一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)電自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄。
【背景技術(shù)】
[0002]運(yùn)動控制手柄又稱控制桿，是一種常見的人機(jī)接口工具。廣泛應(yīng)用于游戲操縱桿，工業(yè)機(jī)器人、汽車、火車等機(jī)器上的操作手柄中。按照工作原理，運(yùn)動控制手柄可分為電位器、電感式、光電效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式等。傳統(tǒng)的手柄一般都是電位器式的，輸出的是模擬量，可以直接控制各種驅(qū)動部件的動作。由于存在機(jī)械接觸，電位器式的手柄主要缺點(diǎn)是壽命短，抗干擾能力差，常用于精度要求不高的場合。隨著傳感原理的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了基于霍爾效應(yīng)或光電效應(yīng)原理的非接觸式控制手柄，這種手柄提供了豐富的接口，產(chǎn)品性能和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展和增強(qiáng)。另外，采用集成加速度或角度傳感器同樣可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制信號的獲取。其原理為采用兩個相互垂直的加速度傳感器或速度傳感器跟隨手柄一起擺動，手柄擺動使得其軸線方向與重力場方向的夾角發(fā)生變換，這種角度變換可通過加速度或角度傳感器檢測出來，在通過一定的運(yùn)算轉(zhuǎn)變成手柄擺動角度成比例的控制量，實(shí)現(xiàn)手柄的控制目的。
[0003]現(xiàn)有二維運(yùn)動控制手柄的手柄桿與底座之間通常為萬向鉸連接，兩個軸分別由霍爾效應(yīng)傳感器或電位器檢測轉(zhuǎn)角大小，通過霍爾效應(yīng)傳感器或電位器輸出電信號來控制二維方向運(yùn)動。這種控制手柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動部件較多，穩(wěn)定性下降。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型要解決的是現(xiàn)有二維運(yùn)動控制手柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動部件較多，穩(wěn)定性下降的技術(shù)問題。
[0005]為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄，包括:手柄桿，四個單維力傳感器，連接塊，四根彈簧，球鉸座，底座；
[0006]四個單維力傳感器均豎直放置，分為X、Y兩個方向，每個方向?yàn)閮蓚€單維力傳感器，四個單維力傳感器一端固定在底座上，另一端分別與四根彈簧的一端連接，彈簧固定在單維力傳感器的內(nèi)側(cè)，且彈簧的軸線與單維力傳感器測量面垂直，四根彈簧的另一端分別與連接塊的四個側(cè)面中正對它的側(cè)面連接，連接塊中心開孔，手柄桿通過連接塊中心開孔，手柄桿下端與球鉸座連接，球鉸座固定在底座上表面的幾何中心。
[0007]更優(yōu)地，所述單維力傳感器為稱重力傳感器。
[0008]更優(yōu)地，所述底座為正四邊形平臺，每個單維力傳感器一端分別固定在底座的四個側(cè)面中的一個側(cè)面上。
[0009]更優(yōu)地，所述四根彈簧為圓柱形。
[0010]更優(yōu)地，所述連接塊中心開孔為圓孔，連接塊可以在手柄上沿手柄桿軸線方向滑動。
[0011]更優(yōu)地，所述手柄桿通過連接塊中心圓孔構(gòu)成圓柱副。
[0012]更優(yōu)地，所述手柄桿的上端為握持端，下端為圓球頭，下端的圓球頭與球鉸座連接構(gòu)成球面副。
[0013]通過以上技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型提出方案通過單維力傳感器檢測得到控制量大小，簡化了控制手柄的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)和原理簡便，性能穩(wěn)定可靠，二維方向控制信號同時(shí)輸出，對設(shè)備兩個方向上位移、速度、加速度等參數(shù)控制，具有力反饋能力等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1 一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
[0016]需要說明的是，如果不沖突，本實(shí)用新型實(shí)施例以及實(shí)施例中的各個特征可以相互結(jié)合，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0017]實(shí)施例一，一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄，如圖1所示，包括:手柄桿1，單維力傳感器2，連接塊3，彈簧4，球鉸座5，底座6。
[0018]四個單維力傳感器2均豎直放置，分為X、Y兩個方向，每個方向?yàn)閮蓚€單維力傳感器2，四個單維力傳感器2 —端固定在底座6上，另一端分別與四根彈簧4的一端連接，彈簧4固定在單維力傳感器2的內(nèi)側(cè)，且彈簧4的軸線與單維力傳感器2測量面垂直，四根彈簧4的另一端分別與連接塊3的四個側(cè)面中正對它的側(cè)面連接，連接塊3中心開孔，手柄桿I通過連接塊3中心開孔，手柄桿I下端與球鉸座5連接，球鉸座5固定在底座6上表面的幾何中心。
[0019]實(shí)施例二，一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄，如圖1所示，在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步為:
[0020]進(jìn)一步地，所述單維力傳感器2為稱重力傳感器。單維力傳感器2為標(biāo)準(zhǔn)稱重傳感器，也可以為其他結(jié)構(gòu)形式的單維力傳感器；
[0021 ] 進(jìn)一步地，所述底座6為正四邊形平臺，每個單維力傳感器2 —端分別固定在底座6的四個側(cè)面中的一個側(cè)面上。四個單維力傳感器2均豎直放置，下端固定在底座6的四個側(cè)面上，上端與圓柱彈簧4的一端相連。
[0022]進(jìn)一步地，所述四根彈簧4為圓柱形。圓柱彈簧4能夠承受拉伸和壓縮，一端連接在單維力傳感器2的上端，且圓柱彈簧4的軸線與單維力傳感器2測量面垂直。圓柱彈簧4的另一端與連接塊3相連。四根圓柱彈簧4分別于正方體連接塊3的四個側(cè)面相連。
[0023]進(jìn)一步地，所述連接塊3中心開孔為圓孔，連接塊3可以在手柄上沿手柄桿I軸線方向滑動。連接塊3中心開孔也可以為其它便于手柄上沿手柄桿I軸線方向滑動的形狀。
[0024]進(jìn)一步地，所述手柄桿I通過連接塊3中心圓孔構(gòu)成圓柱副。
[0025]進(jìn)一步地，手柄桿I的上端為握持端，下端為圓球頭，下端的圓球頭與球鉸座5構(gòu)成球面副連接。
[0026]所述基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄的工作原理為:四個單維力傳感器2分為X、Y兩個方向，每個方向均為兩個力傳感器，當(dāng)操作者推動控制手柄的手柄桿時(shí)，根據(jù)推動方向，四根圓柱彈簧4會被拉伸或壓縮，此時(shí)單維力傳感器2受力。當(dāng)單維力傳感器2受力后，輸出一定的電壓信號，信號大小與受力大小一致。通過解算，由四個單維力傳感器2的檢測結(jié)果可知操作者推動手柄桿時(shí)施加力的大小和方向。單維力傳感器2的檢測結(jié)果作為輸入信號與機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)相連。最終根據(jù)操作者推動手柄桿時(shí)施加力的大小和方向，可控制設(shè)備兩個方向的獨(dú)立運(yùn)動，包括位置、速度、加速度等參數(shù)均可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。一個方向用一個單維力傳感器也能實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，用兩個求平均值會使測量結(jié)果更準(zhǔn)確，增加冗余信息可提高測量精度。
[0027]本實(shí)用新型可用于多維運(yùn)動機(jī)電設(shè)備及虛擬設(shè)備的運(yùn)動控制中，特別是工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速、靈活、精確的位移、速度、加速度控制。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)和原理簡便，性能穩(wěn)定可靠，二維方向控制信號同時(shí)輸出，具有力反饋能力等優(yōu)點(diǎn)。
[0028]當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄，其特征在于，包括:手柄桿、四個單維力傳感器、連接塊、四根彈簧、球鉸座、底座； 四個單維力傳感器均豎直放置，分為X、Y兩個方向，每個方向?yàn)閮蓚€單維力傳感器，四個單維力傳感器一端固定在底座上，另一端分別與四根彈簧的一端連接，彈簧固定在單維力傳感器的內(nèi)側(cè)，且彈簧的軸線與單維力傳感器測量面垂直，四根彈簧的另一端分別與連接塊的四個側(cè)面中正對它的側(cè)面連接，連接塊中心開孔，手柄桿通過連接塊中心開孔，手柄桿下端與球鉸座連接，球鉸座固定在底座上表面的幾何中心。
2.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述單維力傳感器為稱重力傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述底座為正四邊形平臺，每個單維力傳感器一端分別固定在底座的四個側(cè)面中的一個側(cè)面上。
4.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述四根彈簧為圓柱形。
5.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述連接塊中心開孔為圓孔。
6.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述手柄桿通過連接塊中心圓孔構(gòu)成圓柱副。
7.如權(quán)利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述手柄桿的上端為握持端，下端為圓球頭，下端的圓球頭與球鉸座連接構(gòu)成球面副。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于單維力傳感器的二維運(yùn)動控制手柄，涉及機(jī)電自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域；解決了現(xiàn)有二維運(yùn)動控制手柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動部件較多，穩(wěn)定性下降的技術(shù)問題；該技術(shù)方案包括：手柄桿，四個單維力傳感器，連接塊，四根彈簧，球鉸座，底座。
【IPC分類】G05G1-10
【公開號】CN204496332
【申請?zhí)枴緾N201520135188
【發(fā)明人】王志軍, 崔冰艷, 賀靜, 李占賢
【申請人】河北聯(lián)合大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月10日