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DE19647148A1 - Analogue actuator for computer operation with handle suspended in housing - Google Patents

Analogue actuator for computer operation with handle suspended in housing

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DE19647148A1
DE19647148A1 DE19647148A DE19647148A DE19647148A1 DE 19647148 A1 DE19647148 A1 DE 19647148A1 DE 19647148 A DE19647148 A DE 19647148A DE 19647148 A DE19647148 A DE 19647148A DE 19647148 A1 DE19647148 A1 DE 19647148A1
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Germany
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housing
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Gerhard Dipl Ing Wergen
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Abstract

A control column of the joy-stick type has its main control-rod (12) suspended in the wall (16) of hermetically-sealed housing (14) by a moulded sphere (18) and is further equipped with a swivelling plate- or disc-shaped pressure element (15), which is positioned diametrally opposite the sphere. Pressure sensors (25) are arranged between the pressure element and the housing. At least one sensor is loaded axiparallely to the control column by the pressure element, and one other, transversely to the axis of the control column, with pressure-springs (22) tensioned between the pressure plate and the housing in the direction of the mechanical sensor-loading-stress.

Description

Die Erfindung betrifft Stellelemente mit Schaltern, wie sie etwa als Steuerknüppel oder Joysticks für Computerspiele, aber auch etwa als Bedienelemente in Luftfahrzeugen bzw. für Industriesteue­ rungen, im Einsatz sind. Sie weisen üblicherweise eine ballig-griffige Handhabe auf, die von der Faust des Bedieners umgriffen wird, und am freien Stirnende in abgeschrägter Fläche wenigstens einen mit dem Daumen zu betätigenden Druckschalter. Eine irrtümliche Axialbeanspruchung der Handhabe etwa durch eine Abstützbewegung der Hand des Bedieners führt deshalb unkontrolliert zu ungewollten und deshalb später kaum reproduzierbaren Steuerungsvorgängen. Da das Stellele­ ment üblicherweise wegabhängig anspricht, nämlich vergleichsweise große Schwenkwege zum Verstellen von Potentiometern, zum Betätigen von Schaltkontakten oder zum Verformen von Dehn- oder Biegesensoren ausführt, hat das ferner die nachteilige Folge, daß die Schalterposition relativ zum Einbauort des Steuerknüppels variabel ist. Wegen dieser Wegabhängigkeit ist ein sol­ ches herkömmliches Stellelement kaum geeignet zur Bedienung durch motorisch Behinderte; zu­ mal durch Muskelschwache, die an sich schon kaum noch in der Lage sind, größere Arm- und Hand-Bewegungen gezielt und reproduzierbar auszuführen, geschweige denn unter richtungsdefi­ nierter Kraftausübung über den Bewegungsweg. Eine bewußte Schalterbetätigung an einem aus­ lenkenden Handgriff ist bei ihnen deshalb oft überhaupt nicht mehr realisierbar. Das wäre aber gerade in jener Situation anzustreben, damit sie elektromechanisch betriebene prothetische Hilfs­ mittel etwa zum Greifen oder zum Steuern eines selbstfahrenden Krankenstuhles bedienen können, oder als Maus-Ersatz zur Computereingabe als Beitrag zur Therapie und zum Lebensunterhalt.The invention relates to control elements with switches, such as those used as joysticks or joysticks for computer games, but also as control elements in aircraft or for industrial tax are in use. They usually have a crunchy grip that the Fist of the operator is grasped, and at least on the free end in a sloping surface a pressure switch to be operated with the thumb. An erroneous axial stress on the Handle, for example, by a support movement of the operator's hand, leads uncontrollably to unwanted and therefore later hardly reproducible control processes. Because the Stellele ment usually responds depending on the path, namely comparatively large swivel paths to Adjustment of potentiometers, for actuating switch contacts or for deforming Expansion or bending sensors, this also has the disadvantageous consequence that the switch position is variable relative to the location of the joystick. Because of this path dependency is a sol ches conventional control element hardly suitable for operation by the motor disabled; to sometimes due to muscle weakness, which in itself is hardly able to handle larger arm and To execute hand movements in a targeted and reproducible manner, let alone under directional force exerted on the movement path. A conscious switch operation on one off Steering handle is therefore often no longer possible with them. But that would be to strive precisely in that situation so that they have electromechanically operated prosthetic aids can operate means such as gripping or controlling a self-propelled hospital chair, or as a mouse substitute for computer input as a contribution to therapy and living.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein als schalterbestückten Steuerknüppel bedienbares Stellelement gattungsgemäßer Art derart auszule­ gen, daß eine gezielte, reproduzierbare Bedienung auch durch motorisch extrem Behinderte er­ möglicht wird.In the knowledge of these circumstances, the present invention is based on the task of a switch-equipped control stick operable control element of the generic type in such a way  gene that he targeted, reproducible operation even by extremely handicapped people is possible.

