DE3404047A1 - Steuerstab - Google Patents

Steuerstab

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DE3404047A1
DE3404047A1 DE19843404047 DE3404047A DE3404047A1 DE 3404047 A1 DE3404047 A1 DE 3404047A1 DE 19843404047 DE19843404047 DE 19843404047 DE 3404047 A DE3404047 A DE 3404047A DE 3404047 A1 DE3404047 A1 DE 3404047A1
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Harald 7517 Waldbronn Fritz
Peter Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Wurll
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    • G05G2009/04762—Force transducer, e.g. strain gauge

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 84 P 4406 DE
Steuerstab
Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerstab für die Umsetzung von mechanischen Bewegungen und/oder Kräften in elektrische Signale gemäß dem Oberbegriff des An-Spruchs 1.
Es ist bereits bekannt, von Hand bedienbare Steuerstäbe (sogenannte Joysticks) so aufzubauen, daß an einem beweglich gehaltenen, Ende beispielsweise Potentiometer, Drehwinkelgeber oder Schalter angebracht werden, deren Widerstandswerte oder Schaltzustände bei einer Betätigung des Steuerstabs verändert werden können. Die Bewegung kann hier auch in mehreren Freiheitsgraden erfolgen, wobei für jede Bewegungsrichtung beispielsweise ein Potentiometer angebracht ist. Steuerstäbe mit einem solchen Aufbau werden z. B. bei Funkfernsteuerungen für Modellflugzeuge verwendet. Die Nachteile dieser Steuerstäbe sind insbesondere die Verwendung von beweglichen Teilen -z.B. die Schleifer der Potentiometer -, die störanfällig sind, und der eingeschränkte Bewegungsspielraum, der durch die Konstruktion des Steuerstabes mit den mechanisch gekoppelten Potentiometern oder Schaltern vorgegeben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerstab für die Umsetzung von mechanischen Bewegungen und/oder Kräften in elektrische Signale zu schaffen, bei dem eine störsichere Übertragung von mechanischen Betätigungen des Steuerstabes in elektrische Signale und eine optimale Ausnutzung aller Bewegungsmöglichkeiten des Steuerstabes möglieh sind.
Ag 4 Bz / 02.02.1984
-„2 - VPA 84 P 4406 DE
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Steuerstab der eingangs genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Beim erfindungsgemäßen Steuerstab kann in vorteilhafter Weise das flexible Teilstück derart mit kraft- bzw. bewegungsempfindlichen Sensoren ausgerüstet werden, daß bei einer Betätigung des Steuerstabs am beweglichen Ende die auf der Oberfläche des Teilstücks montierten Sensoren eine Veränderung ihrer elektrischen Eigenschaften erfahren. In besonders vorteilhafter Weise sind diese Sensoren sogenannte Mehrkomponenten-Kraftsensoren, nämlich Dehnungsmeßstreifen gemäß Unteranspruch 2, wahlweise Halbleiter- oder konventionelle Metall-Dehnungsmeßstreifen, die bei Dehnung eine Änderung ihrer elektrischen Werte erfahren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Steuerstabs sind mit den Unteransprüchen 3 bis 7 angegeben.
Vorteilhafte Anwendungsfälle sind mit den Unteransprüchen 8 bis 10 angegeben. Besonders bei der Steuerung einer Bilddarstellung auf Sichtgeräten ist es wünschenswert, eine Vielzahl von Steuerungsparametern ausnutzen zu können. Beispielsweise bei der Steuerung eines Cursors auf dem Bildschirm eines Sichtgerätes ist es vorteilhaft, nicht nur die Bewegungsrichtung, sondern auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Cursors über die Sensoren zu beeinflussen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann dies leicht durch Erfassung des Ausmaßes der Beeinflussung der Sensoren erreicht werden. Auch eine Veränderung der Bilddarstellung an sich, z. B. hinsichtlich der Lage oder des Maßstabs der Darstellung, ist hier durch die Vielzahl der Bewegungskomponenten des SteuerStabes möglich, so daß durch eine Betätigung des freien Endes des Steuerstabes mit einer Hand alle diese Steuerfunktionen ausgeführt werden können. Es ist auch denkbar, mit der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Bewegungsrichtung ein Verschlußsignal (Lock) für eine Fixierung der Bild-
- /$ - VPA 84 P 4406 DE
darstellung zu detektieren, wodurch entweder die Stellung des Cursors oder sonstige Eigenschaften der Darstellung festgehalten werden können.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuerstabes,
Figur 2 Schnittdarstellungen durch verschiedene Schnittebenen des flexiblen Teilstücks des Steuerstabes, Figur 3 einen Anwendungsfall zur Steuerung eines Cursors auf einem Bildschirm,
Figur 4 eine Zerlegung der Kraft- bzw. Bewegungskomponenten des Steuerstabes und
Figur 5 ein elektrisches Blockschaltbild für eine Anwendung des Steuerstabes zur Steuerung der Darstellung auf dem Bildschirm eines Sichtgerätes zeigen.
Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Steuerstabs 1 ist ein flexibles Teilstück 2 an einer Halterung 3 fest montiert; das andere Ende des Teilstücks 2 trägt einen Griff 4, mit dem der Steuerstab 1 von Hand betätigbar ist. Das flexible Teilstück 2 trägt die Dehnungsmeßstreifen aus Halbleitermaterial als kraft- bzw. bewegungsempfindliche Sensoren. Dehnungsmeßstreifen 5 und 6 (Dehnungsmeßstreifen 6 hier nicht sichtbar, da er auf der gegenüberliegenden Seite des Teilstücks 2 liegt) liegen hier im oberen Teil quer zur Längsachse 7 des Steuerstabs 1. Parallel zum Verlauf der Längsachse 7 sind Dehnungsmeßstreifen 8, 9, 10 und 11 angebracht (Dehnungsmeßstreifen 11 hier nicht sichtbar, da er dem Dehnungsmeßstreifen 9 auf der anderen Seite des Teilstücks 2 gegenüberliegt). Weiterhin befinden sich zusätzliche Dehnungsmeßstreifen 12 und 13 auf dem Teilstück 2, die Jeweils in 45 ° zur Längsachse 7 gekreuzt übereinander angeordnet sind. In der Figur sind ferner Schnittebenen A-A1, B-B1 und C-C angegeben, wobei diese Schnittdarstellungen in der Figur 2 gesondert gezeichnet sind.
- /S - VPA 84 P 4406 DE
Im Teil a) der Figur 2 ist der Schnitt A-A1 sichtbar, wodurch die Lage der beiden Dehnungsmeßstreifen 5 und 6 am Teilstück 2 erkennbar ist. Im Teil b) ist der Schnitt B-B1 mit den Dehnungsmeßstreifen 8, 9» 10 und 11 dargestellt, und im Teil c) ist der Schnitt C-C gezeichnet, wobei die beiden Dehnungsmeßstreifen 12 und 13 übereinanderliegend angegeben sind. Im Teil d) der Figur 2 sind die Kräfte eingezeichnet, die auf den Steuerstab 1 und somit auf das flexible Teilstück 2 aufbringbar sind. Die Kraft K1 ist in Richtung der Längsachse 7 wirksam, wobei sie in der hier angegebenen Darstellung in die Zeichenebene hineinwirkt, sie kann jedoch auch in entgegengesetzter Richtung wirksam sein. Die Kräfte K2 und K3 wirken jeweils quer zur Längsachse 7 und befinden sich in einem Winkel von 90 ° zueinander. Außerdem kann noch ein Drehmoment M1 aufgebracht werden, mit dem eine Torsionsbewegung des flexiblen Teilstücks 2 und somit des Steuerstabs in der hier dargestellten Richtung, aber auch in der entgegengesetzten Richtung durchgeführt werden kann. Alle diese Betätigungskräfte können in ihrem Ausmaß an die menschliche Hand angepaßt werden, mit der die Bedienung des Steuerstabs vorgenommen wird.
