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DE4305282A1 - Handsteuergerät mit einem Steuerknüppel - Google Patents

Handsteuergerät mit einem Steuerknüppel

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Publication number
DE4305282A1
DE4305282A1 DE19934305282 DE4305282A DE4305282A1 DE 4305282 A1 DE4305282 A1 DE 4305282A1 DE 19934305282 DE19934305282 DE 19934305282 DE 4305282 A DE4305282 A DE 4305282A DE 4305282 A1 DE4305282 A1 DE 4305282A1
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DE
Germany
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control device
housing
hand control
control stick
hand
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Withdrawn
Application number
DE19934305282
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Inventor
Dieter Prof Dr Ing Wuestenberg
Raymond Mohrbach
Wolfgang Bredow
Thomas Burchard
Rolf Fazler
Thomas Haug
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NBB NACHRICHTENTECH GmbH
Original Assignee
NBB NACHRICHTENTECH GmbH
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Priority to AU61538/94A priority patent/AU680476B2/en
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Description

Die Erfindung betrifft ein Handsteuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Handsteuergeräte sind ein aus vielen Anwendungsgebieten bekanntes Steuerglied; am bekanntesten dürften sie durch die Bedienung von Computern sein (hier als "Joystick" bezeichnet), sie werden aber auch zum Steuern und Lenken, insbesondere Fernsteuern von realen Körpern eingesetzt, wie z. B. Kränen, Hebezeugen usw.
Das Handsteuergerät weist einen Steuerknüppel als einziges Betäti­ gungsorgan auf, das in zwei unabhängige Richtungen beweglich ist und dessen Bewegung in jeder einzelnen Hauptrichtung (x oder y) auf ein Übertragungsglied wirkt. Zwei Übertragungsglieder sind folglich Bestandteile von Wandlereinrichtungen, die die Auslenkung des Steuerknüppels in ein elektrisches Signal umsetzen; hierbei kann das Handsteuergerät sowohl als Ein/Aus-Schalter als auch als proportio­ nales Stellglied verwendet werden, bei dem die elektrischen Ausgangs­ signale in beiden Hauptrichtungen proportional zur jeweiligen Aus­ lenkung des Steuerknüppels in der zugehörigen Hauptrichtung ist.
Um eine solche Verschwenkung des Steuerknüppels zu erreichen, muß dieser in einem Gehäuse verschwenkbar gelagert und gehalten sein; es muß einerseits eine ausreichende Auslenkung (Auslenkewinkel) gewähr­ leistet sein, andererseits aber eine möglichst präzise Definition einer Nullstellung, d. h. eines Raumpunktes, in dem die Wandlerein­ richtungen kein elektrisches Signal abgeben.
Derartige Lagerungen sind in vielen konstruktiven Varianten bekannt, in der Regel wird entweder ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk oder Schwenkbügel eingesetzt, oder Kombinationen dieser Bauteile, von denen dann jeweils eines einer Hauptrichtung (x oder y) hinsichtlich der Verschwenkung zugeordnet ist.
Derartige Schwenklager sind zwar mit großer Präzision ausführbar, erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand hinsichtlich Fertigungs­ präzision und Montage, so daß Schwenklagerungen einen beträchtlichen Kostenfaktor bei Handsteuergeräten ausmachen.
Darüber hinaus sind derartige Schwenklager auch relativ platzauf­ wendig und vergrößern dadurch den Raumbedarf und das Gewicht des gesamten Handsteuergerätes, wiederum auch mit der Folge zusätzlicher Materialkosten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Schwenklager eines Hand­ steuergerätes konstruktiv einfach und platzsparend auszubilden, so daß bei Herstellung und Montage wesentliche Kosteneinsparungen erzielbar sind.
Darüber hinaus sollte auch eine weitgehende Wartungsfreiheit und Bedienungssicherheit des Lagers gewährleistet sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Es hat sich herausgestellt, daß ein Elastomergelenk, d. h. ein Gelenkelement aus elastischem Stoff, beispielsweise Gummi oder gummiähnlichen Kunststoffen, bei geeigneter Dimensionierung einer­ seits eine präzise Lagerung im oben erläuterten Sinne ergibt, andererseits durch ihre Einstückigkeit mehrere mechanische Bauelemente gegenüber den bisherigen Lösungen einspart und darüber hinaus die bei den meisten Handsteuergeräten gewünschte Rückstellwirkung zumindest teilweise erzeugt, so daß auf separate Rückstell­ elemente zur Rückführung des Steuerknüppels in seine vertikale Null­ position entweder vollständig verzichtet werden kann, oder diese entsprechend kleiner dimensioniert werden können.
