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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    ...,bei der zwei räumlichauseinander liegende Kraftübertragungsvorrichtungen,z. B. Kugelkopflager, Gelenke, Gestänge, Steckverbindungen etc., einSteuerknüppelund Sensoren so angeordnet und verbunden sind, dass der Steuerknüppel indrei linear unabhängigenAchsen verschoben sowie um diese Achsen gedreht werden kann undseine Verschiebung bzw. die Drehung gemessen wird.
    公开号:DE102004006786A1
    申请号:DE102004006786
    申请日:2004-02-12
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Leonhardt Johannes Meyer
    申请人:Leonhardt Johannes Meyer；
    IPC主号:G06F3-033
    专利说明:
    [0001] Mitder zunehmenden Verbreitung dreidimensionaler Benutzeroberflächen undvirtueller Realitätenim Bereich der Informatik und Robotik, z.B. für Spiele, Betriebssysteme,CAD-Anwendungen oder Steuerungsanwendungen, entsteht Bedarf für komfortableEingabegeräte,die dem Benutzer möglichst genaueund vollständigeKontrolle überBewegungen im dreidimensionalen Raum ermöglichen sollen. Die sechs möglichen,voneinander unabhängigenFreiheitsgrade im Raum sind: Verschiebung (Translation) entlangder x-, y- und z-Achse sowie die Drehung (Rotation) um die x-, y-und z-Achse.
    [0002] Inderzeit erhältlichenGerätenwerden zur Realisierung dieser Anforderungen Konstruktionen eingesetzt,die meist auf dem Konzept des bekannten Joystick basieren. Diesererlaubt aufgrund seiner mechanischen Konstruktion in seiner Grundformdie Messbarkeit von Bewegungen in zwei Freiheitsgraden, die sichdurch HinzufügenzusätzlicherMerkmale erweitern lassen. Dazu gehören z.B. die drehbare Lagerungder Joystickachse oder zusätzlicheSensoren an Gehäuseoder Steuerknüppeldes Joystick, z.B. das Anbringen von Schiebepotentiometern oder einesTrackballs. Ebenfalls in Anwendung kommen die ausschließliche Konstruktionoder die Erweiterung des Funktionsumfangs mittels Drucksensoren, dieMöglichkeitzum Festlegen spezifischer Zuordnungen der Sensordaten zu Bewegungenin den Freiheitsgraden sowie weitere Verfahren. Des weiteren gibtes noch aufwendigere Konstruktionen wie z.B. den sogenannten Datenhandschuhoder berührungsloseVerfahren wie z.B. Lageerkennung im Raum mittels optischer, magnetischeroder elektromagnetischer Sensoren etc.
    [0003] DenerwähntenVerfahren sind einige oder alle folgender Nachteile gemeinsam: 1. Sie verfügennicht überalle sechs möglichen Freiheitsgrade. 2. Aufgrund konstruktiver Einschränkungen sind nicht alle Kombinationender sechs Freiheitsgrade gleichzeitig möglich. 3. Sie sind nicht intuitiv bedienbar in dem Sinne, dass Bewegungenam Gerätbezogen auf ihre Richtungen nicht in identische virtuelle Bewegungenumgesetzt werden. Dies hat zur Folge, dass oft ein zeitaufwenigesErlernen der Bedienung notwendig ist. 4. Sie erfordern zur Bedienung den Einsatz mehr als einer Handoder anderer Körperteile. 5. Sie sind entweder fürRechts- oder Linkshänder geeignet,nicht aber mit beiden Händengleich gut verwendbar. 6. Die Bewegung in einem Freiheitsgrad führt zu ungewollten Beeinflussungenanderer Freiheitsgrade, die dann korrigiert werden müssen, was ebenfallszeitaufwendiges Lernen erforderlich macht. Zum Ausgleich diesesNachteils ist manchmal das Abschalten bestimmter Freiheitsgradeerforderlich, was den Funktionsumfang und die Benutzbarkeit beeinträchtigt. 7. Sie erfordern aufwendige Messverfahren und/oder teure Sensorenund sind daher nicht preisgünstigherzustellen. 8. Sie erfordern eine permanente Verbindung zwischen Hand undSensorik (z.B. Datenhandschuh) und erschweren somit die intermittierendeBedienung einer Tastatur.
