CN101528539B - 适用于电传飞行控制系统的控制杆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供适于控制物体(例如机翼表面)运动的控制杆(例如操纵杆、侧杆等)(20)的控制杆。该改良件包括：支撑件(21)；安装在支撑件上的在中间进行枢转的上部构件(23)，该上部构件具有上部(24)和下部(25)；中间构件(26)，其具有以可枢转的方式连接上部构件的下部的上部，并且具有下部；和下部构件(29)，其具有以可枢转的方式安装在支撑件上的下部，并且具有上部；其中，中间构件的下部可移动地安装在下部构件的上部上，以便上部构件的上部相对于支撑件的枢转运动将形成中间构件和下部构件相对于支撑件的枢转运动；和弹性构件(31)，其被设置成偏置中间构件和下部构件之间的相对运动方向。各种枢转连接件可以通过平衡环来提供，以便各种构件被安装成关于两个相互垂直的轴线作复合枢转运动。

Description

适用于电传飞行控制系统的控制杆
技术领域
本发明总体上涉及适用于检测和将操作人员的手动指令传给将响应于这种指令运动的物体(例如机翼表面等)的控制杆(例如操纵杆、侧杆等)领域，涉及用于将这种控制杆安装在合适支撑件上的经改良的连杆，和涉及特别适合用于其中的经改良的复合弹簧。一种特殊应用预期通过电传飞行控制系统将驾驶员或副驾驶员的指令传给各种机翼表面。 
背景技术
操纵杆是公知的将驾驶员的手动输入指令传递给各种飞机飞行控制表面的装置。在它们早期的形式中，操纵杆通常安装在驾驶员两腿之间的驾驶舱底板上。它们通常安装成使得该杆能够围绕代表飞机的纵摇轴和横摇轴的两个相互垂直的轴线作复合枢转运动。然而，这些操纵杆的位置和尺寸经常干涉到其它装置和自由，且需要相当大的空间来提供把柄的容许运动范围。 
起初，这种操纵杆通过机械连杆和缆绳与各种机翼表面连接。这些耦合件不必要地笨重和庞大，且不容易允许冗余。 
随着飞机的性能、控制和复杂度提高，开发了电传系统。在这些系统中，给予操纵杆把柄的各种手动输入首先被转换成电信号，然后它们沿各种冗余路径被传给一个或多个计算机，然后传给位于远处的控制各种机翼表面运动的马达和驱动器。因此，来自操纵杆和柱轮的机械传递被来自与该杆相关联的转换器的电传递替代。 
在最近几年中，侧杆得到了发展。它们通常安装在位于驾驶员和副驾驶员座位外侧上的扶手前面。驾驶员通常坐在左边的座位上，副驾驶员在右边座位上。因此，驾驶员的侧杆通常在其左边，副驾驶员 的侧杆通常在其右边。因此，驾驶员通常将其左臂放在其左边的扶手上，并且将用其左手控制其侧杆，而副驾驶员通常将其右臂放在其右边的扶手上，并且将用其右手控制其侧杆。在很多情况下，操纵杆关于合适轴线的倾斜被检测成位置的函数(参见例如美国专利5,125,602和5,291,113)。在其它情况下，它被检测成力或者力矩的函数(参见例如美国专利6,028,409；5,694,010和5,347,204)。 
这些侧杆中的一些安装在平衡环上，以允许围绕纵摇轴和横摇轴作全向或复合枢转运动(参见例如美国专利5,291,113和5,694,014)。 
侧杆通常被看作是“被动的”或“主动的”。“被动”侧杆单元(“PSSU”)检测驾驶员或副驾驶员的纵摇和横摇指令作为相关控制杆关于该合适轴线的倾斜位移的函数。这些指令然后被提供给一个或多个飞行控制计算机，这些计算机接着控制各种机翼表面的运动以控制飞机的纵摇和横摇。该控制杆可以将冗余指令信号提供给计算机。这些装置中的一些使用各种弹簧以给控制杆把柄赋予各种作用力-感觉梯度，从而提供给驾驶员和副驾驶员各种状态的触觉和感觉(参见例如美国专利5,125,602)。 
“主动”侧杆单元(“ASSU”)与PSSU相似，但是还结合了马达来耦合驾驶员和副驾驶员的侧杆的位置。如果驾驶员正在主动控制飞机且副驾驶员的手离开了他的操纵杆，则副驾驶员的杆将被往回驱动以跟随和重复驾驶员给予他的杆的各种位置运动。籍此，驾驶员和副驾驶员的杆将并行和一致地同时倾斜，仿佛从属于对方一样。相反地，如果副驾驶员正在主动控制飞机且驾驶员的手离开了他的杆，则驾驶员的杆将跟随和重复副驾驶员给予他的杆的位置指令。这有时被称作“位置再复制”(参见例如美国专利5,125,602)、或“电子交叉驾驶舱互连”(参见例如美国专利5,456,428)、或简称“交叉耦合”(参见例如美国专利5,694,014)。 
如果飞机设有自动驾驶仪，则自动驾驶仪可以产生提供给与驾驶员和副驾驶员的控制杆相关联的马达以返回驱动这两个控制杆的电信号。 
还已知给这种侧杆提供各种反馈力感觉，其模拟了机翼表面对各种输入指令的抵抗“感”、或者各种操作状态之间的转变，或者甚至紧急情况下的振动。还已知阻尼这种控制杆，以在操作人员要松开该杆的情况下阻止该杆自由地离开手动指令位置(参见例如美国专利5,125,602；6,459,228和4,069,720)。上述专利的每一个的公开内容一同以参考的形式并入本文中。 
