TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Antriebswellenwinkels eines Getriebes.

HINTERGRUND

Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Antriebswellenwinkels finden in der Getriebetechnologie vielfältige Anwendungen. Beispielsweise zur Verbesserung eines Getriebes in der Robotik werden das Drehmoment und der Antriebswellenwinkel gemessen oder rechnerisch bestimmt. Insbesondere bei Industrierobotern und mehrgliedrigen Robotergelenksystemen ist häufig ein hohes Drehmoment und der momentane Antriebswellenwinkel eines Getriebes nötig, um eine für den Anwendungsfall optimale Bewegung des mehrgliedrigen Robotergelenksystems zu gewährleisten. Neben der Robotik sind das Drehmoment und der Antriebswellenwinkel ferner in der Fahrzeugtechnik wichtige Kenngrößen.

Ein Getriebe umfasst typischerweise eine in das Getriebe führende Antriebswelle.

Um das Drehmoment zu bestimmen, wird üblicherweise ein Drehmomentsensor mit einer Robotergelenksteuerung verbunden. Ein solcher Drehmomentsensor wird im Allgemeinen dadurch gebildet, dass Dehnungsmessstreifen an einer Komponente des Getriebes des Robotergelenksystems angebracht werden und dass ein Drehmoment unter Zugrundelegung von Eingabedaten bestimmt wird, wobei die Eingabedaten durch die Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Derartige Verfahren werden beispielsweise in den folgenden wissenschaftlichen Publikationen beschrieben:

Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. „A torque sensing technique for robots with harmonic drives.“ IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116.

Hashimoto, Minoru, and Yoshihide Kiyosawa. „Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors.“ Journal of Robotic Systems 15.8 (1998): 435-445. Um den Antriebswellenwinkel zu bestimmen, wird üblicherweise ein Hall-Sensor mit der Robotergelenksteuerung verbunden. Der Hall-Sensor wird dabei in der Nähe der Antriebswelle positioniert, wobei auf der Antriebswelle ein Magnet angeordnet wird. Aufgrund der Rotation der Antriebswelle und des Magneten kann mittels des Hall-Sensors eine magnetische Flussdichte gemessen werden. Aus der magnetischen Flussdichte kann der Antriebswellenwinkel, d.h. der momentane Drehwinkel der Antriebswelle, berechnet werden.

Bei Robotergelenksteuerungen, die sowohl mit einem Hall-Sensor als auch mit einem Drehmomentsensor kommunizieren, müssen für beide Sensoren unterschiedliche Kommunikationsprotokolle, elektrische Anschlüsse und Verdrahtungen verwendet werden. Auch die Spezifikationen für die garantierte Betriebstemperatur, die zertifizierte Sicherheitsstufe, die Abtastfrequenz und die IP-Stufe (Wasserdichtigkeit) können bei diesen beiden Sensoren unterschiedlich sein, was zu einem höheren Entwicklungsaufwand führt, damit sie ordnungsgemäß funktionieren und die hohe Produktqualität erhalten bleibt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Antriebswellenwinkels eines Getriebes bereitzustellen und damit die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest zum Teil zu überwinden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Getriebe bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG

Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. In ihrer allgemeinsten Form betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Antriebswellenwinkels eines Getriebes. Das Verfahren kann dabei das Bestimmen eines ersten Messsignals mittels eines im Getriebe integrierten Drehmomentsensors umfassen. Ferner kann das Verfahren das Bestimmen eines zweiten Messsignals mittels eines im Getriebe integrierten Hall-Sensors umfassen. Das Verfahren kann in einem weiteren Schritt das Bestimmen des Drehmoments aus dem ersten Messsignal umfassen. In einem weiteren Schritt kann das Verfahren das Bestimmen des Antriebswellenwinkels aus dem zweiten Messsignals aufweisen. Ferner kann das Verfahren das Übertragen eines Datensatzes, umfassend das Drehmoment und den Antriebswellenwinkel, mittels einer einzigen Kommunikationsleitung an eine außerhalb des Getriebes angeordnete Komponente umfassen.

Das Getriebe ist vorzugsweise Teil eines Fahrzeugs oder Roboters. Das Getriebe kann mit einem Motor in Verbindung stehen. Bei dem Motor kann es sich um einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Motor, eine Brennstoffzelle, einen Hybridantrieb oder einen anderen Energieumwandler handeln.