Gelöst ist diese technische Problemstellung durch ein Stellelement, das gemäß dem Hauptanspruch die Schalter zwar auch wieder in der Nähe des freien Stirnendes seiner Handhabe aufweist, wobei diese Schalter aber nun zusammen mit dem Stellelement ortsfest angeordnet sind. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft mit einer Handhabe realisierbar, die praktisch weglos schon auf leichten Druck anspricht, wie im eigenen prioritätsbegründenden Gebrauchsmuster 29609458.7 vom 28.05.96 für die Ausführung als analog ansprechendes Eingabesystem näher beschrieben; worauf hier zur Offenbarung auch vorliegender Erfindung ergänzend zur nachstehenden Zeichnungsbe­ schreibung und ihrer abschließenden Zusammenfassung voll-inhaltlich Bezug genommen wird.This technical problem is solved by an actuator that according to the main claim the switch has again near the free end of his handle, wherein but these switches are now arranged in a fixed position together with the control element. This solution is can be realized particularly advantageously with a handle that is practically pathless even on light Pressure appeals, as in its own priority utility model 29609458.7 dated 05/28/96 described for the execution as an analogue input system; on what here for the disclosure of the present invention in addition to the drawing below writing and its final summary is fully referenced.

In der Zeichnung zeigt, angenähert maßstabsgerecht aber auf das Wesentliche vereinfacht,In the drawing shows, approximately to scale but simplified to the essentials,

Fig. 1 einen querschnittsunsymmetrischen koaxialen Aufbau eines mit Zusatzschaltern ausgestatteten Stellelementes nach vorliegender Erfindung in Schrägansicht, Fig. 1 is a querschnittsunsymmetrischen coaxial structure of a vehicle equipped with additional switches control element according to the present invention in perspective view,

Fig. 2 ein querschnittssymmetrisches solches Stellelement mit Schalter-Hebeln im Axial-Längs­ schnitt, FIG. 2 cut a cross section symmetrical such actuator with switch levers in the axial longitudinal,

Fig. 3 das Stellelement gemäß Fig. 2 im Querschnitt, Fig. 3, the adjustment element of FIG. 2 in cross section,

Fig. 4 ein Stellelement mit gegenüber Fig. 2 abgewandelter Anordnung der Zusatzschalter und Fig. 4 shows an actuator with a modified arrangement of FIG. 2 of the additional switches and

Fig. 5 eine weitere Abwandlung gegenüber der Ausbildung nach Fig. 2. Fig. 5 shows a further variation from the embodiment according to FIG. 2.

