WO2021023794A1 - Eingabegerät und eingabesystem sowie verfahren zum betreiben eines eingabegeräts - Google Patents

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WO
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operating lever
input
designed
input device
control device
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PCT/EP2020/072052
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English (en)
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Stefan Battlogg
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Inventus Engineering Gmbh
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Publication date
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H59/00—Control inputs to control units of change-speed-, or reversing-gearings for conveying rotary motion
    • F16H59/02—Selector apparatus
    • G—PHYSICS
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    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G5/00—Means for preventing, limiting or returning the movements of parts of a control mechanism, e.g. locking controlling member
    • G05G5/03—Means for enhancing the operator's awareness of arrival of the controlling member at a command or datum position; Providing feel, e.g. means for creating a counterforce
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/24—Providing feel, e.g. to enable selection
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/24—Providing feel, e.g. to enable selection
    • F16H2061/241—Actuators providing feel or simulating a shift gate, i.e. with active force generation for providing counter forces for feed back
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • 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
    • G05G2009/04766—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 providing feel, e.g. indexing means, means to create counterforce

Definitions

  • the present invention relates to an input device, in particular a joystick, with at least one operating device and with at least one magnetorheological braking device and with at least one control device for controlling the braking device.
  • the operating device comprises at least one support device and at least one operating lever which is received on the support device so as to be pivotable about at least one pivot axis.
  • at least one sensor means for detecting a pivot angle of the operating lever is included.
  • joysticks In the prior art, joysticks often have a mechanical backdrop or mechanical spring or latching systems for the representation of various functions.
  • joysticks of commercial vehicles or off-highway vehicles such as construction machines and the like usually have mechanical solutions with scenes and return springs and friction brakes for the corresponding latching positions and for returning to the neutral position.
  • a complex gear and / or a cardan shaft or the like are usually provided for the transmission of motion.
  • Potentiometers, Hall effect sensors or encoders are used to generate signals or detect positions.
  • table joysticks for indoor applications have become known, e.g. B. in the laboratory for controlling laboratory devices, medical devices, machines or robots in industry etc.
  • the input device should preferably also be able to be used in a particularly flexible manner for different areas of application. At the same time, the input device should have a compact design or require little installation space and be inexpensive or inexpensive to manufacture.
  • the input device is designed in particular as a joystick.
  • the input device comprises at least one operating device and at least one magnetorheological braking device and at least one control device for controlling the braking device.
  • the operating device comprises at least one support device and at least one operating lever.
  • the operating lever is designed in particular as a joystick lever.
  • the operating lever is received on the support device so as to be pivotable about at least one pivot axis.
  • at least one sensor means for detecting a pivot angle of the operating lever is included.
  • the braking device is coupled to the at least one pivot axis in order to dampen at least one pivoting movement of the operating lever controlled by the control device.
  • the control device is suitable and designed to control the braking device at least as a function of at least one control command.
  • the control device is suitable and designed to convert the control command into at least one haptic signal that can be perceived on the operating lever, preferably a defined sequence of deceleration moments.
  • a user can thereby receive haptic feedback (so-called force feedback) at least as a result of an input made and / or during an input.
  • the input device according to the invention offers many advantages.
  • the specifically controlled damping of the operating lever offers a considerable advantage.
  • the haptic feedback (so-called force feedback) is also particularly advantageous. This significantly improves the quality of operation and, at the same time, also the safety of the operating processes. At the same time, a particularly compact and space-saving and inexpensive to implement damping is made possible.
  • the pivoting movement of the operating lever is damped at least as a function of the sensor-detected pivoting angle of the operating lever.
  • the pivoting movement of the operating lever can be damped with the braking device.
  • the braking device and the control device are operatively connected to one another for this purpose.
  • the braking device can be controlled by the control device.
  • the pivoting movement of the operating lever can be damped in a controlled manner by means of the braking device and by means of the control device.
  • the braking device can be controlled by the control device in such a way that the pivoting movement of the operating lever is damped in a targeted and preferably (dynamically) adaptable manner.
  • the control device determines a setpoint deceleration torque as a function of at least one of the parameters described below and controls it Braking device is then applied in such a way that the braking device applies a target deceleration torque to dampen the pivoting movement of the operating lever.
  • the operating lever can be automatically pivoted back into a proper neutral position by means of at least one reset unit after it has been actuated.
  • the control device is preferably suitable and designed to specifically dampen at least one return movement executed by the return unit by means of the braking device.
  • the restoring movement can preferably be damped separately for all pivot axes provided. In particular, the resetting movement is damped by adapting a deceleration torque of the braking device.
  • the input device can e.g. B. for controlling vehicles and / or aircraft and especially for controlling commercial vehicles and preferably for controlling OFF-Highway vehicles (such machines can also be referred to as self-propelled machines) such as snow groomers, tractors, excavators, cranes, etc. particularly advantageously used become.
  • the input device for controlling a ferry operation and / or other functions and z. B. work functions can be used.
  • the input device can also be used particularly advantageously in computer games or gaming. This or a situation simulated by means of software can be exemplary:
  • a staircase in a gaming game, over which the virtual player has to go, can be displayed on the joystick as ripple-like feedback. If the virtual player, moved by the joystick, stands in front of a door or wall, the actuation force increases up to the end stop (high actuation force or high pivoting torque on the actuation lever). If the player has the ball in a soccer game (e.g. FIFA), the joystick is more difficult to operate.
  • a soccer game e.g. FIFA
  • Simulation games (car racing %): In a car racing game or agricultural simulator: Control of the actuation force (e.g. driving the vehicle) depending on the surface such as asphalt, sand, earth, etc. Peak Valley - With settings, or with acceleration, i.e. resistance. Fullstop - in the event of an accident in a racing game so that you can feel the collision. Fine Ripple - When scrolling or on asphalt. Medium Ripple - When driving on softer surfaces. Hard Ripple - driving on grass, hills etc.
  • actuation force e.g. driving the vehicle
  • Fullstop - in the event of an accident in a racing game so that you can feel the collision.
  • Fine Ripple When scrolling or on asphalt.
  • Medium Ripple - When driving on softer surfaces.
  • Preferred joystick movements e.g. the player should only move in the Y direction
  • the input device can also be used in other applications.
  • the input device for operating aircraft (e.g. drones), electronic devices / smart devices, televisions (e.g. as a joystick on the remote control, for navigating through the apps or transmitters and (selecting) them), machines such as machine tools and manufacturing machines in particular as well as devices and preferably medical technology devices or industrial robots.
  • Navigating a cursor in a display / display device is thereby also advantageously possible. If, for example, an important location or an important input destination, e.g. in a navigation application, is virtually crossed using the cursor moved by the joystick, the joystick can briefly output a higher torque or a higher operating force (force feedback), whereby the user recognizes this more quickly and more easily can choose from.
  • Select (Off) confirm by pressing a button on the joystick or moving the joystick in the Z direction (push).
  • the haptic feedback force feedback
  • the haptic feedback can adapt depending on the importance and also depending on the situation.
  • this information is haptically indicated by no or slight feedback (no or a slight ripple) forwarded to the user's hand.
  • Preferred petrol stations are shown more intensely haptically.
  • the possible range is calculated in real time and weighted depending on the range (goals to be reached safely: hold / stop (high torque on the joystick), critical goals due to the battery range: no feedback at all or (followed) by strong vibrations as a warning. ..).
  • a deceleration torque is adapted to a course of a characteristic curve of the restoring unit.
  • the characteristic describes a restoring torque as a function of the pivoting angle of the operating lever.
  • the deceleration torque is set as a function of the swivel angle of the operating lever, so that the deceleration torque at the respective swivel angle is equal to or higher than the restoring torque at the same swivel angle.
  • the deceleration torque is adapted to a spring characteristic of a return spring.
  • the pivot angle of the operating lever is detected by means of the sensor means for this purpose.
  • the sensor means in particular includes at least one sensor (e.g. encoder, rotary encoder, Hall sensor ).
  • the sensor is z. B. an angle sensor and in particular a rotation angle sensor.
  • An absolute position e.g. absolute encoder
  • the sensor means can detect the pivoting angle of the operating lever directly or indirectly via a position of another component and in particular of the braking device. For example, an angular position and / or an angle of rotation of the braking device is detected for this purpose.
  • the detected swivel angle is preferably made available to the control device for controlling the braking device.
  • the control device is preferably suitable and designed to automatically fix the operating lever in the current operating position after it has been actuated.
  • the control device is preferably suitable and designed to set at least one deceleration torque in a targeted manner by means of the braking device.
  • the set deceleration torque corresponds in particular to a reset torque of the preferably present reset unit at / in the current actuation position or is higher than such.
  • the holding / deceleration torque can be set so high that it is possible to move the operating lever further with increased effort (overpressure). However, the deceleration torque can also be set so high that the operating lever is blocked when the manual forces are used during operation. Moving the operating lever further with increased expenditure of force and / or blocking the operating lever can take place in at least one or also in several pivoting directions.
  • the operating lever is received on the support device so that it can pivot about at least two pivot axes.
  • the operating lever can also be accommodated in the support device so as to be pivotable about at least three or four or more pivot axes.
  • the operating device comprises at least two or three or more pivot axes.
  • the operating lever is received on the support device so as to be pivotable at least in two axes and preferably in multiple axes.
  • At least one braking device is preferably coupled with at least one pivot axis.
  • the control device is preferably suitable and designed to dampen at least a part of the provided pivot axes and preferably all of the provided pivot axes separately and in particular also independently of one another during a pivoting movement of the operating lever. In particular, all pivoting movements of the operating lever can be damped separately and preferably also independently of one another.
  • Two or more pivot axes can also be equipped with a common braking device. Then, in particular, a transmission device is provided for coupling the pivot axes to the common braking device.
  • control device is suitable and designed to control the braking device as a function of a sensor-detected swivel angle of the operating lever to control and preferably to adapt and in particular to change and / or specifically maintain.
  • the control device is preferably suitable and designed to adapt the damping of the pivoting movement of the operating lever at least as a function of a pivoting angle of the operating lever detected by the sensor means.
  • the input device comprises in particular at least one sensor means for detecting the pivot angle of the operating lever (in particular the sensor means described above).
  • the pivot angle of the operating lever can be recorded separately for each pivot axis provided.
  • at least one angle sensor or the like is provided for each pivot axis.
  • control device is suitable and designed to use the braking device to set a deceleration torque for the operating lever as a function of the pivot angle and / or time.
  • control device adapts and preferably dynamically adapts the deceleration torque taking into account the pivot angle and / or the time.
  • damping curves that describe the deceleration torque as a function of the swivel angle and / or time can be set and dynamically changed.
  • control device is suitable and designed to control the braking device as a function of at least one control command from an input receiving device.
  • the input receiving device can be coupled or coupled to the input device so that there is an operative connection.
  • the input device according to the invention can comprise at least one input receiving device. It is also possible for the input receiving device and the input device to be provided by an input system. Such a control command can take place independently of an input and / or as a response to an input made with the input device in the input receiving device.
  • the deceleration torque is adapted as a function of the control command.
  • the control command can relate to at least one real operating situation (in particular an operating situation of the input receiving device and / that of the input device) and / or at least one situation simulated by means of software.
  • the control device is suitable and designed to receive the control command and then to adapt the deceleration torque at least taking into account the control command.
  • the control device is suitable and designed to carry out the controls of the braking device described above and / or below, also at least partially as a function of the control command.
  • the damping of the operating lever can be adapted to the respective requirements of an input receiving device, so that optimal and particularly safe operation can always take place.
  • the at least one control command is provided by the input device itself.
  • a control command provided by the input device itself is z. B. the sensor-detected swivel angle and / or the speed of movement of the operating lever and / or a time and / or an operating mode of the input device and / or a user input stored in the input device (e.g. selected user profile, button actuation etc.) and / or at least one (Other) parameters recorded by sensors (e.g. acceleration or position of the input device).
  • the control command can be stored in the control device and / or can be generated by it using stored algorithms.
  • the control command can be generated and / or adapted by at least one user input. At least one control command from another source can also be provided.
  • the control device can receive and process several different control commands.
  • the control device is preferably suitable and designed to convert the control command into at least one haptic signal (force / torque change) that can be perceived on the operating lever, in particular so that the user receives haptic feedback (e.g. increased force at the human-machine interface) as a result of an input made. can get.
  • the input receiving device can specifically influence the mobility or damping of the operating lever.
  • haptic feedback (such as force feedback) can be implemented particularly advantageously.
  • the haptic signal preferably comprises at least the Defined sequence of deceleration moments described in the context of the present invention.
  • the haptic signal particularly preferably comprises at least the defined sequence of (rapidly) changing deceleration moments or forces at the human / machine interface (also called ripples / ticks / raster) described in the context of the present invention.
  • a state of the vehicle or the machine can be communicated via this.
  • the control device is particularly suitable and designed to block at least one pivoting movement of the operating lever in at least one pivoting direction and to release it in at least one opposite pivoting direction.
  • the operating lever can be moved in only one direction along the pivot axis if necessary.
  • Such a unidirectional mobility of the operating lever is advantageous for many situations and can be activated and deactivated as desired with the invention.
  • the control device is suitable and designed to block the pivoting movement from the neutral position and / or a current actuating position in a unidirectional and / or bidirectional and / or multidirectional manner.
  • the pivoting movement of the operating lever can also be damped depending on the direction.
  • control device is suitable and designed to change the direction in which the operating lever is blocked and the direction in which the operating lever is released.
  • the direction is changed at least as a function of a situation and / or the pivot angle and / or the time and / or the control command.
  • the control device can preferably also block both directions and / or release both directions and / or apply a constant and / or variable deceleration torque to both directions.
  • the control device is preferably suitable and designed to increase the deceleration torque by means of the braking device over at least a certain pivot angle range when at least one defined pivot angle is reached and in particular the operating lever after the has been overcome To fix the swivel angle range in at least one target position outside the neutral position.
  • the control device can selectively set at least one deceleration torque which corresponds to a restoring torque of the restoring unit at the target position or is higher than such.
  • the operating lever After overcoming the torque peak, the operating lever automatically remains in its position when it is released (kick and hold).
  • the target position is defined in particular by a pivot angle of the operating lever along at least one pivot axis.
  • the control device is preferably suitable and designed to bring the operating lever back into the neutral position below the defined pivoting angle.
  • the control device is preferably suitable and designed to dynamically define the defined pivot angle and / or the deceleration torque and / or the pivot angle range and / or the target position.
  • the determination can be made as a function of the pivoting angle of the operating lever and / or the time and / or the control command.
  • the control device is suitable and designed to set and / or cancel the swivel angle range and / or the target position at any desired position in the operational swivel range of the operating lever and, in particular, to set it dynamically.
  • the control device is preferably suitable and designed to provide the increased deceleration torque for overcoming the swivel angle range in only one swivel direction, so that the operating lever can be moved back again without such an increased deceleration torque after the swivel angle range has been overcome.
  • a short resistance is generated in one direction, while the return movement to the neutral position takes place without additional resistance (kick down).
  • the control device adapts the increased deceleration torque and / or the direction for the increased deceleration torque as a function of the pivot angle and / or the time and / or the control command, and in particular adapts it dynamically.
  • control device is suitable and designed to fix the operating lever in at least one adjustable detent position and preferably in a plurality of dynamically determinable detent positions.
  • the control device is preferably suitable and designed to use the braking device to specifically increase a present deceleration torque (by a defined factor), so that without additional effort and / or without additional user action, neither further movement nor resetting (by hand and / or by means of the reset unit).
  • the control device is suitable and designed to dynamically determine the latching position and preferably to determine it as a function of the pivot angle and / or the time and / or the control command.
  • Such a configuration offers many advantages and enables, for example, the simulation of a selector lever of an automatic gearshift for motor vehicles (P RN D).
  • the input device can be used for a very large number of different devices and machines or vehicles without design changes being necessary.
  • the user receives individual and adapted feedback according to the intended use. This increases the ease of use and reduces operating errors. Entries can be made particularly intuitively and precisely via the locking positions.
  • any number of latching positions that can be implemented with the braking device can be set at any position in the operational swivel range of the swivel lever.
  • the locking positions can be set as a function of the pivot angle and / or the time and / or the control command.
  • the locking positions are defined at least by a pivot angle and a deceleration torque.
  • the user action includes in particular at least one actuation of at least one switching element. For example, pressing a button on the operating lever is provided.
  • the control device is particularly suitable and designed to increase the deceleration torque from a defined swivel angle before reaching a detent position and / or to reduce it from a defined swivel angle after leaving the detent position. The increase and / or decrease can take place continuously or variably.
  • control device is suitable and designed to block the operating lever when at least a certain pivoting angle is reached and / or in the neutral position and / or in a current position so that no further movement in at least one pivoting direction is possible with a hand force to be applied during operation and / or can take place in all operational pivoting directions.
  • the control device in particular increases a present deceleration torque by a defined factor. Mechanical stop can thus be simulated particularly well.
  • One advantage over conventional mechanical damping is that there is no stick-slip effect and no static friction has to be overcome at the beginning.
  • Such a blocking can also be provided in at least one of the locking positions described above.
  • control device it is possible for the control device to block the pivoting movement of the operating lever for all pivot axes and for all pivoting directions in such a way that no further movement can take place with the manual force to be applied during operation.
  • Such an operating mode axis locked
  • Blocking in only one pivoting direction and / or only for specific pivoting axes is also possible.
  • the swivel direction and / or swivel axis are selected, for example, on the basis of a control command or a User action or near field detection.
  • a container is moved in a container aisle of a container port (there are further containers to the left and right of the container aisle) forwards or backwards (X-axis) using the joystick, the lateral movement axis (Y) can be blocked or made stiff, causing a collision prevented or made impossible.
  • Near field detection systems motion sensors, camera systems, GPS, radar systems Certainly record the situation, a processing unit analyzes the data and lets them flow into possible or meaningful movement patterns from the joystick in real time.
  • the control device can preferably adapt the deceleration torque taking into account a movement speed of the operating lever, in particular an angular speed of a gear stage and / or the braking device.
  • the control device is suitable and designed to at least approximately compensate for a design-related, speed-dependent deceleration torque of the braking device in order to enable a uniform deceleration torque over different speeds.
  • control device is suitable and designed to simulate at least one link mechanism through a combination of a plurality of latching positions and at least one zero position and / or at least one target position and / or a plurality of blocking of the operating lever depending on the pivot angle.
  • a link mechanism of a mechanical manual transmission of a motor vehicle and, for example, an H-shift can be simulated.
  • the input device comprises at least two pivot axes (X and Y axes) for this purpose.
  • several braking devices are coupled to a respective pivot axis in order to generate a link-like movement of the operating lever in a controlled manner by the control device.
  • the operating lever is fixed in a switching position or position and can advantageously also be held there for a longer period of time, for example in the case of an H shift.
  • Permanent magnets can advantageously be used for fixing so that the The magnetorheological braking device does not have to be permanently energized in the switch position, ie it has to build up a deceleration torque.
  • At least one control algorithm for simulating at least one link mechanism is stored in the control device.
  • the control device selects a certain link mechanism depending on a user input and / or the control command of the input receiving device and simulates it. If the input device is installed in a commercial vehicle, a different link mechanism can be simulated for a manual transmission, for example, than for the operation of a work function.
  • a joystick can take on several functions.
  • control device is suitable and designed to delay and release the pivoting movement of the operating lever by means of the braking device in a specific sequence.
  • control device is particularly suitable and designed to set different high deceleration torques for the deceleration and the release.
  • Such a sequence offers reliably perceptible haptic feedback even under difficult operating conditions and can be implemented particularly well with the invention.
  • the sequence is composed in particular of a sequence of relative maxima with a higher deceleration torque and relative minima with a lower deceleration torque.
  • an angular spacing of a period between adjacent relative maxima can be set and is set.
  • the course of the deceleration torque is set over a period as a function of a set operating mode.
  • Such a sequence with particularly short intervals can also be referred to as ripples / ticks.
  • such a sequence is formed from a defined combination of deceleration moments as a function of time and / or the angle.
  • the deceleration moments for the deceleration and / or the release are preferably set as a function of time and / or as a function of the pivot angle and / or as a function of a control command.
  • such a sequence can be set as a function of the pivoting direction and, for example, only take place in one pivoting direction or also in both pivoting directions.
  • Such a sequence can also be provided for damping the restoring movement. Then the return movement is dampened after releasing the operating lever, for example, so that the operating lever is returned to the neutral position with a ripple.
  • the deceleration moments of the sequence are started and / or held and / or ended in particular as a function of the angle and / or time.
  • a change of such dependencies within a sequence can preferably also be provided.
  • the start of the sequence takes place as a function of the angle or time and the length of the sequence is then set as a function of time or angle.
  • the control device is preferably suitable and designed to start the delay moments of the sequence as a function of the angle and to maintain them as a function of time.
  • the control device is suitable and designed to omit a setting of a deceleration torque provided in the sequence if an angular position provided for the start (specific pivot angle of the operating lever) is swiveled over while a deceleration torque is maintained.
  • the control device is particularly preferably suitable and designed to set the different deceleration moments of the sequence with a specific frequency and preferably to set them with a frequency such that the pivoting movement of the operating lever is dampened with a specific vibration.
  • the frequency is at least 20 Hz and preferably at least 50 Hz.
  • the control device is particularly suitable and designed for the different deceleration moments of the sequence dynamically adapt over the time and / or the pivot angle and / or the movement speed (angular speed) of the operating lever and / or the number of settings of deceleration torques that have already been made.
  • Such parameters can also be provided by the control command. For example, an approach to an end position or latching position can be signaled haptically as a result. This allows the user z. B. be warned if he swivels the control lever so that the vehicle enters an operating state that requires special attention (movement of the tool or the load in spatially restricted areas; risk of collision ).
  • the control device can dynamically adapt the different delay moments of the sequence as a function of the control command of the input receiving device and / or the input device. For example, the reaching of a maximum speed or an overload of a crane boom can be transmitted to the input device via the control command, so that the user perceives a vibration of the operating lever.
