DE102012024399A1

DE102012024399A1 - Sechs-Freiheitsgrad-Bedienorgan

Info

Publication number: DE102012024399A1
Application number: DE201210024399
Authority: DE
Inventors: Jan Rotard; Julian Profanter
Original assignee: Vemcon Ug (haftungsbeschrankt); VEMCON UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Current assignee: Vemcon Ug (haftungsbeschrankt); VEMCON UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: DE102012024399B4; DE202011109036U1; DE202012012959U1

Abstract

Bedienorgan mit einem Handgriff, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, wobei für jeden Freiheitsgrad eine erste Feder und eine zweite, der ersten entgegengesetzten Feder vorgesehen sind, die den Handgriff in einer Nullposition entlang des jeweiligen Freiheitsgrads halten. Weiterhin kann für jeden Freiheitsgrad ein unabhängiger Auslenkmechanismus vorgesehen sein, der umfasst ein erstes Bauteil, das als Basis dient, und ein zweites Bauteil, das derart mit dem ersten Bauteil gekoppelt ist, dass das zweite Bauteil relativ zur Basis in genau einem Freiheitsgrad bewegbar ist. Dabei sind die Auslenkmechanismen derart miteinander verkoppelt, dass das zweite Bauteil des n-ten Auslenkmechanismus als Basis für den (n + 1)-ten Auslenkmechanismus dient, für n = 1 bis zu einem Höchstwert N von 5, und wobei der Handgriff an dem zweiten Bauteil des (N + 1)-ten Auslenkmechanismus befestigt ist.

Description

Hintergrund
Nachstehend ist Bedienorgan mit einem Handgriff beschrieben, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist.
Stand der Technik
Die US-Patentanmeldung US 2012/0162076 A1 betrifft ein Bedienorgan für eine Maschine mit mindestens sechs Freiheitsgraden. Dabei weist das Bedienorgan einen Handgriff auf, der mit einer Translations- bzw. Rotationsmechanik mit einer Feder in bis zu sechs Freiheitsgraden beweglich ist. Eine in einer zentralen Kammer befindliche Lichtquelle bestrahlt mehrere spiegelartige Facetten. Das reflektierte Licht wird mit Lichtsensoren aufgenommen und verarbeitet, um die genaue Position des Handgriffs zu ermitteln. In weiteren Ausführungsformen werden andere Sensorarten eingesetzt. Das Bedienorgan kann in einen Bagger oder sonstiges Baustellenfahrzeug eingebaut werden.
Das Gebrauchsmuster DE 20 2011 003 220 U1 offenbart eine Steuerung für Arbeitsmaschinen mit Ausleger. Die Steuerung weist ein sechs-Freiheitsgrad-Bedienorgan mit drei rotatorischen und drei translatorischen Freiheitsgraden auf. Dabei werden die rotatorischen und translatorischen Bewegungen des Bedienorgans mittels Sensoren gemessen.
Die US 2002/0174736 A1 offenbart einen Joystick, der in zwei Freiheitsgraden drehbar ist. Der Joystick ist an einem ersten Gehäuse derart gekoppelt, dass er in eine erste Richtung drehbar ist. Ferner ist das erste Gehäuse an einem zweiten Gehäuse derart gekoppelt, dass eine Drehung des Joysticks in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung eine Verdrehung des ersten Gehäuses um das zweite Gehäuse bewirkt.
Die US 2005/0172711 A1 und die EP 1 653 199 offenbaren jeweils eine Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Position zweier Objekte relativ zueinander mit opto-elektronischen Sensoren zu erfassen. Die Vorrichtungen weisen ein erstes Objekt mit mehreren Lichtquellen und mehreren Sensoren auf, sowie ein zweites Objekt mit zwischen den Lichtquellen und den Sensoren angeordneten Spaltblenden, um auf die Sensoren auftreffenden Lichtstrahlen zu erzeugen. Dabei ändert sich die Form bzw. Orientierung jedes Lichtstrahls in Abhängigkeit der Positionen des ersten und zweiten Objekts relativ zueinander.
Die US 2001/0045825 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Auslenkung einer Plattform, die in mehreren Freiheitsgrade verschiebbar ist. Die Vorrichtung weist eine stationäre Plattform sowie eine verschiebbare Plattform auf. Die Plattformen sind mittels mehrerer elastischer Federn verbunden, wobei durch die Induktivität der Feder die relative Position der Plattformen berechnet wird.
Das US-Patent 5,854,622 und die WO88/05942 offenbaren jeweils einen Joystick, der dazu ausgebildet ist, Bewegungen in sechs Freiheitsgraden mittels Sensoren zu erfassen. Dabei sind Sensoreinheiten mit dem Joystick über beispielsweise vier elastischen Stützen derart verbunden, dass jeweils zwei sich gegenüber angeordneten Stützen entlang einer Achse den Joystick in einer Ursprungslage halten.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in einem Bedienorgan einen gefederten Handgriff vorzusehen, der durch die Feder bzw. Federn in eine Nullposition gehalten wird.
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, in einem Bedienorgan die Bewegungen aus mehreren Freiheitsgraden überlagert durch mehrere Sensoren zu erfassen, und anschließend die überlagerten Messwerte mathematisch in die Bewegungen in den einzelnen Freiheitsgraden zu zerlegen.
