CN105425986B - 数据输入设备和相关的制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据输入设备，其包括旨在被固定到工作站上的主体、相对于该主体可旋转地运动的部分(13)、传送该可动部分(13)相对于该主体的相对位置的信息的一组传感器、以及用于对该可动部分(13)相对于该主体(12)的旋转运动进行制动的装置。根据本发明，该制动装置包括：包围该可动部分(13)的摩擦环(20)，该环(20)被分开并且主要在与该可动部分(13)的对称轴(15)成直角的平面(21)中延伸；环形弹簧(25)，其在该平面(21)中延伸并且将该摩擦环(20)径向压靠在该可动部分(13)上；以及用于调整该环形弹簧(25)的长度的装置。

Description

数据输入设备和相关的制动装置

技术领域

本发明涉及用于输入连续或伪连续数据的例如指向计算机系统屏幕上的对象的数据输入设备。

背景技术

已知的设备一般包括旨在固定在工作站上的主体和相对于主体可动的部分。传感器使得传送表示可动部分相对于主体的位置的信息成为可能。借助于系统计算机，该信息可与屏幕上的位置相关联。兴趣更具体地集中在具有相对于主体可旋转地移动的部分的数据输入设备上。

例如，编码器或电位器具有相对于主体绕轴线可旋转地移动的轴。传感器使得限定该轴相对于主体绕其旋转轴线的角位置成为可能。操作者借助固定到轴的按钮使该轴绕其轴线旋转。该轴的旋转使得操作者能够在一个范围内选择数据。该范围可以是连续的，并且例如借助模拟电位器做出选择。该范围可包括一系列离散的值，并且可借助编码器做出选择，轴的旋转使得根据编码器的间距(pitch)增加所述值成为可能。

其它数据输入设备例如轨迹球具有在两个旋转自由度上可动的部分。所述可动部分是球体。传感器根据所述两个自由度传送关于该球体的位置的信息。所述轨迹球可被用于指向屏幕表面上的对象。所述球体的两个旋转中的每个与屏幕表面上的平移相关联。换句话说，轨迹球可被用于指向计算机系统屏幕上的对象。操作者用手指移动球体以到达屏幕上期望的位置，从而指向在屏幕上显示的对象。

发明内容

本发明是特别用于属于安装在飞行器上的装置的数据输入设备。所述数据输入设备接着可被用于选择在系统屏幕上显示的飞行参数，该选择能够以借助编码器或电位器或者通过指向在屏幕上显示的对象而从一个系列中选择一个值的形式做出。

所述飞行器可能遭受湍流，所述湍流具有扰乱指向对象的风险。更具体地，所述湍流产生可导致可动部分的不受控制的运动的振动。即使没有确定的湍流，影响所述装置的轻微加速现象会妨碍机组人员以高于某一精度水平的任意水平来指向图形区域。

对于轨迹球，对这个问题的常规解决方案在于在屏幕上使可被选中的对象尺寸过大，以便顾及这个限制。因此，这减少了在给定显示表面积上可以显示的对象的数量。

通过创建合适的支承表面来稳定操作者的手也已经得到了尝试。在以号码EP1552376公开的专利申请中给出了例子，其中轨迹球的固定部分具有旨在接纳操作者手掌的人体工程学形状，因此它的名字叫“掌托”。尽管如此，这样的掌托并不能使得通过操作者的手指来完全稳定所述球体成为可能。

这两个解决方案经常与球体制动装置相关。这些装置使得在振动情况下限制所述球体的不受控制的运动成为可能。

制动器自然地被固定于轨迹球的固定部分，并且例如借助于与所述球体摩擦的制动件对球施加负载。在所述球体的位移中，所述制动件的压力生成了与所述球体的旋转相反的摩擦力矩。所述制动件借助于靠在固定部分上的弹簧保持对球的压靠。

假定所述球体可从上方接近操作者的手指，则已经实现了的一种解决方案在于在所述球体的对称面上方放置在球上摩擦的表面。摩擦表面通常由以塑料材料制成的薄膜制造。由摩擦表面沿着球体的竖直轴线施加的力由压在摩擦表面上的弹性体或弹簧系统产生。