  • the maximum load of a crane boom depends on the travel position. Lower loads such as those near the crane center may be moved further out on the boom.
  • Measurement near field detection systems can record and analyze the situations and inform the operator haptically about changes in force in the control element when he is in the "green" area (permissible, uncritical), "orange” area (it could become critical) or red area (overload - the The load is too far out on the boom). The operator can then decide how to proceed on the basis of the haptic feedback in the control element. He receives this important feedback without having to move his eyes away from the process, so he does not have to observe any display on the control panel, which is a great advantage.
  • the control device is particularly suitable and designed to set a sequence with deliberately changing deceleration torques.
  • a sinusoidal or cosinusoidal profile is provided for this purpose.
  • the course has a (slight) offset in the negative.
  • the offset is in particular less than 30% and in particular less than 20% and preferably less than 10%.
  • at least two zero crossings per period are provided for the curve.
  • the braking device is controlled with a sine or cosine signal, in particular with a predetermined and in particular adjustable (slight) offset from the zero point.
  • Such a sequence particularly preferably has a course which corresponds to a spring characteristic of a mechanical spring. This enables a particularly realistic simulation of a mechanical joystick.
  • control device is suitable and designed to output at least one haptic warning signal when the operating lever is actuated after a defined time without actuating the operating lever and to preferably set a defined sequence of deceleration moments.
  • the sequence is designed in particular as described above. It is also possible and preferred that after a defined time without actuation of the operating lever, the operating lever is increasingly damped and / or blocked in at least one pivot direction and / or with respect to at least one pivot axis, as described above. In this way, unintentional actuation can be effectively counteracted.
  • control device is suitable and designed to control the braking device with a control frequency of at least 5 kHz and preferably at least 10 kHz and particularly preferably at least 50 kHz.
  • control frequency of at least 5 kHz and preferably at least 10 kHz and particularly preferably at least 50 kHz.
  • the braking device is suitable and designed to implement such a control frequency.
  • control device is suitable and designed to dampen the braking device in real time.
  • the braking device is suitable and designed to implement the deceleration torque in real time.
  • the damping by means of the control device of the braking device is in real time as a function of the pivot angle and / or the time and / or to a control command and / or to a
  • Movement speed or angular speed of the operating lever can be adjusted.
  • the braking device is suitable and designed to change the deceleration torque by at least 30% within less than 100 milliseconds.
  • the deceleration torque can be changed within less than 10 milliseconds by at least 10%, preferably by at least 30% and particularly preferably by at least 50%.
  • the deceleration torque can also be varied within less than 100 milliseconds by at least 100% or 500% or by ten times or a thousand times.
  • the magnetorheological braking device is preferably suitable and designed, in particular by means of a sensor, rotary encoder or incremental encoder, to provide at least 30,000 increments, in particular 30,000 increments / revolution, for a pivot axis of the operating lever.
  • Incremental encoders for example, deliver a certain number of pulses per revolution or a so-called zero pulse per revolution. These can be incremental encoders with UVW signals or absolute encoders). In this way, haptic signals can be implemented particularly effectively.
  • the increments can be used to provide the previously described latching positions and / or the sequences.
  • at least 30,000 increments can be provided per revolution of the braking device and / or the gear stage.
  • the sensor means can include at least 30,000 increments per revolution of the braking device.
  • the braking device is preferably coupled to the at least one pivot axis via at least one gear stage.
  • the gear stage preferably has at least one
  • Other gear ratios are also possible.
  • the gear stage comprises at least one belt drive.
  • the belt drive couples the pivot axis to an axis of rotation of the braking device.
  • the belt drive comprises at least two belt wheels and at least one belt.
  • Other types of gear stages are also possible.
  • the gear stage can have a gear and / or lever gear or the like.
  • the pivot axes are each coupled to a rotation axis of the braking device.
  • the braking device is designed as a rotary damper or at least includes one.
  • the rotary damper comprises two components, wherein one component comprises an inner component and the other component comprises an outer component and the outer component at least partially surrounds the inner component radially, with a radially inward from the inner component and radially outward between the components by the outer component and at least partially filled with a magnetorheological medium annular and circumferential damping gap is arranged, wherein the damping gap can be exposed to a magnetic field to dampen a pivoting movement between the two mutually pivotable components about an axis and wherein a plurality of at least partially radial Arms is provided on at least one of the components and wherein at least some of the arms are equipped with an electrical coil with at least one winding, the winding in each case next to the axis and at a distance from the axis.
  • the electrical coil of the rotary damper is provided for generating the magnetic field and can be controlled by the control
  • a rotary damper which is particularly advantageously suitable for use in the braking device of the invention is described, for example, in patent application WO 2016/156544.
  • the entire disclosure of WO 2016/156544 hereby preferably becomes part of the disclosure content of the present application.
  • the braking device is designed as a magnetorheological transmission device or at least includes one. It is preferably provided that the magnetorheological transmission device is equipped with at least two components that can be coupled, whose Coupling intensity can be influenced, with at least one channel being provided for influencing the coupling intensity, the channel containing a magnetorheological medium with magnetorheological particles that can be influenced by a magnetic field, and at least one magnetic field generating device being provided for generating at least one magnetic field in the channel in order to Magnetic field to influence the magnetorheological medium in the channel, wherein the one component as an outer component surrounds the other component as an inner component and wherein at least one of the two components is mounted via at least one separate bearing and wherein a distance between the outer component and the inner component is at least ten times as large as a typical mean diameter of the magnetically polarizable particles in the magnetorheological medium and the channel can be at least partially exposed to the magnetic field of the magnetic field generating device r is to selectively chain or
  • a magnetorheological transmission device which is particularly advantageously suitable for use in the braking device of the invention is described, for example, in patent application DE 102010055 833 A1 and in patent application WO 2012/034697 A1.
  • the entire disclosure of DE 102010055833 A1 and / or WO 2012/034697 A1 hereby preferably becomes part of the disclosure content of the present application.
  • the braking devices described above can be used particularly advantageously in the input device according to the invention. They can apply the necessary deceleration torques and also set them quickly and, if necessary, in real time and are at the same time particularly compact and also very robust.
  • a magnetorheological medium preferably comprises at least one carrier medium in which at least magnetically conductive particles (eg carbonyl iron particles) are mixed.
  • the carrier medium can e.g. B. an oil, alcohol or water or another liquid include.
  • a separate carrier medium can also be dispensed with or the carrier medium is formed (at least essentially or completely) by the magnetically conductive particles, which can optionally be coated.
  • a preferably liquid carrier medium can be largely or completely dispensed with (vacuum between the particles). It is thus possible for particles that can only be influenced by the magnetic field to be filled into the channel.
  • a gas is preferably added or the gas is already present. This can be air or an inert gas, for example. If z. B. only air or another gas is used, different solids can be mixed to improve certain properties. For example, graphite powder can be mixed in to reduce the friction between the particles (e.g. carbonyl iron particles) since graphite has a lubricating effect.
  • the particles can in particular be coated. PTFE is preferred.
  • a coating with PTFE or a comparable coating preferably prevents the particles from adhering too strongly to one another and thereby clumping and / or agglomerating to form larger piles / clumps. Above a certain size, these agglomerates may be difficult to break up again. Larger clusters do not disintegrate easily or may not disintegrate at all.
  • the particles take up a substantial proportion of the available volume.
  • a particle fraction is preferred which is in particular at least greater than 33% or 50% or 66% and preferably greater than 74%.
  • a larger share of the available volume is also possible. It is preferably possible to achieve a greater density with particles.
  • the particles have an inhomogeneous size distribution.
  • the smaller particles can preferably be arranged in the intermediate spaces between the larger particles.
  • the input system comprises at least one input device according to the invention and at least one input receiving device that is operatively connected to the input device.
  • the input receiving device is preferably designed as a utility vehicle, so that the functions of the utility vehicle can at least partially be operated by the input device. It is also preferred that the input receiving device is designed as a computer and that the computer is in particular equipped with a simulation program and / or a game program.
  • a computer is understood to mean, for example: arithmetic unit, control device, computer which processes data using programmable arithmetic rules, etc.
  • the functions of the simulation program and / or the game program can be operated at least in part by the input device.
  • the utility vehicle is preferably designed as an off-highway vehicle.
  • a utility vehicle can also be referred to as a self-propelled work machine.
  • the utility vehicle is an agricultural or forestry utility vehicle.
  • Other types of commercial vehicles are also possible.
  • the utility vehicle is designed as a tractor, harvesting machine, excavator, crane or the like.
  • the utility vehicle can also be designed as a drone or other aircraft.
  • the operating lever can advantageously be permanently acted upon by the control device and the magneto-rheological braking device with a low deceleration torque. This can in particular prevent the input device from being moved unintentionally in the event of vibrations when driving or even when the input device is not in use. Small vibrations can be advantageously dampened.
  • the damping or the deceleration torque is preferably so small that the input device and in particular the joystick can nevertheless be easily moved by a user. This can be particularly advantageous in an off-highway vehicle.
  • the input system according to the invention also offers a particularly advantageous solution to the problem presented above.
  • the input device and the input receiving device are preferably designed as described above for the input system according to the invention.
  • the method according to the invention is used to operate an input device and in particular a joystick. At least one operating lever of the input device is used to carry out an input into an operating lever that is in operative connection with the input device
  • Input receiving device at least partially pivoted manually about at least one pivot axis. At least one pivoting movement of the operating lever can be specifically damped (and released) by means of at least one magnetorheological braking device coupled to the pivot axis.
  • the braking device is controlled by means of at least one control device at least as a function of a swivel angle (in particular detected by means of at least one sensor means) and / or a movement speed of the operating lever and / or the time and / or at least one operating state of the input receiver device in order to adjust the damping in a targeted manner.
  • the method according to the invention also offers many advantages.
  • the method is preferably designed in such a way that the input device described above and / or the input system can then be operated.
  • the input device according to the invention and / or the input system are suitable and designed to be operated according to the method according to the invention.
  • the operating state of the input receiving device preferably relates to at least one of the following parameters: performance state, speed, acceleration, location in space, surroundings, ground driven over, work carried out, selected user profile, selected operating mode, activity of an assistance system and in particular driver assistance system, situation simulated by means of software, input condition when operating a program (menu items, options, fields, etc.).
  • the pivotability of the operating lever is preferably dampened or blocked in a targeted manner if an operating state with an unrest above a threshold value (for example due to poor ground or work-related vibrations) and / or danger (for example high speed) is present and / or when an assistance system actively intervenes in the use of the input receiving device.
  • a threshold value for example due to poor ground or work-related vibrations
  • danger for example high speed
  • the input receiving device preferably has at least one suitable sensor means and, for example, an acceleration sensor or the like.
  • At least one actuating element is formed on the operating lever.
  • the actuating element is designed as an automatically resetting control button or control button.
  • at least one control switch can be provided. A user input can be made via this, which affects the damping of the pivoting movement of the operating lever. For example, a specific blocking of the pivoting movement can be lifted via this.
  • An operating state with a parameter above a threshold value and / or with a hazard above a threshold value and / or with an intervention by an assistance system is preferably signaled haptically by means of a targeted sequence of different deceleration moments during a pivoting movement of the operating lever.
  • a targeted sequence is preferably designed as described above for the input device according to the invention. In this way, incorrect operation of the input receiving device can be counteracted effectively and reliably. It is also possible for the pivoting movement of the operating lever to be dampened to a lesser extent or to be released when the parameter and / or the hazard fall below the threshold value again.
  • the pivotability (pivoting movement) of the operating lever is variable, but specifically, dampened and / or blocked as a function of at least one situation. It is preferably provided that the pivoting movement of the operating lever is variably adapted as a function of at least one real operating situation (in particular an operating situation of the input receiving device and / or of the input device) and / or at least one situation simulated by means of software, so that targeted increased or reduced damping or even a blockage occurs.
  • the swivel angle or the speed of movement of the operating lever are detected by means of at least one sensor means.
  • the described embodiments for the targeted damping of the pivoting movement can preferably be carried out separately for all or at least some of the pivot axes and / or pivot directions provided.
  • a pivoting movement of the operating lever about a pivot axis can be damped independently of a pivoting movement of the operating lever about at least one other pivot axis.
  • the directions of the pivoting movements of the operating lever can be damped separately and preferably also independently of one another.
  • a forward movement can be damped separately and preferably independently of a backward movement.
  • damping and delaying can preferably be used synonymously.
  • the control device is particularly suitable and designed to specifically delay and release the at least one pivoting movement and the return movement and to block them in the event of the manual forces to be expected on the operating lever.
  • the pivoting movement can also comprise a rotary movement or be designed as such.
  • hand forces of at least 100 N can be generated on the operating lever.
  • all suitable deceleration torques can preferably also be used as holding torques for holding the operating lever and adapted according to the invention.
  • the pivoting movement is damped by adapting a deceleration torque of the braking device.
  • the control device is suitable and designed to adapt a deceleration torque of the braking device in order to dampen the pivoting movement in a targeted manner.
  • the control device is suitable and designed to dynamically set the deceleration torque.
  • the control device can preferably set any deceleration torque that can be generated with the braking device for any pivot angle that can be achieved with the operating lever for and / or for an adjustable duration.
  • the control device comprises a plurality of adjustable operating modes and is preferably suitable and designed to carry out an assignment of deceleration torque and pivot angle and / or duration as a function of the operating mode.
  • the control device is in particular an electronic control device.
  • the control device comprises in particular at least one control algorithm.
  • a deceleration torque is set by activating an electrical coil device of the braking device with a specific current and / or a specific voltage or a suitable signal.
  • the deceleration torque is a function of the pivot angle and / or the time and / or the
  • Movement speed (in particular angular speed) of the operating lever and / or the control command of the input receiving device adapted.
  • the pivoting movement is angle-dependent and / or time-dependent and / or damped dynamically.
  • the control device is suitable and designed to dampen the pivoting movement with a deceleration torque that is constant or variable over time and / or the pivoting angle and, in particular, dynamically adapted.
  • a release of the pivoting movement is understood in particular to mean that only an operational base torque of the braking device is present without an additionally connected magnetorheological delay, for example by energizing a coil device of the braking device.
  • the magnetorheological braking device is in particular inactive, so that no field for actively influencing a magnetorheological medium of the braking device is generated.
  • the embodiments described in the context of the present invention for damping the pivoting movement can also be used in an analogous manner for damping the restoring movement.
  • the neutral position can be set by the control device.
  • the neutral position can also be fixed.
  • FIG. 1 shows a purely schematic representation of an input system with an input device according to the invention in a partially sectioned side view
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of the input device of FIG. 1 in a perspective view
  • FIG. 15 shows a sketch for signal processing in the input device according to the invention.
  • FIG. 1 shows an input device 700 according to the invention designed as a joystick 711, which here is part of an input system 720 and is operated according to the method according to the invention.
  • the input system 720 also includes an input receiving device 710 which is coupled to the input device 700 and which is designed, for example, as a utility vehicle or also as a computer.
  • the input device 700 can be used to make entries in the Input receiving device 710 can be made.
  • the operating lever 705 is equipped with a switch 721 here.
  • the input receiving device 710 does not have to be directly wired to the input device 700; it can also be connected via a radio or signal system or network.
  • the input receiving device 710 can also be spatially removed from the input device 700, e.g. if it is used to control an unmanned aerial vehicle (e.g. a drone).
  • the input device 700 comprises an operating device 701 with an operating lever 705.
  • the operating lever 705 is received here on a support device 704 so as to be pivotable about two or more pivot axes 706, 716. For the sake of clarity, only one pivot axis 706 is shown in more detail here.
  • the operating lever 705 is also attached to the support device 704 by means of a connection 714. After an actuation, the operating lever 705 can be reset to a neutral position 717 by a reset unit 707.
  • the pivoting movement of the operating lever 705 is specifically damped with a magnetorheological braking device 702 (also referred to as an MRF brake).
  • the braking device 702 is coupled to the pivot axes 706, 716 via one or more gear stages 708.
  • the gear stage 708 is designed as a belt drive 718 here.
  • the braking device 702 is designed here, for example, as a rotary damper 1 or as a magnetorheological transmission device 2.
  • the pivoting movement of the operating lever 705 is here transmitted to an axis of rotation 728 of the belt drive 718 and via the belt to the braking device 702.
  • the braking device 702 is thus set into a rotary movement when the operating lever 705 is pivoted.
  • the gear stage 708 and the support device 704 as well as the braking device 702 are shown in more detail in FIG.
  • the power transmission from the operating lever 705 to the here elongated and cylindrical shear damper of the braking device 702 is shown at the bottom right in the figure.
  • the operating lever 705 is flanged onto the wheel 738 at the top left so that when it is pivoted it sets the gear 708 and the shear damper in rotation via the toothed belt.
  • the braking device 702 is activated here by a control device 703, so that the deceleration torque can be adapted to the respective operating situation.
  • the pivoting angle of the operating lever 705 is recorded by means of a sensor means 734.
  • the sensor means 734 comprises e.g. B. an encoder,
  • Rotary encoder, Hall sensor or another suitable sensor With the sensor z. B. detected an absolute or a relative position.
  • the pivot angle of the operating lever 705 is z. B. detected via the angular position or the angle of rotation of the braking device 702 or the gear stage 708.
  • Delay moments are generated.
  • a user receives haptic feedback (so-called force feedback).
  • the haptic signal is generated here by the control device 703 as a result of a control command.
  • the control command is stored, for example, in the control device 703, e.g. B. as an angle-dependent function, or is generated by this on the basis of stored algorithms.
  • the control device 703 can also receive the control command from the input receiving device 710, for example.
  • the operating lever 705 can after an operation such. B. be automatically brought back into the neutral position 717.
  • the return movement is specifically damped here by the braking device 702.
  • the invention provides an input device 700 and in particular an advantageous joystick 711, in which the locking positions are not mechanically fixed and / or in which the behavior of the joystick 711 is not mechanically predetermined when moving, which can also have a force feedback, which in particular requires little installation space and which can also be produced inexpensively.
  • the low power consumption and the low weight are also advantageous.
  • a shear damper or wedge damper with magnetorheological fluid as a controllable braking device 702 can dampen the movement of the joystick 711 or generate the necessary torques at the pivot point or forces on the lever 705.
  • a linear (pivoting) movement X-Y (of the joystick) is first converted into a rotary movement and then dampened.
  • a translation can be built in so that a sufficiently high resistance (force on the lever element or torque on the joystick pivot point) can be provided.
  • the gear ratio can be 2: 1 or 3: 1 or 4: 1 or more. In a specific variant, it is around 3: 1. High transmission ratios have the disadvantage of (inter) play and require more installation space. However, the braking torque of a shear damper can be increased accordingly. In a specific embodiment, it is less than or approximately equal to 4 Nm, so that with a gear ratio of 3: 1, a controllable braking torque of 12 Nm can be provided on the joystick.
  • the transmission can be via a transmission with appropriate gears z.
  • a shear damper with magnetorheological fluid and 4 Nm braking torque has dimensions of 32 mm (diameter) x 80 mm in length, i.e. a construction volume of approx. 65,000 mm 3 .
  • An electric motor with approx. 4 Nm torque (stepper motor, servo motor), on the other hand, has about that Dimensions of 100 x 100 x 200 mm, i.e. a construction volume of approx. 2500000 mm 3 . This is roughly 38 times the volume of the shear damper.
  • the magnetorheological wedge principle can also be used as the braking device (brake / damper), as is described in WO 2012/034697 A1 by the applicant.
  • the magnetorheological wedge damper is even smaller than the magnetorheological shear damper, it has the dimensions of approx. 40 mm (diameter) x 20 mm, i.e. a construction volume of approx. 26,000 mm 3 , which is almost 100 times less than the electric motor.
  • Hydraulic or pneumatic systems require less space than electric motors, but lines and additional systems are necessary (pressure accumulators, pumps ).
  • the controllability and noise development are also very disadvantageous. Both cannot be used in computer games or gaming or are not accepted by users.
  • Electric motors also have the disadvantage that, due to their concept, they heat up and overheat if high torques (holding torques) are required over a longer period of time at standstill (the coil winding becomes warm, which increases the resistance in the coil wire, which increases the temperature even more, etc.) .
  • the electricity demand and the heating then rise disproportionately.
  • Magnetorheological braking devices do not have this disadvantage.
  • the behavior of the joystick during the movement, ie the actuation force or feedback generated thereby (mostly with / on the actuation hand) can be variably controlled in the invention depending on the situation. This is achieved in that when controlling the electronics, the regulation of the magnetic field in the magnetorheological braking device (e.g.
  • Use cases are situation-dependent use cases.
  • a use case bundles a number of scenarios or even all possible scenarios that can occur when a user tries to achieve a specific goal with the aid of the described system.
  • a use case can also be referred to as an application situation.
  • a barrier in one direction of rotation should not also block in the other direction of rotation (free-wheeling function). If you move the joystick in the direction of the barrier, the torque should be canceled immediately when no more force is applied in the direction of the barrier. Otherwise the user feels that the joystick is sticking to the barrier. The lever practically “sticks", which worsens the resulting reaction (the user's wish) on the vehicle. If, however, the joystick is moved again in the direction of the barrier, the torque should be increased again immediately so that the user immediately notices the barrier .
  • the linear or pivoting movement of the joystick can be converted into a rotary movement on a wheel.
  • the movement can be brought to a higher rotational speed via a gear stage 708 so that the shear damper can transmit more braking torque to the joystick.
  • a specifically designed shear damper cannot apply more than 4 Nm braking torque in the space available.
  • the transmission can consist only of toothed wheels or can be equipped with toothed belts, chains, friction wheels and the like. Gears have the disadvantage that the geometry is dictated by the size of the gears. In contrast, the use of a toothed belt is more flexible in design and also quiet. It is also possible to use gearwheels that are braced with respect to one another / against one another, so that they are free of play.
  • the magnetorheological braking device 702 or the shear damper or the MRF braking element can also be made structurally larger, as a result of which higher damping / braking torques can be generated. In most cases, however, the combination of a smaller damping / braking unit with a transmission is a better solution in terms of installation space, weight and costs.
