專利名稱：具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置，更具體地，涉及用于可由使用 者腳的最小運動操作的、機械壓力操作或電氣操縱的設(shè)備的踏板輸入裝置。通過踏板輸入 裝置，使用者可以容易地操作驅(qū)動構(gòu)件以便實現(xiàn)用 腳比用手更難以實現(xiàn)的、包括平移運動 的三個自由度的運動(即，滾動(roll)、俯仰(pitch)和Z軸平移的組合以及X軸平移、y 軸平移和偏轉(zhuǎn)(yaw)的組合)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)和使用了能夠用腳踏開關(guān)開啟和關(guān)閉并且可用腳踏開關(guān)控制工作速度 的各種裝置。當使用者的手需要用于其它任務(wù)時或當出于安全目的不允許使用者同時使用 腳和手時，這種腳踏開關(guān)操作的裝置是必要的。例如，在現(xiàn)代外科手術(shù)(例如，腹腔鏡手術(shù)或眼科手術(shù))過程中，外科醫(yī)生另外操 縱腳踏開關(guān)以便使各種裝置執(zhí)行其不同的功能。第6，132，313和5，787，760號美國專利公開了常規(guī)的腳踏開關(guān)。上述專利所公開 的腳踏開關(guān)具有兩個轉(zhuǎn)動自由度(俯仰和偏轉(zhuǎn))，并且可以實現(xiàn)向前和向后的運動。然而， 這種腳踏開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大。對于第6，132，313號專利中的腳踏開關(guān)，必須使用兩個不 同的樞軸構(gòu)件，因為偏轉(zhuǎn)軸與俯仰軸并未彼此對準。還需要額外的空間以允許向前和向后 的運動。對于第5，787，760號專利中的腳踏開關(guān)，必須使用直線導(dǎo)向裝置(linear guide) 以便精確地控制運動。還需要額外的空間以允許向前和向后的運動。需要一種能夠容易地實現(xiàn)三個自由度、同時具有簡化的結(jié)構(gòu)和減小的體積的踏板 輸入裝置。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置， 其中，繞著單一的轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生三個自由度的運動，從而實現(xiàn)了簡化的結(jié)構(gòu)和減小的尺寸。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置，其中，腳 踏板的轉(zhuǎn)動引起驅(qū)動構(gòu)件的平移運動，從而可通過使用者的腳的最小的運動來操作裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種踏板輸入裝置，包括底板；轉(zhuǎn)動中心部，被 設(shè)置在所述底板的中心；接觸板，可轉(zhuǎn)動且可傾斜地裝配至所述轉(zhuǎn)動中心部，所述接觸板具 有從所述接觸板的下表面向下伸出的偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部；腳踏板，由所述接觸板承載并用腳 操作，以便使驅(qū)動構(gòu)件進行三個自由度的轉(zhuǎn)動運動(滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn))、三個自由度的平 移運動(X軸或左右平移、y軸或前后平移以及Z軸或上下平移)、兩個自由度的平移和一 個自由度的轉(zhuǎn)動的組合(χ軸平移、y軸平移和偏轉(zhuǎn))以及兩個自由度的轉(zhuǎn)動和一個自由度 的平移的組合(滾動、俯仰和ζ軸平移)；一對俯仰開關(guān)，彼此相對地安裝在所述底板上，從 而能夠使所述俯仰開關(guān)交替地接觸所述腳踏板的所述接觸板；一對滾動開關(guān)，垂直于所述 俯仰開關(guān)安裝在所述底板上，從而能夠使所述滾動開關(guān)交替地接觸所述腳踏板的所述接觸板；以及一對偏轉(zhuǎn)開關(guān)，彼此隔開地安裝在所述底板上，從而能夠使所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)在所述腳 踏板轉(zhuǎn)動時交替地接觸所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部。優(yōu)選地，所述接觸板固定地連接至所述腳踏板，從而所述腳踏板和所述接觸板能 夠一起運動。