DE3405168A1

DE3405168A1 - Tactile sensor carrier for elastomechanical structures

Info

Publication number: DE3405168A1
Application number: DE19843405168
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Dr. 8047 Karlsfeld Kehl; Werner Prof.-Dr. 7030 Böblingen Schiehlen
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1984-02-14
Filing date: 1984-02-14
Publication date: 1985-08-22

Abstract

In order to determine forces and moments acting on a fixed point (18') of a moving structural element (14'), a sensor carrier (10') is proposed which is constructed from a thin-walled, elastic tube (10') on the circumference of which strain gauges (12') are mounted. In the case of application in industrial robots and the like, the gripper arm is directly constructed as a sensor tube. <IMAGE>

Description

Takts 1er Sensorträger für elastomechanische StrukturenTakts single sensor carrier for elastomechanical structures

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensorträger für elastomechanische Strukturen zur Messung von Kräften und Momenten, die auf einen fixen Punkt, z.B. eine Meß-, Förder- oder Werkzeugmaschine einwirken, wobei der Sensorträger mit Dehnmeßstreifen bestückt ist.The invention relates to a sensor carrier for elastomechanical Structures for measuring forces and moments that are applied to a fixed point, e.g. a measuring, conveyor or machine tool act, the sensor carrier with strain gauges is equipped.

Für die Steuerung und Regelung von Meßmaschinen, Kränzen, Industrierobotern und dergleichen, bei denen bewegliche Strukturteile von außen auferlegten Kräften ausgesetzt sind, und Messungen von Kraften und Momenten erforderlich sind, um eine genaue Positionierung bzw. Ausrichtung der Strukturen zu erreichen.For the control and regulation of measuring machines, rings, industrial robots and the like, in which movable structural parts are externally imposed are exposed, and measurements of forces and moments are required to make a to achieve precise positioning or alignment of the structures.

Hierzu geeignete Kraft-Momenten-Sensoren sind aus der DE-OS 27 27 704 bekannt, wobei der Sensorträger aus miteinander in besonderer Weise verbundenen radialen und axialen Staben besteht. Durch Messung der Dehnungen dieser Stäbe mittels an den Stegen aufgeklebten Dehnmeßstreifen werden die Kräfte und Momente an Strukturteilen bestimmt und zur Regelung der Maschine verwendet. Derartige Sensoren haben den Nachteil, daß mit Ihnen Verbiegungen der Strukturteile nicht miterfaßt werden.Force-torque sensors suitable for this purpose are from DE-OS 27 27 704 known, the sensor carrier from being connected to one another in a special way radial and axial rods. By measuring the elongations of these rods using Strain gauges glued to the webs show the forces and moments on structural parts and used to control the machine. Such sensors have the disadvantage that with you bending of the structural parts are not included.

Andererseits wird versucht, bei Industrierobotern und dergleichen Maschinen die durch Biegungen bedingten Auslenkungen von Strukturteilen, wie z.B. eines Greifers mit steif ausgebildeten Greiferarmen zu minimieren. Diese Lösung erfordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Materialaufwand, der zur Ausbildung von entsprechenden Greiferarmen erforderlich ist.On the other hand, attempts are being made in industrial robots and the like Machines that deflect structural parts caused by bending, e.g. of a gripper with rigidly designed gripper arms. This solution However, it requires a relatively high cost of materials for training of corresponding gripper arms is required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen.Sensorträger der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem möglichst genaue Kraftmessungen durchgeführt werden können.The invention is based on the object ein.Sensorträger of the initially to develop the type mentioned, with the most accurate force measurements carried out can be.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.According to the invention, the object is characterized by what is stated in claim 1 Features solved.

Entgegen der bisherigen Tendenz, möglichst steife Konstruktionen zu wählen, um den Fixpunkt mit geringstmöglichen Abweichungen gegenüber einer Referenzstelle bewegen und damit möglichst genau positionieren zu können, wird bei der Erfindung auf betonte Nachgiebigkeit Wert gelegt. Das hat zum einen den Vorteil, daß aufgrund von stärkeren Dehnungen des elastischen Körpers eine hohe Meßempfindlichkeit erreicht wird. Bei den niederfrequenten Eigenschwinguncen des elastischen Körpers und den damit verbundenen Auslenkungen bzw. Schwingungen des Fixpunktes ist es ferner möglich, bei der Positionierung des Fixpunktes (beispielsweise des Robotergreifers) diese Schwingungen mit Motoren oder ahne eichen Gegenbewegungen zu überlagern derart, daß der Fixpunkt weitgehend unbeweglich gegenüber einer Referenzstelle bleibt und damit eine schnellere Positionierung desselben möglich ist.Contrary to the previous tendency to use the stiffest possible constructions select the fixed point with the least possible deviations from a reference point move and thus be able to position as precisely as possible, is in the invention emphasized compliance. On the one hand, this has the advantage that due to A high measurement sensitivity is achieved by greater stretching of the elastic body will. With the low-frequency natural vibrations of the elastic body and the associated deflections or vibrations of the fixed point, it is also possible when positioning the fixed point (for example the robot gripper) this To superimpose vibrations with motors or without countermovements in such a way, that the fixed point remains largely immobile in relation to a reference point and so that a faster positioning of the same is possible.