Unter dem Drehmoment kann dabei das zum Antrieb des Fahrzeuges, des Roboters bzw. einem Manipulatorglied des Roboters bereitstehende Drehmoment verstanden werden.

Unter Drehmoment kann das an einer Antriebswelle des Getriebes anliegende Drehmoment verstanden werden. Es kann sich bei dem Drehmoment des Getriebes beispielsweise um das Ausgangsdrehmoment des Getriebes handeln. Das Drehmoment des Getriebes kann direkt an die Räder des Fahrzeugs weitergeleitet werden.

Mit Antriebswellenwinkel ist typischerweise der Drehwinkel der in das Getriebe führenden Antriebswelle gemeint. Die Antriebswelle kann beispielsweise zu Anfang einen Antriebswellenwinkel von ungefähr 0° haben. Nach einer halben Umdrehung der Antriebswelle beträgt der Antriebswellenwinkel im Wesentlichen 180°. Mit Rotationsrichtung ist dabei die Richtung der Drehung der Antriebswelle gemeint. Die Rotationsrichtung kann dabei im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn sein.

Unter dem Bestimmen des Drehmoments und/oder Bestimmen des Antriebswellenwinkels versteht der Fachmann typischerweise jede Art des Ermittelns und/oder Berechnens im mathematischen Sinne. Dazu kann jede Art von mathematischer Operation angewendet werden, insbesondere auch iterative Verfahren. Auch das Ablesen aus Tabellen kann zum Bestimmen des Drehmoments und/oder Bestimmen des Antriebswellenwinkels Anwendung finden. Das Bestimmen des Drehmoments und/oder Bestimmen des Antriebswellenwinkels kann auch unter Einbeziehung eines mathematischen Modells erfolgen.

Das Bestimmen des Drehmoments und/oder Bestimmen des Antriebswellenwinkels kann auf einem im Getriebe integrierten Mikrocontroller implementiert sein. Ein Vorteil dieser Implementierung ist es, dass die Verfahrensschritte in ihrer Gesamtheit auf dem Mikrocontroller ausgeführt werden können und keine weiteren Komponenten notwendig sind.

Der Drehmomentsensor kann einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Der Dehnungsmessstreifen kann aus einem Halbleiter bestehen und auf Grundlage des piezoresistiven Effekts eine an einem Widerstand anliegende Spannung messen.

Der Hall-Sensor kann als einachsiger oder zweiachsiger Hall-Sensor ausgeführt sein. Der Hall-Sensor kann eine typische Bauform aufweisen. Typische Bauformen können eine Rechteckform, Schmetterlingsform oder Kreuzform sein. Bei dem ersten Messsignal kann es sich um eine vom Drehmomentsensor erfasste Spannung handeln. Ferner kann es sich bei dem zweiten Messsignal um eine vom Hall- Sensor erfasste magnetische Flussdichte handeln.

Eine Kommunikationsleitung kann dabei ein übliches Kommunikationssystem oder ein Bestandteil eines Kommunikationssystems sein. Kommunikationssysteme können beispielsweise EtherCAT, RS485 oder SPI Bussysteme sein. Vorteilhafterweise kann die Kommunikation zwischen den beiden Sensoren, d.h. dem Drehmomentsensor und dem Hall- Sensor, und einer außerhalb des Getriebes angeordneten Komponente über einen Bus bzw. eine Leitung stattfinden. Es sind ferner keine komplizierten Verkabelungen zwischen den beiden Sensoren und der Komponente notwendig. Des Weiteren können das Drehmoment und der Antriebswellenwinkel gleichzeitig über die Kommunikationsleitung gesendet werden.

Eine außerhalb des Getriebes angeordnete Komponente kann beispielsweise eine Motorsteuerung oder eine Robotergelenksteuerung sein. Die Motorsteuerung oder Robotergelenksteuerung kann ferner zur Regelung des Motors und/oder anderer Komponenten ausgelegt sein. Dabei kann die Motorsteuerung oder Robotergelenksteuerung beispielsweise die Geschwindigkeit eines Manipulatorglieds eines Roboters oder die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs regeln. Die Regelung kann dabei durch einen als Algorithmus implementierten Regelkreis realisiert werden.