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動中心部包括設(shè)置在所述底板的中心的球座以及附接至所述接觸 板的球接頭，所述球接頭與所述球座連接以相對于所述球座進行轉(zhuǎn)動和樞軸運動。此外，所述轉(zhuǎn)動中心部可包括安裝在所述底板的中心以進行兩個自由度的轉(zhuǎn)動 (滾動和俯仰)的萬向接頭以及與所述萬向接頭連接以進行一個自由度的轉(zhuǎn)動(偏轉(zhuǎn))的 推力軸承，所述推力軸承被附接至所述接觸板。優(yōu)選地，所述底板包括周緣部、沿著所述周緣部延伸的支撐緣部以及一個或多個 復(fù)位彈簧部，所述一個或多個復(fù)位彈簧部以預(yù)定的間隔沿著所述支撐緣部設(shè)置以將所述腳 踏板彈性地偏壓到初始位置。此外，所述底板包括周緣部和沿著所述周緣部延伸的支撐緣部，所述接觸板通過 多個徑向延伸的張緊彈簧連接至所述支撐緣部。優(yōu)選地，所述俯仰開關(guān)、所述滾動開關(guān)和所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)是均具有接觸片的電開關(guān)。優(yōu)選地，所述驅(qū)動構(gòu)件是用于驅(qū)動在腹腔鏡手術(shù)和機器人手術(shù)中使用的腹腔鏡的 操縱裝置，所述操縱裝置被配置為進行包括滾動、俯仰和ζ軸平移的三個自由度的運動。通過具有三個轉(zhuǎn)動自由度的本發(fā)明的踏板輸入裝置，繞著單一的轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生三 個自由度的運動，可以實現(xiàn)簡化的結(jié)構(gòu)和減小的尺寸。另外，腳踏板的轉(zhuǎn)動引起驅(qū)動構(gòu)件的 平移運動，可以使使用者的腳的運動最小化。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置的分解立體圖；圖2是用于解釋由根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置執(zhí)行的偏轉(zhuǎn)運動 的俯視圖；圖3和圖4是用于解釋由根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置執(zhí)行的俯仰 和滾動運動的橫截面圖。
具體實施例方式下面，參照附圖對本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式進行描述。以下描述是出于說明 目的，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠方便地實施本發(fā)明，而并非要對本發(fā)明的范圍進行限 制。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置的分解立體圖。圖2是用 于解釋由根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置執(zhí)行的偏轉(zhuǎn)運動的俯視圖。圖3和圖 4是用于解釋由根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的踏板輸入裝置執(zhí)行的俯仰和滾動運動的橫截 面圖。如圖1所示，具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置100包括底板110 ；轉(zhuǎn)動中心 部120，繞著該轉(zhuǎn)動中心部120產(chǎn)生滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn)運動；俯仰、滾動和偏轉(zhuǎn)開關(guān)140、150 和160，被設(shè)置在底板110上用于產(chǎn)生操作驅(qū)動構(gòu)件1所需的電信號；以及腳踏板130，可轉(zhuǎn)動且可傾斜地安裝至轉(zhuǎn)動中心部120，并用腳操作以選擇性地接觸俯仰、滾動和偏轉(zhuǎn)開關(guān) 140、150 和 160。底板110呈圓形或多邊形，并設(shè)置有平坦的底面從而可放置在地板上。底板110 由金屬或合成樹脂制成。可將橡膠構(gòu)件附接至底板110的底面以增強底面與地板的摩擦接 觸。轉(zhuǎn)動中心部120安裝在底板110的中心區(qū)域。轉(zhuǎn)動中心部120確保腳踏板130的 滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn)運動在一個中心點上實現(xiàn)。轉(zhuǎn)動中心部120包括在其中心具有凹槽的球 座122以及具有與球座122的凹槽連接的球部的球接頭124。