Die Dehnmeßstreifen sind vorzugsweise auf mindestens zwei Umfangslinien und zwei nicht gegenüberliegenden Mantellinien des Sensorrohres verteilt. Bei dem erfindungsgemäßen Sensorträger kommt man gegenüber den bisher bekannten Sensoren mit weniger aktiven Dehnmeßstreifen aus.The strain gauges are preferably on at least two circumferential lines and two non-opposing surface lines of the sensor tube distributed. In which Sensor carriers according to the invention are compared to the previously known sensors with less active strain gauges.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der das Strukturbauteil mit dem Fixpunkt tragende Arm als Sensorstruktur ausgebildet.According to a further embodiment of the invention, it is the structural component formed with the arm carrying the fixed point as a sensor structure.

Das hat den Vorteil, daß keine zusätzliche Konstruktion für die Kraftmessung erforderlich ist. Außerdem erfolgt dabei die zusätzliche Messung der elastischen Verformung des gesamten Tragarmes.This has the advantage that there is no additional construction for force measurement is required. In addition, the additional measurement of the elastic Deformation of the entire support arm.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemaß der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing, exemplary embodiments according to the invention are shown schematically shown.

Fig. 1 zeigt einen als aus einem elastischen Rohr 10 bestehenden Sensorträger, an dessen Außenumfang Dehnmeßstreifen 12 angebracht sind. Mit dem Sensortrager 10 werden die auf einen Fixpunkt 13 einwirkenden Kraftkomponenten Fx, Fy, F z und die Momente Mx, Mys M z bestimmt. Der Sensortrager ist so angeordnet, daß der Fixpunkt 13 an einem Ende des Sensorrohres 10 zu liegen kommt. Als Fixpunkt 13 kann jeder beliebige Punkt einer beweglichen Struktur sein. Aus den Messungen lassen sich selbstverständlich die Kräfte für mehrere Fixpunkte gleichzeitig bestimmen.Fig. 1 shows a sensor carrier consisting of an elastic tube 10, on the outer circumference of which strain gauges 12 are attached. With the sensor carrier 10 the force components Fx, Fy, F z and the acting on a fixed point 13 Moments Mx, Mys M z are determined. The sensor carrier is arranged so that the fixed point 13 comes to rest at one end of the sensor tube 10. As a fixed point 13 anyone can be any point of a moving structure. Obviously, from the measurements determine the forces for several fixed points at the same time.

Wirkt eine Kraft K auf das Werkstück 14, beispielsweise wenn das Werkstück an ein Hinternis ankommt oder wenn dein Werkstück - ein Greifer - eine Last auferlegt wird, dann verbiegt sich der Sensortrager 10 in Kraftrichtung - gestrichelte Stellung 19, Fig. 1. Ober die Dehnmeß- streifen 12 wird die Dehnung und Stauchung, die das Sensorrohr 10 dabei erfährt, gemessen und zur Berechnung der Kraft K bzw. der Abweichung a des fixen Punktes im Raum XYZ verwendet.Acts a force K on the workpiece 14, for example when the workpiece arrives at an obstacle or when your workpiece - a gripper - imposes a load is, then the sensor carrier 10 bends in the direction of force - dashed position 19, Fig. 1. Via the strain gauge strip 12 will stretch and compress, which the sensor tube 10 experiences, measured and used to calculate the force K or the deviation a of the fixed point in space XYZ is used.

Beim Einleiten einer schnellen Schwenkbewegung 15 oder anderweitigen Krafteinwirkungen kann das Sensorrohr 10 in Schwingungen versetzt werden, wobei sich das Rohr 10 oft in der Grundschwingungsform nach Ausgestaltung etwa entsprechend einer Kurve 16 oder 17 verbiegt, wobei der Fixpunkt 13 im allgemeinen mehr oder weniger um die Bezugsachse 18 pendelt.When initiating a rapid pivoting movement 15 or otherwise The sensor tube 10 can be caused to vibrate by forces, wherein the tube 10 is often roughly corresponding in the basic waveform according to the configuration a curve 16 or 17 bends, the fixed point 13 generally more or oscillates less about the reference axis 18.

Die Dehnungen bzw. Verzerrungen, die das Rohr 10 dabei erfährt, werden über die Dehnmeßstreifen 12 erfaßt und entsprechend ausgewertet.The expansions or distortions which the pipe 10 experiences in the process are detected via the strain gauges 12 and evaluated accordingly.

Das Werkstück 14 kann ein bewegliches Teil von Maschinen, Werkzeugmaschinen und Aggregaten sein, wie Getriebewellen, Achsen, Gestange oder Manipulatoren, Industrieroboter, Krane.The workpiece 14 can be a movable part of machines, machine tools and aggregates, such as gear shafts, axles, rods or manipulators, industrial robots, Cranes.

In Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel an einem Roboter gezeigt, bei dem das Sensorrohr 10' direkt den Greiferarm für einen beispielsweise um zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen 20, 21 schwenkbaren Greifer 14' bildet.In Fig. 2 an application example on a robot is shown at which the sensor tube 10 'directly the gripper arm for one, for example by two perpendicular Axes 20, 21 standing relative to one another are pivotable grippers 14 '.

Beim Greifen einer Last wird der Sensora rm 10' entsprechend gebogen, so daß der Fixpunkt 13' seine zentrale Lage auf der Achse 18' verfaßt. Um eine genaue Positionu erdung des belasteten Greifers 14 zu erreichen, wird mittels der Dehnmeßstreifen 12' die Dehnuny des gebogenen Sensorares 10' 10' auf mindestens zwei zwei Umfangslinien 2 2 und zwei nicht gegendberl i egenden Mantellinien 22' des Rohres 1D gemessen und in einer Rechneranlage 23 ver- arbeitet und gegebenenfalls zur Erzeugung eines Sollsignales 24 für einen Stellregler berücksichtigt. Das Sollsignal 24 wird einem nicht dargestellten Regler für den ebenfalls nicht dargestellten Antrieb des Roboters zugeführt.When gripping a load, the sensor rm 10 'is bent accordingly, so that the fixed point 13 'has its central position on the axis 18'. To be precise Positionu to achieve grounding of the loaded gripper 14 is by means of the strain gauges 12 'the expansion of the curved sensor arm 10' 10 'on at least two two circumferential lines 2 2 and two non-opposing surface lines 22 'of the pipe 1D measured and in a computer system 23 works and if necessary to Generation of a target signal 24 for an actuator is taken into account. The target signal 24 becomes a controller, not shown, for the drive, also not shown fed by the robot.

Bei einer Schwenkbewegung der Sensorarm-Greifer-Einheit 10', 14' oder bei der Auferlegung einer Kraft am Greifer 14' kann diese Einheit aufgrund der elastischen Eigenschaften und der Massenkräfte des Sensorarmes 10' in eine Schwingungsbewegung versetzt werden. Hierbei wird der als Referenzpunkt dienende Fixpunkt 13' um die Achse 18' pendelnd auslenken. Diese Auslenkungen können ebenfalls über die Dehnmeßstreifen 12' erfaßt und in der Rechneranl age 23 ausgewertet werden.When the sensor arm-gripper unit 10 ', 14' or when a force is applied to the gripper 14 ', this unit can, due to the elastic Properties and the inertia forces of the sensor arm 10 'in an oscillatory movement be moved. Here, the fixed point 13 'serving as a reference point is around the Deflect axle 18 'in a swinging manner. These deflections can also be carried out using the strain gauges 12 'are recorded and evaluated in the computer system 23.

Der Sensorarm 10' ist aus einem Rohr mit einer dunnen Wandstärke 25 ausgebildet, um dem Rohr 10' eine niedrige Eigenschwingungsfrequenz zuzuordnen. Aufgrund der niedrigen Schwingungsfrequenz ist es möglich, mit einer an vom Greifer 14' entgegengesetzten Ende des Sensorarmes 10' angeordneten Stelleinheit eine phasenverschobene Schwingung gleicher Frequenz anzuregen, die sich mit der ersten Schwingung überlagert und sie aufhebt. Auf diese Weise wird der Fixpunkt 13' während einer Positionierung des Greifers 14' auf der Referenzachse 1d' gehalten, so daß eine rasche Posi ti oni erug des Greifers 14' möglich ist, bei der kein Auspendeln des Greifers abgewartet werden muß.The sensor arm 10 ′ is made from a tube with a thin wall thickness 25 designed to assign a low natural oscillation frequency to the pipe 10 '. Due to the low oscillation frequency, it is possible to use an on from the gripper 14 'opposite end of the sensor arm 10' arranged adjusting unit a phase-shifted To stimulate oscillation of the same frequency, which is superimposed with the first oscillation and pick it up. In this way, the fixed point 13 'becomes during positioning of the gripper 14 'held on the reference axis 1d', so that a rapid Posi ti oni erug of the gripper 14 'is possible in which no oscillation of the gripper is awaited must become.

Mit dem beschriebenen Sensor 11 kann nicht nur die Kraft und das Moment am Werkstück 14, sondern a m gesamten lerkstuckarm, nämlich dem Rohr 10 bestimmt werden.With the sensor 11 described, not only the force and the moment on the workpiece 14, but rather on the entire lerkstuckarm, namely the pipe 10 will.

Claims

Claims S sensor carrier for elastomechanical structures to determine the acting on a fixed point of a component of the structure Forces using strain gauges, characterized in that the sensor carrier is an elastic tube (10) fitted with strain gauges (12).

2. Sensor carrier according to claim 1, characterized in that at least on two circumferential lines (22) of the sensor tube (10 ') on different surface lines (22 ') each at least one strain gauge (12') is attached.

3. Sensor carrier according to claim 1 or 2, characterized by the Application of the sensor carrier (10 ', 12') in industrial robots, the Arni, the the component (14 ') with the fixed point (13) carries, designed as a sensor carrier (10') is.