具有可變感覺、保持反饋、自動校準和可獲知的性能優化的操作者控制的電氣輸出信號設備的制造方法
【專利說明】具有可變感覺、保持反饋、自動校準和可獲知的性能優化的操作者控制的電氣輸出信號設備
相關申請的交叉參考
[0001]本發明要求2013年I月30日提交的題為“具有可變感覺、保持反饋、自動校準和可獲知的性能優化的操作者控制的電氣輸出信號設備(Operator Controlled ElectricalOutput Signal Device With Variable Feel and Hold Feedback and AutomatedCalibrat1n and Learnable Performance Optimizat1n) ” 的美國臨時申請、文獻號為61/758，489的權益，該申請通過參考整體結合于此。
技術領域
[0002]本發明總體上涉及操作者控制的信號輸出設備。更特別地，本發明涉及這樣的設備，其具有可變感覺、保持反饋、自動校準和可獲知的性能優化。
【背景技術】
[0003]—些現有技術設備能夠提供可變感覺，例如文獻號為5，875，682的美國專利所示的“操作者控制的電氣輸出信號設備(Operator Controlled Electrical Output SignalDevices)”。然而，現有設備的缺點是，其電磁保持通過小力矩臂產生。這要求大的電線圈，其會具有空間、成本和發熱問題。另一方面，如果線圈保持較小，那么保持力將太小。
[0004]另外，受控車輛的外部碰撞有時會引起位置朝著保持位移動。這是操作者所不希望出現的。
[0005]為解決該問題，現有技術領域中在線圈面上增加槽口。這會對操作者產生不平滑和可能不希望出現的P卡?達聲的反饋。
[0006]另外，現有領域中采用力傳感電阻器，但是它們構建在扭簧上。該構造基于單個的預加載彈簧。這意味著對操作者的力反饋不具有通常的游隙(free-play)、死區和彈簧力范圍起點等先導輸入設備的典型特征。該扭簧不同于大多數現有的先導控制輸入設備。這意味著其與現有的先導控制操縱桿不具有共同的部分，這對于訓練操作者的容易度和對控制的直覺理解是不希望出現的。此外，扭簧可能沒有和力傳感電阻器完全對齊，這可能引起應力，從而將傳感器壽命縮短到期望的水平之下。可選地，現有技術可以采用力傳感，但是不具有多個彈簧以產生有時候期望的操作力反饋。現有技術還可以采用先導控制，其可以具有期望的操作力反饋，但是這需要先導供給管線和箱體管線，這將占據駕駛室空間并增加系統成本。
[0007]—些電子輸出設備采用按鈕來觸發功能，例如工具浮動(implement float)功能。然而，與具有止動預警阻尼器的先導控制相比，這可能引起工具不經意的突然下墜運動。
[0008]其他電氣輸出設備采用其他類型的傳感器，例如霍爾效應傳感器或其他類型的位置傳感器。這些電氣輸出設備不能自動校準以提高精度。它們也難以為需要次級傳感系統的應用構建冗余傳感。
[0009]此外，這些輸入設備不會為操作者提供可變感覺的反饋、杠桿位置優化和可獲知的反饋。
【發明內容】
[0010]本發明的一個或多個實施方式提供操縱桿電子系統(JSE，Joystick ElectronicSystem)，其為操作者提供類似于先導控制操縱桿的力反饋。這些力反饋區域包括游隙區域、調制死區起點區域、調制區域、預警阻尼區域和在最大角度附近的保持區域。JSE也可以改變預警感覺和保持位置，使其處于任意角度。JSE采用力傳感作為信號并具有力斜率變化，用于自動校準輸出信號。這提高了信號精度并提供了維修預示信號(serviceprognostic signal)。該預示信號可以用于激活冗余傳感器。
【附圖說明】
[0011]圖1示出根據本發明第一實施方式的操縱桿電子系統(JSE)的實施方式的外部視圖。
[0012]圖2示出圖1的JSE的旋轉后的剖視圖。
[0013]圖3示出圖1的JSE的詳細剖視圖。
[0014]圖4是表示輸入扭矩相對致動角度的曲線的圖表。
[0015]圖5示出JSE的第二實施方式的詳細剖視圖。
[0016]圖6是類似于圖4所示的表示輸入扭矩相對于致動角度的曲線的圖表。
[0017]圖7示出JSE的第三實施方式的外部視圖。
[0018]圖8示出圖7的JSE的旋轉后的剖視圖。
[0019]圖9示出圖7的JSE的詳細剖視圖。
[0020]圖10是類似于圖6的輸入扭矩相對于致動角度的曲線的圖表。
[0021]圖11示出自動校準、預示和冗余傳感器，其可以增加到以上描述的任一實施方式中。