球部與凹槽滾動接觸以便進 行樞軸和轉(zhuǎn)動運動。作為未在圖中示出的可替換的實施例，轉(zhuǎn)動中心部120可包括安裝在底板110的 中心以便進行兩個自由度的轉(zhuǎn)動(滾動和俯仰)的萬向接頭以及與萬向接頭連接以便進行 一個自由度的轉(zhuǎn)動(偏轉(zhuǎn))的推力軸承。盤形接觸板132被附接至可轉(zhuǎn)動且可傾斜地安裝至轉(zhuǎn)動中心部120的球接頭124 的上端。腳踏板130與接觸板132的上表面緊密接觸，從而腳踏板130和接觸板132能夠 繞著轉(zhuǎn)動中心部120 —起運動。接觸板132具有適于使接觸板132與俯仰開關(guān)140、滾動開關(guān)150和偏轉(zhuǎn)開關(guān)160 接觸的直徑。腳踏板130被使用者的腳觸碰和操作，并可具有與底板110相同的面積和輪廓。可通過螺釘或其它緊固裝置將腳踏板130和接觸板132固定在一起。可在腳踏板 130的上表面上設(shè)置用于指示俯仰、滾動和偏轉(zhuǎn)運動的箭頭或其它標識。俯仰開關(guān)140被設(shè)置在底板110上，基本上位于圖1和圖2中的12點和6點位置， 并且在直徑方向上彼此相對。俯仰開關(guān)140包括徑向地向內(nèi)延伸的彈性接觸片141。接觸 片141被電連接至俯仰開關(guān)140，從而接觸片141能夠以交替的方式接觸接觸板132。俯仰開關(guān)140是使驅(qū)動構(gòu)件1在靜止或運動時進行前后平移運動或俯仰運動的電 氣單元。盡管在所示實施方式中作為實施例的驅(qū)動構(gòu)件1是腹腔鏡操縱裝置，但是本發(fā)明 可適用于其它機械裝置，只要這些機械裝置能夠進行三個自由度的轉(zhuǎn)動(滾動、俯仰和偏 轉(zhuǎn))、三個自由度的平移(X軸或左右平移、y軸或前后平移以及Z軸或上下平移)、兩個自 由度的平移和一個自由度的轉(zhuǎn)動的組合(χ軸平移、y軸平移和偏轉(zhuǎn))以及兩個自由度的轉(zhuǎn) 動和一個自由度的平移的組合(滾動、俯仰和ζ軸平移)。盡管未在圖中示出，但是可以采 用控制用于滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn)運動的電信號的控制單元以及例如汽缸(cylinder)等的驅(qū) 動單元。滾動開關(guān)150被設(shè)置在底板110上，基本上位于圖1和圖2中的3點和9點位置， 并且垂直于俯仰開關(guān)140。滾動開關(guān)150包括徑向地向內(nèi)延伸的彈性接觸片151。接觸片 151被電連接至滾動開關(guān)150，從而接觸片151能夠以交替的方式接觸接觸板132。滾動開關(guān)150是使驅(qū)動構(gòu)件1在靜止或運動時進行左右平移運動或滾動運動的電 氣單元。偏轉(zhuǎn)開關(guān)160被設(shè)置在底板110上，基本上位于圖1和圖2中的1點和11點位置， 并且與被設(shè)置在12點位置處的俯仰開關(guān)140相鄰。偏轉(zhuǎn)開關(guān)160包括設(shè)置在其相對的側(cè)表面上的接觸片161。接觸板132包括從接觸板132的下表面向下延伸的偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部134。偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部134插在偏轉(zhuǎn)開關(guān)160 的接觸片161之間，從而接觸片161能夠以交替的方式與偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部134接觸。換句話說，如果接觸板132在水平姿勢下進行偏轉(zhuǎn)運動，偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部134交替 地接觸偏轉(zhuǎn)開關(guān)160中的一個，從而使驅(qū)動構(gòu)件1進行上下平移運動或偏轉(zhuǎn)運動。底板110包括沿著其周緣部延伸并向上伸出特定高度的環(huán)形支撐緣部112。沿著 支撐緣部112設(shè)置有一個或多個復(fù)位彈簧部114。復(fù)位彈簧部114優(yōu)選地以大約45度的間 隔設(shè)置。復(fù)位彈簧部114中的每一個分別插在環(huán)形支撐緣部112的孔中，并包括壓縮彈簧 和安裝在該壓縮彈簧上的蓋。復(fù)位彈簧部114用于在俯仰和滾動運動結(jié)束時將腳踏板130 復(fù)位至初始位置。