Zugrundeliegendes Problem
Das Ziel ist, ein Sechs-Freiheitsgrad-Bedienorgan bereitzustellen, bei dem eine Auslenkung des Handgriffs aus der Nulllage einen Mindestkraftwert erfordert. Ein weiteres Ziel ist es, ein Bedienorgan bereitzustellen, bei dem jeglicher mathematischer Aufwand zur Ermittlung der Auslenkungen in den verschiedenen Freiheitsgraden sowie der daraus entstehenden Rechenfehler erspart bleibt.
Lösung
Als Lösung wird ein Bedienorgan mit einem Handgriff vorgeschlagen, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, wobei für jeden Freiheitsgrad eine erste Feder und eine zweite, der ersten entgegengesetzten Feder vorgesehen sind. Diese Federn halten den Handgriff in einer Nullposition entlang des jeweiligen Freiheitsgrads.
Als weitere Lösung wird ein Bedienorgan mit einem Handgriff vorgeschlagen, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, wobei für jeden Freiheitsgrad ein unabhängiger Auslenkmechanismus vorgesehen ist. Jeder Auslenkmechanismus umfasst ein erstes Bauteil, das als Basis dient, und ein zweites Bauteil, das derart mit dem ersten Bauteil gekoppelt ist, dass das zweite Bauteil relativ zur Basis in genau einem Freiheitsgrad bewegbar ist. Die Auslenkmechanismen sind derart miteinander verkoppelt, dass das zweite Bauteil des n-ten Auslenkmechanismus als Basis für den (n + 1)-ten Auslenkmechanismus dient, für n = 1 bis zu einem Höchstwert N von 5. Der Handgriff ist dabei an dem zweiten Bauteil des (N + 1)-ten Auslenkmechanismus befestigt.
Ein derartiges Bedienorgan kann die Komponente jeder Bewegung einfach erfassen, da die Bewegung des Handgriffs in einem bestimmten Freiheitsgrad mechanisch getrennt von Bewegungen in allen anderen Freiheitsgraden erfolgt. Durch den getrennten Aufbau der Auslenkmechanismen der sechs Freiheitsgrade bleibt jeglicher mathematische Aufwand, um überlagerten Messwerte mathematisch in die Bewegungen in den einzelnen Freiheitsgraden zu zerlegen, erspart.
Eigenschaften und Ausgestaltungen des Bedienorgans
Die erste und die zweite Feder jedes Freiheitsgrads können beide in der Nullposition vorgespannt sein. Dabei kann eine Auslenkung aus der Nullposition in eine erste Richtung eine zusätzliche Spannung der ersten Feder bewirken, und eine Auslenkung in eine zweite Richtung eine zusätzliche Spannung der zweiten Feder bewirken.
Für jeden Freiheitsgrad können zwei Sicherungen vorgesehen sein, die die Auslenkung des Handgriffs aus der Nullposition entlang der ersten Richtung und der zweiten Richtung jeweils begrenzen.
Die erste und zweite Feder können jeweils als Schraubenfeder, Kegelfeder, Schenkelfeder, Drehstabfeder, Luftfeder, oder Elastomerfeder ausgebildet sein.
Es kann wenigstens ein Sensor für jeden Freiheitsgrad vorgesehen sein, der die Auslenkung des Handgriffs in dem jeweiligen Freiheitsgrad misst. Es können auch mehrere Sensoren für jeden Freiheitsgrad vorgesehen sein, die die Auslenkung in jedem Freiheitsgrad jeweils redundant messen.
Die Auslenkmechanismen der drei translatorischen Freiheitsgrade können miteinander verkoppelt sein und zusammen eine translatorische Mechanik bilden. Die Auslenkmechanismen der drei rotatorischen Freiheitsgrade können ebenso miteinander verkoppelt sein und zusammen eine rotatorische Mechanik bilden. Dabei kann das zweite Bauteil des letzten Freiheitsgrades der translatorischen Mechanik als Basis für den ersten Freiheitsgrad der rotatorischen Mechanik dienen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.
In 1 ist eine perspektivische Seitensicht auf die Translationsmechanik einer ersten Ausführungsform eines Bedienorgans veranschaulicht.
In 2 ist eine perspektivische Seitensicht auf die Rotationsmechanik der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
In 3 ist eine seitliche Ansicht eines Längsschnittes durch den Auslenkmechanismus der x-Richtung der Translationsmechanik nach 1 veranschaulicht.
In 4 ist eine seitliche Ansicht eines Längsschnittes durch den Auslenkmechanismus der z-Richtung der Translationsmechanik nach 1 veranschaulicht.
In 5 ist die Unteransicht des Handgriffs der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
In 6 ist eine perspektivische Seitensicht des Auslenkmechanismus um die y-Achse der Rotationsmechanik nach 2 veranschaulicht.
In 7 sind mögliche Kraft-Weg-Kennlinien verschiedener Feder-Auslenkmechanismen dargestellt.
In 8 ist eine perspektivische Seitensicht auf die Rotationsmechanik einer zweiten Ausführungsform eines Bedienorgans veranschaulicht.
In 9 ist eine perspektivische Seitensicht auf die Translationsmechanik der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
In 10 ist eine perspektivische Seitensicht des Auslenkmechanismus der z-Richtung der Translationsmechanik nach 9 veranschaulicht.
In 11 ist eine perspektivische Seitensicht auf einer dritten Ausgestaltung der Translationsmechanik eines Bedienorgans veranschaulicht.
In 12 ist eine perspektivische Schnittdarstellung auf den Auslenkmechanismus der z-Richtung der Translationsmechanik nach 11 veranschaulicht.
