WO1998004998A1 - Mehrdimensional wirkende handhabe - Google Patents

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Gerhard Wergen
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Gerhard Wergen
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20012—Multiple controlled elements
    • Y10T74/20201—Control moves in two planes

Definitions

  • the invention relates to a handle according to the preamble of claim 1.
  • a handle is known as a three-dimensional or so-called space mouse for complex machine control tasks or for spatial computer inputs to be varied and is described in more detail in its basic form in DE 32 40 251 AI a spherical actuating element is placed between the fingertips of a hand and twisted as possible around the vertical, transverse and longitudinal axes. This is very tiring and therefore prone to errors because considerable torsional forces have to be applied via the fingertips and the hand has to attack from above, cannot be propped up
  • an actuating rod is optionally (and also superimposed) subjected to both lateral pressure and bending for a two-axis handle by enclosing it with the fist.A lever system linked to that rod applies different pressure sensors for the two functional axes. These operate practically without a path, so that actually no lever deflections occur and therefore, the rod can be realized coaxially gedrangt in tubular form, such as using four variants with an additional sensor lever for the drawing set forth with the thumb to use third dimension in longitudinal sections • 1 shows the built-in handle with sensors located in the base,
  • Fig. 2 is a handle according to FIG 1 but with a load on the central rod sensors via a two-armed lever and
  • Fig. 3 shows a handle similar to that of Fig. 1, but now with the displacement of the sensors in the hollow actuating rod
  • Fig. 4 a handle like Fig 1 only that the other sensor is arranged mirrored
  • the handles 1 1 shown in the drawing can each be fixed in place by means of bases 12, for example installed in a control panel 13.
  • An actuating rod 14 for accommodating and transmitting transverse and bending forces introduced manually into this is arranged in front of the respective base 12.
  • This actuating rod 14 is at its end 15 remote from the base 12 is pivotally suspended on a central rod 16, which in turn is pivotably supported on the end 17 of the base 12 remote from the actuating rod 14.
  • the desk installation level 18 between the base 12 and the actuating rod 14 is bridged by a coupling rod 19 which is articulated on the one hand at the end 20 of the actuating rod 14 facing the plane 18 and on the other hand on the base 12
  • All joints 21 are as smooth as possible, for example as convex spherical caps in hollow spherical shells since all the joints 21 around one another when force is applied to the actuating rod 14 parallel (oriented transversely to the plane of the drawing) axes are pivoted, they can also be designed as roller joints 21
  • the central rod 16 and the coupling rod 19 are, against their two pivoting directions, supported without play against practically pathlessly responding analog pressure sensors 22, which are loaded over a large area by pressure plates 23, which in turn are in their central areas in accordance with the transverse and bending forces are acted upon by transmission bales 24. Because of the always the same direction of force application, this provides a high degree of constancy of the sensor characteristics The balance is balanced. This results in a high sensitivity of the sensors 22 to the manual introduction of force into the handle 11 and insensitivity of the Sensor output signals from external vibrations acting on the handle 11 and changes in the position of the handle 1 1 in the room
  • the rods do not have to be arranged next to one another, but they can be tubular, coaxial with little clearance into one another and through the likewise tubular base 12 then surrounds within the base 12, and still protrudes therefrom beyond its installation plane 18 into a tubular actuating rod below, a tubular coupling rod 19 the central rod 16, which makes it possible with a protected sensor arrangement within the outer tubes an ergonomic and compact structure of the handle 1 1, as shown in the drawing
  • the coupling rod 19 acts as a two-armed lever, the central rod 16 as a one-armed lever.
  • the sensors 22 of the coupling rod 19 lie between their non-supported end and the structural part on which the lever joint 21 of the coupling rod 19 is held (in Fig.1 this is the base 12)
  • the sensors 22 of the central rod 16 are arranged between this and the same structural part, but in the case of the tubular construction of the handle 11 according to FIG.
  • the principle drawing does not take into account the fact that the outer surface of the actuating rod is expediently designed to be grippy for the surrounding fingers of a fist, since the rods are each rigidly mounted in the longitudinal direction at their joints 21, and since the sensors 22 are only subjected to radially transmitted transverse forces anyway (but not can be excited by any longitudinal displacements of the rods), there is a fatigue-free operability of the handle 1 1 by the fact that a fist encompassing the actuating rod 14 during operation with full weight on the installation level 18 or on a support collar 26 at the lower end 20 of the Actuating rod 14 can be stored while manual force is being applied. For the same reason, rotation of the actuating rod about its longitudinal axis in ball-and-socket joints would not lead to falsification of the sensor signals
  • the introduction of force for a functional axis consists in introducing a transverse force parallel to the installation level 18, which leads to a tendency of the central rod 16 and coupling rod 19 to deflect in the same direction, which can be evaluated for control tasks by evaluating the difference in the sensor signal pairs.
  • the second functional axis is obtained by introducing a tilting or swiveling force of the surrounding fist in the actuating rod 14 is operated, which leads to an opposite tendency of deflection of the central and coupling rod 16/19 and can also be detected again by the corresponding opposite behavior of the sensor signals.
  • a simultaneous (superimposed) displacement and pivoting load on the actuating rod 14 in the same actuation plane namely, transversely to the pivot axes of the joints 21) thus provides two-dimensional control information
  • the effective lever lengths i.e. the sensor arrangements along the rods, can be used to set the same or different sensitivities (slopes of the sensor signal characteristics)
  • sensor pairs are also provided transversely to the plane of the drawing and, for example, a gimbal mounting also enables the rods to be stressed in this pivoting direction, then two further degrees of freedom are created for the third dimension, but an additional one is preferably on the upper end 15 of the actuating rod 14 , also balanced two-armed swivel lever 27 with sensors 22 arranged in a housing 28 which - during the transverse and K ⁇ p stresses of the Actuating rod 14 - operated by means of the thumb of the hand encompassing the actuating rod 14, namely also play-free and path-free on its freely accessible lever arm up or down (and maybe even transversely to it)
  • FIG. 5 shows the installation of the handle in a portable operating and display device 34, which consists of the display 31, the keyboard 32 and a fixed handle 33 and the four-axis
  • Control lever 29 for the hand and the 2-axis thumb control element 30 exists and enables the correct 6-D input
  • a compact, three-dimensional input device that can be compactly handled without fatigue is created for control tasks of all kinds, for example in machine operation or for computer inputs