    [0004] Dieim Patentanspruch 1 angegebene Erfindung hat zum Ziel, die genanntenNachteile zu vermeiden. Das Problem wird durch die in Patentanspruch1 angegebenen Merkmale gelöst.
    [0005] Diedadurch erzielbaren Vorteile ergeben sich aus direkter Negationder angeführtenNachteile.
    [0006] Imfolgenden wird ein Anwendungsbeispiel erklärt. 1 und 2 stellenKonstruktionsdetails dar.
    [0007] Eineschematische Darstellung des vollständigen Gerätes ist in 3 gezeigt.
    [0008] 1 zeigtden Grundriss eines Teils der Konstruktion. Auf einer rechteckigenGrundplatte (1) werden vier Klötze (2) montiert,die jeweils eine Bohrung zur Aufnahme einer Stange enthalten. Indiesen Aufnahmelöchernwerden zwei Stangen (3) so befestigt, dass sie sowohl parallelzur Grundplattenebene, zu zwei gegenüberliegenden Kanten der Grundplatte alsauch parallel zueinander verlaufen. Auf diesen Stangen wird jeweilsein in Längsrichtungbeweglicher Schieber (4) angebracht (per Def.: y-Achse).Die beiden Schieber sind übereine weitere, zu beiden Stangen der y-Achse senkrechte und mit diesenin einer Ebene liegende Stange (5) starr verbunden. Auf dieserStange wird ebenfalls ein in Längsrichtungbeweglicher Schieber (6) angebracht (per Def.: x-Achse).Die Weglängenmessungin y-Richtung wird mittels eines auf der Grundplatte fest montiertenSchiebepotentiometers (7) durchgeführt, dessen Schleifer (8)mit einem der Schieber (4) der zur y-Achse gehörenden Stangenfest verbunden ist. Die Weglängenmessungin x-Richtung wird mittels eines zwischen den y-Achsen-Schiebern(4) starr montierten Schiebepotentiometers (9)durchgeführt,dessen Schleifer (10) mit dem auf der x-Achse laufendenSchieber (6) verbunden ist. (11) bezeichnet einebefestigende Verbindung des x-Potentiometers mit den y-Schiebern.Bei einer Bewegung entlang der y-Achse wird also dieses Potentiometermitbewegt, wobei sich die Position seines Schleifers nicht verändert. Aufden beiden Stangen (3) sowie der Stange (5) können zur Rückstellungin den virtuellen Nullpunkt Druckfedern nach Patentanspruch 5 angebrachtsein (im Bild durch Schraffur gekennzeichnet).
    [0009] AmSchieber (6) auf der x-Achse befindet sich der Kopf einesKugelkopfgelenkes (12), an dem ein Ende des Steuerknüppels (2)befestigt wird.
    [0010] DieseGrundplatte wird zweimal in identischer Form verwendet und übereinandermit den Komponenten gegeneinanderliegend angeordnet (3).
    [0011] 2 zeigtdie Konstruktion des Steuerknüppels.In einen zylindrischen Kolben (1) werden zwei kleinereund kürzerezylindrische Kolben (2, 3) so eingeführt, dasssie gegenüberdem äußeren Kolbenverschiebbar als auch drehbar sind. Am inneren Kolben (2)wird ein Stift (4) befestigt. Dieser läuft innerhalb einer ausgefrästen Längsführung (5)im äußeren Kolbenund überträgt Rotationsbewegungen des äußeren Kolbens(1) auf den inneren Kolben (2). Innerhalb diesesKolbens (2) ist ein Drehpotentiometer (6) mitdemselben starr verbunden. Durch dieses wird die Rotationsbewegungum die z-Achse erfaßt. DieAchse des Drehpotentiometers (7) ist nach außen geführt. Andieser wird eine Aufnahme (im Bild nicht dargestellt) für den Kopfdes einen Kugelkopfgelenks (1, 12)befestigt. Zu beachten ist hier, dass die Achse des Potentiometersrelativ zur Rotationsbewegung des Kolbens (2) durch diebegrenzte Beweglichkeit des Kugelkopfgelenks in diesem Freiheitsgradfest bleibt und nur das Potentiometer gedreht wird.
