监测缩回系统

技术领域

本发明一般地涉及缩回系统的监测。具体地，本发明涉及一种用于监测具有至少一个弹簧的缩回系统的装置、一种具有这样的装置的这样的缩回系统、一种具有这样的装置或这样的缩回系统的机器人、以及一种用于监测这样的缩回系统的方法。

背景技术

随着自动化生产技术的多样性增加，对能源供应系统的需求也随之增加。越来越多的情况是，需要引导诸如例如工业机器人和制造机器人这样的机器人，不仅要引导电气和气动线路(pneumatische Leitungen)，还要引导例如用于螺栓、铆钉和螺钉的供给软管。也就是说，除了引导能源、数据和媒体线路外，工业机器人如今还频繁引导例如用于铆钉或螺钉的供给软管。各种线路通常在线路组件中组合在一起，且通常也被称为软管组件。机器人的运动，特别是工业机器人的运动取决于应用，这是复杂的。例如，汽车工业中的工业机器人以高旋转和快速移动来工作以安装车辆部件。为了将用于数据、气动和能源供应的线路尽可能安全地引导到机器人，制造商和/或用户使用线路引导件，例如能源链。

在当今常规使用的多轴工业机器人中，通过例如软管组件的供给装置、用于供给被布置在机器人手上的工具例如焊接工具的多个单独线路，将其供给到最前面的也被称为机器人手的机器人臂。例如，单独的线路是供电缆线、电气控制缆线、数据缆线、以及用于气体或液体的介质引导件。这些单独的线路例如通常组合在诸如软管组件这样的共用供给装置中，并由管状保护套围绕。这样的软管组件受到高应力，一方面是因为机器人臂相对于彼此的运动，且特别是因为通常不利的环境条件(高温、侵蚀性介质，诸如焊接飞溅物等)。

机器人的机器人臂移动和旋转得越多，线路中所需的部件长度就越大。在最小移动的情况下，不需要额外的部件长度，并且可从机器人上垂下。缩回系统确保在每次移动期间，诸如例如软管组件这样的线路被引导接近机器人。换言之，缩回系统用于将线路尽可能紧凑地保持在机器人臂上。

换言之，在工业机器人的应用领域中，这样的线路引导装置和/或缩回系统用于绷紧沿着工业机器人的机器人臂引导的至少一个供给装置，并在机器人臂移动之后调节供给装置的长度。从EP 1 848 571 B1中已知这样的线路引导装置。其中描述了一种用于引导供应线路，特别是用于引导工业机器人的软管组件的线路引导设备。例如，在DE 201 13742U1中可发现工业机器人中的另一种线路引导设备。

DE 10 2018 204 184 A1描述了一种用于监测机器人的供应系统的方法。机器人具有机器人臂和可相对于机器人臂移动的机器人手，其中供应系统具有供应链(Versorgungsstrang)，特别是软管组件和用于供应链的引导件，并且供应链沿着机器人臂被引导以供应机器人手。供应系统还具有用于监测供应系统的至少一个状态变量的多个传感器，其中供应系统的功能能力由传感器确定的状态变量的值得出。所描述的系统也可称为机器人的缩回系统。缩回系统具有检测调节机构的运动(拉力、加速度、速度、数量等)的传感器系统。考虑到可用的安装空间，将这样的传感器系统的附加传感器，诸如缆线拉力传感器，安装在缩回系统上是有问题的，并且特别可能带来传感器缺陷的风险。

发明内容

因此，需要一种用于监测缩回系统的装置，该装置以尽可能简单的方式确保集成到缩回系统的现有安装空间中。特别地，期望例如传感器系统这样的该装置是稳健的和防故障的，并且允许以尽可能少的额外成本来执行足够精确的无误差的测量。该装置，例如传感器系统，理想地可用于不同的缩回系统。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于监测缩回系统的装置。缩回系统至少有一个弹簧。该装置具有与至少一个弹簧连接或互连的至少一个电容器。至少一个电容器与至少一个弹簧连接或互连，使得至少一个弹簧和至少一个电容器的连接或互连形成振荡电路。该装置具有频率确定部件。频率确定部件被配置为确定与振荡电路的频率相关/有关的信息。该装置具有评估单元。所述评估单元被配置为从与所述振荡电路的频率相关/有关的信息导出与所述至少一个弹簧的长度相关/有关的信息。与所述至少一个弹簧的长度相关/有关的信息可指示所述至少一个弹簧的长度。至少一个弹簧的长度可从与至少一个弹簧的长度相关/有关的信息中导出。