这个布置引起许多问题。由于在所述球体的对称面上方的摩擦表面的存在而减少了可由操作者使用的表面积。

由制动器产生的摩擦力矩大大取决于球体的竖直轴线和摩擦表面的轴线之间的同轴对准的精度。所述球体通常置于形成传感器的枢轴上，所述传感器使得传送有关所述球体相对于固定部分的位置的信息成为可能。球体的轴线和制动器的轴线之间的间隔取决于涉及多个机械部分的尺寸链。同轴对准的精度要求精确的组装和机械加工。

所产生的摩擦力矩取决于由弹性设备施加的压力，所述压力又取决于球体的竖直位置。为了限制这种依赖性，有必要提供用于竖直地调整制动器的装置。这个解决方案是昂贵的，这是因为不得不对每个轨迹球单独设置调整装置。

所产生的力矩还随着球体直径的变化而很大地变化，尤其是在温度变化时。当被用于高温下，温度变化引起所述球体顶着制动设备升高，或者当被用于低温下，温度变化引起所述球体降低。

已发现在所述制动器的正常使用位置以外使用时，例如在运输期间翻转时，所述制动器尤其脆弱。

而且，当轨迹球被安装时设定摩擦力矩。为了修改这个设定必须拆卸制动器，这在航空领域是难以接受的。

传统的制动器呈现出干摩擦。换句话说，为了在运动中设置轨迹球的可动部分，非零启动力矩是必须的。启动力矩不得不尽可能的弱以允许屏幕上的精确指示。为了在运动中单独设置所述球并在振动环境中使用时移动屏幕上的光标，所述启动力矩不可以太弱。

此外，当可动部分在运动时，在所述可动部分启动后，为使操作者保持舒适，摩擦力矩不可以太高。对于操作者而言可接受的力矩的范围相对较低。

很多使用条件导致摩擦力矩改变，例如来自于操作者手指的油脂或沉积在球体上的灰尘、随组成轨迹球的机械部分的温度变化而变化的不均匀膨胀、制动设备的松弛、制动设备的磨损等等。

摩擦和启动力矩变化很大。它们的控制需要完全知晓每一个因素对这些力矩的退化的影响，以在传送轨迹球时找到最优力矩值，以顾及随时间产生的变化。

最后，每一个操作者感觉到这些力矩和它们的操作效果。一些操作者更喜欢较强的力矩以用来精细调整，而其他人相对于精细调整的代价更喜欢较弱的力矩以用来粗略但快速地调整。在不拆卸制动设备并重新调整的情况下操作者不能在操作中个性化制动力矩。

在当前的解决方案中，考虑所有这些限制以传送轨迹球，所述轨迹球设有落入小的公差内的精确的启动和摩擦力矩。在传送所述装备前通过连续的迭代做出这个调整。当操作者感觉力矩不再满足适当使用时，在操作中定期进行重复所述调整。

本发明旨在通过提出一种数据输入设备来缓解上文提出的问题的全部或一部分，所述数据输入设备具有制动器，该制动器对组成轨迹球的不同机械部分的尺寸变化更宽容并可由操作者在使用所述设备时容易地调整。

为此，本发明的主题是一种数据输入设备，所述设备包括旨在固定到工作站上的主体、相对于该主体可旋转地运动的部分、传送该可动部分相对于该主体的相对位置的信息的一组传感器、以及用于制动该可动部分相对于该主体的旋转运动的装置，其特征在于，该制动装置包括：包围该可动部分的摩擦环，该环被分开并主要在与可动部分的对称轴线成直角的平面中延伸；环形弹簧，其在该平面中延伸并且将所述摩擦环压靠在所述可动部分上；和用来调整环形弹簧长度的装置。

除了根据前述限制调整制动器之外，操作者还可以根据遇到的震动状况在操作中对制动器进行调整。在飞行器上，当发生湍流时，操作者可以收紧制动器以避免与所述设备相关的光标的不需要的位移。当湍流消失时，操作者可以放松制动器以提升由该设备施加的输入的精度。