    [0012] ImInneren des anderen Kolbens (3) wird ein Schiebepotentiometer(8) so befestigt, dass sein Schleifer (9) innerhalbeiner ausgefrästenLängsführung (14)im inneren Kolben (3), die seinen Schiebeweg vollständig freilegt,sowie in einer Querführung (10)im äußeren Kolbenläuft.Diese Querführung überträgt nur dieLängsbewegungen(entlang der z-Achse) des äußeren Kolbensauf den Potentiometerschleifer, so dass Drehbewegungen bis zu einem gewissenWinkel, z.B. 180°,weiterhin möglichbleiben, bevor der Schleifer an den seitlichen Begrenzungen derQuerführunganstößt. DasSchiebepotentiometer (8) erfaßt die Längsbewegungen entlang der z-Achse.
    [0013] Amherausstehenden, gedeckelten Ende des Kolbens (3) wirdeine Welle (11) befestigt, an der die Aufnahme (im Bildnicht dargestellt) fürden Kopf des zweiten Kugelgelenks (1, 12)festgemacht wird.
    [0014] ZurVerhinderung unabsichtlicher Längsbewegungenin der z-Achse durch Schrägstellendes Steuerknüppelsund daraus resultierender Auslenkung des inneren Kolbens (3)könnenArretierungsvorrichtungen nach Anspruch 3 angebracht werden. DasKonstruktionsbeispiel in 2 zeigt schematisch einen ineiner Bohrung des äußeren Kolbens(1) eingebrachten Druckknopf (12), der bei Betätigung miteinem Finger auf die Oberflächedes inneren Kolbens (3) drückt und durch Reibung die Auslenkung diesesKolbens effektiv verhindert. Die Auslenkung findet dann nur nocham anderen Kolben (2) statt. Zur Erhöhung der Reibung können z.B.die Oberfläche desKolbens (3) als auch die Kontaktfläche des Druckknopfes mit Rillenversehen werden.
    [0015] NachAnspruch 4 könnenam Steuerknüppel Schalter,Taster (13) oder sonstige Kontaktmechanismen angebrachtsein; die Position am Steuerknüppel spieltdabei keine Rolle.
    [0016] Eineschematische perspektivische Ansicht des Geräts zeigt 3.Einige in 1 und 2 gezeigteDetails wurden in dieser Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.Hier wird deutlich, wie der Steuerknüppel zwischen den beiden Grundplatten(2, 3) angeordnet ist. Die Aufnahmen (1)für dieKöpfe derKugelkopfgelenke (2, 12) bilden die einzigenBefestigungen fürden Steuerknüppel,sowohl oben als auch unten. Die beiden Grundplatten werden gegeneinandermit Hilfe von einer oder mehreren seitlichen Befestigungsplattenin Position gehalten, von denen auf der Schemazeichnung eine dargestelltist (8).
    [0017] ZurVerdeutlichung der Merkmale nach Anspruch 2 (Kraftrückwirkung,Force Feedback) ist noch ein Verfahren dargestellt, wie über einenElektromotor (4) und ein über eine Welle (5)laufendes Band (6) ein Schieber der y-Achse mittels einesan ihm und am Band befestigten Stifts (7) bewegt werdenkann.
    [0018] Dieinsgesamt sechs im Geräteingebauten Potentiometer werden als Spannungsteiler geschaltetund liefern zu ihren Schleiferstellungen proportionale Spannungswerte,die auf geeignete Weise an eine Auswertelogik, z.B. Software, übermitteltwerden. Diese kann daraus die Lage des Steuerknüppels im Raum ermitteln.
