BG112068A

BG112068A - Джойстик

Info

Publication number: BG112068A
Application number: BG112068A
Authority: BG
Inventors: Николай НИКОЛОВ; Любенов Николов Николай; Георги ТОДОРОВ; Димитров Тодоров Георги; Георги Зъбчев; Костадинов Зъбчев Георги
Original assignee: Системно Интегриране Еоод
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-01-31

Abstract

Изобретението се отнася до джойстик с общо предназначение, който може да бъде използван за управление от оператор на различни видове машини като подемни машини, машини за селскостопанската индустрия, пътно-транспортна техника, безпилотни летателни апарати и др. Джойстикът се състои от неподвижна основа (1) към която е монтиран лост за управление със съставна конструкция, включваща шарнирно свързано с основата (1) стебло (2) с ръкохватка (3). Към стеблото (2) и неподвижно свързаната с основата (1) кутия (6) са монтирани триосни акселерометри (4) и (5), свързани с управляващия блок (7). Управляващият блок (7) генерира два управляващи сигнала във функция на входните сигнали от двата акселерометъра (4) и (5), зависещи от положението на стеблото (2) на лоста за управление на джойстика. Предимствата на предложения джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини са свързани с опростената му структура и конструкция, отсъствието на чувствителни към замърсяване механични или оптични движещи се елементи, както и лесното осигуряване на обратна връзка с изпълнителния механизъм по сила, без това да води до промяна в кинематиката или конструкцията на джойстика Допълнително предимство е и това, че получаваният сигнал от акселерометричните сензори е стандартизиран и не изисква преобразуване за подаване към електронната система.

Description

Изобретението се отнася до джойстик с общо предназначение, който може да бъде използван за управление от оператор на различни видове машини като подемни машини, машини за селскостопанската индустрия, пътно-транспортна техника, безпилотни летателни апарати и др.

² . : · ί : ·’ · ' %

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ HA ТЕХНИКАТА

Съвременните джойстици предназначени за управление от оператор на различни видове машини могат да се класифицират по няколко критерия.

По отношение на степените на свобода, респ. управляемите оси, джоистиците могат да бъдат с една до шест управляеми оси.

В зависимост от това дали лоста се центрира в центъра джойстиците биват: с центриращ пружинен механизъм - предотвратява нежелано движение на лоста от всякакво естество; без центриращ механизъм свободно движение на лоста.

В зависимост от необходимостта от задържане посредством триене джойстиците биват: с фрикционно задържане - използва се когато трябва да се контролира скорост или посока на движение, за да може оператора да се концентрира върху друг параметър на манипулацията; без фрикционно задържане - при операции, които изискват постоянно внимание и не е препоръчително да се извършват без вниманието на оператора.

Основната класификация на джойстиците е според типа на отчитане на движението както следва:

• Чрез потенциометърен сензор - този тип сензори имат механичен компонент, който при деформация си променя съпротивлението, което довежда до промяна на тока или напрежението в електрическа верига. Основен недостатък е, че има износване на подвижните компоненти и това довежда до лимитиран цикъл на живот (кратка дълготрайност).

• Чрез сензор на Хол - използва се електромагнитния ефект при феромагнитните материали. Предимството пред сензора с потенциометър се изразява в липсата на триещи се и деформиращи се части, което води до отсъствие на износване. Технологията въвежда обаче определени ограничения в използвания феромагнитен материал, също така няма гаранции в запазването на големината на магнитното поле с течение на времето или под въздействие на външни влияния като температура. Тези промени на магнитното поле довеждат до отклонения в отчитането на положението на джойстика. В следствие се получава нежелана променя в ³ ’· ’·· . : : *.*· . ·^:··* изходното напрежение на сензора, което довежда до нежелани ефекти. Джойстиците със сензор на Хол са точно и евтино решение, но тяхната надеждност в дългосрочен план е лимитирана.

• Чрез индуктивен сензор - използва се закона на Фарадей за електромагнитната индукция, при което се избягват недостатъците на горните два сензора като кратка дълготрайност и ниска надеждност. Технологията използва тороидална намотка (медни жици навити в цилиндрична форма), през която протича ток, който индуцира магнитно поле. Поставя се метален вал в намотката, който при движение по оста пресича или взаимодейства с породените магнитните линии, което довежда до промяна на тока в електрическа верига. Промяната в протичането на тока корелира с пропорционалното напрежение на изхода на системата, породено от индуктивният джойстик. Технологията увеличава дълготрайността и надеждността на джойстика поради това, че подвижните части са минимизирани до вал, пружина и намотка. Елиминира се проблема на промяна на точността като при разгледаните по-горе технологии, което се дължи на липсата на електронни компоненти, които да деградират във времето. Има един недостатък, който трябва да бъде асоцииран с индуктивния сензор. Той е свързан с податливост на влияния от външни електромагнитни полета, породени от радиочестотни сигнали. Този недостатък може да бъде минимизиран чрез подходящо екранизиране на намотката и окабеляването.

