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WO1996038810A1 - Analoges stellelement - Google Patents

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WO1996038810A1
WO1996038810A1 PCT/EP1996/002332 EP9602332W WO9638810A1 WO 1996038810 A1 WO1996038810 A1 WO 1996038810A1 EP 9602332 W EP9602332 W EP 9602332W WO 9638810 A1 WO9638810 A1 WO 9638810A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
handle
housing
element according
pressure
lever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1996/002332
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Wergen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19519941A external-priority patent/DE19519941C1/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AT96917469T priority Critical patent/ATE199792T1/de
Priority to DE59606593T priority patent/DE59606593D1/de
Priority to US08/945,916 priority patent/US6201196B1/en
Priority to EP96917469A priority patent/EP0829066B1/de
Publication of WO1996038810A1 publication Critical patent/WO1996038810A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G05G2009/04703—Mounting of controlling member
    • G05G2009/04722—Mounting of controlling member elastic, e.g. flexible shaft
    • G05G2009/04729—Mounting of controlling member elastic, e.g. flexible shaft melastomeric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G05G2009/0474—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 characterised by means converting mechanical movement into electric signals
    • G05G2009/04762—Force transducer, e.g. strain gauge

Definitions

  • the invention relates to an actuator according to the preamble of claim 1.
  • Such a control element is used as a joystick for computer inputs (also as a mouse replacement) or as a joystick for movement control on mobile or stationary devices (such as self-driving disabled elevators, excavators and robots), as a slide for mixer potentiometers or for parameters - known changes in machine control; generally for the manual specification of a variable scalar size, usually by means of a swivel lever.
  • These known control elements have in common that the deflection to be effected manually must be greater, the greater the change in the variables to be caused thereby; and that the more quickly the variable is to change, the faster the deflection has to be carried out.
  • Adjusting elements in the manner of bending elements with strain gauges as sensors basically have the same disadvantages.
  • the manually executable stroke is limited, the resolution is reduced, and with it the precision and reproducibility of the setting.
  • actuating elements to be actuated via path specifications represent a solution which is technically very costly in terms of production technology and is sensitive to mechanical interferences, in particular shock loads the remote volume control is not necessarily closed, but the precise fine adjustment of an almost reached default value is cumbersome even when a key is reacted at two speeds, and consequently inaccurate in practice.
  • a robust and dirt-tight encapsulable but smooth and vibration-proof analog single or multi-axis control element is to be created, with which it is possible for people to specify values with high setting accuracy, reproducibility and dynamics and to change them fatigue-free over a long period of time.
  • the rest position should be found particularly safely from any position and the implementation of the apparatus should be inexpensive, since it is very simple, small-sized and functionally reliable.
  • the present invention is therefore primarily a single-axis or multi-axis control element, which is operated practically without a path and therefore without fatigue, even with minimal use of force, so that it can also be used for the severely handicapped.
  • the core of this solution is a mechanically stable, structurally simple but precise suspension of a one- or two-armed lever, which is preferably balanced to an indifferent balance and which, as a pressure-transmitting element, rests without play against sensors that respond practically without path.
  • the lever with its part serving as a handle, protrudes from the tightly closable housing at the bearing point in order to be able to absorb manual pressure transversely to its bearing shaft or joint axis.
  • the actuating element according to the invention which works practically without mechanical deflection (i.e. without travel) and without play, has the advantage that the pressure input direction is not left unintentionally, as when moving along a freely definable path in the plane in the two-axis system .
  • This has a particularly positive effect when controlling the cursor movement, for example in CAD input.
  • pathless control elements can also be cascaded because their handling can be arranged one inside the other with little radial play.
  • the pressure exerted on the sensor can be integrated in terms of signal processing technology as long as the pressure remains, and thus, if the physical sensor behavior is known to be pressure-dependent, pressure measurement tasks can also be carried out, as well as force measurement tasks when applied over a constant area.
  • the stroke of the output signal e.g. the length of a linear cursor movement or the end position of a digital display device
  • the signal dynamics e.g. the speed of movement of a cursor on the screen or the rate of change of the digital display
  • this joystick is particularly suitable for industrial use under harsh environmental conditions; as well as for actuation by even little controlled, irrespective of whether powerful or weak, minimally sweeping body movements, with which disabled people in everyday life or surgeons can control motor aids during the operation.
  • the terminology is based on the assumption that the housing of the actuating element is mounted in a stationary manner and the handle protrudes therefrom; However, it can also be reversed in the context of the present invention, namely that the actuating element is mounted on its protruding lever arm, while the actuating force is applied to the manually accessible housing relative to the pressure element (ie to the inner lever arm).
  • FIG. 2 shows an actuating element similar to that according to FIG. 1, but now with a roller-shaped mounting of its handle and with a housing-radial sensor pressure load
  • FIG. 5 shows an actuating element with sensor stress according to FIG. 2 but with a one-arm handle lever and
  • FIG. 6 shows an actuating element corresponding to FIG. 5 but with elastic axial support instead of a roller bearing suspension of its handle.
  • a linear-rod-shaped handle 12 of the actuating element in the exemplary embodiments protrudes from a housing 14.