Als Getriebe können Stirnradgetriebe, Kegelradgetriebe, Schraubenradgetriebe, Planetengetriebe oder Spannungswellengetriebe zum Einsatz kommen.

Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel durch einen Mikrocontroller. Es ist auch möglich, dass die Hardwarevorrichtung einen Prozessor, einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung umfasst. In einigen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.

Selbstverständlich kann das Verfahren voll automatisiert ablaufen. Es ist ebenfalls möglich, dass das Verfahren kontinuierlich in der für die Robotik oder Motortechnik üblichen Echtzeit durchlaufen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt vorteilhafterweise zur Verbesserung der Kommunikation zwischen dem im Getriebe integrierten Drehmomentsensor bzw. Hall-Sensor und den außerhalb des Getriebes angeordneten Komponenten. Dabei führt das Verfahren zu einer verbesserten, einfacheren Struktur und niedrigeren Produktionskosten des Getriebes. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Datensatz mittels eines einzigen Kommunikationsprotokolls übermittelt. Bei dem Kommunikationsprotokoll kann es sich beispielsweise um ein EtherCAT, RS485 oder SPI Protokoll handeln.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Antriebswellenwinkel mittels des im Getriebe integrierten Hall-Sensors und mittels eines im Getriebe integrierten Ringmagnets bestimmt. Der Ringmagnet kann dabei als Permanentmagnet ausgeführt sein. Dabei kann eine Hälfte des Ringmagneten als positiver Pol und die andere Hälfte des Ringmagneten als negativer Pol ausgeführt sein.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das zweite Messsignal eine magnetische Flussdichte. Dabei kann der Antriebswellenwinkel aus der magnetischen Flussdichte mittels eines mathematischen Modells, bevorzugt mittels eines Regressionsmodells, besonders bevorzugt mittels eines nicht-linearen Regressionsmodells bestimmt werden. Bei dem mathematischen Modell kann es sich ferner um eine radiale Basisfunktion (RBF) handeln.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Sensorsystem vorgesehen, das Mittel umfasst, um eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.

Das Sensorsystem kann einen Drehmomentsensor und einen Hall-Sensor umfassen. Ferner kann das Sensorsystem ein Mikrocontroller und/oder ein Speichermedium (oder ein Datenträger oder ein computerlesbares Medium) umfassen, die ein darauf gespeichertes Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren umfassen, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind in der Regel greifbar und/oder nicht übergangslos. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsystem, wie hierin beschrieben, das einen Prozessor und das Speichermedium umfasst.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, um eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.

Erfindungsgemäß ist auch ein Getriebe vorgesehen. Dabei kann das Getriebe einen im Getriebe integrierten Drehmomentsensor, einen im Getriebe integrierten Hall-Sensor und Kommunikationsleitungen umfassen. Des Weiteren kann das Getriebe derart gestaltet sein, dass ein Datensatz vom im Getriebe integrierten Drehmomentsensor und im Getriebe integrierten Hall-Sensor mittels einer einzigen Kommunikationsleitung an eine außerhalb des Getriebes angeordnete Komponente übertragbar wird. Das erfindungsgemäße Getriebe kann vorteilhafterweise eine besonders platzsparende und kompakte Bauweise aufweisen. Das Getriebe kann ferner vorteilhafterweise eine geringe Anzahl von Bauteilen aufweisen.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Getriebe einen im Getriebe integrierten Ringmagneten.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Getriebe eine im Getriebe integrierten Analog-Digital-Umsetzer. Das Getriebe kann ferner einen im Getriebe integrierten Mikrocontroller umfassen. Es ist auch möglich, dass das Getriebe eine im Getriebe integrierte Leiterplatte umfasst.

Als mathematische Modelle der hierin beschriebenen Verfahren können künstliche neuronale Netze zum Einsatz kommen.

