EP1199622A1

EP1199622A1 - Bedienungselement

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Publication number: EP1199622A1
Application number: EP01122079A
Authority: EP
Inventors: Gerd Prof. Dr. Bernhardt; Sergiy Fedotov; Ruslan Rudik; Nicolai Dr. Tarasinski; Heinz Weiss; Matthias Lang; Jürgen Elser
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2002-04-24
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: BR0104622A; DE50113363D1; US20020117017A1; US6681880B2; EP1199622B1

Abstract

Es wird ein Bedienungselement zur Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems (36) beschrieben, welches eine von einer Bedienungsperson betätigbare an einer Plattform (10, 60) befestigte Handhabe (12, 78) enthält. Zwischen der Plattform (10, 60) und einer feststehenden Konsole (30, 62) sind wenigstens sechs Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) angeordnet. Es sind Wegmessgeber zur Erfassung der Längenänderung der Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28) und/oder Kraftmessgebern (84) zur Erfassung der in den Verbindungselementen (64, 66, 68, 70, 72, 74) wirkenden Zug- und Druckkräfte vorgesehen. Eine Auswerteeinheit (32, 108) wertet die Messsignale aus und stellt Ansteuersignale für die räumlichen Bewegungsabläufe bereit. Die Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) können nach Art eines Hexapoden angeordnet sein. Sie sind entweder teleskopartig oder in ihrer Längserstreckung starr ausgebildet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienungselement zur manuellen Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems.

Für die Ansteuerung von Mechanismen werden Bedienungselemente eingesetzt, bei denen es sich beispielsweise um einen Bedienungshebel oder um einen Joystick handelt, die um eine oder zwei Achsen verschwenkbar sind. Diese Bedienungselemente ermöglichen eine Ansteuerung des Mechanismus in zwei Freiheitsgraden. So beschreibt beispielsweise die EP-A-0 981 078 einen joystickartig ausgebildeten Bedienungshebel, der sich mittels eines Kreuzgelenks in zwei Richtungen, nach vorn und hinten sowie nach links und rechts bewegen lässt. Auf dem Betätigungsgriff des Bedienungshebels befinden sich zwei elektrische Druckschalter zur manuellen Auslösung weiterer Steuersignale.

Für die Ansteuerung der Bewegung in mehr als zwei Freiheitsgraden, z. B. für räumliche Bewegungsabläufe, können zusätzliche Steuerelemente, wie Rollen oder elektrische Druckknöpfe in den Bedienungshebel integriert sein. Dadurch wird jedoch die Bedienung kompliziert und ist ergonomisch nicht optimal.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bedienungselement zu erhalten, welches das Steuern von mehr als zwei und bis zu sechs Freiheitsgraden erlaubt. Das Ansteuern der sechs Freiheitsgrade soll gleichzeitig möglich sein. Dem Bediener soll dabei lediglich eine Handhabe, beispielsweise ein Bedienhebel, zur Verfügung stehen, der das Bedienen aller Freiheitsgrade möglich macht, ohne dass zusätzliche Aktivierungselemente betätigt werden müssen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Bedienungselement der eingangs genannten Art anzugeben, durch welches die vorgenannten Probleme überwunden und die Ziele erreicht werden. Insbesondere soll durch eine einfache, ergonomische Bedienung eine Ansteuerung in mehr als zwei Freiheitsgraden möglich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das erfindungsgemäße Bedienungselement enthält eine Handhabe, die als Bedienungshebel ausgebildet sein kann und sich von einer Bedienungsperson betätigen lässt. Die Handhabe ist an einer Plattform befestigt, so dass die Plattform der Bewegung der Handhabe folgt bzw. so dass auf die Handhabe ausgeübte Kräfte auf die Plattform übertragen werden. Zwischen der Plattform und einer feststehenden Konsole sind wenigstens sechs Verbindungselemente angeordnet. Des weiteren sind Wegmessgeber zur Erfassung der Längenänderungen der Verbindungselemente bzw. Kraftmessgeber zur Erfassung der in den Verbindungselementen wirkenden Zug- und Druckkräfte vorgesehen. Auf die Handhabe lassen sich Kräfte in vorzugsweise sechs Freiheitsgraden ausüben: in drei unterschiedliche translatorische Richtungen und um drei unterschiedliche Drehachsen. Dies führt zu Längensignalen bzw. zu Kraftsignalen, die den Verbindungselementen zugeordnet sind.

Aus den Längensignalen bzw. den Kraftsignalen lassen sich drei Koordinaten und drei Orientierungswinkel bestimmen, welche die Lage der Plattform in Bezug auf die Konsole bzw. welche die auf die Handhabe ausgeübten Kraftvektoren und Momentvektoren widerspiegeln. Die Messsignale der Wegmessgeber bzw. der Kraftmessgeber spiegeln die Lage der Handhabe bzw. die auf die Handhabe ausgeübten Kräfte und Momente in eindeutiger Weise wider. Bei der Koordinatenberechnung können bekannte Methoden eingesetzt werden (Hebsacker, M.: Die Auslegung der Kinematik des Hexaglide - "Methodik für die Auslegung paralleler Werkzeugmaschinen", VDI Berichte Nr. 1427, 1998).