然而，迄今为止所开发的柱轮、操纵杆和侧杆包括将摩擦、后冲(backlash)等引入控制杆运动的各种机械连杆和耦合件。这些设计被认为是笨重和庞大的。它们被认为干涉了驾驶员的手动输入信号从控制杆到飞行控制计算机的连续平滑传递，干涉了用于根据电子指令的运动和作用力返回驱动控制杆的各种电信号的连续平滑传递。 
因此，认为存在一种经证实且长期感受到的需求，即：提供适用于“被动”和“主动”电传飞行控制系统的经改良的控制杆，用于与这种经改良的控制杆一同使用的经改良的连杆，和可能用于其中的经改良的复合扭簧。 
发明内容
通过仅以说明性而非限制性的目的参引公开实施例的相应部件、部分或表面，本发明大致提供了一种经改良的控制杆20，用于控制杆中的经改良的连杆27，和经改良的复合弹簧38。 
在一个方面，本发明提供了安装在支撑件21上并且适于控制物体(未示出)运动的控制杆20的改良件。该改良件大致包括：支撑件21；和连杆27，其用于将把柄24安装在支撑件上以关于两个相互垂直的轴线xu1～xu1和xu2～xu2选择性地作复合枢转运动，从而向控制杆提供输入。该连杆包括：安装在支撑件上的第一平衡环22；安装在第一平衡环上的上部构件23，该上部构件具有设置在第一平衡环上方的把柄24，并且具有设置在第一平衡环下方的下部25；中间构件26；连接上部构件和中间构件的第二平衡环28；和下部构件29，中间构件和下部构件之一可移动地安装在中间构件和下部构件中的另一个上，以便在 把柄相对于支撑件移动时允许中间构件和下部构件之间的相对运动；使下部构件与支撑件相连的第三平衡环30；和弹性构件31，诸如柱簧，其被设置成偏置中间构件和下部构件之间的相对运动方向。该把柄可以被抓紧，和选择性地相对于支撑件移动以向连杆提供输入。 
弹性构件31可以被设置成施加从连杆中大体消除所有后冲的作用力。该弹性构件可以推动把柄相对于支撑件移向零位。 
该改良件还可以包括待移动的物体(例如机翼表面和至少一个转换器32，32，32，其中转换器安装在支撑件上检测连杆的一部分的位置并且产生与所检测的这种位置成正比的电信号。把柄适于相对于支撑件移动以导致转换器提供用于使物体移动的指令信号。 
该改良件还可以包括作用于支撑件和连杆之间的多个弹簧33，33，34，34。这些弹簧具有不同的作用力-偏转特性。这些弹簧中的至少一个可以是复合弹簧38。 
在经改良的控制杆中，在把柄移离零位的时候，中间构件和下部构件之间的运动范围可以是在把柄处于其零位时(a)第一和第二平衡环的轴线之间的距离A与(b)第二和第三平衡环的轴线之间的距离B的比值的函数。(i)连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟线与(ii)连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间的偏角可以大致等于(a)上部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角和(b)下部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角之和。 
该改良件还可以包括磁性制动器35，其作用于支撑件和连杆之间以要求在把柄上施加作用力来将把柄移离零位。 
该改良件还可以包括阻尼器36，其作用于支撑件和连杆之间以阻尼把柄的速率。该阻尼器可以是涡流阻尼器。 
该改良件还可以包括马达(未示出)，其作用于支撑件和连杆之间以使连杆作为提供给马达的信号的函数而运动。 
经改良的控制杆可以安装在具有电传控制系统的飞机上，并且该经改良的控制杆可以安装在驾驶员位和副驾驶员位上。驾驶员和副驾驶员的控制杆可以交叉耦合以一同移动。该飞机可以具有自动驾驶仪， 驾驶员和副驾驶员的控制杆可以响应于自动驾驶仪提供的信号而一同移动。 
在另一方面，本发明提供了适于控制物体运动的控制杆20的改良件。该改良件包括：支撑件21；以可枢转的方式安装在支撑件上的上部构件23，该上部构件具有设置在其与支撑件的枢转连接件下方的下部25；中间构件26，其具有与上部构件的下部枢转连接的上部，并且具有下部；和下部构件29，其具有以可枢转的方式安装在支撑件上的下部，并且具有上部；其中，中间构件的下部可移动地安装在下部构件的上部上，以便上部构件的上部相对于支撑件的枢转运动将形成中间构件和下部构件相对于支撑件的枢转运动；和弹性构件31，其被设置成偏置中间构件和下部构件之间的相对运动方向。 
上部构件可以安装在支撑件上以关于位于上部构件的长度中间的轴线xu1～xu1或xu2～xu2作枢转运动，上部构件可以具有设置在该轴线上方并且被设置用作把柄24的上部，该把柄可以被抓紧和选择性地操纵以向连杆提供输入。 
上部构件可以安装成相对于支撑件关于两个相互垂直的轴线xu1～xu1和xu2～xu2作复合枢转运动。 
