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Die Erfindung bezieht sich auf eine Winkel-Messanordnung zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen.
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Winkel-Messanordnungen dienen u. a. dazu, an Greifwerkzeugen, beispielsweise an Roboterarmen, Datenhandschuhen oder (Hand-)Prothesen den Neigungswinkel zwischen zwei Roboterarmelementen oder Prothesen-Fingerelementen festzustellen. Winkel-Messanordnungen zur Montage in der Gelenk-Drehachse erfordern eine aufwendige Montage in der Drehachse und erfordern einen präzise Lagerung und Führung. Bei den o. g. Anwendungen, wie auch bei anderen technischen Anwendungen, ist es unter Umständen nicht möglich, in der Drehachse bzw. in den Drehachsen rotatorische Winkel-Messanordnungen vorzusehen. In diesen Fällen kann die Winkelmessanordnung in Form eines flexiblen Streifens ausgebildet sein, der mit seinen beiden Längsenden jeweils an den beiden zueinander beweglichen Elementen befestigt ist, um auf diese Weise den Winkel zwischen den beiden beweglichen Elementen festzustellen. Hierbei ist gewünscht, dass der Winkelversatz unabhängig vom Achsversatz der beiden zueinander beweglichen Elemente ermittelt wird.
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Bekannte Winkel-Messanordnungen arbeiten entweder elektrisch, wobei der Winkel anhand einer von der Biegestreifen-Biegung abhängigen Wiederstandsänderung ermittelt wird, oder optisch, wobei in dem Biegestreifen die Gitterkonstanten holographischer Gitter dehnungsabhängig verändert werden.
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Die als Biegesensoren ausgebildeten bekannten Winkel-Messanordnungen weisen eine geringe Messgenauigkeit auf. Ferner können derartige Winkel-Messanordnungen nur einachsig messen und weisen, insbesondere als optische Winkel-Messanordnungen, eine hohe Nicht-Linearität auf. Ferner versagen die bekannten Winkel-Messanordnungen bei einer Biegung des Biegestreifens in zwei entgegengesetzte Richtungen.
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DE 692 19 088 T2 beschreibt eine mechanische Sonde mit einer polymeren Membran, die zur Messung der Biegung eines Gegenstands verwendet wird. Hierzu wird die Sonde am Objekt befestigt und folgt somit der Biegung dieses Objekts. Auf der konvexen Seite der Sonde ist ein leitender Bereich vorgesehen, der auf einem isolierenden Bereich auf der konkaven Seite der Sonde angeordnet ist. Durch eine Biegung des Objekts verbiegt sich die Sonde, wodurch sich der Widerstand der leitenden Schicht ändert. Diese Widerstandsänderung wird ausgewertet.
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EP 0 848 313 A2 beschreibt ein Fahrpedal mit einem aus zwei Blattfedern gebildeten Pedalarm. Bei Betätigung des Pedals werden die Blattfedern gebogen. Der Grad der Biegung wird von auf den Blattfedern befestigten Dehnmessstreifen ermittelt und in elektrische Signale umgewandelt. Dabei ist jeweils ein Dehmessstreifen an der Außenseite jeder Blattfeder angeordnet und unmittelbar an dieser befestigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, eine Winkel-Messanordnung mit erhöhter Messgenauigkeit und der Fähigkeit, den Winkel auch bei einem Achsversatz der beiden zueinander beweglichen Elemente zu bestimmen, zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Winkel-Messanordnung weist einen biegsamen Biegestreifen auf, dessen zwei Längsenden jeweils an den zueinander beweglichen Elementen fixierbar sind, deren Winkelversatz relativ zueinander festgestellt werden soll. Auf den beiden Biegestreifen-Flachseiten ist jeweils ein Dehnungssensor aufgebracht, der sich über die gesamte Länge des Biegestreifens erstreckt und in Längsrichtung des Biegestreifens misst. Beide Biegestreifen-Flachseiten weisen also über ihre Länge jeweils einen Dehnungssensor auf. Durch Auswertung der Messwerte der beiden Dehnungssensoren wird die Genauigkeit der Winkel-Messung systematisch erheblich verbessert. Dies liegt u. a. daran, dass viele bekannte Dehnungssensoren insbesondere bei ihrer Stauchung im hohen Maße nicht linear sind. Durch die Anbringung jeweils eines Dehnungssensors auf beiden Seiten des Biegungsstreifens liegt einer der beiden Biegestreifen stets auf der Streckseite, d. h. auf der Seite, auf der der Dehnungssensor gestreckt wird. Biegestreifen-Verbiegungen beider Richtungen werden auf gleiche Weise und in gleicher Gewichtung erfasst. Auf diese Weise kann der Winkelversatz zwischen den beiden zueinander beweglichen Elementen unabhängig von einer Verschiebung der beiden Elemente zueinander festgestellt werden.