Die Längensignale bzw. die Kraftsignale werden durch eine Auswerteeinheit ausgewertet und zur Ansteuerung der Bewegungsabläufe des zu steuernden Systems herangezogen. Dabei berechnet die Auswerteeinheit aus den Messwerten, welche die Kinematik der Handhabe widerspiegeln, die jeweilige Lage der Handhabe bzw. die auf die Handhabe ausgeübten Kräfte und Momente und gibt entsprechende Steuersignale an das zu steuernde System ab.

Das erfindungsgemäße Bedienungselement kann damit zur manuellen Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems, beispielsweise auch eines virtuellen Systems, verwendet werden. Es lässt sich mit lediglich einem Bedienungselement eine Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems in bis zu sechs Freiheitsgraden vornehmen, ohne dass zusätzliche Schalter und dergleichen betätigt werden müssen. Die Ansteuerung kann damit auf einfache und ergonomisch günstige Weise erfolgen.

Es ist von besonderem Vorteil, die Verbindungselemente nach Art eines Hexapoden anzuordnen. Hexapoden sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise bei Messgeräten zur Überprüfung der Positionsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen (DE-A-35 04 464), bei motorischen Koordinatenmessgeräten (DE-A-197 20 049) und bei Roboterkinematiken verwendet. Unter Hexapod soll eine Anordnung von Verbindungselementen verstanden werden, die Bewegungen in sechs Freiheitsgraden ermöglicht. Das Hexapod kann sechs oder mehr (beispielsweise acht) Verbindungselemente enthalten. Durch die erfindungsgemäße Anwendung der Hexapod-Anordnung im Zusammenhang mit einem Bedienungselement wird es möglich, die Handhabe und mit ihr die Plattform in sechs Freiheitsgraden zu bewegen und die Bewegungsabläufe in eindeutiger Weise in Steuersignale umzusetzen. Die Handhabe lässt sich beispielsweise in zwei Richtungen seitlich verschwenken, um ihre Achse verdrehen, sich seitlich in zwei Richtungen verschieben und in Richtung ihrer Achse heraus- und hineinschieben. Sofern Kraftmessgeber eingesetzt werden, können die Bewegungen der Handhabe so klein sein, dass sie von der Bedienungsperson nicht wahrgenommen werden. In diesem Fall wird die Bedienungsperson zur Einstellung von Steuerbefehlen nicht eine bestimmte räumliche Verstellung der Handhabe vornehmen, sondern Kräfte auf die Handhabe ausüben, die den gewünschten Steuersignalen entsprechen. Eine derart vielseitige Betätigung einer Handhabe ist mit den bisher bekannten Bedienungselementen nicht möglich.

Die Erfindung lässt sich für die Steuerung von Mechanismen mit mehr als zwei Freiheitsgraden einsetzen. Ein bevorzugter Anwendungsfall ergibt sich im Zusammenhang mit einer Anbauschnittstelle zur Kopplung von Arbeitsgeräten an ein Arbeitsfahrzeug, wie es in der nachveröffentlichten DE-A-199 51 840 beschrieben ist. Bei der beschriebenen Anbauschnittstelle sind zwischen einem Traktorrumpf und einem Koppelrahmen sechs nach Art eines Hexapoden angeordnete Hydraulikzylinder vorgesehen. Diese Hydraulikzylinder können durch das erfindungsgemäße Bedienungselement angesteuert werden, indem die Signale jedes Wegmessgebers bzw. Kraftmessgebers des Bedienungs-Hexapoden zur Ansteuerung eines entsprechenden Hydraulikzylinders des Anbauschnittstellen-Hexapod herangezogen wird.

Ein weiterer Anwendungsfall der Erfindung liegt im Computerbereich, bei dem das Bedienungselement als sogenannte "dreidimensionale Maus" verwendet wird und der Ansteuerung virtueller räumlicher Bewegungsabläufe dient, die beispielsweise auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente teleskopartig ausgebildet und bilden Teleskopbeine, die vorzugsweise nach Art eines Hexapoden angeordnet sind. Jedes Teleskopbein enthält beispielsweise zwei in ihrer Längserstreckung relativ zueinander verschiebbare Teleskopstangen, deren freie Enden allseitig schwenkbar an der Plattform beziehungsweise an der Konsole angreifen, wobei die Angriffspunkte jeweils im Bereich der Eckpunkte eines Dreiecks liegen können. Die Teleskopbeine sind mit Wegmessgeber ausgestattet, deren Längensignale der jeweiligen Länge des zugehörigen Teleskopbeins entsprechen.