缩回系统可以是机器人、特别是工业机器人的缩回系统。缩回系统可以是机器人、特别是工业机器人的线路引导装置或供给装置的一部分。用于供应机器人的单独线路可组合在诸如软管组件这样的共用供给装置中。例如，单独的线路可以例如是供电缆线、电气控制缆线、数据缆线和用于气体、液体、螺栓、铆钉和螺钉的介质引导件或供给软管。

振荡电路，也被称为电振荡电路或共振电路，是能够谐振的电路，其具有线圈和电容器，并且能够执行电振荡。在振荡电路中，线圈的磁场和电容器的电场之间周期性地交换能量，由此交替地存在高电流强度或高电压。在根据第一方面的装置中，所述至少一个弹簧用作线圈。

换言之，如果线圈(电感)和电容器(电容)互连，则形成振荡电路。互连可以以串联的形式或并联的形式进行。如果例如短时间向这样的电路施加电压，则电容器充电至电压源的电压值的最大值。如果电压再次切断，则电容器经由线圈再次放电。借助于线圈，电容器以相反的极性再次充电。该过程重复多次，其中由于振荡电路中的有效电阻，电压电平随时间变低。以这种方式获得阻尼振荡。相反，在无阻尼振荡的理想情况下，电压值不会降低。

至少一个弹簧和至少一个电容器在每种情况下可彼此并联连接，也就是说可形成至少一个并联振荡电路。至少一个弹簧和至少一个电容器在每种情况下可彼此串联连接，也就是说可形成至少一个串联振荡电路。

评估单元可被配置为从与振荡电路的频率有关的信息中导出与至少一个弹簧的长度变化有关的信息，作为与至少一根弹簧的长度有关的信息。至少一个弹簧的长度可从关于长度变化的信息导出或确定。例如，考虑到长度变化之前的起始长度，可从关于长度变化的信息导出或确定至少一个弹簧的长度。从关于所述至少一个弹簧的长度或长度变化的信息，可确定相关联的系统例如缩回系统的行程或移动距离。

弹簧在加载时会改变其长度。因此，各个绕组的耦合系数发生变化。这反过来改变了它的电感。在压缩弹簧的情况下，各个绕组(更)紧密地相邻，并且彼此更好地耦合，因此电感增加。另一方面，在拉伸弹簧的情况下，绕组相距远(更远)，且耦合较差，因此电感下降。通过测量电感，可确定弹簧的长度，从而间接地确定具有弹簧的相关系统的行程。振荡电路的电感和频率相互依赖。结果，当至少一个弹簧的电感改变时，振荡电路的频率改变。

这样的振荡电路具有电容器和线圈。例如，振荡电路可由电容器和线圈/弹簧组成。电容器最初处于充电状态(例如由电流源/电压源充电)。如果电流源断开(例如，系统仅由电容器和线圈组成)，则振荡电路被/已建立。电容器的电场导致电流，这使电容器放电。因此流过线圈的电流感应出磁场。不断增长的磁场反过来感应出电流，该电流与电容器的放电电流相反。一旦电容器充分放电，该电流就变得大于放电电流，并且电流被反向。结果，电容器再次充电，且磁场被削弱，直到再次达到起始配置。整个周期已/被完成。因此，周期再次开始——振荡正在进行。

频率确定部件可以被配置为数字频率确定部件，或者可以具有数字频率确定部件。数字频率确定部件被配置为确定在预定时间段期间在振荡电路中发生的脉冲的数量作为与振荡电路的频率相关的信息。预定时间段可对应于振荡电路的周期的至少一部分，例如振荡电路的半个周期。预定时间段可对应于振荡电路的整个周期。

频率确定部件可被配置为考虑到与基准振荡电路的频率相关的信息来确定与振荡电路的电压相关的信息。

该装置可具有数模转换器(数模变换器)。数模转换器可被配置为将与振荡电路的频率相关的信息转换成电压值。

数模转换器可被配置为将电压值发射到评估单元。评估单元可被配置为从发射的电压值导出关于至少一个弹簧的长度的信息。

根据第一示例性实施例，评估单元可例如从频率确定部件接收与振荡电路的频率有关的信息，并且可例如直接从与振荡电路频率有关的信息确定与至少一个弹簧的长度有关的信息。

根据第二示例性实施例，评估单元可例如从数模转换器接收电压值，并且可例如直接从电压值，并因此间接地从与振荡电路的频率相关的信息，确定关于至少一个弹簧的长度的信息。

该装置还可具有磁体和用于检测磁体的传感器部件。

评估单元可被配置为当传感器部件检测到磁体时，将在检测时确定的关于至少一个弹簧的长度的信息与关于至少一个弹簧的长度的先前已知信息进行比较，并通过该比较来确定关于(确定的信息和先前已知信息的之间的)偏差的信息。

