Entwicklung eines gelenkintegrierten Winkelsensors für den Einsatz in hochdynamischen Parallelrobotern

In der vorliegenden Arbeit werden die Entwicklung und die mikrotechnische Fertigung eines hochauflösenden Winkelsensors beschrieben. Dieser Sensor wurde zur Messung der Winkelstellung von Gelenken eines Parallelroboters konzipiert und kann aufgrund seiner geringen Baugröße direkt in die Gelenke integriert werden. Diese Information über die GelenksteIlung stellt einen wichtigen Parameter dar und wird von der Robotersteuerung zur Selbstkalibrierung, zur Lösung des DKP (Direktes kinematisches Problem), zur Arbeitsraumüberwachung sowie zur Kraft- und Lageregelung genutzt.Im Vorfeld des Sensorentwurfs erfolgt eine Analyse der aktuell verfügbaren Sensorsysteme und deren theoretische Betrachtung sowie eine Einteilung nach den grundlegenden physikalischen Wirkprinzipien. Anschließend wird unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen für die geplante Anwendung eine Auswahl von drei verschiedenen Sensorprinzipien getroffen, die hier eine mikrotechnische Umsetzung erfahren sollen. Alle drei Sensoren beruhen auf einem induktiven Verfahren. Dabei wird eine Induktivitätsänderung durch Flussverdrängung, eine Induktivitätsänderung durch Variation des Luftspaltes sowie eine Veränderung der Kopplung zweier Spulen messtechnisch sensiert und ausgewertet. Die Detektion der Gelenkstellung erfolgt dabei jeweils über eine Maßstabsscheibe, die die Winkeländerungen an den Sensor überträgt. Dieser Maßstab trägt Inkremente aus metallischen Flächen, die aus Kupfer bzw. Nickel-Eisen bestehen. Die Auswertung der Winkeländerungen entspricht dann dem Zählen der am Sensor vorbeigestrichenen Inkrementstrukturen. In Verbindung mit der bekannten Auflösung der Maßstabsscheibe kann so auf den entsprechenden Winkelbereich geschlossen werden.