In 13 ist eine perspektivische Schnittdarstellung auf den Auslenkmechanismus der x- und y-Richtung der Translationsmechanik nach 11 veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In 1 ist die translatorische Mechanik (auch Translatorik genannt) eines Bedienorgans 1 in Detail dargestellt. Eine Translationsbasis 10 in Form einer Wanne hat mehrere Löcher 15, welche eine variable Verschraubung des Bedienorgans 1 in einer Kabine eines Kraftfahrzeugs ermöglichen. Eine y-Translatorik 20 in Form einer zweiten Wanne ist über die Führungen 21a, 21a' (nicht dargestellt), 21b, 21b' mit der Translationsbasis 10 in den Aufnahmen 11a, 11a' (nicht dargestellt), 11b, 11b' verbunden. Dies ermöglicht eine translatorische Bewegung der y-Translatorik 20 relativ zur Translationsbasis 10 in y-Richtung.
Die y-Translatorik 20 hat an beiden Seitenwänden einen Magneten 24a. Die Messung der Auslenkung der erfolgt über an beiden Seitenwänden der Translationsbasis 10 angeordneten Magnetfeldsensoren 24b, welche den Abstand zu diesen Magneten 24a so redundant messen können. Bei Auslenkung des Handgriffs 90 in einer ersten Richtung entlang der y-Achse erfolgt die Rückstellung der y-Translatorik 20 durch einen Auslenkmechanismus umfassend zwei jeweils durch eine Feder 26a und 26b vorgespannten Stößel 28a und 28b. In der Nulllage unterliegen die Feder 26a und 26b bereits einer gewissen Vorspannung, d. h. die Kraft-Weg-Kurve der Auslenkung beginnt nicht bei Null, wie in 7, unter Offset 162 dargestellt. Die Rückstellung der y-Translatorik 20 bei einer Auslenkung des Handgriffs 90 in der zweiten Richtung entlang der y-Achse wird durch ein entgegengesetztes, unabhängiges Paar des oben beschriebenen Auslenkmechanismus realisiert.
Eine x-Translatorik 30 in Form eines Laufwagens ist durch die Aufnahmen 32a und 32b mit den Führungen 22a und 22b der y-Translatorik 20 verbunden. Insofern dient die y-Translatorik 20 als Basis für die Bewegung der x-Translatorik 30 in x-Richtung. Die Messung der Auslenkung der x-Translatorik 30 erfolgt wiederum durch die Veränderung des Magnetfeldes an Sensoren 34b und 34b', welche sich in der y-Translatorik 20 befinden, da sich Magnete 34a und 34a' relativ dazu bewegen. Die Rückstellung bei Auslenkung erfolgt ähnlich wie bei y-Translatorik 20 durch jeweils einen Auslenkmechanismus, bestehend aus Stößeln 38a und 38b und jeweiligen, in der Ruhelage vorgespannten Feder 36a und 36b. Der Auslenkmechanismus ist so realisiert, dass bei Auslenkung jeweils nur ein Mechanismus aktiv ist, d. h. die Kraft wird nur durch eine der Federn 36a und 36b aufgenommen. Die Federn 36a und 36b beeinflussen sich daher nicht gegenseitig, auch nicht die Vorspannung in der Ruhelage. Dieser Mechanismus ist in 3 genauer dargestellt.
Eine z-Translationsbasis 40 in Form einer Führung hat zwei parallel ausgerichtete Bolzen 45a und 45b, welche zugleich die Federn 46a und 46b über die Mitnehmerscheiben 46a' und 46b' vorspannen und die z-Translatorik 50, die auch als Rotationsbasis 50 wirkt, verdrehfest führen. Der Bediengriff 90 ist über in 2 dargestellte Elemente mit Rotationsbasis 50 verbunden. Die z-Translatorik 50 ist mit z-Translationsbasis 40 verbunden und ermöglicht eine translatorische Bewegung des Bediengriffs 90 entlang der z-Achse. Sicherungsring 47a limitiert die Bewegung nach oben (positive z-Richtung) und spannt zugleich die Feder 46a vor. Die Messung der Auslenkung des Bediengriffs 90 in z-Richtung erfolgt durch die beiden sich auf der Unterseite der z-Translatorik 50 befindenden Sensoren 44b und 44b' welche das Magnetfeld der sich in der Oberseite der x-Translatorik 30 eingebetteten Magnete 44a und 44a' messen. Die Vorspannung der Feder 46a, 46b und der Auslenkmechanismus der z-Translatorik 50 wird in 4 genauer beschrieben.