[0022]圖12示出表示FSR(力傳感電阻器)電壓相對于角度的曲線的圖表，包括第一零位拐點和第二零位拐點。
[0023]圖13示出本發明的JSE可以如何用于遠程操作在施工現場的建筑裝備。
[0024]圖14是類似于圖10所示的表示輸入扭矩相對于致動角度的曲線的圖表。
[0025]圖15示出根據本發明的一個實施方式的緊湊型JSE的外部視圖。
[0026]圖16示出圖15的緊湊型JSE的詳細視圖。
【具體實施方式】
[0027]本發明的一個或多個實施方式解決本領域中的上述缺點、問題和顧慮。下面，本發明的一個或多個實施方式也可以稱為操縱桿電子系統或JSE。
[0028]JSE采用應用于線性(非扭轉)負載的力傳感。這使得樞轉機構與現有的先導輸出操縱桿有相同之處。樞轉機構然后致動線性柱塞，該柱塞具有線性彈簧和相連接的負載。這些彈簧負載包括:復位負載、偏置負載、調制負載和柔性型負載。其結果是典型的感覺反饋，其類似于現有的先導控制操縱桿和單杠桿設備(本領域熟知)。
[0029]如在下文中進一步描述的，可以包括止動阻尼機構和保持線圈。這提供了力反饋的附加特征，以防止不經意的全杠桿運動(full lever mot1n)，改進操作者性能。
[0030]然后，在進行全杠桿運動時，保持線圈可以將杠桿保持就位，以減小或消除操作者所需的臂力。該全杠桿位置的保持可以電氣地激活和停用，這提供額外的功能。
[0031]可變保持和力反饋線圈構建在大球形杯上。這增加了保持力矩臂，使得保持力足夠大，從而在車輛具有外部過載(g-loads)時不運動。為了向操作者提供反饋，這個更大的力有時候也是需要的。
[0032]可變保持力可以用于向操作者提供的警告阻尼感覺，并用作手柄杠桿在不同角度的可變保持。該可變警告阻尼器可以采用來自其他JSE或車輛或施工現場的輸入。這允許中央處理單元(CPU)將警告阻尼感覺反饋定位在最優和/或期望的位置。這例如可以用于減少發動機振動，優化發出的燃料噪音或者優化車輛性能。該可變保持特征可以將操作者信號位置減小到減小的位置，該減小的位置在特定的建造循環過程中將更優化。
[0033]用于產生輸出信號的輸入優選地是線性力傳感。這例如可以采用力傳感電阻器(FSR,Force sensing Resistor)實現。這些FSR墊(FSR pad)具有許多單元，從而使得信號產生是非常可靠的。如果一些單元受損，JSE可以自動調節輸出信號和采用剩下的單元。該自動校準特征也提高了設備的精度。
[0034]有時候應用需要冗余的信號產生。該類平行邏輯可以通過與主要FSR信號墊串聯地堆疊額外的FSR墊來實現。
[0035]該自動校準特征還可以用作維修預示，并將信號從主要傳感器切換到次級傳感器。串聯堆疊的輸入墊對于采用位置傳感的其他所有電氣輸出信號設備都是有利的配置。
[0036]JSE的一個實施方式包括樞轉機構、彈簧和柱塞機構、力傳感機構，如在附圖中所示的。樞轉方法例如可以是用于操縱桿的典型的u接頭，或者是用于單軸設備的樞轉銷。該實施方式不包括保持特征，也不包括可變感覺反饋特征(其分別包括在下面描述的第二和第三實施方式中)。本第一實施方式的杠桿作用力扭矩相對于角度典型地包括:游隙區域、死區區域、調制范圍區域和躍變區域。這類似于現有的樞轉輸出操縱桿設備。杠桿作用力的這些變化對操作者是已知的，是電氣輸出信號設備所期望的。
[0037]JSE的第二實施方式包括在預定角度的保持和對操作者的預警“阻尼”反饋力。這些特征對于采用先導輸出操縱桿的操作者同樣是已知的，并為電氣輸出信號設備應用所期望的。該預警力反饋允許操作者避免觸發突然運動，例如工具浮動位置(implement floatposit1n)。然后，保持特征允許操作者保持特定的應用，例如有效的浮動。這減小了所需的臂力，從而減少操作者疲勞。本實施方式具有保持線圈，其可能需要對齊。因此，樞轉機構可以是球形樞轉接頭，以減少不期望的運動。該球形樞轉機構可以具有在槽中的銷，以防止或限制扭轉運動。
[0038]JSE的第三實施方式包括可變力反饋。在該實施方式中，操作者感受的力可以變化為從O到全角度在任意角度的量。全角度的保持可以設置在任意角度。另外，“阻尼”特征可以采用其他車輛參數編程。例如，當車輛運動平滑時，感覺的反饋力可以是小的。當車輛運動在粗糙地面上時，力反饋可以增加。一些操作者更喜歡較輕的作用力，而其他人更喜歡較重的作用力。此外，被操作的機器可以處理不同的材料和具有不同的應用。感覺反饋的量可以隨著操作者、機器、材料和不同應用而改變，如同下面描述的那樣。另外，一些應用具有安全限制，例如絞車馬達的最大速度。可變力可以用于防止在高于預定安全限制的