Aus den Darstellungen nach der Figur 2 ist entnehmbar, daß beispielsweise bei einer durch eine entsprechende Bewegung des Steuerstabs verursachten Kraft K1 die Dehnungsmeßstreifen 12 und 13 auf Dehnung beansprucht werden und somit eine Veränderung ihrer elektrischen Eigenschaften und die Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals bewirkt werden kann. Bei Einwirkung einer Kraft K2 durch eine entsprechende Bewegung des Steuerstabs 1 wird insbesondere der Dehnungsmeßstreifen 9 (vergleiche Teil b) der Figur 2) auf Dehnung beansprucht und der Dehnungsmeßstreifen 11 gestaucht, wodurch auch mit diesen Dehnungsmeßstreifen entsprechende elektrische Signale erzeugt werden können. Bei Einwirkung einer Kraft K3 wird insbesondere der Dehnungsmeßstreifen 8 auf Dehnung und der Dehnungsmeßstreifen 10
- -9" - VPA 84 P 4406 DE
auf Stauchung beansprucht, wodurch auch diese Bewegung des Steuerstabs 1 detektiert und in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann. Eine Torsionsbewegung aufgrund des Drehmomentes M1 führt zu einer Dehnung bzw. Stauchung der beiden Dehnungsmeßstreifen 12 bzw. 13 und somit zu einem entsprechenden drehmomentabhängigen, elektrischen Signal.
In der Figur 3 ist ein Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Steuerstabs 1 dargestellt, wobei auf einem Bildschirm 15 eines Sichtgeräts 16 ein Cursor genannter Markierungspunkt 17 in seiner Lage auf dem Bildschirm verschoben werden soll. Die hierfür erforderlichen Kräfte am Steuerstab 1 sind in der Figur 4 dargestellt, wobei bei der in der Figur 3 angedeuteten Bewegung von links unten nach rechts oben die von den Dehnungsmeßstreifen 8 ... detektierten Teilkräfte K2 und K3 zu einer Gesamtkraft K führen, die durch die Größe der Teilkräfte K2 und K3 in ihrer Richtung und in ihrem Betrag festgelegt ist. Die Steuerung des Cursors 17 kann in einfacher Weise derart vorgenommen werden, daß aus der Vektorrichtung der Gesamtkraft K die Cursorbewegungsrichtung und aus der Vektorlänge der Gesamtkraft K die Cursorbewegungsgeschwindigkeit erfaßt werden kann. In der Figur 4 sind außerdem noch die Kräfte K1 und M1 dargestellt, mit denen beispielsweise eine Verschiebung oder eine Drehung der gesamten Darstellung auf dem Bildschirm 15 durch das Drehmoment M1 oder eine Veränderung des Maßstabs der Darstellung auf dem Bildschirm 15 mit der Kraft K1 erreicht werden kann.
Bei dem in der Figur 5 dargestellten elektrischen Blockschaltbild sind die einzelnen Sensoren bzw. Dehnungsmeßstreifen 5 ... 13 (vergleiche Figur 1) schematisch in einem Baustein 20 dargestellt. Die Dehnungsmeßstreifen werden von einem Speisegerät 21 mit einer Spannung versorgt und können beispielsweise innerhalb des Bausteins 20 in einer Brückenschaltung so zusamrnengeschaltet werden, daß
-Jg- VPA 84 P 4406 DE
sie bei einer Krafteinwirkung auf die Sensoren bzw. Dehnungsmeßstreifen ein entsprechendes elektrisches Signal am Ausgang 22 erzeugen. In einem Meßverstärker 23 werden diese Signale verstärkt und in einem A/D-Wandler 24 in eine entsprechende binäre Information umgewandelt. Der daran angeschlossene Mikroprozessor 25 formt die Signale in entsprechende Informationen für die hier geforderte zeilenmäßige Bilddarstellung um und ermittelt beispielsweise die aus der Vektorrichtung bzw. der Vektorlänge der Gesamtkraft K zu berechnenden Bewegungsrichtungs- und Geschwindigkeitsgrößen. Die Ausgangssignale des Mikroprozessors 25 werden über eine Sichtgerätesteuerung 26 den Signalverarbeitungsteilen des Sichtgeräts 16 zugeführt, so daß auf dem Bildschirm 15 die anhand der Figuren 2 bis 4 dargelegten Auswirkungen auf den beweglichen Cursor 17 bzw. auf die Veränderung der Bilddarstellung im Sichtgerät 16 durchgeführt werden können.