Das in Fig. 1 in schräger Ansicht skizzierte Stellelement 11 ist in oder unter einer auch als Auflage für die Hand 12 des Bedieners dienenden Deckplatte 13 montiert, aus der eine stabförmige Hand­ habe 14 hochragt. Die verläuft parallel zu einer nicht ganz so hoch aufragenden, starr mit dem Stellelement 11 bzw. der Deckplatte 13 verbundenen Halterung 15 für taktile Schalter 16, welche von Fingerspitzen der Hand 12 bedient werden können. Die Schalter 16 können wie skizziert azi­ mutal und/oder longitudinal an der Halterung 15 bezüglich deren Längsachse gegeneinander ver­ setzt sein. Im Interesse hinreichenden Einbauvolumens und guter Erreichbarkeit ist in Fig. 1 eine im Querschnitt unsymmetrische Halterung 15 vorgesehen, welche somit die Handhabe 14 rohrförmig aber achsparallel exzentrisch umgibt.The adjusting element 11 sketched in an oblique view in FIG. 1 is mounted in or under a cover plate 13 , which also serves as a support for the hand 12 of the operator, from which a rod-shaped hand 14 protrudes. This runs parallel to a not quite so high, rigidly connected to the actuating element 11 or the cover plate 13 holder 15 for tactile switches 16 , which can be operated by fingertips of the hand 12 . The switches 16 can be azi mutally and / or longitudinally on the bracket 15 with respect to their longitudinal axis against each other as outlined. In the interest of sufficient installation volume and easy accessibility, a support 15 which is asymmetrical in cross section is provided in FIG. 1, which thus surrounds the handle 14 in a tubular but eccentrically parallel manner.

Die Schalter 16 können von beliebiger Funktion sein, etwa realisiert als elektromechanische Mi­ kroschalter, als optronische Lichtschranken, als binär ansprechende Drucksensoren, als kontinu­ ierlich ansprechende Drucksensoren mit binärer Schaltschwellen-Auswertung oder z. B. auch als Magnetfeld-Schaltstrecken. Vorzugsweise sprechen sie schon auf minimalen Hub bzw. sonstige äußerst geringe taktile Einwirkung (wie Verschiebung eines Magneten oder Abschattung eines Photodetektors) mit Schaltverhalten an. Das birgt nun dennoch praktisch keine Gefahr von Fehl­ bedienungen, weil die Hand 12 des Bedieners stationär bezüglich des Stellelementes 11 mit seinen Schaltern 16 ruht, also keinen Bewegungen einer Handhabe 14 folgen muß. Die kann an ihrem freien, über die z. B. rohrförmige Halterung 15 axial hinausragenden Stirnende 17 zwischen Dau­ men und Zeigefinger der Bediener-Hand 12 ergriffen und mit Quer-Druck beaufschlagt werden, ohne dadurch aus ihrer Ruhestellung merklich auszuschwenken. Dabei kann dieser Angriffsbereich 18 unter dem Stirnende 17 der Handhabe 14 auch entgegen der Darstellung in Fig. 1 im Vergleich zum benachbarten Bereich der Schalter-Halterung 15 größere oder gleiche Querschnittsabmessung aufweisen, vgl. Fig. 2, um die taktile Zuordnung zwischen analog ansprechender Handhabe 14 und binär ansprechenden Schaltern 16 besser differenzieren zu können.The switches 16 can be of any function, for example realized as electromechanical micro switches, as optronic light barriers, as binary responsive pressure sensors, as continuously responsive pressure sensors with binary switching threshold evaluation or z. B. also as magnetic field switching paths. They preferably already respond to a minimal stroke or other extremely small tactile action (such as displacement of a magnet or shading of a photodetector) with switching behavior. This now harbors practically no risk of incorrect operations, because the hand 12 of the operator rests stationary with respect to the control element 11 with its switches 16 , so no movements of a handle 14 have to follow. The can at their free, on the z. B. tubular bracket 15 axially protruding front end 17 between Dau men and index finger of the operator's hand 12 and applied with transverse pressure without thereby swinging out of their rest position. In contrast to the illustration in FIG. 1, this area of attack 18 under the front end 17 of the handle 14 can also have a larger or identical cross-sectional dimension compared to the adjacent area of the switch holder 15 , cf. Fig. 2 to better differentiate the tactile assignment between analog responsive handle 14 and binary responsive switches 16 .