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Damit ist eine Winkel-Messanordnung geschaffen, mit der der Relativ-Winkel zweier zueinander in einer Ebene beweglicher Elemente erfasst werden kann, die einfach aufgebaut, zuverlässig und genau ist.
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Vorzugsweise sind die Dehnungssensoren linear, d. h. der Messwert der Dehnungssensoren ist linear zu dem Winkel, in dem die beiden Längsenden des Biegestreifens bzw. des darauf befestigten Dehnungssensors zueinander geneigt sind. Hierdurch wird die Auswertung der Messsignale der Dehnungssensoren erheblich vereinfacht. Ferner kann mit linearen Dehnungsmesssensoren die Winkelbestimmung unabhängig vom Achsversatz vorgenommen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Biegestreifen über seine Länge eine konstante Dicke auf. Nur bei einer konstanten Dicke über die gesamte Länge des Biegestreifens weisen die beiden Dehnungssensoren auf den beiden Flachseiten des Biegestreifens über die gesamte Länge einen konstanten Abstand zueinander auf. Nur auf diese Weise kann das Differenzsignal der beiden Dehnungssensoren eine genaue Aussage über den Relativ-Winkel der beiden Biegestreifen-Längsenden zueinander liefern.
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Vorzugsweise ist der Dehnungssensor ein Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen ändern ihren Wiederstand in Abhängigkeit von ihrer Dehnung bzw. Stauchung. Dehnungsmessstreifen sind relativ preiswert, robust und stellen eine bewährte Technologie dar, für die umfangreiche und teilweise konfektionierte Auswertschaltungen zu Verfügung stehen. Ferner sind Dehnungsmessstreifen über einen weiten Streckungs- und Stauchungsbereich hoch linear und liefern daher biegungs-proportionale Widerstandswerte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Winkel-Messanordnung jeweils ein starre Endplatte an den beiden Biegestreifen-Längsenden auf. Die beiden Endplatten dienen zum einen der Befestigung der Messanordnung an den beiden zueinander beweglichen Elementen. Eine unmittelbare Befestigung des biegsamen Biegestreifens an den Elementen entfällt daher. Ferner kann eine der Endplatten oder können beide Endplatten elektrische Bauelemente bzw. eine Auswerteinheit aufweisen, die Messwerte der Dehnungssensoren in großer räumlicher Nähe zu den Dehnungssensoren auswertet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die Dehnungssensoren jeweils aus mindestens einer sich über die gesamte Biegestreifen-Länge erstreckenden Schleife bestehen, d. h. eine Länge von mindestens dem Zweifachen der Biegestreifen-Länge aufweisen. Hierdurch wird die Dehnungssensor-Länge verdoppelt, so dass sich auch die Empfindlichkeit und die Genauigkeit verdoppelt. Ferner lassen sich durch die Ausbildung der Dehnungssensoren als offene Schleife alle Dehnungssensor-Enden an einem einzigen Ende des Biegestreifens anordnen und anschließen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Messwerte der beiden Dehnungssensoren, die bevorzugt als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind, mit einer Halbbrücken-Auswertschaltung ausgewertet. Halbbrücken-Auswerteschaltungen sind einfach aufgebaut und liefern genaue Messergebnisse.