10 Patentansprüche
5 Figuren

Claims (10)

  1. VPA 84 P 4406 DE Patentansprüche
    ( IjJ Steuerstab für die Umsetzung von mechanischen Bewegungen und/oder Kräften in elektrische Signale mit - elektrischen Sensoren (5 ... 13) am Steuerstab (1), die von der Bewegung des Steuerstabs (1) beeinflußt werden und die entsprechende elektrische Signale abgeben,
    dadurch gekennzeichnet, daß - der Steuerstab (1) ein flexibles Teilstück (2) aufweist, das an einem Ende fest montiert ist und über sein anderes Ende in mindestens einer Bewegungsrichtung verbiegbar ist, und daß
    - am flexiblen Teilstück (2) mindestens ein kraft- bzw. bewegungsempfindlicher Sensor (5 ... 13) derart angebracht ist, daß bei einer Bewegung in der mindestens einen Bewegungsrichtung eine Beeinflussung des Sensors (5 ... 13) erreichbar ist.
  2. 2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß
    - die kraft- bzw. bewegungsempfindlichen Sensoren Dehnungsmeßstreifen sind.
  3. 3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    - das flexible Teilstück (2) in zwei senkrecht zueinanderstehenden Bewegungsrichtungen quer zur Längsachse (7) auslenkbar ist und daß
    - am flexiblen Teilstück mindestens zwei kraft- bzw. bewegungsempfindliche Sensoren (8, 10; 9, 11) derart angebracht sind, daß in jeweils einer der Auslenkrichtungen eine Beeinflussung mindestens eines der Sensoren erreichbar ist.
    35
  4. 4. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
    VPA 84 P 4406 DE
    - das flexible Teilstück (2) entlang der Längsachse (7) stauch- und/oder dehnbar ist und daß
    - mindestens ein weiterer Sensor (5, 6) derart angebracht ist, daß die Stauch- oder Dehnbewegungen zu einer Beeinflussung dieses Sensors (5, 6) führen.
  5. 5. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    - beim flexiblen Teilstück (2) eine Torsionsbewegung um seine Längsachse (7) durchführbar ist und daß
    - mindestens ein zusätzlicher Sensor (12, 13) vorhanden ist, der durch, die Torsionsbewegung beeinflußbar ist.
  6. 6. Steuerstab nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß
    - für jede Bewegungsrichtung des Steuerstabs (1) zwei Dehnungsmeßstreifen angebracht sind, die
    - vorzugsweise in eine Brückenschaltung so eingefügt sind, daß sich eine größtmögliche Beeinflussung einer elektrischen Größe ergibt.
  7. 7. Steuerstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß
    - das Teilstück (2) ein Rohr ist, an dem
    - die Dehnungsmeßstreifen (8, 9, 10, 11) zur Erfassung der Bewegungen quer zur Längsachse (7) parallel zu dieser jeweils gegenüberliegend angebracht sind,
    - die weiteren Dehnungsmeßstreifen (5, 6) zur Erfassung der Bewegungen parallel zur Längsachse (7) quer zur Längsachse (7) angebracht sind und die
    - zusätzlichen Dehnungsmeßstreifen (12, 13) zur Erfassung der Torsionsbewegung jeweils in einem Winkel von 45 ° zur Längsachse gekreuzt übereinander angebracht sind (Figur 1).
  8. 8. Anwendung des Steuerstabs nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Steuerung der Bewegung eines Cursors (17) auf
    VPA 84 P 4406 DE dem Bildschirm (15) eines Sichtgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß
    - mit der Beeinflussung der Sensoren (8, 9, 10, 11) für Bewegungen quer zur Längsachse (7) die Bewegungsrichtung des Cursors (17) und
    - mit dem Ausmaß der Beeinflussung die Bewegungsgeschwindigkeit des Cursors (17) bestimmbar ist.
  9. 9. Anwendung des Steuerstabs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Beeinflussung der Bilddarstellung auf dem Bildschirm (15) eines Sichtgeräts, dadurch gekennzeichnet , daß
    - bei Stauchung des Steuerstabs (1) eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Maßstabs der Bilddarstellung und bei Dehnung eine hierzu entgegengesetzte Änderung des Maßstabs erreichbar ist.
  10. 10. Anwendung des Steuerstabs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Beeinflussung der Bilddarstellung auf dem BiIdschirm (15) eines Sichtgeräts, dadurch gekennzeichnet , daß
    - mit einer Drehung des Steuerstabs (1) eine Verschiebung bzw. Drehung des auf dem Bildschirm (15) des Sichtgeräts dargestellten Bildes durchführbar ist.
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