DE19519941C1 - Joystick control for computer input or self-propelled wheelchair etc. - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Steuerknüppel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a joystick according to the preamble of claim 1.
Ein solcher Steuerknüppel ist aus der CH 631 818 A5 bekannt. Des sen mittels eines Kugelprofiles in der Gehäuse-Deckwand gehalterte Handhabe dient dem Verschwenken eines Ringteiles zur rich tungsabhängigen Betätigung jeweils eines von vier Schaltern, wo für vergleichsweise große Schwenkwege zurückzulegen sind. Das mag für die Steuerung der Hydraulik von Winterdienst-Arbeitsgeräten vertretbar sein; für viele Anwendungsgebiete solcher Steuerknüp pel, wie etwa als Joystick für Computereingaben (auch als Maus- Ersatz) oder als Stellglied für die Bewegungssteuerung an beweg lichen oder stationären Geräten (wie von selbstfahrenden Be hinderten-Fahrstühlen, von Arbeitstischen, von Patientenstühlen oder von Maschinen-Plattformen) hat sich das Erfordernis, einen definierten Weg für eine bestimmte apparative Reaktion vorgeben zu müssen, aber eher als hinderlich erwiesen. Insbesondere für schwerstbehinderte Muskelkranke ist es wichtig, da sie ausladende Bewegungen nicht kontrolliert und reproduzierbar ausführen kön nen, möglichst weglos und ohne Nullpunkt-Totverhalten schon bei geringem gezieltem Druck auf den Steuerknüppel eine definierte Reaktion hervorrufen zu lassen.Such a joystick is known from CH 631 818 A5. Des sen held by means of a spherical profile in the top wall of the housing Handle serves to pivot a ring part to the rich tion-dependent actuation one of four switches, where for comparatively large swivel paths. That likes for controlling the hydraulics of winter service implements to be defensible; for many areas of application of such control knot pel, such as a joystick for computer inputs (also as a mouse Replacement) or as an actuator for motion control on moving liche or stationary devices (as from self-propelled loading disabled lifts, work tables, patient chairs or of machine platforms) has the need to Specify a defined path for a specific equipment reaction to have, but rather proved to be a hindrance. Especially for The severely disabled muscular patient is important as it is expansive Cannot perform movements in a controlled and reproducible manner NEN, as far away as possible and without zero-dead behavior low targeted pressure on the joystick a defined To cause a reaction.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Steuerknüppel solcher Gattung zu schaffen, der sich durch preis günstigen, extrem einfachen aber doch funktionszuverlässigen Aufbau auszeichnet und der über eine sehr weite Betätigungs spanne hinsichtlich der zur Bedienung eingesetzten Kraft ohne mechanische oder elektrische Übersteuerungsgefahr auslegbar ist, um ihn beispielsweise an die persöhnliche Situation eines Behinderten anpassen zu können. Der Behinderte soll mit wenig kontrollierten Bewegungen seines Kopfes oder eines Armes in der Lage sein, über den Steuer knüppel die Bewegungsrichtung seines angetriebenen Kranken fahrstuhles oder einer motorisch verstellbaren Prothese ein deutig vorgeben zu können.The present invention has for its object an improved joystick to create such a genre, which is distinguished by price affordable, extremely simple but functionally reliable Structure distinguishes and that over a very wide operation span in terms of the force used to operate without mechanical or electrical overload risk can be interpreted is, for example, to the personal situation of a To be able to adapt to the disabled. The disabled should be controlled with little Movements of his head or arm will be able to be done at the wheel stick the direction of movement of his driven patient lift or a motor-adjustable prosthesis to be able to pretend clearly.
Bezüglich der erfindungsgemäßen Lösung dieser Vorgaben wird auf den Hauptanspruch samt den Unteransprüchen und auf nach stehende Beschreibung der Zeichnungsskizze sowie deren zusam menfassende Kurzfassung am Ende verwiesen. With regard to the solution of these requirements according to the invention to the main claim including the subordinate claims and to standing description of the drawing sketch and their together comprehensive summary at the end.