Künstliche neuronale Netze (ANN; artificial neural network) sind Systeme, die durch biologische neuronale Netze inspiriert sind, wie sie in einer Netzhaut oder einem Gehirn zu finden sind. ANNs umfassen eine Mehrzahl von zwischenverbundenen Knoten und eine Mehrzahl von Verbindungen, sogenannte Kanten (edges), zwischen den Knoten. Es gibt normalerweise drei Knotentypen, Eingabeknoten, die Eingabewerte empfangen, versteckte Knoten, die (nur) mit anderen Knoten verbunden sind, und Ausgabeknoten, die Ausgabewerte bereitstellen. Jeder Knoten kann ein künstliches Neuron darstellen. Jede Kante kann Information senden, von einem Knoten zum anderen. Die Ausgabe eines Knotens kann als eine (nichtlineare) Funktion der Eingaben definiert sein (z.B. der Summe seiner Eingaben). Die Eingaben eines Knotens können in der Funktion basierend auf einem „Gewicht“ der Kante oder des Knoten, der die Eingabe bereitstellt, verwendet werden. Das Gewicht von Knoten und/oder von Kanten kann in einem Lernprozess angepasst werden. Anders ausgedrückt, kann das Training eines künstlichen neuronalen Netzes ein Anpassen der Gewichte der Knoten und/oder Kanten des künstlichen neuronalen Netzes umfassen, d.h. um eine erwünschte Ausgabe für eine bestimmte Eingabe zu erreichen.

Alternativ können die mathematischen Modelle eine Support-Vector-Machine, ein Random- Forest-Modell oder ein Gradient-Boosting-Modell sein. Support Vector Machines (d.h. Stützvektornetze) sind Supervised Learning-Modelle mit zugeordneten Lernalgorithmen, die verwendet werden können, um Daten zu analysieren (z.B. in einer Klassifizierungs- oder Regressionsanalyse). Support Vector Machines können durch Bereitstellen einer Eingabe mit einer Mehrzahl von Trainingseingabewerten, die zu einer von zwei Kategorien gehören, trainiert werden. Die Support Vector Machine kann trainiert werden, um einer der beiden Kategorien einen neuen Eingabewert zuzuweisen. Alternativ können die mathematischen Modelle ein bayessches Netz sein, das ein probabilistisches gerichtetes azyklisches graphisches Modell ist. Ein bayessches Netz kann einen Satz von Zufallsvariablen und ihre bedingten Abhängigkeiten unter Verwendung eines gerichteten azyklischen Graphen darstellen. Alternativ können die mathematischen Modelle auf einem genetischen Algorithmus basieren, der ein Suchalgorithmus und heuristische Technik ist, die den Prozess der natürlichen Selektion imitiert.

Die mathematischen Modelle können mittels eines Trainingsdatensatzes trainiert werden oder vorab trainiert sein. Der Trainingsdatensatz kann beispielsweise an einem Prüfstand erstellt werden. Dabei könne die für den Trainingsdatensatz notwendigen Signale auf dem Prüfstand mittels des Drehmomentsensor und Hall-Sensors gemessen werden.

Als Trainingsverfahren der mathematischen Modelle kann beispielsweise das „Supervised Learning“ zum Einsatz kommen. Beim Supervised Learning werden die mathematischen Modelle unter Verwendung einer Mehrzahl von Trainingsabtastwerten trainiert, wobei jeder Abtastwert eine Mehrzahl von Eingabedatenwerten und eine Mehrzahl von erwünschten Ausgabewerten, d.h. jedem Trainingsabtastwert ist ein erwünschter Ausgabewert zugeordnet, umfassen kann. Durch Angeben sowohl von Trainingsabtastwerten als auch erwünschten Ausgabewerten „lernt“ das maschinelle Lernmodell, welcher Ausgabewert basierend auf einem Eingabeabtastwert, der ähnlich zu den während des Trainings bereitgestellten Abtastwerten ist, bereitzustellen ist. Neben dem Supervised Learning kann auch Semi-Supervised Learning verwendet werden. Beim Semi-Supervised Learning fehlt einigen der Trainingsabtastwerte ein erwünschter Ausgabewert. Supervised Learning kann auf einem Supervised Learning-Algorithmus basieren (z.B. einem Klassifizierungsalgorithmus, einem Regressionsalgorithmus oder einem Ähnlichkeitslernen- Algorithmus). Klassifizierungsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben auf eine begrenzte Menge von Werten (kategorische Variablen) beschränkt sind, d.h. die Eingabe ist als einer aus dem begrenzten Satz von Werten klassifiziert.

Regressionsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben irgendeinen Zahlenwert (innerhalb eines Bereichs) ausweisen. Ähnlichkeitslernen-Algorithmen können sowohl Klassifizierungs- als auch Regressionsalgorithmen ähnlich sein, basieren aber auf dem Lernen aus Beispielen unter Verwendung einer Ähnlichkeitsfunktion, die misst, wie ähnlich oder verwandt zwei Objekte sind. Neben dem Supervised Learning oder Semi- Supervised Learning kann Unsupervised Learning verwendet werden, um das maschinelle Lernmodell zu trainieren. Beim Unsupervised Learning werden möglicherweise (nur) Eingabedaten bereitgestellt und ein Unsupervised Learning-Algorithmus kann verwendet werden, um eine Struktur in den Eingabedaten zu finden (z.B. durch Gruppieren oder Clustern der Eingabedaten, Finden von Gemeinsamkeiten in den Daten). Clustern ist die Zuweisung von Eingabedaten, die eine Mehrzahl von Eingabewerten umfassen, in Teilmengen (Cluster), sodass Eingabewerte innerhalb desselben Clusters gemäß einem oder mehreren (vordefinierten) Ähnlichkeitskriterien ähnlich sind, während sie Eingabewerten, die in anderen Clustern umfasst sind, unähnlich sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:

Fig. 1: Getriebe 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 2: Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Überblick.

Fig. 3A: Ausschnitt des Getriebes 1 mit einem Ringmagnet 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3B: Ringmagnet 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4: Getriebe 1 in einer Seitenansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5: Mittels des Hall-Sensors 3 erfasste Signale und Verfahren zum Ermitteln des

Antriebswellenwinkels A gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei welchen ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Antriebswellenwinkels eines Getriebes zum Einsatz kommt, um damit das Getriebe besonders effizient und kompakt zu gestalten.

Fig. 1 zeigt ein Getriebe 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe 1 kommt im dargestellten Beispiel in einem Industrieroboter zum Einsatz und umfasst einen im Getriebe 1 integrierten Drehmomentsensor 2 und einen im Getriebe 1 integrierten Hall- Sensor 3. Das Getriebe 1 ist ein Spannungswellengetriebe (sog. „strain wave gear“ (SWG)) mit einem elastischen Übertragungselement, das sich durch hohe Übersetzung und Steifigkeit auszeichnet. Das elastische Übertragungselement wird auch als Flexspine bezeichnet. Das Getriebe 1 weist ferner eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle auf. Das Drehmoment der Abtriebswelle wird an einen Manipulator des Industrieroboters weitergegeben.

Der Drehmomentsensor 2 umfasst einen Dehnungsmessstreifen, wobei der Dehnungsmessstreifen aus einem Halbleiter besteht und auf Grundlage des piezoresistiven Effekts eine an einem Widerstand anliegende Spannung misst. Eine Änderung des Widerstands und der Spannung entsteht dabei aufgrund einer Verformung des Dehnungsmessstreifens. Der Vorteil des eingesetzten Dehnungsmessstreifens im Vergleich zu üblichen Metall-Dehnungsmessstreifen liegt in der hohen Empfindlichkeit. Der Dehnungsmessstreifen des Drehmomentsensors 2 ist an einem elastischen Übertragungselement des Getriebes 1 angeordnet. Der Drehmomentsensor 2 ist somit im Getriebe 1 eingebettet.

Ein vom Drehmomentsensor 2 erfasstes erstes Messsignal wird mittels einer Analogleitung 8 in Form eines analogen Signals an einen Analog-Digital-Umsetzer 6 übertragen. Im Analog- Digital-Umsetzer 6 wird das erste Messsignal von einem analogen Signal in ein digitales Signal übersetzt.

Das vom Drehmomentsensor 2 erfasste erste Messsignal wird in Form eines digitalen Signals vom Analog-Digital-Umsetzer 6 mittels einer ersten Leitung 9 an einen Mikrocontroller 7 übertragen. Ferner wird ein vom Hall-Sensor 3 erfasstes zweites Messsignal mittels einer zweiten Leitung 10 an den Mikrocontroller 7 übertragen.

Bei der ersten Leitung 9 handelt es sich um ein Serial Peripheral Interface (SPI) System. Bei der zweiten Leitung 10 handelt es sich um ein Inter-Integrated Circuit (I2C) System.