Darüber hinaus weist Gummi oder ein entsprechender Kunststoff auch eine Dichtfunktion insbesondere gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen von außen auf, gegenüber denen das Innere des Gehäuses geschützt werden muß, da sich dort in der Regel die elektro-mechanischen Wandlerein­ richtungen befinden, deren Funktionssicherheit durch Eindringen von Feuchtigkeit naturgemäß beeinträchtigt würde.
Bei den vorbekannten Lösungen sind bei solchen Handsteuergeräten, die insbesondere auch im Freien zum Einsatz kommen können, in der Regel besondere Abdeckungen wie z. B. Dichtmanschetten vorgesehen, die wiederum eine Erhöhung des Bauvolumens und der Kosten mit sich bringen.
Das erfindungsgemäße Elastomergelenk als einfach zu fertigendes, einstückiges Bauteil ersetzt somit eine ganze Reihe von bisher erforderlichen Bauteilen für Lagerung, Rückstellung und Abdichtung oder vereinfacht zumindest deren konstruktive Ausgestaltung.
Besonders vorteilhaft kommen diese Eigenschaften zum Tragen, wenn das Elastomergelenk im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist, entsprechend den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6.
Grundsätzlich ist hierzu anzumerken, daß natürlich durch eine spezielle Formgebung des Elastomergelenkes auch dessen Dicht- und insbesondere Federungseigenschaften vorgegeben werden können, beispielsweise kann eine bestimmte Rückstellcharakteristik des Steuerknüppels zumindest näherungsweise durch geeignete Formung des Elastomergelenks erreicht werden. Hierbei sind mannigfache Variationen denkbar, beispielsweise unterschiedliche Rückstell­ charakteristiken in den beiden orthogonalen Hauptrichtungen durch asymmetrische Ausbildung der Gelenkscheibe. Es ist beispielsweise auch ohne weiteres einsichtig, daß ein "straffes" Ansprechen oder eine eher "weiche" Rückstellcharakteristik beispielsweise durch eine geeignete Querschnittsvariation von der Längsachse des Steuerknüppels hin zum Gehäuse erfolgen kann, in dem die Elastomerscheibe umfangs­ seitig gelagert ist.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, die Rückstellwirkung des Elastomergelenkes durch ein zusätzliches Rückstellelement zu unterstützen bzw. die angestrebte "Rückstellkennlinie" durch Hinzufügen eines solchen zusätzlichen Rückstellelementes im Zusammenwirken mit dem Elastomergelenk zu erreichen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines solchen zusätzlichen Rück­ stellelementes ist in den Unteransprüchen angegeben.
Diese bevorzugte Lösung hat den Vorteil, daß sie oberhalb des Elastomergelenkes sich befindet und somit im Gehäuse-Innern keinen Platz beansprucht.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Ausbildung von Rasteinrich­ tungen und von Wandlereinrichtungen zur Umsetzung der Auslenkung des Steuerknüppels in elektrische Signale, die hier ohne weiteres derart klein bauen, daß sie auch bei einem verkleinerten Gehäuse, wie es die Erfindung ermöglicht, ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Handsteuergerätes wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die lediglich die wesent­ lichen Bauteile des Handsteuergerätes enthält, insbesondere sind bekannte Einrichtungsteile wie Handgriff, Rasterelemente oder die Wandlerelemente zur Verdeutlichung der Funktion nicht dargestellt. Grundsätzlich kann hier eine Vielzahl von an sich bekannten Ein­ richtungen auch beim erfindungsgemäßen Handsteuergerät verwendet werden, so daß auch hier auf eine detaillierte Beschreibung dieser Bestandteile verzichtet werden kann.
Die grundsätzlichen Bestandteile des Handsteuergerätes sind ein Gehäuse 10, der in dieses Gehäuse 10 ragende Steuerknüppel 20, ein Elastomergelenk 30, das als Lagerelement des Steuerknüppels 20 im Gehäuse 10 dient, und ein separates Rückstellelement 40, das in kontrollierter Weise die Rückstellwirkung des Elastomergelenks 30 unterstützt.
In der Querschnittsdarstellung ist die Null-Lage des Steuerknüppels in seiner vertikalen Position beim Auslenkwinkel α = 0 in durch­ gezogenen Linien dargestellt, die um den Winkel α < 0 verschwenkte Lage in einer Auslenkungsposition des Steuerknüppels 20 mit ge­ strichelten Linien angedeutet.
