DE29707051U1 - Joysticks - Google Patents
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Description
Deutsche Gebrauchsmusteranmeldung unter Beanspruchung der
inneren Priorität der deutschen Patentanmeldung 1 96 47 148.6 vom 14.11.1996German utility model application claiming the
internal priority of the German patent application 1 96 47 148.6 of 14.11.1996
SteuerknüppelJoystick
Die Erfindung betrifft einen Steuerknüppel, wie er etwa als stangenförmiges, in einen Griffwulst auslaufendes verschwenkbares Bedienelement z.B. an Geräten oder als Eingabeelement für Multimedia- und Videospiele geläufig ist. Gewöhnlich ist er in konstruktiv vorgegebenen oder frei wählbaren Richtungen der Unterlage (Montagefläche) gegenüber mehr oder weniger weit einer Rückstellkraft entgegen auslenkbar. Das können aber viele Muskelkranke nicht - oder jedenfalls nicht gezielt und reproduzierbar - realisieren, so daß ihnen selbst die geringe Lebensqualität einer Mobilität wenigstens im Selbstfahrer-Krankenstuhl verwehrt bleibt. Für Behinderte, die immerhin noch zu minimaler gezielter Druckausübung fähig sind, ist oft der weglos ansprechende Geber gemäß dem deutschen Patent 1 95 19 94 die gegebene und unterdessen in der Praxis vielfach bewährte Lösung. Aber Patienten, die unter unkontrollierbaren Muskelbewegungen leiden (wie unter unwillkürlichem Zusammenballen der Hand zu einer Faust oder unter aditosen bzw. spastischen Erscheinungen), können ihre Hand entweder nicht gezielt längs einer Druckausübungs-Richtung auf den Steuerknüppel zu bewegen, oder aber wenn sie ihn erreicht haben, dann sie krampfen sich an diesem fest und sind deshalb ebenfalls nicht zu seiner gezielten Bedienung in der Lage.The invention relates to a joystick, such as the rod-shaped, pivoting control element that ends in a gripping bulge, e.g. on devices or as an input element for multimedia and video games. It is usually deflectable in structurally predetermined or freely selectable directions of the base (mounting surface) to a greater or lesser extent against a restoring force. However, many people with muscular disorders cannot do this - or at least cannot do it in a targeted and reproducible way - so that even the low quality of life of mobility, at least in a self-propelled wheelchair, is denied to them. For disabled people who are still capable of exerting minimal targeted pressure, the pathless sensor according to German patent 1 95 19 94 is often the solution that has proven itself many times in practice. But patients who suffer from uncontrollable muscle movements (such as involuntary clenching of the hand into a fist or from adipose or spastic symptoms) are either unable to move their hand in a targeted direction on the joystick, or when they reach it, they cling to it and are therefore also unable to operate it in a targeted manner.
Deshalb liegt dieser Erfindung die technische Aufgabenstellung zugrunde, einen Steuerknüppel zu schaffen, der selbst von Problempatienten in vorstehendem Sinne noch praktikabel bedient werden kann.Therefore, the technical task underlying this invention is to create a joystick that can be operated in a practical manner even by problem patients in the above sense.
Die im Hauptanspruch dafür angegebene Lösung mutet zunächst widersinnig an : Der Steuerknüppel ist starr mit demjenigen Gerät verbunden, das mit eben diesem Steuerknüppel bedient werden soll! Der Pfiff liegt aber darin, daß nun der Kranke (und natürlich auch ein Gesunder) sich zunächst einmal unter beliebiger gewollter oder ungewollter Belastung wie infolge einerThe solution given in the main claim seems at first to be absurd: The joystick is rigidly connected to the device that is to be operated with this joystick! But the trick lies in the fact that the sick person (and of course a healthy person too) can now initially be subjected to any desired or unwanted stress, such as as a result of a
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Verkrampfung am Steuerknüppel festhalten kann - gleichgültig, ob dabei die Hand auf der den starren Steuerknüppel umgebenden Fläche oder aber auf dem griffig-dicken Ende des Steuerknüppels zur mechanischen Entlastung ruht, Anregungen des Sensors und daraus abgeleitete Steuerungsinformationen werden dadurch noch nicht ausgelöst. Wenn aber der Patient den Steuerknüppel überhaupt erst einmal „gefunden" hat, und während er sich dann daran „festhält", kann er nun eine Betätigung vollziehen. Dafür belastet er seitlich - ohne vom Steuerknüppel ablassen zu müssen - mit einem gekrümmten Finger öder durch Verschwenken der gewölbten Innenhandfläche einen axial nur kurz aus dem Steuerknüppel bzw. seinem Knauf herausragenden Stift, bei dem es sich um die unten näher erläuterte, wegfrei ansprechende Hebelstange handelt. Selbst dann, wenn der Finger oder die ganze Hand einmal axial auf diesen herausragenden Stift abgestützt werden sollte, fuhrt das allein noch zu keiner (ungewollten) Eingabe, weil der durch das Innere des Steuerknüppels verlaufende Stift axial starr gelagert ist.If the patient can hold the joystick without cramping - regardless of whether the hand is resting on the surface surrounding the rigid joystick or on the thick, grippy end of the joystick for mechanical relief, this does not trigger sensor stimuli and control information derived from them. However, once the patient has "found" the joystick and is "holding on" to it, he can now perform an operation. To do this, he applies pressure laterally - without having to let go of the joystick - with a bent finger or by swiveling the curved palm of his hand on a pin that protrudes axially only briefly from the joystick or its knob. This pin is the lever rod that responds without travel and is explained in more detail below. Even if the finger or the whole hand were to be supported axially on this protruding pin, this alone would not lead to any (unwanted) input, because the pin running through the interior of the joystick is axially rigidly mounted.