Insbesondere für extrem muskelschwache Bediener und z. B. bei elektromechanischen Schaltern 16 erfolgt die Beeinflussung deren ohmschen oder sensorischen Schaltstrecken 19 zweckmäßigerwei­ se über einen wegarmen Hebel 20, wie in Fig. 2/3 als Prinzipbeispiel für am Umfang der Halterung 15 peripher gegeneinander versetzt achsparallel verlaufende einarmige Hebel 20 dargestellt. In der Nachbarschaft des axialen Austritts der Handhabe 14 aus der Halterung 15 liegen die in radialer Richtung bezüglich der Schalter-Halterung 15 und somit parallel zur Kraftbeaufschlagung der Analog-Handhabe 14 zu betätigenden freien Hebelenden 21, die gegenüberliegend, jenseits der Schaltstrecken 19, ihr Hebellager 22 am Gehäuse 23 des Stellelementes 11 finden. Die Rückstell­ kraft wird von der jeweiligen gegen das Gehäuse 23 radial abgestützten Schaltstrecke 19 selbst auf den Hebelarm 20 ausgeübt.Especially for extremely muscular operators and e.g. B. in the case of electromechanical switches 16 , their ohmic or sensory switching paths 19 are appropriately influenced via a lever 20 , as shown in FIG. 2/3, as a basic example for one-arm levers 20 which are offset axially parallel to one another on the circumference of the holder 15 and offset circumferentially. In the vicinity of the axial withdrawal of the handle 14 are out of the holder 15 with respect to in the radial direction of the switch holder 15 and thus parallel to the applying force to the analog-to-handle 14 actuable free lever ends 21, the opposite side of the switching sections 19, its lever bearing Find 22 on the housing 23 of the actuator 11 . The restoring force is exerted by the respective switching path 19 supported radially against the housing 23 itself on the lever arm 20 .

Aus der axialen Längsschnitt-Darstellung der Fig. 2 ist auch ersichtlich, wie die Handhabe 14 unter minimalem radialem Spiel konzentrisch durch eine rohrförmige Halterung 15 für die Aufnahme der Schalter 16 und deren Betätigungs-Hebeln 20 hindurch verlaufen kann. Die Handhabe 14 ist Teil eines hier zweiarmigen Hebels 26, dessen zweiter Hebelarm jenseits einer Wälzkörper-Aufhängung 24 ein Tarier-Gewicht 25 für indifferenten Gleichgewichtszustand auch der Handhabe 14 in jeder räumlichen Einbaulage des Stellelementes 11 trägt. Über einen jeweils im Querschnitt kreisförmi­ gen Druckmittler 27 und eine starre Übertragungsplatte 28 liegt der Stell-Hebel 26 spielfrei gegen wenigstens einen praktisch weglos analog ansprechenden Drucksensor 29 an, der starr gegen das Gehäuse 23 abgestützt ist, so daß eine Querbelastung der Handhabe 14 nicht zu einer bemerkens­ werten Auslenkung im Rohr 15 führt.From the axial longitudinal section of FIG. 2 it can also be seen how the handle 14 can run concentrically with minimal radial play through a tubular holder 15 for accommodating the switches 16 and their actuating levers 20 . The handle 14 is part of a two-armed lever 26 , the second lever arm of which, beyond a rolling element suspension 24 , carries a buoyancy weight 25 for an indifferent state of equilibrium, also of the handle 14 in any spatial installation position of the actuating element 11 . Via a cross section in each case gene diaphragm seal 27 and a rigid transmission plate 28 , the actuating lever 26 is free of play against at least one practically pathless analog responsive pressure sensor 29 which is rigidly supported against the housing 23 , so that a transverse load on the handle 14 is not too a remarkable deflection in the pipe 15 leads.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind die binär ansprechenden Schalter 16 ins Gehäuse 23 hinein verlegt und darin entsprechend den analog arbeitenden Sensoren 29 für Beanspruchungen wieder radial bezüglich der Längsachse des Gehäuses 23 angeordnet. Es können auch in der Nachbarschaft der Handhabe 14 im Gehäuse 23 angeordnete Sensoren als Schalter 16 dienen, in­ dem den Sensoren eine potentialgesteuerte Schaltstufe (ein Schmitt-Trigger oder eine ähnlich wir­ kende Abfrage-Schaltung mit ausgesprochenem Kippverhalten) folgt. Die Hebel 20 sind nun ge­ wissermaßen zu einem Rohr 30 zusammengefaßt, das konzentrisch außerhalb der Handhabe 14 in das Gehäuse 23 hineintaucht, welches somit nun unmittelbar die Stützfunktion der Halterung 15 übernimmt. Dabei dient als Lager 22 für einen nun zweiarmigen Hebel 20 hier ebenfalls eine Wälzlager-Aufhängung 24 (walzenförmig für ein diametrales Schalter-Paar 16-16 bzw. kugelför­ mig für zwei orthogonal zueinander angeordnete Schalter-Paare 16-16). Auch hier gewährleistet ein indifferentes Gleichgewicht mittels eines Gegengewichtes 25 zum langen Arm des He­ bel-Rohres 30 eine praktisch lage- und erschütterungssichere Schalterbetätigung.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the binary-responsive switches 16 are moved into the housing 23 and, according to the analog sensors 29 for stresses, are arranged radially therein with respect to the longitudinal axis of the housing 23 . Sensors arranged in the housing 23 in the vicinity of the handle 14 can also serve as switches 16 , in which the sensors are followed by a potential-controlled switching stage (a Schmitt trigger or a similar interrogation circuit with pronounced tilting behavior). The levers 20 are now combined to a certain extent ge to a tube 30 which immerses concentrically outside the handle 14 into the housing 23 , which thus now directly takes over the support function of the bracket 15 . It also serves as a bearing 22 for a now two-armed lever 20 here a roller bearing suspension 24 (roller-shaped for a diametrical switch pair 16-16 or kugelför mig for two switch pairs 16-16 arranged orthogonally to one another). Here, too, an indifferent balance by means of a counterweight 25 to the long arm of the lever tube 30 ensures a practically position and vibration-proof switch actuation.