Das in bekannter Weise topfähnlich ausgebildete Gehäuse 10 weist an seiner Oberseite 12 eine runde Öffnung auf, an die sich nach unten, zum Inneren des Gehäuses hin ein zylindrischer Fortsatz 13 anschließt. In der Innenwandung dieses zylindrischen Fortsatzes 13 befindet sich eine Ringnut oder Ausnehmung, in der eine um die Längs­ achse L des Steuerknüppels 20 rotationssymmetrisch ausgebildete Elastomerscheibe 31 gehalten ist, die im übrigen auch symmetrisch zu ihrer Mittelebene E-E ausgeführt ist. Diese Elastomerscheibe ist in ihrem Mittelbereich, in dem sie den Steuerknüppel 20 umschließt, manschettenartig an diesem nach oben und nach unten fortgesetzt, so daß eine sichere Umschließung und Fixierung des Steuerknüppels 20 in der einmal eingestellten Position gewährleistet ist. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die angestrebte Rückstellwirkung vergrößert wird, da zumindest ein Teil der Rückstellkräfte bzw. Drehmomente vom Drehpunkt X weiter entfernt angreifen.
Unmittelbar nach außen anschließend an diesen manschettenartigen Mittelbereich 34 befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Elastomerscheibe zwei Ringnuten 32, 33 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt. Diese Zuordnung von Manschette einerseits und Ringnuten andererseits erhöht den praktisch wirksamen Verformungsbereich des Elastomergelenkes und entlastet die Manschette von zu starken Verformungen, die durch die Ringnut bewirkte Verringerung des Materialquerschnittes erleichtert auch die Verschwenkung des Steuerknüppels, da sie sowohl definierte Dehnungsbereiche, als auch definierte Stauchbereiche auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Elastomerscheibe auszubilden gestatten. Die Wahl von Materialstärke und Querschnitt der Elastomerscheibe ist somit in großen Grenzen abstimmbar auf die gewünschte Rückstellcharakteristik bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer möglichst exakten Fixierung des Schwenkpunktes X. Hierbei muß natürlich eine Opti­ mierung dieser beiden Funktionsparameter angestrebt werden, da diese gegensinnige Anforderungen an die Konzeption der Elastomerscheibe stellen können.
Je nach Anwendungsbereich, kann mit der Elastomerscheibe somit sowohl eine ausreichend präzise Lagerung, als auch eine definierte Ver­ schwenkbarkeit mit reproduzierbaren Rückstellkräften, als auch eine Abdichtung des Gehäuse-Inneren mit einem einzigen Bauelement erreicht werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß eine besonders starke Rückstellung erzielt werden soll, wozu das separate Rückstellelement 40 vorgesehen ist, das die Rückstellwirkung des Elastomergelenks unterstützt.
Dieses Rückstellelement beinhaltet im wesentlichen eine Ringschulter 21, die fest am oberen Teil des Steuerknuppels 20 angebracht ist (beispielsweise durch die Unterseite eines entsprechenden Ringes), ein verschiebbares Stellglied 22, das auf der Oberseite 12 des Gehäuses 10 aufsitzt und eine zwischen Ringschulter 21 und Stellglied 22 gehaltene Spiralfelder 41, die sich an diesen beiden Bauelementen abstützt. Das Stellglied 22 ist so konzipiert, daß es in der Null- Lage des Steuerknüppels 20 mit konisch verlaufenden Außenflanken am entsprechenden Innenrand der Öffnung 11 des Gehäuses 10 aufsitzt, wodurch ein gewisser Rast- und Zentriereffekt des Steuerknüppels 20 in seiner Null-Lage erreicht wird, der in dieser Schärfe vom Elastomergelenk alleine nicht darstellbar ist. In dieser Null-Lage befinden sich Ringschulter 21 und Oberseite des Stellgliedes 11 in einem Abstand A0, entsprechend der Längenausdehnung der Feder 41.