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Durch die Auswertung der Dehnungssensoren auf den beiden Flachseiten des Biegestreifens mit einer Halbbrücken-Auswertschaltung wird erreicht, dass eine Längenänderung des gesamten Biegestreifens oder eine Temperaturänderung bei jeweils linearem Einfluss auf die beiden Widerstands-Dehnungsmessstreifen keinen Einfluss auf das Messergebnis hat, weil dieses aus der Differenz der beiden Widerstands-Messwerte gebildet wird. Die differentielle Messung „linearisiert” darüber hinaus das Messergebnis bis zu einem gewissen Grad, wenn die Dehnungssensoren auf der Ober- und Unterseite des Biegestreifens kleine Abweichungen vom perfekt linearen Verhalten aufweisen.
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Dieser Effekt geht nicht soweit, dass man zwei Biegesensoren nach dem Stand der Technik, die auf Stauchung nicht empfindlich sind, zu einem differentiellen Biegstreifen kombinieren kann, der die Biegung unabhängig vom Achsversatz misst. Dies erfordert lineare Dehnungssensoren, weil sich nur hiermit negative und positive Krümmungsanteile längs des Biegestreifens ausgleichen lassen.
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Vorzugsweise sind auf jeder Biegestreifen-Flachseite zwei zueinander parallele Dehnungssensoren, besonders bevorzugt als Dehnungsmessstreifen ausgebildet, angeordnet. Ferner kann eine Vollbrücken-Auswerteschaltung zur Auswertung der vier Dehnungssensoren vorgesehen sein. Bei der Auswertung von vier Dehnungssensoren durch eine Vollbrücken-Auswerteschaltung können Verbiegungen des Biegestreifens um Nicht-Querachsen festgestellt und kompensiert werden. Ferner ist das Messergebnis einer Vollbrücken-Auswerteschaltung temperaturunabhängig, da temperaturbedingte Schwankungen der Messwerte der Dehnungssensoren kompensiert werden. Auch die Betriebsspannung bzw. Schwankungen der Betriebsspannung gehen bei der Vollbrücken-Auswertschaltung nicht störend in das Messergebnis ein, was ebenso für die Halbbrücken-Auswertschaltung gilt.
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Grundsätzlich gilt, dass die Dehnungssensoren der beiden Biegestreifen-Flachseiten sich annähernd überdecken sollten. Alternativ können die Dehnungssensoren auch in einem gleichmäßigem Raster zueinander versetzt angeordnet sein.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Winkel-Messanordnung, mit einem biegsamen Biegestreifen mit mehreren als Dehnungsmessstreifen ausgebildeten Dehnungssensoren und zwei starren Endplatten,
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2 eine Vollbrücken-Auswerteschaltung zur Auswertung der Messsignale der vier Dehnungssensoren der Winkel-Messanordnung der 1,
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3a die Winkel-Messanordnung der in 1 in Seitenansicht, in einer ersten Konstellation,
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3b eine Seitenansicht der Winkel-Messanordnung der 1 in einer zweiten Konstellation, und
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3c eine Seitenansicht der Winkel-Messanordnung in einer dritten Konstellation.
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In der 1 sowie in den 3a bis 3c ist eine Winkel-Messanordnung 10 dargestellt, die der Bestimmung des Winkels α zwischen zwei zueinander beweglichen Elementen 12, 14 dient. Die beiden zueinander schwenkbaren Elemente 12, 14 können beispielsweise Teile chirurgischer Instrumente, einer Roboterhand, einer Prothese oder eines Datenhandschuhs sein. Mit der Winkel-Messanordnung 10 kann der Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 bestimmt werden, wobei die Tangentialebenen der Elemente 12, 14 zueinander verschoben sein können.
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Die Messanordnung besteht im wesentlichen aus einem biegsamen Biegestreifen 20, jeweils einer steifen Endplatte 22, 24 an den Längsenden 26, 28 des Biegestreifens 20, vier als Dehnungsmessstreifen 30, 31, 32, 33, ausgebildeten Dehnungssensoren 30–33 sowie einer Auswertschaltung 40, auf einer Endplatte 22.
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Der Biegestreifen 20 besteht aus einem Material, das bis zu einem gewissen Grad elastisch biegsam ist und eine möglichst geringe Wärmeausdehnung aufweist. Als Material für den Biegestreifen 20 kommt beispielsweise Keramik in Frage. Der Biegestreifen 20 weist über seine gesamte Länge eine konstante Dicke auf.