Dabei kann jedes Teleskopbein beispielsweise ein zu beiden Seiten hin offenes Zylindergehäuse aufweisen, das auf jeder Seite eine verschiebbare Teleskopstange aufnimmt. Die Teleskopstangen werden durch Federn in ihrer Mittelstellung abgestützt. Durch eine Betätigung des Bedienungshebels gegen die Kraft der Federn lassen sich die Längen der Federbeine verändern. Wird der Bedienungshebel losgelassen, kehrt die Plattform und mit ihr der Bedienungshebel in die Mittelstellung zurück. Alternativ oder ergänzend zu den Federn können die Teleskopstangen auch jeweils über einen Reibsitz in dem Zylindergehäuse geführt sein, so dass für eine Längsverschiebung Reibungskräfte überwunden werden müssen.

Bei den Wegmessgebern kann es sich um ohmsche Schiebewiderstände handeln. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise induktive, kapazitive oder optoelektronische Wegaufnehmer zu verwenden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente in ihrer Längserstreckung im wesentlichen starr ausgebildet sind, so dass sie durch Ausübung axialer Kräfte weder länger noch kürzer werden. Die durch Betätigungen der Handhabe auf die Verbindungselemente übertragenen Zug- und Druckkräfte werden durch Kraftmessgeber gemessen. Als Kraftmessgeber kommen beispielsweise Dehnmessstreifen oder piezoelektrische Aufnehmer in Betracht.

Die Angriffspunkte der Verbindungselemente an der Plattform und/oder an der Konsole liegen vorzugsweise in etwa im Bereich der Ecken jeweils eines gleichseitigen Dreiecks. Dabei sind in der Nähe jeder Ecke zwei Verbindungselemente angelenkt, und lassen sich jeweils in zwei Richtungen verschenken. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Anlenkstellen in etwa in den Ecken eines Vierecks oder eines Sechsecks oder in einer anderen geometrischen Figur anzuordnen. Bei einem Viereck können beispielsweise jeweils zwei Verbindungselemente an zwei benachbarten Ecken des Vierecks angreifen, und jeweils eines oder jeweils zwei der übrigen Verbindungselemente an den anderen beiden Ecken des Vierecks angelenkt sein.

Um zu vermeiden, dass Biegekräfte auf die Verbindungselemente übertragen werden ist es zweckmäßig die Verbindungselemente gelenkig mit der Plattform und/oder gelenkig mit der Konsole zu verbinden. Infolge der gelenkigen Anbindung treten in den Verbindungselementen lediglich Zug- und Druckkräfte auf, so dass die Struktur statisch bestimmt bleibt. Die Kräfte können durch Kraftmessgeber oder durch Messung einer Längenänderung der Verbindungselemente erfasst werden.

Insbesondere bei der Verwendung von Kraftmessgebern ist es von Vorteil, die Verbindungselemente starr an der Konsole zu befestigen und gelenkig mit der Plattform zu verbinden. Vorzugsweise werden für die gelenkigen Verbindungen jeweils ein oder mehrere gummiartige Elemente verwendet, die ein seitliches Verkippen der Verbindungselemente gegenüber der Plattform zulassen, jedoch ausreichend starr sind, um Zug- und Druckkräfte zu übertragen.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Plattform Biegeelemente enthält, an denen jeweils ein starres Verbindungselement angreift und die sich bei Kraft- oder Momentbelastungen der Handhabe verbiegen.

Die Biegeelemente sind vorzugsweise stab- oder laschenförmig ausgebildet und mit wenigstens einem Ende starr mit der Plattform verbunden. Sie sind quer zur Längserstreckung der Verbindungselemente ausgerichtet. Der Begriff quer schließt neben einer rechtwinkligen Ausbildung auch andere Winkel zwischen den Ausrichtungen des Biegeelements und des Verbindungselements ein. Zweckmäßigerweise sind die Biegeelemente lediglich mit einem ihrer Enden mit der Plattform verbunden und stehen mit ihrem anderen, freien Ende seitlich von der Plattform ab.

Sofern im Bereich der Ecken einer beispielsweise dreieckförmigen Plattform jeweils zwei oder mehr Verbindungselemente angreifen, ist es vorteilhaft, im Bereich der Ecke jeweils zwei oder mehr als Biegeelement ausgebildete nebeneinander und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Stäbe oder Laschen vorzusehen. Im Bereich des freien Endes jedes Stabes oder jeder Lasche greift ein Verbindungselement an. Die Laschen lassen sich beispielsweise derart ausbilden, dass die Plattform in ihren Ecken geschlitzt wird und die Schlitze im wesentlichen zur Plattformmitte ausgerichtet sind.

Vorzugsweise ist wenigstens auf der Oberseite oder auf der Unterseite eines Biegeelementes (z. B. einer Laschen) im Bereich zwischen der Befestigungsstelle des Verbindungselements und dem mittleren Bereich der Plattform ein im wesentlichen in radialer Richtung, also zur Plattformmitte, ausgerichteter Dehnmessstreifen angeordnet. Als Oberseite und Unterseite werden Oberflächen des Biegeelements bezeichnet, die im wesentlichen quer zur Längserstreckung der Verbindungselemente verlaufen.

Um eine Temperaturkompensation und eine Signalverstärkung (Verdopplung) zu erreichen, ist es von Vorteil, sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite eines Biegeelements je wenigstens einen Dehnmessstreifen anzuordnen. Die beiden Dehnmessstreifen werden zu einer Halbbrücke verschaltet. Die Halbbrücke lässt sich verstärkerintern zu einer Vollbrücke ergänzen und liefert ein Ausgangssignal in Form einer Brückenverstimmung.

Die Brückenspannung kann einem Messverstärker zugeführt werden, der in einem Mikrocontroller integriert ist. Beispielsweise werden somit für sechs Verbindungselemente von sechs zugehörigen Messverstärkern sechs Ausgangsspannungen gebildet, die ein Maß für die in den Verbindungselementen auftretenden Kräfte sind. Der Mikrocontroller kann auch die gesamte Geometrieberechnung übernehmen. Er rechnet die Ausgangssignale in Kraft- und Momentenkomponenten um und gibt diese Daten über eine Busleitung, beispielsweise einen CAN-Bus aus. Der absolute Wert jeder Kraft- und Momentenkomponente ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der sich das zu steuernde System bewegen soll. Die Richtungen der Kräfte geben die Richtung der Translation und die Richtung der Momente geben die Richtung der Drehung des Systems vor.

Um eine zuverlässige Signalverarbeitung zu gewährleisten und Verdrahtungsaufwand einzusparen ist es zweckmäßig, auf der Plattform Kraftmesselemente und eine zugehörige Auswerteelektronik anzuordnen. Die Auswerteelektronik kann integrierte Halbleiterelemente aufweisen, wie es für Druck- und Beschleunigungssensoren üblich ist.

Es ist von Vorteil, die Handhabe bzw. den Handbedienungshebel des erfindungsgemäßen Bedienungselements nach Art eines Joysticks auszubilden. Bei der Formgebung und Anordnung des Joysticks können ergonomische Gesichtspunkte berücksichtigt werden.

Insbesondere ist es zweckmäßig, die Handhabe nach Art eines Winkelhebels auszubilden, bei dem ein Schenkel beispielsweise senkrecht von der Plattform absteht und der andere freie, im wesentlichen rechtwinklig abgelenkte Schenkel in etwa parallel zur Plattform verläuft. Der freie Schenkel steht in seiner unbetätigten Ruhelage nach oben und lässt sich durch eine Bedienungsperson bequem im Rahmen von sechs Freiheitsgraden betätigen.

Um die Funktionsfähigkeit des erfinderischen Bedienungselements weiter zu steigern, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Bereich des freien Endes der Handhabe wenigstens ein Steuerelement angeordnet. Es handelt sich hierbei beispielsweise um einen mit einem Finger oder dem Daumen betätigbaren Schalter oder Druckknopf, durch den ein elektrischer Schalter betätigt wird, oder um eine Rolle, die mit einem elektrischen Analoggeber in Verbindung steht. Es kann auch eine Aktivierungsklappe an der Handhabe montiert sein, wie sie beispielsweise in der DE-A-0 981 078 beschrieben wurde. Durch derartige Steuerelemente lassen sich Sicherheitsanforderungen erfüllen und weitere Funktionen ansteuern, ohne dass die Bedienungsperson ihre Hand von der Handhabe entfernen muss. Beispielsweise kann das Steuerelement derart in die Funktionsweise integriert sein, dass sich das zu steuernde System durch Betätigung der Handhabe nur dann bewegen lässt, wenn ein in der Handhabe integrierter Bedienungsschalter betätigt wird. Hierdurch lässt sich eine nicht beabsichtigte Betätigung des zu steuernden Systems, z. B. während der Fahrt, vermeiden.

Vorzugsweise hängt die Ausgangskennlinie der Auswerteeinheit in nichtlinearerweise von den gemessenen Zug- oder Druckkräften ab, so dass bei einer linearen Biegekraftvergrößerung eine nichtlineare Bediengeschwindigkeit für das zu steuernde System vorgegeben wird. Durch entsprechende Beeinflussung der Ausgangskennlinie besteht auch die Möglichkeit, dem System eine Ansprechschwelle zu geben.

Aus den beispielweise sechs Messgrößen (gemessene Weg- oder Kraftgrößen) können durch Koordinatentransformationen die Kräfte oder Wege in einem beliebigen räumlichen Koordinatensystem errechnet werden. Insbesondere lassen sich die Kraftgrößen in den Hauptachsrichtungen des Handgriffs bestimmen. Aus diesen werden die Bewegungsgrößen (z. B. Sollgeschwindigkeiten in den jeweiligen Richtungen) der zu bedienenden Struktur berechnet. Ein mögliches Anwendungsgebiet auf dem das erfindungsgemäße Bedienungselement die Bedienung erleichtern kann, ist die Steuerung eines als Hexapod ausgebildeten Systems, beispielsweise das Hexapod-System der Anbauvorrichtung eines Arbeitsfahrzeugs.

Wird als zu steuerndes Systems ein System-Hexapod, beispielsweise ein Hexapod-Geräteanbau, verwendet, so kann es von Vorteil sein, die Geometrie des Bedienungselement-Hexapoden an die Geometrie des System-Hexapoden anzupassen, so dass diese zueinander ähnlich sind. Dabei können die Längenabmessungen und Anlenkstellen der Teleskopbeine in einem festen Verhältnis zu den Längenabmessungen und Anlenkstellen der Antriebselemente des System-Hexapoden stehen, so dass die Kinematik der beiden Hexapod-Anordnungen zueinander ähnlich oder identisch ist. Damit lassen sich durch die Auswerteeinheit Längen oder Längenänderungen der Teleskopbeine direkt auf die Antriebselemente, beispielsweise auf die Hydraulikzylinderhübe, des zu steuernden Systems übertragen und der Programmierungsaufwand für eine Steuereinheit verringern.

Für eine besonders bevorzugte Anwendung erzeugt die Auswerteeinheit Steuersignale, die der Ansteuerung einer Koppeleinrichtung, beispielsweise eines Kopplungsdreiecks, einer Fahrzeuganbauvorrichtung dienen. Die Bedienungsperson kann damit von dem Fahrzeugstand aus das Kopplungsdreieck beliebig bedienen, um Koppelvorgänge auszuführen oder das angebaute Gerät wunschgemäß zu bewegen. Das Bedienungselement kann z. B. auch der Ansteuerung eines Fahrzeugkrafthebers, beispielsweise eines Frontkrafthebers, dienen.

Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Bedienungselement liegt in der Fahrzeugsteuerung, bei der das Bedienungselement der Steuerung einer Fahrzeugkomponente dient. Hierfür ist es zweckmäßig, dass die Konsole des Bedienungselements Teil einer Fahrzeugkonsole, insbesondere Teil des Fahrzeugstands ist.

Anhand der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben und erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: die perspektivische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Bedienungselements, das an einer Fahrzeugkonsole montiert ist,
Fig. 2: die Heckansicht eines Traktors mit einer Anbauschnittstelle zur Kopplung von Arbeitsgeräten und einem erfindungsgemäßen Bedienungselement,
Fig. 3: die perspektivische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Bedienungselements, das auf einer Befestigungsplatte montiert ist, und
Fig. 4: eine elektrische Schaltungsanordnung für die Messsignalverarbeitung.

Gemäß Fig. 1 ist an einer Plattform 10 ein joystickartiger Bedienungshebel 12 befestigt, der sich in seiner nicht betätigten Ruhestellung befindet. Der Bedienungshebel 12 weist zwei im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufende Schenkel 14, 16 auf, von denen ein erster Schenkel 14 im wesentlichen senkrecht von der Plattform 10 absteht und ein zweiter Schenkel 16 nach oben abgewinkelt ist. Der zweite Schenkel 16 ist ein ergonomisch ausgebildeter Bedienungsgriff und lässt eine bequeme Bedienung zu.

Die Plattform 10 ist im wesentlichen als gleichseitiges Dreieck ausgebildet, wobei eine Ecke des Dreiecks oben liegt. Ungefähr im Bereich jeder Ecke dieses Dreiecks greifen je zwei als Teleskopbeine 18, 20, 22, 24, 26, 28 ausgebildete Verbindungselemente an. Die jeweils anderen Enden der Teleskopbeine 18, 20, 22, 24, 26, 28 sind an einer lediglich teilweise dargestellten Fahrzeugkonsole 30 angelenkt, wobei die Anlenkstellen ebenfalls im wesentlichen ein gleichseitiges Dreieck bilden, das jedoch gegenüber dem Plattformdreieck um 60° verdreht ist, so dass eine Ecke dieses Dreiecks unten liegt. Die Anlenkstellen zwischen den Teleskopbeinen 18, 20, 22, 24, 26, 28 und der Plattform 10 bzw. der Konsole 30 lassen ein allseitiges Verschwenken der Teleskopbeine 18, 20, 22, 24, 26, 28 zu.

Die Teleskopbeine 18, 20, 22, 24, 26, 28 sind nach Art eines Hexapoden zwischen der Plattform 10 und der Konsole 30 angeordnet. Jedes Teleskopbein 18, 20, 22, 24, 26, 28 enthält zwei in axialer Richtung gegeneinander verschiebbare Teleskopstangen und einen nicht näher dargestellten Wegmessgeber, der die relative Lage zwischen den beiden Anlenkstellen des Teleskopbeins 18, 20, 22, 24, 26, 28 erfasst und entsprechende Längensignale an eine Auswerteeinheit 32 abgibt.

Am zweiten Schenkel 16 des Bedienungshebels 12 ist seitlich ein Steuerelement in Form eines Druckschalters 33 (Aktivierungstaste) angeordnet. Um eine unbeabsichtigte Beeinflussung des zu steuernden Systems 36 zu vermeiden, gibt die Auswerteeinheit 32 nur dann Signale an das zu steuernde System 36 ab, wenn der Druckschalter 33 betätigt ist.

Aus Fig. 2 geht hervor, dass das Bedienungselement 34 auf einer rechten Konsole 30 in der Fahrzeugkabine angeordnet ist, wo es für die Bedienungsperson gut zugänglich ist. Im Heck des Fahrzeugs ist eine Anbauschnittstelle 36 zur Kopplung von Arbeitsgeräten dargestellt, wie sie in der nachveröffentlichten DE-A-199 51 840 im einzelnen beschrieben ist. Die Anbauschnittstelle 36 enthält einen Kopplungsrahmen 38 mit Haken 40 zur Befestigung von nicht dargestellten Arbeitsgeräten. Zwischen dem Kopplungsrahmen 38 und dem Traktorrumpf 42 erstrecken sich sechs Hydraulikzylinder 44, 46, 48, 50, 52, 54, die nach Art eines Hexapoden angeordnet und betätigt werden. Die räumliche Anlenkung der Hydraulikzylinder und deren Längenabmessungen stehen in einem festen Proportionalverhältnis zu den räumlichen Anlenkpunkten und Längenabmessungen der Teleskopbeine 18, 20, 22, 24, 26, 28 des Bedienungselements 34.

Diese Geometrie erleichtert die Ansteuerung der Anbauschnittstelle 36, deren Lage und Bewegung der Lage und Bewegung des Bedienungselements 34 folgen soll. Bei der Ansteuerung ermittelt die Auswerteeinrichtung 32 den Messwert jedes Wegmessgebers und gibt proportionale Steuersignale an die den Wegmessgebern entsprechenden Hydraulikzylinder 44, 46, 48, 50, 52, 54 ab. Beispielsweise wird das Messsignal des Teleskopbeins 20 durch die Auswerteeinrichtung 32 in ein Steuersignal für den Hydraulikzylinder 46 umgewandelt.

Aus Fig. 3 geht eine zur Fig. 1 alternative Ausgestaltung eines Bedienungselements hervor. Die zwischen einer im wesentlichen dreieckförmigen Plattform 60 und einer Befestigungsplatte 62 angeordneten Verbindungselemente sind hier nicht teleskopartig ausgebildet, wie in Fig. 1 dargestellt. Vielmehr handelt es sich in Fig. 3 um starre Verbindungsstäbe 64, 66, 68, 70, 72, 74. Ähnlich wie bei Fig. 1 sind die Verbindungsstäbe 64, 66, 68, 70, 72, 74 im Eckbereich gleichseitiger Dreiecke angeordnet. Sie sind jedoch mit der Befestigungsplatte starr verbunden und stehen mit der Plattform über je ein Gummielement 76, das eine gelenkige Verbindung bildet, in Verbindung.

In der Mitte der ebenen Plattform 60 ist ein senkrecht zur Plattform 60 ausgerichteter Handgriff 78 befestigt, der lediglich schematisch dargestellt wurde, bei dem es sich jedoch, wie bereits anhand Fig. 1 beschrieben, ebenfalls um eine ergonomisch ausgebildete Handhabe mit zusätzlichen Betätigungselementen handeln kann.

Im Bereich der drei Ecken der Plattform 60 sind jeweils zwei parallel zueinander ausgerichtete Laschen 80 ausgebildet, die durch jeweils einen Schlitz 82 voneinander getrennt sind. Die Laschen 80 und Schlitze 82 sind zur Mitte der Plattform 60, also zum Handgriff 78, hin ausgerichtet. An den freien Enden der Laschen 80 ist je ein Ende eines Verbindungsstabes 64, 66, 68, 70, 72, 74 unter Zwischenschaltung eines Gummielements 76 befestigt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist auf der Oberseite jeder Lasche 80 ein oberer Dehnmessstreifen 84 befestigt. Die Dehnmessstreifen 84 sind parallel zu den Laschen 80 mit ihrer Längserstreckung auf die Plattformmitte hin ausgerichtet. Die Dehnmessstreifen 84 sind in einem Bereich der jeweiligen Lasche 80 angeordnet, der zwischen dem Gummielement 76 und dem der Plattformmitte zugewandten Ende des Schlitzes 82 liegt. Kräfte, die bei einer Betätigung des Handgriffs 78 von einer Lasche 80 auf den zugehörigen starren Verbindungsstab 64, 66, 68, 70, 72, 74 ausgeübt werden, führen zu einer entsprechenden Verbiegung der Lasche 80 nach oben oder unten und damit zu einer entsprechenden Widerstandsänderung des Dehnmessstreifens 84.

Auf der zur sichtbaren Plattformvorderseite gegenüberliegenden Rückseite jeder Lasche 80 befindet sich gegenüber zum oberen Dehnmessstreifen 84 jeweils ein unterer, in Fig. 3 nicht sichtbarer, jedoch in Fig. 4 dargestellter Dehnmessstreifen 86.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind jeweils ein vorderseitiger Dehnmessstreifen 84 und ein rückseitiger Dehnmessstreifen 86 in einer Halbbrücke zusammengeschaltet. Die Halbbrücke ist durch drei Ergänzungswiderstände 88, 90, 98 zu einer Vollbrücke ergänzt. Bei dem Widerstand 98 handelt es sich um einen verstellbaren Widerstand, durch welchen ein manueller, grober Nullabgleich der Brückenschaltung vorgenommen werden kann. An die hintereinander in Reihe geschalteten Dehnmessstreifen 84, 86 ist eine Brückenspeisespannung U_S angelegt. Die Brücke liefert an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Dehnmessstreifen 84, 86 einerseits und an einem Mittelabgriff zwischen den beiden Ergänzungswiderständen 88, 90 andererseits eine Brückenspannung U_B in Form einer Brückenverstimmung. Die Anordnung der Dehnmessstreifen 84, 86 in einer Brückenschaltung hat eine Temperaturkompensation zwischen Vorder- und Rückseite der Plattform 60 zur Folge. Durch die Verwendung zweier Dehnmessstreifen 84, 86 je Lasche 80 ergibt sich des weiteren eine Verdoppelung des Ausgangssignals gegenüber lediglich einem Dehnmessstreifen.

Die Brückenspannung U_B wird durch einen Messverstärker 92 verstärkt und dann einer Eingangssignalaufbereitung 94 zugeführt. Die Eingangssignalaufbereitung 94 steht mit einer Nullabgleichvorrichtung 96 in Verbindung. Bei der Nullausgleichsvorrichtung kann es sich um ein entsprechendes Programmteil handeln. Durch den integrierten Nullabgleich lassen sich Drifts des Messverstärkers 92 sowie kleine plastische Änderungen des Systems bzw. Spannungsschwankungen automatisch ausgleichen. Der automatische Nullabgleich wird nur dann durchgeführt, wenn keine Betätigung des Bedienungselements erfolgen soll und daher ein am Betätigungsgriff 78 angeordneter Aktivierungsschalter nicht betätigt wird. Die Ausgangsspannung U_A der Eingangssignalaufbereitung 94 ist ein Maß für die Kraft in dem jeweiligen Verbindungsstab 64, 66, 68, 70, 72, 74. Für jedes Dehnungsmessstreifenpaar 84, 86 wird eine Ausgangsspannung U_A bereitgestellt.

Die Ausgangsspannungen U_A aller Dehnungsmessstreifenpaare 84, 86, von denen in Fig. 4 nur eines dargestellt wurde, werden einer Geometrieberechnungseinheit 100 zugeführt, durch welche die Messsignale in Kraft- und Momentenkomponenten umgerechnet werden. Die Berechnung der Kraftkomponenten F_x, F_y und F_z und der Momentkomponenten M_x, M_y und M_z erfolgt auf übliche Weise durch Koordinatentransformation aus der jeweiligen Geometrie (Richtung) der Verbindungsstäbe 84, 86, 88, 90, 92, 94 und den Kraftmesswerten der Dehnungsmessstreifen 84, 86. Nach der Umrechnung liegen folgende Daten vor: Kraft F_x in x-Richtung, Kraft F_y in y-Richtung, Kraft F_z in z-Richtung, Moment M_x um die x-Achse, Moment M_y um die y-Achse und Moment M_z um die z-Achse. Die Größe der Kräfte ist dabei ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der das zu steuernde System bewegt werden soll, während die Richtung der Kräfte die Richtung der Translation widerspiegelt und die Richtung der Momente die Richtung der Drehung des Systems widerspiegeln.

Die Ausgangssignale der Geometrieberechnungseinheit 100 werden in einer Ausgangssignalaufbereitung 102, die mit einem Kennlinienspeicher 104 in Verbindung steht, entsprechend der bereitgestellten Kennlinien einer nicht linearen Umwandlung unterzogen und über einen nicht gezeigten Stecker auf einen CAN-Bus 106 ausgegeben. Durch die Ausgangssignalaufbereitung 102 wird eine Signalausgabe nur dann zugelassen, wenn eine Betätigung des Bedienungselements erfolgen soll und daher ein am Betätigungsgriff 78 angeordneter Aktivierungsschalter betätigt ist.

Die jedem Dehnmessstreifenpaar 84, 86 zugeordneten Ergänzungswiderstände 88, 90, 98 Verstärker 92, Einganssignalaufbereitungen 94 und Nullabgleichvorrichtungen 96 sind gemeinsam mit der Geometrieberechnungseinheit 100, der Ausgangssignalaufbereitung 102 und dem Kennlinienspeicher 104 zu einem gemeinsamen integrierten Bauelement 108 zusammengefasst. Dieses Bauelement 108 ist vorzugsweise auf der Rückseite der Plattform 60 befestigt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, das Bauelement 108 in einem externen Controllergehäuse unterzubringen.