由弹性构件施加的作用力可以推动上部构件相对于支撑件朝向零位移动。该弹性构件可以被设置成施加从连杆中大致消除所有后冲的作用力。由弹性构件施加的作用力可以是可调的。 
当上部构件移离零位的时候，中间构件和下部构件之间的运动范围可以是当上部构件处于其零位时(a)上部构件和支撑件之间的枢转轴与中间构件和支撑件之间的枢转轴之间的距离A与(b)中间构件和支撑件之间的枢转轴与下部构件和支撑件之间的枢转轴之间的距离B的比值的函数。(i)连接第一和第二平衡环的轴的虚拟线与(ii)连接第二和第三平衡环的轴的虚拟线之间的偏角可以大致等于(a)上部构件相对于连接上部构件和支撑件之间的枢转轴与下部构件与支撑件之间的枢转轴的虚拟线的偏角和(b)下部构件相对于连接上部构件和支撑件之间的枢转轴与下部构件与支撑件之间的枢转轴的虚拟线的 偏角之和。 
上部构件和支撑件可以通过万向接头、诸如平衡环机构22连接。 
中间构件26可以安装成相对于上部构件关于两个垂直轴线xM1～xM1和xM2～xM2作复合枢转运动。 
上部构件和中间构件可以通过万向接头、诸如平衡环机构28连接。 
下部构件29可以安装成相对于支撑件关于两个相互垂直的轴线xL1～xL1和xL2～xL2作复合枢转运动。 
下部构件和支撑件可以通过万向接头、诸如平衡环机构30连接。 
中间构件的下部可以可滑动地容纳在下部构件的上部中。 
弹性构件可以有助于把柄部分的作用力-感觉梯度。 
该改良件还可以包括：至少一个第一位置传感器32，32，32，其安装在支撑件上并且接合上部构件的下部以作为上部构件的下部关于轴线之一的位置的函数提供第一输出信号；和可能地至少一个第二位移传感器32，32，32，其安装在支撑件上并且接合上部构件的下部以作为上部构件的下部关于轴线中的另一个的位置的函数提供第二输出信号。 
该改良件还可以包括：第一上部弹簧33，诸如复合弹簧，其作用于上部构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线之一运动所需要的作用力；和可能地第二上部弹簧33，诸如复合弹簧，其作用于上部构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线中的另一个运动所需要的作用力。 
该改良件还可以包括：第一中间弹簧34，诸如复合弹簧，其作用于中间构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线之一运动所需要的作用力；和可能地第二中间弹簧34，诸如复合弹簧，其作用于中间构件和支撑件之间以影响使把柄关于轴线中的另一个运动所需要的作用力。该第一中间弹簧提供作用力-感觉梯度上的明显变化以警告操作人员在把柄位移上的变化。 
该改良件还可以包括用于在中间构件上施加小作用力的阻碍装置 35，其中所述作用力是操作人员抓紧把柄使其脱离零位所要克服的力。该阻碍装置可以包括安装在支撑件和中间构件上的多个磁体。 
该改良件还可以包括阻尼器36，其作用于下部构件上以阻尼把柄的速率。该阻尼器可以是涡流阻尼器。 
在另一方面，本发明提供了一种控制杆20，其大致包括：支撑件21；连杆27，其具有把柄24并且安装在支撑件上；和多个位置传感器32，32，32，其安装在支撑件上并且在连杆的不同位置上接合连杆，该位置传感器中的每一个都适于产生作为连杆位置相对于支撑件的位置的函数的输出信号；多个弹簧33，33，34，34，其作用于支撑件和连杆之间以影响连杆的作用力-感觉特性；磁性制动器35，其作用于支撑件和连杆之间以要求操作人员向把柄施加作用力来将把柄移离零位；和阻尼器36，其作用于支撑件和连杆之间以阻尼把柄的速率。 
这些弹簧中的每一个本身可以具有单独的作用力-偏移特性，并且连杆的作用力-感觉特性可以是这些弹簧的各种单独的作用力-偏移特性的函数。在优选实施例中，连杆的作用力-感觉特性是弹簧的各种单独的作用力-偏移特性和连杆的几何结构的总和的函数。 
该弹簧可以推动把柄使其相对于支撑件朝向零位移动，弹簧之一可以被设置成施加大致从连杆中消除所有后冲的作用力。 
在又一方面，本发明提供了一种复合弹簧38，其大致包括：第一管状部分40，其具有在第一端41和第二端42之间延伸的第一壁；至少一个第一开槽43，所述开槽贯穿第一壁并且限定于相对的开槽壁之间以便在第一和第二端相对旋转时，该弹簧将在开槽壁彼此隔开时具有一种作用力-位移特性，而在开槽壁彼此接触时具有另一种作用力-位移特性；和在第一和第二端在公共平面中相对于对方弯曲时的第三种作用力-位移特性。 
第一开槽可以沿与第一管状部分的纵轴平行的方向伸长。可以具有多个第一开槽，并且这些开槽可以关于第一管状部分沿圆周彼此间隔开。 
该弹簧还可以包括第二管状部分44，其设置在第一管状部分内并 且具有在第二端42和第三端45之间延伸的第二壁。第二管状部分可以具有至少一个第二开槽46，其贯穿第二壁并且限定于相对的开槽壁之间。第二开槽可以沿与第二管状部分的纵轴平行的方向伸长，并且多个第二开槽可以关于第二管状部分沿圆周彼此间隔开。 