Bei einer Verschwenkung des Steuerknüppels um den Schwenkwinkel α wird das Stellglied 22 aus seinem Sitz auf der Oberseite 12 des Gehäuses 10 herausgedrängt und mit zunehmendem Auslenkwinkel α verkürzt sich folglich der Abstand zwischen Ringschulter 21 und Stellglied 22 auf einen Wert A<A0, mit der Folge, daß mit zunehmender Auslenkung die Feder 41 immer weiter zusammengepreßt wird und somit eine Rückstellkraft erzeugt wird, die proportional zum Auslenkwinkel α ist. Hierbei ist zunächst davon ausgegangen, daß die Ebene F-F der Oberseite 12 des Gehäuses 10 parallel zur Mittel­ ebene E-E des Elastomergelenks verläuft; es ist jedoch ohne weiteres auch vorstellbar, daß durch eine Profilierung oder Formung der Oberfläche 12 durch entsprechendes "Ansprechen" des Stellgliedes 22 eine spezifisch gewünschte Rückstellcharakteristik erreichbar ist.
Innerhalb des Gehäuses und unterhalb des Elastomergelenks 30 ist genügend Raum zur Verfügung, um dort Rasteinrichtungen zur Unter­ teilung der Schwenkbewegung des Steuerknüppels in Rastschritte unterzubringen, als auch an sich bekannte Wandlerelemente, wie beispielsweise Bügel, die ein Langloch aufweisen, das vom Steuer­ knüppel durchsetzt wird und in die beiden Hauptrichtungen x und y verschiebbar sind, wobei sie an der Innenwandung des Gehäuses so gelagert sind, daß sie dort beispielsweise entsprechend ihrer Position proportional elektrische Signale erzeugen. Hier sind mehrere Varianten solcher Einrichtungen denkbar, die auch in einem kleinen und kompakten Gehäuse 10 ausreichend Platz finden und das Gesamt­ gewicht des Handsteuergerätes nicht unnötig erhöhen.

Claims (11)

1. Handsteuergerät mit einem Steuerknüppel, mit einem Gehäuse, in dem der Steuerknüppel um zwei orthogonale Achsen um einen Fixpunkt verschwenkbar in einem Lager gehalten ist, und mit Wandlerein­ richtungen, die die Auslenkung des Steuerknüppels aus seiner Nullposition in ein elektrisches Signal umsetzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager als Elastomergelenk (30) ausgebildet ist, dessen elastische Rückstellkraft aus allen Auslenkungspositionen zur Nullposition des Steuerknüppels (20) hin gerichtet ist.
2. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomergelenk (30) im wesentlichen als Scheibe (31) ausgebildet ist, auf der der Steuerknüppel (20) mittig senkrecht aufsitzt oder diese durchsetzt und die randseitig im Gehäuse (10) gehalten ist.
3. Handsteuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (31) in ihrem Mittelbereich den Steuerknüppel (20) manschettenartig umschließt und fixiert.
4. Handsteuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (31) auf ihrer Ober- und/oder Unterseite eine Ringnut (32, 33) aufweist.
5. Handsteuergerät nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (32, 33) halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und unmittelbar an den manschettenartigen Mittelbereich (34) anschließt.
6. Handsteuergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (31) hinsichtlich ihrer Mittelebene (E-E) symmetrisch ausgebildet ist.
7. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Rückstellelement (40) die Rückstellwirkung des Elastomergelenks (30) unterstützt.
8. Handsteuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement (40) eine den Schaft des Steuerknüppels (20) konzentrisch umschließende Spiralfeder (41) ist, deren eines Ende sich an einer Ringschulter (21) des Steuerknüppels (20) und deren anderes Ende sich an einem Stellglied (22) abstützt, das am Schaft des Steuerknüppels (20) verschiebbar derart im Gehäuse (10) gelagert ist, daß sein Abstand (A) von der Ringschulter (21) um­ gekehrt proportional zum Auslenkwinkel (α) des Steuerknüppels (20) aus dessen Nullposition ist.
9. Handsteuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (22) eine kegelstumpfartige Ringschulter (22A) beinhaltet, die in der Nullposition des Steuerknüppels (20) in einer randseitig korrespondierend ausgebildeten Öffnung (11) des Gehäuses (10) oberhalb des Elastomergelenks (30) sitzt, und das bei Auslenkung des Steuerknüppels (20) über die Oberseite (12) des Gehäuses (10) unter Zusammendrückung der Spiralfeder (41) gleitend geführt ist.
10. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Steuerknüppels (20) mit Rasteinrichtungen zusammenwirkt, die eine stufige Einteilung des Anlenkbereichs bewirken.
11. Handsteuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtungen zwei im Gehäuse (10) orthogonal zueinander verschiebbare Bügel beinhalten, die ein Langloch aufweisen, das vom Steuerknüppel durchgriffen wird.
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