DE10052050A1 - Bedienungselement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Bedienungselement zur manuellen Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems (36) beschrieben, welches eine von einer Bedienungsperson betätigbare Handhabe (12) aufweist, die an einer Plattform (10) befestigt ist. Die Plattform (10) steht über wenigstens sechs nach Art eines Hexapod angeordnete Teleskopbeine (18, 20, 22, 24, 26, 28) mit einer feststehenden Konsole (30) in Verbindung. Die Teleskopbeine (18, 20, 22, 24, 26, 28) enthalten Wegmessgeber, deren Längensignale durch eine Auswerteeinheit (32) ausgewertet und zur Ansteuerung der Bewegungsabläufe herangezogen werden.

Description

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

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

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

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

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

Das erfindungsgemäße Bedienungselement enthält eine Handhabe, die als Bedienungshebel ausgebildet sein kann und sich von einer Bedienungsperson betätigen lässt. An der Handhabe ist eine Plattform befestigt, die der Bewegung der Handhabe folgt. Zwischen der Plattform und einer feststehenden Konsole sind wenigstens sechs Teleskopbeine nach Art eines Hexapods angeordnet. Jedes Teleskopbein enthält beispielsweise zwei in ihrer Längserstreckung relativ zueinander verschiebbare Teleskopstangen, deren freie Enden allseitig schwenkbar an der Plattform beziehungsweise an der Konsole angreifen, wobei die Angriffspunkte jeweils im Bereich der Eckpunkte eines Dreiecks liegen können. Die Teleskopbeine sind mit Wegmessgeber ausgestattet, deren Längensignale der jeweiligen Länge des zugehörigen Teleskopbeins entsprechen.

Aus diesen Längensignalen lassen sich die drei Koordinaten und die drei Orientierungswinkel bestimmen, die die Plattform in Bezug auf die Konsole einnimmt. Die Messsignale der Wegmessgeber spiegeln die Lage der Plattform und damit auch der Handhabe in eindeutiger Weise wieder. Bei der Koordinatenberechnung können bekannte Methoden eingesetzt werden (Hebsacker, M.: Die Auslegung der Kinematik des Hexaglide - "Methodik für die Auslegung paralleler Werkzeugmaschinen", VDI-Berichte Nr. 1427, 1998). Die Längensignale werden durch eine Auswerteeinheit ausgewertet und zur Ansteuerung der Bewegungsabläufe des zu steuernden Systems herangezogen. Das erfindungsgemäße Bedienungselement dient damit der manuellen Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems.

Hexapoden sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise bei Messgeräten zur Überprüfung der Positionsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen (DE-A-35 04 464), bei motorischen Koordinatenmessgeräten (DE-A-197 20 049) und bei Roboterkinematiken verwendet. Unter Hexapod soll eine Anordnung von Teleskopbeinen verstanden werden, die Bewegungen in sechs Freiheitsgraden ermöglicht. Das Hexapod kann sechs oder mehr (beispielsweise acht) Teleskopbeine enthalten. Durch die erfindungsgemäße Anwendung der Hexapod-Anordnung im Zusammenhang mit einem Bedienungselement wird es möglich, die Handhabe und mit ihr die Plattform in sechs Freiheitsgraden (3 Rotationen, 3 Translationen) zu bewegen und die Bewegungsabläufe in eindeutiger Weise in Steuersignale umzusetzen. Die Handhabe lässt sich in zwei Richtungen seitlich verschwenken, um ihre Achse verdrehen, sich seitlich in zwei Richtungen verschieben und in Richtung ihrer Achse heraus- und hineinschieben. Eine derart vielseitige Betätigung ist mit den bisher bekannten Bedienungselementen nicht möglich.

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

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

Die Auswerteeinheit berechnet aus den Messwerten der Wegmessgeber, welche die Kinematik der Handhabe widerspiegeln, die jeweilige Lage der griffseitigen Plattform und gibt entsprechende Steuersignale an das zu steuernde System ab. Da sich die griffseitige Plattform mit der Handhabe mitbewegt, lassen sich aus den Messwerten die Bewegungsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit der Auslenkbewegungen des Bedienungselements ableiten.

Die Erfindung lässt sich für die Steuerung von Mechanismen mit mehr als zwei Freiheitsgraden einsetzen. Ein bevorzugter Anwendungsfall ergibt sich im Zusammenhang mit einer Anbauschnittstelle zur Kopplung von Arbeitsgeräten an ein Arbeitsfahrzeug, wie es in der nachveröffentlichten DE-A-199 51 840 beschrieben ist. Bei der beschriebenen Anbauschnittstelle sind zwischen einem Traktorrumpf und einem Koppelrahmen sechs nach Art eines Hexapods angeordnete Hydraulikzylinder vorgesehen. Diese Hydraulikzylinder können durch das erfindungsgemäße Bedienungselement angesteuert werden, indem die Signale jedes Wegmessgebers des Bedienungs-Hexapods zur Ansteuerung eines entsprechenden Hydraulikzylinders des Anbauschnittstellen-Hexapods herangezogen wird. Eine derartige Ansteuerung hat den Vorteil, dass die Messsignale im wesentlichen lediglich proportional umgewandelt werden müssen, so dass eine aufwendige Koordinatenberechnung weitgehend entfallen kann.

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

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

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

Um die Funktionsfähigkeit des erfinderischen Bedienungselements weiter zu steigern, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Bereich des freien Endes der Handhabe wenigstens ein Steuerelement angeordnet. Es handelt sich hierbei beispielsweise um einen mit einem Finger oder dem Daumen betätigbaren Druckknopf, durch den ein elektrischer Schalter betätigt wird, oder um eine Rolle, die mit einem elektrischen Analoggeber in Verbindung steht. Es kann auch eine Aktivierungsklappe an der Handhabe montiert sein, wie sie beispielsweise in der DE-A-09 81 078 beschrieben wurde. Durch derartige Steuerelemente lassen sich Sicherheitsanforderungen erfüllen und weitere Funktionen ansteuern, ohne dass die Bedienungsperson ihre Hand von der Handhabe entfernen muss.

Die Angriffspunkte der Teleskopbeine an der Plattform und/oder an der Konsole liegen vorzugsweise in etwa im Bereich der Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. In der Nähe jeder der drei Ecken sind jeweils zwei Teleskopbeine angelenkt und lassen sich jeweils in zwei Richtungen verschenken. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Anlenkstellen in etwa in den Ecken eines Vierecks (beispielsweise greifen jeweils zwei Teleskopbeine an zwei benachbarten Ecken des Vierecks an, und jeweils eines oder jeweils zwei der übrigen Teleskopbeine greifen an den anderen beiden Ecken des Vierecks an) oder eines Sechsecks anzuordnen.

Es ist von besonderem Vorteil, das erfindungsgemäße Bedienungselement in Verbindung mit einem zu steuernden System anzuwenden, dessen Bewegungen durch ein System-Hexapod ausgeführt werden. Es ist dabei vorteilhaft, die Geometrie des Bedienungselement-Hexapods an die Geometrie des System-Hexapods anzupassen, so dass diese zueinander ähnlich sind. Dabei können die Längenabmessungen und Anlenkstellen der Teleskopbeine in einem festen Verhältnis zu den Längenabmessungen und Anlenkstellen der Antriebselemente des System-Hexapods stehen, so dass die Kinematik der beiden Hexapod-Anordnungen zueinander ähnlich oder identisch ist. Damit lassen sich durch die Auswerteeinheit Längen oder Längenänderungen der Teleskopbeine direkt auf die Antriebselemente, beispielsweise auf die Hydraulikzylinderhübe, des zu steuernden Systems übertragen und der Programmierungsaufwand für eine Steuereinheit verringern.

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

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

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

Es zeigt:

Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines an einer Fahrzeugkonsole montierten, erfindungsgemäßen Bedienungselements und

Fig. 2 die Heckansicht eines Traktors mit einer Anbauschnittstelle zur Kopplung von Arbeitsgeräten und einem erfindungsgemäßen Bedienungselement.

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

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

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

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

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

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

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

Claims (8)

1. Bedienungselement zur manuellen Ansteuerung räumlicher Bewegungsabläufe eines zu steuernden Systems (36) mit einer von einer Bedienungsperson betätigbaren, an einer Plattform (10) befestigten Handhabe (12) und mit wenigstens sechs nach Art eines Hexapods zwischen der Plattform (10) und einer feststehenden Konsole (30) angeordneten Teleskopbeinen (18, 20, 22, 24, 26, 28) mit Wegmessgebern, deren Längensignale durch eine Auswerteeinheit (32) ausgewertet und zur Ansteuerung der Bewegungsabläufe herangezogen werden.

2. Bedienungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabe (12) nach Art eines Joysticks ausgebildet ist.

3. Bedienungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabe (12) ein von der Plattform (10) abstehender Hebel ist, dessen freies Ende (16) in Ruhestellung im wesentlichen nach oben steht.

4. Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des freien Endes (16) der Handhabe (12) wenigstens ein Steuerelement, wie Druckknopf (33), Rolle oder Aktivierungsklappe, angeordnet ist.

5. Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte der Teleskopbeine (18, 22, 24, 26, 28) an der Plattform (10) und/oder an der Konsole (30) jeweils im Bereich der Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen und dass im Bereich jeder der drei Ecken jeweils zwei Teleskopbeine (18, 20, 22, 24, 26, 28) angreifen.

6. Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit (32) Steuersignale für ein als Hexapod ausgebildetes zu steuerndes System (36) gebildet werden und dass die Geometrie des Bedienungselement-Hexapods und die Geometrie des Hexapods des zusteuernden Systems (36) zueinander ähnlich sind.

7. Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsole (30) Teil eines Fahrzeugstands ist und das Bedienungselement der Steuerung von Fahrzeugkomponenten (36) dient.

8. Bedienungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Auswerteeinheit (32) erzeugten Steuersignale der Ansteuerung der Koppeleinrichtung, beispielsweise des Kopplungsdreiecks (38), einer Fahrzeuganbauvorrichtung (36) dienen.