以这种方式，可考虑发生的干扰场。当传感器经过磁体或传感器接近磁体时，可将先前已知的位置与确定的位置进行比较。借助于确定的差异，可相应地消除或考虑到在信号中出现的偏差。因此，可选择传感器部件和磁体相对于彼此的位置，使得在每个循环中，磁体由传感器部件检测，例如磁体经过传感器部件，或者反之亦然。结果，在每个周期中，考虑或消除了由于干扰场引起的任何偏差。

传感器部件可具有霍尔传感器或者可以被配置为霍尔传感器。

根据第二方面，提出了一种缩回系统。缩回系统具有至少一个弹簧。缩回系统具有连接到至少一个弹簧的至少一个滑块。缩回系统具有至少一个引导件。所述引导件被配置为引导所述至少一个滑块。滑块可在引导件上移动。换言之，滑块可在引导件上执行平移运动。缩回系统具有如本文已述/所述的装置。

例如，由于滑块在引导件上的运动，弹簧被张紧或松弛。滑块可在外力的作用下移出其起始位置。当外力被移除时，滑块可在引导件上移动回到起始位置。弹簧可以被配置为拉伸弹簧或压缩弹簧。

传感器部件可布置在至少一个滑块上，且磁体可布置在所述至少一个引导件上。可选地，磁体可布置在至少一个滑块上，并且传感器部件可布置在所述至少一个引导件上。因此，可选择传感器部件和磁体相对于彼此的位置，使得在每个循环中，磁体由传感器部件检测，例如磁体经过传感器部件，或者反之亦然。结果，在每个周期中，考虑到或消除了由于干扰场引起的任何偏差。

根据第三方面，提出了一种机器人，特别是工业机器人。机器人具有如本文已述/所述的装置。附加地或替代地，该装置具有如本文已述/所述的缩回系统。

根据第四方面，提出了一种用于监测缩回系统的方法。缩回系统至少有一个弹簧。至少一个电容器与所述至少一个弹簧连接或互连，使得所述至少一个弹簧和所述至少一个电容器的连接或互连形成振荡电路。该方法包括确定与振荡电路的频率相关/有关的信息。该方法包括从与振荡电路的频率相关/有关的信息导出与至少一个弹簧的长度有关/相关的信息。

尽管上文所述的一些方面已经关于装置进行了描述，但是这些方面也可在缩回系统、机器人和/或方法中以相应的方式实现。

附图说明

将参考附图进一步解释本公开。这些附图示意性地显示：

图1根据可能的示例性实施例的装置的框图；

图2根据示例性实施例的方法的流程图；

图3具有根据可能的示例性实施例的装置的缩回系统；

图4不同状态下的弹簧；以及

图5多个弹簧的可能评估。

具体实施方式

在下文中，不限于此地列出具体细节以提供对本公开的完整理解。然而，本领域技术人员将清楚的是，本公开可用于可不同于下文所述的细节的其他示例性实施例。例如，以下文本中描述了具体的配置和形式，这些配置和形式不应视为限制。

图1示意性地显示了用于监测缩回系统的装置10。图1中未显示缩回系统。装置10具有弹簧12。弹簧12是缩回系统的一部分。在装置10中，弹簧12用作线圈。装置10还具有电容器14。电容器14和弹簧/线圈12彼此连接/互连，使得通过该连接/互连形成振荡电路16，更具体地说是LC振荡电路。L在这里表示弹簧/线圈12的电感。C在这里表示电容器14的电容。在图1中，电容器14例如与弹簧/线圈12串联连接。因此，图1中的振荡电路16被配置为例如串联振荡电路。备选地，电容器14和弹簧/线圈12可彼此并联连接。在这种情况下，振荡电路16被配置为并联振荡电路。在图1中，为了简单且清楚，仅示出了作为振荡电路16的一部分的弹簧/线圈12和电容器14。然而，振荡电路16可具有其他元件，但为了解释振荡电路16的功能，可忽略这些元件。例如，振荡电路16还可具有一个或多个电阻器和一个或多个电源/电压源。尽管为了清楚起见，图1中显示了仅一个弹簧/线圈12和仅一个电容器14，但装置10不限于该数量。装置10可具有多于一个弹簧/线圈12和/或多于一个电容器14。

装置10还具有频率确定部件20。频率确定部件2 0与振荡电路16连接或耦接，使得频率确定部件20能够确定与振荡电路16有关/相关的频率的信息。装置10还具有评估单元30。评估单元30连接/耦接频率确定部件20或能够连接/耦接频率确定部件20。评估单元30与频率确定单元20连接/耦接或能够与之连接/耦接，使得评估单元30可从频率确定电路20接收与振荡电路30的频率相关/有关的信息，或者从振荡电路30的频率相关/有关的信息导出的信息。

