Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, welche über ein Getriebe rela tiv zueinander um eine Drehachse drehbar gekoppelt sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannt ist es, zur Steuerung eines Motors, beispielsweise ei nes Servomotors, an einer bewegten Achse wie beispielsweise dem Arm eines Roboters ein Drehwinkelmesssystem zu verwenden, welches die zur Steuerung notwendigen Informationen wie Dreh zahl und Drehwinkelposition bestimmt. Der Motor weist übli cherweise eine Antriebswelle auf, welche über ein Getriebe die vom Motor aufgebrachte Kraft an eine Abtriebswelle überträgt. Getriebe sind bekanntermaßen elastisch und nicht linear, was dazu führt, dass sich auch die Drehzahl des Motors nach Über oder Untersetzung durch das Getriebe nicht linear verhält. Da her bewirkt die Elastizität des Getriebes unter Last einen Drehwinkelversatz zwischen der erwarteten Drehwinkelposition der Abtriebswelle und der tatsächlichen Drehwinkelposition der Abtriebswelle. Bei bekannten Systemen wird zur Vermeidung ei nes solchen Drehwinkelversatzes ein zweites Drehwinkelmesssys tem an der Abtriebswelle angeordnet, welches die Bewegung der Abtriebswelle direkt erfasst. Zur Bestimmung des Drehmoments, welches zwischen den beiden Wellen wirkt, werden zusätzliche Sensoren wie beispielsweise Dehnmessstreifen verwendet. Insge samt ist eine große Zahl an Sensoren erforderlich, so dass derartige Systeme aufwendig und kostenintensiv sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrich tung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle bereitzu stellen, welche einfacher aufgebaut ist und kostengünstiger herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwi schen einer ersten Welle und einer zweiten Welle mit den Merk malen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmo ments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, welche über ein Getriebe relativ zueinan der um eine Drehachse drehbar gekoppelt sind, wobei die erste Welle einen ersten Endbereich, einen zweiten Endbereich und einen parallel zur Drehachse von dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich weisenden ersten Richtungsvektor aufweist, und die zweite Welle einen ersten Endbereich, einen zweiten Endbereich und einen parallel zur Drehachse von dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich weisenden zweiten Rich tungsvektor aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die ers te Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und die zweite Welle koaxial in der ersten Welle angeordnet ist, derart, dass der erste Richtungsvektor und der zweite Richtungsvektor gleich ausgerichtet sind, und dass der erste Endbereich der ersten Welle eine erste Maß _V erkörperung und der erste Endbereich der zweiten Welle eine zweite Maß _V erkörperung aufweist, wobei die erste Maß _V erkörperung durch einen ersten Sensor und die zweite Maß _V erkörperung durch einen zweiten Sensor abgetastet wird. Die grundlegende Idee der Erfindung besteht somit darin, die eine Welle in die als Hohlwelle ausgebildete andere Welle ein zuschieben, und am gleichen Ende der beiden Wellen in räumli cher Nähe zueinander die Maß _V erkörperungen anzuordnen, welche durch zwei ebenfalls in räumlicher Nähe zueinander angeordnete Sensoren abgetastet werden können. Anstelle von zwei örtlich getrennten Drehwinkelmesssystemen können zwei in räumlicher Nähe zueinander angeordnete Maß _V erkörperungen abgetastet wer den, wodurch die Drehwinkelposition jeder der beiden Wellen ermittelt werden kann. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung auch auf einfache Art und Weise die Bestimmung des Drehmo ments, welches sich aus einem Drehwinkelversatz zwischen der erwarteten Drehwinkelposition der zweiten Welle, beispielswei se der Abtriebswelle, und der tatsächlichen Drehwinkelposition der zweiten Welle, beispielsweise der Abtriebswelle, ergibt, beispielsweise bei einer vorgegebenen Drehzahl eines mit der ersten Welle verbundenen Motors oder indem die erste Welle fi xiert wird und unter Last der sich ergebende Drehwinkel an der zweiten Welle gemessen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Sensoren stirnseitig vor den ersten Endbereichen der beiden Wellen angeordnet, was einen kompakten Aufbau ermög licht.

Besonders bevorzugt sind die beiden Sensoren auf einer einzi gen Leiterplatte angeordnet, wodurch die Zahl der erforderli chen Komponenten reduziert werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoren als optische Abtastelemente und die Maß _V erkörperungen als reflektive Maß _V erkörperungen ausgebildet sind. Derartige Winkelmesssysteme sind besonders robust und ermöglichen eine hohe Auflösung des zu erfassenden Drehwin kels.