Der Kern dieser Lösung ist eine mechanisch und gleichge wichtsmäßig stabile Kugelgelenk-Aufhängung einer eingehäusten Druckplatte unter ihrer aus dem hermetisch verschließbaren Gehäuse herausragenden Schwenk-Handhabe; mit schwenkrich tungs- und schwenkdruckabhängiger mechanischer Beanspruchung von Druck-Sensoren zwischen der Schwenkplatte und dem Gehäu se. Die Kraftübertragung vom Rand der verschwenkbaren Druck platte auf die Beeinflussungsfläche des jeweiligen Sensors wird zweckmäßigerweise mittels geringfügig elastisch stauch barer Stützkörper vergleichmäßigt. Außerdem muß beim Ver schenken der Platte mittels der Handhabe die Rückstellkraft von Drückfedern überwunden werden, die zwischen der Platte und dem Gehäuse eingespannt sind. So ist über die Hebelver hältnisse (hinsichtlich der Teil-Längen der Handhabe bei der seits der Kugelaufhängung und hinsichtlich des Radius der starr damit verbundenen Schwenkplatte) sowie über die Elasti zitätskonstanten und Vorspannungen der Druckblöcke und der Stützfedern, und schließlich auch über die Ansprechempfind lichkeit der kontinuierlich oder binär arbeitenden Sensoren, der mit Betätigung der Schwenk-Handhabe hervorzurufende An sprechdruck konstruktiv vorgebbar. Eine mechanische oder elektrische Überlastung der Sensoren ist wegen der elasti schen Stützelemente praktisch ausgeschlossen. Eine axiale Druckbeanspruchungskomponente der zu verschwenkenden Handhabe ist wegen der Abstützung am Kugelprofil ohne Auswirkung auf die allein schwenkabhängige Krafteinleitung in die Sensoren. Wegen dem elastischen Abstützung der mittels der Handhabe verschwenkbaren Druckplatte gegenüber dem (die Druck-Sensoren tragenden) Gehäuse sind die Ausgangsinformationen auch von der räumlichen Betriebslage des Steuerknüppel-Gehäuses völlig unabhängig. Deshalb eignet sich dieser Steuerknüppel beson ders auch zum industriellen Einsatz in rauhen Umgebungsbedin gungen, ebenso wie zur Betätigung durch auch nur wenig kon trollierte, gleichgültig ob kraftvolle oder schwache, Körper bewegungen, mit denen etwa Behinderte oder Chirurgen motori sche Hilfsmittel steuern.The core of this solution is a mechanical and equal weight-stable ball joint suspension of a housed Pressure plate under her from the hermetically sealable Housing outstanding swivel handle; with swivel mechanical and stress-dependent mechanical stress of pressure sensors between the swivel plate and the housing se. The power transmission from the edge of the pivotable pressure plate on the influencing surface of the respective sensor is expediently compressed by means of slightly elastic equalized support body. In addition, the ver give the plate the restoring force by means of the handle to be overcome by compression springs between the plate and the housing are clamped. So is about the Hebelver Ratios (with regard to the partial lengths of the handle in the on the part of the ball suspension and in terms of the radius of the rigidly connected swivel plate) and via the Elasti quality constants and preloads of the pressure blocks and the Support springs, and finally via the response sensitivity possibility of continuously or binary sensors, the to be caused by actuating the swivel handle speech pressure can be specified constructively. A mechanical or electrical overload of the sensors is due to the elasti support elements practically excluded. An axial Pressure component of the handle to be pivoted has no effect due to the support on the spherical profile the only pivot-dependent introduction of force into the sensors. Because of the elastic support by means of the handle pivotable pressure plate opposite the (the pressure sensors bearing) housing are the output information also from the spatial operating position of the joystick housing completely independently. This is why this joystick is particularly suitable also for industrial use in harsh environmental conditions conditions, as well as for actuation by only a little con trolled, whether powerful or weak, body movements with which disabled people or surgeons motori control aids.