Aufbau eines Joysticks mit beeinflussbarer Kennlinie zur Untersuchung intrinsisch sicherer Interaktionsmöglichkeiten

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Joysticks für neuartige Bedienkonzepte bei der Steuerung von Nutzfahrzeugen. Dazu soll ein handelsüblicher Joystick mit haptischem Feedback versehen werden. Die Verwendung der Funktionselemente variable Nachgiebigkeit und Bremse ist mit dem Ziel vorgegeben intrinsische Sicherheit herbeizuführen.

Über eine theoretische Betrachtung werden Einschränkungen an den darstellbaren Reaktionsmomenten betrachtet. Es werden Lösungen für die Funktionselemente variable Nachgiebigkeit und Bremse sowie die elektrische Ansteuerung ermittelt, ausgearbeitet und aufgebaut. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Auswahl und Auslegung einer Federgeometrie, welche eine hohe Bandbreite an Federsteifigkeiten bei geringem Stellweg aufweist. Es werden unter anderem Schenkel-, Spiral-, Roll-, Schrauben- sowie Blattfedern betrachtet. Ausgehend von einer initialen Federgeometrie wird die darstellbare Bandbreite an Federsteifigkeiten in mehreren Iterationen durch numerische Finite Elemente Methoden verbessert. Das ausgelegte Funktionselement Nachgiebigkeit basiert auf einem ringförmigen Biegebalken, dessen Reaktionskraft mittels einer exzentrischen Schubkurbel auf die Joystickachse übertragen wird. Die Variation der Reaktionskraft erfolgt während des Betriebs durch die Veränderung des Abstands zwischen der Krafteinleitung und den Auflagern. Durch Rotation der Auflager mittels eines Schrittmotors kann ein auslenkungsabhängiges Reaktionsmoment zwischen 0,059 N m und 1 N m auf die Joystickachse aufgebracht werden. Das Funktionselement Bremse ist als eine magnetorheologische Bremse vom Typ RD-8060-1 der Firma LORD realisiert. Über einen Steuerstrom von 0 bis 1 A bei 12 V kann ein Bremsmoment von 0,5 N m bis 4,5 N m erzeugt werden. Kurzzeitig ist ein Bremsmoment von bis zu 5,5 N m darstellbar. Die Reaktionszeit der Bremse liegt bei unter 5 ms. Die Auslenkung des Joysticks von ±20◦ wird über einen bereits am Joystick montierten Hall-Effekt-Sensor vom Typ Hall 815 mit einer Auflösung von 12 bit gemessen. Der mechanische Aufbau wurde in CAD entworfen, optimiert und aufgebaut.