張緊彈簧116被徑向地保持在接觸板132與支撐緣部112之間以便在偏轉(zhuǎn)運動 (即，水平轉(zhuǎn)動)結(jié)束時將腳踏板130和接觸板132復(fù)位至初始位置。張緊彈簧116以大約 90度的間隔彼此周向隔開。另外，支撐緣部112可具有 用于與驅(qū)動構(gòu)件1的連接器接合的 切口。具有三個轉(zhuǎn)動自由度的踏板輸入裝置以如下方式工作參照圖2到圖4，例如在腹腔鏡手術(shù)或機器人手術(shù)過程中，醫(yī)生在用手握持手術(shù)器 械的同時，通過踏板輸入裝置100操作腹腔鏡。如圖3所示，當使用者的腳未置于腳踏板130上時，腳踏板130通過復(fù)位彈簧部 114保持水平。此時，接觸板132與俯仰開關(guān)140和滾動開關(guān)150的接觸片141和151保持 接觸，其中每個開關(guān)均被關(guān)斷。當需要操作能夠進行三個自由度的運動(即，滾動、俯仰和ζ軸平移的組合)的驅(qū) 動構(gòu)件1 (例如，腹腔鏡操縱裝置)時，使用者通過將他或她的腳置于腳踏板130上以對驅(qū) 動構(gòu)件1進行操作。為了使驅(qū)動構(gòu)件1進行直線的上下平移運動，使用者使腳踏板130以水平姿勢、繞 著轉(zhuǎn)動中心部120向左或向右轉(zhuǎn)動。當腳踏板130轉(zhuǎn)動時，接觸板132的偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部 134按壓偏轉(zhuǎn)開關(guān)160中的一個的接觸片161，從而開啟偏轉(zhuǎn)開關(guān)160中對應(yīng)的一個。之后， 腳踏板130在保持在接觸板132與支撐緣部112之間的張緊彈簧116的偏置力(biasing force)的作用下復(fù)位至初始位置。如果需要使驅(qū)動構(gòu)件1在平移運動或停止過程中進行俯仰運動，那么使腳踏板 130繞著轉(zhuǎn)動中心部120向前或向后傾斜。作為響應(yīng)，接觸板132按壓俯仰開關(guān)140中的一 個的接觸片141，從而開啟俯仰開關(guān)140的對應(yīng)的一個。此時，靠近被按壓的俯仰開關(guān)140 的復(fù)位彈簧部114被壓縮，接著被釋放以使腳踏板130保持水平。類似地，如果需要使驅(qū)動構(gòu)件1在平移運動或停止過程中進行滾動運動，那么使 腳踏板130繞著轉(zhuǎn)動中心部120向左或向右傾斜。作為響應(yīng)，接觸板132按壓滾動開關(guān)150 中的一個的接觸片151，從而開啟滾動開關(guān)150的對應(yīng)的一個。此時，靠近被按壓的滾動開 關(guān)150的復(fù)位彈簧部114被壓縮，接著被釋放以使腳踏板130保持水平。當使用者以上述方式操作腳踏板130時，驅(qū)動構(gòu)件1重復(fù)且連續(xù)地進行平移、俯仰 和滾動運動。盡管以上描述了兩個自由度的轉(zhuǎn)動運動和一個自由度的平移運動的組合(滾動、 俯仰和ζ軸平移)，但是本發(fā)明不限于此。通過繞著轉(zhuǎn)動中心部120以三個轉(zhuǎn)動自由度操作腳踏板130，驅(qū)動構(gòu)件1可以進行三個自由度的轉(zhuǎn)動運動(滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn))、三個自由度 的平移運動(χ軸或左右平移、y軸或前后平移以及ζ軸或上下平移)以及兩個自由度的平 移和一個自由度的轉(zhuǎn)動的組合(χ軸平移、y軸平移和偏轉(zhuǎn))。通過上述的本發(fā)明的踏板輸入裝置，繞著單一的轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生三個自由度的轉(zhuǎn)動 運動，可以實現(xiàn)簡化的結(jié)構(gòu)和減小的尺寸。另外，腳踏板的轉(zhuǎn)動引起驅(qū)動構(gòu)件的平移運動， 可以使使用者的腳的運動最小化。盡管以上描述了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，但是本發(fā)明不限于此。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不偏離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行 多種不同的改變和修改。
權(quán)利要求
