一种具有传感装置的操纵杆的制作方法

技术领域

本发明涉及一种操纵杆，该操纵杆具有使用磁性探测器来探测操纵杆的活动部分与基本固定部分相对位置的传感装置。根据本发明的操纵杆适用于通用车辆。

背景技术：

现有技术中，用于通用车辆(utility work vehicle)的操纵杆通常采用以下方法探测操纵杆的活动部分(通常配有一个手柄)和基本固定部分之间的相对位置：操纵杆活动部分上排列着许多普通的条形磁铁，基本固定部分上则排列着相应的磁性探测器(如，霍尔效应传感器)。每一个磁性探测器探测由相应条形磁铁所产生的磁通量。由于条形磁铁产生的磁场在沿磁铁长度方向上是变化的，探测到的磁通量反映了操纵杆活动部分和基本固定部分之间的相对位置。因此磁性探测器的输出结果表示操纵杆的位置。

在操纵杆中活动部分通常相对于基本固定部分进行角运动。因此，磁性探测器遵循相对条形磁铁的曲线轨迹。这些曲线轨迹以磁性探测器探测到的磁通量变化响应磁性探测器的运动距离呈明显非线性的方式交叉磁力线。尤其是在操作杆的中性位置或者其附近的位置，活动部分进行较大的角运动而探测到的磁通量只有少量变化，从而导致角分辨力较差。之前，曾试图用软件补偿的方法来解决上述问题。在中性位置或者其附近位置需要大量的软件补偿，但这产生不良影响：传感器输出结果的小变化将被转化成大的角度变化。尽管有一些误差，例如气隙，它在操作中是可变的，这意味着被定义为中性位置的角范围可以变化更大。这甚至可能危胁安装有操纵杆的例如车辆的应用设备的安全性。因为，即使操纵杆并没有被操作，它也可能会产生和传输信号指示它已被操作，并且应用设备会在无人操作情况下开始运转。这将带来不利的甚至有可能是灾难性的后果。

此外，由于校准曲线通常是通过在被测量的校准点之间内插获得，因此上述非线性在校准传感器时需要相对大量的校准点，且当校准曲线是明显非线性的，需要大量的校准点以保证校准曲线的内插部分能给出探测到的磁通量及相关部分正确关系的真实影像。这是另一个缺陷，因为它会增加产品的成本。

技术实现要素：

因此，本能发明的目的是提供一种操纵杆，其至少在一定程度上避免了上述问题。

本发明的另一目的是提供一种操纵杆，其中从传感装置获得的输出结果的基本线性变化响应操纵杆活动部分和基本固定部分之间的相对位置的线性变化。

根据本发明，上述或其他目的可由以下操纵杆实现，其包括：

基本固定部分，

适用于操作者手动操纵的活动部分，和

传感装置用于探测活动部分相对于基本固定部分的位置。传感装置包含有一个磁铁装置，磁铁装置是由一块或者多块磁铁组成，且形成一个预定磁场，磁性探测器用于探测磁通量并产生相应的输出结果，磁铁装置和磁性探测器中的一个装在基本固定部分，另一个则装在活动部分，

其中，磁铁装置中的一个或多个磁铁以这样一种方式成形，在对活动部分的操作过程中，一个或多个磁铁的外轮廓线基本跟随一个或多个磁铁和磁性探测器之间的相对角运动。

在本发明上下文中，词组“基本固定部分”应该理解为操作时操纵杆上的非手动部位，以及通常安装有操纵杆的应用设备的操作杆部分。从而，基本固定部分不必完全固定，而是允许同应用设备一起运动，同样也可以与应用设备进行某些相关运动。比如，当操纵杆安装在车辆上时，基本固定部分将会和车辆一起运动。另一个例子，操纵杆可以通过金属线连接到应用设备，从而使操纵杆变为可动的。为了使操作员使用操纵杆从这个位置移动到另一个合适的位置，基本固定部分相对于应用设备就是可动的了。然而，在任何情况下，基本固定部分和决定设备操作的手动式操纵杆的活动部分之间做的是相对运动。

因此，被操作员手动控制的操纵杆的活动部分是用于操作相关设备的。

磁铁装置和磁性探测器中的一个装在基本固定部分，另一个则装在活动部分，这句话应该理解为将磁铁装置或者是磁性探测器中任意一个装在基本固定部分。如果，磁铁装置被装在了基本固定部分，磁性探测器则装在活动部分。另一方面，如果磁性探测器装在了基本固定部分，那么磁铁装置装在活动部分。从而，当活动部分与基本固定部分进行相对运动时，磁铁装置和磁性探测器相对运动，并且磁铁装置和磁性探测器的相对运动与活动部分和基本固定部分的相对运动是成比例的。

