verwendung in einer kol- laborativen Arbeitsumgebung besonders vorteilhaft. In the shown robot arm, at least one of the robotics joints J1 to J7 is provided with a drive device according to the invention. Several and in particular even all of these joints are particularly advantageously designed with drive devices according to the invention. This is explained in more detail by way of example for the third joint J3: The base 21 represents the local mechanical mass of this joint J3. This is the base of a basic holder, as was previously described in connection with FIGS. In the interior of the housing 3 of the drive device 1 for this robotic joint J3, the remaining components, not visible here, such as the drive motor, drive shaft, transmission, measuring device and output shaft are arranged. The motor-side end is denoted by a1 and the output-side end is denoted by a2. An end cap 82 is located at the end a1 on the motor side. In the area of the output-side end a2, the output shaft (rotatable with respect to the local mechanical mass 21) merges into the base of the next robotic joint J4. The disk element provided to support the internal torque measured by the measuring device is identified here by the dashed line 22. An internal gear support torque is thus measured within the robotic joint J3, into which not only the motor torque but also the load due to the weight of the robot arm parts located further outside is included. Such a torque measurement (in particular in several joints) enables the determination of an exact load state of the robot arm. This is particularly advantageous when it is used in a collaborative work environment.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Antriebseinrichtung 1 drive device
3 Antriebsgehäuse 3 drive housing
5 Antriebsmotor 5 drive motor
7 Antriebswelle 7 drive shaft
9 Abstützelement 9 work support
20 Grundhalter 20 basic holders
21 Sockel des Grundhalters (Kopplungselement)21 Base of the basic holder (coupling element)
22 Scheibenelement des Grundhalters 22 Disc element of the basic holder
22a Vorsprung des Scheibenelements 22a projection of the disc element
23 Aussparung des Grundhalters 23 Recess of the basic holder
30 Messvorrichtung 30 measuring device
31 Speichenrad 31 spoked wheel
32 außenliegender Ring 32 outer ring
32a Vorsprung des äußeren Rings 32a projection of the outer ring
32b innenliegender Hohlraum 32b internal cavity
33 Nabe (innerer Ring) 33 hub (inner ring)
34 Speiche 34 spoke
34a azimutale Begrenzungsfläche 34a azimuthal boundary surface
34b axiale Begrenzungsfläche 34b axial boundary surface
34c gedehnte Fläche 34c stretched area
34d gestauchte Fläche 34d compressed surface
35 Aussparung der Nabe 35 Hub recess
36 Sensor (Dehnmessstreifen) 36 sensor (strain gauge)
38 äußerer Lochkranz 38 outer perforated rim
39 innerer Lochkranz 39 inner perforated rim
40 Abtriebskörper (Abtriebswelle) 40 output body (output shaft)
41 Aussparung des Abtriebskörpers 41 Recess of the output body
42 Verbindungsleitung 42 connecting cable
43 Drehlager 43 pivot bearings
50 Getriebe 50 gear
51 Fest-Element (Circular Spline) 51 Fixed element (circular spline)
52 Antriebs-Element (Wave Generator) 53 Abtriebs-Element (Flex Spline) 52 Drive element (wave generator) 53 output element (flex spline)
53a Büchse des Abtriebs-Elements 53a Bush of the output element
60 Doppel-DMS 60 double strain gauges
60a erster Einzel-DMS 60a first single DMS
60b zweiter Einzel DMS 60b second single DMS
61 Anschlüsse 61 Connections
70 Brückenschaltung 70 bridge circuit
80 Roboterarm 80 robotic arm
81 Basis 81 base
82 Endkappe 82 end cap
A zentrale Achse al motorseitiges Ende a2 abtriebsseitiges Ende a3 axialer Teilbereich a4 axialer Teilbereich a22 axialer Bereich des Scheibenelements a31 axialer Bereich des Speichenrads a50 axialer Bereich des Getriebes A central axis al motor-side end a2 output-side end a3 axial sub-area a4 axial sub-area a22 axial area of the disk element a31 axial area of the spoked wheel a50 axial area of the transmission
Dia erster DMS der ersten Speiche The first DMS of the first spoke
Dlb zweiter DMS der ersten Speiche Dlb second DMS of the first spoke
D2a erster DMS der zweiten Speiche D2a first DMS of the second spoke
D2b zweiter DMS der zweiten Speiche D2b second DMS of the second spoke
J1 erstes Robotikgelenk mit Achse AlJ1 first robotic joint with axis Al