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen etwa als Rich tungsgeber oder sogen. Joystick bekannten Zweikoordina ten-Steuerknüppel 11 im Axial-Längsschnitt. Seine manuell zu bewegende stabförmige Handhabe 12 ragt verschwenkbar in die Öffnung 13 eines Gehäuses 14 hinein. Er ist im Gehäuse 14, an seinem unteren Ende, bewegungsstarr mit einer vorzugsweise kreisscheibenförmigen Druckplatte 15 verbunden, etwa ver schraubt. Diese Platte 15 ist stets quer zur Handhabe 12 ori entiert, und sie liegt in ihrer (in der Zeichnung dargestell ten) Ruhestellung parallel unterhalb der Deckwand 16 inner halb der Seitenwände 17 des topfförmigen Gehäuses 14.The only figure of the drawing shows a directional device or so-called. Joystick known two-coordinate stick 11 in axial longitudinal section. Its rod-shaped handle 12 , which can be moved manually, pivotably projects into the opening 13 of a housing 14 . He is in the housing 14 , at its lower end, rigidly connected to a preferably circular disk-shaped pressure plate 15 , approximately screwed ver. This plate 15 is always transversely to the handle 12 ori ent, and it lies in its (in the drawing, th) in the rest position parallel below the top wall 16 inside half of the side walls 17 of the pot-shaped housing 14th
Die Handhabe 12 wird (samt ihrer Druckplatte 15) am Eintritt ins Gehäuse 14 von einem Kugelprofil 18 getragen. Das ist an der Handhabe 12 befestigt oder unmittelbar auf ihrer Außen fläche ausgeformt, derart, daß dieses Profil 18 die Handha be 12 im Bereiche deren Durchtritts durch die Gehäuse-Deck wand 16 radial überragt. Dieses erhabene Kugelprofil 18 ruht dort in der Öffnung 13, die dafür als flache hohlkugelab schnittförmige Schale 19, eventuell mit geringfügig größerem Radius als demjenigen des Kugelprofiles 18, in die Außenflä che 20 der Gehäuse-Deckwand 16 eingesenkt ist, mit einem zen tralen Loch 21 für den Durchtritt der Handhabe 12 ins Innere des Gehäuses 14 zur Druckplatte 15 hin.The handle 12 (together with its pressure plate 15 ) is carried by a ball profile 18 at the entry into the housing 14 . This is attached to the handle 12 or directly formed on its outer surface, such that this profile 18 be the handle 12 in the area of its passage through the housing deck 16 radially protrudes. This raised spherical profile 18 rests there in the opening 13 , which is recessed as a flat hollow hollow section 19 , possibly with a slightly larger radius than that of the spherical profile 18 , in the outer surface 20 of the housing top wall 16 , with a central hole 21st for the passage of the handle 12 into the interior of the housing 14 towards the pressure plate 15 .
Für einen stets definierten Sitz erfolgt das gleichgewichts mäßig stabile Einhängen der Handhabe 12 mittels des Kugelpro files 18 in die Schale 19 nicht nur durch das Eigengewicht der Handhabe 12 samt Druckplatte 15, sondern außerdem geför dert durch Drückfedern 20 wie etwa schlanke Schraubenfedern oder Gummiprismen, die, auf Stauchung beansprucht, zwischen Druckplatte 15 und Deckwand 16 eingesetzt sind. Somit bestim men diese parallel zur Längsachse der Handhabe 12 eingespann ten Federblöcke 22 auch die Ruhestellung der Druckplatte 15 gegenüber der Gehäuse-Deckwand 16. Das Innere des Gehäuses 14 ist durch einen von den Seitenwänden 17 getragenen Boden deckel 23 hermetisch verschließbar. For a well-defined fit, the equilibrium moderately stable hanging of the handle 12 by means of the Kugelpro files 18 into the shell 19 is not only effected by the weight of the handle 12 together with the pressure plate 15 , but also promoted by compression springs 20 such as slim coil springs or rubber prisms , stressed on compression, are inserted between the pressure plate 15 and the top wall 16 . Thus, these men parallel to the longitudinal axis of the handle 12 clamped th spring blocks 22 also the rest position of the pressure plate 15 relative to the housing top wall 16 . The inside of the housing 14 is hermetically sealed by a bottom cover 23 carried by the side walls 17 .