第三端45可以被设置在第一端41附近。 
因此，本发明的总体目标是提供一种经改良的控制杆。 
另一目标是提供用于控制杆中的经改良的连杆。 
又一目标是提供一种经改良的复合弹簧，其特别适于用在控制杆中。 
这些和其它目标和优点将从上述和此时的书面说明、附图和所附的权利要求书中变得显而易见。 
附图说明
图1是经改良的控制杆的机械连杆的一种形式的示意图，该视图示出了当把柄相对于支撑件处于其零位时，上部构件、中间构件和下部构件的位置； 
图2是图1所示结构的示意图，但是示出了当把柄已经移至非零位置时上部构件、中间构件和下部构件的位置； 
图3是示出了当把柄已经移至非零位置时各种连杆构件之间的角度的简化示意图； 
图4是示出了当把柄已经移至非零位置时作用在各种连杆构件上的作用力和力矩的简化示意图； 
图5是控制杆连杆的简化示意图，其示出了作用于支撑件和各种构件之间的各种弹簧、传感器和阻尼器； 
图6是基本弹簧、第二弹簧的软停和差动函数、柱簧的作用力(纵坐标)Vs旋转角(横坐标)特性的一组曲线图，并且还示出上述所有弹簧的相加或叠加函数； 
图7是经改良的复合扭簧的一种形式的轴测图； 
图8是图7所示弹簧的侧视图； 
图9是大致在图8的线9-9上取得的水平剖面图； 
图10是经改良的控制杆的商业形式的轴测图，其中把柄被示出已经倾斜至非零位置，该图示出了该特定实施例的包装的紧凑性。 
具体实施方式
首先应清楚地认识到：始终贯穿这几个附图，同样的参考数字用于标识相同的结构元件、部分或表面，而这些元件、部分或表面本身可以通过整个书面说明书得到进一步描述或解释，该具体实施方式是它的组成部分。除非特别指出，否则这些附图用于结合说明书一起进行阅读(例如断面线、部件的构造、比例、角度等)，且应被看作是本发明的整个书面说明书的一部分。在以下描述中，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”、及其形容词性和副词性的派生词(例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等)仅指当特定的附图面向读者时，所示结构的取向。类似地，术语“向内地”和“向外地”通常指表面相对其延伸轴或旋转轴(视情况而言)的取向。 
现在参见附图，本发明提供对控制杆的某些改良。这种控制杆可以是操纵杆、侧杆、或者一些其它类型的用于远程控制物体的控制装置。在附图中，经改良的控制杆被描绘成用于飞机以控制飞机上的各种机翼表面的侧杆。然而，这只是示意性的，并不限制所附权利要求书的范围。 
在图1、2和5中大体示出了经改良的控制杆的一种机械连杆形式。 
现在参见图1和2，总体上用20指示的经改良的控制杆被示出安装在总体上用21指示的合适支撑件上。在飞机环境中，控制杆20通常将被安装在飞机驾驶舱中，用来控制远处的物体(诸如襟翼、方向舵和副翼等)的运动。 
图1和2所示的构造示意性地描绘了连杆(27)，其包括三平衡环机构。本文中的“平衡环”是这样一种装置：该装置具有两个环，其被安装成相互成直角以便物体可以在其中保持悬挂，而与安装有该物体的支撑件的运动无关。它是允许围绕两个相互垂直的轴线作复合枢转 运动的一大类接头和连接件中的一种特殊类型。这一大类中的其它接头和连接件包括万向接头，允许一个构件相对另一构件作全向枢转运动的球窝接头，和类似物。更具体地，该经改良的连杆大致包括第一或上平衡环22。上部构件23安装在第一平衡环上，第一平衡环安装在支撑件上并且用于关于相互垂直的轴线xu1～xu1和xu2～xu2的复合枢转运动。该上部构件具有设在第一平衡环上方的把柄24，并且具有设在第一平衡环下方的下部25。该连杆被示出还包括中间构件26和第二平衡环28，第二平衡环28连接中间构件的上边缘端部和上部构件的下边缘端部并且用于关于相互垂直的轴线xM1～xM1和xM2～xM2的复合枢转运动。该装置还被示出具有下部构件29。下部构件和中间构件之一可移动地安装在中间构件和下部构件中的另一个上。在示出的构造中，中间构件26的下边缘端部可滑动且可伸缩地容纳在下部构件29中，但是必要时该构造可以颠倒。下部构件29的下边缘端部通过第三平衡环30安装在支撑件上，其中第三平衡环用于关于相互垂直的轴线xL1～xL1和xL2～xL2的复合枢转运动。螺旋弹簧31被设置成作用于下部构件和中间构件之间。该弹簧始终受到压缩，且持续推动中间构件相对于下部构件向下运动。这样所产生的实际效果是从该三构件连杆中消除大致所有的后冲。 
在图1中示出的机械连杆相对于支撑件处于居中位置或零位上。在该位置上，所有三个构件23、26和29的纵轴都垂直对齐。在图2中，最上面的把柄被示出相对于支撑件向左倾斜，随着而来的是上部构件的下边缘端部的向右运动。还要注意的是：这种运动是通过中间构件和下部构件关于轴线xL2～xL2的枢转运动、中间构件相对于下部构件的轴向运动和弹簧31的附加压缩位移提供的。 