Vorzugsweise sind die beiden Maß _V erkörperungen umlaufend aus gebildet, um auf einfache Art und Weise den Drehwinkel erfas sen zu können.

Besonders bevorzugt sind die erste Maß _V erkörperung auf einem scheibenringförmigen ersten Element, welches an dem ersten Endbereich der ersten Welle angeordnet ist, und die zweite Maß _V erkörperung auf einem scheibenringförmigen zweiten Ele ment, welches an dem ersten Endbereich der zweiten Welle ange ordnet ist, angeordnet. Dies ermöglicht einen kompakten Auf bau.

Vorteilhafterweise sind die beiden Maß _V erkörperungen konzent risch zueinander angeordnet, was die Auswertung der erfassten Drehwinkel vereinfachen kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung sind die beiden Maß _V erkörperungen in der gleichen Ebene angeordnet, was die Auswertung der detektierten Drehwinkel weiter vereinfachen kann.

Vorzugsweise ist die erste Welle eine Antriebswelle des Ge triebes und die zweite Welle eine Abtriebswelle des Getriebes. Dadurch, dass die als Hohlwelle ausgebildete erste Welle die Antriebswelle des Getriebes bildet, kann eine platzsparende Anordnung des Antriebs an der ersten Welle ermöglicht werden. Insbesondere kann dazu vorteilhafterweise die erste Welle mit dem Rotor eines Elektromotors drehfest verbunden sein. Vorzugsweise ist das Getriebe ein Spannungswellengetriebe, wodurch hohe Über- oder Untersetzungsverhältnisse auf kleinem Raum ermöglicht werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wie zuvor beschrieben kommt besonders bevorzugt bei einem Roboter zur Anwendung, da es be sonders bei Roboters erforderlich ist, deren Bewegung exakt zu steuern. Ein erfindungsgemäßer Roboter umfasst daher eine er findungsgemäße Vorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Figuren detailliert erläutert. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel ei ner erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle und

Figur 2 eine teilweise transparente Draufsicht auf die Vor richtung gemäß Figur 1.

Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Ansichten einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwi schen einer ersten Welle 10 und einer zweiten Welle 20, welche über ein Getriebe 30 relativ zueinander um eine Drehachse A drehbar gekoppelt sind. Die erste Welle 10 weist einen ersten Endbereich 10a, einen zweiten Endbereich 10b und einen ersten Richtungsvektor RI auf, welcher parallel zur Drehachse A ver läuft und von dem ersten Endbereich 10a zum zweiten Endbereich 10b weist. Die zweite Welle 20 weist einen ersten Endbereich 20a, einen zweiten Endbereich 20b und einen zweiten Richtungs vektor R2 auf, welcher parallel zur Drehachse A verläuft und von dem ersten Endbereich 20a zum zweiten Endbereich 20b weist. Die erste Welle 10 ist als Hohlwelle ausgebildet, in welcher die zweite Welle 20 koaxial angeordnet ist. Die Anord nung erfolgt derart, dass der erste Richtungsvektor Ri und der zweite Richtungsvektor R2 gleich ausgerichtet sind, oder mit anderen Worten, dass der erste Endbereich 10a der ersten Welle und der erste Endbereich 20a der zweiten Welle zur gleichen Seite weisen. Dabei kann der erste Endbereich 20a der zweiten Welle 20 innerhalb des ersten Endbereichs 10a der ersten Welle 10 liegen, insbesondere bündig mit diesem abschließen, oder geringfügig über diesen hinausragen.

Der erste Endbereich 10a der ersten Welle 10 weist eine erste Maß _V erkörperung 11 auf, während der erste Endbereich 20a der zweiten Welle 20 eine zweite Maß _V erkörperung 21 aufweist. Die Maß _V erkörperungen 11, 21 können umlaufend ausgebildet sein. Dazu können die Maß _V erkörperungen 11, 21 beispielsweise auf der Außenfläche der Wellen 10, 20 angeordnet sein. In dem dar gestellten Ausführungsbeispiel ist an dem ersten Endbereich 10a der ersten Welle 10 ein scheibenringförmiges erstes Ele ment 12 angeordnet, an oder auf welchem die erste Maßverkörpe rung 11 insbesondere umlaufend angeordnet ist, während an dem ersten Endbereich 20a der zweiten Welle 20 ein scheibenring förmiges zweites Element 22 angeordnet ist, an oder auf wel chem die zweite Maß _V erkörperung 21 insbesondere umlaufend an geordnet ist. Die Maß _V erkörperungen 11, 21 sind insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet. Die scheibenringförmigen Elemente 12, 22 weisen jeweils eine Ebene auf, welche insbe sondere senkrecht zur Drehachse A angeordnet ist, wobei insbe sondere die beiden scheibenringförmigen Elemente 12, 22 und/oder die beiden Maß _V erkörperungen 11, 21 in der gleichen