  • the handle 12 is supported on the housing 14 in an articulated manner, namely by means of a ball joint 18 (FIGS. 1 and 3 - 5), by means of a roller joint 29 (FIG. 2) or by means of a rubber-elastic block 28 (FIG. 6); in each case directly or indirectly between the housing side walls 17 (FIGS. 4, 5, 6), in the latter case preferably suspended in a housing top wall 16 (FIGS. 1, 2, 3, 4).
  • the geometrically defined joints 19 and 29, which are axially rigid with respect to the handle 12 can in principle also be replaced by rubber holders, which e.g. are vulcanized on all sides to the handle 12 and the housing 14.
  • the pressure exerted on the sensors 25 is not influenced by axial mechanical stresses on the handle 12 and thus the electrical output value, which is only decisive for the actuating function and is currently predetermined by manual transverse pressure, is not reproducibly falsified .
  • the operator can thus enclose the tower 12 with his fist and support it on the housing cover plate without causing an excitation of the sensors 25 before the fist is not consciously pivoted and thereby one lateral force on the handle 12 causes.
  • the axial pressure components are accommodated by the stable housing 14 via the precision bearing in the suspension 11, and thus do not lead to a displacement of the pressure element 15 which is stressful for the sensors 25; which applies accordingly to tensile forces.
  • the convex profile of the ball joint 18 can be attached to the handle 12 or formed directly on its outer surface; such that it projects radially beyond the handle 12. It rests as free of play as possible in a flat shell 19 in the form of a hollow spherical segment, which is pressed, for example, with the housing 14 or is formed directly as part of the housing 14. In the case of an undivided double shell 19-19, its central hole can be widened by temporary heating in order to accommodate the spherical profile 18 in the form of a bearing bush. It is also possible to design the shell 19 as part of the housing in the upper half with resilient elements and thus to achieve easier manufacture and assembly.
  • the lever consisting of handle 12 and pressure element 15 has only one-axis or roller-joint bearing 29, that is if the handle 12 together with its pressure element 15 is supported in the housing 14 by a shaft which is fixed to the housing - preferably as outlined below Intermediate position of a slide, ball or other bearing 31 within a ring 35 into which the lever splits here.
  • the ring 35 is partially surrounded by a hollow cylindrical profile 30 approximately in the adjacent wall of the housing 14, which in turn provides the good seal of the interior of the housing 14 in which the sensors 25 are arranged.
  • the pressure direction can advantageously be changed under the action of pressure when the handle is rotated about its longitudinal axis, and thus the parallelogram of forces with the resultant kept constant.
  • a type of gimbal can be realized from two orthogonal roller bearings for the two-dimensionally acting handle 12.
  • the handle 12 is designed or equipped with its pressure element 15 for the transmission of force to the sensors 25 in a motionless manner.
  • the handle 12 and its pressure element 15 form, depending on the relative location of the articulated mounting 18/28/29, together a two-armed (Fig. L - 4) or a one-armed (Fig. 5, 6) lever. It is preferably balanced to an indifferent equilibrium by means of, for example, a longitudinally adjustable counterweight 34 (FIGS. 1-5), so that the (anyway only minimal) pivoting due to the introduction of transverse pressure into the handle 12 can set in more sensitively, and thus position-dependent pressure effects the sensors 25 are avoided as far as possible.
  • a longitudinally adjustable counterweight 34 FIGS. 1-5)
  • the tare weight 34 lies outside the actual lever area (between the handle 12 and the element 15 that transmits pressure for the sensors 25), namely beyond the joint 18 (FIG. 5) or 29.
  • the passage opening 10 would also have to be approximately be sealed with a bellows sleeve.
  • the leverage ratios (with regard to the handle 12 and the pressure-transmitting element 15, in each case with regard to the suspension 11) and, if appropriate (see below), about elasticity constants and prestresses of support bodies 26, and finally also about the responsiveness of the sensors 25, are also included Strain on the handle 12 response pressure to be specified in the design.
  • the current pressure loads of the sensors 25, individually or in pairs in a differential circuit can be queried by a signal processing device (inside or) outside the housing 14. In this device, a signal lift conversion can also take place in accordance with the duration or the intensity of the current transverse stress on the handle 12.
  • the lever comprising the handle 12 and the pressure element 15 thus projects through the opening 10 between the side walls 17 of the tubular housing 14, which is preferably rectangular in cross section.
  • the pressure-transmitting element 15 is in constant contact, that is to say without play and, if necessary, with a certain mechanical preload, parallel (FIGS. 1 and 3) or transversely (FIGS. 2, 4-6) to the axial direction of the handle 12 against the sensors 25, which in turn are supported against this attack against the housing 14.
  • Each sensor 25 can e.g. a semiconductor, a piezo, a magnetostriction, an optical fiber element or any other practically path-free analog pressure transducer.
  • the pressure is transmitted from the element 15 via a spherical intermediate member 22.
  • This can be formed on the disk 24 or on the element 15 as a knob. If it surrounds the pressure-transmitting element 15 concentrically as a separate or integrally formed ring, this ensures that twisting has no effect on the current sensor load.
  • the handle 12 for each (tensile or compressive) direction of stress to be evaluated, the handle 12, i.e. for each active axis of the control element, a pair of sensors 25 are provided diametrically opposite one another with respect to the axis of the handle 12. This also enables a differential evaluation, for example to linearize the effective response characteristic, to define the point of rest or to eliminate sensor effects that are not opposed to one another, such as due to thermal expansion effects or mechanical acceleration influences.