如上所述，虽然本发明被示出是以驾驶员和副驾驶员的侧杆的形式实现的，但是本领域技术人员将易于理解这种机构可以以操纵杆、或一些其它类型的用于控制物体的控制杆的形式来实现。物体本身可以是飞机的机翼表面，或者一些其它物体。 
图3是在把柄已离开零位时连杆的进一步简化示意图。虽然平衡 环机构允许关于两个相互垂直的轴线的复合枢转运动，但是在图3中示意性示出的实施例对各平衡环只描绘了关于一条这种轴线的运动。第一平衡环的上枢转点用xu2指示，第二平衡环的中间枢转点用xM2指示，下平衡环的枢转点用xL2指示，从而与上面的命名相一致。在处于零位时，中间枢转点xM2和下枢转点xL2之间的联接用参考数字26、29指示(这是中间构件和下部构件的有效组合长度)，而在处于所示的非零位置时用参考数字26’、29’指示。 
当把柄处于其零位时，连杆竖直对齐，这在图1中更清楚地示出。在图3中，上枢轴和中间枢轴31、32之间的距离用距离A指示，中间枢轴和下枢轴xM2、xL2之间的距离用距离B指示。当把柄从零位移至用24’指示的非零位置时，上部构件的下端将摆至用25’指示的位置，中间构件和下部构件将移至用26’、29’指示的替换位置。角度A表示移动的把柄偏离零位的夹角。角度B表示中间构件和下部构件26’、29’的轴线偏离零位的夹角。角度C是角度A和B之和。尺寸dx表示在中间构件和下部构件从零位移至非零位置时中间构件相对于下部构件的延伸，这通过弹簧31的进一步压缩来提供。关于角B和C、以及距离dx的方程如下： 
AngleB = tan - 1 [ sin ( AngleA ) × A B + ( A - cos ( AngleA ) × A ) ]
AngleC＝AngleA+AngleB 
dx = [ sin ( AngleA ) × A sin ( AngleB ) ] - B
现在参见图4，由驾驶员的手施加的作用力Fu通过把手的臂距GRP将关于上枢转点xu2形成上力矩Mu。在第二枢转点上施加的作用力将是距离a和b的函数。关于中间枢轴xM2的力矩是可计算的。类似地，在中间枢转点上施加的作用力也是可计算的。这些关系由以下方程来表示： 
F U = M U GRP
F L = M U × a GRP × b
MM＝-FM×(GRP+A)-FM×A 
MM＝-FU×[(GRP+A)+A] 
F M = M M ( GRP + 2 × A )
因此，在把柄移离零位的时候，中间构件和下部构件之间的运动范围是(a)第一和第二平衡环的轴线之间的距离与(b)第二和第三平衡环的轴线之间的距离的比值的函数。连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟线与连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间的偏角大致等于把柄处于其零位时上部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角和下部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角。 
图5是经改良的控制杆20的示意图，但是进一步示出了与之附连的各种弹簧、传感器和阻尼器。在图5中，连杆27再次被示出包括具有上把柄24和下臂25的上部构件23、中间构件26和下部构件29。中间构件的下边缘端部被描绘成可伸缩地容纳在下部构件29中。螺旋弹簧31持续推动中间构件相对于下部构件向下运动。在图5中，连杆被示出安装成仅在一个平面上运动，这是为了简化说明。上部构件23安装在支撑件21上以关于轴线xU2作枢转运动。中间构件的上边缘端部以可枢转的方式连接上部构件的下边缘端部以关于轴线xM2作枢转运动。最后，下部构件29以可枢转的方式安装在支撑件上以关于轴线xL2运动。应清楚地理解：该构造可包括三个平衡环，虽然这些平衡环的细节未完全示出。 
在图1中，上部构件23的运动由三冗余位置传感器(其分别用32指示)检测。这些位置传感器中的三个被设置在直径相对的位置上。在离开纸张的平面中，还在上部构件的任一侧上具有另外三个位置传感器。这些位置传感器的功能是检测和确定上部构件相对于支撑件的倾斜运动范围。由这些位置传感器中的三个来提供三重冗余。 
在该位置传感器内，存在分别用33指示的多个相对的复合扭簧。同样地，在图5中示出两个相对的扭簧，并且在离开纸张的平面中存在另外两个相对的弹簧。这些弹簧的功能是为把柄的倾斜运动提供一定的作用力-感觉阻力。这些复合扭簧的结构和操作在图7-9中更详细 地示出，并且在下面进行描述。 
用34、34指示的另外一些扭簧作用于上部构件和中间构件之间以提供一定的第二弹簧功能和软停。这种构造还可以包括用35指示的磁性制动器，其将必然要求驾驶员施加一定的作用力来使连杆移离零位。 