一種踏板輸入裝置，包括底板；轉(zhuǎn)動中心部，被設(shè)置在所述底板的中心；接觸板，可轉(zhuǎn)動且可傾斜地裝配至所述轉(zhuǎn)動中心部，所述接觸板具有從所述接觸板的下表面向下伸出的偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部；腳踏板，由所述接觸板承載并且用腳操作，以便使驅(qū)動構(gòu)件進行三個自由度的轉(zhuǎn)動運動(滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn))、三個自由度的平移運動(x軸或左右平移、y軸或前后平移以及z軸或上下平移)、兩個自由度的平移和一個自由度的轉(zhuǎn)動的組合(x軸平移、y軸平移和偏轉(zhuǎn))以及兩個自由度的轉(zhuǎn)動和一個自由度的平移的組合(滾動、俯仰和z軸平移)；一對俯仰開關(guān)，彼此相對地安裝在所述底板上，從而能夠使所述俯仰開關(guān)交替地接觸所述腳踏板的所述接觸板；一對滾動開關(guān)，垂直于所述俯仰開關(guān)安裝在所述底板上，從而能夠使所述滾動開關(guān)交替地接觸所述腳踏板的所述接觸板；以及一對偏轉(zhuǎn)開關(guān)，彼此隔開地安裝在所述底板上，從而能夠使所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)在所述腳踏板轉(zhuǎn)動時交替地接觸所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部。
2.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述接觸板固定地連接至所述腳踏板，從 而所述腳踏板和所述接觸板能夠一起運動。
3.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述轉(zhuǎn)動中心部包括設(shè)置在所述底板的 中心的球座以及附接至所述接觸板的球接頭，所述球接頭與所述球座連接以相對于所述球 座進行轉(zhuǎn)動和樞軸運動。
4.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述轉(zhuǎn)動中心部包括安裝在所述底板的 中心以進行兩個自由度的轉(zhuǎn)動(滾動和俯仰)的萬向接頭以及與所述萬向接頭連接以進行 一個自由度的轉(zhuǎn)動(偏轉(zhuǎn))的推力軸承，所述推力軸承被附接至所述接觸板。
5.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述底板包括周緣部、沿著所述周緣部延 伸的支撐緣部以及一個或多個復(fù)位彈簧部，所述一個或多個復(fù)位彈簧部以預(yù)定的間隔沿著 所述支撐緣部設(shè)置以將所述腳踏板彈性地偏壓到初始位置。
6.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置1，其中，所述底板包括周緣部和沿著所述周緣部 延伸的支撐緣部，所述接觸板通過多個徑向延伸的張緊彈簧連接至所述支撐緣部。
7.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述俯仰開關(guān)、所述滾動開關(guān)和所述偏轉(zhuǎn) 開關(guān)是均具有接觸片的電開關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的踏板輸入裝置，其中，所述驅(qū)動構(gòu)件是用于驅(qū)動在腹腔鏡手術(shù) 和機器人手術(shù)中使用的腹腔鏡的操縱裝置，所述操縱裝置被配置為進行包括滾動、俯仰和z 軸平移的三個自由度的運動。
全文摘要
一種踏板輸入裝置，包括底板；轉(zhuǎn)動中心部，被設(shè)置在所述底板的中心；接觸板，具有從所述接觸板的下表面向下伸出的偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部；腳踏板，由所述接觸板承載并用腳操作，以便使驅(qū)動構(gòu)件進行三個自由度的運動；一對俯仰開關(guān)，彼此相對地安裝在所述底板上；一對滾動開關(guān)，垂直于所述俯仰開關(guān)安裝在所述底板上，從而能夠使所述滾動開關(guān)交替地接觸所述腳踏板的所述接觸板；以及一對偏轉(zhuǎn)開關(guān)，彼此隔開地安裝在所述底板上，從而能夠使所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)在所述腳踏板轉(zhuǎn)動時交替地接觸所述偏轉(zhuǎn)開關(guān)接觸部。
文檔編號G05G1/30GK101833353SQ20091016405
公開日2010年9月15日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者任惠媛, 曹泳淏, 白斗鎮(zhèn), 金榮雨 申請人:國立癌中心