DE19630075A1 - Mehrdimensional wirkende Handhabe - Google Patents
Mehrdimensional wirkende HandhabeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Handhabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine solche Handhabe ist als dreidimensionale oder sogenannte Space-Maus für komplexe
maschinelle Steuerungsaufgaben oder für räumliche zu variierende Computereingaben bekannt
und in ihrer Grundform in der DE 32 40 251 A1 näher beschrieben. Für deren Anwendung
muß ein kugelförmiges Betätigungselement zwischen die Fingerspitzen einer Hand genommen
und möglichst definiert um die Hoch-, Quer- und Längsachsen tordiert werden. Das ist aber
sehr ermüdend und dadurch fehleranfällig, weil über die Fingerkuppen erhebliche
Torsionskräfte eingebracht werden müssen und die Hand dabei von oben angreifen muß, also
nicht abgestützt werden kann.
Deshalb liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Handhabe zu schaffen, die
angenehmer und deshalb präziser bedienbar und dennoch über mehrere Funktionsachsen
flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe ist gemäß dem Hauptanspruch mit seinem Kennzeichnungsteil gelöst. Bezüglich
weiterer Einzelheiten wird auf die Unteransprüche und auf nachstehende Beispielsbeschreibung
verwiesen.
Nach der Lösung wird für eine zweiachsige Handhabe eine Betätigungsstange wahlweise (und
auch überlagernd) durch Umschließen mit der Faust sowohl auf Querdruck wie auch auf
Biegung beansprucht. Ein an jene Stange angelenktes Hebelsystem beaufschlagt für die beiden
Funktionsachsen unterschiedliche Druck-Sensoren. Diese arbeiten praktisch weglos, so daß
tatsächlich keine Hebelausschläge auftreten und deshalb die Gestänge koaxial in Rohrform
gedrängt realisiert werden können, wie anhand vier Varianten mit einem zusätzlichen
Sensor-Hebel für die mit dem Daumen zu bedienende dritte Dimension zeichnerisch in
Längsschnitten dargelegt:
Fig. 1 die eingebaute Handhabe mit im Sockel gelegenen Sensoren,
Fig. 2 eine Handhabe gemäß Fig. 1 aber mit Belastung der Zentralstangen-Sensoren über einen
zweiarmigen Hebel und
Fig. 3 eine Handhabe ähnlich derjenigen nach Fig. 1, aber nun mit Verlagerung der Sensoren in
die hohle Betätigungsstange.
Fig. 4 eine Handhabe wie Fig. 1 nur das der andere Sensor gespiegelt angeordnet ist.
Fig. 5 Anordnung der mehrdimensional wirkenden Handhabe in einem Bedien- und
Anzeigegerät.
Die in der Zeichnung dargestellten Handhaben 11 können jeweils mittels Sockeln 12 ortsfest
gehaltert werden, etwa eingebaut in ein Steuerpult 13. Vor dem jeweiligen Sockel 12 ist eine
Betätigungsstange 14 zur Aufnahme und Übertragung von manuell in diese eingeleiteten Quer-
und Biegekräften angeordnet. Diese Betätigungsstange 14 ist bei ihrem vom Sockel 12
abgelegenen Ende 15 an einer Zentralstange 16 verschwenkbar aufgehängt, die ihrerseits beim
vom der Betätigungsstange 14 abgelegenen Ende 17 des Sockels 12 an diesem verschwenkbar
gehaltert ist. Die Pult-Einbauebene 18 zwischen Sockel 12 und Betätigungsstange 14 wird von
einer Koppelstange 19 überbrückt, die einerseits beim der Ebene 18 zugewandten Ende 20 der
Betätigungsstange 14 an dieser und andererseits am Sockel 12 gelenkig gehaltert ist. Alle
Gelenke 21 sind möglichst leichtgängig, etwa als konvexe Kugelkappen in Hohlkugelschalen
ausgeführt. Da bei Krafteinleitungen in die Betätigungsstange 14 alle Gelenke 21 um
zueinander parallele (quer zur Zeichenebene orientiert) Achsen verschwenkt werden, können
sie auch als Walzen-Gelenke 21 ausgebildet sein.
Die Zentralstange 16 und die Koppelstange 19 sind, ihren beiden Verschwenkrichtungen
entgegen, jeweils spielfrei gegen praktisch weglos ansprechende analoge Druck-Sensoren 22
abgestützt. Die werden großflächig über Druckplatten 23 belastet, welche ihrerseits in ihren
Zentralbereichen gemäß der aktuell in die Betätigungsstange 14 manuell eingeleiteten Quer-
und Biege-Kräfte von Übertragungs-Ballen 24 beaufschlagt werden. Das erbringt wegen stets
gleicher Krafteinleitungsrichtung eine hohe Konstanz der Sensorcharakteristik.