  • a dummy 20 in the form of a sensor that is not connected to the evaluation device (for example, for digital resistance measurement and time integral formation) (FIG. 4 without the connecting leads leading out to the right) or in the form of only the elastic support body (26) or a separate stiff spring 21 (Fig.2) replaced.
  • the sensor 25, which is now measured per axis alone, is thus through Opposite in the rest position stiff-elastic biased to then increase or decrease its internal pressure depending on the direction of the manual transverse attack on the handle 12.
  • two articulated handles 12, 12 can be arranged coaxially one inside the other with little radial play, in order to use e.g. to be able to operate four axes simultaneously.
  • two housings 14, 14 are mounted coaxially one above the other.
  • the handle 12 of the lower extends with radial play through a tubular handle 12 of the upper housing 14 and is equipped at the front exit with a cap which has at least approximately the same outer diameter as the outer handle 12.
  • the same lever ratios are on both sides their ball joints 19 for suspension 11 of their handles 12 are observed so that both handles 12 are operated with the same sensitivity sensitivity.
  • Each handle 12 is preferably equipped with a phalanx engagement ring 27 in order to be able to introduce compressive and tensile forces into the respective handle 12 without the need for reaching around.
  • two actuating elements can be actuated simultaneously, that is to say control four axes.
  • This variety of operations is easily doubled in a tandem arrangement if the same system of two nested actuators in reverse orientation (i.e. the caps next to each other) is mounted coaxially in front on the front side and can thus be operated with two further fingers apart from the same hand. Overall, this results in an eight-axis control that can be implemented with a single hand.
  • control elements designed according to the invention can therefore be produced inexpensively in a reliable design and are largely insensitive to environmental influences by the housing encapsulation of the sensors 25.
  • they are distinguished, in particular, in the case of the bearing suspension 11 of the levers 12 which are balanced in terms of levers, by an extremely high sensitivity and by reproducible behavior in the manual introduction of pressure into the handle 12.
  • This promotes the operating options, for example in that only one fingertip - in order to exert pressure - does not have to rest freely on the side of the handle 12, but rather - engages in a recess 32 with which the handle 12 can be equipped on its free front end (FIGS. 1, 3 , 5).

Landscapes

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Abstract

Ein hermetisch kapselbares Stellelement weist einen mittels eines Gegengewichtes (34) auf labiles Gleichgewicht austarierten Hebel aus Handhabe (12) und druckübermittelndem Element (15) auf, der formschlüssig verschwenkbar in ein Gehäuse (14) eingehängt ist und darin spielfrei gegen wenigstens einen praktisch weglos ansprechenden Kraft-Sensor (25) anliegt, welcher seinerseits gegen das Gehäuse (14) abgestützt ist. Bei mehreren übereinander kaskadierten solchen Stellelement-Gehäusen (14) verlaufen die daraus hervorstehenden Handhaben (12) unter geringem radialem Spiel koaxial ineinander, bei untereinander gleichen Hebelverhältnissen bezüglich ihrer Aufhängungen (11). Das ermöglicht gleichzeitige mehrachsige weglose Variablen-Vorgaben hoher Reproduzierbarkeit und Dynamik mit den Fingern einer Hand durch Querdruck-Beanspruchung der auseinander hervorragenden Handhaben (12).

Description

Analoges Stellelement
Die Erfindung betrifft ein Stellelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solches Stellelement ist als Joystick für Computereingaben (auch als Maus-Ersatz) oder als Steuerknüppel für die Bewegungssteuerung an mobilen oder stationären Geräten (wie von selbstfahrenden Behinderten- Fahrstühlen, Baggern und Robotern), als Schieber etwa für Mischpult-Potentiometer oder für die Parameter- Veränderung bei der Maschinensteuerung bekannt; allgemein für die manuelle Vorgabe einer variablen skalaren Größe, üblicherweise mittels eines Schwenkhebels. Diesen bekannten Stellelementen ist gemeinsam, daß ihre manuell zu bewirkende Auslenkung desto größer sein muß, je größer die dadurch zu bewirkende Veränderung der Variablen sein soll; und daß die Auslenkung desto rascher durchgeführt wer¬ den muß, je rascher die Variable sich ändern soll. Zur Funktionssteuerung durch Körperbehinderte, die etwa mit den Muskeln des verbliebenen Stummels einer amputierten Extremität agieren müssen, um eine Prothese oder ein Fahrzeug zu steuern, sind solche Stellelemente kaum bis gar nicht bedienbar, da der Aktionsradius, in dem diese Personen noch gezielt eine Muskelkraft aufbringen können, den Hub solcher weggebundenen Stellelemente nicht mehr abdeckt. Der große Eingabe-Hub bedingt schließlich auch großen Einbau- und Bedienungs-Raumbedarf. Dieses Manko besteht nicht nur bei potentiometrischen Eingaben, sondern allgemein bei Weggebern zur Gewinnung analoger Steuersignale, wie etwa bei Schwenkhebelsystemen für lineare Verschiebungen unter interner kinematischer Umsetzung. Hebelsysteme in Stellelementen weisen darüber hinaus oft noch den Nachteil nichtlinearer Reaktionen auf den Eingabehub auf, was manche Steuerungsaufgaben sehr erschwert. Stellelemente nach Art von Biegeelementen mit Dehnungsmeßstreifen als Sensoren weisen grundsätzlich die gleichen Nachteile auf. Wenn andererseits der manuell ausführbare Hub begrenzt wird, reduziert sich die Auflösung und damit die Präzision und Reproduzierbarkeit der Einstellung. Davon abgesehen stellen solche über Wegvorgaben zu betätigende Stell¬ elemente eine herstellungstechnisch recht kostspielige und gegen mechanische Störeinflüsse wie insbesondere Stoßbeanspruchungen empfindliche Lösung dar. Letzteres trifft zwar auf die PLUS/MINUS-Tastenpaare z.B. für den Sendersuchlauf eines Rundfunkempfängers oder für die Lautstärke-Fernsteuerung nicht unbedingt zu, aber die präzise Feineinstellung eines fast erreichten Vorgabewertes ist selbst bei Tasten-Reaktion mit zwei Geschwindigkeiten um¬ ständlich, in der Praxis folglich ungenau.