  • any MRF braking device can be used instead of the shear damper (wedge bearing, swivel vanes, etc.).
  • the transmission for the translation is advantageous in addition to the advantages also mentioned above in order to save space, since the brake does not have to be flange-mounted directly and can thus be positioned as desired.
  • the quickly reacting MRF brake (in the range of a few milliseconds) can generate a large number of haptic feedback.
  • the advantages of MRF brakes, such as the quick response and any adjustable force / torque during operation, are used.
  • FIGS. 3 to 13 show curves of the deceleration torque over the angle of rotation or time.
  • the invention prevents this swing back in a standard mode. No barriers or ripples are created.
  • the maximum speed of the joystick movement is regulated (V regulation). The maximum speed depends on the position (i.e. the angle) of the joystick. The closer it comes to the zero position (middle position), the more the movement is braked, the slower the possible movement.
  • Figure 3 shows the maximum angular speed of the shear damper in the joystick, depending on the angular position of the joystick.
  • the joystick's axis of movement is blocked in one direction from the 0 ° position, and the shear damper creates a torque barrier in this direction. Moving is only possible in the other direction.
  • the barrier acts (only) in one direction.
  • a torque barrier is created in one direction of rotation.
  • the joystick can only be pushed in the opposite direction.
  • the joystick can stop at any point.
  • the torque of the magnetorheological braking device and here the shear damper is adapted to the course of the spring characteristic of the return spring, ie the damper provides the same braking force as the return spring applies in the other direction If a user pushes the joystick into a position and releases it, the joystick remains in precisely this position.
  • FIG. 5 shows the course of the torque as a function of the characteristic curve of the return spring. The torque is always so high that the joystick remains in the respective position when it is released.
  • Hand alternates / adjusted between a low and a high value.
  • the user feels a pattern of alternating movement and braking.
  • the spacing and length of the individual torque positions can be controlled either as a function of time or angle or as a combination of these.
  • the barriers are started at certain angular positions and held up to a certain angle (angle triggered).
  • This mode is shown in FIG.
  • the ripple starts at 10 ° and changes the resistance in 1 ° steps.
  • the ripple is only generated in one direction (no longer when moving back to the O-position).
  • FIG. 6 shows a ripple triggered and controlled via the angle.
  • the braking torque (Y-axis) is applied alternately between a high and a low (e.g. basic torque) torque or the force (Y-axis) between the operating hand and the joystick on the lever is varied.
  • the The length 743 of the barriers and also the distance 753 between the barriers are predetermined in time (FIG. 7).
  • FIG. 7 shows the time-triggered and controlled ripple.
  • the X-axis shows the time
  • the Y-axis the force on the operating lever or the torque (deceleration torque) at the pivot point.
  • the distance and length are timed.
  • the two modes can be combined by swapping the triggering.
  • the starting points of the barriers can be determined using the angle, but the length always using the same time, as shown in Figure 8.
  • the ripple starts at a certain angle
  • the barrier is held for a certain time and then released, no matter what angle you are at. If an angular position (start position) is exceeded in the duration of a ripple, this ripple point can be omitted or appended directly.
  • the speed of movement can be controlled or a high-pass filter for vibrations or tremors can be implemented with a period duration that can be set quickly.
  • Vibration or shaking means that the feedback it creates feels like vibrating or shaking on the user's hand.
  • Figure 8 shows the time-controlled and angle-triggered ripple.
  • the length is specified in time, the starting points are specified by the angle.
  • a ripple mode can of course also be changed over time or the angular position, e.g. the mode can change (become finer) after a certain number of ripple points.
  • the spring-ripple mode of operation is a modified form of the ripple mode.
  • the ripple barriers are not caused by a jump (low-high; little-much) in the actuator current and the resulting from it Magnetic field generated but change steadily. This way you can feel how the barriers build up and then decrease again.
  • the control signal can be a sine or cosine signal with a slight offset from the zero point.
  • the current changes constantly without jumps and briefly becomes slightly negative, the metal in the damper or the magnetorheological braking device is demagnetized and magnetized again for a short time before the current becomes positive again and is demagnetized again and magnetized again.
  • the user experiences this alternation between magnetization and demagnetization and the continuous change in damping / braking similar to braking by a detent spring in a backdrop (mountain / valley backdrop).
  • FIG. 9 shows the actuator current in the spring-ripple mode. The current changes continuously with two zero crossings per period.
  • the current can be adapted to an angular velocity.
  • the torque from the damper is speed dependent and decreases with higher speeds. In order to obtain the same torque over different speeds, the current must be increased.
  • the joystick can be set between different locking positions (for example, with automatic shifting: front, neutral, rear).
  • the torque is minimal between the predetermined locking positions and is reduced when the Position raised to a value in which the joystick remains (stops) because the restoring force of the spring is not sufficient to overcome the braking force. If the user wants to move the joystick into a different position, the resistance must be overcome and can go up to
  • the latching positions are, for example, at -8 °, 0 ° and 8 °. At, for example, -10 ° and 10 °, an end stop is generated in the form of maximum torque.
  • the joystick When the joystick is in the zero position, it cannot be moved. If it is deflected at the beginning, it can be brought back to the 0 position and is then blocked. If the joystick is in a positive position and is accelerated in a positive direction (as in a negative position with negative acceleration) the joystick is blocked. Otherwise it can move freely so that it can be brought back into the O-position (home position).
  • FIG. 11 shows the blocking of the movement in both directions.
  • the resistance is increased over a short angular range at a certain angle.
  • the resistance is also maintained by the return spring or the user's hand when the joystick is moved back and is therefore active in both directions of movement be active in one direction of movement.
  • the joystick is then held in this position.
  • the torque peak begins at 15 ° and ends at 18 °. That means, if the joystick is pressed and released over this range (here greater than 18 °), it moves back spring-loaded up to 18 ° and then remains at 18 °. If it is below 18 °, it goes back spring-loaded to the zero position.
  • FIG. 12 shows "kick &hold" in the forward direction.
  • the torque peak is provided here in both pivoting directions (ie back and forth from the neutral position).
  • the adaptive joystick according to this invention is used to simulate, for example, the classic setting of a mechanical gear shift (e.g. H-shift / setting).
  • a mechanical gear shift e.g. H-shift / setting.
  • the MRF dampers / brakes are alternately controlled so that the joystick can only be moved according to e.g. an H-scheme. If the operator / user wants to move the joystick or, in this case, the gearshift lever of, for example, a motor vehicle (car) diagonally from switch position 2 to switch position 3, this is activated by energizing the X-axis and Y-axis MRF damper (magnetorheological braking device ) prevented. Initially, only one movement of the Y-axis damper is permitted, the X-axis damper is blocked. Only one movement of the X-axis damper is permitted from the Y-travel center, the Y-axis damper is blocked.
  • the resistance increases in particular linearly or via a polynomial and thus shows the user via the resistance in which range he is. For example, the resistance increases the faster a machine is operated or the load is moved and thus prevents accidents caused by excessive speeds.
  • a combination of the modes is also possible. Any modes can be combined. For example, you can combine a “ripple” and the “smart stop” so that the joystick generates a ripple when you move it and stops when you let go.
  • the sensors can also be used to quickly switch between modes if the direction is changed.
  • the gaming joystick For use in gaming, demands are placed on the gaming joystick, such as good stance even with fast movements (stable material, sufficient weight).
  • the joystick should be ergonomically shaped, a good replica of real control joysticks and possibly have enough buttons for special assignments.
  • the resistance of the joystick changes depending on Game situation. This allows adaptation to real systems (e.g. the flight simulator game joystick of a Boeing 747 behaves differently than that of a Cessna) and / or an additional response / feedback from the system through vibrations is possible.
  • real systems e.g. the flight simulator game joystick of a Boeing 747 behaves differently than that of a Cessna
  • an additional response / feedback from the system through vibrations is possible.
  • the resistance at zero point is an important criterion, especially for gamers (flight simulators): Real cockpit joysticks have very little resistance around zero, good joysticks should imitate real cockpit joysticks as well as possible. An MRF braking device with a very low basic torque can keep the resistance around the zero point very low.
  • Vibration can be simulated "passively" by the MRF brake by generating a ripple with very short intervals, whereby the user feels a vibration when moving.
  • a particular advantage of the invention is the adaptivity.
  • a series part can be developed, which can be adapted as required to the respective customer requirements. Small series can be produced much faster and production costs can be saved.
  • buttons can be provided at the same time, which can be assigned individually. Customization can be carried out on a customer-specific basis. The design is possible for right and left-handers. Personalized and / or intelligent feedback can be provided. The construction is flexibly adaptable. There are low costs due to the few parts.
  • the force of the spring or return spring can be canceled.
  • the force of the return spring used can be "adjusted" by damping the return force.
  • the same spring strength can be used for different joysticks for which a differently strong return force is required (in this case an active support when moving against the spring
  • the adaptability also applies to different temperatures, soiling, aging and wear and tear.
  • the user receives the same (familiar) haptic feedback and behavior regardless of these changed parameters.
  • the adjustment force (pressure point) etc. can be adjusted depending on the customer or customer requirements. This also depends on the external condition, ie on a smooth surface in a vehicle: smaller moments / forces. This reduces the operator's effort and fatigue. On rough roads or uneven terrain: higher forces / torques. This reduces incorrect switching and allows more precise movement.
  • the braking / damping does not take place via classic friction-based brakes.
  • the MRF dampers dampen depending on the current / magnetic field. When the magnetic field is switched off, the braking effect is immediately canceled, regardless of how fast the movement is. The braking force is not or only slightly dependent on speed, so the jerky movements of the stick-slip effect cannot occur.
  • a multi-axis mode is also possible (multi-axis and single-axis mode).
  • Each individual rotary movement around a separate axis can be controlled separately via separate magnetorheological braking devices. If necessary, a single magnetorheological braking device is also sufficient for braking rotary movement about different axes.
  • joysticks with only one direction of movement e.g. forward
  • up to 4 directions forward, backward, left, right
  • the performance can be displayed haptically.
  • the performance that a machine / vehicle brings can e.g. B. be indicated by increased resistance.
  • Haptic feedback can significantly increase safety when operating machines, as the user does not have to look at displays to identify problems.
  • Medical applications are also advantageous with the invention actionable. It is possible to control robots during an operation, for example to avoid wrong cuts with a scalpel or to reproduce different cutting forces.
  • Laboratory equipment can be controlled in the laboratory. So z. B. an automatic shifting of a sample holder in the microscopy can be made to prevent collisions.
  • Unintentional activation can be prevented. An adjustment to external circumstances is possible. Unintentional activation can be prevented if, for example, a short ripple is generated by default after a long period of non-use. A user can feel immediately if he accidentally moves the joystick. An impact coming from outside (e.g. a pothole is driven through) can lead to an undesired adjustment. This can be prevented by increasing the force / torque when such an event occurs and is recorded, analyzed and passed on to the joystick control unit by the overall system. E.g .: If a vehicle acceleration sensor detects increased body movements, the necessary joystick actuation force / torque is automatically adjusted so that operating errors are reduced.
  • the joystick can recognize which user wants to use the joystick via Bluetooth, WLAN, ZigBee, NFC, Wi-Fi, LiFi, 3G, smartphone, smartwatch, chip, key, etc. and can be pre-configured or automatically adapted to their needs / preferences.
  • the joystick or the associated control electronics can also be adaptive (fuzzy logic. Artificial intelligence. Machine learning) and thus continuously optimize operating comfort and reduce operating errors.
  • Near-field detection systems (radar, ultrasound, camera-based, lidar ”) deliver important information to the control electronics of the joystick and thereby influence the haptic feedback.
  • the angle sensor preferably has more than 30,000 increments per revolution and the control frequency of the controller is more than 5 kHz.
  • the overall system can also be set up redundantly if the application requires it (e.g. double position sensors and rotary dampers ).
  • control electronics recognize the imminent failure of a relevant sensor or damper at an early stage, this can be clearly signaled to the user in the form of haptic feedback (e.g. persistent strong vibration). This also applies if, for example, the Y-axis sensor fails and the user still wants / has to operate the X-axis.
  • the adaptive joystick can also adapt to such special or emergency situations and provide the user with the best possible support with the remaining operating options (with feedback).
  • the magnetorheological braking device is specifically braked with a corresponding (constant or variable) frequency in such a way that a corresponding sound signal is generated.
  • the control device is used for control. It is also possible, however, for a separate signal generator to be used for the targeted control of the audio signals and for the activation (activation and deactivation) of the braking device. In addition to a particular rhythmic activation and deactivation of the braking device, a corresponding increase and decrease in the braking effect can also be generated in order to output acoustic signals or tones. An alternative or additional sound output is also possible in all configurations via a loudspeaker or sound generator. List of reference symbols:

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Abstract

Eingabegerät (700), insbesondere Joystick (711), mit einer Bedieneinrichtung (701) und mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung (702) und mit einer Steuereinrichtung (703) zur Ansteuerung der Bremseinrichtung (703). Die Bedieneinrichtung (701) umfasst eine Trageinrichtung (704) und einen Bedienhebel (705) umfasst, welcher um wenigstens eine Schwenkachse (706) schwenkbar an der Trageinrichtung (704) aufgenommen ist. Ein Sensormittel (734) ist zur Erfassung eines Schwenkwinkels des Bedienhebels (705) vorgesehen. Dabei ist die Bremseinrichtung (702) mit der Schwenkachse (706) gekoppelt, um eine Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) durch die Steuereinrichtung (703) gesteuert zu dämpfen. Die Steuereinrichtung (703) ist dazu geeignet und ausgebildet ist, die Bremseinrichtung (702) in Abhängigkeit eines Steuerbefehls anzusteuern und den Steuerbefehl in ein an dem Bedienhebel (705) wahrnehmbares haptisches Signal, vorzugsweise eine definierte Abfolge (713) von Verzögerungsmomenten, umzusetzen, sodass der Benutzer als Folge einer vorgenommenen Eingabe eine haptische Rückmeldung (sog. Force Feedback) erhalten kann.

Description

Eingabegerät und Eingabe System sowie Verfahren zum Betreiben eines
Eingabegeräts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Eingabegerät, insbesondere einen Joystick, mit wenigstens einer Bedieneinrichtung und mit wenigstens einer magnetorheologischen Bremseinrichtung und mit wenigstens einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Bremseinrichtung. Die Bedieneinrichtung umfasst wenigstens eine Trageinrichtung und wenigstens einen Bedienhebel, welcher um wenigstens eine Schwenkachse schwenkbar an der Trageinrichtung aufgenommen ist. Insbesondere ist wenigstens ein Sensormittel zur Erfassung eines Schwenkwinkels des Bedienhebels umfasst.
Im Stand der Technik weisen Joysticks oft eine mechanische Kulisse bzw. mechanische Feder- oder Rastsysteme für die Darstellung verschiedener Funktionen auf. Besonders Joysticks von Nutzfahrzeugen bzw. OFF-Highwayfahrzeugen wie Baumaschinen und dergleichen weisen meist mechanische Lösungen mit Kulissen und Rückstellfedern und Reibbremsen für die entsprechenden Rastpositionen und zur Rückführung in die Neutralstellung auf. Zur Bewegungsübertragung sind meist ein komplexes Getriebe und/oder eine Kardanwelle oder dergleichen vorgesehen. Potentiometer, Halleffektsensoren oder Encoder werden zur Signalerzeugung bzw. Positionserkennung verwendet. Bei Desktopanwendungen sind Tischjoysticks für Anwendungen im Innenbereich bekannt geworden, z. B. im Labor zur Steuerung von Laborgeräten, medizinischen Geräten, Maschinen oder Roboter in der Industrie etc.
Für die Verwendung beim Gaming (Computerspielen) und auch in anderen Anwendungsbereichen sind Joysticks mit Force-Feedback bekannt geworden. Mit solchen Force-Feedback-Joysticks werden Situationen wie z. B. holprige Bodenbeläge erfasst und als mechanische Rückkopplung in Form von Ruckein oder leicht-/schwergängigem Joystick an den Spieler zurückgegeben (Feedback). Dabei kommen beim Stand der Technik meist Vibrationsmotoren zum Einsatz, die keine Momenten- oder Krafterhöhungen am Bedienelement erzeugen können. Elektromotoren oder Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, die bei professionellen Joysticks/Simulatoren über 100 N (Newton) Betätigungskraft an der Bedienfläche erzeugen können, um das Gefühl so realistisch wie möglich zu gestalten, sind teuer, groß und aufwendig. Bei einem Hebelabstand (Abstand vom Joystickdrehpunkt zur Benutzerhand) von 10 bis 15 cm entspricht dies einem Drehmoment von 10 bis 15 Nm. Damit ein solch hohes Drehmoment mit hoher Qualität (wenig Wechselspiel, geräuscharm, schnellem Ansprechen, stufenlos steuerbar) erzeugt werden kann, benötigt es besonders große und meist sehr teure Aktoren, welche zudem viel Bauraum benötigen. Der Bauraum ist bei vielen Anwendungen sehr knapp.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bedienqualität und den Funktionsumfang eines solchen Eingabegeräts zu verbessern (nutzerorientierte Gestaltung des haptischen Feedbacks). Vorzugsweise soll das Eingabegerät auch besonders flexibel für verschiedene Einsatzbereiche verwendbar sein. Zugleich soll das Eingabegerät kompakt aufgebaut sein bzw. wenig Bauraum benötigen und unaufwendig bzw. kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Eingabegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Eingabesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 26 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 27. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Das erfindungsgemäße Eingabegerät ist insbesondere als ein Joystick ausgebildet. Das Eingabegerät umfasst wenigstens eine Bedieneinrichtung und wenigstens eine magnetorheologische Bremseinrichtung und wenigstens eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Bremseinrichtung. Die Bedieneinrichtung umfasst wenigstens eine Trageinrichtung und wenigstens einen Bedienhebel.
Der Bedienhebel ist insbesondere als ein Joystickhebel ausgebildet. Der Bedienhebel ist um wenigstens eine Schwenkachse schwenkbar an der Trageinrichtung aufgenommen. Insbesondere ist wenigstens ein Sensormittel zur Erfassung eines Schwenkwinkels des Bedienhebels umfasst. Die Bremseinrichtung ist mit der wenigstens einen Schwenkachse gekoppelt, um wenigstens eine Schwenkbewegung des Bedienhebels durch die Steuereinrichtung gesteuert zu dämpfen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Bremseinrichtung wenigstens in Abhängigkeit wenigstens eines Steuerbefehls anzusteuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Steuerbefehl in wenigstens ein an dem Bedienhebel wahrnehmbares haptisches Signal, vorzugsweise eine definierte Abfolge von Verzögerungsmomenten, umzusetzen. Insbesondere kann dadurch ein Benutzer wenigstens als Folge einer vorgenommenen Eingabe und/oder während einer Eingabe eine haptische Rückmeldung (sog. Force Feedback) erhalten.
Das erfindungsgemäße Eingabegerät bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bietet die gezielt gesteuerte Dämpfung des Bedienhebels. Besonders vorteilhaft ist auch die haptische Rückmeldung (sog. Force Feedback). Dadurch werden die Bedienqualität und zugleich auch die Sicherheit bei den Bedienvorgängen erheblich verbessert. Zugleich wird eine besonders kompakte und Bauraum sparende sowie unaufwendig umsetzbare Dämpfung ermöglicht.
Insbesondere wird die Schwenkbewegung des Bedienhebels wenigstens in Abhängigkeit von dem sensorisch erfassten Schwenkwinkel des Bedienhebels gedämpft. Insbesondere ist die Schwenkbewegung des Bedienhebels mit der Bremseinrichtung dämpfbar. Insbesondere stehen die Bremseinrichtung und die Steuereinrichtung dazu miteinander in Wirkverbindung. Insbesondere ist die Bremseinrichtung durch die Steuereinrichtung ansteuerbar. Insbesondere ist die Schwenkbewegung des Bedienhebels mittels der Bremseinrichtung und mittels der Steuereinrichtung gesteuert dämpfbar. Insbesondere ist die Bremseinrichtung derart durch die Steuereinrichtung ansteuerbar, dass die Schwenkbewegung des Bedienhebels gezielt und vorzugsweise (dynamisch) anpassbar gedämpft wird. Insbesondere ermittelt die Steuereinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines der nachfolgend beschriebenen Parameter ein Soll-Verzögerungsmoment und steuert die Bremseinrichtung dann derart an, dass die Bremseinrichtung ein Soll- Verzögerungsmoment zur Dämpfung der Schwenkbewegung des Bedienhebels aufbringt.Vorzugsweise ist der Bedienhebel nach einer erfolgten Betätigung automatisch in eine bestimmungsgemäße Neutralstellung mittels wenigstens einer Rückstelleinheit zurückschwenkbar. Dabei ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, wenigstens eine von der Rückstelleinheit ausgeführte Rückstellbewegung mittels der Bremseinrichtung gezielt zu dämpfen. Vorzugsweise kann das Dämpfen der Rückstellbewegung für alle vorgesehenen Schwenkachsen separat vorgenommen werden. Insbesondere erfolgt die Dämpfung der Rückstellbewegung durch Anpassung eines Verzögerungsmoments der Bremseinrichtung.
Durch das Dämpfen der Rückstellbewegung wird ein unerwünschtes Überschwingen des Bedienhebels um die Neutralstellung wirkungsvoll verhindert. So wird gewährleistet, dass der Bedienhebel aufgrund der Federrückstellkraft nach dem Loslassen präzise zur Neutralposition hin gebremst und zurückgezogen wird. Bei herkömmlichen Joysticks schwingt der Hebel nach dem Loslassen aus einer federvorgespannten Position (z.B. Endstellung) meist über die Neutralstellung hinaus und von dort wieder zurück, sodass sich der Hebel erst mit der Zeit einpendelt. Das ist bei der Bedienung von Fahrzeugen und Maschinen sehr problematisch und beim Gaming sehr unerwünscht, da diese Ausschwingbewegung auch Eingaben bzw. vom Eingabegerät ausgehende Steuerbefehle verursacht, d. h. das mit dem Joystick bediente Werkzeug vollführt die gleiche Ausschwingbewegung. Mit der Erfindung bzw. einer ihrer Ausgestaltungen wird diese Problematik gelöst und zugleich der Bedienungskomfort und auch die Bedienungssicherheit erheblich verbessert.