Die Gelenke 21 wirken als Hebel-Drehpunkte, bezüglich derer die Hebel in Form der
Zentralstange 16 und der Koppelstange 19 durch Gegengewichte 25 auf indifferentes
Gleichgewicht austariert sind. Das erbringt eine hohe Ansprechempfindlichkeit der Sensoren 22
auf manuelle Krafteinleitung in die Handhabe 11 und Unempfindlichkeit der
Sensor-Ausgangssignale von extern auf die Handhabe 11 einwirkenden Erschütterungen sowie
von Veränderungen der Lage der Handhabe 11 im Raume.
Da also wegen der starren Sensor-Abstützungen die gegeneinander und gegenüber dem Sockel
12 verschwenkbar gelagerten, biegesteif dimensionierten Stangen tatsächlich bei Betätigung
der Stange 14 gar nicht merklich verschwenkt werden, müssen die Stangen nicht nebeneinander
angeordnet werden, sondern sie können rohrförmig koaxial mit geringem lichten Spiel
ineinander und durch den ebenfalls rohrförmig gestreckten Sockel 12 verlaufen. Dann umgibt
innerhalb des Sockels 12, und noch über dessen Einbauebene 18 daraus hervor in eine ebenfalls
rohrförmige Betätigungsstange unten hinein ragend, eine rohrförmige Koppelstange 19 die
Zentralstange 16. Das ermöglicht bei geschützter Sensor-Anordnung innerhalb der äußeren
Rohre einen ergonomischen und kompakten Aufbau der Handhabe 11, wie in der Zeichnung
dargestellt.
Bezüglich des Kraftflusses über die Gelenke 21 zu den Sensoren 22 wirkt die Koppelstange 19
als zweiarmiger, die Zentralstange 16 als einarmiger Hebel. Die Sensoren 22 der Koppelstange
19 liegen zwischen deren nicht-gelagertem Ende und dem Konstruktionsteil, an welchem das
Hebel-Gelenk 21 der Koppelstange 19 gehaltert ist (in Fig. 1 ist das der Sockel 12). Die
Sensoren 22 der Zentralstange 16 sind zwischen dieser und dem selben Konstruktionsteil
angeordnet; allerdings müssen im Falle des rohrförmigen Aufbaus der Handhabe 11 gemäß
Fig. 1 mit Anordnung aller Sensoren 22 innerhalb des Sockels 12 verlängerte Ballen 24
vorgesehen sein, die radial durch Wandungslöcher in der rohrförmigen Koppelstange 19
hindurchgreifen, um sich direkt gegen die darin verlaufende Zentralstange 16 abstützen zu
können; wenn nicht die schwieriger zu montierende Umlenkung gemäß Fig. 2 vorgenommen
wird.
Während das zur Kraftaufnahme von der Zentralstange 16 her gleich unterhalb der
Einbau-Ebene 18 im Sockel 12 gelegene Sensor-Paar 22 - 22 eine zusätzliche Abdichtung etwa
in Form einer Balgen-Manschette am Übergang von der hohlen Betätigungsstange 14 zum
Sockel 12 als Schutz gegen Umwelteinflüsse benötigt, ist das nicht notwendig im Falle der
Umlenkung nach Fig. 2, der Spiegelung nach Fig. 4 oder im Falle der Verlagerung aller
Sensoren 22 gemäß Fig. 3 aus dem Sockel 12 hinaus in die hohle Koppelstange 19 hinein, weil
dann die Sensoren 22 hinter Lager-Gelenken 21 abgeschlossen liegen.
In Fig. 4 ist der Sockel 12 so hoch gezogen, daß die Stange 19 in der linearen Verlängerung
der Stange 16 liegt. Abweichend von den anderen Anordnungen führt die Stange 19 bei den
Durchbrüchen 10 durch den Schwenkhebel 27 und den oberen Teil der Stange 14.
In der Prinzipzeichnung ist nicht berücksichtigt, daß die Außenmantelfläche der
Betätigungsstange zweckmäßigerweise griffig für die umschließenden Finger einer Faust
ausgestaltet ist. Da die Stangen bei ihren Gelenken 21 jeweils in Längsrichtung starr gelagert
sind, und da die Sensoren 22 ohnehin nur von radial übergeleiteten Querkräften (aber nicht
durch etwaige Längsverschiebungen der Stangen) angeregt werden können, ergibt sich eine
ermüdungsfreie Bedienbarkeit der Handhabe 11 dadurch, daß eine die Betätigungsstange 14
umgreifende Faust während der Bedienung mit vollem Gewicht auf die Einbau-Ebene 18 bzw.
auf einen Stützkragen 26 am unteren Ende 20 der Betätigungsstange 14 abgelegt werden kann,
während die manuelle Krafteinleitung erfolgt. Aus dem gleichen Grunde würde bei
Kugel-Gelenken eine Verdrehung der Betätigungsstange um ihre Längsachse nicht zu einer
Verfälschung der Sensor-Signale führen.
Die Krafteinleitung besteht für eine Funktionsachse im Einbringen einer Querkraft parallel zur
Einbauebene 18, was zu einer gleichsinnigen tendenziellen Auslenkung von Zentralstange 16
und Koppelstange 19 führt; das ist durch Differenzauswertung der Sensorsignal-Paare für
Steuerungsaufgaben auswertbar. Die zweite Funktionsachse wird durch Einbringen einer Kipp-
oder Schwenkkraft von der umschließenden Faust in die Betätigungsstange 14 bedient, was zu
einer gegensinnigen tendenziellen Auslenkung der Zentral- und Koppelstange 16/19 führt und
ebenfalls wieder über das entsprechend gegenläufige Verhalten der Sensorsignale erfaßbar ist.