Mit vorliegender Erfindung soll ein robustes und schmutzdicht kapselbares aber leichtgängiges und erschütterungsfestes analoges ein- oder mehrachsiges Stellelement geschaffen werden, mit dem es dem Menschen möglich ist, Werte mit hoher Einstellgenauigkeit, Reproduzierbarkeit und Dynamik vorzugeben und ermüdungsfrei über längere Zeit zu verändern. Die Ruhelage (Nullpunkt) soll besonders sicher aus jeder Lage gefunden werden und die apparative Realisierung soll dabei preisgünstig, da sehr einfach, kleinbauend und funktionszuverlässig sein.
Bezüglich der erfmdungsgemäßen Lösung dieser Vorgaben und Ihrer nicht naheliegenden Weiterbildungen wird auf den Hauptanspruch samt den Unteransprüchen und auf nachstehende Beschreibung der Zeichnung sowie deren zusammenfassende Kurzfassung am Ende verwiesen.
Es handelt sich bei vorliegender Erfindung also primär um ein ein- oder mehrachsiges Stellelement, das praktisch weglos und deshalb ermüdungsfrei schon mit minimalem Krafteinsatz bedient wird, so daß es auch für motorisch Schwerstbehinderte einsetzbar ist. Der Kern dieser Lösung ist eine mechanisch stabile, vorzugsweise auf indifferentes Gleichgewicht austarierte, konstruktiv einfache aber präzise Aufhängung eines ein- oder zweiarmigen Hebels, der als druckübermittelndes Element spielfrei gegen praktisch weglos ansprechende Sensoren anliegt. Der Hebel ragt andererseits mit seinem als Handhabe dienenden Teil bei der Lagerstelle aus dem dicht verschließbaren Gehäuse heraus, um quer zu seiner Lagerwellen- oder Ge¬ lenkachse manuellen Druck aufnehmen zu können. Gegenüber den bekannten wegabhängigen weist das erfindungsgemäße, praktisch ohne mechanische Auslenkung (also weglos) und spielfrei arbeitende Stellelement den Vorteil auf, daß die Druck-Eingaberichtung nicht unge¬ wollt verlassen wird, wie beim Bewegen längs eines in der Ebene frei vorgebbaren Weges im zweiachsigen System. Das wirkt sich besonders positiv bei der Steuerung der Cursorbewegung etwa in der CAD-Eingabe aus. Nun können für sehr präzise zweiachsige Vorgaben weglose Stellelemente auch kaskadiert werden, weil deren Handhaben unter geringem radialem Spiel ineinander angeordnet werden können.
Der auf den Sensor ausgeübte Druck kann signalverarbeitungstechnisch aufintegriert werden, solange der Druck anstehen bleibt, und läßt bei bekannter Druckabhängigkeit des physika¬ lischen Sensorverhaltens somit auch Druckmeßaufgaben - sowie bei Beaufschlagung über eine konstante Fläche auch Kraftmeßaufgaben - realisieren. Damit ist der Hub des Ausgangssignales (z.B. die Streckenlänge einer linearen Cursorbewegung oder die Endstellung eines digitalen Anzeigegerätes) von der Dauer der Druckeinwirkung abhängig, und die Signaldynamik (z.B. die Bewegungsgeschwindigkeit eines Cursors auf dem Bildschirm oder die Veränderungsge¬ schwindigkeit der Digitalanzeige) von der Intensität des gerade, praktisch weglos, manuell in die Handhabe eingebrachten Druckes.
Deshalb eignet sich dieser Steuerknüppel besonders auch zum industriellen Einsatz unter rauhen Umgebungsbedingungen; ebenso wie zur Betätigung durch auch nur wenig kontrol¬ lierte, gleichgültig ob kraftvolle oder schwache, minimal ausladende Körperbewegungen, mit denen dann etwa Behinderte im Alltag oder Chirurgen bei der Operation motorische Hilfsmittel steuern können.
Im Rahmen vorliegender Erfindungsbeschreibung ist bei der Terminologie von der Annahme ausgegangen, daß das Gehäuse des Stellelementes ortsfest montiert ist und aus diesem die Handhabe herausragt; es kann aber im Rahmen vorliegender Erfindung durchaus auch umgekehrt sein, daß nämlich das Stellelement an seinem vorragenden Hebelarm montiert ist, während am manuell zugänglichen Gehäuse die Betätigungskraft relativ zum Druckelement (also zum inneren Hebelarm) eingebracht wird.