Dem umlaufenden Rand 24 der Druckplatte 15 gegenüber sind orthogonal gegeneinander versetzt zwei Paare von einander diametral gegenüberliegenden Druck-Sensoren 25 unter der Deckwand 16 gehaltert. Ein jeder solcher Sensor 25 besteht bevorzugt aus einem flachen Leitgummikörper, dessen Durch gangswiderstand in Abhängig von der aktuellen Beanspruchung auf Stauchung, also bei Krafteinleitung, zwischen typisch 1.000.000 Ohm und 1.000 Ohm schwankt.Opposite the circumferential edge 24 of the pressure plate 15 , two pairs of diametrically opposed pressure sensors 25 are held orthogonally offset from one another under the top wall 16 . Each such sensor 25 preferably consists of a flat conductive rubber body, the volume resistance of which varies between typically 1,000,000 ohms and 1,000 ohms depending on the current stress on compression, that is to say when force is applied.
Ein steifelastischer Stützkörper 26 überbrückt jeweils den achsparallelen Abstand aberzwischen dem Plattenrand 24 und dem darübergelegenen Sensor 25. Er dient der flächig-gleichmäßi gen Druckverteilung bei der Beanspruchung eines Sensors 25, wenn die Handhabe 12 gegenüber dem Gehäuse 14 gekippt und da mit die Druckplatte 15 entsprechend gegenüber der Gehäu se-Deckwand 16 verschwenkt wird. Über die Elastizitätskon stante und den Ruhedruck der Federn 22 und der Stützkörper 26 läßt sich die Ansprechempfindlichkeit des Steuerknüppels 11 auf Auslenkbewegungen seiner Handhabe 12 sehr feinfühlig in extrem weiten Grenzen ohne mechanische Überbelastungsgefahr einstellen.A rigid support body 26 bridges the axially parallel distance between the plate edge 24 and the sensor 25 above it. It serves the flat-even pressure distribution when stressing a sensor 25 when the handle 12 is tilted relative to the housing 14 and since the pressure plate 15 is pivoted accordingly with respect to the housing top wall 16 . About the Elastizitätskon constant and the resting pressure of the springs 22 and the support body 26 , the sensitivity of the joystick 11 to deflection movements of its handle 12 can be adjusted very sensitively within extremely wide limits without the risk of mechanical overload.
Wenn die Elastikklötze 22 und 26 nicht auf der Druckplat te 15, sondern unter der Gehäuse-Deckwand 16 bzw. unter den hieran festgelegten Sensoren 25 befestigt sind, ist ein Ver drehen auch der schrägstehenden Platte 15 mittels des Stabes 12 ohne Einfluß auf die aktuelle Druckeinleitung in die Sen soren 25, so daß die aktuelle Information aus dem Steu erknüppel 11 dadurch nicht beeinflußt wird. Das wird auch er reicht, wenn die im Querschnitt gemäß der Zeichnung klotzför migen Gebilde 22/26 tatsächlich konzentrische, auf der Platte 15 befestigte Elastik-Ringe sind.If the elastic blocks 22 and 26 are not on the Druckplat te 15 , but under the housing top wall 16 or under the attached sensors 25 are attached, a Ver turn the inclined plate 15 by means of the rod 12 without affecting the current pressure introduction in the sen sensors 25 , so that the current information from the control stick 11 is not affected. That will also be enough if the cross-section according to the drawing klotzför shaped structures 22/26 are actually concentric, attached to the plate 15 elastic rings.