In 2 wird die rotatorische Mechanik (auch Rotatorik genannt) des Bedienorgans 1 in Detail dargestellt. In einer Rotationsbasis 50 sind Bolzen 51a und 51b verdrehfest befestigt. In den Bolzen 51a und 51b befinden sich die entgegengesetzt orientierten Magnete 64a und 64a'. Auf dem Bolzen 51a und 51b ist eine x-Rotatorik 60, die als innerer Ring ausgestaltet ist, axial verdrehbar, jedoch axial nicht verschiebbar gelagert. Im eingebauten Zustand sind die Schenkelfeder 56a und 56b durch die Bolzen 51a und 51b geführt und werden durch die Stifte 55a und 55b und die beidseitig angebrachte Anliegefläche 57a (nicht dargestellt) und 57b in Vorspannung gehalten. Bei Verdrehung der x-Rotatorik 60 um die x-Achse in mathematisch negativer Richtung wird die vorgespannte Feder 56a durch den Mitnehmerstift 66a' weiter verdreht und so die Federkraft erhöht, während der entgegengesetzte Mitnehmerstift 66b' an Schenkelfeder 56b vorbeiläuft. Bei Verdrehung der x-Rotatorik 60 um die x-Achse in mathematisch positiver Richtung wird die vorgespannte Feder 56b durch den Mitnehmerstift 66b' weiter verdreht und so die Federkraft erhöht, während der entgegengesetzte Mitnehmerstift 66a' an Schenkelfeder 56a vorbeiläuft. Somit ist der Mechanismus ist derart gestaltet, dass sich die Federkräfte nicht gegenseitig beeinflussen. Die Messung der Auslenkung der x-Rotatorik 60 erfolgt durch die Sensoren 64b und 64b' welche verdrehfest mit der x-Rotatorik 60 verbunden sind und so das sich verdrehende Magnetfeld der Magnete 64a und 64a' redundant messen können. Bei Verdrehung des Handgriffs 90 um die x-Achse steht also der Magnet 64a, und der Sensor 64b bewegt sich relativ dazu.
Über die Bolzen 62a und 62b ist eine y-Rotatorik 70, die als weiterer Ring ausgestaltet ist, mit der x-Rotatorik 60 so verbunden, dass dieser axial drehbar, jedoch nicht in axiale Richtung verschiebbar ist. Im eingebauten Zustand sind die Bolzen 62a und 62b mit der y-Rotatorik 70 verdrehfest verbunden und haben jeweils einen in den Bolzen 62a und 62b versenkten entgegengesetzt magnetisierten Magneten 74 und 74a', welcher verdrehfest eingeklebt ist. Die Verdrehung der y-Rotatorik 70 wird über die beidseitig im x-Rotatorik befestigten Sensoren 74b und 74b' (nicht dargestellt) gemessen. Bei Verdrehung steht also der Sensor 74b, und der Magnet 74a bewegt sich relativ dazu. Der Auslenk- und Vorspannmechanismus wird im Zusammenhang mit 6 genauer beschrieben.
Die y-Rotatorik 70 hat zwei am Umfang liegende Aussparungen 78a und 78b, in denen die im Bediengriff 90 vorgespannten Federn 76a und 76b durch an den Enden liegende Kugeln 75a und 75b geführt werden. Die Aussparungen 78a/78b sind so angeordnet, dass bei einer Verdrehung des Bediengriffes 90 um die z-Achse jeweils ein Feder 76a oder 76b mit den dazugehörenden Kugeln 75a oder 75b zusammengedrückt wird und so die Rückstellkraft erhöht wird. Die Messung dieser Verdrehung erfolgt über die Sensoren 84b und 84b' (nicht dargestellt), welche das sich ändernde Magnetfeld der Magnete 84a, 84a', 84a'', und 84a''' messen. Bei einer Verdrehung stehen also die Sensoren 84b und die Magnete 84a bewegen sich relativ dazu.
Der Bediengriff 90 ist mit der y-Rotatorik 70 über ihren äußeren Fläche derart gelagert, dass eine Drehung um die z-Achse möglich, jedoch eine axiale und radiale Verschiebung nicht möglich ist. Der Bediengriff 90 hat vier am Umfang verteilte Magnete 84a, 84a', 84a'', und 84a'''.
In 3 wird der Auslenkmechanismus der x-Translatorik 30 genauer dargestellt. Die zwei Stößel 38a und 38b werden durch die Federn 36a und 36b vorgespannt und durch die Sicherungen 37a und 37b genauso weit gehalten, dass sie in der Nulllage genau die inneren Seitenwände 23a und 23b der y-Translatorik 20 berühren. Bei Auslenkung entlang der x-Achse der z-Translationsbasis 40, welche mit der x-Translatorik 30 verbunden ist, übernimmt jeweils ein Bolzen-Feder-Paar die Kraft, indem ein Stößel 38a bzw. 38b eingefahren wird während der gegenüberliegende Stößel 38b bzw. 38a sich von der Innenwand der y-Translatorik 20 abhebt. Somit ist der Auslenkmechanismus ist derart gestaltet, dass sich die Federn 36a und 36b nicht gegenseitig beeinflussen. Bei weiterer Auslenkung steigt durch das Zusammendrücken der Feder 36a bzw. 36b deren Federkraft. Bei maximaler Auslenkung ist der Stößel 38a bzw. 38b komplett eingefahren und die Kraft wird über die äußere Seitenwand 33a bzw. 33b über die innere Seitenwand 23a bzw. 23b abgeleitet.