传感器适用于探测活动部分相对于基本固定部分的位置。因此，当操作员操作活动部分时，活动部分与基本固定部分会进行相对角运动，同时，如上所述的磁铁装置与磁性探测器之间也进行相对角运动，磁性探测器将探测到磁通量的对应变化，并且输出结果会产生对应变化。从而，输出结果的变化会在传感器中产生，该变化表示活动部分与基本固定部分的相对运动。应注意，基于探测到的相对位置，可以计算出相对速度或者加速度。

磁铁装置中的磁铁(组)的外形以这样一种方式确定：在对活动部分的操作过程中，磁铁(组)的外轮廓基本跟随磁铁(组)和磁性探测器之间的相对角运动。

在本发明上下文中，词组“外轮廓”应该理解为相应磁铁外表面所定义的曲线形状。一旦改变磁铁的外轮廓，例如，从大致直线变成曲线，就会改变了磁铁产生的磁场。将磁铁设计为上文所描述的形式，在活动部分的操作过程中，根据磁性探测器相对于一个或多个磁铁移动距离，磁性探测器切割磁场线时引起磁通量的大致线性变化就会被获得。因此，磁性探测器获得到所产生的输出结果也将是线性的。这是非常有利的，因为所需要的软件补偿会大大减少，甚至是可以避免使用的。此外，上文中所描述的关于操纵杆的中性部位的角度分辨力的问题也消除了，至少是大大减小了。从而，上文提及的缺陷可以消除，至少也是相当程度的缩小了。

磁铁装置包含至少一个限定了纵轴的磁铁，所述一个或多个磁铁沿纵轴呈曲线状，在活动部分的操作中，该曲线形状会对应一个或多个磁铁和磁性探测器间的相对角运动。在操纵杆中，活动部分与基本固定部分的相对运动通常包括把活动部分绕枢转点倾斜。从而，活动部分与基本固定部分之间的相对运动是有角度的，磁性探测器与一个或多个磁铁之间的相对运动也是有角度的。因此，磁性探测器相对于磁铁的运动路径将呈曲线的。根据这样的实施例，有利之处在于至少一块磁铁具有曲线形状。

在这种情况下，一个或多个磁铁是一种“香蕉”形状，也就是它/它们是纵向的形状，且一个或多个磁铁的端部被弯曲远离纵轴。因而，一个或多个磁铁的外形类似于普通的被弯曲过的条形磁铁。然而，该一个或多个磁铁是加工制作的曲线状，而不是通过将普通条形磁铁弯曲获得的。要想将普通条形磁铁弯曲来获得这种曲线形状，必须将磁铁加热到能重新磁化的程度。因此，在多数情况下这种加工制作的方法不如直接将磁铁制作成所需要的形状。

一个更好的方法是，外形曲线可以用这样一种轨迹来描述，它的圆弧形表面的旋转轴从操纵杆的纵轴延长线垂直地延伸，且通过枢转点。也可以采用其他合适的轨迹。

磁铁装置可以包含四块磁铁，每块磁铁定义一个纵轴，这些磁铁组成一个方形或者矩形。这与上述现有技术的操纵杆十分相似。然而，在这种情况下，所有的磁铁只有一种外形轮廓形状，其在活动部分的操作过程中跟随着磁铁与磁性探测器之间的相对角运动，例如上述定义的曲线形状。或者，该一个或多个磁铁还可以以其他适合的方式排列。

磁性探测器可以是或者包含至少一个霍尔效应传感器。如果磁铁装置包含了四块如上所述的磁铁，那么磁性探测器最好包含四个霍尔效应传感器，一个传感器对应一块磁铁，并且要以每个传感器都能够测量出相应磁铁所产生的磁通量的方式排列。因为它们能以低成本获得，所以最好使用霍尔效应传感器。或者，其他合适的磁性探测器也可以被使用，例如磁力仪。

安装在基本固定部分上的活动部分要使之能围绕着一个枢转点相对于基本固定部分枢转地运动，这在操纵杆中很常见。然而，在特殊的应用中，也能想象出其他合适的办法使活动部分安装在基本固定部分上。

根据本发明，操纵杆适用于安装在通用车辆上或者是其一组成部分，像挖掘机、卡车等。举个例子，本发明所述的操纵杆可用于操作车辆的各种液压设备，例如液压阀，或者用于驾驶车辆或者是操作车辆的传动系统。