In der Zeichnung zeigt, nicht ganz maßstabsgerecht und auf das Wesentliche abstrahiert,
Fig.1 ein erfindungsgemäßes Stellelement mit kugelförmiger Lagerung eines zweiarmigen Hebels und mit gehäuse-achsparalleler Druck-Beanspruchung seiner Sensoren,
Fig.2 ein Stellelement ähnlich demjenigen nach Fig.1, aber nun mit walzenförmiger Lagerung seiner Handhabe und mit gehäuse-radialer Sensor-Druckbeanspruchung
Fig.3 zwei koaxial kaskadierte Stellelemente entsprechend demjenigen nach Fig.l,
Fig.4 eine Stellelement-Kaskade entsprechend Fig.3 mit Sensoranordnungen entsprechend
Fig.2
Fig.5 ein Stellelement mit Sensor-Beanspruchung gemäß Fig.2 aber mit einarmigem Handhaben-Hebel und
Fig.6 ein Stellelement entsprechend Fig.5 aber mit elastischer axialer Abstützung anstelle einer Wälzlager- Aufhängung seiner Handhabe.
An einem Durchgang 10 ragt unter formschlüssiger Aufhängung 11 eine in den Ausführungsbeispielen linear-stabf rmige Handhabe 12 des Stellelementes aus einem Gehäuse 14 heraus. Obwohl unter Querdruck-Einwirkung nur minimal verschwenkbar, ist die Handhabe 12 am Gehäuse 14 gelenkig abgestützt, nämlich mittels eines Kugelgelenkes 18 (Fig.l und 3 - 5), mittels eines Walzengelenkes 29 (Fig.2) oder mittels eines gummielastischen Klotzes 28 (Fig.6); und zwar jeweils unmittelbar oder mittelbar zwischen den Gehäuse- Seitenwänden 17 (Fig.4, 5, 6), in letzterem Falle vorzugsweise eingehängt in eine Gehäuse-Deckwand 16 (Fig.1, 2, 3, 4).
Bei reduzierten Anforderungen in Bezug auf die präzise Arbeitsweise können die geometrisch definierten und in bezug auf die Handhabe 12 axial steifen Gelenke 19 bzw. 29 also prinzipiell auch durch Gummi-Halterungen ersetzt werden, welche z.B. durch Vulkanisieren allseitig mit der Handhabe 12 und dem Gehäuse 14 verbunden sind.
Trotz der quasi nicht vorhanden Bewegung des Hebels aus Handhabe 12 und Druckelement 15 vorteilhafter ist aber die präzise und reibungsarme, geometrisch definierte Kugel- oder Walzen-Lagerung der Gelenke 19, 29. Die verringert die Haftreibung (bei der minimalen Verschwenkung infolge manueller Querkrafteinleitung in die Handhabe 12), und sie ist deshalb der wesentliche Grund für die hohe Ansprechempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit bei der Druckbeaufschlagung der Sensoren 25. Durch diese Art der Aufhängung 11 kann beispielsweise mit einem Stab von 30 mm Durchmesser für die Handhabe 12 eine Ansprechempfindlichkeit von 200 mN sichergestellt sein.
Aufgrund der formschlüssigen Aufhängung 11 des starren Gebildes aus Handhabe 12 und Druckelement 15 wird die Druckausübung auf die Sensoren 25 nicht durch axiale mechanische Beanspruchungen der Handhabe 12 beeinflußt und somit der für die Stellfünktion allein maßgebliche, aktuell durch manuellen Querdruck vorgegebene, elektrische Ausgabewert nicht unreproduzierbar verfälscht. Im rauhen Maschinenbetrieb oder im ermüdenden Konstruktionseinsatz kann der Bediener also die hochragende Handhabe 12 mit seiner Faust umschließen und diese auf der Gehäuse-Deckplatte abstützen, ohne daß dadurch schon eine Anregung der Sensoren 25 hervorgerufen wird, ehe nicht die Faust bewußt verschwenkt wird und dadurch eine seitliche Krafteinwirkung auf die Handhabe 12 hervorruft. Denn die Axial¬ druckkomponenten werden über die Präzisionslagerung bei der Aufhängung 11 von dem stabilen Gehäuse 14 aufgenommen, führen also nicht zu einer die Sensoren 25 belastenden Verlagerung des Druckelementes 15; was entsprechend für Zugkräfte gilt.