• Чрез оптичен сензор - тази най-нова технология е свързана с отчитането на позицията на вала на джойстика посредством оптичен сензор, работещ с дължина на вълната на видимата светлина. Оптичният джойстик има само предимства спрямо разгледаните по-горе технологии. Конструкцията на сензора е такава, че не се влошава получения сигнал при промяна на LED източника на светлина. Това се постига с компенсиращ диференциален сензор, което довежда до нулево влошаване на надеждността и дълготрайността. Проблеми свързани с плавно отчитане, пренастройване, износване на физически компоненти, чувствителност към електромагнитни източници, радиочестотни ^{4 :}* · смущения, високи вибрации и удари са практически премахнати при този оптичен джойстик.

Друг класификационен признак при джойстиците е наличието на обратна връзка, при което те се разделят на:

• Джойстици без обратна връзка.

• Джойстици с обратна връзка. Най-често се използва обратна връзка по сила, защото тя позволява на оператора да получи усещане за натоварването в машината или манипулатора. По този начин се предотвратяват инциденти и повреди в манипулираните обекти или манипулиращите звена. Разликите идват от техническото изпълнение на обратната връзка по сила, при което джойстиците се разделят на:

- джойстици с електрическа обратна връзка по сила - реализира се посредством електрическа верига, контролер и електродвигатели, които създават необходимия съпротивителен момент в джойстика;

- джойстици с хидравлична обратна връзка по сила - осъществява се при основното изискване изпълнителното звено да бъде задвижвано от хидравличен механизъм. Взаимодействието на актуатора със средата довежда до обратен хидравличен сигнал по сила, който бива уловен от контролното звено. То изпраща сигнали за пропорционалността на обратната сила към задвижения джойстик, който предава усещане за съпротивление в оператора.

^цдп-*'

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задачата на изобретението е да се създаде джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини с възможно най-опростена структура, при който отчитането на движението се извършва чрез два триосни акселерометъра, монтирани съответно към основата и към лоста за управление на джойстика.

В структурно отношение джойстикът включва неподвижна основа към която посредством сферична двоица с палец е монтиран лост за управление, състоящ се от стебло и ръкохватка, като към неподвижната основа и лоста за ⁵ . *: ^:··.

·· · ······ управление са монтирани триосни акселерометри, подаващи сигнали на управляващ блок. Когато управляващия лост на джойстика заеме определено положение, регистрираните от двата триосни акселерометъра ускорения определят еднозначно това положение, при което управляващата система генерира съответни управляващи сигнали за двете управляеми оси.

Предимствата на предложения джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини са свързани с опростената му структура и конструкция, отсъствието на чувствителни към замърсяване механични или оптични движещи се елементи, както и лесното осигуряване на обратна връзка с изпълнителния механизъм по сила, без това да води до промяна в кинематиката или конструкцията на джойстика Допълнително предиство е и това, че получаваният сигнал от акселерометричните сензори е стандартизиран и не изисква преубразуване за подаване към електронната система.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

На фиг.1 е представено примерно изпълнение на джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини.

На фиг.2 е показана кинематичната схема на показаното на фиг.1 примерно изпълнение на джойстик при положение, в което управляващия лост се намира в общо положение.

На фиг.З е представено примерно изпълнение на джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини, при което акселерометърът, монтиран към лоста за управление на джойстика, е разположен в центъра на сферичната двоица с палец между неподвижната основа и лоста за управление на джойстика.

На фиг.4 е представено примерно изпълнение на джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини, при което сферичната двоица с палец е заменена с допълнително звено, свързано шарнирно с основата и стеблото на лоста за управление.

. ·; Ί . : : .· . ’· ·· · ······

На фиг. 5 е представено примерно изпълнение на джойстик с две степени на свобода за управление от оператор на различни видове машини, при което сферичната двоица с палец е заменена с еластичен елемент, свързан неподвижно с основата и стеблото на лоста за управление.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Джойстикът (фиг.1) се състои от неподвижна основа 1 към която е монтиран лост за управление със съставна конструкция, състояща се от стебло 2, свързано с основата 1 посредством сферична двоица с палец, и ръкохватка 3, в която е разположен акселерометър 4. Втори акселерометър 5 е разположен в монтираната неподвижно към основата 1 кутия 6. Сигналите от двата акселерометъра се подават на управляващ блок 7, който генерира два управляващи сигнала, зависещи от регистрираните от двата триосни акселерометъра ускорения.

