Optimierung der Drehmomentmessung in Robotikanwendungen

Der globale Markt für mobile Robotik wächst rasant. Mit dem Aufkommen kostengünstigerer Roboter, die einfacher und kostengünstiger einzusetzen sind, finden kollaborative Roboter oder Cobots neue Anwendungen in der Industrie und im Verbraucherbereich. Cobots nutzen Positions- und Drehmomentsensoren, die in ihre Gelenke integriert sind, um eine automatisierte Steuerung und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. ISO 10218-1 ist eine internationale Norm, die Anforderungen an Sicherheits- und Designrichtlinien für Industrieroboter festlegt.

Dies erfordert typischerweise zusätzlich zur Überwachung der Elektromotoren in den Gelenken den Einsatz mindestens eines Kraft-Momenten-Sensors. Einige neuere Cobots verfügen über eine Drehmomenterkennung in jedem Gelenk, beispielsweise die Cobots von Doosan und die neuesten KUKA LBR iiwa-Maschinen.

Die Verwendung mehrerer Drehmomentsensoren trägt nicht nur dazu bei, die Sicherheitsnorm ISO 10218-1 zu erfüllen, sondern ermöglicht es dem Roboterhersteller auch, die Systemsteuerung mit fortschrittlicher Kinematik zu verbessern, indem er Eingaben von den Drehmomentsensoren nutzt, um die Masse der Gliedmaßen des Roboters und die Nutzlast zu kompensieren sorgen für schnelle, kontrollierte und sichere Bewegungen des Roboters.

Es gibt auch einen Markt für Sensorsysteme als Zubehör oder eingebaut in Roboterwerkzeuge, die dabei helfen, den Betrieb des Werkzeugs zu steuern. Derzeit gibt es zwei Schlüsseltechnologien für die Drehmomentmessung in Roboteranwendungen: Dehnungsmessstreifensensoren und Wegsensoren.

Dies ist die herkömmliche Methode zur Messung des Rotationsdrehmoments mithilfe eines Dehnungsmessstreifens, der an einer flexiblen Platte im Gelenk des Roboters befestigt ist. Dehnungsänderungen aufgrund des Drehmoments werden als Schwankungen eines elektrischen Signals aufgezeichnet.

Der Vorteil von Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass sie relativ kostengünstig sind und einfach in kleinen Mengen wie in einem Testlabor eingesetzt werden können. Allerdings gibt es auch Nachteile von Dehnungsmessstreifen in Robotergelenken, darunter:

Sie erfordern die Verwendung von flexiblen Strukturen und vier Messgeräten, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sind, um eine messbare Dehnung bereitzustellen. Dies beeinträchtigt die mechanische Integrität des Systems und macht den Roboterarm weniger steif, als er ohne die Sensoren sein könnte.

Dehnungsmessstreifen sind in der Regel nicht robust oder widerstandsfähig gegenüber rauen Umgebungen und ihre Ausgabe wird durch die Temperatur beeinflusst.

Sie sind anfällig für Störungen durch elektromagnetische Hintergrundstrahlung und Magnetfelder.

Bei dieser Methode wird typischerweise ein Paar Messscheiben verwendet, die an gegenüberliegenden Enden einer Welle angebracht sind. Der „Verdrehungswinkel“ der Welle wird anhand der Phasendifferenz zwischen ihnen durch eine optische oder magnetische Messung gemessen. Dadurch kann das Drehmoment berechnet werden.

Der Hauptvorteil besteht in der Möglichkeit, den Sensor bis zur maximalen Belastbarkeit der „Twist-Welle“ zu überlasten. Zu den Nachteilen dieser Methode gehören:

Es erfordert einen Abschnitt der Welle mit verringertem Durchmesser, der als Torsionsstab bezeichnet wird, um den Verdrehungswinkel zu erhöhen (höchstens mehrere Grad bei einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis L/D = 5), was sich negativ auf die mechanische Stabilität der Welle auswirken kann System.

Es ist temperaturempfindlich.

Die Messgenauigkeit ist begrenzt.

Da die Wellenverdrehung entlang der Länge des Torsionsstabs gemessen werden muss, ist ein größeres Verpackungsvolumen erforderlich.

Beide bestehenden Technologien erfordern ein Element der Drehung oder Biegung in den Gelenken des Roboters, was bedeutet, dass sich der Roboterarm im Betrieb beugt. Dies kann ein Faktor sein, der die Leistung und Wiederholbarkeit des Cobots einschränkt.