现在将参考图2的流程图概述装置10的基本工作原理。在步骤S202中，频率确定部件20确定与振荡电路16的频率有关/相关的信息。在步骤S204中，评估单元30从与振荡电路16的频率相关/有关的信息中导出与至少一个弹簧/线圈12的长度相关/有关的信息。

现在将结合图3至图5描述图1和图2的示例性实施例的进一步可能的细节和修改。

图3示意性地显示了缩回系统100。缩回系统100可用于/存在于工业机器人中。缩回系统100可以是用于工业机器人的线路引导装置或供给装置的一部分，或者可形成线路引导装置或者供给装置。缩回系统100具有弹簧12。缩回系统100还具有滑块110和引导件120。滑块110布置在引导件120上并由引导件120引导。引导件可具有例如一个或多个导轨，其接合到滑块110中或滑块110接合到其中。滑块110可在引导件120上执行平移运动。滑块110连接到弹簧12。在图3中，弹簧12被配置为例如拉伸弹簧。备选地，它也可以被配置为不同类型的弹簧12，例如压缩弹簧。在图3中，以示例的方式显示弹簧12和滑块110的起始位置。如果滑块110在外力的作用下在引导件120上从该起始位置在与弹簧12相反且与弹簧12的拉力相反的方向上平移，则弹簧12偏转。如果使滑块110平移运动(平移运动了)的滑块100上的外力被移除，则滑块110由于弹簧12的拉力而自动移动回到其起始位置。弹簧12再次收缩并松弛。

在压缩弹簧作为弹簧12的情况下，弹簧12在其起始位置被压缩，在外力的作用下被拉伸，并且当外力被移除时再次被压缩。也就是说，弹簧12在加载时将改变其长度。因此，各个绕组的耦合系数发生变化。这反过来改变了它的电感。在压缩弹簧的情况下(参见图4a)，各个绕组紧密地相邻，且彼此之间的耦合更好，因此电感增加。另一方面，在拉伸弹簧的情况下(图4b)，绕组分开得更远，且耦合得较不好，因此电感下降。因此，通过测量电感，可确定弹簧12的长度，且从而间接地确定与弹簧12连接的滑块110的行程。

弹簧12在图3中不仅被显示作为缩回系统100的一部分，而且在图的右侧部分作为电路的一部分。在该电路中，弹簧12用作线圈，且因此在下文中被称为弹簧/线圈12。如图1所述，弹簧/线圈12连接到电容器，并与电容器(并且在必要时其它元件)一起形成振荡电路。该振荡电路在图3中被显示例如作为振荡器18或其一部分。振荡器18是一个具有可变频率的振荡器。因此，振荡器18的频率可根据弹簧/线圈12的拉伸和压缩，也就是说长度，而改变。仅作为示例，这里可提及用于振荡器18的280至400kHz的频率范围。在图3中，弹簧/线圈12与振荡器18分开显示，但弹簧/线圈实际上是振荡电路的一部分，且因此也是振荡器18的一部分。为了强调弹簧/线圈12在缩回系统100和电路两者中的重要性，弹簧/线圈12在图中与振荡器18单独显示。

装置10还具有放大器22和拾取器24。

装置10还具有基准振荡器或基准电路。在图3中，基准振荡器或基准电路例如被配置为压电振荡器。压电振荡器具有压电谐振器42(例如被配置为压电晶体)和具有恒定频率的振荡器44。放大器46连接在振荡器44的下游。拾取器24和放大器46的输出端连接到计数器26。拾取器24和放大器46两者都从它们各自的模拟输入信号产生分别输入到计数器26中的数字时钟。计数器26的输出端连接到数模转换器28。

装置10还具有例如为永磁体的形式的磁体50。装置10还具有传感器52，在图3中，传感器52例如被配置为霍尔传感器。传感器52被配置为检测磁体50，或者更准确地，检测磁体50的磁场。更具体地，当磁体50非常接近传感器52以致磁体50和传感器52之间的距离低于预定限度值时，传感器52检测磁体50的磁场。

在图3中，磁体50例如布置在滑块110上，且传感器52例如布置在引导件120上。然而，可替代地，磁体50可布置在引导件120上，且传感器52可布置在滑块110上。由此，磁体50和传感器52之间在引导件120的延伸方向上的距离被测定为使得磁体50以预定的时间间隔经过传感器52或接近传感器52。例如，在滑块110的起始位置中，该距离被测定为使得磁体50在振荡电路的每个周期中至少一次经过或接近传感器52，或者该距离降到低于预定限度值。