Das Eingabegerät kann z. B. zur Steuerung bei Fahrzeugen und/oder Flugzeugen und insbesondere zur Steuerung bei Nutzfahrzeugen und vorzugsweise bei der Steuerung von OFF-Highway Fahrzeugen (solche Maschinen können auch als selbstfahrende Arbeitsmaschinen bezeichnet werden) wie Pistenraupen, Traktoren, Baggern, Kränen etc. besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Dabei kann das Eingabegerät zur Steuerung eines Fährbetriebs und/oder anderer Funktionen und z. B. Arbeitsfunktionen einsetzbar sein. Besonders vorteilhaft kann das Eingabegerät auch bei Computerspielen bzw. Gaming eingesetzt werden. Diese bzw. eine bei diesen mittels einer Software simulierte Situation können beispielhaft sein:
Eine Treppe in einem Gamingspiel, über welche der virtuelle Spieler gehen muss, kann am Joystick als rippelartiges Feedback wiedergegeben werden. Steht der virtuelle Spieler, bewegt durch den Joystick, vor einer Tür oder Wand, so erhöht sich die Betätigungskraft bis hin zum Endstop (hohe Betätigungskraft bzw. hohes Schwenkmoment am Betätigungshebel). Besitzt der Spieler in einem Fußballspiel (z.B. FIFA) den Ball, lässt sich der Joystick schwerer betätigen.
In Ziel- und Schießspielen: Je nach Schwere oder Feuerkraft der Waffe anderes Feedback bei der Auswahl. Der Momentenverlauf des Abzugshebels am Game-Controller (Joystick in Y-Richtung) für die Betätigung von Schlusswaffen im Spiel ändert sich entsprechend der gewählten Waffe. Ladehemmung: Blockiert. Munition geht zu Ende: Geht schwerer oder Rippel.
Simulationsspiele (Autorennfahren...): Im Autorennfahrspiel oder Landwirtschaftssimulator: Steuerung der Betätigungskraft (z.B. das Fahren des Fahrzeuges) abhängig vom Untergrund wie Asphalt, Sand, Erde etc. Peak Valley - Bei Einstellungen, oder bei Beschleunigung, also Widerstand. Fullstop - Bei Unfall in einem Racingspiel, sodass man die Kollision spürt. Fine Ripple - Beim Scrollen, oder auf Asphalt. Medium Ripple - Bei Fahren auf weicherem Untergrund. Hard Ripple - Fahren auf Wiese, Hügel etc.
Hilfestellung (Lernmodus): Bevorzugte Joystickbewegungen (z.B. soll sich der Spieler nur in Y-Richtung bewegen) gehen leichter wie Joystickbewegungen/-befehle, welche für den positiven Spielverlauf nachteilig sind.
Vernetztes Spielen: Die Haptik (Forcefeedback) verändert sich abhängig von den anderen Spielern bzw. deren Input/Mitwirken. Eine schnellere und präzisere Steuerung ist damit möglich. Das Eingabegerät kann auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise ist das Eingabegerät für das Bedienen von Fluggeräten (z.B. Drohnen), elektronischen Geräten / Smart Devicen, Fernsehern (z.B. als Joystick auf der Fernbedienung, zum Navigieren durch die Apps oder Sender und (aus)wählen dieser), Maschinen wie insbesondere Werkzeugmaschinen und Fertigungsmaschinen sowie Geräten und vorzugsweise Medizintechnikgeräten oder Industrierobotern einsetzbar.
Das Navigieren eines Cursors in einem Display /Anzeigegerät ist dadurch auch vorteilhaft möglich. Wird z.B. ein wichtiger Ort oder ein wichtiges Eingabeziel z.B. in einer Navigationsapplikation mittels dem vom Joystick bewegten Cursor virtuell überfahren, so kann der Joystick kurzzeitig ein höheres Drehmoment bzw. eine höhere Bedienkraft ausgeben (Force-Feedback), wodurch der Benutzer dieses schneller erkennt und leichter (aus)wählen kann. (Aus)wählen = Bestätigen durch Drücken eines Knopfes am Joystick oder Verfahren des Joysticks in Z-Richtung (Push). Die haptische Rückmeldung (Force-Feedback) kann sich je nach Wichtigkeit und auch situationsabhängig anpassen. Benötigt das Fahrzeug elektrische Energie oder Kraftstoff und es wird z.B. vom Fahrzeugbenutzer mit dem Cursor eine Tankstelle in der Navigationsapp virtuelle überfahren, die bei der berechneten Ankunftszeit geschlossen hat, wird diese Information haptisch durch keine oder eine leichte Rückmeldung (kein oder ein leichter Rippel) an die Benutzerhand weitergeleitet. Bevorzugte Tankstellen werden haptisch intensiver dargestellt. Bei Elektrofahrzeugen wird hierbei die mögliche Reichweite in Echtzeit einkalkuliert und je nach Reichweite gewichtet (sicher zu erreichende Ziele: Festhalten/Stopp (hohes Drehmoment am Joystick), aufgrund der Batteriereichweite kritische Ziele: gar kein Feedback oder (gefolgt) von starkem Vibrieren als Warnung...). Dies gilt auch wenn an einer Werkzeugmaschine Werkzeuge (aus)gewählt werden, bei einem CAD System eine wichtige Zeichnungslinie oder ein Bemassungsstartpunkt oder bei einem Fotoapparat der Scharfstellungspunkt „gefangen" werden muss, bei einer Drohne oder in einem Spiel (Gaming) Ziele angeflogen werden. Zur gezielten Dämpfung der Rückstellbewegung ist insbesondere vorgesehen, dass ein Verzögerungsmoment an einen Verlauf einer Kennlinie der Rückstelleinheit angepasst wird. Insbesondere beschreibt die Kennlinie ein Rückstellmoment als Funktion des Schwenkwinkels des Bedienhebels. Insbesondere wird das Verzögerungsmoment in Abhängigkeit des Schwenkwinkels des Bedienhebels eingestellt, sodass das Verzögerungsmoment am jeweiligen Schwenkwinkel gleich oder höher ist als das Rückstellmoment am gleichen Schwenkwinkel. Insbesondere ist das Verzögerungsmoment an eine Federkennlinie einer Rückstellfeder angepasst. Insbesondere wird dazu der Schwenkwinkel des Bedienhebels mittels des Sensormittels erfasst.
Das Sensormittel umfasst insbesondere wenigstens einen Sensor (z. B. Encoder, Drehgeber, Hallgeber...). Der Sensor ist z. B. ein Winkelsensor und insbesondere Drehwinkelsensor. Es kann eine absolute Stellung (z. B. Absolutwertgeber) oder eine relative Stellung erfassbar sein. Das Sensormittel kann unmittelbar oder auch indirekt über eine Stellung eines anderen Bauteils und insbesondere der Bremseinrichtung den Schwenkwinkel des Bedienhebels erfassen. Beispielsweise wird dazu eine Winkelstellung und/oder ein Drehwinkel der Bremseinrichtung erfasst. Der erfasste Schwenkwinkel wird vorzugsweise der Steuereinrichtung für die Ansteuerung der Bremseinrichtung bereitgestellt.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Bedienhebel nach einer erfolgten Betätigung automatisch in der aktuellen Betätigungsstellung zu fixieren. Dazu ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, mittels der Bremseinrichtung gezielt wenigstens ein Verzögerungsmoment einzustellen. Das eingestellte Verzögerungsmoment entspricht insbesondere einem Rückstellmoment der vorzugsweise vorhandenen Rückstelleinheit an/in der aktuellen Betätigungsstellungoder ist höher als ein solches. Das hat den Vorteil, dass der Bedienhebel nach dem Loslassen an einer beliebigen Stellung in der jeweiligen Stellung verbleibt und nicht in die Neutralstellung zurückgeht. Eine solche Funktion, auch als smart stop bezeichnet, ist für zahlreiche Bedienungsszenarien von großem Vorteil.
Dabei kann das Halte-/Verzögerungsmoment so hoch eingestellt werden, dass mit einem erhöhten Kraftaufwand ein Weiterbewegen des Bedienhebels möglich ist (Überdrücken). Das Verzögerungsmoment kann aber auch so hoch eingestellt werden, dass der Bedienhebel bei den betriebsgemäßen Handkräften blockiert ist. Das Weiterbewegen des Bedienhebels mit erhöhtem Kraftaufwand und/oder das Blockieren des Bedienhebels können dabei in wenigstens eine oder auch in mehrere Schwenkrichtungen erfolgen.
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass der Bedienhebel um wenigstens zwei Schwenkachsen schwenkbar an der Trageinrichtung aufgenommen ist. Der Bedienhebel kann auch um wenigstens drei oder vier oder mehr Schwenkachsen schwenkbar der Trageinrichtung aufgenommen sein. Insbesondere umfasst die Bedieneinrichtung wenigstens zwei oder drei oder mehr Schwenkachsen. Insbesondere ist der Bedienhebel wenigstens zweiachsig und vorzugsweise mehrachsig verschwenkbar an der Trageinrichtung aufgenommen.
Vorzugsweise ist jeweils wenigstens eine Bremseinrichtung mit jeweils wenigstens einer Schwenkachse gekoppelt. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, bei einer Schwenkbewegung des Bedienhebels wenigstens einen Teil der vorgesehenen Schwenkachsen und vorzugsweise alle vorgesehenen Schwenkachsen jeweils separat und insbesondere auch unabhängig voneinander zu dämpfen. Insbesondere sind alle Schwenkbewegungen des Bedienhebels separat und vorzugsweise auch unabhängig voneinander dämpfbar. Es können auch zwei oder mehr Schwenkachsen mit einer gemeinsamen Bremseinrichtung ausgerüstet sein. Dann ist insbesondere eine Getriebeeinrichtung zur Kopplung der Schwenkachsen mit der gemeinsamen Bremseinrichtung vorgesehen.
Es ist vorteilhaft und bevorzugt, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, die Bremseinrichtung in Abhängigkeit von einem sensorisch erfassten Schwenkwinkel des Bedienhebels anzusteuern und vorzugsweise anzupassen und insbesondere zu verändern und/oder gezielt beizubehalten. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Dämpfung der Schwenkbewegung des Bedienhebels wenigstens in Abhängigkeit von einem mittels des Sensormittels erfassten Schwenkwinkel des Bedienhebels anzupassen. Das Eingabegerät umfasst insbesondere wenigstens ein Sensormittel zur Erfassung des Schwenkwinkels des Bedienhebels (insbesondere das zuvor beschriebene Sensormittel). Insbesondere ist der Schwenkwinkel des Bedienhebels für jede vorgesehene Schwenkachse separat erfassbar. Beispielsweise ist für jede Schwenkachse wenigstens ein Winkelsensor oder dergleichen vorgesehen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, mittels der Bremseinrichtung ein Verzögerungsmoment für den Bedienhebel in Abhängigkeit des Schwenkwinkels und/oder der Zeit einzustellen. Insbesondere passt die Steuereinrichtung das Verzögerungsmoment unter Berücksichtigung des Schwenkwinkels und/oder der Zeit an und vorzugsweise dynamisch an. Insbesondere sind Dämpfungskurven einstellbar und dynamisch veränderbar, welche das Verzögerungsmoment als Funktion des Schwenkwinkels und/oder der Zeit beschreiben.
Es ist ebenfalls vorteilhaft und bevorzugt, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, die Bremseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Steuerbefehls eines Eingabeempfangsgeräts anzusteuern. Insbesondere ist das Eingabeempfangsgerät mit dem Eingabegerät koppelbar bzw. gekoppelt, sodass eine Wirkverbindung besteht. Das erfindungsgemäße Eingabegerät kann wenigstens ein Eingabeempfangsgerät umfassen. Möglich ist auch, dass das Eingabeempfangsgerät und das Eingabegerät von einem Eingabesystem bereitgestellt werden. Ein solcher Steuerbefehl kann unabhängig von einer Eingabe und/oder als Rückmeldung (Feedback) auf eine mit dem Eingabegerät vorgenommene Eingabe in das Eingabeempfangsgerät erfolgen. Insbesondere wird in Abhängigkeit des Steuerbefehls das Verzögerungsmoment angepasst. Der Steuerbefehl kann wenigstens eine reale Betriebssituation (insbesondere eine Betriebssituation des Eingabeempfangsgeräts und/der des Eingabegeräts) und/oder wenigstens eine mittels einer Software simulierte Situation betreffen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Steuerbefehl zu empfangen und dann wenigstens unter Berücksichtigung des Steuerbefehls das Verzögerungsmoment anzupassen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die zuvor und/oder nachfolgend beschriebenen Ansteuerungen der Bremseinrichtung auch wenigstens teilweise in Abhängigkeit des Steuerbefehls vorzunehmen. Dadurch kann die Dämpfung des Bedienhebels an die jeweiligen Anforderungen eines Eingabeempfangsgeräts angepasst werden, sodass stets eine optimale und besonders sichere Bedienung erfolgen kann.
Bevorzugt und vorteilhaft ist auch, dass der wenigstens eine Steuerbefehl von dem Eingabegerät selbst bereitgestellt wird. Ein vom Eingabegerät selbst bereitgestellter Steuerbefehl ist z. B. der sensorisch erfasste Schwenkwinkel und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels und/oder eine Zeit und/oder ein Betriebsmodus des Eingabegeräts und/oder eine im Eingabegerät hinterlegte Benutzereingabe (z. B. ausgewähltes Benutzerprofil, Tastenbetätigung etc.) und/oder wenigstens ein (anderer) sensorisch erfasster Parameter (z. B. Beschleunigung oder Lage des Eingabegeräts). Der Steuerbefehl kann in der Steuereinrichtung hinterlegt sein und/oder von dieser mittels hinterlegten Algorithmen generiert werden. Der Steuerbefehl kann durch wenigstens eine Benutzereingabe erzeugt und/oder angepasst werden. Es kann auch wenigstens ein Steuerbefehl einer anderen Quelle vorgesehen sein. Insbesondere kann die Steuereinrichtung mehrere verschiedene Steuerbefehle empfangen und verarbeiten.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Steuerbefehl in wenigstens ein an dem Bedienhebel wahrnehmbares haptisches Signal (Kraft-/Momentenänderung) umzusetzen, insbesondere sodass der Benutzer als Folge einer vorgenommenen Eingabe eine haptische Rückmeldung (z.B. erhöhte Kraft an der Mensch-Maschinenschnittstelle) erhalten kann. Insbesondere kann das Eingabeempfangsgerät die Bewegbarkeit bzw. Dämpfung des Bedienhebels gezielt beeinflussen. Dadurch sind haptische Rückmeldungen (wie z. B. Force-Feedback) besonders vorteilhaft umsetzbar. Das haptische Signal umfasst vorzugsweise wenigstens die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebene definierte Abfolge von Verzögerungsmomenten. Das haptische Signal umfasst besonders bevorzugt wenigstens die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebene definierte Abfolge von sich (schnell) ändernden Verzögerungsmomenten bzw. Kräften an der Mensch- /Maschinenschnittstelle (auch Rippel/Ticks/Raster genannt). Beispielsweise kann darüber ein Zustand des Fahrzeugs bzw. der Maschine mitgeteilt werden.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, wenigstens eine Schwenkbewegung des Bedienhebels in wenigstens eine Schwenkrichtung zu blockieren und in wenigstens eine entgegengesetzte Schwenkrichtung freizugeben. Dadurch kann der Bedienhebel bei Bedarf in nur eine Richtung entlang der Schwenkachse bewegt werden. Eine solche unidirektionale Bewegbarkeit des Bedienhebels ist für viele Situationen von Vorteil und kann mit der Erfindung beliebig aktiviert und deaktiviert werden. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Schwenkbewegung aus der Neutralstellung und/oder einer aktuellen Betätigungsstellung heraus unidirektional und/oder bidirektional und/oder multidirektional zu blockieren. Die Schwenkbewegung des Bedienhebels kann auch richtungsabhängig dämpfbar sein.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, diejenige Richtung, in welche der Bedienhebel blockiert ist und diejenige Richtung, in welche der Bedienhebel freigegeben ist, zu verändern. Insbesondere wird die Richtung wenigstens in Abhängigkeit einer Situation und/oder des Schwenkwinkels und/oder der Zeit und/oder des Steuerbefehls verändert. Die Steuereinrichtung kann vorzugsweise auch beide Richtungen blockieren und/oder beide Richtungen freigegeben und/oder beide Richtungen mit einem stetigen und/oder veränderlichen Verzögerungsmoment beaufschlagen.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, bei Erreichen wenigstens eines definierten Schwenkwinkels das Verzögerungsmoment mittels der Bremseinrichtung über wenigstens einen bestimmten Schwenkwinkelbereich zu erhöhen und insbesondere den Bedienhebel nach einer erfolgten Überwindung des Schwenkwinkelbereichs in wenigstens einer Zielstellung außerhalb der Neutralstellung zu fixieren. Dazu kann die Steuereinrichtung gezielt wenigstens ein Verzögerungsmoment einstellen, welches einem Rückstellmoment der Rückstelleinheit an der Zielstellung entspricht oder höher als ein solches ist.
So verbleibt der Bedienhebel nach Überwinden der Drehmomentspitze automatisch in seiner Stellung, wenn er losgelassen wird (kick and hold). Die Zielstellung ist insbesondere durch einen Schwenkwinkel des Bedienhebels entlang wenigstens einer Schwenkachse definiert. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, unterhalb des definierten Schwenkwinkels den Bedienhebel wieder in die Neutralstellung zu überführen.
Dabei ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, den definierten Schwenkwinkel und/oder das Verzögerungsmoment und/oder den Schwenkwinkelbereich und/oder die Zielstellung dynamisch festzulegen. Die Festlegung kann in Abhängigkeit des Schwenkwinkels des Bedienhebels und/oder der Zeit und/oder des Steuerbefehls erfolgen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Schwenkwinkelbereich und/oder die Zielstellung an einer beliebigen Position im betriebsgemäßen Schwenkbereich des Bedienhebels einzustellen und/oder aufzuheben und insbesondere dynamisch festzulegen.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, das erhöhte Verzögerungsmoment für die Überwindung des Schwenkwinkelbereichs in nur eine Schwenkrichtung vorzusehen, sodass der Bedienhebel nach einer erfolgten Überwindung des Schwenkwinkelbereichs ohne ein solches erhöhtes Verzögerungsmoment wieder zurückbewegt werden kann. Beispielsweise wird ein kurzer Widerstand in eine Richtung erzeugt, während die Rückbewegung zur Neutralstellung ohne zusätzlichen Widerstand erfolgt (kick down). Insbesondere passt die Steuereinrichtung das erhöhte Verzögerungsmoment und/oder die Richtung für das erhöhte Verzögerungsmoment in Abhängigkeit des Schwenkwinkels und/oder der Zeit und/oder des Steuerbefehls an und insbesondere dynamisch an. In einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Bedienhebel an wenigstens einer einstellbaren Rastposition und vorzugsweise an einer Mehrzahl dynamisch bestimmbaren Rastpositionen zu fixieren. Dabei ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, mittels der Bremseinrichtung ein vorliegendes Verzögerungsmoment gezielt zu erhöhen (um einen definierten Faktor anzuheben), sodass ohne zusätzlichen Kraftaufwand und/oder ohne eine zusätzliche Benutzeraktion weder ein Weiterbewegen noch ein Rückstellen (per Hand und/oder mittels der Rückstelleinheit) erfolgen kann. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Rastposition dynamisch festzulegen und vorzugsweise in Abhängigkeit des Schwenkwinkels und/oder der Zeit und/oder des Steuerbefehls zu bestimmen.
Eine solche Ausgestaltung bietet viele Vorteile und ermöglicht beispielsweise die Simulation eines Wahlhebels einer Automatikschaltung für Kraftfahrzeuge (P RN D). Zudem kann das Eingabegerät für eine sehr große Zahl unterschiedlicher Geräte und Maschinen bzw. Fahrzeuge eingesetzt werden, ohne dass konstruktive Veränderungen notwendig wären. Der Benutzer erhält ein individuelles und angepasstes Feedback, entsprechend dem Verwendungszweck. Dies erhöht den Bedienkomfort und reduziert Fehlbedienungen. Über die Rastpositionen können die Eingaben besonders intuitiv und präzise erfolgen.
Insbesondere ist eine beliebige Anzahl von mit der Bremseinrichtung umsetzbaren Rastpositionen an beliebigen Positionen im betriebsgemäßen Schwenkbereich des Schwenkhebels einstellbar. Insbesondere sind die Rastpositionen in Abhängigkeit des Schwenkwinkels und/oder der Zeit und/oder des Steuerbefehls einstellbar. Insbesondere sind die Rastpositionen wenigstens durch einen Schwenkwinkel und ein Verzögerungsmoment definiert. Die Benutzeraktion umfasst insbesondere wenigstens eine Betätigung wenigstens eines Schaltelements. Beispielsweise ist das Drücken einer Taste am Bedienhebel vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, das Verzögerungsmoment bereits ab einem definierten Schwenkwinkel vor Erreichen einer Rastposition zu erhöhen und/oder ab einem definierten Schwenkwinkel nach Verlassen der Rastposition zu verringern. Das Erhöhen und/oder Verringern kann stetig oder veränderlich erfolgen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Bedienhebel bei Erreichen wenigstens eines bestimmten Schwenkwinkels und/oder in der Neutralstellung und/oder in einer aktuellen Stellung derart zu blockieren, dass mit einer betriebsgemäß aufzubringenden Handkraft kein Weiterbewegen in wenigstens eine Schwenkrichtung und/oder in alle betriebsgemäßen Schwenkrichtungen erfolgen kann. Für eine solche Blockierung hebt die Steuereinrichtung insbesondere ein vorliegendes Verzögerungsmoment um einen definierten Faktor an. So kann mechanischer Anschlag besonders gut simuliert werden. Ein Vorteil gegenüber konventionellen mechanischen Dämpfungen ist, dass hierbei kein Stick Slip Effekt (Haftgleiteffekt) auftritt und zu Beginn keine Haftreibung überwunden werden muss. Eine solche Blockierung kann auch in wenigstens einer der zuvor beschriebenen Rastpositionen vorgesehen sein.