因此，本发明也涉及包括本发明的操纵杆的通用车辆。

附图说明

现在将参考附图对本发明进行进一步描述，其中：

图1为本发明的操纵杆的俯视图，

图2是图1中的操纵杆沿线A-A的截面图，

图3是图1和图2的侧视图，

图4是用在现有技术中操纵杆中的磁铁的透视图，

图5是由图4中的磁铁产生的磁场的等值线图，

图6是依据本发明实施例的操纵杆中使用的磁铁的透视图，

图7是由图6中的磁铁产生的磁场的等值线图，

图8是由传感器获得的作为角度的函数的现有技术中的操纵杆的场强与依据本发明实施例的操纵杆的场强的比较图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的操纵杆1的俯视图。操纵杆1包含一个设置在活动部分3上的把手2，活动部分3枢转地安装在基本固定部分4上。因此，操作者可以移动把手2使活动部分3相对于基本固定部分4枢转。这在下文将作进一步地说明。

四块磁铁(不可见的)被安装在活动部分3上，四个霍尔效应传感器(不可见的)被安装在基本固定部分4上。每一个霍尔效应传感器由此都能探测出一个磁铁所产生的磁通量。这个也将在下文作进一步地详细说明。

图2是图1中的操纵杆沿线A-A的截面图。从图2中可以很清楚地看出把手2沿基本上向上的方向从活动部分3上突出。活动部分3具有一个在基本固定部分4的上部6下延伸的下轭5。活动部分3能沿着枢转线7枢转。另一条类似的枢转线(不可见的)与转动线7基本垂直地设置。因此，活动部分3可以在两个方向上相对于基本固定部分4枢转。

活动部分3的磁铁座8上安装了4块磁铁9，其中两块磁铁在图2中可视。磁铁9具有曲线形状，该曲线形状将参照图6作进一步说明。

基本固定部分4上装有四个霍尔效应传感器10。每个霍尔效应传感器10以正对着一块磁铁9的方式安装。因此，这样每个霍尔效应传感器10都能探测到一个磁铁9产生的磁通量。而且，霍尔效应传感器10能产生一个响应探测到的磁通量的输出结果。由于磁铁所产生的磁通量作为相对于该磁铁位置的函数变化，因此霍尔效应传感器10的输出结果表示活动部分3相对于基本固定部分4的关于两个枢转轴7的角度位置。

在基本固定部分4的下面有一个印刷电路板(PCB)组件11。这是用于收集每一个霍尔效应传感器10所产生的输出结果。

图3是图1和图2的操纵杆1的侧视图。图3中操纵杆1的活动部分3绕枢转轴7倾斜18°。操作者通过操作把手2将活动部分3移动到这个位置。从而磁铁9相对于霍尔效应传感器10做角运动。

图4是用于现有技术的操纵杆1的普通条形磁铁12的透视图。图4显示了在活动部分和基本固定部分的相对角运动中，霍尔效应传感器相对于磁铁12的轨迹线13。明显看出，条形磁铁12的形状，尤其是它的外轮廓与轨迹线13有显著的不同。

图5是在轨迹线13限定的平面中由图4中磁铁12产生的磁场平面外部分(out of plan component)等值线图。也表示了霍尔效应传感器的轨迹线13。在等值线图中，每一条线都代表一个给定的场强强度水平，且该水平相对于磁场强度被相等地间隔，即图中每相邻两条线的磁场强度变化都是相同的。因此，紧密间隔的线指示了急剧变化的场强，两线距离稍长时则表明了舒缓变化的场强。

从图5中能清晰地看出，当按照霍尔效应传感器的轨迹线13、等值线以磁场强度变化与移动距离基本呈非线性函数的形式相交。尤其是操纵杆中性位置14附近的场强变化非常缓慢。因此，霍尔效应传感器产生的响应检测到的磁通量的输出将相对于移动距离呈非线性变化。因此产生了上述缺点。

图6是用在本发明所述的操纵杆中磁铁9的透视图。磁铁9的外轮廓，例如磁铁9的上表面或者下表面是弯曲的。图中也显示了霍尔效应传感器遵循的轨迹线13。从图6可以清晰地看出，上/下侧曲率基本遵循轨迹线13。

图7是在轨迹线13限定的平面中由图6中磁铁9产生的磁场平面外部分等值线图。从图7中可以清晰地看出，当遵循与磁铁9下表面相一致的霍尔效应传感器轨迹线13时，等值线以磁场强度变化与移动距离基本呈线性函数的形式相交，即使在中性位置14附近。因此，由霍尔效应传感器产生的响应检测到的磁通量的输出将相对于移动距离呈基本线性变化。如上所述，这种情况是非常有利的。

图8是例如包括图4所示类型磁铁的现有技术中操纵杆与例如包括图6所示磁铁的依据本发明实施例的操纵杆的用角函数表达的感应器获得的场强比较图。实线代表依据本发明的操纵杆，虚线代表现有技术中的操纵杆。图中能清晰地看到本发明的操纵杆对应倾角的磁场强度变化比现有技术的操纵杆更具有线性。