J2 zweites Robotikgelenk mit Achse A2J2 second robotic joint with axis A2
J3 drittes Robotikgelenk mit Achse A3J3 third robotic joint with axis A3
J4 viertes Robotikgelenk mit Achse A4J4 fourth robotic joint with axis A4
J5 fünftes Robotikgelenk mit Achse A5J5 fifth robotic joint with axis A5
J6 sechstes Robotikgelenk mit Achse A6J6 sixth robotic joint with axis A6
J7 siebtes Robotikgelenk mit Achse A7J7 seventh robotic joint with axis A7
M Drehmoment rl erster Radius r2 zweiter Radius ra Außenradius M torque rl first radius r2 second radius ra outer radius

Claims

Patentansprüche Claims
1. Antriebseinrichtung (1), umfassend 1. Drive device (1), comprising
- einen Antriebsmotor (5) mit einer Antriebswelle (7), die bezüglich einer zentralen Achse (A) drehbar ist, - A drive motor (5) with a drive shaft (7) which is rotatable with respect to a central axis (A),
- einen Grundhalter (20) - a basic holder (20)
- sowie eine Messvorrichtung (30) zur Messung eines innerhalb der Antriebseinrichtung wirkenden Drehmoments (M), - as well as a measuring device (30) for measuring a torque (M) acting within the drive device,
- wobei die Messvorrichtung (30) ein Speichenrad (31) auf weist mit - The measuring device (30) has a spoke wheel (31) with
- einer Nabe (33), - a hub (33),
- einem radial außenliegenden Ring (32) - a radially outer ring (32)
- und einer Mehrzahl von Speichen (34), welche die Nabe (33) und den außenliegenden Ring (32) miteinander ver binden, und über deren Verformung das Drehmoment (M) messbar ist, - And a plurality of spokes (34), which connect the hub (33) and the outer ring (32) to one another, and via the deformation of which the torque (M) can be measured,
- wobei entweder die Nabe (33) oder der außenliegende Ring (32) fest mit dem Grundhalter (20) verbunden ist. - Either the hub (33) or the outer ring (32) is firmly connected to the base holder (20).
2. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1, welche weiterhin ein Antriebsgehäuse (3) umfasst, welches zumindest den An triebsmotor (5) und das Speichenrad (31) gemeinsam um schließt. 2. Drive device (1) according to claim 1, which further comprises a drive housing (3) which includes at least the drive motor (5) and the spoke wheel (31) together.
3. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem der Grundhalter (20) ein Scheibenelement (22) aufweist, welches senkrecht zur zentralen Achse (A) ausge richtet ist, 3. Drive device (1) according to one of claims 1 or 2, in which the base holder (20) has a disc element (22) which is aligned perpendicular to the central axis (A),
- wobei das Scheibenelement (22) fest mit der Nabe (33) des Speichenrads (31) verbunden ist. - wherein the disc element (22) is firmly connected to the hub (33) of the spoke wheel (31).
4. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche zusätzlich ein Getriebe (50) aufweist, 4. Drive device (1) according to one of the preceding claims, which additionally has a gear (50),
- wobei das Getriebe (50) ein Fest-Element (51), ein An triebs-Element (52) und ein Abtriebs-Element (53) umfasst,- wherein the transmission (50) comprises a fixed element (51), a drive element (52) and an output element (53),
- wobei das Antriebs-Element (52) drehmomentübertragend mit der Antriebswelle (7) des Antriebsmotors (5) verbunden ist, - und wobei das Fest-Element (51) mit dem außenliegenden Ring (32) des Speichenrads (31) verbunden ist. - The drive element (52) being connected to the drive shaft (7) of the drive motor (5) in a torque-transmitting manner, - and wherein the fixed element (51) is connected to the outer ring (32) of the spoke wheel (31).
5. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 4, soweit er von An spruch 3 abhängt, welche zusätzlich einen Abtriebskörper (40) aufweist, welcher mittels eines Radiallagers (43) drehbar ge lagert ist, 5. Drive device (1) according to claim 4, insofar as it depends on claim 3, which additionally has an output body (40) which is rotatably supported by means of a radial bearing (43) GE,
- wobei das Scheibenelement (22) des Grundhalters (20) axial zwischen dem Getriebe (50) und dem Radiallager (43) des Ab triebskörpers (40) angeordnet ist. - The disc element (22) of the base holder (20) is arranged axially between the gear (50) and the radial bearing (43) of the drive body (40).
6. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welcher die Nabe (33) des Speichenrads (31) ringförmig ausgestaltet ist und eine Aussparung (35) im Bereich der zentralen Achse (A) aufweist. 6. Drive device (1) according to one of claims 4 or 5, in which the hub (33) of the spoke wheel (31) is annular and has a recess (35) in the region of the central axis (A).
7. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welchem das Getriebe (50) und das Speichenrad (31) derart ineinandergeschachtelt sind, dass sie sich zumindest in einem Teilbereich (a3) axial überlappen. 7. Drive device (1) according to one of claims 4 to 6, in which the gear (50) and the spoke wheel (31) are nested in one another in such a way that they axially overlap at least in a partial area (a3).
8. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 7, bei welchem das Speichenrad (31) im Bereich des außenliegenden Rings (32) ei nen Vorsprung (32a) aufweist, welcher das Getriebe (50) zu mindest teilweise radial umgibt. 8. Drive device (1) according to claim 7, wherein the spoke wheel (31) in the region of the outer ring (32) has a projection (32a) which at least partially surrounds the gear (50) radially.
9. Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei welcher das Scheibenelement (22) des Grundhalters (20) in seinem radial außenliegenden Bereich einen axialen Vorsprung (22a) in Richtung des Getriebes (50) aufweist, so dass dieser axiale Vorsprung (22a) das Speichenrad (31) und/oder das Ge triebe (50) radial umgibt. 9. Drive device (1) according to one of claims 3 to 8, in which the disc element (22) of the base holder (20) in its radially outer region has an axial projection (22a) in the direction of the transmission (50), so that this axial Projection (22a) surrounds the spoke wheel (31) and / or the gear (50) radially.
10. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher ein feststehender Teil des Antriebsmo tors (5) mechanisch fest mit dem Grundhalter (20) verbunden ist. 10. Drive device (1) according to one of the preceding claims, in which a fixed part of the Antriebsmo sector (5) is mechanically fixed to the base holder (20).
11. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher der Übergang zwischen den Speichen (34) und dem außenliegenden Ring (32) auf einem ersten Radius (rl) liegt, welcher wenigstens 70 % des Außenradius (ra) der An triebseinrichtung (1) beträgt. 11. Drive device (1) according to one of claims 1 to 10, wherein the transition between the spokes (34) and the outer ring (32) lies on a first radius (rl) which is at least 70% of the outer radius (ra) of the To drive device (1) is.
12. Antriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher zumindest ein Teil der Speichen (34) mit einem oder mehreren Dehnmessstreifen (Dia,Dlb,D2a,D2b) verse hen ist. 12. Drive device (1) according to one of the preceding claims, in which at least some of the spokes (34) are provided with one or more strain gauges (Dia, Dlb, D2a, D2b).
13. Antriebseinrichtung (1) nach Anspruch 12, bei welcher der wenigstens eine Dehnmessstreifen (Dia,Dlb,D2a,D2b) auf einer azimutalen Begrenzungsfläche (34a) der zugehörigen Speiche (34) angeordnet ist. 13. Drive device (1) according to claim 12, in which the at least one strain gauge (Dia, Dlb, D2a, D2b) is arranged on an azimuthal boundary surface (34a) of the associated spoke (34).
14. Roboterarm (80), umfassend ein oder mehrere Robotikgelen ke (Jl,J2,J3,J4,J5,J6,J7), von denen wenigstens eines (J3) eine Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist. 14. Robot arm (80), comprising one or more robotic joints ke (Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7), of which at least one (J3) has a drive device (1) according to one of claims 1 to 13.
15. Verfahren zur Messung eines Drehmoments (M) innerhalb ei ner Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mittels der integrierten Messvorrichtung (30), wobei das Drehmoment (M) aus einem Messsignal ermittelt wird, welches durch eine Dehnung und/oder Stauchung von einer oder mehreren Speichen (34) des Speichenrads (31) beeinflusst wird. 15. A method for measuring a torque (M) within egg ner drive device (1) according to one of claims 1 to 13 by means of the integrated measuring device (30), wherein the torque (M) is determined from a measurement signal which is generated by an expansion and / or compression is influenced by one or more spokes (34) of the spoke wheel (31).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10317304A1 (en) * 2002-04-12 2003-12-11 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Torque sensor for an electric motor comprises a monolithic disk shaped receiving component with connection legs linking inner and outer flanges and having sensors attached to them, said component being inserted in the motor drive

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10317304A1 (en) * 2002-04-12 2003-12-11 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Torque sensor for an electric motor comprises a monolithic disk shaped receiving component with connection legs linking inner and outer flanges and having sensors attached to them, said component being inserted in the motor drive

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