Da also muskelkranke Personen, wegen ihres Unvermögens reproduzierbarer Bewegung etwa zur Druckausübung auf einen Steuerknüppel, z.B. die Steuerung eines selbstfahrenden Krankenstuhles oder den Cursor einer Dateneingabe nicht gezielt betätigen können, wird ihnen mit vorliegender Erfindung ein Steuerknüppel zur Verfügung gestellt, an dem sie sich festhalten können. Der ist als Rohr starr mit einem gerätefesten Geber verbunden. Aus dem verläuft eine biegesteife, axial starr vorzugsweise in einem Kugelgelenk und radial spielfrei gegen weglos ansprechende Drucksensoren abgestützte Hebelstange durch das Rohr hindurch, um mit ihrem freien Stirnende als kurzer Stift aus dem zu einem griffigen Knauf aufgeweiteten Ende des Rohres auszutreten. Während die Hand die Wandung oder den Abschluß-Knauf des Rohres umgreift und dadurch abgestützt und relativ zum Geber fixiert ist, kann der nur geringfügig über die Kontur des Knaufes vorstehende Stift zur Betätigung eines Sensors mit der Kuppe eines über den Knauf gleitenden Fingers oder mit dem Zentrum der gesamten darübergewölbten Handinnenfläche querbelastet werden. Das erfolgt nun trotz der Handicaps sehr exakt, weil dabei die Wölbung des Knaufes als stabilisierende und fuhrende Unterlage wirkt.Since people with muscular disorders cannot specifically operate the controls of a self-propelled wheelchair or the cursor for data entry due to their inability to reproduce movement, such as exerting pressure on a joystick, the present invention provides them with a joystick that they can hold on to. This is a tube that is rigidly connected to a sensor that is fixed to the device. A lever rod that is rigid, axially rigid, preferably in a ball joint and radially free of play against pressure sensors that respond without travel, runs through the tube, and its free front end emerges as a short pin from the end of the tube that is widened to form a grippy knob. While the hand grips the wall or the end knob of the tube and is thus supported and fixed relative to the sensor, the pin, which protrudes only slightly beyond the contour of the knob, can be loaded transversely with the tip of a finger sliding over the knob or with the center of the entire palm of the hand arched over it. This is now done very precisely despite the handicaps because the curvature of the knob acts as a stabilizing and guiding base.
Näheres ergibt sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung abstrahiert und nicht ganz maßstabsgerecht im Axial-Längsschnitt skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.Further details can be found in the further claims and in the following description of a preferred example of implementation of the solution according to the invention, which is sketched in the drawing in an abstract and not entirely to scale axial longitudinal section.
Der Steuerknüppel 11 weist ein massives Rohr 12 auf, das fest mit dem zu bedienenden Gerät 13 verbunden, beispielsweise mit dessen Bedienfläche 14 verschraubt ist. An seinem freien Stir-The joystick 11 has a solid tube 12 which is firmly connected to the device 13 to be operated, for example screwed to its operating surface 14. On its free end
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nende 15 läuft das Rohr 12 in einem griffig-balligen Knauf 16 aus. Hier tritt aus dem Axialkanal 17 des Rohres 12 das stiftförmige Ende 18 einer biegesteifen Hebelstange 19 heraus. Die erstreckt sich unter radialem Spiel durch die ganze Länge des Rohres 12 hindurch und über die Bedienfläche 14 hinweg bis in einen Geber 20 hinein, der unter dem Steuerknüppel 11 gerätestarr hinter der Bedienfläche 14 montiert ist.At the end 15, the tube 12 ends in a grippy, convex knob 16. Here, the pin-shaped end 18 of a rigid lever rod 19 emerges from the axial channel 17 of the tube 12. This extends with radial play through the entire length of the tube 12 and over the control surface 14 into a sensor 20, which is mounted rigidly under the control stick 11 behind the control surface 14.