Der Mikrocontroller 7 ist im Getriebe 1 integriert. Mittels des Mikrocontrollers 7 finden computergestützte Berechnungen statt. Dabei wird aus dem vom Drehmomentsensor 2 erfassten ersten Messsignal ein Drehmoment berechnet. Des Weiteren wird aus dem vom Hall-Sensor 3 erfassten zweiten Messsignal ein Antriebswellenwinkel berechnet. Schließlich werden mittels des Mikrocontrollers 7 das Drehmoment und der Antriebswellenwinkel in einem Datensatz zusammengefasst.

Das Getriebe 1 steht mit einer außerhalb des Getriebes angeordneten Motorsteuerung 5 mittels einer einzelnen Kommunikationsleitung 4 in Verbindung. Bei der Kommunikationsleitung 4 handelt es sich um ein EtherCAT System. Der Datensatz, umfassend das Drehmoment und den Antriebswellenwinkel, wird somit vom Getriebe 1 an die Motorsteuerung 5 übertragen.

In der Motorsteuerung 5 können das Drehmoment und der Antriebswellenwinkel für weitere Berechnungen verwendet werden.

Alle Berechnungszeiten liegen in einem für Anwendungen in der Robotik üblichen Bereich. Alle Berechnungen und Übertragungen von Signalen erfüllen die Echtzeitanforderung von Industrierobotern.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Das Verfahren gemäß der Ausführungsform umfasst die folgenden Schritte:

Erster Schritt S1 : Bestimmen eines ersten Messsignals mittels eines im Getriebe 1 integrierten Drehmomentsensors 2.

Zweiter Schritt S2: Bestimmen eines zweiten Messsignals mittels eines im Getriebe 1 integrierten Hall-Sensors 3.

Dritter Schritt S3: Bestimmen des Drehmoments T aus dem ersten Messsignal und Bestimmen des Antriebswellenwinkels A aus dem zweiten Messsignal.

Vierter Schritt S4: Übertragen eines Datensatzes D, umfassend das Drehmoment T und den Antriebswellenwinkel A, mittels einer einzigen Kommunikationsleitung 4, an eine außerhalb des Getriebes 1 angeordnete Komponente 5.

Es versteht sich, dass die Reihenfolge der genannten Schritte S1 , S2, S3 und S4 abhängig vom Anwendungsfall variieren kann. Es kann beispielsweise zuerst das zweite Messsignal mittels eines im Getriebe 1 integrierten Hall-Sensors 3 und dann das erste Messsignal mittels eines im Getriebe 1 integrierten Drehmomentsensors 2 bestimmt werden. Auch ein gleichzeitiger Ablauf des ersten Schritts S1 und des zweiten Schritts S2 ist möglich.

Nach dem Übertragen des Datensatzes D kann das Drehmoment T und der Antriebswellenwinkel A in einem weiteren, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Schritt, in der Komponente 5 für weitere Berechnungen genutzt werden.

Fig. 3A zeigt einen Ausschnitt des Getriebes 1 mit einem Ringmagnet 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe 1 umfasst ein Lager 12, eine Dichtung 13 und eine Antriebswelle 14. Der Ringmagnet 11, das Lager 12 und die Dichtung 13 sind auf der Antriebswelle 14 angeordnet. Der Ringmagnet 11 ist neben dem Lager 12 angeordnet. Der Ringmagnet 11 ist dabei als permanenter Magnet ausgebildet.

Fig. 3B zeigt den Ringmagnet 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Ringmagnet 11 ist dabei als permanenter Magnet ausgeführt und weist einen negativen Pol 15 und einen positiven Pol 16 auf. Bei Drehung des Ringmagneten 11 mit der Antriebswelle 14 ändert sich das um die Getriebewelle 14 einstellende Magnetfeld. Ein radial beabstandeter, fixer Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor, kann die magnetische Flussdichte erfassen.

Fig. 4 zeigt das Getriebe 1 in einer Seitenansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe 1 umfasst eine Leiterplatte 17. Auf der Leiterplatte 17 sind der Analog-Digital-Umsetzer 6 und der Mikrocontroller 7 angeordnet. Ferner ist auf der Leiterplatte 17 eine Kommunikationseinheit 18 angeordnet. Als Kommunikationseinheit 18 können Bestandteile eines EtherCAT, RS485 oder SPI Systems zum Einsatz kommen. Der Hall-Sensor 3 ist mit der Leiterplatte 17 verbunden.