Es ist möglich, dass vor Erreichen des definierten Schwenkwinkels ein freies und/oder geringer gedämpftes Bewegen des Bedienhebels vorgesehen ist, um von dort ein automatisches Rückkehren in die Nullstellung zu ermöglichen.
Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung die Schwenkbewegung des Bedienhebels für alle Schwenkachsen und für alle Schwenkrichtungen derart blockiert, dass mit der betriebsgemäß aufzubringenden Handkraft kein Weiterbewegen erfolgen kann. Ein solcher Betriebsmodus (axis locked) ermöglicht eine zuverlässige und sichere Sperrung des Eingabegeräts bei Bedarf bzw. je nach Situation (situationsabhängiges Feedback). Möglich ist auch eine Blockierung in nur eine Schwenkrichtung und/oder nur für gezielte Schwenkachsen. Die Auswahl der Schwenkrichtung und/oder der Schwenkachse erfolgt beispielsweise aufgrund eines Steuerbefehls oder einer Benutzeraktion oder der Nahfelderkennung. Wird z.B. ein Container in einer Containergasse eines Containerhafens (links und rechts der Containergasse stehen weitere Container) vor - oder zurück (X-Achse) mittels des Joysticks bewegt, so kann die seitliche Bewegungsachse (Y) gesperrt oder schwergängig gemacht werden, was eine Kollision verhindert oder verunmöglicht. Nahfelderkennungssysteme (Bewegungssensoren, Kamerasysteme, GPS, Radarsysteme...) erfassen die Situation, eine Recheneinheit analysiert die Daten und lässt diese in Echtzeit in mögliche bzw. sinnvolle Bewegungsmuster vom Joystick einfließen.
Bevorzugt kann die Steuereinrichtung das Verzögerungsmoment unter Berücksichtigung einer Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels, insbesondere einer Winkelgeschwindigkeit einer Getriebestufe und/oder der Bremseinrichtung, anzupassen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, ein konstruktiv bedingtes geschwindigkeitsabhängiges Verzögerungsmoment der Bremseinrichtung wenigstens näherungsweise auszugleichen, um ein gleichmäßiges Verzögerungsmoment über verschiedene Geschwindigkeiten zu ermöglichen.
Es ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, durch eine Kombination einer Mehrzahl von Raststellungen und wenigstens einer Nullstellung und/oder wenigstens einer Zielstellung und/oder einer Mehrzahl von vom Schwenkwinkel abhängigen Blockierungen des Bedienhebels wenigstens eine Kulissenmechanik zu simulieren. Beispielsweise ist eine Kulissenmechanik eines mechanischen Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs und beispielsweise eine H-Schaltung simulierbar. Insbesondere umfasst das Eingabegerät dazu wenigstens zwei Schwenkachsen (X- und Y- Achse). Insbesondere sind mehrere Bremseinrichtungen mit einer jeweiligen Schwenkachse gekoppelt, um eine kulissenartige Bewegung des Bedienhebels durch die Steuereinrichtung gesteuert zu erzeugen. Insbesondere wird der Bedienhebel in einer Schaltstellung bzw. Position fixiert und kann vorteilhaft dort auch auf längere Zeit gehalten werden, wie beispielsweise bei einer H-Schaltung. Vorteilhaft können Permanentmagnete zur Fixierung eingesetzt werden, damit die magnetorheologische Bremseinrichtung in der Schaltstellung nicht permanent bestromt werden muss, d. h. ein Verzögerungsmoment aufbauen muss.
Insbesondere ist in der Steuereinrichtung wenigstens ein Steueralgorithmus zur Simulation wenigstens einer Kulissenmechanik hinterlegt. Insbesondere wählt die Steuereinrichtung eine bestimmte Kulissenmechanik abhängig von einer Benutzereingabe und/oder dem Steuerbefehl des Eingabeempfangsgeräts aus und simuliert diese. Wenn das Eingabegerät in einem Nutzfahrzeug installiert ist, kann beispielsweise für ein Schaltgetriebe eine andere Kulissenmechanik als für die Bedienung einer Arbeitsfunktion simuliert werden. So kann ein Joystick mehrere Funktionen übernehmen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Schwenkbewegung des Bedienhebels mittels der Bremseinrichtung in einer gezielten Abfolge zu verzögern und freizugeben. Zur Umsetzung einer solchen Abfolge ist die Steuereinrichtung insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, unterschiedlich hohe Verzögerungsmomente für die Verzögerung und die Freigabe einzustellen. Eine solche Abfolge bietet ein zuverlässig wahrnehmbares haptisches Feedback auch unter schwierigen Betriebsbedingungen und ist mit der Erfindung besonders gut umsetzbar.
Die Abfolge ist insbesondere aus einer Abfolge relativer Maxima mit höherem Verzögerungsmoment und relativer Minima mit geringerem Verzögerungsmoment zusammengesetzt. Insbesondere ist ein Winkelabstand einer Periode benachbarter relativer Maxima einstellbar und wird eingestellt. Insbesondere wird der Verlauf des Verzögerungsmomentes über einer Periode in Abhängigkeit von einem eingestellten Betriebsmodus eingestellt. Eine solche Abfolge mit besonders kurzen Intervallen kann auch als Rippel/Ticks bezeichnet werden. Insbesondere wird eine solche Abfolge aus einer definierten Kombination von Verzögerungsmomenten als Funktion der Zeit und/oder des Winkels gebildet. Vorzugsweise werden die Verzögerungsmomente für die Verzögerung und/oder die Freigabe als Funktion der Zeit und/oder als Funktion des Schwenkwinkels und/oder in Abhängigkeit eines Steuerbefehls eingestellt. Insbesondere kann eine solche Abfolge in Abhängigkeit der Schwenkrichtung eingestellt werden und zum Beispiel nur in eine Schwenkrichtung oder auch in beide Schwenkrichtungen erfolgen.
Eine solche Abfolge kann auch für die Dämpfung der Rückstellbewegung vorgesehen sein. Dann wird die Rückstellbewegung nach einem Loslassen des Betätigungshebels beispielsweise so gedämpft, dass der Bedienhebel mit einem Rippel in die Neutralstellung zurückgeführt wird.
Die Verzögerungsmomente der Abfolge werden insbesondere winkelabhängig und/oder zeitabhängig gestartet und/oder gehalten und/oder beendet. Vorzugsweise kann auch ein Wechsel solcher Abhängigkeiten innerhalb einer Abfolge vorgesehen sein. Beispielsweise erfolgt der Start der Abfolge winkelabhängig oder zeitabhängig und die Länge der Abfolge wird dann zeitabhängig bzw. winkelabhängig eingestellt.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Verzögerungsmomente der Folge winkelabhängig zu starten und zeitabhängig aufrechtzuerhalten. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, eine Einstellung eines in der Abfolge vorgesehenen Verzögerungsmoments auszulassen, wenn eine für den Start vorgesehene Winkelposition (bestimmter Schwenkwinkel des Bedienhebels) während der Aufrechterhaltung eines Verzögerungsmoments überschwenkt wird.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die unterschiedlichen Verzögerungsmomente der Abfolge mit einer gezielten Frequenz einzustellen und vorzugsweise mit einer solchen Frequenz einzustellen, dass die Schwenkbewegung des Bedienhebels mit einem gezielten Vibrieren gedämpft wird. Insbesondere beträgt die Frequenz wenigstens 20 Hz und vorzugsweise wenigstens 50 Hz.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, die unterschiedlichen Verzögerungsmomente der Abfolge über die Zeit und/oder den Schwenkwinkel und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Bedienhebels und/oder die Anzahl bereits erfolgter Einstellungen von Verzögerungsmomenten dynamisch anzupassen. Solche Parameter können auch durch den Steuerbefehl bereitgestellt werden. Beispielsweise ist dadurch eine Annäherung an eine Endstellung oder Rastposition haptisch signalisierbar. Dadurch kann der Benutzer z. B. gewarnt werden, wenn er den Bedienhebel so verschwenkt, dass sich das Fahrzeug in einen Betriebszustand begibt, welcher besondere Aufmerksamkeit erfordert (Bewegung des Werkzeuges oder der Ladung in räumlich eingeschränkten Bereichen; Kollisionsgefahr...).
Die Steuereinrichtung kann die unterschiedlichen Verzögerungsmomente der Abfolge auch in Abhängigkeit des Steuerbefehls des Eingabeempfangsgeräts und/oder des Eingabegeräts dynamisch anpassen. Beispielsweise kann über den Steuerbefehl das Erreichen einer maximalen Geschwindigkeit oder einer Überlastung eines Kranauslegers an das Eingabegerät übermittelt werden, sodass der Benutzer darauf hin ein Vibrieren des Bedienhebels wahrnimmt.
Zum Beispiel hängt die maximale Traglast eines Kranauslegers von der Verfahrposition ab. Weiter außen am Ausleger dürfen geringere Lasten wie in der Nähe von dem Kranzentrum bewegt werden. Mess- Nahfelderkennungssysteme können die Situationen erfassen und analysieren und dem Bediener so haptisch über Kraftänderungen im Bedienelement mitteilen, wenn er im „grünen" Bereich (zulässigen, unkritischen), „orangen" Bereich (es könnte kritisch werden) oder roten Bereich (Überlast - die Last ist zu weit außen am Ausleger) bewegt. Der Bediener kann dann aufgrund vom haptischen Feedback im Bedienelement entscheiden, wie er weiter vorgeht. Dieses wichtige Feedback erhält er ohne seine Augen von dem Vorgang wegbewegen zu müssen, er muss hierfür also keine Anzeige am Bedienpult beobachten, was ein großer Vorteil ist.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, eine Abfolge mit sich gezielt verändernden Verzögerungsmomenten einzustellen. Insbesondere ist dazu ein sinusförmiger oder kosinusförmiger Verlauf vorgesehen. Insbesondere weist der Verlauf dazu einen (leichten) Offset im Negativen auf. Der Offset beträgt insbesondere weniger als 30 % und insbesondere weniger als 20 % und vorzugsweise weniger als 10 %. Insbesondere sind wenigstens zwei Nulldurchgänge pro Periode für den Verlauf vorgesehen. Insbesondere wird die Bremseinrichtung mit einem Sinus- bzw. Kosinussignal insbesondere mit einem vorbestimmten und insbesondere einstellbaren (leichten) Offset vom Nullpunkt gesteuert. Besonders bevorzugt weist eine solche Abfolge einen Verlauf auf, welcher einer Federkennlinie einer mechanischen Feder entspricht. Das ermöglicht eine sonders realistische Simulation eines mechanischen Joysticks.
Es ist möglich und bevorzugt, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, bei einer Betätigung des Bedienhebels nach einer definierten Zeit ohne eine Betätigung des Bedienhebels wenigstens ein haptisches Warnsignal auszugeben und dazu vorzugsweise eine definierte Abfolge von Verzögerungsmomenten einzustellen. Die Abfolge ist insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet. Möglich und bevorzugt ist auch, dass nach einer definierten Zeit ohne eine Betätigung des Bedienhebels der Bedienhebel wie zuvor beschrieben in wenigstens eine Schwenkrichtung und/oder in Bezug auf wenigstens eine Schwenkachse verstärkt gedämpft und/oder blockiert wird. So kann einer unbeabsichtigten Betätigung wirkungsvoll entgegengewirkt werden.
Bevorzugt ist, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, die Bremseinrichtung mit einer Regelfrequenz von wenigstens 5 kHz und vorzugsweise wenigstens 10 kHz und besonders bevorzugt wenigstens 50 kHz anzusteuern. Insbesondere ist die Bremseinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, eine solche Regelfrequenz umzusetzen.
Insbesondere die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Bremseinrichtung in Echtzeit zu dämpfen. Insbesondere ist die Bremseinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, das Verzögerungsmoment in Echtzeit umzusetzen. Insbesondere ist die Dämpfung mittels der Steuereinrichtung der Bremseinrichtung in Echtzeit in Abhängigkeit an den Schwenkwinkel und/oder die Zeit und/oder an einen Steuerbefehl und/oder an eine
Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des Bedienhebels anpassbar. Insbesondere ist die Bremseinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, das Verzögerungsmoment innerhalb weniger als 100 Millisekunden um wenigstens 30% zu verändern. Insbesondere ist das Verzögerungsmoment innerhalb weniger als 10 Millisekunden um wenigstens 10%, vorzugsweise um wenigstens 30% und besonders bevorzugt um wenigstens 50%, veränderbar. Das Verzögerungsmoment kann auch innerhalb weniger als 100 Millisekunden um wenigstens 100% oder 500% oder um das Zehnfache oder Tausendfache variierbar sein.
Die magnetorheologische Bremseinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, insbesondere mittels eines Sensors, Drehgebers bzw. Inkrementengebers, wenigstens 30.000 Inkremente, insbesondere 30.000 Inkremente/Umdrehung, für eine Schwenkachse des Bedienhebels bereitzustellen. Inkrementalgeber beispielsweise liefern eine bestimmte Anzahl an Impulsen pro Umdrehung oder auch einen sogenannten Nullimpuls pro Umdrehung. Dies können Inkrementengeber mit UVW Signalen oder Absolutgeber sein). So können haptische Signale besonders wirkungsvoll umgesetzt werden. Insbesondere sind die Inkremente dazu einsetzbar, die zuvor beschriebenen Rastpositionen und/oder die Abfolgen bereitzustellen. Insbesondere sind pro Umdrehung der Bremseinrichtung und/oder der Getriebestufe wenigstens 30.000 Inkremente bereitstellbar. Insbesondere kann das Sensormittel wenigstens 30.000 Inkremente pro Umdrehung der Bremseinrichtung umfassen.
Die Bremseinrichtung ist vorzugsweise über wenigstens eine Getriebestufe mit der wenigstens einen Schwenkachse gekoppelt. Die Getriebestufe weist vorzugsweise wenigstens ein
Übersetzungsverhältnis zwischen 2:1 und 5:1 auf. Möglich sind auch andere Übersetzungsverhältnisse.
Insbesondere umfasst die Getriebestufe wenigstens einen Riementrieb. Insbesondere koppelt der Riementrieb die Schwenkachse mit einer Drehachse der Bremseinrichtung. Insbesondere umfasst der Riementrieb wenigstens zwei Riemenräder und wenigstens einen Riemen. Möglich sind auch andere Arten von Getriebestufen. Bei beispielsweise kann die Getriebestufe ein Zahnradgetriebe und/oder Hebelgetriebe oder dergleichen aufweisen. Insbesondere sind die Schwenkachsen mit jeweils einer Drehachse der Bremseinrichtung gekoppelt.
Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Bremseinrichtung als ein Drehdämpfer ausgebildet ist oder wenigstens einen solchen umfasst. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Drehdämpfer zwei Komponenten umfasst, wobei eine Komponente eine Innenkomponente und die andere Komponente eine Außenkomponente umfasst und wobei die Außenkomponente die Innenkomponente wenigstens abschnittsweise radial umgibt, wobei zwischen den Komponenten ein radial nach innen von der Innenkomponente und radial nach außen von der Außenkomponente begrenzter und wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium gefüllter ringförmiger und umlaufender Dämpfungsspalt angeordnet ist, wobei der Dämpfungsspalt einem Magnetfeld aussetzbar ist, um eine Schwenkbewegung zwischen den beiden gegeneinander verschwenkbaren Komponenten um eine Achse zu dämpfen und wobei eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen an wenigstens einer der Komponenten vorgesehen ist und wobei wenigstens ein Teil der Arme mit einer elektrischen Spule mit wenigstens einer Wicklung ausgerüstet ist, wobei sich die Wicklung jeweils neben der Achse und beabstandet von der Achse erstreckt. Insbesondere ist die elektrische Spule des Drehdämpfers zur Erzeugung des Magnetfelds vorgesehen und ist von der Steuereinrichtung ansteuerbar, um das Verzögerungsmoment gezielt einzustellen und anzupassen.
Ein für die Verwendung bei der Bremseinrichtung der Erfindung besonders vorteilhaft geeigneter Drehdämpfer wird zum Beispiel in der Patentanmeldung WO 2016/156544 beschrieben. Die gesamte Offenbarung der WO 2016/156544 wird hiermit vorzugsweise Teil des Offenbarungsgehalts der vorliegenden Anmeldung.
Es ist auch bevorzugt und vorteilhaft, dass die Bremseinrichtung als eine magnetorheologische Übertragungseinrichtung ausgebildet ist oder wenigstens eine solche umfasst. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die magnetorheologische Übertragungsvorrichtung mit wenigstens zwei koppelbaren Komponenten ausgestattet ist, deren Kopplungsintensität beeinflussbar ist, wobei zur Beeinflussung der Kopplungsintensität wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Kanal ein durch ein Magnetfeld beeinflussbares magnetorheologisches Medium mit magnetisch polarisierbaren Partikeln enthält, und wobei wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in dem Kanal vorgesehen ist, um mit dem Magnetfeld das magnetorheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen, wobei die eine Komponente als äußere Komponente die andere Komponente als innere Komponente umgibt und wobei wenigstens eine der beiden Komponenten über wenigstens ein separates Lager gelagert ist und wobei ein Abstand zwischen der äußeren Komponente und der inneren Komponente wenigstens zehnmal so groß ist wie ein typischer mittlerer Durchmesser der magnetisch polarisierbaren Partikel in dem magnetorheologischen Medium und der Kanal wenigstens teilweise mit dem Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist, um die Partikel wahlweise zu verketten oder freizugeben. Insbesondere ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung der Übertragungseinrichtung von der Steuereinrichtung ansteuerbar, um das Verzögerungsmoment gezielt einzustellen und anzupassen.
Eine für die Verwendung bei der Bremseinrichtung der Erfindung besonders vorteilhaft geeignete magnetorheologische Übertragungseinrichtung wird zum Beispiel in der Patentanmeldung DE 102010055 833 Al und in der Patentanmeldung WO 2012/034697 Al beschrieben. Die gesamte Offenbarung der DE 102010055833 Al und/oder der WO 2012/034697 Al wird hiermit vorzugsweise Teil des Offenbarungsgehalts der vorliegenden Anmeldung.
Die zuvor beschriebenen Bremseinrichtungen können bei dem erfindungsgemäßen Eingabegerät besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Sie können die erforderlichen Verzögerungsmomente aufbringen und auch zügig und falls nötig in Echtzeit einstellen und sind zugleich besonders kompakt und zudem sehr robust.
Ein magnetorheologischen Medium umfasst vorzugsweise wenigstens ein Trägermedium, in welches wenigstens magnetisch leitende Partikel (z. B. Carbonyleisenpartikel) gemischt sind. Das Trägermedium kann z. B. ein Öl, Alkohol oder auch Wasser oder eine andere Flüssigkeit umfassen. Es kann auch auf ein separates Trägermedium verzichtet werden oder das Trägermedium wird (wenigstens im Wesentlichen oder vollständig) durch die magnetisch leitenden Partikel gebildet, welche gegebenenfalls beschichtet sein können.
Es kann auch insbesondere auf ein, vorzugsweise flüssiges, Trägermedium weitgehend oder vollständig verzichtet werden (Vakuum zwischen den Partikeln). So ist es möglich, dass lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel in den Kanal gefüllt werden. Vorzugsweise wird ein Gas zugegeben oder das Gas ist bereits vorhanden. Dies kann zum Beispiel Luft oder ein Inertgas sein. Wenn z. B. nur Luft oder auch ein anderes Gas verwendet wird, können verschiedene Feststoffe dazu gemischt werden, um gewisse Eigen schaften zu verbessern. Z. B. kann Graphitpulver beigemischt werden, um die Reibung zwischen den Partikeln (z. B. Carbonyleisenpartikel) zu verringern, da Graphit eine schmierende Wirkung zeigt. Die Partikel können insbesondere beschichtet sein. Bevorzugt kommt PTFE zum Einsatz. Eine Beschichtung mit PTFE oder eine vergleichbare Beschichtung verhindert vorzugsweise, dass die Partikel zu stark aneinander haften und dadurch verklumpen und/oder zu größeren Haufen/Klumpen agglomerieren. Ab einer bestimmten Größe lassen sich diese Agglomerate eventuell nur schwer wieder auflösen. Größere Haufen zerfallen nicht leicht oder unter Umständen gar nicht mehr.
Es ist vorteilhaft, dass die Partikel einen wesentlichen Anteil des verfügbaren Volumens einnehmen. Bei einer im Wesentlichen gleich mäßigen bzw. homogenen Partikelgröße aller Partikel ist ein Par tikelanteil bevorzugt, der insbesondere wenigstens größer ist als 33% oder 50% oder 66% und bevorzugt größer ist als 74%. Auch ein größerer Anteil an dem verfügbaren Volumen ist möglich. Dabei ist es bevorzugt möglich, eine größere Dichte mit Partikeln zu erzielen.
Die Partikel weisen insbesondere eine inhomogene Größenverteilung auf. Die kleineren Partikel können sich dabei bevorzugt in dem Zwi schenräumen zwischen den größeren Partikeln anordnen.