Abstract

Ein wegloser mehrdimensionaler Hebel zur lagerichtigen Bedienung und Eingabe. Die Betätigungsstange wird wahlweise (und auch überlagernd) durch Umschließen mit der Faust sowohl auf Querdruck wie auch auf Biegung beansprucht. Die dritte Dimension wird durch einen zusätzlichen Sensor-Hebel mit dem Daumen weglos bedient.

Description

Mehrdimensional wirkende Handhabe
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 raumliche zu variierende Computereingaben bekannt und in ihrer Grundform in der DE 32 40 251 AI naher beschrieben Für deren Anwendung muß ein kugelförmiges Betatigungselement zwischen die Fingerspitzen einer Hand genommen und möglichst definiert um die Hoch-, Quer- und Langsachsen tordiert werden Das ist aber sehr ermüdend und dadurch fehleranfallig, weil über die Fingerkuppen erhebliche Torsionskrafte eingebracht werden müssen und die Hand dabei von oben angreifen muß, also nicht abgestutzt 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 gelost Bezuglich weiterer Einzelheiten wird auf die Unteranspruche und auf nachstehende Beispielsbeschreibung verwiesen
Nach der Losung wird für eine zweiachsige Handhabe eine Betatigungsstange 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 tatsachlich keine Hebelausschlage auftreten und deshalb die Gestänge koaxial in Rohrform gedrangt realisiert werden können, wie anhand vier Varianten mit einem zusatzlichen 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 ahnlich derjenigen nach Fig 1 , aber nun mit Verlagerung der Sensoren in die hohle Betatigungsstange
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
Anzeigegerat
Die in der Zeichnung dargestellten Handhaben 1 1 können jeweils mittels Sockeln 12 ortsfest gehaltert werden, etwa eingebaut in ein Steuerpult 13 Vor dem jeweiligen Sockel 12 ist eine Betatigungsstange 14 zur Aufnahme und Übertragung von manuell in diese eingeleiteten Quer- und Biegekraften angeordnet Diese Betatigungsstange 14 ist bei ihrem vom Sockel 12 abgelegenen Ende 15 an einer Zentralstange 16 verschwenkbar aufgehängt, die ihrerseits beim von der Betatigungsstange 14 abgelegenen Ende 17 des Sockels 12 an diesem verschwenkbar gehaltert ist Die Pult-Einbauebene 18 zwischen Sockel 12 und Betatigungsstange 14 wird von einer Koppelstange 19 überbrückt, die einerseits beim der Ebene 18 zugewandten Ende 20 der Betatigungsstange 14 an dieser und andererseits am Sockel 12 gelenkig gehaltert ist Alle Gelenke 21 sind möglichst leichtgangig, 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 abgestutzt Die werden großflächig über Druckplatten 23 belastet, welche ihrerseits in ihren Zentralbereichen gemäß der aktuell in die Betatigungsstange 14 manuell eingeleiteten Quer- und Biege-Krafte von Ubertragungs-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 Zentral Stange 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 1 1 und Unempfindlichkeit der Sensor- Ausgangssignale von extern auf die Handhabe 11 einwirkenden Erschütterungen sowie von Veränderungen der Lage der Handhabe 1 1 im Räume
Da also wegen der starren Sensor-Abstutzungen die gegeneinander und gegenüber dem Sockel 12 verschwenkbar gelagerten, biegesteif dimensionierten Stangen tatsachlich bei Betätigung der Stange 14 garnicht merklich verschwenkt werden, müssen die Stangen nicht nebeneinander angeordnet werden, sondern sie können rohrf rmig koaxial mit geringem lichten Spiel ineinander und durch den ebenfalls rohrformig gestreckten Sockel 12 verlaufen Dann umgibt innerhalb des Sockels 12, und noch über dessen Einbauebene 18 daraus hervor in eine ebenfalls rohrformige Betatigungsstange unten hinein ragend, eine rohrformige Koppelstange 19 die Zentralstange 16 Das ermöglicht bei geschützter Sensor- Anordnung innerhalb der äußeren Rohre einen ergonomischen und kompakten Aufbau der Handhabe 1 1, wie in der Zeichnung dargestellt