Das konvexe Profil des Kugelgelenkes 18 kann an der Handhabe 12 befestigt oder unmittelbar auf ihrer Außenfläche ausgeformt sein; derart, daß es die Handhabe 12 radial überragt. Es ruht möglichst spielfrei in einer flachen hohlkugelabschnittförmigen Schale 19, die z.B. mit dem Gehäuse 14 verpreßt oder unmittelbar als Teil des Gehäuses 14 ausgebildet ist. Bei ungeteilter Doppelschale 19-19 kann ihr zentrales Loch durch vorübergehendes Erhitzen aufgeweitet werden, um das Kugelprofil 18 in Form einer Lagerbüchse aufzunehmen. Es ist auch möglich die Schale 19 als Teil des Gehäuses in der oberen Hälfte mit federnden Elementen auszulegen und so eine einfachere Herstellung und Montage zu erreichen. Die dichte Einfassung ins Gehäuse 14 mit in axialer Richtung der Handhabe 12 starrer Aufhängung 1 1 im fixen Drehpunkt ist der wesentliche Grund für die hohe Reproduzierbarkeit und Ansprechempfindlichkeit der Druckbeaufschlagung von Sensoren 25, mit optimaler Einstell¬ möglichkeit der externen Krafteinleitungs-Erfordernisse nach Maßgabe der Hebelarmver¬ hältnisse gegenüber dem Gelenk 18 bzw. 29 (insbesondere verglichen mit den diesbezüglichen Eigenschaften etwa bei einer labilen Spitzenlagerung des unteren Endes einer Schwenkhebel-Handhabe gegen den Boden des Gehäuses).
Entsprechend vorteilhaft sind die Verhältnisse bei nur einachsiger oder Walzengelenk-Lagerung 29 des Hebels aus Handhabe 12 und Druckelement 15 (Fig.5), wenn also die Handhabe 12 samt ihrem Druckelement 15 im Gehäuse 14 durch eine gehäusefeste Welle getragen wird - vorzugsweise wie skizziert unter Zwischenlage eines Gleit-, eines Kugel¬ oder eines sonstigen Lagers 31 innerhalb eines Ringes 35, in den der Hebel sich hier aufspaltet. Der Ring 35 wird teilweise von einem hohlzylindrischen Profil 30 etwa in der benachbarten Wand des Gehäuses 14 umgeben, was wieder die gute Abdichtung des Inneren des Gehäuses 14 erbringt, in dem die Sensoren 25 angeordnet sind.
Bei diesem Walzengelenk 29 (Fig.2) gibt es nur die manuelle Einwirkungsebene quer zur Walzenachse, um diese herum. Beim Kugelgelenk 18 (Fig. l und 3 - 5) und bei der Gummiklotz-Lagerung 28 (Fig.6) dagegen kann die außerhalb des Gehäuses 14 z.B. in eine Fingermulde 32 (Fig. l, 5, 6) auslaufende oder mit einem Fingerring 27 (Fig.3) ausgestattete Handhabe 12 prinzipiell in jeder beliebigen Richtung relativ zum Gehäuse 14 quer-beaufschlagt werden; eine Auswertung erfolgt dann, je nach der Anordnung von Kraft-Sensoren 25 im Gehäuse 14, vorzugsweise nur in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (Fig.l und 3 - 6), in welche eine seitlich auf die herausstehende Handhabe 12 einwirkende Druckkraft nach dem Kräfteparallelogramm zerlegt wird. Wenn bei der Kugelgelenk-Halterung 18 keine Verdrehsicherung vorgesehen ist, kann man in vorteilhafter Weise die Druckrichtung unter anstehender Druckeinwirkung bei Verdrehen der Handhabe um ihre Längsachse, und damit das Kräfteparallelogramm bei konstantgehaltener Resultierender, verändern. Das erleichtert die Cursor- Steuerung bei CAD-Eingaben. Für diesen Effekt des Verdrehens der in die Handhabe manuell eingeleiteten Querkraft ist es förderlich, das freie Ende der Handhabe starr mit einem von den Fingerspitzen leicht umgreifbaren Hut oder Teller auszustatten (in der Zeichnung nicht berücksichtigt). Falls aber dieses Verdrehen der Handhabe 12 nicht erwünscht sein sollte, kann auch eine Art kardanischer Aufhängung aus zwei orthogonalen Walzenlagern für die zweidimensional wirkende Handhabe 12 realisiert werden. Im Gehäuse 14 ist die Handhabe 12 bewegungsstarr mit ihrem Druckelement 15 zur Kraftübertragung auf die Sensoren 25 ausgebildet oder ausgestattet. Die Handhabe 12 und ihr Druckelement 15 bilden, je nach dem relativen Orte der gelenkigen Lagerung 18/28/29, zusammen einen zweiarmigen (Fig. l - 4) oder einen einarmigen (Fig.5, 6) Hebel. Der ist mittels eines z.B. längs-einstellbaren Gegengewichtes 34 (Fig. l - 5) vorzugsweise auf indifferentes Gleichgewicht austariert, damit die (ohnehin nur ganz minimale) Verschwenkung aufgrund der Querdruck-Einleitung in die Handhabe 12 feinfühliger einsetzen kann, und damit lageabhängige Druckeinwirkungen auf die Sensoren 25 möglichst vermieden werden.
Bei einarmigem Hebel liegt das Tarier-Gewicht 34 außerhalb des eigentlichen Hebelbereiches (zwischen der Handhabe 12 und dem für die Sensoren 25 druckübertragenden Element 15), nämlich jenseits des Gelenkes 18 (Fig.5) bzw. 29. Hier müßte der Durchtrittsöffnung 10 zusätzlich etwa mittels einer BalgenManschette abgedichtet werden. Von Vorteil ist beim einarmigen Hebel aber die geringe axiale Länge des Systems, also der besonders gedrängte Aufbau des austarierten, wegfrei-leichtgängigen Stellelementes.
In beiden Fällen ist über die Hebelverhältnisse (hinsichtlich der Handhabe 12 und des druckübermittlnden Elementes 15 jeweils bezüglich der Aufhängung 11) sowie gegebenenfalls (vgl. unten) über Elastizitätskonstanten und Vorspannungen von Stützkörpern 26, und schließlich auch über die Ansprechempfindlichkeit der Sensoren 25, ein mit Beanspruchung der Handhabe 12 hervorzurufender Ansprechdruck konstruktiv vorgebbar. Die aktuellen Druckbe¬ anspruchungen der Sensoren 25 können, einzeln oder paarweise in Differenzschaltung, von einer Signalverarbeitungseinrichtung (innerhalb oder) außerhalb des Gehäuses 14 abgefragt werden. In dieser Einrichtung kann auch eine Signalhub-Umsetzung nach Maßgabe der Dauer oder der Intensität der aktuellen Querbeanspruchung der Handhabe 12 erfolgen.
Der Hebel aus Handhabe 12 und Druckelement 15 ragt also durch die Öffnung 10 zwischen die Seitenwände 17 des rohrförmigen, vorzugsweise im Querschnitt rechteckigen, Gehäuses 14 hinein. Darin liegt das druckmittelnde Element 15 ständig, also spielfrei und dazu gegebenenfalls unter gewisser mechanischer Vorspannung, parallel (Fig.1 und 3) oder quer (Fig. 2, 4 - 6) zur Achsrichtung der Handhabe 12 gegen die Sensoren 25 an, die ihrerseits diesem Angriff gegenüber gegen das Gehäuse 14 abgestützt sind. Jeder Sensor 25 kann z.B. ein Halbleiter-, ein Piezo-, ein Magnetostriktions-, ein Lichtfaser-Element oder jeder andere praktisch wegfrei arbeitende analoge Druckaufnehmer sein.
Durch die Zwischenlage einer starren Scheibe 24 von definierter Fläche zwischen Druckelement 15 und Sensor 25 wird für letzteren der manuell eingeleitete und gemäß dem Hebelverhältnis übersetzte Druck in eine Kraft umgewandelt. Die Scheibe 24 vergleichmäßigt zugleich die einwirkende Kraft über die Sensorfläche, was beispielsweise von praktischer Bedeutung für den Kennlinienverlauf bei polymeren Foliendrucksensoren ist.
Eine Vergleichmäßigung der Druckübertragung auf die einzelnen Sensoren 25 unter Gewährleistung einer spielfreien Anlage des druckmittelnden Elementes 15 ergibt sich durch Zwischenlage von nur geringfügig elastisch stauchbaren Stützkörpern 26 hinter (Fig.1 ) oder vor (Fig.3) den Sensoren 25, die auch eine mechanische Überlastung der Sensoren 25 ausschließen. Zugleich bewirken sie, ähnlich wie ein elastisches Zwischenstück 33 zwischen Handhabe 12 und Druckelement 15 (Fig. l), eine deutliche Auslenkung bei der Druckbeanspruchung der Handhabe. Das kann für manche Einsatzfälle, insbesondere im rauhen Maschinenbetrieb, erwünscht sein, um die manuelle Einwirkung deutlicher spürbar werden zu lassen - obgleich wie ausgeführt beim erfindungsgemäßen Stellelement kein Weg sondern nur die Kraft ausgewertet wird, weshalb dieses Stellelement an sich weglos arbeitet und das flexible Zwischenstück 33 nicht zu weich sein darf.
Um die Beanspruchung im Interesse höherer Einstellgenauigkeit und Reproduzierbarkeit auch trotz der nur minimalen Verschwenkung des Elementes 15 immer senkrecht und verkantungsfrei in den Sensor 25 (bzw. seine separat aufliegende Scheibe 24) einzuleiten, erfolgt die Druckübertragung vom Element 15 her über ein balliges Zwischenglied 22. Das kann an der Scheibe 24 oder am Element 15 als Noppe ausgebildet sein. Wenn es als separater oder angeformter Ring das druckmittelnde Element 15 konzentrisch umgibt, ist dadurch sichergestellt, daß ein Verdrehen ohne Auswirkung auf die aktuelle Sensor-Beanspruchung bleibt.
Grundsätzlich ist für jede auszuwertende (Zug- bzw. Druck-) Beanspruchungsrichtung der Handhabe 12, d.h. für jede Wirkachse des Stellelementes, ein Paar von Sensoren 25 einander bezüglich der Achse der Handhabe 12 diametral gegenüber vorgesehen. Das ermöglicht auch eine Differenzauswertung, etwa zur Linearisierung der wirksamen Ansprechkennlinie, zur Definition des Ruhepunktes oder zum Eliminieren nicht gegensinniger Sensoreinflüsse wie aufgrund von thermischen Ausdehnungseffekten oder von mechanischen Beschleunigungseinflüssen.