Die 4 stellt den Auslenkmechanismus der z-Translatorik 50 dar. Die z-Translatorik 50 hat eine Bohrung, durch die die z-Translationsbasis 40 geführt ist. Die beiden, sich auf z-Translationsbasis 40 befindenden Bolzen 45a und 45b verhindern ein Verdrehen der z-Translatorik 50 gegenüber der z-Translationsbasis 40, indem die Bolzen 45a und 45b in (nicht dargestellten) Nuten in der Bohrung der Translationsbasis 40 gehalten werden. Zudem werden die Feder 46a und 46b mit den dazugehörigen Mitnehmerscheiben 46a' und 46b' über die beiden Bolzen 45a und 45b in Vorspannung gehalten. Der Sicherungsring 47a begrenzt den Weg der z-Translatorik 50 in positiver z-Richtung und dient als Anlage für die Feder 46a. Bei einer Bewegung der z-Translatorik 50 in negativer z-Richtung wird über einen sich in der Bohrung der z-Translatorik 50 befindender Bund 56b' die Mitnehmerscheibe 46b' nach unten mitgenommen, welche wiederum die Feder 46b zusammendrückt und somit die Vorspannung erhöht und so eine höhere Rückstellkraft resultiert. Die Feder 46a wird bei einer Bewegung in negativer z-Richtung nicht ausgelenkt, und ist also komplett von Feder 46b entkoppelt. Bei einer Bewegung der z-Translatorik 50 in positiver z-Richtung wird über einen sich in der Bohrung der z-Translatorik 50 befindender Bund 56a' die Mitnehmerscheibe 46a' nach oben mitgenommen, welche die Feder 46a weiter zusammendrückt und so die Federkraft erhöht. Bei dieser Bewegung bleibt die untere Feder 46b weiterhin in Ruhelage und wird durch die Bewegung nicht ausgelenkt.
5 stellt die z-Rotatorik 80 dar, die an der Unterseite des Handgriffs 90 angebracht ist. Dabei sind die Federn 76a und 76b, welche an ihren Enden die Kugeln 75a und 75b haben, in den kreisförmigen Nuten 85a und 85b vorgespannt. Die vier für die redundante Erfassung von Drehbewegungen um die z-Achse notwendigen Magnete 84a, 84a', 84a'' und 84a''' sind im Bediengriff 90 eingeklebt.
6 stellt einen der beiden Auslenkmechanismen um die y-Achse dar. Bei der Darstellung wurde aus Übersichtsgründen der zweite, sich gegenüberliegende Auslenkmechanismus nicht dargestellt. Der Bolzen 62b ist axial und verdrehfest in der y-Rotatorik 70 festgelegt. Die x-Rotatorik 60 kann sich gegenüber dem Bolzen 62b verdrehen. Diese Verdrehung wird über einen in der x-Rotatorik 60 befestigten Sensor 74b gemessen, welcher das Magnetfeld des sich im Bolzen 62b eingeklebten diametral magnetisierten Magnetes 74a misst. Die x-Rotatorik 60 hat zwei Nasen 65b und 67b, welche die Feder 66b, welche durch den Bolzen 62b zentriert und gehalten wird, im vorgespannten Zustand halten. Bei Verdrehung der y-Rotatorik 70 gegenüber der x-Rotatorik 60 nach links wird der dargestellte Auslenkmechanismus aktiv, d. h. Bolzen 62b nimmt über eine Lasche 76b' den Schenkel der Feder 66b, welcher in der Nase 65b gehalten wird, mit und erhöht die Vorspannung der Feder 66b indem er sie weiter verdreht. Wird hingegen die y-Rotatorik 70 gegenüber der x-Rotatorik 60 nach rechts gedreht, so läuft die Lasche 76b' über die Feder 66b ab und verändert deren Vorspannung gegenüber der Ruhelage nicht. Der zweite, nicht dargestellte Mechanismus arbeitet prinzipiell gleich, nur in genau umgekehrter Richtungsabhängigkeit. Beide Mechanismen sind so aufgebaut, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.
In 7 sind mögliche Kraft-Weg-Kennlinien verschiedener Feder-Auslenkmechanismen dargestellt. Über die Abszisse ist der Weg der Auslenkung aufgetragen, auf der Ordinate ist die Federkraft aufgetragen. Die Federkennlinien können linear, progressiv oder degressiv gestaltet sein. Der Offset 99 beschreibt die Federkraft bei keiner Auslenkung, d. h. in der Ruhelage. Dies wird erreicht durch die Vorspannung der Feder und den Auslenkmechanismus, bei dem realisiert wird dass sich die Federn nicht gegenseitig beeinflussen.
In 8 ist die Rotatorik einer zweiten Ausführungsform des Bedienorgans dargestellt. Ein unteres Anbindungsstück 150 wird über Stifte 151a und 151b mit einem Ring 160 über dazugehörige Gleitlagerbuchsen 161a, 161b so verbunden, dass eine Drehung um einen gewissen Winkel, hier etwa +/–30°, welcher über Anschläge 152a und 162a begrenzt wird, um die x-Achse erfolgen kann.
Ein oberes Anbindungsstück 170 wird über Stifte 173a und 173b mit dem Ring 160 über dazugehörige Gleitlagerbuchsen 163a, 163b so verbunden, dass eine Drehung um einen gewissen Winkel, hier etwa +/–30°, welcher über Anschläge 164a (nicht dargestellt), 164b und 174a, 174b begrenzt wird, um die y-Achse erfolgen kann.
Die Rotation eines Handgriffs (nicht dargestellt) um die z-Achse erfolgt durch einen in dem Handgriff drehbar geführten Drehaufnehmer 180. Eine Winkelbegrenzung wird durch einen Anschlag in der Handgriff und Gabel 186 des oberen Anbindungsstückes 170 realisiert.