附图说明

在阅读以示例的方式给出的实施例的详细描述时，本发明将更好地被理解，并且其他优点将变得明显，通过附图对该描述予以说明，其中：

图1显示了轨迹球的透视图；

图2显示了该轨迹球的前视图；

图3显示了该轨迹球的局部截面图；

图4显示了用于调整适于数据输入设备的制动器的装置；

图5显示了在该轨迹球中实施的图4的装置；

图6显示了在数据输入设备中实施的图4的装置，其中可动部分是仅可通过旋转来运动的轴。

为清楚起见，相同元件在不同附图中将具有相同的附图标记。

具体实施方式

本发明可以不同类型的数据输入设备实施，所述设备具有旨在相对于固定主体转动的可动部分。该可动部分可具有两个旋转自由度，例如在轨迹球中，或只有一个旋转自由度，例如在电位器或旋转编码器中。

图1显示了旨在由操作者的手驱动的轨迹球10的透视图。轨迹球10包括固定主体12和操作者可相对于固定主体12转动的球体13。球体13形成数据输入设备的可动部分。在呈现的示例中，固定主体12包括旨在固定到工作站上的板14，例如飞行器仪表板。轨迹球10包括传送有关球体13相对于固定主体12的相对位置的信息的一组传感器。

图2显示了轨迹球10的前视图。这个视图与板14成直角。其中安装有轨迹球10的工作站可由在轨迹球10附近的水平工作平面形成。板14因此也是水平的。球体13包括在板14上方的露出部分。这是所述球体上操作者利用他或她的手指操纵的部分。该组传感器位于固定主体12之中在板14之下。实施本发明的轨迹球10当然可被置于倾斜的工作平面上。球体13的对称轴线15被限定，轴线15与板14成直角。如果板14的平面是水平的，那么轴线15是竖直的。

该组传感器包括例如相对于球体13无摩擦滚动的两个辊子16和17，每一个辊子使得获知球体13绕平行于板14的平面的轴线的角位置成为可能。例如辊子16和17中的每一个固定于角编码器的转子上，所述角编码器传送球体13的相对位置信息。可使用其它类型的传感器，例如对球体13的运动敏感的光学传感器或磁性传感器。来自于该组传感器的信息被传送到计算机，所述计算机可属于轨迹球10或是与其分离。计算机被配置以解码从与辊子16和17相关的角编码器接收的信息。计算机将例如解码的信息发送给计算机系统核心，所述计算机系统包括屏幕，在屏幕上指针可以随着该信息的变化而移动。

当其中安装有轨迹球的环境可能受到振动时，后者(所述振动)可引起球体13的不受控制的运动。为了限制这种运动，轨迹球包括用于对球体13相对于主体12的旋转运动进行制动的装置。根据本发明，该制动装置包括围绕球体13的摩擦环20。环20对球体13的摩擦产生阻抗力矩，使得球体13本身能够减慢其旋转运动。

所述环主要在与轴线15成直角的平面21中延伸，也就是说平行于板14。环20在平面21中具有圆环形状。实际上，环20在与平面21成直角(的方向上)具有特定厚度。环20的厚度显著地小于在平面21中的环20的直径。在它的整个直径上，环20包含平面21。

球体13被置于辊子16和17上。为了放松链接球体13和制动装置的尺寸链，环20在平面21中相对于主体12自由平动。换句话说，环20在平面21中具有两个平动自由度。这两个自由度与环20对球体13的表面的摩擦相结合使得环20在球体13上能够将其直径自动地置中，并且更具体地在它的轴线15上置中。

有利地，环20在其中延伸的平面21是球体13的对称平面。换句话说，平面21通过球体13的大直径切穿该球体。环20在球体13的直径上摩擦。在球体13的对称平面的水平上具有平面21的事实使得能够在确保球体13保持在轨迹球的固定部分12中的同时最大化球体13的露出部分的表面积。

可替换地，平面21可以以这样一种方式布置，即球体13的露出部分较小，这是为了在轨迹球10所安装的工作站中进行安装。也有可能增加超出球体13的对称平面的球体13的露出部分的表面积。

环20被分开。换句话说，环20形成开口圆环。裂缝22使得能够产生这个开口并可在图1和2两个附图中看到。裂缝22给予环一定弹性以允许其适应球体13的直径偏差。这些偏差是例如由于球体13的制造公差或者甚至在它的使用期间球体13的热膨胀所致。环20的适应性也允许它补偿它的摩擦表面的磨损，所述磨损贯穿轨迹球10的使用必然发生。裂缝22可与平面21成直角或如在附图中所呈现地倾斜。

环20的材料的两个特性被用于允许它完成它的球体13制动功能。一方面，以它的尺寸和杨氏模量为特征的环20的弹性允许它在球体13上确保夹紧力。另一方面，环20/球体13的摩擦系数允许它量化与所述夹紧力相关的摩擦力矩。

通过增加额外的弹性元件来使这个两个特性分离是可能的，所述额外的弹性元件使得能够确保环20紧贴球体13的夹紧。为此，制动装置有利地包括在平面21中延伸并将环20径向压靠在球体13上的环形弹簧25。环20的径向压缩使得能够简化压缩力的产生。弹簧25被布置于环20的平面21中并因此使得能够清空轨迹球10中位于平面21下面的空间。弹簧25可被布置于制造在环20中的槽26中。

环20例如是由聚四氟乙烯(PTFE)制成。这种材料具有过低的杨氏模量以致不能确保所述环在球体13上的足够的力。为此，在所述球体上的环20的夹紧借助例如由弹簧钢丝制成的弹簧获得。而且，聚四氟乙烯具有相对低的摩擦系数。这提供了减小当操作者开始运动所述球体时发生的对干摩擦和启动的感觉的优点。

图3显示了在环20和主体12之间的连接的局部横截面图。为了确保环20相对于主体12在平面21中的平动自由度，主体12包括在平面21中延伸的槽30。类似于环20，所述槽是环形的并且以轴线15为中心。环20的外直径小于槽30的内直径。

在围绕轴线15的径向平面中，所述槽具有恒定截面，所述恒定截面主要具有两个侧面31、32和一个底部33。侧面31和32基本上平行于平面21。底部33基本上与平面21成直角。环20在两个侧面31和32之间以平移被引导。在环20和底部33之间设有额外的间隙35。功能化的间隙35允许环20相对于主体12的平动自由度。间隙35的值被选择成随着球体13相对于主体12的位置公差而变化。间隙35的值等于环20的外直径和槽30的内直径之间的偏差。功能化的间隙35也使得能够顾及在温度变化时球体13的尺寸变化。

实际上，为了将环20插入主体12中，板14可由在安装环20之后相互固定的两个半板构成。槽30在所述两个半板中延伸。在图1和2中，只示出了一个半板。通过两个阶段完成环20和两个半板的组装。首先，通过其方向由平面21提供的平移运动将环插入两个半板的第一个中。然后仍然通过同样的平移运动将第二半板插入以围绕环20关闭槽30。

环20包括旨在摩擦球体13以减慢它的旋转运动的摩擦表面40。功能化的间隙35使得能够占有在平面21中的平移中球体13的位置偏差。提供用于占有与平面21成直角的球体13的位置偏差的装置是同样有利的。为此，摩擦表面40具有与平面21成直角延伸的圆柱形状。换句话说，摩擦表面40形成轴线15的圆柱体的一部分。沿轴线15测量的所述圆柱体的高度H被限定为平面21的高度变量的函数，在球体13的对称平面具有球体13的大直径的情况下。更普通地，圆柱表面40被配置以允许球体13与平面21成直角的平移。

可替换地，摩擦表面40可具有带有小孔径角的锥形形状。孔径角以这样的方式定向以致产生球体13向辊子16和17的负载，从而将球体13压靠在所述辊子上。

在图3中，已在离球体13微小的距离处表示了摩擦表面40。在操作中，明显地摩擦表面40在弹簧25的弹力作用下被压靠在所述球体上。这个压力产生用于球体13的制动的摩擦力矩。

球体13很可能与两个辊子16和17分开，例如在操作中的显著振动的影响下或者在轨迹球10在被安装到它的工作平面中之前的运输期间。这个分开可导致球体13从它的壳体中抽出。为了限制这个风险，提供限制球体13与平面21成直角的平移的装置是有利的。换句话说，轨迹球10可包括支座，球体13可紧靠所述支座以防止球体13能与主体12完全分开。这个紧靠作用有利地由环20自己产生，其接着具有适于限制球体13与平面21成直角的平移的支座45。

为了防止球体13堵在环20中，支座45有利地是球面的一部分，其补足球体13的球面并且在没有斜率中断的状态下位于摩擦表面40的延伸部中。更具体地，摩擦表面40具有与球体13相同直径的圆柱形状。球面的部分的较大直径同样是球体13的直径。支座45稍稍关闭平面21上方的环20的开口。

有利地，所述数据输入设备包括用于调整它的制动器的装置。所述调整装置可结合在平面21中的环20的平动自由度实施。这个结合不是强制的。可替换地，用于调整制动器的装置已为不具有上述平动自由度的制动器提供了优点。

图4表示用于调整环20施加在球体13上的阻抗力矩的装置。为了避免附图超载，球体13和主体12已被遮蔽。用于调整所述制动器的装置主要包括线50，其使得能够设置弹簧25的拉力，并且因此设置被限定为弹簧25沿其延伸的曲线的长度的弹簧25的长度。弹簧25包括两个末端51和52。末端51被固定到环20而末端52固定到线50。线50比弹簧25硬得多。线50的长度变化使得能够调整弹簧25的拉力。这个拉力变化由环20包含并且被转化为环20施加在球体13上的力矩的变化。

可替换地，省掉线50是可能的。为了调整弹簧25的拉力，可以直接调整它的长度。为此，所述弹簧是由例如在它的末端51固定到环20并且在它的末端52固定到滚筒上的弹性带形成。所述滚筒的旋转直接作用在弹簧25的拉力上。

在所示示例中，环形弹簧25不在轴线15的整转上延伸。例如弹簧25在45°量级的角度段上延伸。可替换地，弹簧25可绕轴线15旋转多于一周。然而当调整弹簧25的拉力时，为了限制弹簧25对环20的摩擦，更喜欢其中弹簧在减小的角度段上延伸的变形。不被弹簧25覆盖的角度段由线50占据。

线50包括两个末端53和54。末端53固定于弹簧25的末端52而末端54固定于环20。所述线的长度调整使得能够调整弹簧25的拉力。

为了帮助操作者操作调整装置，调整装置包括指状物55，其相对于环20可旋转地运动，例如绕与平面21基本成直角的轴线56旋转。线50在第二末端54绕指状物55缠绕。更具体地，环20具有枢轴连接57，其在图4中被部分切掉。指状物55可绕轴线56在枢轴连接57中转动。线50的末端54可固定于指状物55。指状物55的旋转允许线50绕指状物55的外表面缠绕。围绕指状物55解绕或缠绕线50分别使得能够延长或缩短线50，从而改变线50的长度。

可实施其它装置以将所述线的末端54固定到指状物55。线50可由数股形成，如图4所示。线50的末端54可由连接两股的线圈形成。指状物55在与它的旋转轴线56成直角处被穿孔。所述线圈穿过指状物55的穿孔。指状物55的旋转驱动在指状物55的外表面上的形成所述线圈的所述股，使得能够缩短线50以增加弹簧25的拉力。

指状物55有利地包括旨在由操作者操纵的头部60。为了帮助它的操纵，头部60包括例如插槽，硬币或例如螺丝刀的工具可插入其中。也可能借助适当形状的所述头部而省掉任何外部的物体(工具或硬币)，例如在所述头部的圆柱表面即沿着轴线56延伸的表面上产生的滚花。于是操作者可在他或她的手指之间操作所述滚花。

有利地，指状物55可呈围绕它的轴线56的若干稳定的角度位置。这些不同的稳定位置允许弹簧25的拉力具有若干不同的值。这些不同角度位置可由指状物55在它的枢轴连接57中的旋转中的粘附力获得。为了获得这个粘附力，可在枢轴连接57中提供柔性密封。这个柔性密封具有比改变线50长度所需的力矩大的启动力矩。所述启动力矩被确定为随着操作者利用工具或者他或她的手指能施加在头部60上的力矩而变化。

可替换地，在所示实施例中，由切口设备预定并获得指状物55绕其旋转轴线56的稳定位置。更具体地，指状物55可包括围绕轴线56有角度地布置的切口62。被弹簧64挤压的球63可被插入切口62之间。弹簧64可被规准以设置使球63从一个切口转到下一个切口而必须向指状物55施加的力矩。

有利地，调整装置包括用于预拉紧线50的装置。这些装置使得能够确保线的最小拉力，从而确保弹簧25的最小拉力。换句话说，用于调整弹簧25的拉力的装置可被用于操作中以允许在一个范围内调整拉力，这个范围的下限由所述预拉紧装置限定。预拉紧装置可在所述数据输入设备的制造中使用。所述预拉紧装置可连接到指状物55。更具体地，通过将线50的第二末端固定到指状物55上完成预拉紧。

有利地，为了帮助指状物55以及它的枢轴连接57的设计，所述预拉紧装置独立于指状物55。如图4所示，当线50包括数股时，线夹67可远离指状物55实施。线夹67使得能够拉紧形成线50的股。

图5再一次示出了轨迹球10。借助于图4描述的用于调整弹簧25的拉力的装置再一次出现。

图6示出了借助于图4描述的用于调整弹簧25的拉力并在数据输入设备中实施的装置，所述数据输入设备的可动部分是仅可通过绕轴线15旋转而运动的轴70。轴70包括圆柱表面71，环20在圆柱表面71上摩擦。圆柱表面71沿轴线15延伸。这个数据输入装置使得能够输入随着轴70绕轴线15的角位置而变化的数据。所述角位置例如借助电位器或光学编码器被转换成电信息。

Claims (12)

1.一种数据输入设备，包括旨在被固定到工作站上的主体(12)、相对于该主体(12)可旋转地运动的可动部分、传送有关该可动部分相对于该主体(12)的相对位置的信息的一组传感器(16、17)、以及用于制动该可动部分相对于该主体(12)的旋转运动的制动装置，其特征在于，该制动装置包括：包围该可动部分的摩擦环(20)，该摩擦环(20)被分开并且主要在与该可动部分的对称轴线(15)成直角的平面(21)中延伸；环形弹簧(25)，其在该平面(21)中延伸并且将该摩擦环(20)径向压靠在该可动部分上；以及用于调整该环形弹簧(25)的长度的调整装置。

2.根据权利要求1所述的数据输入设备，其特征在于，该环形弹簧(25)包括两个末端(51、52)，该两个末端中的第一末端(51)被固定到该摩擦环(20)，其中该调整装置包括长度可调整的线(50)，该线(50)包括两个末端(53、54)，其中第一末端(53)固定到该环形弹簧(25)的两个末端中的第二末端(52)，以及其中该线(50)的两个末端中的第二末端(54)固定到该摩擦环(20)。

3.根据权利要求2所述的数据输入设备，其特征在于，该调整装置包括相对于该摩擦环(20)可旋转地运动的指状物(55)，以及在于该线(50)在它的第二末端(54)绕该指状物(55)缠绕。

4.根据权利要求3所述的数据输入设备，其特征在于，该指状物(55)的旋转绕与该平面(21)实质上成直角的轴线(56)进行。

5.根据权利要求3所述的数据输入设备，其特征在于，该指状物(55)的旋转绕轴线(56)进行，以及在于该指状物(55)能具有绕它的轴线(56)的预定的数个稳定的角度位置(62、63、64)。

6.根据权利要求4所述的数据输入设备，其特征在于，该指状物(55)的旋转绕轴线(56)进行，以及在于该指状物(55)能具有绕它的轴线(56)的预定的数个稳定的角度位置(62、63、64)。

7.根据权利要求2所述的数据输入设备，其特征在于，该调整装置包括用于预拉紧该线(50)的预拉紧装置(67)。

8.根据权利要求3-6中任一项所述的数据输入设备，其特征在于，该调整装置包括用于预拉紧该线(50)的预拉紧装置(67)。

9.根据权利要求8所述的数据输入设备，其特征在于，该预拉紧装置(67)独立于该指状物(55)。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的数据输入设备，其特征在于，该摩擦环(20)在该摩擦环(20)延伸于其中的该平面(21)中相对于该主体(12)能自由平移。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的数据输入设备，其特征在于，所述数据输入设备形成轨迹球(10)，并且在于该可动部分是球体。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的数据输入设备，其特征在于，该可动部分是仅仅通过绕轴线(15)旋转而可运动的轴(70)，并且在于该轴(70)包括圆柱表面(71)，所述圆柱表面沿该轴线(15)延伸并且该摩擦环(20)在所述圆柱表面上摩擦。

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