Das erfindungsgemäße Eingabesystem umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Eingabegerät und wenigstens ein mit dem Eingabegerät in Wirkverbindung stehendes Eingabeempfangsgerät. Das Eingabeempfangsgerät ist vorzugsweise als ein Nutzfahrzeug ausgebildet, sodass die Funktionen des Nutzfahrzeugs wenigstens teilweise durch das Eingabegerät bedienbar sind. Bevorzugt ist auch, dass das Eingabeempfangsgerät als ein Computer ausgebildet ist und dass der Computer insbesondere mit einem Simulationsprogramm und/oder einem Spieleprogramm ausgestattet ist. Unter einem Computer werden beispielsweise verstanden: Recheneinheit, Steuergerät, Rechner, welcher mittels programmierbarer Rechenvorschriften Daten verarbeitet etc. Insbesondere sind die Funktionen des Simulationsprogramms und/oder des Spieleprogramms wenigstens teilweise durch das Eingabegerät bedienbar.
Das Nutzfahrzeug ist vorzugsweise als ein Off-Highway-Vehicle ausgebildet. Ein solches Nutzfahrzeug kann auch als eine selbstfahrende Arbeitsmaschine bezeichnet werden. Insbesondere ist das Nutzfahrzeug ein landwirtschaftliches oder forstwirtschaftliches Nutzfahrzeug. Möglich sind auch andere Arten von Nutzfahrzeugen. Beispielsweise ist das Nutzfahrzeug als Traktor, Erntemaschine, Bagger, Kran oder dergleichen ausgebildet. Das Nutzfahrzeug kann auch als eine Drohne oder ein sonstiges Fluggerät ausgebildet sein.
Vorteilhaft kann der Bedienhebel durch die Steuereinrichtung und die magnetrheologische Bremseinrichtung permanent mit einem geringen Verzögerungsmoment beaufschlagt werden. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass das Eingabegerät bei Erschütterungen beim Fahren oder auch bei einer Nichtbenutzung des Eingabegeräts unbeab sichtigt bewegt wird. Kleine Erschütterungen können vorteilhaft weggedämpft werden. Die Dämpfung bzw. das Verzögerungsmoment ist dabei vorzugsweise so gering bemessen, dass das Eingabegerät und insbesondere der Joystick durch einen Benutzer trotzdem leicht bewegbar ist. Dies kann vor allem bei einem Off-Highway-Vehicle von Vorteil sein.
Auch das erfindungsgemäße Eingabesystem bietet eine besonders vorteilhafte Lösung der zuvor vorgestellten Aufgabe. Dabei sind das Eingabegerät und das Eingabeempfangsgerät vorzugsweise wie zuvor für das erfindungsgemäße Eingabesystem beschrieben ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Eingabegeräts und insbesondere eines Joysticks. Wenigstens ein Bedienhebel des Eingabegeräts wird zur Durchführung einer Eingabe in ein mit dem Eingabegerät in Wirkverbindung stehendes
Eingabeempfangsgerät wenigstens teilweise manuell um wenigstens eine Schwenkachse verschwenkt. Wenigstens eine Schwenkbewegung des Bedienhebels kann mittels wenigstens einer mit der Schwenkachse gekoppelten magnetorheologischen Bremseinrichtung gezielt gedämpft (und freigegeben) werden. Die Bremseinrichtung wird mittels wenigstens einer Steuereinrichtung wenigstens in Abhängigkeit eines (insbesondere mittels wenigstens eines Sensormittels erfassten) Schwenkwinkels und/oder einer Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels und/oder der Zeit und/oder wenigstens eines Betriebszustands des Eingabeempfangsgeräts angesteuert, um die Dämpfung gezielt anzupassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ebenfalls viele Vorteile. Vorzugsweise ist das Verfahren so ausgebildet, dass das zuvor beschriebene Eingabegerät und/oder das Eingabesystem danach betrieben werden können. Insbesondere sind das erfindungsgemäße Eingabegerät und/oder das Eingabesystem dazu geeignet und ausgebildet, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden.
Der Betriebszustand des Eingabeempfangsgeräts betrifft vorzugsweise wenigstens einen der folgenden Parameter: Leistungszustand, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Lage im Raum, Umfeld, überfahrener Untergrund, ausgeführte Arbeit, ausgewähltes Benutzerprofil, ausgewählter Betriebsmodus, Aktivität eines Assistenzsystems und insbesondere Fahrassistenzsystems, mittels einer Software simulierte Situation, Eingabebedingung bei der Bedienung eines Programms (Menüpunkte, Auswahlmöglichkeiten, Felder etc.).
Die Schwenkbarkeit des Bedienhebels wird vorzugsweise gezielt verstärkt gedämpft oder blockiert, wenn ein Betriebszustand mit einer über einem Schwellenwert liegenden Unruhe (beispielsweise durch schlechten Untergrund oder arbeitsbedingte Vibrationen) und/oder Gefährdung (beispielsweise hohe Geschwindigkeit) vorliegt und/oder wenn ein Assistenzsystem aktiv in die Benutzung des Eingabeempfangsgeräts eingreift. Zur Erfassung solcher Betriebszustände weist das Eingabeempfangsgerät vorzugsweise wenigstens ein geeignetes Sensormittel und beispielsweise einen Beschleunigungssensor oder dergleichen auf.
Insbesondere ist wenigstens ein Betätigungselement an dem Bedienhebel ausgebildet. Insbesondere ist das Betätigungselement als sich automatisch rückstellender Bedienknopf oder Bedientaster ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann ein wenigstens ein Bedienschalter vorgesehen sein. Darüber kann eine Benutzereingabe erfolgen, welche sich auf die Dämpfung der Schwenkbewegung des Bedienhebels auswirkt. Beispielsweise kann darüber eine gezielte Blockierung der Schwenkbewegung aufgehoben heben.
Ein Betriebszustand mit einem über einem Schwellenwert liegenden Parameter und/oder mit einer über einem Schwellenwert liegenden Gefährdung und/oder mit einem Eingriff eines Assistenzsystems wird vorzugsweise mittels einer gezielten Abfolge unterschiedlicher Verzögerungsmomente während einer Schwenkbewegung des Bedienhebels haptisch signalisiert. Eine solche Abfolge ist vorzugsweise wie zuvor für das erfindungsgemäße Eingabegerät beschrieben ausgebildet. Dadurch kann einer Fehlbedienung des Eingabeempfangsgeräts wirkungsvoll und sicher entgegengewirkt werden. Möglich ist auch, dass die Schwenkbewegung des Bedienhebels geringer gedämpft oder freigegeben wird, wenn der Parameter und/oder die Gefährdung wieder unter den Schwellenwert sinken.
Es ist vorteilhaft und besonders bevorzugt, dass die Schwenkbarkeit (Schwenkbewegung) des Bedienhebels in Abhängigkeit wenigstens einer Situation variabel, aber gezielt, verstärkt gedämpft und/oder blockiert wird. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schwenkbewegung des Bedienhebels in Abhängigkeit wenigstens einer realen Betriebssituation (insbesondere einer Betriebssituation des Eingabeempfangsgeräts und/der des Eingabegeräts) und/oder wenigstens einer mittels einer Software simulierten Situation variabel angepasst wird, sodass eine gezielt verstärkte bzw. verringerte Dämpfung oder sogar eine Blockierung erfolgt. Für Ausführungen mit einer Dämpfung in Abhängigkeit des Schwenkwinkels und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels werden insbesondere der Schwenkwinkel bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels mittels wenigstens eines Sensormittels erfasst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die beschriebenen Ausführungen für das gezielte Dämpfen der Schwenkbewegung vorzugsweise für alle oder wenigstens einen Teil der vorgesehenen Schwenkachsen und/oder Schwenkrichtungen separat vorgenommen werden. Insbesondere ist eine Schwenkbewegung des Bedienhebels um eine Schwenkachse unabhängig von einer Schwenkbewegung des Bedienhebels um wenigstens eine andere Schwenkachse dämpfbar. Insbesondere sind die Richtungen der Schwenkbewegungen des Bedienhebels separat und vorzugsweise auch unabhängig voneinander dämpfbar. Insbesondere ist eine Vorwärtsbewegung separat und vorzugsweise unabhängig von einer Rückwärtsbewegung dämpfbar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Begriffe Dämpfen und Verzögern vorzugsweise synonym verwendet werden. Dabei ist die Steuereinrichtung insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, die wenigstens eine Schwenkbewegung und die Rückstellbewegung gezielt zu verzögern und freizugeben und bei den betriebsgemäß zu erwartenden Handkräften am Bedienhebel zu blockieren. Die Schwenkbewegung kann auch eine Drehbewegung umfassen oder als eine solche ausgebildet sein. Insbesondere können an dem Bedienhebel Handkräfte von wenigstens 100 N erzeugt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle geeigneten Verzögerungsmomente bevorzugt auch als Haltemomente für das Halten des Bedienhebels eingesetzt und erfindungsgemäß angepasst werden.
Insbesondere erfolgt die Dämpfung der Schwenkbewegung durch Anpassung eines Verzögerungsmoments der Bremseinrichtung. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, ein Verzögerungsmoment der Bremseinrichtung anzupassen, um die Schwenkbewegung gezielt zu dämpfen. Insbesondere die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, das Verzögerungsmoment dynamisch einzustellen. Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung ein beliebiges mit der Bremseinrichtung erzeugbares Verzögerungsmoment für einen beliebigen mit dem Bedienhebel erreichbaren Schwenkwinkel für und/oder für eine einstellbare Dauer einstellen. Insbesondere umfasst die Steuereinrichtung eine Mehrzahl von einstellbaren Betriebsmodi und ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, in Abhängigkeit des Betriebsmodus eine Zuordnung von Verzögerungsmoment und Schwenkwinkel und/oder Dauer vorzunehmen.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere eine elektronische Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung umfasst insbesondere wenigstens einen Steueralgorithmus. Insbesondere erfolgt die Einstellung eines Verzögerungsmoments durch Ansteuerung einer elektrischen Spuleneinrichtung der Bremseinrichtung mit einem bestimmten Strom und/oder einer bestimmten Spannung oder einem geeigneten Signal.
Insbesondere wird das Verzögerungsmoment als Funktion des Schwenkwinkels und/oder der Zeit und/oder der
Bewegungsgeschwindigkeit (insbesondere Winkelgeschwindigkeit) des Bedienhebels und/oder des Steuerbefehls des Eingabeempfangsgeräts angepasst. Insbesondere ist die Schwenkbewegung winkelabhängig und/oder zeitabhängig und/oder dynamisch gedämpft. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Schwenkbewegung mit einem über die Zeit und/oder den Schwenkwinkel stetigen oder veränderlichen und insbesondere dynamisch angepassten Verzögerungsmoment zu dämpfen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Freigabe der Schwenkbewegung insbesondere verstanden, dass nur ein betriebsgemäßes Grundmoment der Bremseinrichtung vorliegt, ohne dass eine zusätzlich aufgeschaltete magnetorheologische Verzögerung, beispielsweise durch Bestromung einer Spuleneinrichtung der Bremseinrichtung, vorliegt. Wenn die Schwenkbewegung freigegeben ist, ist die magnetorheologische Bremseinrichtung insbesondere inaktiv, sodass kein Feld zur aktiven Beeinflussung eines magnetorheologischen Mediums der Bremseinrichtung erzeugt wird. Insbesondere können die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungen zur Dämpfung der Schwenkbewegung in analoger Weise auch zur Dämpfung der Rückstellbewegung eingesetzt werden. In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Neutralstellung von der Steuereinrichtung einstellbar ist. Die Neutralstellung kann auch fest vorgegeben sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine rein schematische Darstellung eines Eingabesystems mit einem erfindungsgemäßen Eingabegerät in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
Fig. 2 eine Detaildarstellung des Eingabegeräts der Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 3-13 rein schematische Skizzierungen von Verläufen von
Verzögerungsmomenten über den Schwenkwinkel bzw. über die Zeit;
Fig. 14 eine rein schematische Darstellung einer mit dem erfindungsgemäßen Eingabegerät simulierten Kulissenmechanik; und
Fig. 15 eine Skizze zur Signalverarbeitung bei dem erfindungsgemäßen Eingabegerät.
Die Figur 1 zeigt ein als Joystick 711 ausgebildetes erfindungsgemäßes Eingabegerät 700, welches hier Teil eines Eingabesystems 720 ist und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Das Eingabesystem 720 umfasst zudem ein mit dem Eingabegerät 700 gekoppeltes Eingabeempfangsgerät 710, welches beispielsweise als Nutzfahrzeug oder auch als Computer ausgebildet ist. Mit dem Eingabegerät 700 können Eingaben in das Eingabeempfangsgerät 710 vorgenommen werden. Der Bedienhebel 705 ist hier mit einem Schalter 721 ausgestattet.
Das Eingabeempfangsgerät 710 muss nicht direkt verkabelt mit dem Eingabegerät 700 verbunden sein, es kann auch über ein Funk- oder Signalsystem oder Netzwerk verbunden sein. Auch kann das Eingabeempfangsgerät 710 räumlich vom Eingabegerät 700 entfernt sein, z.B. wenn damit ein unbemanntes Fluggerät (z.B. Drohne) gesteuert wird.
Das Eingabegerät 700 umfasst eine Bedieneinrichtung 701 mit einem Bedienhebel 705. Der Bedienhebel 705 ist hier um zwei oder mehr Schwenkachsen 706, 716 schwenkbar an einer Trageinrichtung 704 aufgenommen ist. Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur eine Schwenkachse 706 näher dargestellt. Der Bedienhebel 705 ist zudem mittels einer Anbindung 714 an der Trageinrichtung 704 befestigt. Nach einer Betätigung kann der Bedienhebel 705 durch eine Rückstelleinheit 707 in eine Neutralstellung 717 zurückgestellt.
Die Schwenkbewegung des Bedienhebels 705 wird mit einer magnetorheologischen Bremseinrichtung 702 (auch als MRF-Bremse bezeichnet) gezielt gedämpft. Dazu ist die Bremseinrichtung 702 hier über eine oder mehrere Getriebestufen 708 mit den Schwenkachsen 706, 716 gekoppelt. Die Getriebestufe 708 ist hier als Riementrieb 718 ausgebildet.
Die Bremseinrichtung 702 ist hier zum Beispiel als ein Drehdämpfer 1 oder als eine magnetorheologische Übertragungseinrichtung 2 ausgebildet.
Die Schwenkbewegung des Bedienhebels 705 wird hier auf eine Rotationsachse 728 des Riementriebs 718 übertragen und über den Riemen auf die Bremseinrichtung 702. So wird die Bremseinrichtung 702 beim Schwenken des Bedienhebels 705 in eine Drehbewegung versetzt.
Die Getriebestufe 708 und die Trageinrichtung 704 sowie die Bremseinrichtung 702 sind in der Figur 2 näher dargestellt. Hier ist die Kraftübertragung von dem Bedienhebel 705 zu dem hier länglichen und zylindrischen Scherdämpfer der Bremseinrichtung 702 unten vorne rechts in der Abbildung gezeigt. Am Rad 738 oben links wird der Bedienhebel 705 angeflanscht, sodass er beim Verschwenken das Getriebe 708 und den Scherdämpfer über den Zahnriemen in Rotation versetzt.
Die Bremseinrichtung 702 wird hier von einer Steuereinrichtung 703 angesteuert, sodass das Verzögerungsmoment der jeweiligen Bediensituation angepasst werden kann. Dazu wird hier der Schwenkwinkel des Bedienhebels 705 mittels eines Sensormittels 734 erfasst. Das Sensormittel 734 umfasst z. B. einen Encoder,
Drehgeber, Hallgeber oder einen anderen geeigneten Sensor. Mit dem Sensor wird z. B. eine absolute oder eine relative Stellung erfasst. Der Schwenkwinkel des Bedienhebels 705 wird z. B. über die Winkelstellung bzw. den Drehwinkel der Bremseinrichtung 702 oder der Getriebestufe 708 erfasst.
Dadurch kann ein an dem Bedienhebel 705 wahrnehmbares haptisches Signal und z. B. eine definierte Abfolge 713 von
Verzögerungsmomenten erzeugt werden. So erhält ein Benutzer als Folge einer vorgenommenen Eingabe und/oder während einer Eingabe eine haptische Rückmeldung (sog. Force Feedback). Das haptische Signal wird hier durch die Steuereinrichtung 703 als Folge eines Steuerbefehls erzeugt. Der Steuerbefehl ist zum Beispiel in der Steuereinrichtung 703 hinterlegt, z. B. als winkelabhängige Funktion, oder wird von dieser aufgrund von hinterlegten Algorithmen generiert. Den Steuerbefehl kann die Steuereinrichtung 703 zum Beispiel auch vom Eingabeempfangsgerät 710 erhalten.
Zudem kann der Bedienhebel 705 nach einer erfolgten Betätigung z. B. automatisch wieder in die Neutralstellung 717 gebracht werden. Die Rückstellbewegung wird hier durch die Bremseinrichtung 702 gezielt gedämpft.
Die Erfindung stellt ein Eingabegerät 700 und insbesondere einen vorteilhaften Joystick 711 zur Verfügung, bei dem die Rastpositionen mechanisch nicht fest vorgegeben sind und/oder bei dem das Verhalten des Joysticks 711 beim Bewegen mechanisch nicht fest vorgegeben ist, der zudem über ein Force-Feedback verfügen kann, der insbesondere wenig Bauraum benötigt und der zudem kostengünstig hergestellt werden kann. Je nach Einsatzort sind der geringe Stromverbrauch und das niedere Gewicht zudem von Vorteil.
Damit dies erreicht wird, kann ein Scherdämpfer oder Keildämpfer mit magnetorheologischer Flüssigkeit als steuerbare Bremseinrichtung 702 die Bewegung des Joysticks 711 dämpfen bzw. die hierfür notwendigen Drehmomente am Schwenkpunkt bzw. Kräfte am Hebel 705 erzeugen.
Eine Linear(schwenk)bewegung X-Y (des Joysticks) wird dabei insbesondere zuerst in eine Rotationsbewegung umgewandelt und dann gedämpft. Damit ein genügend hoher Widerstand (Kraft am Hebelelement bzw. Drehmoment am Joystickdrehpunkt) bereitgestellt werden kann, kann eine Übersetzung eingebaut werden. Das Übersetzungsverhältnis kann 2:1 oder 3:1 oder 4:1 oder mehr betragen. In einer konkreten Variante liegt es etwa bei 3:1. Hohe Übersetzungsverhältnisse haben den Nachteil von (Wechsel)spiel und benötigen mehr Bauraum. Darüber kann aber das Bremsmoment eines Scherdämpfers entsprechend erhöht werden. In einer konkreten Ausgestaltung ist es kleiner als oder etwa gleich 4Nm, sodass bei einer Übersetzung von 3:1 ein steuerbares Bremsmoment am Joystick von 12 Nm bereitgestellt werden kann. Die Übertragung kann über ein Getriebe mit entsprechenden Zahnrädern z. B. Stirnrad-, Schneckengetriebe oder mit einem Zahnriemen, Keilriemen, einer Kette oder mit Harmonic-Drive- Getrieben erfolgen.
Das Prinzip des Scherdämpfers ist in der WO 2016/156544 Al der Anmelderin beschrieben und kann an einem Joystick eingesetzt werden. Die Offenbarung der WO 2016/156544 Al wird von Seite 1 bis 41 inklusive zugehöriger Figuren auf Seiten 1/6 bis 6/6 und es wird der Offenbarungsgehalt der Ansprüche 1 bis 26 in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen. Im konkreten Fall hat ein Scherdämpfer mit magnetorheologischer Flüssigkeit und 4 Nm Bremsmoment die Abmessungen von 32 mm (Durchmesser) x 80 mm Länge, also ein Bauvolumen von ca. 65000 mm3. Ein Elektromotor mit ca. 4 Nm Drehmoment (Schrittmotor, Servomotor) hat hingegen etwa die Abmessungen von 100 x 100 x 200 mm, also ein Bauvolumen von ca. 2500000 mm3 . Dies ist in etwa das 38fache Bauvolumen des Scherdämpfers.
Alternativ kann als Bremseinrichtung (Bremse/Dämpfer) auch das magnetorheologische Keilprinzip verwendet werden, wie es in der WO 2012/034697 Al der Anmelderin beschrieben ist. Die Offenbarung der WO 2012/034697 Al von Seite 1 bis 59 inklusive zugehöriger Figuren auf Seiten 1/10 bis 10/10 und der Offenbarungsgehalt der Ansprüche 1 bis 22 werden in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen. Der magnetorheologische Keildämpfer baut nochmals kleiner als der magnetorheologische Scherdämpfer, er hat ca. die Abmessungen von 40 mm (Durchmesser) x 20mm, also ein Bauvolumen von ca. 26000 mm3, was fast lOOx weniger als beim Elektromotor ist.
Daraus ergibt sich ein erheblicher Bauraumvorteil beim Einsatz einer Bremseinrichtung auf Basis eines Scherdämpfers oder eines magnetorheologischen Keildämpfers. Das Bauteilgewicht hängt in etwa direkt mit dem Bauvolumen zusammen, ist also bei der Erfindung auch wesentlich geringer. Bauraum und Gewicht ist bei vielen Einsatzmöglichkeiten ein entscheidendes Kriterium.
Hydraulik- oder Pneumatiksysteme benötigen weniger Platz wie Elektromotoren, dafür sind aber Leitungen und Zusatzsysteme notwendig (Druckspeicher, Pumpen...). Die Ansteuerbarkeit und Geräuschentwicklung ist zudem sehr nachteilig. Im Computerspiele- bzw. Gamingbereich sind beide nicht einsetzbar bzw. werden von Nutzern nicht akzeptiert.