Zwecks Kostenreduzierung braucht pro Achse aber nur ein Sensor 25 eingesetzt zu werden; der zweite ist dann gewissermaßen durch einen Dummy 20 in Form eines nicht an die Auswerteeinrichtung (etwa zur digitalen Widerstandsmessung und Zeitintegral-Bildung) angeschlossenen Sensors (Fig.4 ohne die nach rechts herausgeführten Anschlußleitungen) oder in Form lediglich des elastischen Stützkörpers (26) bzw. einer separaten steifen Feder 21 (Fig.2) ersetzt. Der nun pro Achse meßtechnisch allein erfaßte Sensor 25 ist somit durch sein Gegenüber in der Ruhestellung steif-elastisch vorgespannt, um dann je nach der Richtung des manuellen Querangriffes auf die Handhabe 12 seinen inneren Druck zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Da die Handhabe 12 bei der Krafteinleitung praktisch keine Auslenkung erfährt, können zwei gelenkig aufgehängte Handhaben 12, 12 unter geringem radialem Spiel koaxial ineinander angeordnet werden, um mit einer Hand z.B. vier Achsen gleichzeitig bedienen zu können. Bei der Ausbildung nach Fig.3 und 4 sind dazu zwei Gehäuse 14, 14 koaxial übereinander montiert. Die Handhabe 12 des unteren verläuft unter radialem Spiel durch eine rohrförmige Handhabe 12 des oberen Gehäuses 14 und ist am stirnseitigen Austritt mit einer Kappe ausgestattet, welche wenigstens angenähert den gleichen Außendurchmesser aufweist, wie die äußere Handhabe 12. Für beide Stellelemente sind die gleichen Hebelverhältnisse beiderseits ihrer Kugelgelenke 19 zur Aufhängung 11 ihrer Handhaben 12 eingehalten, damit beide Handhaben 12 mit gleicher Kennlinien-Empfindlichkeit bedient werden. Vorzugsweise ist jede Handhabe 12 mit einem Fingerglied-Eingriffsring 27 ausgestattet, um ohne Um- greif-Erfordernis Druck- und Zugkräfte in die jeweilige Handhabe 12 einleiten zu können. So lassen sich mit zwei benachbarten Fingern einer Hand, die beiderseits der Trennstelle zwischen äußerer Handhabe 12 und Kappe seitlich angreifen, zwei Stellelemente gleichzeitig betätigen, also vier Achsen steuern. Diese Bedienungsvielfalt wird bei einer Tandemanordnung noch problemlos verdoppelt, wenn noch einmal das gleiche System zweier ineinander verschachtelter Stellelemente in umgekehrter Orientierung (also die Kappen nebeneinander) stirnseitig koaxial davor montiert wird und so mit zwei weiteren abgespreizten Fingern derselben Hand bedienbar ist. Insgesamt ergibt das folglich eine mit einer einzigen Hand realisierbare Achtachs-Steu- erung.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Stellelemente sind also preiswert in zuverlässiger Ausführung herstellbar und durch die Gehäusekapselung der Sensoren 25 weitestgehend unan¬ fällig gegen Umwelteinwirkungen. Bedienungstechnisch zeichnen sie sich insbesondere bei der Lageraufhängung 11 der hebelmäßig austarierten Handhaben 12 durch eine ganz außeror¬ dentlich hohe Ansprechempfindlichkeit und durch reproduzierbares Verhalten bei der manuellen Druckeinführung in die Handhabe 12 aus. Das fördert die Bedienungsmöglichkeiten, etwa indem nur eine Fingerspitze - zur Druckausübung - nicht seitlich frei an der Handhabe 12 anliegen muß, sondern - in eine Mulde 32 eingreift, mit der die Handhabe 12 an ihrem freien Stirnende ausgestattet sein kann (Fig.l, 3, 5).

Claims

Patentansprüche
Analoges Stellelement, wie Steuerknüppel, Schalthebel Cursorbedienung oder dergleichen, mit einer Handhabe (12), die in einem Gehäuse (14) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil einer als Hebel aufgehängten Handhabe (12) standig praktisch weglos wirkend über zumindest einen Kraft-Sensor (25) gegen das Gehäuse (14) abgestutzt ist, wobei der Sensor (25) ein Ausgangssignal liefert, dessen Große von einer Druckkraft abhangt, die quer zur Handhabe (12) auf diese einwirkt
Stellelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftsensor ein Druck-Sensor (25) vorgesehen ist, der über eine starre Ubertragungsflache (Scheibe 24) druckbeaufschlagt ist, gegen die ihrerseits die Handhabe (12) mittels eines balligen Zwischengliedes (22) abgestutzt ist
Stellelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkig als Hebel aufgehängte Handhabe (12) durch ein Gegengewicht (34) auf indifferentes Gleichgewicht austariert ist
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Handhabe (12) ein elastisches Element (Stutzkorper 26 und / oder Zwischenstuck 33) in Serie liegt
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabe (12) elastisch gegen nur einen Sensor (25) abgestutzt ist
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Handhabe (12) unter radialem Spiel durch ein Rohr verlauft, das seinerseits die Handhabe (12) eines Stell elementes gemäß einem der vorangehenden Ansprüchen ist
Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhangung (11) der Handhabe (12) am Gehäuse (14) mittels eines Kugelgelenkes (18) realisiert ist
8. Stellelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die um ihre Längsachse verdrehbar aufgehängte Handhabe (12) mit einem ballig umlaufenden Zwischenglied (22) unmittelbar oder über eine steife Scheibe (24) gegen wenigstens einen Druck-Sensor (25) anliegt.
9. Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (1) der Handhabe (12) am Gehäuse (14) mittels wenigstens einen Walzengelenkes (29) realisiert ist.
10. Stell element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (1) der Handhabe (12) am Gehäuse (14) mittels eines gummielastischen Klotzes (28) realisiert ist.
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