仍然参见图5，分别用36指示的相对的涡流阻尼器被设置成作用于支撑件和下部构件之间，以阻尼连杆的运动速率。同样地，实际上具有成对地相对设置的四个速率阻尼器。 
图6说明了在图5中示出的各种弹簧的单独功能，并且以图解的方式说明了归因于它们的叠加的净函数。基本弹簧函数被描绘成纵坐标(作用力)和横坐标(旋转度)之间的直线。第二弹簧34提供软停和差动(differential)，如图6指示的那样。柱簧31具有所示作用力-位移特性。标为“净功能”的曲线是通过将图6中示出的其它四条曲线叠加而获得的。图6说明了可以精心挑选所述各种弹簧以使它们的特性在被叠加时可以赋予所需要的任何净功能。 
现在参见图7-9，复合扭簧之一总体上用38指示。该弹簧被示出具有安装凸缘39，其适于被连接到合适结构(取决于它的应用)上。该弹簧还具有连接到凸缘上的第一管状部分(其用40指示)，其具有连接到凸缘上的第一端41并且从该第一端开始向右延伸至第二端42。该第一管状部分被示出具有用43指示的至少一个纵向开槽。在示出的形式中，第一管状部分具有多个这种开槽，并且这些开槽相对于第一管状部分沿圆周间隔开。 
该弹簧还可以在第一管状部分40内具有第二管状部分44。第二管状部分在第二端42上与第一管状部分物理连接，并且在第一管状部分内向左延伸至第三端45。第二管状部分44具有至少一个纵向延伸的开槽46。在示出的形式中存在多个这种开槽，并且这些开槽关于第二管状部分沿圆周彼此间隔开。这些开槽的目的是提供以下能力，即：当在相对的开槽壁彼此物理接触之前将扭力施加在处于第一端和第三端之间的弹簧上时，具有一种作用力-位移特性，而在这种开槽壁相互接触之后具有第二种作用力-位移特性。实际上，这两个管状部分是以 串联的方式机械连接的，虽然第二管状部分是被设在第一管状部分内的。拿这两个管状部分相比，开槽的相对的纵向延伸的壁之间的圆周间距可以相同，也可以不同，这要取决于所需要的特殊的作用力-位移特性。此外，经改良的弹簧的一个独特特征在于它不是单纯的扭簧。相反地，它可以用作扭簧，也可以在平面(诸如纸张平面)上弯曲。在图5中示出的各种扭簧可以选择性地被设计成提供所需要的特定的作用力-位移特性，以有助于装置的总体净功能。复合弹簧的另一独特特征在于：通过在外管上具有位置颠倒的内管，使弹簧轴向紧凑。这提供了很多优点，因为它使得能够将控制杆设在小型包装或壳体内，正如图10示出的那样。 
因此，本发明提供了经改良的控制杆、用于其中的经改良的连杆、和经改良的复合弹簧。 
改进
本发明预期可以进行多种改变和改进。例如，虽然一种形式利用了具有各种构件的三平衡环机械连杆，但是可以替换使用其它类型的连接件。实际上，该连接件可以简化成一种球窝接头、万向接头、或一些其它接头。实际上，虽然这些形式的主要优点在于这种接头和连接件允许把柄关于相互垂直的轴线作复合枢转运动，但是在替换构造中可以使用其它类型的连杆。在一些情况下，连杆可能受到这些联接的几何结构的影响。 
柱簧被认为在从连杆中消除大致所有后冲上特别有效。实际上，它持续偏压连杆以消除后冲感。然而，虽然希望具有这种柱簧，但它并不是绝对关键的。 
在图6中示出的不同类型的弹簧、传感器和阻尼器可以与连杆的不同部件相关联。虽然主弹簧33与上部构件相关联并且第二弹簧与中间构件相关联，但是这种构造并不是不可变化的，而是可以改变的。涡流阻尼器的位置也可以被改变。类似地，分离制动器35的位置也可以根据需要改变和改进。 
复合扭簧也被认为是独一无二的。该弹簧被认为是这样一种复合弹簧，其可操作地被设置成既抵抗关于其轴线x-x的扭转、又抵抗在特定平面上的弯曲，其中特定平面诸如(但不限于)是纸张平面。在其最简单的形式中，扭簧只具有一个管状部分，其中该管状部分设有至少一个、但优选多个沿圆周隔开的纵向延伸的开槽。这些开槽的功能是使弹簧将在第二端相对于第一端旋转时并且在开槽壁相互接触之前具有一种作用力-位移特性，而在开槽壁相互接触之后具有不同的第二作用力-位移特性。通过使开槽关于第一管状部分沿圆周间隔开，弹簧更为对称，并且在任何特定方向上都具有相似的抵抗弯曲的特性。该弹簧还可以在第一部分内具有颠倒的第二部分。本领域技术人员将易于认识到：在第二端上共同连接的第一和第二部分以串联的方式彼此机械连接。然而，相颠倒的内部或第二部分允许一种紧凑的构造，并且这被认为在壳体尺寸受限的情况下(诸如在飞机中)特别有用。 
因此，虽然已经示出并且描述了本发明的几种简化并且逐渐详细的实施例，并且已经讨论了它们的几种改进和改变，但是本领域技术人员将易于认识到可以进行各种另外的改变和改进，而不脱离由以下权利要求定义和区分的本发明的精神。 

Claims (48)

1.一种安装在支撑件上并且适于控制物体运动的控制杆，其包括：
支撑件；