Elektromotoren haben zudem den Nachteil, dass diese konzeptbedingt stark erhitzen und überhitzen, wenn im Stillstand über eine längere Zeit hohe Drehmomente (Haltemomente) gefordert sind (die Spulenwicklung wird warm, wodurch der Widerstand im Spulendraht steigt, wodurch die Erhitzung noch stärker zunimmt usw.). Der Strombedarf und die Erhitzung steigen dadurch dann überproportional stark an. Magnetorheologische Bremseinrichtungen haben diesen Nachteil nicht. Das Verhalten des Joysticks während der Bewegung, d.h. die dadurch erzeugte Betätigungskraft bzw. Rückmeldung (meist mit/an der Betätigungshand) ist bei der Erfindung situationsabhängig variabel steuerbar. Dies wird dadurch erreicht, dass bei der Steuerung der Elektronik die Regelung des Magnetfelds in der magnetorheologischen Bremseinrichtung (z. B. im Scherdämpfer) und somit die Stärke der Dämpfung schnell geregelt bzw. variiert wird. Die Steuerung reagiert vorzugsweise schnell auf den gerade anliegenden Betriebsmodus bzw. Usecase und daraus resultierend auf die Geschwindigkeit und/oder auf Geschwindigkeitsänderungen und/oder auf Richtungsänderungen am Joystick. Usecases sind situationsabhängige Anwendungsfälle. Ein Anwendungsfall bündelt eine Anzahl von Szenarien oder sogar alle möglichen Szenarien, die eintreten können, wenn ein Benutzer versucht, mithilfe des beschriebenen Systems ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Ein Usecase kann auch als Anwendungssituation bezeichnet werden.
Eine Barriere (Erhöhung des Drehmoments z. B. auf Maximalwert) in eine Drehrichtung sollte in die andere Drehrichtung nicht auch sperren (Freilauffunktion). Bewegt man den Joystick in Richtung der Barriere, sollte das Drehmoment sofort wieder aufgehoben werden, wenn keine Kraft mehr in Richtung Barriere aufgebracht wird. Der Benutzer fühlt sonst ein Anhaften des Joysticks an der Barriere. Der Hebel bleibt praktisch „kleben", was die dadurch verursachte Reaktion (den Wunsch des Nutzers) am Fahrzeug verschlechtert. Bewegt man den Joystick hingegen wieder in Richtung der Barriere, sollte das Drehmoment sofort wieder angehoben werden, damit der Benutzer die Barriere sofort wieder merkt.
Bei einem Aufbau mit einem Scherdämpfer kann die Linear- bzw. Schwenkbewegung des Joysticks in eine Rotationsbewegung an einem Rad umgesetzt werden.
Über eine Getriebestufe 708 kann die Bewegung auf eine höhere Rotationsgeschwindigkeit gebracht werden, damit der Scherdämpfer mehr Bremsmoment auf den Joystick übertragen kann. Ein konkret ausgeführter Scherdämpfer kann in dem zur Verfügung stehenden Bauraum nicht mehr als 4 Nm Bremsmoment aufbringen. Durch die Übersetzung (z. B. Verhältnis 3:1) kann am Joystick hier ein dreifach größeres Moment erreicht werden. Das Getriebe kann dabei nur aus Zahnrädern bestehen oder auch mit Zahnriemen, Kette(n), Reibräder(n) und dergleichen mehr ausgerüstet sein. Zahnräder haben den gewissen Nachteil, dass die Geometrie von der Größe der Zahnräder vorgegeben wird. Demgegenüber ist die Verwendung eines Zahnriemens flexibler in der Konstruktion und auch leise. Es können auch zueinander/gegeneinander verspannte Zahnräder verwendet werden, wodurch diese spielfrei werden.
Die magnetorheologische Bremseinrichtung 702 bzw. der Scherdämpfer bzw. das MRF Bremselement können auch baulich größer ausgeführt werden, wodurch höhere Dämpf-/Bremsmomente erzeugt werden können. In den meisten Fällen ist aber die Kombination aus einer kleineren Dämpf-/Bremseinheit mit einem Getriebe hinsichtlich des Bauraums, des Gewichts und der Kosten eine bessere Lösung.
Statt des Scherdämpfers kann im Prinzip jede MRF-Bremseinrichtung verwendet werden (Keillager, Schwenkflügel etc.). Das Getriebe zur Übersetzung ist zusätzlich zu den auch zuvor genannten Vorteilen vorteilhaft, um Platz zu sparen, da die Bremse nicht direkt angeflanscht werden muss, und so beliebig positioniert werden kann.
Durch die schnell reagierende MRF-Bremse (im Bereich von wenigen Millisekunden) kann eine Vielzahl von haptischen Rückmeldungen erzeugt werden. Die Vorteile von MRF-Bremsen wie die schnelle Reaktion und eine beliebig einstellbare Kraft/Drehmoment während des Betriebs werden dabei ausgenutzt.
Eine beispielhafte Signalverarbeitung wird im Diagramm der Figur 15 grundsätzlich dargestellt.
Beispielhafte Ansteuerungen bzw. Bedienungsfälle (Usecases) der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen die Figuren 3 bis 13 Verläufe des Verzögerungsmoments über den Drehwinkel bzw. die Zeit.
Federvorgespannte und nicht adaptive Joysticks pendeln/schwingen um die Mittelstellung (Neutralstellung), wenn man diese aus der Extremstellung los und sich frei bewegen lässt. Dies kann zu unerwünschten Bewegungen der mit dem Joystick in Verbindung stehenden Mechanik (z.B. Schneeschaufel bei einer Pistenwalze; Containerladung bei einem Hafenkran) führen.
Die Erfindung verhindert in einem Standard-Modus dieses Zurückschwingen. Es werden keine Barrieren oder Rippel erzeugt. Es wird hierbei die maximale Geschwindigkeit der Joystickbewegung geregelt (V-Regelung). Die Maximalgeschwindigkeit ist dabei von der Position (d. h. dem Winkel) des Joysticks abhängig. Je näher er sich der Nullstellung (Mittelstellung) annähert, desto mehr wird die Bewegung gebremst, desto langsamer ist die mögliche Bewegung.
Dadurch wird ein Überschwingen des Joysticks um die Neutralstellung verhindert. Wird der Joystick beim Vordrücken einfach losgelassen, wird er von der Rückstellfeder zur Neutralposition zurückgezogen und genau zu 0° hin gebremst. Ohne aktives Bremsen würde er, besonders wenn er zuvor aus den Endverfahrpositionen losgelassen wird, über die Mittelposition hinaus schwingen und dann wieder zurückschwingen und sich mit der Zeit einpendeln. Dies ist von Nutzern meist nicht gewünscht und bedienungstechnisch nachteilig. Die (Aus-) Schwingbewegungen bei nicht nach dieser Erfindung gesteuerten Joysticks können auch zu nachteiligen Lastspitzen am Werkzeug/Ladung führen.
Figur 3 zeigt die maximale Winkelgeschwindigkeit des Scherdämpfers im Joystick, abhängig von der Winkel-Position des Joysticks.
In dem Betriebsmodus „Unidirektional" ist eine Bewegung nur in eine Richtung möglich.
Die Bewegungsachse des Joysticks wird von der 0°-Position in eine Richtung gesperrt, es wird vom Scherdämpfer eine Drehmomentbarriere in diese Richtung erzeugt. Ein Bewegen ist nur in die andere Richtung möglich.
Bei Figur 4 wirkt die Barriere (nur) in eine Richtung. Es wird eine Drehmomentbarriere in eine Drehrichtung erzeugt. Der Joystick kann nur in die entgegengesetzte Richtung gedrückt werden.
Im Betriebsmodus „Smart Stop" kann der Joystick an jeder Stelle stehen bleiben. Das Drehmoment der magnetorheologischen Bremseinrichtung und hier des Scherdämpfers wird dem Verlauf der Federkennlinie der Rückstellfeder angepasst, d.h. der Dämpfer stellt dieselbe Bremskraft zur Verfügung, wie die Rückstellfeder in die andere Richtung anlegt. Drückt ein Benutzer den Joystick in eine Position und lässt ihn los, verbleibt der Joystick in genau dieser Position.
Figur 5 zeigt den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit der Kennlinie der Rückstellfeder. Das Drehmoment ist immer so hoch, dass beim Loslassen der Joystick in der jeweiligen Position verbleibt.
Bei dem Betriebsmodus „Ripple" wird das Drehmoment am Bedienhebel und damit die Kraft an der Mensch-/Maschinenschnittstelle (z.B.
Hand) zwischen einem niedrigen und einen hohen Wert alterniert/verstellt. Der Benutzer spürt so ein Raster von abwechselnd Bewegung und Abbremsung. Die Abstände und Länge der einzelnen Drehmomentpositionen können entweder zeitlich oder winkelabhängig oder als Kombinationen dieser gesteuert werden. Im winkelgesteuerten Rippel werden die Barrieren bei bestimmten Winkelpositionen gestartet und bis zu einem bestimmten Winkel gehalten (Winkel getriggert).
In Figur 6 ist dieser Modus gezeigt. Der Rippel beginnt bei 10° und ändert den Widerstand in 1°Schritten. Der Rippel wird in diesem Fall nur in eine Richtung erzeugt (beim Zurückbewegen zur O-Position nicht mehr).
Figur 6 zeigt einen über den Winkel getriggerten und gesteuerten Rippel. Das Bremsmoment (Y-Achse) wird abwechselnd zwischen einem hohen und einem niederen (z.B. Grunddrehmoment) Drehmoment angelegt bzw. die Kraft(Y-Achse)zwischen Bedienhand und Joystick am Hebel variiert.
Im zeitlich gesteuerten und zeitlich getriggerten Modus werden die Länge 743 der Barrieren und auch der Abstand 753 zwischen den Barrieren zeitlich vorgegeben (Figur 7).
Die Figur 7 zeigt den zeitlich getriggerten und gesteuerten Rippel. Die X-Achse zeigt die Zeit, die Y-Achse die Kraft am Bedienhebel bzw. das Drehmoment (Verzögerungsmoment) am Schwenkpunkt. Der Abstand und die Länge werden zeitlich gesteuert.
Die beiden Modi können kombiniert werden, indem die Triggerung getauscht werden. Z.B. können die Startpunkte der Barrieren über den Winkel festgelegt werden, die Länge aber immer über die gleiche Zeit, wie in Abbildung 8 gezeigt. Beim Start des Rippels bei einem bestimmten Winkel wird die Barriere über eine bestimmte Zeit gehalten und dann frei gegeben, egal bei welchem Winkel man sich befindet. Wird eine Winkelposition (Startposition) in der Dauer eines Rippels überfahren, kann dieser Rippelpunkt ausgelassen oder direkt angehängt werden.
Mit diesem Modus kann z.B. die Bewegungsgeschwindigkeit gesteuert oder mit schnell einstellbarer Periodendauer ein Hochpassfilter für Vibrationen oder Zittern realisiert werden. Vibration oder Zittern bedeutet, dass sich das dadurch erzeugte Feedback an der Benutzerhand wie ein Vibrieren oder Zittern anfühlt.
Figur 8 zeigt den zeitgesteuerten und Winkel getriggerten Rippel.
Die Länge wird zeitlich vorgegeben, die Startpunkte werden durch den Winkel vorgegeben.
Ein Rippelmodus kann natürlich auch über die Zeit oder die Winkelposition verändert werden, z.B. kann sich der Modus nach einer gewissen Zahl an Rippelpunkten ändern (feiner werden). So spürt der Benutzer das Erreichen eines gewissen Bereichs, z.B. Annähern an die Endstellung, Maximalgeschwindigkeit etc. in Form einer Änderung der Rippeischrittweite (= dynamische Anpassung).
Der Betriebsmodus Feder-Rippel ist eine abgeänderte Form des Rippel- Modus. Die Rippel-Barrieren werden nicht durch einen Sprung (Nieder- Hoch; wenig-viel) des Aktorenstroms und daraus resultierend vom Magnetfeld erzeugt, sondern ändern sich stetig. Dadurch spürt man wie sich die Barrieren aufbauen und wieder abnehmen. Das Steuersignal kann dabei ein Sinus- bzw. Kosinussignal sein, mit einem leichten Offset vom Nullpunkt. Der Strom ändert sich konstant ohne Sprünge und wird kurz leicht negativ, das Metall im Dämpfer bzw. der magnetorheologischen Bremseinrichtung wird so entmagnetisiert und wieder kurz magnetisiert, bevor der Strom wieder positiv wird und so wieder entmagnetisiert und neu magnetisiert wird. Der Benutzer empfindet diesen Wechsel von Magnetisieren und Entmagnetisieren und die kontinuierliche Änderung der Dämpfung/Bremsung ähnlich wie die die Bremsung durch eine Rastfeder in einer Kulisse (Berg-/Talkulisse).
Figur 9 zeigt den Aktorenstrom im Feder-Rippel-Modus. Der Strom ändert sich kontinuierlich mit zwei Nulldurchgängen pro Periode.
Zusätzlich kann der Strom an eine bzw. die Winkelgeschwindigkeit angepasst werden. Das Drehmoment vom Dämpfer ist geschwindigkeitsabhängig und wird geringer mit höheren Geschwindigkeiten. Um ein gleiches Drehmoment über verschiedene Geschwindigkeiten zu erhalten, muss der Strom erhöht werden.
In dem in Figur 10 gezeigten Betriebsmodus „FNR" (Front, neutral, Rear) kann der Joystick zwischen verschiedenen Rastpositionen gestellt werden (z.B. bei Automatikschaltung: Front, Neutral, Rear). Zwischen den vorgegebenen Rastpositionen ist das Drehmoment minimal und wird bei Erreichen der Position auf einen Wert angehoben, in dem der Joystick verbleibt (stehen bleibt), da die Rückstellkraft der Feder nicht ausreicht, um die Bremskraft zu überwinden. Will der Benutzer den Joystick in eine andere Position bringen, muss der Widerstand überdrückt werden und kann bis zur nächsten Position bewegt werden. Die Rastpositionen sind z. B. bei -8°, 0° und 8°. Bei z. B. -10° und 10° wird ein Endstop in Form von maximalem Drehmoment erzeugt.
Der Vorteil der adaptiven MRF-Technik in diesem Fall, gegenüber konventioneller Reib-/Kulissenbremsen, ist, dass kein Stick-Slip- Effekt (Hafteffekt) auftritt. Bei konventionellen Systemen muss zunächst eine Haftreibung überwunden werden. Da die Gleitreibung viel geringer ist, rutscht die Bremse dann durch und wenn sie wieder stehen bleibt, haftet sie wieder stärker; dadurch kommt es zu ruckartigen Bewegungen am Joystick und an den mit dem Joystick in Wirkverbindung stehenden zu bedienenden Werkzeugen oder Gegenständen. Ruckartige Bewegungen können zu hohen Lastspitzen und Überlast führen (erhöhter Maschinenverschleiß. Das ist bei der erfinderischen Lösung nicht der Fall und ein großer Vorteil bei der Benutzung.
Bei dem Betriebsmodus „Axis Locked" wird eine Barriere mit maximalem Drehmoment in alle Richtungen erzeugt (von Nullposition aus). Der Joystick ist so in seiner Bewegung gesperrt.
Wenn sich der Joystick in der Nullposition befindet, lässt er sich nicht bewegen. Ist er zu Beginn ausgelenkt, kann er zurück in die 0- Position gebracht werden und wird dann gesperrt. Befindet sich der Joystick in positiver Position ausgelenkt und wird in positive Richtung beschleunigt (so wie bei negativer Position mit negativer Beschleunigung) wird der Joystick gesperrt. Andernfalls kann er sich frei bewegen, damit er zurück in O-Position (Grundposition) gebracht werden kann.
Die Figur 11 zeigt die Sperrung der Bewegung in beide Richtungen.
Bei dem Betriebsmodus „Kick and hold" wird bei einem bestimmten Winkel der Widerstand über einen kurzen Winkelbereich erhöht. Der Widerstand bleibt auch bei der Zurückbewegung des Joysticks durch die Rückstellfeder oder die Nutzerhand erhalten und ist also in beide Bewegungsrichtungen aktiv. Er kann aber auch nur in eine Bewegungsrichtung aktiv sein. Der Joystick wird dann in der Position gehalten. In der Abbildung beginnt die Drehmomentspitze bei 15° und endet bei 18°. Das heißt, wenn der Joystick über diesen Bereich (hier größer 18°) gedrückt und losgelassen wird, fährt er federbelastet bis zu 18° zurück und verbleibt danach bei 18°. Wenn er unter 18° ist, geht er federvorbelastet in die Nullstellung zurück. Die Figur 12 zeigt „Kick&hold" in Vorwärtsrichtung. Die Drehmomentspitze ist hier in beide Schwenkrichtungen vorgesehen (d.h. von der Neutralstellung aus vor und zurück).
In dem Betriebsmodus „Kick down" wird ein kurzer Widerstand in eine Richtung erzeugt, die Zurückbewegung erfolgt ohne Widerstand bis zur O-Position. Im Beispiel der Figur 13 muss die Drehmomentspitze im Bereich 15-20° überdrückt werden und kann sich danach ohne Bremsung zurückbewegen. Wie in Figur 13 gezeigt, wird ein kurzer Widerstand in eine Richtung erzeugt, die Zurückbewegung erfolgt ohne Widerstand.
Bei dem Betriebsmodus frei wählbare „Kulisse" wird mit dem adaptiven Joystick laut dieser Erfindung z.B. die klassische Kulisse einer mechanischen Gangschaltung (z.B. H-Schaltung/Kulisse) nachgebildet. Eine solche Kulissenmechanik 733 ist in der Figur 14 gezeigt.
Dabei werden die MRF Dämpfer-/Bremsen laut dieser Erfindung abwechselnd so angesteuert, dass sich der Joystick nur nach z.B. einem H-Schema bewegen lässt. Will der Bediener/Benutzer hierbei z.B. den Joystick bzw. in diesem Fall den Schalthebel von z.B. einem Kraftfahrzeug (Auto) diagonal von der Schaltstellung 2 zur Schaltstellung 3 bewegen, wird diese durch Bestromung des X-Achsen und Y-Achsen MRF Dämpfer (magnetorheologische Bremseinrichtung) verhindert. Zulässig ist zuerst nur eine Bewegung des Y-Achsen- Dämpfers, der X-Achsen-Dämpfer wird gesperrt. Ab der Y-Verfahrmitte ist nur eine Bewegung des X-Achsen-Dämpfers zulässig, der Y-Achsen- Dämpfer wird gesperrt. Dann nach einer gewissen X-Wegstrecke wiederum nur eine Bewegung des Y-Achsendämpfers ermöglicht, bis die Stellung 3 erreicht ist. Der Benutzer hat so das Gefühl, er schaltet die Gänge manuell in einer Kulisse, wie er es von seinem Auto mit manuellem Getriebe gewohnt ist. Der Gangwechsel geschieht aber tatsächlich automatisch über die Elektronik (Shift By Wire) und durch Vortäuschung einer Kulisse durch intelligente Ansteuerung der X-und Y MRF Achsen.
Wichtig hierbei ist, dass dies schnell und harmonisch geschieht. Es können so auch verschiedene Anzahl an Gängen, Automatik-Schalthebel in einer, zwei oder drei Ebenen, sequentielle Schaltschemen und verschiedene Bauformen virtuell erzeugt werden. Auch können verschiedene Schaltkräfte, Verfahrwege und auch Oldtimerschaltungen nachgebildet werden. So kann zum Beispiel bei einem Leihwagen oder Mietkraftfahrzeug immer die bevorzugte Schaltmethode des Benutzers (Kunden) angewendet/voreingestellt werden, was den Bedienkomfort und die Fehlbedienung reduziert.
Bei dem Betriebsmodus „Ansteigender Widerstand" steigt der Widerstand insbesondere linear oder über ein Polynom an und zeigt so dem Benutzer über den Widerstand an, in welchem Bereich er sich befindet. Z.B. wird der Widerstand höher je schneller man eine Maschine betreibt oder die Last bewegt wird und beugt so Unfällen durch zu hohe Geschwindigkeiten vor.
Es ist auch eine Kombination der Modi möglich. So können beliebige Modi kombiniert werden. Zum Beispiel kann man einen „Rippel" und den „Smart Stop" kombinieren, sodass der Joystick beim Bewegen einen Rippel erzeugt und beim Loslassen an der Stelle stehen bleibt. Durch die Sensorik kann auch schnell zwischen den Modi gewechselt werden, wenn die Richtung geändert wird.
Eine Ausweitung von einer Bewegungsachse auf zwei Bewegungsachsen oder auch drei Bewegungsachsen ist möglich.
Die nachfolgenden Ausführungen der verschiedenen Betriebsmoden sind jeweils für eine Bewegungsachse erklärt (Vor und Zurück; x-Achse). Sie sind jedoch analog auf eine zweite oder dritte Achse erweiterbar (links, rechts; y-Achse, z-Achse).
Für den Einsatz im Gaming werden Ansprüche an den Gaming-Joystick gestellt, wie ein guter Stand auch bei schnellen Bewegungen (stabiles Material, ausreichendes Gewicht). Der Joystick soll ergonomisch geformt, eine gute Nachbildung von realen Steuerjoysticks sein und eventuell ausreichend Tasten für Spezialbelegungen aufweisen.
Vorzugsweise ändert sich der Widerstand von dem Joystick je nach Spielsituation. So kann eine Anpassung an reale Systeme erfolgen (z. B. Flugsimulatorspiel Joystick einer Boeing 747 verhält sich anders als der einer Cessna) und/oder eine zusätzliche Antwort/Rückmeldung des Systems durch Vibrationen ist möglich.
Der Widerstand im Nullpunkt ist ein wichtiges Kriterium besonders für Gamer (Flugsimulatoren): Reale Cockpit-Joysticks haben nur sehr geringen Widerstand um den Nullpunkt, gute Joysticks sollten die echten Cockpit-Joysticks möglichst gut nachahmen. Eine MRF Bremseinrichtung mit sehr geringem Grundmoment kann den Widerstand um den Nullpunkt sehr gering halten.
Vibration kann durch MRF-Bremse „passiv" simuliert werden, indem ein Rippel mit sehr kurzen Abständen erzeugt wird, wodurch der Nutzer beim Bewegen eine Vibration spürt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Adaptivität. Es kann ein Serienteil entwickelt werden, welches beliebig an jeweilige Kundenwünsche anzupassen ist. Kleinserien können so viel schneller erzeugt und Produktionskosten eingespart werden.