Auch wenn die Erfindung lediglich anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.

Claims

Bedienungselement zur Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems (36)

mit einer von einer Bedienungsperson betätigbaren an einer Plattform (10, 60) befestigten Handhabe (12, 78),

mit wenigstens sechs zwischen der Plattform (10, 60) und einer feststehenden Konsole (30, 62) angeordneten Verbindungselementen (18, 20, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74),

mit Wegmessgebern zur Erfassung der Längenänderung der Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28) und/oder mit Kraftmessgebern (84) zur Erfassung der in den Verbindungselementen (64, 66, 68, 70, 72, 74) wirkenden Zug- und Druckkräfte, und

mit einer Auswerteeinheit (32, 108) zur Auswertung der Messsignale und zur Bereitstellung von Ansteuersignalen für die räumlichen Bewegungsabläufe.
Bedienungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) nach Art eines Hexapoden angeordnet sind.
Bedienungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28) teleskopartig ausgebildet sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungselemente (64, 66, 68, 70, 72, 74) in ihrer Längserstreckung im wesentlichen starr ausgebildet sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte der Verbindungselemente (18, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) an der Plattform (10, 60) und/oder an der Konsole (30, 62) jeweils im Bereich der Ecken eines im wesentlichen gleichseitigen Dreiecks liegen und dass im Bereich jeder der drei Ecken jeweils zwei Verbindungselemente (18, 20, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) angreifen.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (18, 22, 24, 26, 28; 64, 66, 68, 70, 72, 74) gelenkig mit der Plattform (10, 60) und/oder gelenkig mit der Konsole (30) verbunden sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (64, 66, 68, 70, 72, 74) starr an der Konsole (62) befestigt sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkige Verbindung zwischen einem Verbindungselement (64, 66, 68, 70, 72, 74) und der Plattform (60) durch ein oder mehrere gummiartige Elemente (76) gebildet wird.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (60) Biegeelemente (80) enthält, an denen jeweils ein starres Verbindungselement (64, 66, 68, 70, 72, 74) angreift und die sich bei Kraft- oder Momentbelastungen der Handhabe (78) verbiegen.
Bedienungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeelemente (80) stab- oder laschenförmig ausgebildet und mit wenigstens einem Ende starr mit der Plattform (60) verbunden sind und dass die Biegeelemente (80) quer zur Längserstreckung der Verbindungselemente (64, 66, 68, 70, 72, 74) ausgerichtet sind.
Bedienungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Plattform (60), an deren Ecken zwei oder mehr Verbindungselemente (64, 66, 68, 70, 72, 74) angreifen, im Bereich wenigstens einer Ecke zwei oder mehr nebeneinander verlaufende, als Biegeelement ausgebildete Stäbe oder Laschen (80) vorgesehen sind und dass an jedem Stab oder jeder Lasche (80) ein Verbindungselement (64, 66, 68, 70, 72, 74) angreift.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens auf der Oberseite oder auf der Unterseite der Biegeelemente (80) im Bereich zwischen der Befestigungsstelle des Verbindungselements (64, 66, 68, 70, 72, 74) und dem mittleren Bereich der Plattform (60) ein im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichteter Dehnmessstreifen (84, 86) angeordnet ist.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite und der Unterseite eines Biegeelements (80) je wenigstens ein Dehnmessstreifen (84, 86) angeordnet ist und dass je ein Dehnmessstreifen (84, 86) der Oberseite und der Unterseite zu einer Halbbrücke verschaltet sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattform (60) Kraftmesselemente (80) und eine zugehörige Auswerteelektronik (108) angeordnet ist.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabe (12, 78) nach Art eines Joysticks ausgebildet ist.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabe (12, 78) ein von der Plattform (10, 60) abstehender Hebel ist, dessen freies Ende (16) im wesentlichen nach oben gerichtet ist.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des freien Endes (16) der Handhabe (12, 78) wenigstens ein Steuerelement, wie Schalter, Druckknopf (33), Rolle oder Aktivierungsklappe, angeordnet ist.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (108) eine nichtlineare Ausgangskennlinie bereitstellt.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit (32, 108) Steuersignale für ein als Hexapod ausgebildetes zu steuerndes System (36) gebildet werden.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie eines Bedienungselement-Hexapoden und die Geometrie eines Hexapoden des zu steuernden Systems (36) zueinander ähnlich sind.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Auswerteeinheit (32, 108) erzeugten Steuersignale der Ansteuerung der Koppeleinrichtung, beispielsweise des Kopplungsdreiecks (38), einer Fahrzeuganbauvorrichtung (36) dienen.
Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsole (30, 62) Teil eines Fahrzeugstands ist und das Bedienungselement (30, 78) der Steuerung von Fahrzeugkomponenten (36) dient.