连杆，其用于将把柄安装在所述支撑件上以绕着两个相互垂直的轴线选择性地作复合枢转运动，从而向所述控制杆提供输入，所述连杆包括：安装在所述支撑件上的第一平衡环；安装在所述第一平衡环上的上部构件，所述上部构件具有设置在所述第一平衡环上方的把柄和具有设置在所述第一平衡环下方的下部；中间构件；连接所述上部构件和中间构件的第二平衡环；以及下部构件，所述中间构件和下部构件之一以可移动的方式安装在所述中间构件和下部构件中的另一个上以在所述把柄相对于所述支撑件移动时允许所述中间构件和下部构件之间的相对运动；使所述下部构件与所述支撑件相连的第三平衡环；和弹性构件，其被设置成在所述中间构件和下部构件之间的相对运动方向上偏压；
从而所述把柄能够被抓紧和选择性地相对于所述支撑件移动以向所述连杆提供输入。
2.如权利要求1所述的控制杆，其特征在于，所述弹性构件被设置成施加大致从所述连杆中消除所有后冲的作用力。
3.如权利要求1所述的控制杆，其特征在于，所述弹性构件推动所述把柄以相对于所述支撑件朝向零位运动。
4.如权利要求1所述的控制杆，其还包括：
待移动的物体；和
至少一个转换器，其安装在所述支撑件上以感测所述连杆的一部分的位置并且产生与所感测到的位置成正比的电信号；以及
其中所述把柄适于相对于所述支撑件移动以使所述转换器提供用于使所述物体移动的指令信号。
5.如权利要求1所述的控制杆，其还包括在所述支撑件和所述连杆之间作用的多个弹簧。
6.如权利要求5所述的控制杆，其特征在于，各种弹簧具有不同的作用力-偏移特性。
7.如权利要求6所述的控制杆，其特征在于，所述各种弹簧中的至少一个是复合弹簧。
8.如权利要求1所述的控制杆，其特征在于，当所述把柄移动离开零位时，所述中间构件和下部构件之间的运动范围是在所述把柄处于其零位时(a)第一和第二平衡环的轴线之间的距离与(b)第二和第三平衡环的轴线之间的距离的比值的函数。
9.如权利要求1所述的控制杆，其特征在于，在(i)连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟线与(ii)连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间的偏角基本上等于(a)上部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角和(b)下部构件相对于连接第一和第三平衡环的轴线的虚拟线的偏角之和。
10.如权利要求1所述的控制杆，其还包括一磁性制动器，其作用于所述支撑件和所述连杆之间，因为要求在所述把柄上施加作用力来使所述把柄移动离开零位。
11.如权利要求1所述的控制杆，其还包括一阻尼器，其作用于所述支撑件和所述连杆之间以阻尼所述把柄的速度。
12.如权利要求11所述的控制杆，其特征在于，所述阻尼器是涡流阻尼器。
13.如权利要求1所述的控制杆，其还包括一马达，其作用于所述支撑件和连杆之间以使所述连杆作为供给所述马达的信号的函数而运动。
14.如权利要求13所述的控制杆，其特征在于，所述控制杆安装在具有电传控制系统的飞机上，其中所述控制杆安装在驾驶员位和副驾驶员位上，并且驾驶员和副驾驶员的控制杆交叉耦联以一同移动。
15.如权利要求14所述的控制杆，其特征在于，所述飞机具有自动驾驶仪，并且所述驾驶员和副驾驶员的控制杆响应于所述自动驾驶仪提供的信号而一同移动。
16.一种适于控制物体运动的控制杆，其包括：
支撑件；
以可枢转的方式安装在所述支撑件上的上部构件，所述上部构件具有设置在其与所述支撑件的枢转连接部下方的下部；
中间构件，其具有与所述上部构件的下部枢转连接的上部，并且具有下部；和
下部构件，其具有以可枢转的方式安装在所述支撑件上的下部，并且具有上部；
其中所述中间构件的下部以能够移动的方式安装在所述下部构件的上部上，使得所述上部构件的上部相对于所述支撑件的枢转运动将产生所述中间构件和下部构件相对于所述支撑件的枢转运动；和
弹性构件，其被设置成在所述中间构件和下部构件之间的相对运动方向上偏压。
17.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，(a)所述上部构件安装在所述支撑件上以绕着处于所述上部构件的长度中间的轴线作枢转运动，(b)所述上部构件具有设置在所述轴线上方并且被设置用作把柄的上部，以及(c)所述把柄能够被抓紧和选择性地操纵以向所述连杆提供输入。
18.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述上部构件安装成相对于所述支撑件绕着两个相互垂直的轴线作复合枢转运动。
19.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，由所述弹性构件施加的作用力推动所述上部构件以相对于所述支撑件朝向零位移动。
20.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述弹性构件被设置成施加基本上从所述连杆中消除所有后冲的作用力。