Es können gleichzeitig eine Reihe von Dummy-Knöpfen vorgesehen werden, die individuell belegbar sind. Es kann kundenspezifisch eine Personalisierung erfolgen. Die Gestaltung ist für Rechts- und Linkshänder möglich. Es kann ein personalisiertes und/oder intelligentes Feedback erfolgen. Die Konstruktion ist flexibel anpassbar. Es entstehen geringe Kosten durch wenige Teile.
Die Kraft der Feder bzw. Rückstellfeder kann aufgehoben werden. Die Kraft der verwendeten Rückstellfeder kann insbesondere „eingestellt" werden, indem die Rückstellkraft gedämpft wird. So kann man die gleiche Federstärke für verschiedene Joysticks verwenden, bei denen eine unterschiedlich starke Rückstellkraft gewünscht ist (in dem Fall müsste eine aktive Unterstützung bei Bewegung gegen die Feder bereitgestellt werden). Die Anpassbarkeit gilt auch für verschiedene Temperaturen, Verschmutzung, Alterung und Verschleiß. Der Benutzer erhält unabhängig von diesen sich veränderten Parametern das gleiche (gewohnte) haptische Feedback und Verhalten. Es ist auch möglich, eine Einstellung des Druckpunktes und der Kräfte vorzunehmen. Je nach Kunde bzw. Kundenbedürfnis kann die Verstellkraft (Druckpunkt) usw. angepasst werden. Dies auch abhängig vom äußeren Zustand, d.h. bei glattem Untergrund in einem Fahrzeug: kleinere Momente/Kräfte. Dies reduziert die Bedienkraft und Ermüdung vom Nutzer. Bei rauen Straßen oder unebenem Gelände: Höhere Kräfte/Drehmomente. Dies reduziert Fehlschaltungen bzw. lässt präziseres Bewegen zu.
Ein weiterer erheblicher Vorteil ist, dass kein Stick-Slip Effekt auftritt. Die Bremsung/Dämpfung erfolgt nicht über klassische reibungsbasierte Bremsen. Die MRF-Dämpfer dämpfen in Abhängigkeit des Stroms/Magnetfeldes. Bei Abschalten des Magnetfeldes ist die Bremswirkung sofort aufgehoben, egal wie schnell die Bewegung ist. Die Bremskraft ist nicht oder nur gering geschwindigkeitsabhängig, es kann so nicht zu den ruckartigen Bewegungen des Stick-Slip Effekts kommen.
Es ist auch ein Mehrachsenmodus möglich (Multiaxes- und Singleaxes- Modus). Jede einzelne Drehbewegung um eine jeweils separate Achse kann über separate magnetorheologische Bremseinrichtungen separat angesteuert werden. Gegebenenfalls reicht auch eine einzige magnetorheologische Bremseinrichtung zur Bremsung von Drehbewegung um verschiedene Achsen.
Mit demselben Serienteil können entweder Joysticks mit nur einer Bewegungsrichtung (z.B. vor) oder bis zu 4-Richtungen (vor, zurück, links, rechts) erzeugt werden.
Es kann eine haptische Anzeige der Leistung erfolgen. Die Leistung, die eine Maschine/Fahrzeug bringt, kann z. B. durch erhöhten Widerstand angezeigt werden.
Durch haptisches Feedback kann die Sicherheit beim Bedienen von Maschinen erheblich erhöht werden, da der Benutzer seinen Blick nicht auf Anzeigen richten muss, um Probleme zu erkennen.
Auch medizinische Anwendungen sind mit der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. So ist eine Steuerung von Robotern bei einer Operation, um z.B. falsche Schnitte mit Skalpell zu vermeiden oder unterschiedliche Schnittkräfte wieder zu geben, möglich. Im Labor können Laborgeräte gesteuert werden. So kann z. B. ein automatisches Verschieben eines Probenhalters in der Mikroskopie vorgenommen werden, um Zusammenstöße zu verhindern.
Ein versehentliches Betätigen kann verhindert werden. Eine Anpassung an äußere Umstände ist möglich. Ein unabsichtliches Betätigen kann verhindert werden, wenn z.B. standardmäßig ein kurzer Ripple nach längerem Nichtverwenden erzeugt wird. So spürt ein Benutzer sofort, wenn er ungewollt den Joystick bewegt. Auch ein von außen kommender Schlag (z.B. ein Schlagloch wird durchfahren) kann zu einem nicht gewünschten Verstellen führen. Durch Erhöhung der Kraft/Drehmomentes, wenn ein solches Ereignis eintritt und vom Gesamtsystem erfasst, analysiert und an die Joysticksteuergerät weitergegeben wird, kann dies verhindert werden. Z.B.: Merkt ein Fahrzeugbeschleunigungssensor verstärkte Aufbaubewegungen, dann wird die notwendige Joystick-Betätigungskraft/-moment automatisch angepasst, sodass Fehlbedienungen reduziert werden.
Der Joystick kann via Bluetooth, WLAN, ZigBee, NFC, Wi-Fi, LiFi, 3G, Smartphone, Smartwatch, Chip, Schlüssel usw. erkennen, welcher Benutzer den Joystick benutzen will und sich so vorkonfiguriert oder automatisch an dessen Bedürfnisse/Vorlieben anpassen. Der Joystick bzw. die damit zusammenhängende Steuerelektronik kann auch lernfähig sein (Fuzzy Logic. Künstliche Intelligenz. Maschinenlernen) und so den Bedienkomfort fortlaufend optimieren und Bedienfehler reduzieren.
Nahfelderkennungssysteme (Radar, Ultraschall, kamerabasierend, Lidar...) liefern wichtige Informationen an die Steuerelektronik des Joysticks und beeinflussen dadurch das haptische Feedback.
Mehrere Systeme sind miteinander vernetzt, es können auch externe Signale zugeführt werden (z.B. via Bluetooth, WLAN, ZigBee, NFC, Wi- Fi, LiFi, 3G, 5G...), alle Daten werden analysiert und resultieren in einem entsprechenden Realtime Feedback am Joystick. Dadurch können komplexe Situationen mit dem Joystick aufgrund vom situationsabhängigen Feedback einfacher und sicherer bedient werden.
Der Winkelsensor verfügt vorzugsweise über mehr als 30.000 Inkremente pro Umdrehung und die Regelfrequenz der Steuerung über mehr als 5 kHz.
Das Gesamtsystem kann auch redundant aufgebaut werden, wenn es der Einsatzzweck erfordert (z.B. doppelte Positionssensoren und Drehdämpfer...).
Erkennt die Steuerelektronik frühzeitig den nahenden Ausfall eines relevanten Sensors oder Dämpfers, kann dies dem Benutzer in Form von einem haptischen Feedback (z.B. anhaltendes starkes Vibrieren) klar signalisiert werden. Dies gilt auch, wenn z.B. der Sensor der Y- Achse ausfällt und der Nutzer die X-Achse aber noch betätigen will/muss. Der adaptive Joystick kann sich auch an solche Sonder oder Notsituationen anpassen und dem Nutzer bestmöglich bei den verbleibenden Bedienmöglichkeiten (mit Feedback) unterstützen.
In allen Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Ausführungen ist es möglich, mit der magnetorheologischen Bremseinrichtung akustische Signale oder Töne auszugeben. Dazu wird die magnetorheologische Bremseinrichtung gezielt mit einer entsprechenden (konstanten oder variablen) Frequenz so abgebremst, dass ein entsprechendes Tonsignal entsteht. Insbesondere wird die Steuereinrichtung zur Steuerung eingesetzt. Es ist aber auch möglich, dass zur gezielten Steuerung der Tonsignale und zur Ansteuerung (Einschaltung und Ausschaltung) der Bremseinrichtung ein separater Signalgenerator verwendet wird. Neben einer insbesondere rythmischen Einschaltung und Ausschaltung der Bremseinrichtung kann auch eine entsprechende Erhöhung und Verringerung der Bremswirkung erzeugt werden, um akustische Signale oder Töne auszugeben. Eine alternative oder zusätzliche Tonabgabe ist in allen Ausgestaltungen auch über einen Lautsprecher oder Tongenerator möglich. Bezugszeichenliste:
1 Drehdämpfer
2 Übertragungseinrichtung
700 Eingabegerät
701 Bedieneinrichtung
702 Bremseinrichtung
703 Steuereinrichtung
704 Trageinrichtung
705 Bedienhebel
706 Schwenkachse
707 Rückstelleinheit
708 Getriebestufe
710 Eingabeempfangsgerät
711 Joystick
713 Abfolge
714 Anbindung
716 Schwenkachse
717 Neutralstellung
718 Riementrieb
720 Eingabesystem
721 Schalter 723 Rippel
728 Rotationsachse
733 Kulissenmechanik
734 Sensormittel 743 Länge
753 Abstand

Claims

Ansprüche :
1. Eingabegerät (700), insbesondere Joystick (711), mit wenigstens einer Bedieneinrichtung (701) und mit wenigstens einer magnetorheologischen Bremseinrichtung (702) und mit wenigstens einer Steuereinrichtung (703) zur Ansteuerung der Bremseinrichtung (703), wobei die Bedieneinrichtung (701) wenigstens eine Trageinrichtung (704) und wenigstens einen Bedienhebel (705) umfasst, wobei der Bedienhebel (705) um wenigstens eine Schwenkachse (706) schwenkbar an der Trageinrichtung (704) aufgenommen ist und wobei wenigstens ein Sensormittel (734) zur Erfassung eines Schwenkwinkels des Bedienhebels (705) umfasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (702) mit der Schwenkachse (706) gekoppelt ist, um eine Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) durch die Steuereinrichtung (703) gesteuert zu dämpfen und dass die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die Bremseinrichtung (702) wenigstens in Abhängigkeit wenigstens eines Steuerbefehls anzusteuern und den Steuerbefehl in wenigstens ein an dem Bedienhebel (705) wahrnehmbares haptisches Signal, vorzugsweise eine definierte Abfolge (713) von Verzögerungsmomenten, umzusetzen, sodass ein Benutzer wenigstens als Folge einer vorgenommenen Eingabe und/oder während einer Eingabe eine haptische Rückmeldung (sog. Force Feedback) erhalten kann.
2. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Bedienhebel (705) nach einer erfolgten Betätigung automatisch in eine bestimmungsgemäße Neutralstellung (717) mittels wenigstens einer Rückstelleinheit (707) zurückschwenkbar ist und wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine von der Rückstelleinheit (707) ausgeführte Rückstellbewegung mittels der Bremseinrichtung (702) gezielt zu dämpfen.
3. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, den Bedienhebel (705) nach einer erfolgten Betätigung automatisch in der aktuellen Betätigungsstellung zu fixieren und dazu mittels der Bremseinrichtung (702) gezielt ein Verzögerungsmoment einzustellen.
4. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bedienhebel (705) um wenigstens zwei Schwenkachsen schwenkbar an der Trageinrichtung (704) aufgenommen ist und wobei jeweils wenigstens eine Bremseinrichtung (702) mit wenigstens einer Schwenkachse gekoppelt ist und wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, bei einer Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) die Schwenkachsen jeweils separat zu dämpfen.
5. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die Dämpfung der Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) wenigstens in Abhängigkeit von einem mittels des Sensormittels (734) erfassten Schwenkwinkel des Bedienhebels (705) anzupassen.
6. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steuerbefehl von wenigstens einem mit dem Eingabegerät (700) koppelbaren Eingabeempfangsgerät (710) und/oder vom Eingabegerät selbst bereitgestellt wird.
7. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) in wenigstens eine Richtung zu blockieren und in eine entgegengesetzte Richtung freizugeben.
8. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, bei Erreichen wenigstens eines definierten Schwenkwinkels ein Verzögerungsmoment mittels der Bremseinrichtung (702) über wenigstens einen bestimmten Schwenkwinkelbereich zu erhöhen und den Bedienhebel (705) nach einer erfolgten Überwindung des Schwenkwinkelbereichs in wenigstens einer Zielstellung außerhalb der Neutralstellung (717) zu fixieren und dazu mittels der Bremseinrichtung (702) gezielt ein Verzögerungsmoment einzustellen, welches einem Rückstellmoment der Rückstelleinheit (707) an der Zielstellung entspricht oder höher als ein solches ist.
9. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, das erhöhte Verzögerungsmoment für die Überwindung des Schwenkwinkelbereichs in nur eine Richtung vorzusehen, sodass der Bedienhebel (705) nach einer erfolgten Überwindung des Schwenkwinkelbereichs ohne ein solches erhöhtes Verzögerungsmoment zurückbewegt werden kann.
10. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, den Bedienhebel (705) an bestimmten Rastpositionen zu fixieren und dazu mittels der Bremseinrichtung (702) ein vorliegendes Verzögerungsmoment gezielt zu erhöhen, sodass ohne zusätzlichen Kraftaufwand und/oder ohne eine zusätzliche Benutzeraktion weder ein Weiterbewegen noch ein Rückstellen erfolgen kann.
11. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, das Verzögerungsmoment bereits ab einem definierten Schwenkwinkel vor Erreichen einer Rastposition zu erhöhen und/oder ab einem definierten Schwenkwinkel nach Verlassen der Rastposition zu verringern.
12. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, den Bedienhebel (705) bei Erreichen wenigstens eines bestimmten Schwenkwinkels und/oder in der Neutralstellung (717) und/oder in der aktuellen Stellung derart zu blockieren, dass mit einer betriebsgemäß aufzubringenden Handkraft kein Weiterbewegen in wenigstens eine Schwenkrichtung und/oder in alle betriebsgemäßen Schwenkrichtungen erfolgen kann.
13. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, durch eine Kombination einer Mehrzahl von Raststellungen und wenigstens einer Neutralstellung (717) und einer Mehrzahl von Schwenkwinkel abhängigen Blockierungen des Bedienhebels (705) wenigstens eine Kulissenmechanik (733) zu simulieren.
14. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in der Steuereinrichtung (703) mehrere simulierbare Kulissenmechaniken (733) hinterlegt sind und wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine Kulissenmechanik (733) abhängig von einer Benutzereingabe und/oder einem Steuerbefehl eines Eingabeempfangsgeräts (710) auszuwählen und zu simulieren.
15. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) mittels der Bremseinrichtung (702) in einer gezielten Abfolge (713) zu verzögern und freizugeben und zur Umsetzung einer solchen Abfolge (713) unterschiedlich hohe Verzögerungsmomente für die Verzögerung und die Freigabe einzustellen und die Verzögerungsmomente für die Verzögerung und/oder die Freigabe als Funktion der Zeit und/oder als Funktion des Schwenkwinkels einzustellen.
16. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die Verzögerungsmomente der Abfolge (713) winkelabhängig zu starten und zeitabhängig aufrecht zu erhalten und insbesondere eine Einstellung eines in der Abfolge (713) vorgesehenen Verzögerungsmoments auszulassen, wenn eine für den Start vorgesehene Winkelposition während der Aufrechterhaltung eines Verzögerungsmoments überschwenkt wird.
17. Eingabegerät (700) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die unterschiedlichen Verzögerungsmomente der Abfolge (713) mit einer solchen Frequenz einzustellen, dass die Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) mit einem gezielten Vibrieren gedämpft wird und wobei die Frequenz vorzugsweise wenigstens 50 Hz beträgt.
18. Eingabegerät (700) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, die unterschiedlichen Verzögerungsmomente der Abfolge (713) über die Zeit und/oder den Schwenkwinkel des Bedienhebels (706) und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienhebels (706) und/oder die Anzahl erfolgter Einstellungen von Verzögerungsmomenten dynamisch anzupassen.
19. Eingabegerät (700) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine Abfolge (713) mit sich stetig verändernden Verzögerungsmomenten einzustellen und wobei dazu insbesondere ein sinusförmiger oder kosinusförmiger Verlauf vorgesehen ist.
20. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (703) dazu geeignet und ausgebildet ist, bei einer Betätigung des Bedienhebels (705) nach einer definierten Zeit ohne eine Betätigung des Bedienhebels (705) wenigstens ein haptisches Warnsignal auszugeben und dazu vorzugsweise eine definierte Abfolge (713) von Verzögerungsmomenten einzustellen.
21. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetorheologische Bremseinrichtung (702) dazu geeignet und ausgebildet ist, wenigstens 30.000 Inkremente/Umdrehung für eine Schwenkachse des Bedienhebels (705) bereitzustellen.
22. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (702) über wenigstens eine Getriebestufe (708) mit der wenigstens einen Schwenkachse gekoppelt ist und wobei die Getriebestufe (708) vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis zwischen 2:1 und 5:1 aufweist.
23. Eingabegerät (700) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Getriebestufe (708) wenigstens einen Riementrieb (718) umfasst, welcher die Schwenkachse (706) mit einer Drehachse der Bremseinrichtung (702) koppelt.
24. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (702) durch wenigstens einen Drehdämpfer (1) bereitgestellt wird und wobei der Drehdämpfer (1) zwei Komponenten umfasst, wobei eine Komponente eine Innenkomponente und die andere Komponente eine Außenkomponente umfasst und wobei die Außenkomponente die Innenkomponente wenigstens abschnittsweise radial umgibt, wobei zwischen den Komponenten ein radial nach innen von der Innenkomponente und radial nach außen von der Außenkomponente begrenzter und wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium gefüllter ringförmiger und umlaufender Dämpfungsspalt angeordnet ist, wobei der Dämpfungsspalt einem Magnetfeld aussetzbar ist, um eine Schwenkbewegung zwischen den beiden gegeneinander verschwenkbaren Komponenten um eine Achse zu dämpfen und wobei eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen an wenigstens einer der Komponenten vorgesehen ist und wobei wenigstens ein Teil der Arme mit einer elektrischen Spule mit wenigstens einer Wicklung ausgerüstet ist, wobei sich die Wicklung jeweils neben der Achse und beabstandet von der Achse erstreckt.
25. Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (702) durch wenigstens eine magnetorheologische Übertragungsvorrichtung (2) bereitgestellt wird und wobei die magnetorheologische Übertragungsvorrichtung (2) mit wenigstens zwei koppelbaren Komponenten ausgestattet ist, deren Kopplungsintensität beeinflussbar ist, wobei zur Beeinflussung der Kopplungsintensität wenigstens ein Kanal vorgesehen ist, wobei der Kanal ein durch ein Magnetfeld beeinflussbares magnetorheologisches Medium mit magnetisch polarisierbaren Partikeln enthält, und wobei wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in dem Kanal vorgesehen ist, um mit dem Magnetfeld das magnetorheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen, wobei die eine Komponente als äußere Komponente die andere Komponente als innere Komponente umgibt und wobei wenigstens eine der beiden Komponenten über wenigstens ein separates Lager gelagert ist und wobei ein Abstand zwischen der äußeren Komponente und der inneren Komponente wenigstens zehnmal so groß ist wie ein typischer mittlerer Durchmesser der magnetisch polarisierbaren Partikel in dem magnetorheologischen Medium und der Kanal wenigstens teilweise mit dem Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist, um die Partikel wahlweise zu verketten oder freizugeben.
26. Eingabesystem (720), umfassend ein Eingabegerät (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein mit dem Eingabegerät (700) in Wirkverbindung stehendes Eingabeempfangsgerät (710), wobei das Eingabeempfangsgerät (710) als ein Nutzfahrzeug ausgebildet ist, sodass die Funktionen des Nutzfahrzeugs wenigstens teilweise durch das Eingabegerät (700) bedienbar sind und/oder wobei das Eingabeempfangsgerät (710) als ein Computer, insbesondere mit einem Simulationsprogramm und/oder einem Spieleprogramm, ausgebildet ist, sodass mit dem Eingabegerät (700) Eingaben in den Computer ausführbar sind.
27. Verfahren zum Betreiben eines Eingabegeräts (700), insbesondere eines Joysticks (711), wobei wenigstens ein Bedienhebel (705) des Eingabegeräts (700) zur Durchführung einer Eingabe in ein mit dem Eingabegerät (700) in Wirkverbindung stehendes Eingabeempfangsgerät (710) wenigstens teilweise manuell um wenigstens eine Schwenkachse (706) verschwenkt wird und wobei wenigstens eine Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) mittels wenigstens einer mit der Schwenkachse (706) gekoppelten magnetorheologischen Bremseinrichtung (702) gezielt gedämpft und freigegeben werden kann und wobei die Bremseinrichtung (702) mittels wenigstens einer Steuereinrichtung (703) wenigstens in Abhängigkeit eines mittels wenigstens eines Sensormittels (734) erfassten Schwenkwinkels des Bedienhebels (705) und/oder der Zeit und/oder wenigstens eines Betriebszustands des Eingabeempfangsgeräts (710) angesteuert wird, um die Dämpfung gezielt anzupassen.
28. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Betriebszustand des Eingabeempfangsgeräts (710) wenigstens einen der folgenden Parameter betrifft: Leistungszustand, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Lage im Raum, Umfeld, überfahrener Untergrund, ausgeführte Arbeit, ausgewähltes Benutzerprofil, ausgewählter Betriebsmodus, Aktivität eines Assistenzsystems und insbesondere Fahrassistenzsystems, mittels einer Software simulierte Situation, Eingabebedingung bei der Bedienung eines Programms.
29. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwenkbarkeit des Bedienhebels (705) gezielt verstärkt gedämpft oder blockiert wird, wenn ein Betriebszustand mit einer über einem Schwellenwert liegenden Unruhe und/oder Gefährdung vorliegt und/oder wenn ein Assistenzsystem aktiv in die Benutzung des Eingabeempfangsgeräts (710) eingreift.
30. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Betriebszustand mit einem über einem Schwellenwert liegenden Parameter und/oder mit einer über einem Schwellenwert liegenden Gefährdung und/oder mit einem Eingriff eines Assistenzsystems mittels einer gezielten Abfolge unterschiedlicher Verzögerungsmomente während einer Schwenkbewegung des Bedienhebels (705) haptisch signalisiert wird.
31. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwenkbarkeit (Schwenkbewegung) des Bedienhebels (705) in Abhängigkeit einer realen Betriebssituation und/oder einer mittels einer Software simulierten Situation variabel, aber gezielt, verstärkt gedämpft oder blockiert wird.
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