Eine Gabel 156 des unteren Anbindungsstückes 150 greift in ein Federpaket 166, welches im geschlossenen Zylinder 168 vorgespannt gehalten wird so ein, dass bei einer Auslenkung des Handgriffs um die x-Achse einer der beiden Zinken 156a, 156b das Federpaket 166 zusammendrücken und so die Federspannung erhöhen. Eine Gabel 177 des oberen Anbindungsstücks 170 greift in das Federpaket 167, welches im geschlossenen Zylinder 169 vorgespannt gehalten wird so ein, dass bei einer Auslenkung des Handgriffs um die y-Achse eine der beiden Zinken 177a, 177b das Federpaket 167 zusammendrücken und so die Federspannung erhöhen. Das obere Anbindungsstück 170 hat zudem eine weitere Gabel 176 deren Zinken 176a oder 176b (nicht dargestellt), bei Auslenkung um die z-Achse, das sich in der Bedienschale (nicht dargestellt) befindlichen geschlossenen Zylinder (nicht dargestellt) liegende Federpaket 186 weiter zusammendrücken und so die Federspannung erhöhen.
Alle drei Achsen (x, y, z) sind demnach einzeln vorgespannt und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Alle Federelemente sind so ausgelegt, dass die einzelnen Achsen vorgespannt sind und sich nach einer Auslenkung wieder in die Neutrallage bewegen.
Die Messung der Auslenkung um die x-Achse bzw. um die y-Achse erfolgt durch ein Sensor 165b, welcher das Magnetfeld des sich im oberen Anbindungsstück 170 befindenden Magnetes 165a misst. Die Erfassung der Drehung um die z-Achse erfolgt durch einem sich in der Bedienschale (nicht dargestellt) befindlichen Sensor, der das Magnetfeld des sich im Drehaufnehmer 180 befindlichen Magneten 184a misst. Die Anbindung der Rotatorik an die in 9 dargestellte Translatorik erfolgt durch einen sich im unteren Anbindungsstück befindlichen Anschluss 155.
In 9 ist die xy-Translatorik der zweiten Ausführungsform dargestellt. Translationsführung 140 wird über mehrere Stützen 120a, 120b, 130a, 130b, welche an deren Enden jeweils verdrehfest, jedoch in alle anderen Achsen verdrehbar gelagerten Kugelköpfen 122a, 122b, 132a, 132b; 124a, 124b, 134a, 134b, welche ähnliche Funktionalität wie ein Kardangelenk haben, mit der Bodenplatte 110 in den dafür vorgesehenen Aufnehmern 112 und in der Translationsführung 140 vorgesehenen Aufnehmern 144, so gelagert, dass eine quasiparallele Bewegung der Translationsführung 140 zur Bodenplatte 110 entsteht. Diese Bewegung wird über einen sich in der Bodenplatte 110 befindlichen Sensor 114b gemessen, welcher die Bewegung des sich unten in der Translationsführung 140 befindlichen Magneten 114a redundant misst. Die durch die Feder 126a, 126b; 136a, 136b vorgespannten Stößel 128a, 128b; 138a, 138b werden bei einer Auslenkung der Translationsführung 140 in die jeweilige Richtung weiter in die dafür vorgesehene Aufnahme 148 gedrückt. Bei einer Auslenkung der Translationsführung in negativer y-Richtung wird der Stößel 128a in Aufnahme 148 gedrückt, wobei der gegenüber liegende Stößel 128b durch die Stifte 149, welche in den Nuten 129 laufen, in seiner Ruhelage zurückgehalten wird, wodurch sich die Federspannung erhöht, und diesen nach der Auslenkung wieder in seine Ursprungslage zurückdrückt.
Der Auslenkmechanismus der Translation funktioniert demnach wie folgt: In der Ruhelage liegen die Enden der Stößel 128a, 128b; 138a, 138b an den inneren Wänden 118a des Gehäuses 118 an. Bei Auslenkung in eine Richtung hebt der gegenüberliegende Stößel 128a, 128b; 138a, 138b von der Wand 118a ab. Die zur Bewegungsrichtung senkrecht liegenden Stößel 128a, 128b; 138a, 138b gleiten bei einer Bewegung über die Innenseite des Gehäuses, ohne sich jedoch aus ihrer Ausgangslage zu bewegen. Ein Anschlag und somit Begrenzung der Bewegung erfolgt durch die Stößel 128a, 128b; 138a, 138b, welche mit ihrem Bund 127, 137 an die in der Translationsführung 140 dafür vorgesehene Anschlagfläche 147 stoßen und somit die Bewegung limitieren. Die Translatorik ist demnach so ausgelegt, dass jede der Achsen an sich vorgespannt und voneinander unabhängig ist.
Die Translationsführung 140 hat mehrere Laufflächen 141 und 142 durch die die Laufeinheit (in 10 näher beschrieben) und die restliche Kinematik angebunden werden. Die Bodenplatte 110 hat Befestigungslöcher 115 mit denen sie in eine Steuerkonsole einer Arbeitsmaschine fest verbunden wird. Diese Steuerkonsole muss sich nicht zwingend in oder an der Arbeitsmaschine befinden.