为了借助于弹簧/线圈12确定行程，使用弹簧在拉伸/压缩时的物理特性。弹簧/线圈12在加载时将改变其长度。因此，各个绕组的耦合系数发生变化。这反过来改变了它的电感。在压缩弹簧的情况下(图4a)，各个绕组紧密地相邻，且彼此之间更好地耦合。因此，装置中的弹簧/线圈12的电感增加。另一方面，在拉伸弹簧(图4b)的情况下，绕组相距较远，且耦合较差。因此，弹簧/线圈12的电感下降。通过确定/测量电感，可确定弹簧的长度，且从而间接地确定行程。

弹簧/线圈12的长度在此通过LC振荡电路形式的设置来测量。弹簧/线圈12，更具体地说复位弹簧12，表示LC振荡电路的电感。滑块的位移运动(Verfahr-Bewegung)引起的长度变化导致弹簧/线圈12的电感变化。由于弹簧/线圈12的电感变化，作为振荡器18起作用的LC振荡电路的频率发生变化。

LC振荡电路的频率由频率确定部件20确定。这可通过例如确定基准振荡电路的脉冲数来实现。在图3中，计数器26检测或接收LC振荡电路的脉冲和基准振荡电路的脉冲。计数器26在预定的时间段期间，例如在LC振荡电路的半个周期期间检测或接收脉冲。仅作为示例，此时可提及由计数器26检测或接收的从200到3800的计数器值。

计数器值通过数模转换器28转换为电压。仅作为示例，电压的电压值可有0.2到3.8V的值。电压值可被发射到分析单元/评估单元30。以此方式，可将信息简单发射到分析单元/评估单元30。还可设想省略数模转换器28，并且计数器26的数字频率-计数器-值被用于进一步的数据处理。例如，如已由计数器26确定的数字频率-计数器-值可被转发到评估单元30，或者可基于计数器26中的数字计数器值进行进一步的数据处理。因此，可设想在数模转换器中进行进一步的评估。换言之，计数器26可具有评估单元30或被配置为评估单元30，或者评估单元30可具有计数器26或被配置为计数器26。

为了减少测量误差或理想地完全避免测量误差，特别是由于在工业环境中发生的干扰场而导致的LC振荡电路的电压偏移，为了校准，还在引导件120上布置或安装了传感器52，例如霍尔传感器，并在滑块110上布置或安装了磁体50(反之亦然)。当传感器52经过时，将(先前已知的)位置与由LC频率确定的位置进行比较，以消除信号中出现的偏差(即偏移)。霍尔传感器52的位置被选择为，使得霍尔传感器52在可能的情况下在每个循环中由滑块110经过它。更具体地，当传感器52检测到磁体50时，确定弹簧/线圈12的长度或长度变化，并将其与先前已知的例如存储的长度或长度变化进行比较，所述先前已知的长度或长度变化应出现在滑块110的该位置。如果确定了弹簧/线圈12的测量长度或长度变化与先前已知的例如存储的线圈/弹簧12的长度或长度变化之间的偏差，则在该周期和/或附加的周期，例如在所有周期，中的所述/所有长度或长度计算时考虑该偏差。在一个实施例变型中，在每个周期至少确定一次偏差，并且在同一周期中的所有计算中考虑该偏差。以此方式，提高了确定弹簧/线圈12的长度或长度变化的精度。

虽然仅已针对一个弹簧对本发明进行了说明，但本发明不限于此。因此，在具有多个弹簧12的系统中，如图5中所指示的，也可将弹簧并联或串联连接。在这种情况下，从各个连接产生的总电感可被用于确定弹簧12的长度或长度变化，且从而确定滑块110的行程。在这种情况下，可想到仅使用弹簧12的固定端来连接或接触评估单元30。在这种情况下，机械设置是简单而稳定的。

为了提高测量方法的灵敏度，可实现更大的电感变化，这是通过将一个或多个铁芯部分或完全地定位在系统中，并且弹簧的压缩和/或拉伸导致弹簧和铁芯之间的相对位置变化/重叠。可改变铁芯的形状以实现不同类型的效果(例如电感的线性或指数变化)。作为弹簧内部的铁芯的替代方案，也可使用弹簧周围的环。

通过测量弹簧的长度并由此测量滑块110的行程，可获得附加信息，例如，可能与用于统计评估和预防性维护相关的周期检测、机械载荷、弹簧力、位移速度、加速度等。具有相应设置的上述方法可被广泛使用，特别是在工业机器人上使用能源供应和缩回装置的情况下。