Die Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensortechnologie von Transense bietet eine verbesserte Möglichkeit, Drehmoment, Rotation und Temperatur in einem Robotersystem zu messen, wodurch Gelenkverbiegungen vermieden werden und ein leistungsstärkerer und wiederholbarerer Roboter mit kompakteren Gelenken entsteht. Die SAW-Technologie ist ein drahtloses, passives, berührungsloses Sensorsystem, das aus zwei Hauptkomponenten besteht:

Das Lesegerät erzeugt ein Abfragesignal, das über den HF-Koppler an die rotierende Welle übertragen wird. Die Sensorelemente auf der Welle benötigen keine weitere Stromquelle und funktionieren als passives Gerät, das ein Abfragesignal zurück zur Leseelektronik reflektiert. Die Schwingungsfrequenz der rückgestreuten Signale wird durch eine physikalische Messung wie Dehnung und Temperatur beeinflusst.

Das Lesegerät analysiert das empfangene Rückstreusignal und berechnet den Wert der physikalischen Belastung und Temperatur. Die Wellenoberflächenbelastung liefert eine genaue Messung des Wellendrehmoments.

Die Lesereichweite für passive Funksensoren ist durch die Abfrageleistung begrenzt und hängt von der erforderlichen Sensorauflösung und der Aktualisierungsrate ab. Bei einer Abfrageleistung von 10 mW und einem Aktualisierungszeitraum von mehreren zehn Millisekunden muss die typische Lesereichweite des Sensors einige Meter nicht überschreiten. Bei den meisten berührungslosen rotierenden Drehmomentmessanwendungen muss der Abstand zwischen der Sensorantenne und der Leseantenne nicht mehr als 10 mm betragen, und die Drehmomentaktualisierungsperiode kann bis zu 100 Mikrosekunden betragen.

Der Kernbestandteil des SAW-Sensorelements ist ein kleines, leichtes SAW-Gerät, das auf einem polierten piezoelektrischen Substrat hergestellt ist. Die akustische Oberflächenwelle breitet sich auf ihrer freien Oberfläche aus, nachdem sie von einem Miniatur-Inter-Digital-Wandler (IDT) angeregt wurde. Beim IDT handelt es sich um eine Dünnschicht-Aluminiumstruktur, die durch ein standardmäßiges fotolithografisches Verfahren gebildet wird und zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet wird.

Der IDT wandelt elektrische HF-Impulse mit einer Frequenz von Hunderten von MHz in SAW um und wandelt sie aufgrund des piezoelektrischen Effekts in ein HF-Signal um. Wenn der IDT von Bragg-Reflexionsgittern in Form periodischer Anordnungen dünner Aluminiumstreifen umgeben ist, wird die Energie des SAW im Hohlraum zwischen den Gittern gefangen und das SAW-Gerät fungiert als Resonator.

Wenn die Spannung ausgeübt wird oder sich die Temperatur des Substrats ändert, ändern sich auch die physikalischen Abmessungen des Substrats und die SAW-Geschwindigkeit. Dies macht die Resonanzfrequenz empfindlich gegenüber Dehnung und Temperatur und ermöglicht die Verwendung des SAW-Resonators als Element zur Dehnungs- und Temperaturerfassung.

Die Technologie hat sich bereits in anspruchsvollen Anwendungen bewährt. Beispielsweise liefert McLaren Applied die Technologie an Motorsportteams und Meisterschaften auf der ganzen Welt, um sie in Antriebssträngen von Rennwagen zur Messung und Steuerung der Motorleistung einzusetzen. Die Technologie wird von GE genutzt, um sein neuestes T901-Turbinentriebwerk für Verteidigungshubschrauberanwendungen effizienter zu machen und die Wartungskosten zu senken.

Transense arbeitet auch mit mehreren Herstellern elektrischer Antriebssysteme im Automobilmarkt zusammen, wo SAW-Technologie zur Messung des Ausgangsdrehmoments und der Rotortemperatur von Elektromotoren eingesetzt werden kann, um die Motorsteuerung und die Funktionssicherheit zu verbessern. Die Fähigkeit der SAW-Technologie, Komponenten zu messen, ohne ihre mechanische Steifigkeit zu verringern, sowie ihr hohes Maß an Genauigkeit und Robustheit eröffnen viele Sensoranwendungen.

Dieser Artikel wurde von Ryan Maughan, Business Development Director, Transense (Oxfordshire, UK) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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