21.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，由所述弹性构件施加的作用力是可调的。
22.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，当所述上部构件移离零位时，所述中间构件和下部构件之间的运动范围是上部构件处于其零位时(a)所述上部构件和所述支撑件之间的枢转轴线与所述中间构件和所述支撑件之间的枢转轴线之间的距离与(b)所述中间构件和所述支撑件之间的枢转轴线与所述下部构件和所述支撑件之间的枢转轴线之间的距离的比值的函数。
23.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，(a)介于(i)连接第一和第二平衡环的轴线的虚拟线与(ii)连接第二和第三平衡环的轴线的虚拟线之间的偏角基本上等于(b)上部构件相对于连接上部构件和支撑件之间的枢转轴线与下部构件与支撑件之间的枢转轴线的虚拟线的偏角和(c)下部构件相对于连接上部构件和支撑件之间的枢转轴线与下部构件与支撑件之间的枢转轴线的虚拟线的偏角之和。
24.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述上部构件和所述支撑件通过万向接头连接。
25.如权利要求24所述的控制杆，其特征在于，所述万向接头是平衡环机构。
26.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述中间构件安装成相对于所述支撑件绕着两个垂直轴线作复合枢转运动。
27.如权利要求26所述的控制杆，其特征在于，所述上部构件和中间构件通过万向接头连接。
28.如权利要求27所述的控制杆，其特征在于，所述万向接头是平衡环机构。
29.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述下部构件安装成相对于所述支撑件绕着两个相互垂直的轴线作复合枢转运动。
30.如权利要求29所述的控制杆，其特征在于，所述下部构件和所述支撑件通过万向接头连接。
31.如权利要求30所述的控制杆，其特征在于，所述万向接头是平衡环机构。
32.如权利要求16所述的控制杆，其特征在于，所述中间构件的下部以可滑动的方式容纳于所述下部构件的上部中。
33.如权利要求17所述的控制杆，其特征在于，所述弹性构件参与提供所述把柄部分的作用力-感觉梯度。
34.如权利要求18所述的控制杆，其还包括至少一个第一位置传感器，其安装在所述支撑件上并且接合所述上部构件的下部，以提供作为所述上部构件的下部绕着所述轴线之一的位置的函数的第一输出信号。
35.如权利要求34所述的控制杆，其还包括至少一个第二位移传感器，其安装在所述支撑件上并且接合所述上部构件的下部，以提供作为所述上部构件的下部绕着所述轴线中的另一个的位置的函数的第二输出信号。
36.如权利要求18所述的控制杆，其还包括一第一上部弹簧，其作用于所述上部构件和支撑件之间，以影响使所述把柄绕着所述轴线之一运动所需要的作用力。
37.如权利要求36所述的控制杆，其特征在于，所述第一上部弹簧是复合弹簧。
38.如权利要求36所述的控制杆，其还包括一第二上部弹簧，其作用于所述上部构件和支撑件之间，以影响使所述把柄绕着所述轴线中的另一个运动所需要的作用力。
39.如权利要求38所述的控制杆，其特征在于，所述第二上部弹簧是复合弹簧。
40.如权利要求17所述的控制杆，其还包括一第一中间弹簧，其作用于所述中间构件和支撑件之间，以影响使所述把柄绕着所述轴线之一运动所需要的作用力。
41.如权利要求40所述的控制杆，其特征在于，所述第一中间弹簧是复合弹簧。
42.如权利要求17所述的控制杆，其还包括一第二中间弹簧，其作用于所述中间构件和支撑件之间，以影响使所述把柄绕着所述轴线中的另一个运动所需要的作用力。
43.如权利要求42所述的控制杆，其特征在于，所述第二中间弹簧是复合弹簧。
44.如权利要求40所述的控制杆，其特征在于，所述第一中间弹簧提供作用力-感觉梯度上的明显变化以警告操作人员在所述把柄位移上的变化。
45.如权利要求17所述的控制杆，其还包括用于在所述中间构件上施加小作用力的阻碍装置，其中所述小作用力是操作人员抓紧所述把柄使其脱离零位所要克服的力。
46.如权利要求45所述的控制杆，其特征在于，所述阻碍装置包括安装在所述支撑件和中间构件上的多个磁体。
47.如权利要求17所述的控制杆，其还包括一阻尼器，其作用于所述下部构件上以阻尼所述把柄的速度。
48.如权利要求47所述的控制杆，其特征在于，所述阻尼器是涡流阻尼器。
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