Ebene angeordnet sind. Dazu kann das scheibenringförmige erste Element 21 abgestuft ausgebildet sein, so dass ein äußerer Be reich 12a des scheibenringförmigen ersten Elements 12 radial außerhalb des scheibenringförmigen zweiten Elements 22 und mit diesem in der gleichen Ebene angeordnet ist, während ein inne rer Bereich 12b des scheibenringförmigen ersten Elements 12 axial hinter dem scheibenringförmigen zweiten Element 22 ange ordnet ist.

Die Maß _V erkörperungen 11, 21 lassen zumindest eine relative Winkelbestimmung über eine Umdrehung zu. Vorzugsweise handelt es sich bei den Maß _V erkörperungen 11, 21 um absolute Maßver körperungen, welche eine Winkelbestimmung über eine Vielzahl von Umdrehungen ermöglichen.

Die erste Maß _V erkörperung 11 wird durch einen ersten Sensor 41 abgetastet, während die zweite Maß _V erkörperung 21 durch einen zweiten Sensor 42 abgetastet wird. Die Abtastung kann insbe sondere optisch erfolgen. Dazu sind die Maß _V erkörperungen 11, 21 reflektiv ausgebildet, während die Sensoren 41, 42 als op tische Abtastelemente ausgebildet sind.

Die Sensoren 41, 42 sind beispielsweise stirnseitig vor den ersten Endbereichen 10a, 20a der beiden Wellen 10, 20 angeord net, so dass eine Abtastung der Maß _V erkörperungen 11, 21 in wesentlichen parallel zur Drehachse A erfolgt. Alternativ kann auch eine Abtastung in radialer Richtung zu den Wellen 10, 20 erfolgen.

Die Sensoren 41, 42 sind besonders bevorzugt auf einer einzi gen Leiterplatte 40 angeordnet. Die durch die Sensoren 41, 42 detektierten Abtast _S ignale werden an eine Auswerteeinheit wei tergegeben zur Bestimmung der Drehwinkelpositionen der ersten bzw. zweiten Welle 10, 20 und gegebenenfalls auch zur wie nachfolgend beschriebenen Bestimmung des zwischen den Wellen 10, 20 wirkenden Drehmoments. Die Drehwinkelpositionen können unabhängig voneinander bestimmt werden, d. h. die Drehwinkel position der ersten Welle 10 durch Abtasten der ersten Maßver körperung 11 mittels des ersten Sensors 41 und die Drehwinkel position der zweiten Welle 20 durch abtasten der zweiten Maß verkörperung 21 mittels des zweiten Sensors 42. Die Bestimmung des Drehmoments kann bei bekannter Elastizität des Getriebes 30, d. h. bei Kenntnis, welche Winkeldifferenz ohne Last im Betrieb bei einer vorgegebenen Drehzahl des Motors 50 zwischen den beiden Wellen 10, 20 vorliegt, auf der Winkeldifferenz mit Last im Betrieb zwischen den beiden Wellen 10, 20 ermittelt werden.

Die Vorrichtung 1 kann ein Gehäuse 50 aufweisen, welches bei spielsweise durch einen Deckel 52 abgeschlossen ist. Dabei kann die Leiterplatte 40 in dem Deckel 52 angeordnet sein, wodurch die Sensorik einfach zugänglich ist.

Die erste Welle 10 kann die Antriebswelle des Getriebes 30 sein, während die zweite Welle 20 die Abtriebswelle des Ge triebes 30 sein kann. Die erste Welle 10 ist insbesondere die Motorwelle eines Motors 50, der vorzugsweise als Elektromotor, insbesondere als Servomotor, ausgebildet ist. Der Motor 50 weist einen Rotor 55a und einen Stator 55b auf, wobei der Ro tor 55a drehfest mit der ersten Welle 10 gekoppelt ist.