Die Abwandlung gemäß Fig. 5 entspricht dem Aufbau nach Fig. 4 mit der Besonderheit, daß nun nicht mehr radiale sondern achsparallele Beanspruchungen der Schalter 16 und Sensoren 29 bei größeren Radialabmessungen ein flaches Gehäuse 23 trotz großer wirksamer Hebellängen 26, 30 ermöglichen. Außerdem sind hier für die Hebel-Betätigungen seitlich montierte Finger-Ringe 31 vorgesehen, um die Betätigungsrichtungen umkehren zu können, ohne mit den Fingerspitzen zwi­ schen diametral entgegen gelegenen Oberflächen an der Sensor-Handhabe 14 bzw. am Schal­ ter-Hebel 30 umgreifen zu müssen.The modification of FIG. 5 corresponds to the structure according to Fig. 4 with the special feature that no longer radial but axially parallel stresses on the switch 16 and sensors 29 allow for greater radial dimensions of a flat housing 23 despite the large effective lever lengths 26, 30. In addition, laterally mounted finger rings 31 are provided for the lever actuations in order to be able to reverse the directions of actuation without having to reach around with the fingertips between diametrically opposed surfaces on the sensor handle 14 or on the switch lever 30 .

So ist also nach den bevorzugten Realisierungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße allgemeine Lösung bei einem Stellelement 11 nach Art eines Joysticks, aber mit weglos ansprechender stabförmiger Handhabe 14 zur Beaufschlagung analog reagierender Drucksensoren 29, diese Handhabe 14 über einen Teil ihrer Länge unter geringem axialem Spiel von einer rohrtörinigen Halterung 15 für binär ansprechende Schalter 16 umgeben, wobei diese Halterung 15 als Abstüt­ zung für die Schalter-Betätigung starr mit dem Gehäuse 23 des Stellelementes 11 verbunden ist und Lagerstellen 22/24 für Schalter-Betätigungshebel 20/30 aufweisen kann. Die Hebel 20 können auch zu einem Rohr 30 zusammengefaßt werden, das wie die Handhabe 14 als zweiarmiger Hebel über eine Wälzkörper-Aufhängung 24 im indifferenten Gleichgewicht in das Stellelement-Gehäuse 23 hineinragt, in dem Schalter 16 parallel zu den Druck-Sensoren 28 angeordnet sind. Auf jeden Fall sind die Schalter 16 von der Handhabe 14 entkoppelt aber dennoch in deren unmittelbarer Nähe betätigbar.Thus, according to the preferred implementation options for the general solution according to the invention, in the case of an actuating element 11 in the manner of a joystick, but with a rod-shaped handle 14 that responds analogously to act upon pressure sensors 29 that react in an analogous manner, this handle 14 over a part of its length with little axial play from a pipe-wrench Bracket 15 for binary responsive switch 16 surrounded, this bracket 15 as a support for the switch actuation is rigidly connected to the housing 23 of the actuating element 11 and bearings 22/24 for switch actuating lever 20/30 may have. The levers 20 can also be combined to form a tube 30 which, like the handle 14 as a two-armed lever, projects in indifferent equilibrium into the actuating element housing 23 via a rolling element suspension 24 , in which switches 16 are arranged parallel to the pressure sensors 28 . In any case, the switches 16 are decoupled from the handle 14 but can nevertheless be actuated in their immediate vicinity.