Jedenfalls werden je nach der Richtung der Kippbewegung ein Sensor 25 oder sogar gleich zwei einander benachbarte der Sensoren 25 vom Plattenrand 24 mehr oder weniger stark auf Druck beansprucht, unter gleichzeitiger Entlastung der diametral gegenüberliegenden Sensoren 25. Der mechanische Druckanstieg wird in eine Verringerung des aktuellen elektri schen Durchgangs-Widerstandes umgesetzt. Der kann unproblema tisch in einer (innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 14 be triebenen) Auswerteschaltung gemessen und in als solcher be kannter Weise als elektrische Steuer-Koordinate zur Weiter verarbeitung oder zur direkten Ansteuerung etwa von Ser vomotoren für Zweikoordinaten-Verstellbewegungen ausgegeben werden. Wenn keine meßtechnisch isolierte Erfassung nur der Einzel-sensoren 25 vorgesehen ist, sondern jeweils eines Paa res zweier einander diametral gegenüberliegender Sensoren 25, dann kann in die elektrische Auswertung eingehen, daß ein Verkippen der Platte 15 stets mit einem Absinken beim einen und einem Ansteigen des Widerstandes beim anderen Sensor 25 einhergehen muß. So können dann alle Meßwertpaare eleminiert werden, die nicht diese gegenläufige Tendenz zeigen. Dadurch ist sichergestellt, daß etwa thermische Ausdehnungseffekte oder Erschütterungen und dergleichen Krafteinwirkungen, die auf beide Sensoren 25 eines Paares gleichsinnig einwirken, ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleiben.In any case, depending on the direction of the tilting movement, a sensor 25 or even two adjacent sensors 25 are subjected to more or less pressure from the plate edge 24 , while simultaneously relieving the pressure on the diametrically opposite sensors 25 . The mechanical pressure increase is converted into a reduction in the current electrical contact resistance. The unproblema table in an (inside or outside the housing 14 be operated) evaluation circuit measured and output in a known manner as an electrical control coordinate for further processing or for direct control such as Ser motors for two-coordinate adjustment movements. If no metrologically isolated detection of only the individual sensors 25 is provided, but rather a pair of two diametrically opposed sensors 25 , then the electrical evaluation can include that a tilting of the plate 15 always with a decrease in one and an increase in the Resistance in the other sensor 25 must go hand in hand. In this way, all pairs of measured values can be eliminated which do not show this opposite tendency. This ensures that, for example, thermal expansion effects or shocks and the like, which act in the same direction on both sensors 25 of a pair, have no influence on the measurement result.
Auch aufgrund der formschlüssigen axialen Abstützung des starren Gebildes aus Handhabe 12 und Druckplatte 15 in der Kugel-Schalen-Paarung 18/19 beim Eintritt der Handhabe 12 ins Gehäuse 14 wird die verschwenkabhängige Druckausübung der Platte 15 auf die Sensoren 25 nicht beeinflußt und somit der aktuell durch manuelle Verschwenkung vorgegebene elektrische Steuerungswert nicht unreproduzierbar verfälscht, wenn irr tümlich einmal Stützdruck auf die Handhabe 12 ausgeübt wird und nicht die zuvor beschriebene Differenzdrückauswertung er folgt. Denn der Axialdruck wird von der stabilen Gehäu se-Deckwand 16 aufgenommen, führt also nicht zu einer die Sensoren 25 entlastenden Verlagerung der Platte 15. Um auch Zugkräfte an der Handhabe 12 entsprechend vom Gehäuse 14 ab fangen zu können, ist zweckmäßigerweise wie gezeichnet das Kugelprofil 18 in beiden Längsrichtungen der Handhabe 12 zwi schen halbhohlkugelförmigen Schalen 19 formschlüssig einge spannt. Die Schalen 19 müssen nicht in einer (gegebenenfalls geteilten) Deckwand 16 unmittelbar ausgebildet sein. Zweckmä ßiger ist