Das Getriebe 30 koppelt den zweiten Endbereich 20a der ersten Welle 10 mit dem zweiten Endbereich 20b der zweiten Welle 20. Das Getriebe kann beispielsweise als Spannungswellengetriebe ausgebildet sein. Dazu kann an dem zweiten Endbereich 10b der ersten Welle 10 ein radialer Vorsprung 31, der einen ellipti schem Querschnitt senkrecht zur Drehachse A aufweist, angeord net sein, auf dessen Außenumfang ein Kugellager 32, welches beispielsweise als Wälzlager ausgebildet ist, angeordnet ist. Am Außenumfang des Kugellagers 32 ist eine flexible, dünnwan dige Hülse 33 angeordnet, die über einen umlaufenden Kragen 33a in dem Gehäuse 50 feststehend gelagert angeordnet ist. Die Außenseite der Hülse 33 weist eine Außenverzahnung 34 auf. An dem zweiten Endbereich 20b der zweiten Welle ist ein radialer Vorsprung 20c angeordnet, welcher an seiner in Richtung auf den ersten Endbereich 20a zugewandten Fläche einen umlaufenden Vorsprung 20d aufweist, so dass sich eine umlaufende Nut 20e bildet, welche in Richtung auf den ersten Endbereich 20a offen ist. In der Nut 20e ist eine Innenverzahnung 35 angeordnet, in welche die Außenverzahnung 34 der Hülse 33 eingreift. Dabei besteht eine Differenz in der Zahl der Zähne zwischen der Au ßenverzahnung 34 und der Innenverzahnung 35, beispielsweise um ein oder zwei Zähne. Bei Drehung der ersten Welle 10 um die Drehachse A verformt der elliptische Vorsprung 31 die Hülse 33, und aufgrund der Zähnedifferenz wird eine Rotation der zweiten Welle 20 gegenüber der ersten Welle 10 erreicht. Bei großen Zähnezahlen kann dabei eine hohe Über- oder Unterset zung erreicht werden.

Die Vorrichtung 1 kommt insbesondere bei einem Roboter, bei spielsweise bei einem bewegten Gelenk eines Roboters, zum Ein satz.

Die Vorrichtung 1 ermöglicht auf einfache Art und Weise die Bestimmung der Drehwinkelpositionen der ersten Welle 10 und der zweiten Welle 20, da jeweils mit den Sensoren 41, 42 die Drehwinkelpositionen der Wellen 10, 20, insbesondere die Dreh winkelposition des Motors 50 und die Drehwinkelposition der Abtriebswelle 20 und somit des Ausgangs des Getriebes 30, un abhängig voneinander bestimmt werden können. Die Vorrichtung 1 ermöglicht beispielsweise auf die im folgenden beschriebene Weise weiterhin aber auch insbesondere ohne zusätzliche mecha- nische Komponenten eine Bestimmung des zwischen den beiden Wellen 10, 20 wirkenden Drehmoments. Wird die erste Welle 10 in ihrer Position fixiert und wirkt ein zu bestimmendes Dreh moment auf die zweite Welle 20, stellt sich eine Winkeldiffe- renz zwischen der zweiten Welle 20 und der ersten Welle 10 ein, da das Getriebe 30 eine Elastizität aufweist und bei Ein wirkung des Drehmoments ähnlich wie ein Torsionsstab wirkt.

Aus der Größe der Winkeldifferenz kann bei bekannter Elastizi tät des Getriebes das Drehmoment bestimmt werden. Die bekannte Elastizität des Getriebes kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass einmal über den gesamten Verfahrbereich ohne ein zusätzlich wirkendes Drehmoment die Winkeldifferenz zwischen der ersten Welle 10, also der Motorwelle oder der Antriebswel le, und der zweiten Welle 20, also der Abtriebswelle, bestimmt wird.

Bezugszeichenliste

I Vorrichtung

10 erste Welle

10a erster Endbereich

10b zweiter Endbereich

II erste MaßVerkörperung

12 scheibenringförmiges erstes Element

12a äußerer Bereich

12b innerer Bereich

20 zweite Welle

20a erster Endbereich

20b zweiter Endbereich

20c radialer Vorsprung

20d umlaufender Vorsprung

20e Nut

21 zweite MaßVerkörperung

22 scheibenringförmiges zweites Element

30 Getriebe

31 Vorsprung

32 Kugellager

33 Hülse

33a Kragen

34 Außenverzahnung

35 Innenverzahnung

40 Leiterplatte

41 Sensor

42 Sensor 50 Gehäuse 52 Deckel 55 Motor 55a Rotor 55b Stator

A Drehachse

RI erster Richtungsvektor

R2 zweiter Richtungsvektor