Claims (9)

1. Stellelement (11) mit Schalter (16), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein taktiler Schalter (16) an einer bezüglich des Gehäuses (23) Stellelementes (11) stationären Halterung (15) angeordnet ist, die wenigstens bereichsweise parallel zu einer praktisch weglos anspre­ chenden Handhabe (14) zur Beeinflussung von Stellelement-Sensoren (28) verläuft.1. Control element ( 11 ) with switch ( 16 ), characterized in that at least one tactile switch ( 16 ) on a housing ( 23 ) control element ( 11 ) stationary holder ( 15 ) is arranged, which is at least partially parallel to a practical way-free handle ( 14 ) for influencing control element sensors ( 28 ). 2. Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (15) eine axial län­ gere Handhabe (14) rohrförmig umgibt.2. Control element according to claim 1, characterized in that the holder ( 15 ) surrounds an axially longer handle ( 14 ) tubular. 3. Stellelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (16) an der Au­ ßenmantelfläche der Halterung (15) betätigbar sind.3. Control element according to claim 1 or 2, characterized in that switches ( 16 ) on the outer outer surface of the holder ( 15 ) can be actuated. 4. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens ein etwa achsparallel zur Handhabe (14) verlaufender Hebel (20) für die Betätigung we­ nigstens eines Schalters (16) vorgesehen ist.4. Control element according to one of the preceding claims, characterized in that little least an approximately axially parallel to the handle ( 14 ) extending lever ( 20 ) for actuating we least one switch ( 16 ) is provided. 5. Stellelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenmantelfläche der Halterung (15) einarmige Hebel (20) angeordnet sind.5. Adjusting element according to claim 4, characterized in that one-armed levers ( 20 ) are arranged in the outer lateral surface of the holder ( 15 ). 6. Stellelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiger Hebel (30) für mehrere peripher gegeneinander versetzte Schalter (16) vorgesehen ist.6. Control element according to claim 4 or 5, characterized in that a tubular lever ( 30 ) for a plurality of peripherally offset switches ( 16 ) is provided. 7. Stellelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (15) in sein Gehäuse (23) hinein verlegt ist, in das ein zweiarmige Hebel (Rohr 30) über eine Wälzkörper-Auf­ hängung (24) hineinragt.7. Control element according to claim 6, characterized in that the holder ( 15 ) is moved into its housing ( 23 ) into which a two-armed lever (tube 30 ) projects via a rolling element suspension ( 24 ). 8. Stellelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in das Gehäuse (23) hineinra­ gende Arm des Hebels (30) durch ein Gewicht (25) auf indifferentes Gleichgewicht austariert ist.8. Adjusting element according to claim 7, characterized in that the arm ( 30 ) in the housing ( 23 ) is balanced by a weight ( 25 ) to an indifferent balance. 9. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der rohrförmigen Schalter-Halterung (15) axial hervorragende Handhabe (14) mit einem auf­ gedickten Griffbereich (18) ausgestattet ist.9. Control element according to one of the preceding claims, characterized in that the axially outstanding handle ( 14 ) from the tubular switch holder ( 15 ) is equipped with a thickened grip area ( 18 ).
DE19647148A 1996-05-28 1996-11-14 Analogue actuator for computer operation with handle suspended in housing Withdrawn DE19647148A1 (en)

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Applications Claiming Priority (2)

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