Die 10 stellt die z-Translatorik der zweiten Ausführungsform dar. Diese umfasst Translationsführung 140a, 140b und die Laufeinheit 150, wobei die Translationsführung 140 aus einer oberen Komponente 140a und einer unteren Komponente 140b besteht. Die obere Komponente 140a der Translationsführung 140 hat ein Gleitlager 142, indem die Gleitfläche 152 der Laufeinheit 150 in der z-Achse verschieblich geführt wird. Die untere Komponente 140b der Translationsführung 140 hat auch eine Gleitfläche 141, welche in der z-Achse verschieblich in der Gleitlagerbuchse 151 der Laufeinheit 150 geführt wird. Um eine Verdrehung um die z-Achse zwischen der Laufeinheit 150 und der Translationsführung 140 zu verhindern, hat die Laufeinheit 150 eine Tasche 155, in der ein Verdrehaufnehmer 145 der Translationsführung 140 in Richtung der z-Achse verschieblich geführt ist. Die Vorspannung und Rückstellung bei Auslenkung erfolgt durch die Feder 146, welche vom Vorspannelement 146' und den beiden, an den Enden der Feder 146 liegenden Mitnehmerscheiben 144a und 144b, auch in Ruhelage in vorgespannter Lage gehalten wird. Bei Auslenkung der Laufeinheit 150 entlang der z-Achse wird jeweils die untere oder obere Mitnehmerscheibe (144a bzw. 144b) durch die Laufeinheit 150 so mitgenommen, dass die Feder 146 weiter zusammengedrückt, und so die Vorspannung erhöht wird.
Die Messung der Auslenkung um die z-Achse erfolgt mit einem im Anschlussstück 154 befindlichen Sensor (nicht dargestellt), welcher das Magnetfeld des sich im Vorspannelement 146' eingebetteten Magnets 144a misst.
An das Anschlussstück 154 wird über die Anschluss 155 (in 8 dargestellt) das untere Anbindungsstück 150 (in 8 dargestellt) verdrehfest verbunden.
In 11 ist die Baugruppe der Translatorik einer dritten Ausführungsform dargestellt. Sie besteht aus einem zwei-Achs-Vorsteuergerät 210 und einer Translationseinheit 240, welche über ein Klemmstück 241 auf einen Kugelkopf 211 positioniert und fest verbunden wird. Das Vorsteuergerät 210 wird entweder über die am Umfang verteilten Langlöcher 215a oder über Bohrungen 215b in einer mobilen Arbeitsmaschine befestigt. Der Anbau und die Befestigung kann demnach sowohl von oben als auch von unten erfolgen. Die Translationseinheit 240 hat am oberen Ende eine Vorrichtung 251 an der der in 8 dargestellte Rotatorik befestigt werden kann. Das Vorsteuergerät 210 ist so aufgebaut, dass über den Kugelkopf 211 auch im Handel erhältliche Joysticks verbaut werden können.
Die 12 stellt die in 11 beschriebene Translationseinheit 240 dar. Führungsgehäuse 240a und Deckel 240b bilden dabei die Grundlage und sind fest miteinander verbunden. Die Translationseinheit 240 wird über die Vorrichtungen 241a und 251 angebunden. Der Deckel 240b hat eine Gleitlagerbuchse 242, in der das obere Gleitelement und Anbindungsstück 250 entlang der z-Achse verschieblich geführt wird. Im Führungsgehäuse 240a befindet sich eine Buchse 243 welches das untere Gleitelement 253 radial in z-Achse führt. Beide Gleitelemente 250, 253 sind mit dem Vorspannelement 255 verbunden. Um eine Drehung um die z-Achse aufnehmen zu können, hat das obere Gleitelement 250 zwei Nuten 254a und 254b, in welchen die beiden Kugellager 244a und 244b laufen und durch ihre Wälzbewegung bei Bewegungen in z-Richtung ein Verklemmen verhindern. Die Kugellager 244a und 244b sind durch die Stifte 244a' und 244b' im Deckel 240b festgelegt.
Die Rückstellung bei Auslenkung und Vorspannung für die Bewegungen entlang der z-Achse erfolgt durch die Federn 256a und 256b. Beide Federn werden durch die oberen Mitnehmerscheiben 257a, jedoch nur die innere Feder 256a durch die untere Mitnehmerscheibe 257b und die äußere Feder 256b durch den Absatz 257c in Spannung gehalten und sind beide in Ruhelage vorgespannt. Bei einer Bewegung nach oben in z-Richtung wird durch das untere Gleitelement 253 die untere Mitnehmerscheibe 257b mitangehoben, die obere Mitnehmerscheibe 257a bleibt jedoch in der Ruheposition da sie am Bund 247a anliegt. Durch dieses Anheben wird die innere Feder 256a weiter zusammengedrückt und so die Vorspannung erhöht. Bei einer Bewegung nach unten in z-Richtung wird durch das Anbindungsstück 250 die obere Mitnehmerscheibe 257a nach unten gedrückt und beide Federn (innere Feder 256a, welche durch die am unteren Bund 247b aufliegende, untere Mitnehmerscheibe 257b, und die äußere Feder 256b welche unten am Bund 247b aufliegt) weiter zusammengedrückt und so die Vorspannung erhöht. Die Hülse 259 dient hier als Anschlag und schützt die Federn 256a, 256b vor weiterer Kontraktion.
Die Messung der Bewegung erfolgt durch den Sensor 243a, welcher das Magnetfeld der sich im unteren Gleitelements 253 befindlichen Magnets (nicht dargestellt) misst. Bei Auslenkung in z-Achse kann daher die Relativbewegung zwischen Anbindungsstück 250 und Führungsgehäuse 240a gemessen werden.