    [0019] Durchdie bewegliche Ausführungder Kolben im Steuerknüppelist es möglich,diesen nicht nur senkrecht auf den x- und y-Achsen zu verschieben, sondernauch in beiden Achsen zu neigen, wobei dies notwendigerweise miteiner Verlängerungdes Weges zwischen den Aufhängepunkteneinhergeht. Dabei werden die inneren Kolben in Richtung der Aufhängepunkteausgelenkt, sofern sie nicht arretiert sind. Wird der Steuerknüppel entlangder x- oder y-Achse schräggestellt, kann aus der Differenz der gemessenen Wege in den beidenGrundplattenebenen der Winkel der Rotationsauslenkung um die jeweilsandere Achse durch eine Auswertelogik (z.B. Software) berechnetwerden. Wird der Steuerknüppelsenkrecht bezüglicheiner Achse bewegt (unabhängigdavon, ob er bereits in der anderen Achse geneigt ist oder nicht),sind die zu dieser Achse gehörendenAuslenkungen in beiden Ebenen gleich. Die Auswertelogik erkenntdies dann als Translation entlang dieser Achse. Die mechanischeKonstruktion ist so beschaffen, dass das Schrägstellen des Steuerknüppels ineiner Achse bis zu einem gewissen Grad immer noch das Verschiebenentlang dieser Achse, sowie das Schrägstellen und das Verschiebenentlang der anderen Achse erlaubt. Dadurch werden unabhängige Kombinationender verschiedenen Bewegungen ermöglicht.
    [0020] Durchdie voneinander unabhängigeLagerung in der x- und y-Achse oben und unten ergeben sich damitdie vier voneinander unabhängigsteuerbaren Bewegungen in den Freiheitsgraden x- und y-Translationsowie x- und y-Rotation.
    [0021] Dieanderen zwei Freiheitsgrade, d.h. die Translation entlang der z-Achseund die Rotation um dieselbe, werden dadurch erreicht, dass derbewegliche Steuerknüppelzusätzlichsowohl entlang dieser Achse verschiebbar als auch um diese Achsedrehbar ist.
    [0022] Anwendungendieser Erfindung ergeben sich z.B. in folgenden Bereichen: • Robotersteuerung • Luft-und Raumfahrttechnik • Unterhaltung(z.B. Computerspiele) • Steuerungvon Flugmodellen, insbesondere Hubschraubern • Medizintechnik,z.B. Krankenfahrstühle • VirtuelleRealitäten,CAD
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Verfahren zum Messen der räumlichen Lage eines Steuerknüppels (Joystick)in sechs Freiheitsgraden, dadurch gekennzeichnet, dass einSteuerknüppelin mindestens zwei verschiedenen, räumlich auseinanderliegenden,nicht notwendigerweise parallelen Ebenen in jeweils zwei Achsen,deren Richtungsvektoren linear unabhängig sind, derart beweglichgelagert wird, dass Weglängenmessungenentlang jeder dieser insgesamt vier Achsen durchgeführt werdenkönnen,sowie die Konstruktion des Steuerknüppels derart, dass die Verschiebungentlang einer dritten Achse, deren Richtungsvektor von jedem der Richtungsvektorender bereits genannten Achsen linear unabhängig ist, mittels Weglängenmessung durchgeführt werdenkann, sowie die Konstruktion des Steuerknüppels derart, dass die Drehungum diese dritte Achse gemessen werden kann.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass Signale von einem beliebigen geeigneten anderen Steuergerät, z.B.Computer, durch beliebige geeignete Aktoren in Kräfte umgesetztwerden, die auf den Steuerknüppelbewegend einwirken (Kraftrückwirkung,Force Feedback).
    [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass zum Verhindern unabsichtlicher Verschiebungen entlang eineroder mehrerer Achsen oder Drehungen um eine oder mehrere Achsengeeignete Arretierungsvorrichtungen angebracht sind.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass am SteuerknüppelSchalter, Taster oder andere Kontaktmechanismen angebracht sind.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass bei Loslassen des Steuerknüppels durchgeeignete Mechanismen Kräftewirken, die den Steuerknüppelin eine definierte Position (z.B. in den virtuellen Nullpunkt) bewegen,z.B. Rückstellfedern.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004006786B4|2012-02-23|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2005-10-27| 8122| Nonbinding interest in granting licences declared|
    2005-12-29| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: MEYER, LEONHARDT JOHANNES, 78337 OHNINGEN, DE |
    2011-09-07| R016| Response to examination communication|
    2011-09-10| R016| Response to examination communication|
    2011-09-12| R016| Response to examination communication|
    2011-10-12| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2012-07-23| R082| Change of representative|Representative=s name: , |
    2012-08-30| R020| Patent grant now final|Effective date: 20120524 |
    2013-01-17| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20120901 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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