DE19630075A1 - Mehrdimensional wirkende Handhabe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Handhabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Handhabe ist als dreidimensionale oder sogenannte Space-Maus für komplexe maschinelle Steuerungsaufgaben oder für räumliche zu variierende Computereingaben bekannt und in ihrer Grundform in der DE 32 40 251 A1 näher beschrieben. Für deren Anwendung muß ein kugelförmiges Betätigungselement zwischen die Fingerspitzen einer Hand genommen und möglichst definiert um die Hoch-, Quer- und Längsachsen tordiert werden. Das ist aber sehr ermüdend und dadurch fehleranfällig, weil über die Fingerkuppen erhebliche Torsionskräfte eingebracht werden müssen und die Hand dabei von oben angreifen muß, also nicht abgestützt werden kann.

Deshalb liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Handhabe zu schaffen, die angenehmer und deshalb präziser bedienbar und dennoch über mehrere Funktionsachsen flexibel einsetzbar ist.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Hauptanspruch mit seinem Kennzeichnungsteil gelöst. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die Unteransprüche und auf nachstehende Beispielsbeschreibung verwiesen.

Nach der Lösung wird für eine zweiachsige Handhabe eine Betätigungsstange wahlweise (und auch überlagernd) durch Umschließen mit der Faust sowohl auf Querdruck wie auch auf Biegung beansprucht. Ein an jene Stange angelenktes Hebelsystem beaufschlagt für die beiden Funktionsachsen unterschiedliche Druck-Sensoren. Diese arbeiten praktisch weglos, so daß tatsächlich keine Hebelausschläge auftreten und deshalb die Gestänge koaxial in Rohrform gedrängt realisiert werden können, wie anhand vier Varianten mit einem zusätzlichen Sensor-Hebel für die mit dem Daumen zu bedienende dritte Dimension zeichnerisch in Längsschnitten dargelegt:

Fig. 1 die eingebaute Handhabe mit im Sockel gelegenen Sensoren,

Fig. 2 eine Handhabe gemäß Fig. 1 aber mit Belastung der Zentralstangen-Sensoren über einen zweiarmigen Hebel und

Fig. 3 eine Handhabe ähnlich derjenigen nach Fig. 1, aber nun mit Verlagerung der Sensoren in die hohle Betätigungsstange.

Fig. 4 eine Handhabe wie Fig. 1 nur das der andere Sensor gespiegelt angeordnet ist.

Fig. 5 Anordnung der mehrdimensional wirkenden Handhabe in einem Bedien- und Anzeigegerät.

Die in der Zeichnung dargestellten Handhaben 11 können jeweils mittels Sockeln 12 ortsfest gehaltert werden, etwa eingebaut in ein Steuerpult 13. Vor dem jeweiligen Sockel 12 ist eine Betätigungsstange 14 zur Aufnahme und Übertragung von manuell in diese eingeleiteten Quer- und Biegekräften angeordnet. Diese Betätigungsstange 14 ist bei ihrem vom Sockel 12 abgelegenen Ende 15 an einer Zentralstange 16 verschwenkbar aufgehängt, die ihrerseits beim vom der Betätigungsstange 14 abgelegenen Ende 17 des Sockels 12 an diesem verschwenkbar gehaltert ist. Die Pult-Einbauebene 18 zwischen Sockel 12 und Betätigungsstange 14 wird von einer Koppelstange 19 überbrückt, die einerseits beim der Ebene 18 zugewandten Ende 20 der Betätigungsstange 14 an dieser und andererseits am Sockel 12 gelenkig gehaltert ist. Alle Gelenke 21 sind möglichst leichtgängig, etwa als konvexe Kugelkappen in Hohlkugelschalen ausgeführt. Da bei Krafteinleitungen in die Betätigungsstange 14 alle Gelenke 21 um zueinander parallele (quer zur Zeichenebene orientiert) Achsen verschwenkt werden, können sie auch als Walzen-Gelenke 21 ausgebildet sein.

Die Zentralstange 16 und die Koppelstange 19 sind, ihren beiden Verschwenkrichtungen entgegen, jeweils spielfrei gegen praktisch weglos ansprechende analoge Druck-Sensoren 22 abgestützt. Die werden großflächig über Druckplatten 23 belastet, welche ihrerseits in ihren Zentralbereichen gemäß der aktuell in die Betätigungsstange 14 manuell eingeleiteten Quer- und Biege-Kräfte von Übertragungs-Ballen 24 beaufschlagt werden. Das erbringt wegen stets gleicher Krafteinleitungsrichtung eine hohe Konstanz der Sensorcharakteristik.