Eine gleichzeitige (überlagerte) Verschiebe- und Verschwenk-Beanspruchung der Be
tätigungsstange 14 in der gleichen Betätigungsebene (nämlich quer zu den Schwenkachsen der
Gelenke 21) liefert also zweidimensionale Steuerungsinformationen.
Über die wirksamen Hebellängen, also die Sensoranordnungen längs der Stangen, lassen sich
nach Wahl gleiche oder definiert verschiedene Empfindlichkeiten (Steilheiten der Sensorsi
gnal-Kennlinien) einstellen.
Wenn quer zur Zeichenebene ebenfalls Sensor-Paare vorgesehen sind und etwa eine
kardanische Lagerung auch eine Beanspruchung der Stangen in dieser Schwenkrichtung
möglich macht, dann sind dadurch zwei weitere Freiheitsgrade geschaffen. Für die dritte
Dimension ist aber vorzugsweise auf dem oberen Ende 15 der Betätigungsstange 14 ein
zusätzlicher, ebenfalls austarierter zweiarmiger Schwenkhebel 27 mit Sensoren 22 in einem
Umgehäuse 28 angeordnet, der - während der Quer- und Kipp-Beanspruchungen der
Betätigungsstange 14 - mittels des Daumens der die Betätigungsstange 14 umgreifenden Hand
bedient, nämlich ebenfalls spielfrei und weglos an seinem frei zugänglichen Hebelarm auf- oder
ab- (und vielleicht sogar auch quer dazu) beansprucht werden kann.
In Fig. 5 ist der Einbau der Handhabe in ein tragbares Bedien.- u. Anzeigegerät 34, welches
aus der Anzeige 31, der Tastatur 32 und einem festen Haltegriff 33 und dem vier-Achsen
Bedienhebel 29 für die Hand und das 2 Achsen Daumen Stellelement 30 besteht und die
lagerichtige 6-D Eingabe ermöglicht.
So ist ein kompakt erstellbares und ermüdungsfrei präzise handhabbares, dreidimensional
wirkendes Eingabegerät für Steuerungsaufgaben jeglicher Art etwa in der Maschinenführung
oder für Computereingaben geschaffen.
Claims (10)
1. Mehrdimensional wirkende Handhabe (11), dadurch gekennzeichnet,
daß eine Zentralstange (16) jeweils verschwenkbar nahe ihrem einen Ende mit einem
gerätefesten Sockel (12) und nahe ihrem gegenüberliegenden Ende (15) an einer
Betätigungsstange (14) befestigt ist, wobei das eine Ende (20) der Betätigungsstange (14)
verschwenkbar mit einer Koppelstange (19) verbunden ist, die ihrerseits gegenüberliegend an
den Sockel (12) angelenkt ist, und mit Sensoren (22), die von der Zentralstange (16) bzw. von
der Koppelstange (19) beaufschlagt sind.
2. Handhabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß spielfrei und weglos ansprechende Sensoren (22) vorgesehen sind.
3. Handhabe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zentralstange (16) mit geringem Spiel durch eine rohrförmige Koppelstange (19)
verläuft, die sowohl in den hohlzylindrischen Sockel 12 eintaucht wie auch ins Innere einer
rohrförmigen Betätigungsstange (14) eingreift.
4. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Koppelstange (19) als zweiarmiger und die Zentralstange (16) als einarmiger Hebel
bezüglich des Kraftflusses von der Betätigungsstange (14) zu den Sensoren (22) ausgelegt ist.
5. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Wälzkörper-Gelenke (21) für wenigstens eine definierte Beanspruchungs-Richtung
ausgelegt sind.
6. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zentralstange (16) und die Koppelstange (19) durch Gegengewichte (25) auf
indifferentes Gleichgewicht austariert sind.
7. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß am unteren Ende (20) der Betätigungsstange (14) ein Stütz-Kragen für eine die
Betätigungsstange (14) umgreifende Hand vorgesehen ist.
8. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Druck-Sensoren (22) jeweils über eine Druckplatte (23) und einen mittig dagegen
anliegenden Ballen (24) beaufschlagbar sind.
9. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren zwischen einerseits ihren Stangen (16, 19) und andererseits dem Sockel (12)
oder der Betätigungsstange (14) angeordnet sind.
10. Handhabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Betätigungsstange (14) ein quer dazu orientierter weiterer Sensor-Schwenkhebel
(27) angeordnet ist.
Priority Applications (4)
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DE19630075A DE19630075A1 (de) | 1996-07-26 | 1996-07-26 | Mehrdimensional wirkende Handhabe |
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Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19630075A Withdrawn DE19630075A1 (de) | 1996-07-26 | 1996-07-26 | Mehrdimensional wirkende Handhabe |
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