一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机电自动化设备技术领域，特别涉及一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄。
【背景技术】
[0002]运动控制手柄又称控制杆，是一种常见的人机接口工具。广泛应用于游戏操纵杆，工业机器人、汽车、火车等机器上的操作手柄中。按照工作原理，运动控制手柄可分为电位器、电感式、光电效应式、霍尔效应式等。传统的手柄一般都是电位器式的，输出的是模拟量，可以直接控制各种驱动部件的动作。由于存在机械接触，电位器式的手柄主要缺点是寿命短，抗干扰能力差，常用于精度要求不高的场合。随着传感原理的发展，近年来出现了基于霍尔效应或光电效应原理的非接触式控制手柄，这种手柄提供了丰富的接口，产品性能和应用领域进一步扩展和增强。另外，采用集成加速度或角度传感器同样可以实现运动控制信号的获取。其原理为采用两个相互垂直的加速度传感器或速度传感器跟随手柄一起摆动，手柄摆动使得其轴线方向与重力场方向的夹角发生变换，这种角度变换可通过加速度或角度传感器检测出来，在通过一定的运算转变成手柄摆动角度成比例的控制量，实现手柄的控制目的。
[0003]现有二维运动控制手柄的手柄杆与底座之间通常为万向铰连接，两个轴分别由霍尔效应传感器或电位器检测转角大小，通过霍尔效应传感器或电位器输出电信号来控制二维方向运动。这种控制手柄结构复杂，运动部件较多，稳定性下降。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型要解决的是现有二维运动控制手柄结构复杂，运动部件较多，稳定性下降的技术问题。
[0005]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄，包括:手柄杆，四个单维力传感器，连接块，四根弹簧，球铰座，底座；
[0006]四个单维力传感器均竖直放置，分为X、Y两个方向，每个方向为两个单维力传感器，四个单维力传感器一端固定在底座上，另一端分别与四根弹簧的一端连接，弹簧固定在单维力传感器的内侧，且弹簧的轴线与单维力传感器测量面垂直，四根弹簧的另一端分别与连接块的四个侧面中正对它的侧面连接，连接块中心开孔，手柄杆通过连接块中心开孔，手柄杆下端与球铰座连接，球铰座固定在底座上表面的几何中心。
[0007]更优地，所述单维力传感器为称重力传感器。
[0008]更优地，所述底座为正四边形平台，每个单维力传感器一端分别固定在底座的四个侧面中的一个侧面上。
[0009]更优地，所述四根弹簧为圆柱形。
[0010]更优地，所述连接块中心开孔为圆孔，连接块可以在手柄上沿手柄杆轴线方向滑动。
[0011]更优地，所述手柄杆通过连接块中心圆孔构成圆柱副。
[0012]更优地，所述手柄杆的上端为握持端，下端为圆球头，下端的圆球头与球铰座连接构成球面副。
[0013]通过以上技术方案可知，本实用新型提出方案通过单维力传感器检测得到控制量大小，简化了控制手柄的结构，具有结构和原理简便，性能稳定可靠，二维方向控制信号同时输出，对设备两个方向上位移、速度、加速度等参数控制，具有力反馈能力等优点。
【附图说明】
[0014]图1 一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合附图及实施例对本实用新型的技术方案进行更详细的说明。
[0016]需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。
[0017]实施例一，一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄，如图1所示，包括:手柄杆1，单维力传感器2，连接块3，弹簧4，球铰座5，底座6。
[0018]四个单维力传感器2均竖直放置，分为X、Y两个方向，每个方向为两个单维力传感器2，四个单维力传感器2 —端固定在底座6上，另一端分别与四根弹簧4的一端连接，弹簧4固定在单维力传感器2的内侧，且弹簧4的轴线与单维力传感器2测量面垂直，四根弹簧4的另一端分别与连接块3的四个侧面中正对它的侧面连接，连接块3中心开孔，手柄杆I通过连接块3中心开孔，手柄杆I下端与球铰座5连接，球铰座5固定在底座6上表面的几何中心。
[0019]实施例二，一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄，如图1所示，在实施例一的基础上进一步为:
[0020]进一步地，所述单维力传感器2为称重力传感器。单维力传感器2为标准称重传感器，也可以为其他结构形式的单维力传感器；
[0021 ] 进一步地，所述底座6为正四边形平台，每个单维力传感器2 —端分别固定在底座6的四个侧面中的一个侧面上。四个单维力传感器2均竖直放置，下端固定在底座6的四个侧面上，上端与圆柱弹簧4的一端相连。
[0022]进一步地，所述四根弹簧4为圆柱形。圆柱弹簧4能够承受拉伸和压缩，一端连接在单维力传感器2的上端，且圆柱弹簧4的轴线与单维力传感器2测量面垂直。圆柱弹簧4的另一端与连接块3相连。四根圆柱弹簧4分别于正方体连接块3的四个侧面相连。
[0023]进一步地，所述连接块3中心开孔为圆孔，连接块3可以在手柄上沿手柄杆I轴线方向滑动。连接块3中心开孔也可以为其它便于手柄上沿手柄杆I轴线方向滑动的形状。
[0024]进一步地，所述手柄杆I通过连接块3中心圆孔构成圆柱副。
[0025]进一步地，手柄杆I的上端为握持端，下端为圆球头，下端的圆球头与球铰座5构成球面副连接。
[0026]所述基于单维力传感器的二维运动控制手柄的工作原理为:四个单维力传感器2分为X、Y两个方向，每个方向均为两个力传感器，当操作者推动控制手柄的手柄杆时，根据推动方向，四根圆柱弹簧4会被拉伸或压缩，此时单维力传感器2受力。当单维力传感器2受力后，输出一定的电压信号，信号大小与受力大小一致。通过解算，由四个单维力传感器2的检测结果可知操作者推动手柄杆时施加力的大小和方向。单维力传感器2的检测结果作为输入信号与机电设备控制系统相连。最终根据操作者推动手柄杆时施加力的大小和方向，可控制设备两个方向的独立运动，包括位置、速度、加速度等参数均可实现运动控制。一个方向用一个单维力传感器也能实现本实用新型，用两个求平均值会使测量结果更准确，增加冗余信息可提高测量精度。
[0027]本实用新型可用于多维运动机电设备及虚拟设备的运动控制中，特别是工业机器人的运动控制中，实现设备的快速、灵活、精确的位移、速度、加速度控制。本实用新型具有结构和原理简便，性能稳定可靠，二维方向控制信号同时输出，具有力反馈能力等优点。
[0028]当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄，其特征在于，包括:手柄杆、四个单维力传感器、连接块、四根弹簧、球铰座、底座； 四个单维力传感器均竖直放置，分为X、Y两个方向，每个方向为两个单维力传感器，四个单维力传感器一端固定在底座上，另一端分别与四根弹簧的一端连接，弹簧固定在单维力传感器的内侧，且弹簧的轴线与单维力传感器测量面垂直，四根弹簧的另一端分别与连接块的四个侧面中正对它的侧面连接，连接块中心开孔，手柄杆通过连接块中心开孔，手柄杆下端与球铰座连接，球铰座固定在底座上表面的几何中心。
2.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述单维力传感器为称重力传感器。
3.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述底座为正四边形平台，每个单维力传感器一端分别固定在底座的四个侧面中的一个侧面上。
4.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述四根弹簧为圆柱形。
5.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述连接块中心开孔为圆孔。
6.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述手柄杆通过连接块中心圆孔构成圆柱副。
7.如权利要求1所述的控制手柄，其特征在于，所述手柄杆的上端为握持端，下端为圆球头，下端的圆球头与球铰座连接构成球面副。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于单维力传感器的二维运动控制手柄，涉及机电自动化设备技术领域；解决了现有二维运动控制手柄结构复杂，运动部件较多，稳定性下降的技术问题；该技术方案包括：手柄杆，四个单维力传感器，连接块，四根弹簧，球铰座，底座。
【IPC分类】G05G1-10
【公开号】CN204496332
【申请号】CN201520135188
【发明人】王志军, 崔冰艳, 贺静, 李占贤
【申请人】河北联合大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月10日