Bezuglich 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 rohrfbrmigen Aufbaus der Handhabe 1 1 gemäß Fig 1 mit Anordnung aller Sensoren 22 innerhalb des Sockels 12 verlängerte Ballen 24 vorgesehen sein, die radial durch Wandungslöcher in der rohrfbrmigen Koppelstange 19 hindurchgreifen, um sich direkt gegen die darin verlaufende Zentralstange 16 abstutzen zu können, wenn nicht die schwieriger zu montierende Umlenkung gemäß Fig 2 vorgenommen wird
Wahrend das zur Kraftaufnahme von der Zentralstange 16 her gleich unterhalb der Einbau-Ebene 18 im Sockel 12 gelegene Sensor-Paar 22 - 22 eine zusatzliche Abdichtung etwa in Form einer Balgen-Manschette am Übergang von der hohlen Betatigungsstange 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 Koppel Stange 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
Durchbruchen 10 durch den Schwenkhebel 27 und den oberen Teil der Stange 14
In der Prinzipzeichnung ist nicht berücksichtigt, daß die Außenmantelflache der Betatigungsstange zweckmaßigerweise 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 ubergeleiteten Querkraften (aber nicht durch etwaige Langsverschiebungen der Stangen) angeregt werden können, ergibt sich eine ermudungsfreie Bedienbarkeit der Handhabe 1 1 dadurch, daß eine die Betatigungsstange 14 umgreifende Faust während der Bedienung mit vollem Gewicht auf die Einbau-Ebene 18 bzw auf einen Stutzkragen 26 am unteren Ende 20 der Betatigungsstange 14 abgelegt werden kann, wahrend die manuelle Krafteinleitung erfolgt Aus dem gleichen Grunde wurde bei Kugel-Gelenken eine Verdrehung der Betatigungsstange um ihre Langsachse 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 Kippoder Schwenkkraft von der umschließenden Faust in die Betatigungsstange 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 Betatigungsstange 14 in der gleichen Betatigungsebene (nämlich quer zu den Schwenkachsen der Gelenke 21) liefert also zweidimensionale Steuerungsinformationen
Über die wirksamen Hebellangen, also die Sensoranordnungen längs der Stangen, lassen sich nach Wahl gleiche oder definiert verschiedene Empfindlichkeiten (Steilheiten der Sensorsignal-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 Betatigungsstange 14 ein zusatzlicher, ebenfalls austarierter zweiarmiger Schwenkhebel 27 mit Sensoren 22 in einem Umgehause 28 angeordnet, der - wahrend der Quer- und Kφp-Beanspruchungen der Betatigungsstange 14 - mittels des Daumens der die Betatigungsstange 14 umgreifenden Hand bedient, namlich ebenfalls spielfrei und weglos an seinem frei zuganglichen 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 ermudungsfrei präzise handhabbares, dreidimensional wirkendes Eingabegerat für Steuerungsaufgaben jeglicher Art etwa in der Maschinenführung oder für Computereingaben geschaffen

Claims

D
Ansprüche
1 Mehrdimensional wirkende Handhabe (1 1), dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentralstange (16) jeweils verschwenkbar nahe ihrem einen Ende mit einem geratefesten Sockel (12) und nahe ihrem gegenüberliegenden Ende (15) an einer Betatigungsstange (14) befestigt ist, wobei das eine Ende (20) der Betatigungsstange (14) verschwenkbar mit einer Koppelstange (19) verbunden ist, die ihrerseits gegenuberiiegend 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 rohrformige Koppelstange ( 19) verlauft, die sowohl in den hohlzylindrischen Sockel 12 eintaucht wie auch ins Innere einer rohrfbrmigen Betatigungsstange (14) eingreift
4 Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstange (19) als zweiarmiger und die Zentralstange (16) als einarmiger Hebel bezuglich des Kraftflusses von der Betatigungsstange (14) zu den Sensoren (22) ausgelegt ist
5 Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Walzkorper-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 Betatigungsstange (14) ein Stutz-Kragen für eine die Betatigungsstange (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 Betatigungsstange (14) angeordnet sind
10 Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Betatigungsstange (14) ein quer dazu orientierter weiterer Sensor-Schwenkhebel (27) angeordnet ist
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