In dem Geber 20 ist die Hebelstange 19 unter praktisch starrer axialer Abstützung gelenkig gelagert. Dafür kann eine Gummiklotz-Lagerung vorgesehen sein, vorteilhafter aber eine Wälzkörper-Lagerung 21 und zwar wenigstens eine einachsige in Form einer Zylinderschale, bevorzugt aber wie gezeichnet mittels einer beim Hebel-Drehpunkt 22 an der Stange 19 befestigte oder ausgebildete Kugel.In the sensor 20, the lever rod 19 is articulated with practically rigid axial support. A rubber block bearing can be provided for this, but more advantageously a rolling element bearing 21, namely at least a single-axis one in the form of a cylindrical shell, but preferably as shown by means of a ball attached or formed on the rod 19 at the lever pivot point 22.
Zusätzlich zur axialen Abstützung erfährt die Hebelstange 19 im Geber 20 spielfreie radiale Abstützungen gegen praktisch wegfrei, schaltend oder analog, ansprechende Druck-Sensoren 23. Bezüglich einer Aktion am freien Hebelende 18 wirkt die Hebelstange 19 für die Reaktion auf einen Sensor 23 als einarmiger Hebel mit sehr großem Übersetzungsverhältnis. Die Sensoren 23 sind ihrerseits innen gegen die hohlzylindrische Geber-Außenwand 24 abgestützt und dabei bezüglich der Hebelstange 19 hinter einer Druckplatte 25 zur gleichmäßigen Druckverteilung über die Sensorfläche gelegen. Die verbleibende Distanz zur Peripherie der wenigstens hier zylindrischen Hebelstange 19 wird von einem quer zu ihr, also tangential orientiert anliegenden kleinen Zylinder 26 überbrückt, um an der Kreuzungsstelle eine punktförmige Kraftauskopplung von der Hebelstange 19 über die Druckverteiler-Platte 25 auf den Sensor 23 zu erzielen.In addition to the axial support, the lever rod 19 in the sensor 20 is provided with backlash-free radial support against pressure sensors 23 that respond in a switching or analog manner, with practically no travel. With regard to an action at the free lever end 18, the lever rod 19 acts as a one-armed lever with a very large transmission ratio for the reaction to a sensor 23. The sensors 23 are in turn supported internally against the hollow cylindrical sensor outer wall 24 and are located behind a pressure plate 25 with respect to the lever rod 19 for even pressure distribution over the sensor surface. The remaining distance to the periphery of the lever rod 19, which is at least cylindrical here, is bridged by a small cylinder 26 that is perpendicular to it, i.e. tangentially oriented, in order to achieve a point-like force coupling from the lever rod 19 via the pressure distribution plate 25 to the sensor 23 at the intersection point.
Gewöhnlich sind im Geber 20 vier solche Sensor-Anordnungen realisiert, je zwei einander bezüglich der Hebelstange 19 diametral gegenüber und die beiden Paare um die Stange 19 herum ortogonal gegeneinander versetzt. Für jeder der beiden so definierten, rechtwinklig zueinander stehenden Druckkomponenten braucht aber auch nur ein Sensor 23 eingebaut zu sein, der dann unter mechanischer Vorspannung von einer gegenüberliegenden Abstützung steht und je nach Quer-Beanspruchungsrichtung der Hebelstange 19 entlastet oder zusätzlich belastet wird.Usually, four such sensor arrangements are implemented in the sensor 20, two of which are diametrically opposite one another with respect to the lever rod 19 and the two pairs are orthogonally offset from one another around the rod 19. However, only one sensor 23 needs to be installed for each of the two pressure components defined in this way, which are at right angles to one another, which is then mechanically prestressed by an opposing support and is relieved of load or additionally loaded depending on the transverse loading direction of the lever rod 19.
Eine (in der Zeichnung nicht angegebene) elektronische Schaltung zum Auskoppeln und Umsetzen der Sensorreaktionen sowie zur Parameter-Einstellung für eine Kennlinien-Beeinflussung kann innerhalb oder außerhalb des Gebers 20 angebracht sein.An electronic circuit (not shown in the drawing) for decoupling and implementing the sensor reactions as well as for parameter setting for influencing the characteristic curve can be installed inside or outside the sensor 20.
Der skizzierte und beschriebene Aufbau ergibt einen praktisch weglos, nur auf die Intensität (und bei entsprechender Auswertung der Sensorsignale auch auf die Dauer) der Querbeanspru-The outlined and described structure results in a practically pathless, only dependent on the intensity (and with appropriate evaluation of the sensor signals also on the duration) of the transverse stress.