Die Gelenke 21 wirken als Hebel-Drehpunkte, bezüglich derer die Hebel in Form der Zentralstange 16 und der Koppelstange 19 durch Gegengewichte 25 auf indifferentes Gleichgewicht austariert sind. Das erbringt eine hohe Ansprechempfindlichkeit der Sensoren 22 auf manuelle Krafteinleitung in die Handhabe 11 und Unempfindlichkeit der Sensor-Ausgangssignale von extern auf die Handhabe 11 einwirkenden Erschütterungen sowie von Veränderungen der Lage der Handhabe 11 im Raume.

Da also wegen der starren Sensor-Abstützungen die gegeneinander und gegenüber dem Sockel 12 verschwenkbar gelagerten, biegesteif dimensionierten Stangen tatsächlich bei Betätigung der Stange 14 gar nicht merklich verschwenkt werden, müssen die Stangen nicht nebeneinander angeordnet werden, sondern sie können rohrförmig koaxial mit geringem lichten Spiel ineinander und durch den ebenfalls rohrförmig gestreckten Sockel 12 verlaufen. Dann umgibt innerhalb des Sockels 12, und noch über dessen Einbauebene 18 daraus hervor in eine ebenfalls rohrförmige Betätigungsstange unten hinein ragend, eine rohrförmige Koppelstange 19 die Zentralstange 16. Das ermöglicht bei geschützter Sensor-Anordnung innerhalb der äußeren Rohre einen ergonomischen und kompakten Aufbau der Handhabe 11, wie in der Zeichnung dargestellt.

Bezüglich des Kraftflusses über die Gelenke 21 zu den Sensoren 22 wirkt die Koppelstange 19 als zweiarmiger, die Zentralstange 16 als einarmiger Hebel. Die Sensoren 22 der Koppelstange 19 liegen zwischen deren nicht-gelagertem Ende und dem Konstruktionsteil, an welchem das Hebel-Gelenk 21 der Koppelstange 19 gehaltert ist (in Fig. 1 ist das der Sockel 12). Die Sensoren 22 der Zentralstange 16 sind zwischen dieser und dem selben Konstruktionsteil angeordnet; allerdings müssen im Falle des rohrförmigen Aufbaus der Handhabe 11 gemäß Fig. 1 mit Anordnung aller Sensoren 22 innerhalb des Sockels 12 verlängerte Ballen 24 vorgesehen sein, die radial durch Wandungslöcher in der rohrförmigen Koppelstange 19 hindurchgreifen, um sich direkt gegen die darin verlaufende Zentralstange 16 abstützen zu können; wenn nicht die schwieriger zu montierende Umlenkung gemäß Fig. 2 vorgenommen wird.

Während das zur Kraftaufnahme von der Zentralstange 16 her gleich unterhalb der Einbau-Ebene 18 im Sockel 12 gelegene Sensor-Paar 22 - 22 eine zusätzliche Abdichtung etwa in Form einer Balgen-Manschette am Übergang von der hohlen Betätigungsstange 14 zum Sockel 12 als Schutz gegen Umwelteinflüsse benötigt, ist das nicht notwendig im Falle der Umlenkung nach Fig. 2, der Spiegelung nach Fig. 4 oder im Falle der Verlagerung aller Sensoren 22 gemäß Fig. 3 aus dem Sockel 12 hinaus in die hohle Koppelstange 19 hinein, weil dann die Sensoren 22 hinter Lager-Gelenken 21 abgeschlossen liegen.

In Fig. 4 ist der Sockel 12 so hoch gezogen, daß die Stange 19 in der linearen Verlängerung der Stange 16 liegt. Abweichend von den anderen Anordnungen führt die Stange 19 bei den Durchbrüchen 10 durch den Schwenkhebel 27 und den oberen Teil der Stange 14.

In der Prinzipzeichnung ist nicht berücksichtigt, daß die Außenmantelfläche der Betätigungsstange zweckmäßigerweise griffig für die umschließenden Finger einer Faust ausgestaltet ist. Da die Stangen bei ihren Gelenken 21 jeweils in Längsrichtung starr gelagert sind, und da die Sensoren 22 ohnehin nur von radial übergeleiteten Querkräften (aber nicht durch etwaige Längsverschiebungen der Stangen) angeregt werden können, ergibt sich eine ermüdungsfreie Bedienbarkeit der Handhabe 11 dadurch, daß eine die Betätigungsstange 14 umgreifende Faust während der Bedienung mit vollem Gewicht auf die Einbau-Ebene 18 bzw. auf einen Stützkragen 26 am unteren Ende 20 der Betätigungsstange 14 abgelegt werden kann, während die manuelle Krafteinleitung erfolgt. Aus dem gleichen Grunde würde bei Kugel-Gelenken eine Verdrehung der Betätigungsstange um ihre Längsachse nicht zu einer Verfälschung der Sensor-Signale führen.

Die Krafteinleitung besteht für eine Funktionsachse im Einbringen einer Querkraft parallel zur Einbauebene 18, was zu einer gleichsinnigen tendenziellen Auslenkung von Zentralstange 16 und Koppelstange 19 führt; das ist durch Differenzauswertung der Sensorsignal-Paare für Steuerungsaufgaben auswertbar. Die zweite Funktionsachse wird durch Einbringen einer Kipp- oder Schwenkkraft von der umschließenden Faust in die Betätigungsstange 14 bedient, was zu einer gegensinnigen tendenziellen Auslenkung der Zentral- und Koppelstange 16/19 führt und ebenfalls wieder über das entsprechend gegenläufige Verhalten der Sensorsignale erfaßbar ist. Eine gleichzeitige (überlagerte) Verschiebe- und Verschwenk-Beanspruchung der Be­ tätigungsstange 14 in der gleichen Betätigungsebene (nämlich quer zu den Schwenkachsen der Gelenke 21) liefert also zweidimensionale Steuerungsinformationen.

Über die wirksamen Hebellängen, also die Sensoranordnungen längs der Stangen, lassen sich nach Wahl gleiche oder definiert verschiedene Empfindlichkeiten (Steilheiten der Sensorsi­ gnal-Kennlinien) einstellen.

Wenn quer zur Zeichenebene ebenfalls Sensor-Paare vorgesehen sind und etwa eine kardanische Lagerung auch eine Beanspruchung der Stangen in dieser Schwenkrichtung möglich macht, dann sind dadurch zwei weitere Freiheitsgrade geschaffen. Für die dritte Dimension ist aber vorzugsweise auf dem oberen Ende 15 der Betätigungsstange 14 ein zusätzlicher, ebenfalls austarierter zweiarmiger Schwenkhebel 27 mit Sensoren 22 in einem Umgehäuse 28 angeordnet, der - während der Quer- und Kipp-Beanspruchungen der Betätigungsstange 14 - mittels des Daumens der die Betätigungsstange 14 umgreifenden Hand bedient, nämlich ebenfalls spielfrei und weglos an seinem frei zugänglichen Hebelarm auf- oder ab- (und vielleicht sogar auch quer dazu) beansprucht werden kann.

In Fig. 5 ist der Einbau der Handhabe in ein tragbares Bedien.- u. Anzeigegerät 34, welches aus der Anzeige 31, der Tastatur 32 und einem festen Haltegriff 33 und dem vier-Achsen Bedienhebel 29 für die Hand und das 2 Achsen Daumen Stellelement 30 besteht und die lagerichtige 6-D Eingabe ermöglicht.

So ist ein kompakt erstellbares und ermüdungsfrei präzise handhabbares, dreidimensional wirkendes Eingabegerät für Steuerungsaufgaben jeglicher Art etwa in der Maschinenführung oder für Computereingaben geschaffen.

Claims (10)

1. Mehrdimensional wirkende Handhabe (11), dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentralstange (16) jeweils verschwenkbar nahe ihrem einen Ende mit einem gerätefesten Sockel (12) und nahe ihrem gegenüberliegenden Ende (15) an einer Betätigungsstange (14) befestigt ist, wobei das eine Ende (20) der Betätigungsstange (14) verschwenkbar mit einer Koppelstange (19) verbunden ist, die ihrerseits gegenüberliegend an den Sockel (12) angelenkt ist, und mit Sensoren (22), die von der Zentralstange (16) bzw. von der Koppelstange (19) beaufschlagt sind.

2. Handhabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß spielfrei und weglos ansprechende Sensoren (22) vorgesehen sind.

3. Handhabe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralstange (16) mit geringem Spiel durch eine rohrförmige Koppelstange (19) verläuft, die sowohl in den hohlzylindrischen Sockel 12 eintaucht wie auch ins Innere einer rohrförmigen Betätigungsstange (14) eingreift.

4. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstange (19) als zweiarmiger und die Zentralstange (16) als einarmiger Hebel bezüglich des Kraftflusses von der Betätigungsstange (14) zu den Sensoren (22) ausgelegt ist.

5. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wälzkörper-Gelenke (21) für wenigstens eine definierte Beanspruchungs-Richtung ausgelegt sind.

6. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralstange (16) und die Koppelstange (19) durch Gegengewichte (25) auf indifferentes Gleichgewicht austariert sind.

7. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende (20) der Betätigungsstange (14) ein Stütz-Kragen für eine die Betätigungsstange (14) umgreifende Hand vorgesehen ist.

8. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck-Sensoren (22) jeweils über eine Druckplatte (23) und einen mittig dagegen anliegenden Ballen (24) beaufschlagbar sind.

9. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zwischen einerseits ihren Stangen (16, 19) und andererseits dem Sockel (12) oder der Betätigungsstange (14) angeordnet sind.

10. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Betätigungsstange (14) ein quer dazu orientierter weiterer Sensor-Schwenkhebel (27) angeordnet ist.