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An den beiden Längsenden 26, 28 des Biegestreifens 20 sind nicht biegsame, steife und starre Endplatten 22, 24 vorgesehen, die auf den Elementen 12, 14 befestigbar bzw. befestigt sind. Die Dehnungssensoren 30 bis 33, bzw. die Dehnungsmessstreifen 30 bis 33, sind über ihre gesamte Länge elektrisch linear. Jeder Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 ist in einer sich über die gesamte Länge des Biegestreifens 20 erstreckenden Schleife verlegt, wobei der Schleifenbogen 50 bis 53 jeweils auf einer einzigen Endplatte 24 angeordnet ist. Die Enden der Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 münden auf der anderen Endplatte 22 in der Auswerteschaltung 40.
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Die Auswerteschaltung 40 ist eine Vollbrücken-Auswerteschaltung und als Schaltbild in der 2 vereinfacht dargestellt. Eine Versorgungsspannung U1 wird an zwei in Reihe hintereinander geschaltete Dehnungsmessstreifen 30, 33 bzw. 32, 31 angelegt. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Dehnungsmessstreifen 30, 33; 32, 31 wird zueinander die Ausgangsspannung U2 gemessen, die im Idealfall proportional zum Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 ist.
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Die Ausgangsspannung U2 entspricht dem Intergral der Krümmung längs des Biegstreifens 20. Auf diese Weise wird durch die Winkel-Messanordnung 10 der Winkel α zwischen den beiden Elementen 12, 14 unabhängig von einer Verschiebung der Tangentialebenen bestimmt. Sowohl die Dehnungsmessstreifen 30 bis 33, als auch die Auswerteschaltung 40 können im Rahmen einer automatischen Platinenfertigung hergestellt werden, so dass die Messanordnung preiswert verfügbar wird. Durch die Anordnung von Dehnungssensoren 30 bis 33 auf beiden Flachseiten des Biegestreifens 20 können Biegungen in beide Richtungen gemessen und entsprechend voneinander subtrahiert werden.
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Durch die Vollbrücken-Auswerteschaltung 40 und die ineinander verschachtelten Anordnung der Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 können auch Fehler durch Torsion des Biegestreifens 20 neutralisiert werden.
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Optional kann in der Mitte, d. h. genau in der Axialen bzw. in der neutralen Faser des Biegestreifens 20 ein weiterer Dehnungssensor bzw. Dehnungsmessstreifen integriert sein. Mit diesem Dehnungsmessstreifen lässt sich die wärmebedingte Ausdehnung des Biegestreifens 20 ermitteln und lassen sich hiermit entsprechende Korrekturen der Messwerte vornehmen.
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Alternativ oder ergänzend kann mit dem Dehnungsmessstreifen in der neutralen Faser des Biegestreifens 20 auch kapazitiv der Abstand zu den anderen Dehnungsmessstreifen 30 bis 33 gemessen werden. Auch hieraus lässt sich insbesondere eine (temperaturbedingte) Änderung der Dicke des Biegestreifens 20 ermitteln und entsprechend korrigieren.
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Durch eine Kombination von zwei Winkel-Messanordnungen 10, die senkrecht zueinander stehen, können auch zweiachsige Messungen vorgenommen werden.
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In den 3a und 3b ist jeweils eine andere Faltung des Biegestreifens 20 dargestellt. Die Messanordnung liefert in beiden in den 3a und 3b dargestellten Faltungs-Konstellationen die gleiche Ausgangsspannung U2, die einem Winkel α = 40° entspricht. Bei der in der 3c dargestellten Faltungs-Konstellation beträgt der Winkel α zwischen den beiden Elementen 22, 24 bzw. ihren Tangentialen 0°, was zu einer Ausgangsspannung U2 = 0 V führt.
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Die Winkel-Messanordnung 10 kann überall dort eingesetzt werden, wo Winkel zwischen zwei Elementen gemessen werden sollen, und insbesondere dort, wo beengte Platzverhältnisse vorliegen oder wenn ein sich ändernder Versatz zwischen den Elementen besteht und/oder eine Montage eines Winkelsensors auf der Rotationsachse nicht möglich ist.