Положението на вектора на земното ускорение g в равнината xyz, свързана неподвижно с неподвижната основа 1, се определя от измерените от акселерометъра 5 ускорения g_x, g_y и g_z по осите х, у и z, представляващи проекции на вектора на земното ускорение върху съответните оси (фиг.2).

Когато управляващият лост е заел общо положение, то неговото положение се определя от следните две независими координати (фиг.2):

- ъгълът а на завъртане на оста w на палеца на сферичната двоица около ос у;

- ъгълът β на завъртане на стеблото на управляващия лост около оста w на палеца на сферичната двоица.

Ъглите а и β се определят от измерените от акселерометъра 5 ускорения g_x, g_y и g_z по осите х, у и z на неподвижната координатна система xyz и измерените от акселерометъра 4 ускорения g , g^ и g_z^ по осите Xj, у] и Z] на свързаната неподвижно с управляващия лост ·, координатна система x^Zj, осите на която в неутрално положение на лоста за управление са успоредни на съответните оси на неподвижната координатна система xyz:

•· g a = arcsin . ¹ =- - arcsin ,;

2 / 22

Jg ~gy y/g ~gy β - arctan . ......- - arctan , .........—/ 2 2 2 / 2 22 yjg -gx'-gyi yjg -g_Xl~gy

Управляващият блок 7 на джойстика генерира управляващи сигнали за двете управляеми оси, пропорционални на изчислените ъгли а и β.

В процеса на завъртане на лоста за управление на джойстика около ос у и около ос w върху акселерометъра 4 действат и съответни нормални и тангенциални ускорения, пропорционални на разстоянието от акселерометъра 4 до съответната ос. За да може да бъде определяно положението на лоста на управление не само в стационарно положение, а и по време на преместване на лоста, е необходимо разстоянията от акселерометъра 4 до ос у и ос w да бъдат равни на нула, т.е. акселерометърът 4 да бъде разположен в центъра на сферичната двоица с палец (фиг.З) между неподвижната основа 1 и стеблото 2 на лоста за управление на джойстика.

Че*

Връзката между неподвижната основа 1 и стеблото 2 на лоста за управление на джойстика може да бъде осъществена и посредством шарнир на Хук (фиг.4), кинематично еквивалентен на сферичната двоица с палец (фиг.1). Звено 8 е лагерувано върху неподвижната основа 1 по направление на ос у', успоредна на ос у, а върху звено 8 е лагерувана оста w на стеблото на лоста за управление на джойстика, като осите у' и w са взаимно перпендикулярни и пресичащи се оси. Друг вариант за изпълнение на тази връзка е показан на фиг.5, като стеблото на лоста за управление 2 се свързва с неподвижната основа 1 посредством еластичен елемент 9.

Claims

1. Джойстик, състоящ се от неподвижна основа (1) към която шарнирно е свързан лост за управление, състоящ се от стебло (2) с ръкохватка (3), и управляващ блок (7), характеризиращ се това, че стеблото (2) и неподвижната основа (1) са свързани посредством сферична двоица с палец, като към лоста за управление и неподвижно свързаната с основата (1) кутия (6) са монтирани съответно триосни акселерометри (4) и (5), свързани с управляващия блок (7), генериращ два управляващи сигнала във функция на входните сигнали от двата акселерометъра (4) и (5), зависещи от положението на стеблото (2) на лоста за управление на джойстика.

2. Джойстик съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че триосния акселерометър (4) е разположен в центъра на сферичната двоица с палец между стеблото (2) на лоста за управление и неподвижната основа (1).

3. Джойстик съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че връзката между неподвижната основа (1) и стеблото (2) на лоста за управление на джойстика е осъществена посредством междинно звено (8), лагеруване върху неподвижната основа (1), като върху звено (8) е лагерувана оста на стеблото (2) на лоста за управление на джойстика, при което двете оси на и** лагеруване на междинното звено (8) са взаимноперпендикулярни и пресичащи се прави, като акселерометърът (4) е разположен в пресечната им точка.

4. Джойстик съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че стеблото (2) на лоста за управление се свързва с неподвижната основа (1) посредством еластичен елемент (9).