Die 13 zeigt das Vorsteuergerät 210 aus 11 im Schnitt. Dabei ist ein zentrales Kardangelenk 222 verdrehfest mit Gehäuse 210 durch die Schraube 212 verbunden. Der Kugelkopf 211, an welchem die Kraft eingeleitet wird, verbindet zudem den Topf 221 mit dem anderen Ende des Kardangelenks 222 und sitzt ebenfalls verdrehfest im Kardangelenk 222. In 13 sind wegen der Übersicht nur zwei Stößel 228a, 228b dargestellt, die folgende Beschreibung bezieht sich auch auf alle Teile welche mit den Stößeln 228a, 228b; 238a, 238b in Verbindung stehen. Der Topf 221 drückt bei Ausschlag den jeweiligen Stößel 228a, 228b nach unten. Die Stößel 228a, 228b sind durch die in der fest mit dem Gehäuse 210 verbundenen Stößelplatte 218 liegenden Gleitlagerbuchsen 218a, 218b und die im Gehäuse 210 liegenden Gleitlagerbuchsen 218a', 218b' radial geführt. Die Stößel 228a, 228b haben jeweils einen Bund 219a, 219b an welchem die im Ruhezustand vorgespannte Feder 226a, 226b anliegt.
Die Messung der Bewegung des Kugelkopfs 211 erfolgt durch redundante Hall-Sensoren auf der Platine 8, welche das Magnetfeld der einzelnen, sich in den Stößeln befindenden Magnete 224a, 224a' misst. Der Auslenkmechanismus ist demnach so realisiert, dass bei Auslenkung maximal 2 Stößel ausgelenkt werden, die in der Richtung der Auslenkung liegen, der gegenüberliegende Stößel jedoch in seiner Ruhelage verharrt, da der Topf 221 vom Stößel abhebt.
Die Aussparungen 217a und 217b im Deckel 217 sitzen jeweils unter den Stößeln und sind optional vorhanden. Bei voller Auslenkung der Stößel limitiert die Anschlagsfläche 217a', 217b' in Kombination mit den Aussparungen 217a, 217b die Bewegung.
Über die am Umfang verteilten Langlöcher 215a und den Bohrungen 215b wird das Vorsteuergerät in der Steuerkonsole einer Arbeitsmaschine befestigt.
Die vorangehend beschriebenen Varianten der Vorrichtung dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften der vorgestellten Lösung; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Lösung zuzuschreiben sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst.
Die vorstehend erläuterten Vorrichtungs- und Verfahrensdetails sind zwar im Zusammenhang dargestellt; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie auch unabhängig voneinander sind und auch frei miteinander kombinierbar sind. Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.
Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle aufgezeigten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202011003220 U1 [0003]
US 2002/0174736 A1 [0004]
US 2005/0172711 A1 [0005]
EP 1653199 [0005]
US 2001/0045825 A1 [0006]
US 5854622 [0007]
WO 88/05942 [0007]

Claims

Bedienorgan mit einem Handgriff, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, wobei für jeden Freiheitsgrad eine erste Feder und eine zweite, der ersten entgegengesetzten Feder vorgesehen sind, die den Handgriff in einer Nullposition entlang des jeweiligen Freiheitsgrads halten.
Bedienorgan gemäß Anspruch 1, wobei beide Feder in der Nullposition vorgespannt sind.
Bedienorgan gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Auslenkung aus der Nullposition in eine erste Richtung eine zusätzliche Spannung der ersten Feder bewirkt.
Bedienorgan gemäß Anspruch 3, wobei eine Auslenkung aus der Nullposition in eine zweite Richtung eine zusätzliche Spannung der zweiten Feder bewirkt.
Bedienorgan gemäß Anspruch 4, wobei für jeden Freiheitsgrad zwei Sicherungen vorgesehen sind, die jeweils die Auslenkung des Handgriffs entlang der ersten Richtung und der zweiten Richtung aus der Nullposition begrenzen.
Bedienorgan gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Feder als Schraubenfeder, Kegelfeder, Schenkelfeder, Drehstabfeder, Luftfeder, oder Elastomerfeder ausgebildet sind.
Bedienorgan gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens ein Sensor für jeden Freiheitsgrad vorgesehen ist, das die Auslenkung des Handgriffs in der jeweiligen Freiheitsgrad misst.
Bedienorgan gemäß Anspruch 7, wobei mehrere Sensoren für jeden Freiheitsgrad vorgesehen sind, die die Auslenkung für jeden Freiheitsgrad jeweils redundant messen.
Bedienorgan mit einem Handgriff, der in drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegbar ist, wobei für jeden Freiheitsgrad ein unabhängiger Auslenkmechanismus vorgesehen ist, der umfasst: – ein erstes Bauteil, das als Basis dient, und – ein zweites Bauteil, das derart mit dem ersten Bauteil gekoppelt ist, dass das zweite Bauteil relativ zur Basis in genau einem Freiheitsgrad bewegbar ist; wobei die Auslenkmechanismen derart miteinander verkoppelt sind, dass das zweite Bauteil des n-ten Auslenkmechanismus als Basis für den (n + 1)-ten Auslenkmechanismus dient, für n = 1 bis zu einem Höchstwert N von 5, und wobei der Handgriff an dem zweiten Bauteil des (N + 1)-ten Auslenkmechanismus befestigt ist.
Bedienorgan gemäß Anspruch 9, wobei die Auslenkmechanismen der drei translatorischen Freiheitsgrade aneinander verkoppelt sind und zusammen eine translatorische Mechanik bilden.
Bedienorgan gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Auslenkmechanismen der drei rotatorischen Freiheitsgrade aneinander verkoppelt sind und zusammen ein rotatorische Mechanik bilden.
Bedienorgan gemäß den Ansprüchen 10 und 11, wobei das zweite Bauteil des letzten Freiheitsgrades der translatorischen Mechanik als Basis für den ersten Freiheitsgrad der rotatorischen Mechanik dient.