es, in der Deckwand nur eine kraftschlüssige Auf nahme 27 für einen geteilten Käfig in Form der beiden zuein anderweisenden Schalen 19-19 vorzusehen. Darin eingefaßt ist dann das Kugelprofil 18 in Form einer Lagerbüchse, wie sie in Gelenkköpfen für Achsaufhängungen etwa im Modellbau handels üblich ist.Also due to the positive axial support of the rigid structure of handle 12 and pressure plate 15 in the ball-shell pair 18/19 when the handle 12 enters the housing 14 , the pivoting pressure exerted by the plate 15 on the sensors 25 is not influenced and thus the current electrical control value predetermined by manual pivoting is not reproducibly falsified if support pressure is erroneously applied to the handle 12 and the differential pressure evaluation described above is not followed. This is because the axial pressure is absorbed by the stable housing top wall 16 , so does not lead to a displacement of the plate 15 which relieves the sensors 25 . In order to be able to catch tensile forces on the handle 12 accordingly from the housing 14 , the spherical profile 18 is expediently clamped in a form-fitting manner in both longitudinal directions of the handle 12 between the semi-hollow spherical shells 19 . The shells 19 do not have to be formed directly in a (optionally divided) top wall 16 . It is more expedient to provide only a non-positive connection 27 in the top wall for a divided cage in the form of the two mutually facing shells 19-19 . It is then enclosed in the ball profile 18 in the form of a bearing bush, as is common in rod ends for axle suspensions, for example in model making.
Ein besonders preiswerter aber funktionszuverlässiger Aufbau dieses Steuerknüppels 11 ergibt sich dann, wenn das Kugelpro fil 18 mit einer Zentralbohrung 28 bis zum Anschlag gegen eine Abstandshülse 29 vor der Druckplatte 15 auf die Handha be 12 vorgeschoben und an dieser rückwärtig mittels einer Mutter 30 festgelegt wird, die auf das Außengewinde eines auch in die Druckplatte 15 eingreifenden Schraubenbolzens als der Handhabe 12 aufgeschraubt ist. So ist eine aus nur fünf preiswerten Normteilen bestehende Handhaben-Druckplatten-Ein heit rasch starr zusammengefügt. Der radiale Überstand der Mutter 30 über das Kugelprofil 15 dient dann als mechanischer Anschlag gegen die Außenfläche der Deckwand 16 bei der Ver schwenkbewegung der Handhabe 12 und somit der Druckplatte 15.A particularly inexpensive but functionally reliable structure of this joystick 11 is obtained when the Kugelpro fil 18 with a central bore 28 as far as it goes against a spacer sleeve 29 in front of the pressure plate 15 is pushed onto the handle 12 and is fixed on the rear by means of a nut 30 , which is screwed onto the external thread of a screw bolt which also engages in the pressure plate 15 as the handle 12 . For example, a handle / pressure plate unit consisting of only five inexpensive standard parts is quickly and rigidly assembled. The radial projection of the nut 30 over the ball profile 15 then serves as a mechanical stop against the outer surface of the top wall 16 during the pivoting movement of the handle 12 and thus the pressure plate 15 .
Dieser Steuerknüppel 11 ist also leicht und preiswert in zu verlässiger Ausführung herstellbar, durch die Gehäusekapse lung der Sensoren 25 unanfällig gegen Umwelteinwirkungen, und bedienungstechnisch zeichnet er sich durch eine gute Ge wichtsverteilung bei der Bewegung der Handhabe 12 aus.This joystick 11 is so easy and inexpensive to manufacture in a reliable design, by the housing encapsulation of the sensors 25 immune to environmental influences, and in terms of operation, it is characterized by a good weight distribution during the movement of the handle 12 .
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