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chung der Hebelstange 19 reagierenden Steuerknüppel-Geber 20. Dessen Ansprechverhalten ist gerade aufgrund der soliden Wälzkörper-Lagerung 21 sehr feinfühlig und hysteresefrei, obgleich die Hebelbewegung sich wegen der starren HebelAbstützung auf eine Drehreaktion im mikroskopischen Bereich beschränkt.ction of the lever rod 19 reacts to the joystick sensor 20. Its response is very sensitive and hysteresis-free, especially due to the solid rolling element bearing 21, although the lever movement is limited to a rotational reaction in the microscopic range due to the rigid lever support.
Vorzugsweise erstreckt die Hebelstange 19 sich über den Drehpunkt 22 hinaus, ist also zweiarmig ausgelegt. Auf ihrem kürzeren, ganz im Innern des Gebers 20 gelegenen Arm 27 ist sie mit einem Gegengewicht 28 auf indifferentes Gleichgewicht austariert. Dadurch wird die hysteresefreie Ansprechempfindlichkeit des Gebers 20 noch verbessert und vor allem von dessen räumlicher Einbaulage unabhängig, also deshalb auch weitgehend unempfindlich gegen mechanische Erschütterungen aus Umgebungseinflüssen.Preferably, the lever rod 19 extends beyond the pivot point 22, i.e. it is designed with two arms. On its shorter arm 27, which is located completely inside the sensor 20, it is balanced to an indifferent equilibrium with a counterweight 28. This further improves the hysteresis-free response sensitivity of the sensor 20 and, above all, makes it independent of its spatial installation position, and therefore largely insensitive to mechanical vibrations from environmental influences.
Für den zum Steuerknüppel 11 konzentrischen Einbau des Gebers 20 können wie skizziert die Zuganker-Schrauben 29 mitbenutzt werden, mittels derer der Steuerknüppel 11 selbst durch einen kragenförmig umlaufenden Flansch 30 hindurch auf die Geräte-Fläche 14 montiert ist und die dahinter noch bis in eine Wandung des Gebers 20 eingreifen.For the concentric installation of the sensor 20 to the joystick 11, the tie rod screws 29 can be used as shown, by means of which the joystick 11 itself is mounted to the device surface 14 through a collar-shaped flange 30 and which reach into a wall of the sensor 20 behind it.
In der Zeichnung nicht berücksichtigt ist, daß in die dicke Hohlzylinder-Wand des Rohres 12 achsparallele Schlitze eingebracht sein können, um die Betätigungshebel von Druckschaltern und deren Schaltsatz darin aufzunehmen. Solch ein Schalter kann dann mit dem Handballen oder mittels Fingerspitzen betätigt werden. Bezüglich konstruktiver Einzelheiten wird hier zur Vermeidung von Wiederholungen voll-inhaltlich auf die teilweise prioritätsbegründende ältere Patentanmeldung 1 96 47 148.6 „Stellelement mit Schalter" vom 14.11.1996 ausdrücklich Bezug genommen.The drawing does not take into account the fact that axially parallel slots can be made in the thick hollow cylinder wall of the tube 12 in order to accommodate the actuating levers of pressure switches and their switching set. Such a switch can then be operated with the ball of the hand or with the fingertips. With regard to design details, in order to avoid repetition, explicit reference is made here in full to the older patent application 1 96 47 148.6 "Control element with switch" dated November 14, 1996, which partially establishes priority.
Zur Bedienung wird der Steuerknüppel 11 unter seinem oder an seinem Knauf 16 umgriffen, wobei die Hand auf der Montage-Fläche 14 abgestützt werden kann - oder aber auch auf dem Knauf 16, weil ja eine bloße Axialbeanspruchung des hier als kurzer Stift koaxial etwas herausstehenden Endes 18 der Hebelstange 19 wegen der Lagerung 21 noch nicht zu einem (unerwünschten) Ansprechen des Gebers 20 fuhrt. Wenn aber das freie Hebel-Ende 18 von einem darübergelegten Finger oder von der darübergewölbten Innenhandfläche eine auch nur geringe Querbeanspruchung erfährt, fuhrt diese quergerichtete Krafteinleitung wegen des großen Hebel-Übersetzungsverhältnisses schon zu einer sehr ausgeprägten Kraftauskbpplung auf den jeweiligen Sensor 23.To operate the joystick 11, it is grasped under or on its knob 16, whereby the hand can be supported on the mounting surface 14 - or on the knob 16, because a mere axial load on the end 18 of the lever rod 19, which protrudes slightly coaxially as a short pin, does not lead to an (undesirable) response of the sensor 20 due to the bearing 21. However, if the free lever end 18 experiences even a slight transverse load from a finger placed over it or from the palm of the hand arched over it, this transverse force introduction leads to a very pronounced force coupling to the respective sensor 23 due to the large lever transmission ratio.
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