Die Drehung des Ringmagneten 11 mit der Getriebewelle 14 erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld. Der Hall-Sensor 3 erfasst die magnetische Flussdichte mit den Koordinaten Bx und By.

Der Datensatz D kann auf einem Zwischenspeicher auf der Leiterplatte 17 gespeichert werden. Dabei empfängt der Mikrocontroller 7 zunächst das erste Messsignal vom Drehmomentsensor 2 und das zweite Messignal vom Hall-Sensor 3 und berechnet den Antriebswellenwinkel A und das Drehmoment T. Der Mikrocontroller 7 legt das Berechnungsergebnis in jedem Berechnungszyklus (z.B. mit einer Frequenz von 5 kHz) in den Zwischenspeicher.

Der Datensatz D kann in weiteren Schritten an die Komponenten 5 übertragen werden und mittels der Komponente 5 weiterverarbeitet werden. Vorteilhafterweise ist für die Weiterverarbeitung des Datensatzes D kein weiterer Kodierer bzw. Encoder in der Komponenten 5 notwendig. Das Drehmoment T und der Antriebswellenwinkel A können beispielsweise an einen Regelkreis übermittelt werden. Dabei kann der Regelkreis dazu vorgesehen sein, einen Motor und/oder eine Geschwindigkeit zu regeln. Der Regelkreis kann auch dazu vorgesehen sein, ein Drehmoment zu regeln. Vorteilhafterweise kann somit eine auf dem Regelkreis basierende Regelung verbessert werden.

Fig. 5 zeigt mittels des Hall-Sensors 3 erfasste Messsignale und Verfahren zum Ermitteln des Antriebswellenwinkels A gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird der Antriebswellenwinkel A aus der magnetischen Flussdichte mit den Koordinaten Bx und By ermittelt.

Das zweite Messignal wird in Form der magnetischen Flussdichte mit den Koordinaten Bx und By mittels des Hall-Sensors 3 erfasst. Daraufhin wird das Signal Y mittels der Koordinaten Bx und By der magnetischen Flussdichte berechnet:

Y = arctan ² (Bx/By), wobei arctan ² () die quadrierte Arkustangensfunktion ist.

In einem weiteren Schritt wird der Antriebswellenwinkel A aus dem Signal Y mittels eines mathematischen Modells f() ermittelt:

A = f(Y), wobei das mathematische Modell f() ein nicht-lineares Regressionsmodell ist. Das mathematische Modell f() wurde dabei vorab mittels eines Trainingsdatensatzes und mittels üblicher Machine-Learning Methoden trainiert. Das Ermitteln des Antriebswellenwinkels A findet auf dem Mikrocontroller 7 statt.

Die hier offenbarten Prinzipien können neben dem Einsatz in der Robotik und Personenkraftwagen gleichwohl in anderen Einsatzbereichen realisieren werden, z.B. in Lastkraftwagen, Trucks, Motorrädern, Achsantriebe und Antriebe in Flugsimulatoren.

Die für die obigen Funktionen notwendigen Algorithmen bzw. Computerprogramme können zweckmäßig ganz oder in Teilen jeweils im Mikrocontroller 7, Drehmomentsensor 2, im Hall- Sensor 3 und/oder in einem anderen mit diesen Geräten in Verbindung stehenden Computersystem implementiert sein. Das Computersystem kann eine lokale Computervorrichtung (z.B. Personalcomputer, Laptop, Tablet-Computer oder Mobiltelefon) mit einem oder mehreren Prozessoren und einer oder mehreren Speichervorrichtungen oder kann ein verteiltes Computersystem (z.B. ein Cloud-Computing-System mit einem oder mehreren Prozessoren oder einer oder mehreren Speichervorrichtungen, die an verschiedenen Stellen verteilt sind, zum Beispiel an einem lokalen Client und/oder einer oder mehreren Remote-Server-Farms und/oder Datenzentren) sein.

Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder Software implementiert werden. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie es zum Beispiel ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein programmierbarer Computer oder eine elektronische Schaltung sein kann.

Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar.