CN107255157B - 具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，包括X/Y交叉双自由度十字轴、位置识别锁定结构、X/Y双轴转角信号检测结构、命令编码以及马达控制系统和X轴双向柔性止动干预传动机构，本发明实现了电信号控制，可靠性高，能够实时对外部被控设备输出任意编码的命令信号；实时接收外部被控设备的反馈信号，具有完全模拟机械连接的柔性止动和回中位功能；操纵简单轻便，手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉，大幅度降低操作者的工作强度，体积小巧，安装工艺简化。

Description

具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄
技术领域
本发明涉及一种机械、电子信息、嵌入式计算机技术相结合的操纵装置，尤其涉及一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄。
背景技术
变速箱机械设备的换挡操作由最初的纯机械连接操纵，到气动、液压等辅助驱动操纵，发展到今天的线控操纵，操纵手柄到被控设备之间没有机械连接，完全靠电信号实现联接。但线控操纵存在如下问题：不能够准确把操作者的各种动作转化成有效的命令编码；不能够准确把外部被控设备的状态反馈给操作者，使操作者获得力和位移变化的感觉，有效地避免误操作。操纵手柄体积大、智能化程度低。目前，商业化的手柄，因为使用液压或气动模式，缩小体积受到限制，而且安装工艺复杂。同时，由许多精密流体元件组成，对流体环境要求较高，故障率管控难，有磨损件必然有寿命和维护问题，对使用者造成困扰。
发明内容
本发明提供一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，实现电信号控制，可靠性高，能够实时对外部被控设备输出任意编码的命令信号；实时接收外部被控设备的反馈信号，具有完全模拟机械连接的柔性止动和回中位功能；操纵简单轻便，手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉，大幅度降低操作者的工作强度，体积小巧，安装工艺简化。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，包括X/Y交叉双自由度十字轴、位置识别锁定结构、X/Y双轴转角信号检测结构、命令编码以及马达控制系统和X轴双向柔性止动干预传动机构，
所述X/Y交叉双自由度十字轴包括X轴和Y轴，所述X轴和所述Y轴连接有操纵杆，所述操纵杆的轴线、所述X轴的轴线和所述Y轴的轴线相交于一点且作为操纵杆的左右、前后摆动中心点；
所述位置识别锁定结构分别与所述X轴和所述Y轴对应连接，用于操纵杆绕所述X轴前后摆动的位置识别定位、绕Y轴左右摆动的位置识别定位自动回中位；
所述X/Y双轴转角信号检测结构包括安装在所述X轴和Y轴上的转角传感器；
所述命令编码以及马达控制系统包括微控制器，所述微控制器与所述转角传感器的信号输出端连接，所述微控制器的输出端控制连接马达；
所述X轴双向柔性止动干预传动机构包括与所述马达传动连接的拉板，所述拉板对应连接所述X轴。
作为优选的技术方案，所述X/Y交叉双自由度十字轴还包括上定位板，所述上定位板上嵌套安装所述X轴，所述X轴嵌套安装所述Y轴。
作为优选的技术方案，所述操纵杆的上部连接有操纵手柄球，所述操纵杆的下部穿过所述上定位板连接有光滑钢球，所述光滑钢球的下方配合连接有球面导向槽。
作为优选的技术方案，所述操纵手柄球上设有辅助信号切换按钮，所述辅助信号切换按钮的信号输出端连接至所述微控制器。
作为优选的技术方案，所述位置识别锁定结构包括设置在所述X轴端部两侧的X碰珠座，所述X碰珠座上开设有X位置识别定位槽，所述X轴的端部两侧对称设有X压簧，两所述X压簧的外端部分别设有X碰珠，所述X碰珠对应顶靠在X位置识别定位槽内；
所述位置识别锁定结构还包括设置在所述Y轴端部两侧的Y碰珠座，所述 Y碰珠座上开设有Y位置识别定位槽，所述Y轴的端部两侧对称设有Y压簧，两所述Y压簧的外端部分别设有Y碰珠，所述Y碰珠对应顶靠在Y位置识别定位槽内，所述Y轴上还设有回位叉形弹簧。
作为优选的技术方案，所述马达的输出轴连接有减速器，所述减速器连接有超越离合器，所述超越离合器的输出轴齿轮连接有干预驱动齿轮。
作为优选的技术方案，所述拉板包括T型设置的竖向拉杆和横向拉杆，所述竖向拉杆的下部设有与所述干预驱动齿轮连接的齿条，所述X轴的端部连接有X法兰，所述X法兰的两侧设有销柱，所述销柱分别与横向拉杆的两端连接。
作为优选的技术方案，所述竖向拉杆上设有拉力限制器。
作为优选的技术方案，所述微控制器为嵌入式电脑或ECU。
由于采用了上述技术方案，与外部被控设备无任何机械连接，完全靠电信号实现联接。微控制器采用高速单片机和符合国内外主流技术标准的现场总线技术、高分辨率的转角检测技术，可实现对外部设备命令的任意编码，能够给外部设备控制带来多重冗余保护，位置识别锁定结构可以实现模拟纯机械连接的手感。转角传感器用于X轴和Y轴的状态检测，微控制器完成信号检测及状态检测的判断，并控制马达传动拉紧或释放拉板，实现马达输出对X轴的多点柔性止动阻力。从外部观察手柄非常简单，没有磨损件，大大延长了使用寿命。本发明实现了电信号控制，可靠性高，能够实时对外部被控设备输出任意编码的命令信号；实时接收外部被控设备的反馈信号，具有完全模拟机械连接的柔性止动和回中位功能；操纵简单轻便，手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉，大幅度降低操作者的工作强度，体积小巧，安装工艺简化。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的测控原理图；
图3.1和图3.2是本发明实施例的Y轴动作原理图,图中示出了Y位置识别定位槽的数量一侧为一个，另一侧为两个；
图4.1和图4.2是本发明实施例的X轴动作原理图，图中示出了X位置识别定位槽为对称设置5个V形槽；
图5是本发明实施例的Y轴动作原理图,图中示出了Y位置识别定位槽的数量两侧均为一个；
图6是本发明实施例的X轴动作原理图，图中示出了X位置识别定位槽为对称设置3个V形槽；
图7.1至图7.26是本发明实施例的手柄球的典型运动轨迹图。
图中：11-X轴；12-Y轴；13-操纵杆；14-上定位板；15-操纵手柄球；16- 光滑钢球；17-球面导向槽；18-辅助信号切换按钮；21-X碰珠座；22-X位置识别定位槽；23-X压簧；24-X碰珠；25-Y碰珠座；26-Y位置识别定位槽；27-Y 压簧；28-回位叉形弹簧；29-Y碰珠；31-转角传感器；41-微控制器；42-马达； 43-减速器；44-超越离合器；45-干预驱动齿轮；5-拉板；51-竖向拉杆；52- 横向拉杆；53-齿条；54-销柱；55-拉力限制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2、图3.1、图3.2、图4.1和图4.2所示，图中示出了16档位的结构原理及X轴11、Y轴12的动作原理图，一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，包括X/Y交叉双自由度十字轴、位置识别锁定结构、X/Y双轴转角信号检测结构、命令编码以及马达控制系统和X轴双向柔性止动干预传动机构，
X/Y交叉双自由度十字轴包括X轴11和Y轴12，X轴11和Y轴12连接有操纵杆13，操纵杆13的轴线、X轴11的轴线和Y轴12的轴线相交于一点且作为操纵杆13的左右、前后摆动中心点；
位置识别锁定结构分别与X轴11和Y轴12对应连接，用于操纵杆13绕X 轴11前后摆动的位置识别定位、绕Y轴12左右摆动的位置识别定位自动回中位；
X/Y双轴转角信号检测结构包括安装在X轴11和Y轴12上的转角传感器 31；转角传感器31实时检测X轴11和Y轴12的状态，并将信号反馈到微控制器41，转角传感器31采用非接触式高精度霍尔传感器，测量X轴11和Y 轴12的相对旋转角度和旋转速度，采用相对测量X轴11和Y轴12转角的方法，即X轴11或Y轴12角度绝对数值不固定，只需测得各个位置角度的差值即可；
命令编码以及马达42控制系统包括微控制器41，微控制器41与转角传感器31的信号输出端连接，微控制器41的输出端控制连接马达42；
X轴双向柔性止动干预传动机构包括与马达42传动连接的拉板5，拉板5 对应连接X轴11。操纵操纵杆13在X轴11方向双向转动超过设定角度，且外部被控设备未执行到位时，控制马达42拉紧拉板5，避免档位的误操作；当外部被控设备执行到位时，控制马达42释放拉板5。以保证挂到相应档位：在位置识别锁定结构的共同作用下，实时控制旋转马达42对X轴11双向旋转做柔性止动干预。
X/Y交叉双自由度十字轴还包括上定位板14，上定位板14上嵌套安装X 轴11，X轴11嵌套安装Y轴12，操纵杆13可以绕X轴11和Y轴12做2个自由度的摆动。操纵杆13的上部连接有操纵手柄球15，操纵杆13的下部穿过上定位板14连接有光滑钢球16，光滑钢球16的下方配合连接有球面导向槽17。如图7.1至图7.8所示，为16档位手柄球的典型运动轨迹，操纵杆13绕X轴 11前后摆动、绕Y轴12左右摆动时，得到有效运动轨迹。可以根据不同的设备操纵控制要求，设置灵活多样的手柄球运动轨迹。球面导向槽17与档位手柄球的运动轨迹相对应。
操纵手柄球15上设有辅助信号切换按钮18，辅助信号切换按钮18的信号输出端连接至微控制器41。辅助信号切换按钮18能够产生2个信号状态，与 Y轴12转角信号组合，生成2组不同的数据信号，操控外部设备实现多种姿态。
16档位实际有16+2R档，当操纵杆13绕X轴11前后推拉时，前后各有2 个档位，通过软件的智能判断，从中位推拉，首先执行RL，1L或2L，3L或4L,5L 或6L,7L或8L；再推拉时，才执行RH，1H或2H,3H或4H,5H或6H,7H或8H。操作非常简单,不需要其它附加动作。另外，也可以通过按动辅助信号切换按钮18来实现RL，1L，2L，3L，4L，5L，6L,7L,8L,RL档与RH，1H，2H，3H， 4H，5H，6H,7H,8H档之间的切换。
位置识别锁定结构包括设置在X轴11端部两侧的X碰珠座21，X碰珠座 21上开设有X位置识别定位槽22，X轴11的端部两侧对称设有X压簧23，两 X压簧23的外端部分别设有X碰珠24，X碰珠24对应顶靠在X位置识别定位槽22内；
16档位的X位置识别定位槽22可以为对称设置5个V形槽，操纵杆13 绕X轴11摆动时，X轴11对应带动X压簧23，X压簧23可以套设在与X轴 11连接的轴上，实现联动，X碰珠24在对应V形槽内卡住，实现位置识别和锁定，而且手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉。
位置识别锁定结构还包括设置在Y轴12端部两侧的Y碰珠座25，Y碰珠座25上开设有Y位置识别定位槽26，Y轴12的端部两侧对称设有Y压簧27，两Y压簧的外端部分别设有Y碰珠29，Y碰珠29对应顶靠在Y位置识别定位槽26内，Y轴12上还设有回位叉形弹簧28。
16档位的Y位置识别定位槽26的数量可以是一侧为一个，另一侧为两个的形式，在回位叉形弹簧28共同作用下，实现操纵杆13绕Y轴12摆动时，左右自然回中位，还能够实现不同位置的识别定位。Y轴12对应带动Y压簧， Y压簧可以套设在与X轴11连接的轴上，实现联动。
马达42的输出轴连接有减速器43，减速器43连接有超越离合器44，超越离合器44的输出轴齿轮连接有干预驱动齿轮45。
拉板5包括T型设置的竖向拉杆51和横向拉杆52，竖向拉杆51的下部设有与干预驱动齿轮45连接的齿条53，X轴11的端部连接有X法兰，X法兰的两侧设有销柱54，销柱54分别与横向拉杆52的两端连接。通过马达42的驱动，无论X轴11正转还是逆转，拉板5都可以起到柔性止动或快速释放作用，可以实现马达42输出多点柔性止动阻力和快速释放。
竖向拉杆51上设有拉力限制器55，可以限制操作者操纵时反作用于马达 42的最大力矩。
微控制器41为嵌入式电脑或ECU。嵌入式电脑由高速单片机、外部通讯接口芯片、马达驱动接口组成。转角传感器31检测到的转角信号输入嵌入式电脑或ECU，经过计算，对外部设备输出需要的命令信号，控制外部设备动作。同时，外部设备是否完成相应动作的信号反馈到嵌入式电脑或ECU，嵌入式电脑或ECU根据反馈信号的形式，对马达42实时控制，马达42经过减速器43 输出扭矩，减速器43输出轴与超越离合器44输入端连接，超越离合器44输出端的齿轮与齿条53啮合传到，齿条53拉紧或释放拉板5，实现外部设备的电信号控制。
与外部被控设备无任何机械连接，完全靠电信号实现联接。微控制器41 采用高速单片机和符合国内外主流技术标准的现场总线技术、高分辨率的转角检测技术，可实现对外部设备命令的任意编码，能够给外部设备控制带来多重冗余保护，位置识别锁定结构可以实现模拟纯机械连接的手感。转角传感器31 用于X轴11和Y轴12的状态检测，微控制器41完成信号检测及状态检测的判断，并控制马达42传动拉紧或释放拉板5，实现马达42输出对X轴11的多点柔性止动阻力。从外部观察手柄非常简单，没有磨损件，大大延长了使用寿命。本发明实现了电信号控制，可靠性高，能够实时对外部被控设备输出任意编码的命令信号；实时接收外部被控设备的反馈信号，具有完全模拟机械连接的柔性止动和回中位功能；操纵简单轻便，手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉，大幅度降低操作者的工作强度，体积小巧，安装工艺简化。
如图5和图6所示，图中示出了12档位的X轴11、Y轴12的动作原理图，如图7.9至图7.16所示，为12档位手柄球的典型运动轨迹，操纵杆13绕X 轴11前后摆动、绕Y轴12左右摆动时，得到有效运动轨迹。可以根据不同的设备操纵控制要求，设置灵活多样的手柄球运动轨迹。
12档位实际有12+2R档，当操纵杆13绕Y轴12摆到左边停顿超过规定时间，系统设置为RL，1，2，3，4，5，6档；当操纵杆13绕Y轴12摆到右边停顿超过规定时间，系统设置为RH，7，8，9，10，11，12档；操作非常简单, 不需要其它附加动作。另外也可以通过按动辅助信号切换按钮18来实现RL，1， 2，3，4，5，6档与RH，7，8，9，10，11，12档之间的切换。
12档位的X位置识别定位槽22可以为对称设置3个V形槽，操纵杆13 绕X轴11摆动时，X轴11对应带动X压簧23，X压簧23可以套设在与X轴 11连接的轴上，实现联动，X碰珠24在对应V形槽内卡住，实现位置识别和锁定，而且手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉。
12档位的Y位置识别定位槽26的数量可以是两侧均为1个的形式，在回位叉形弹簧28共同作用下，实现操纵杆13绕Y轴12摆动时，左右自然回中位。Y轴12对应带动Y压簧，Y压簧可以套设在与X轴11连接的轴上，实现联动。
如图3.2和图6所示，图中示出了9档位的X轴11、Y轴12的动作原理图，如图7.17至图7.24所示，为9档位手柄球的典型运动轨迹，操纵杆13 绕X轴11前后摆动、绕Y轴12左右摆动时，得到有效运动轨迹。可以根据不同的设备操纵控制要求，设置灵活多样的手柄球运动轨迹。
9档位的X位置识别定位槽22可以为对称设置3个V形槽，操纵杆13绕 X轴11摆动时，X轴11对应带动X压簧23，X压簧23可以套设在与X轴11 连接的轴上，实现联动，X碰珠24在对应V形槽内卡住，实现位置识别和锁定，而且手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉。
9档位的Y位置识别定位槽26的数量可以是一侧为1个、另一侧为2个的形式，在回位叉形弹簧28共同作用下，实现操纵杆13绕Y轴12摆动时，左右自然回中位，还能够实现不同位置的识别定位。Y轴12对应带动Y压簧，Y 压簧可以套设在与X轴11连接的轴上，实现联动。
如图5和图6所示，图中示出了6档位的X轴11、Y轴12的动作原理图，如图7.25所示，为6档位手柄球的典型运动轨迹，操纵杆13绕X轴11前后摆动、绕Y轴12左右摆动时，得到有效运动轨迹。可以根据不同的设备操纵控制要求，设置灵活多样的手柄球运动轨迹。
6档位的X位置识别定位槽22可以为对称设置3个V形槽，操纵杆13绕 X轴11摆动时，X轴11对应带动X压簧23，X压簧23可以套设在与X轴11 连接的轴上，实现联动，X碰珠24在对应V形槽内卡住，实现位置识别和锁定，而且手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉。
6档位的Y位置识别定位槽26的数量可以是两侧均为1个的形式，在回位叉形弹簧28共同作用下，实现操纵杆13绕Y轴12摆动时，左右自然回中位。 Y轴12对应带动Y压簧，Y压簧可以套设在与X轴11连接的轴上，实现联动。
如图5和图6所示，图中示出了5档位的X轴11、Y轴12的动作原理图，如图7.26所示，为5档位手柄球的典型运动轨迹，操纵杆13绕X轴11前后摆动、绕Y轴12左右摆动时，得到有效运动轨迹。可以根据不同的设备操纵控制要求，设置灵活多样的手柄球运动轨迹。
5档位的X位置识别定位槽22可以为对称设置3个V形槽，操纵杆13绕 X轴11摆动时，X轴11对应带动X压簧23，X压簧23可以套设在与X轴11 连接的轴上，实现联动，X碰珠24在对应V形槽内卡住，实现位置识别和锁定，而且手感清晰，操作者能够获得力和位移变化的感觉。
5档位的Y位置识别定位槽26的数量可以是两侧均为1个的形式，在回位叉形弹簧28共同作用下，实现操纵杆13绕Y轴12摆动时，左右自然回中位。 Y轴12对应带动Y压簧，Y压簧可以套设在与X轴11连接的轴上，实现联动。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：包括X/Y交叉双自由度十字轴、位置识别锁定结构、X/Y双轴转角信号检测结构、命令编码以及马达控制系统和X轴双向柔性止动干预传动机构，
所述X/Y交叉双自由度十字轴包括X轴和Y轴，所述X轴和所述Y轴连接有操纵杆，所述操纵杆的轴线、所述X轴的轴线和所述Y轴的轴线相交于一点且作为操纵杆的左右、前后摆动中心点；
所述位置识别锁定结构分别与所述X轴和所述Y轴对应连接，用于操纵杆绕所述X轴前后摆动的位置识别定位、绕Y轴左右摆动的位置识别定位自动回中位；
所述X/Y双轴转角信号检测结构包括安装在所述X轴和Y轴上的转角传感器；
所述命令编码以及马达控制系统包括微控制器，所述微控制器与所述转角传感器的信号输出端连接，所述微控制器的输出端控制连接马达；
所述X轴双向柔性止动干预传动机构包括与所述马达传动连接的拉板，所述拉板对应连接所述X轴。
2.如权利要求1所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述X/Y交叉双自由度十字轴还包括上定位板，所述上定位板上嵌套安装所述X轴，所述X轴嵌套安装所述Y轴。
3.如权利要求2所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述操纵杆的上部连接有操纵手柄球，所述操纵杆的下部穿过所述上定位板连接有光滑钢球，所述光滑钢球的下方配合连接有球面导向槽。
4.如权利要求3所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述操纵手柄球上设有辅助信号切换按钮，所述辅助信号切换按钮的信号输出端连接至所述微控制器。
5.如权利要求1所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述位置识别锁定结构包括设置在所述X轴端部两侧的X碰珠座，所述X碰珠座上开设有X位置识别定位槽，所述X轴的端部两侧对称设有X压簧，两所述X压簧的外端部分别设有X碰珠，所述X碰珠对应顶靠在X位置识别定位槽内；
所述位置识别锁定结构还包括设置在所述Y轴端部两侧的Y碰珠座，所述Y碰珠座上开设有Y位置识别定位槽，所述Y轴的端部两侧对称设有Y压簧，两所述Y压簧的外端部分别设有Y碰珠，所述Y碰珠对应顶靠在Y位置识别定位槽内，所述Y轴上还设有回位叉形弹簧。
6.如权利要求1所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述马达的输出轴连接有减速器，所述减速器连接有超越离合器，所述超越离合器的输出轴齿轮连接有干预驱动齿轮。
7.如权利要求6所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述拉板包括T型设置的竖向拉杆和横向拉杆，所述竖向拉杆的下部设有与所述干预驱动齿轮连接的齿条，所述X轴的端部连接有X法兰，所述X法兰的两侧设有销柱，所述销柱分别与横向拉杆的两端连接。
8.如权利要求7所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述竖向拉杆上设有拉力限制器。
9.如权利要求1至7任一项所述的具有止动回中位功能的可任意编码智能线控操纵手柄，其特征在于：所述微控制器为嵌入式电脑或ECU。
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