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來(lái)源：Digikey 作者：Kenton Williston 重型建筑、工業(yè)、機器人、船舶和航空設備的設計人員在增加更多功能的同時(shí)，也在尋找利用輕便、緊湊的控制系統對精細操作和運動(dòng)進(jìn)行更精確控制的方法。這些目標還必須在艱苦惡劣的環(huán)境中完成，在物理上和電力上都有很大的挑戰性。 為了滿(mǎn)足這些要求，設計人員需要確保用戶(hù)界面具有精確控制所需的精度、方向靈活性和觸覺(jué)反饋，同時(shí)要在極端溫度下和使用周期內保持牢固可靠。 雖然觸摸屏有其存在的價(jià)值，但它缺乏必要的觸覺(jué)反饋和牢固性。此外，傳統的 X/Y 操縱桿往往過(guò)于笨重，而且缺乏實(shí)現最大方向控制能力所需的信號選項和軸數。取而代之的是，設計人員可以使用短小的操縱桿或指撥搖桿，它們現在能夠以堅固的外形提供更精細的控制。這些小型設備由使用者的拇指或手指操作，即使在狹窄的環(huán)境中也能輕松實(shí)現多種輸入。 本文簡(jiǎn)要討論了現代工業(yè)和其他重型設備需要更高控制精度的原因，以及短小型指撥搖桿是如何解決相關(guān)問(wèn)題的。然后，回顧了關(guān)鍵的設計和實(shí)現準則，包括傳感器選擇、耐用性以及物理和電氣設計選擇。最后以 APEM Inc. 的短小型指撥搖桿為例，對真實(shí)世界中的指撥搖桿進(jìn)行了介紹。 設備越精密需要的控制就更精確 隨著(zhù)工作場(chǎng)所需求的日益復雜和先進(jìn)技術(shù)的不斷采用，造成對更好操作控制的需求的加速增加。這一趨勢促使人們不僅需要更精確、更復雜的控制裝置，通常還需要更多的運動(dòng)軸。 為了說(shuō)明這一點(diǎn)，我們可以看看裝卸集裝箱船的海上龍門(mén)吊。隨著(zhù)船只越來(lái)越大，起重機需要更快地工作，以達到可接受的進(jìn)港時(shí)間（這直接影響到利潤）。與此同時(shí)，更嚴格的法規要求我們要提升安全和環(huán)保因素。 整個(gè)港口環(huán)境也在發(fā)生變化。這些港口的船舶、火車(chē)、卡車(chē)和其他設備都增加了技術(shù)，從而提高了對高精度協(xié)調的需求。例如，人們使用自動(dòng)導引車(chē) (AGV) 在港口內穿梭運送貨物，且這些 AGV 需要精確地放置貨物。 為了應對所有這些因素，起重機正在從液壓操作轉向電動(dòng)操作。這不僅提高了速度和精度，還通過(guò)更復雜的水平、垂直和旋轉運動(dòng)組合提高了多功能性。 匹配操作控制與設備功能 為了控制這些日益復雜的設備，操作員需要同樣能力的多軸控制器，這些控制器必須精確、可靠且易于使用。 觸摸屏是一種選擇。它們易于使用，可同時(shí)接受多路輸入。不過(guò)，觸摸屏很敏感，容易發(fā)生誤觸。污垢、濕氣和極端溫度都可能導致故障，屏幕也容易受到物理?yè)p壞和電磁干擾。最重要的是，它們不提供觸覺(jué)反饋，因此不適合抬頭操作重型設備。 操縱桿可以解決上述許多問(wèn)題。將操縱桿安裝在扶手控制臺或腹箱上，可以完成舒適、符合人體工學(xué)的輸入。只要設計合理，它們就能經(jīng)受住惡劣環(huán)境條件的考驗。它們還能向操作員提供物理反饋，讓操作員視覺(jué)焦點(diǎn)始終集中在工作區。 不過(guò)，傳統操縱桿在狹窄的環(huán)境中會(huì )占用大量空間，而且會(huì )突出來(lái)，容易造成意外操作。即使在空間充裕的情況下，操縱桿也要求操作員做出相對較大的動(dòng)作，這就限制了操縱桿的精度。 指撥搖桿通過(guò)將操縱桿縮小到更易于管理的尺寸解決了這些問(wèn)題。通過(guò)拇指或手指操作，這些短小的裝置可將意外操作的風(fēng)險降至最低。它們可以實(shí)現精確流暢的輸入，操作員可以輕松地同時(shí)操縱兩個(gè)指撥搖桿，從而解決了多路輸入的問(wèn)題。 短小型操縱桿特別適合便攜式控制器，如腹箱或手持設備。但是，任何空間有限的應用都能受益其縮小的尺寸。 選擇合適的傳感器 當然，并不是所有的指撥搖桿都是一樣的。首先，它們可以使用各種位置傳感器，包括電位計（即電阻式）、電感式、光電式或霍爾效應（即磁性）傳感器。這些方案各有利弊： · 電位計傳感器簡(jiǎn)單便宜，但壽命有限。 · 電感式傳感器更加可靠，但對溫度變化和電磁干擾 (EMI) 比較敏感。 · 光電傳感器精度高，但易受灰塵、濕氣和物理?yè)p壞的影響。 · 霍爾效應傳感器準確耐用，但會(huì )受到強磁場(chǎng)的影響。 考慮到所有這些權衡因素，霍爾效應傳感器通常是在惡劣環(huán)境中進(jìn)行高精度傳感的最佳選擇�；魻栃獋鞲衅鞯墓ぷ�電壓為標準的 3.3 伏或 5 伏直流電壓 (DC)，與堅固耐用的機械裝置配合使用，可使設備的預期使用壽命達到 1000 萬(wàn)次。 霍爾效應傳感器在兩個(gè)電極之間放置一層薄薄導電材料（圖 1）。當電流 (I) 流過(guò)帶這個(gè)導電帶，且磁場(chǎng) (B) 與之垂直時(shí)，導電帶上就會(huì )產(chǎn)生電壓差 (UH)。這一電壓差稱(chēng)為霍爾電壓，與磁場(chǎng)強度和方向成正比。 
圖 1：當電流 (I) 流過(guò)導電帶，且磁通密度 (B) 垂直于導電帶時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生霍爾電壓 (UH)。（圖片來(lái)源：維基百科） 與工業(yè)操縱桿應用中的其他類(lèi)型傳感器相比，霍爾效應傳感器的優(yōu)勢在于： · 非接觸式，不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而磨損。 · 不受灰塵、污垢、濕氣和振動(dòng)的影響。 · 可以高精度、高分辨率地測量線(xiàn)性位移和角位移。 · 可以在很寬的溫度和電壓范圍內工作。 · 很容易與數字電子設備和微控制器集成。 霍爾效應傳感器特別有用，是因為它們可以檢測位置和角度。這使得它們非常適合用于多軸控制，例如操縱桿不僅具有 X/Y 控制功能，還具有 Z 軸中心點(diǎn)按功能。 盡管如此，傳感器只是一個(gè)需要考慮的設計參數。要成功實(shí)現霍爾效應指撥搖桿，需要仔細考慮多個(gè)物理和電氣參數。 在控制面板上安裝指撥搖桿 有時(shí)指撥搖桿會(huì )安裝在一個(gè)受保護的固定位置，如控制面板上。更常見(jiàn)的情況是，操作員需要靠近工作區域，因此只能選擇控制臺、車(chē)輛扶手、吊索和腹箱等容易被濫用的位置。 如果在手持式外殼中使用指撥搖桿，則必須注意防止跌落損壞。應采取基本的預防措施，如將其安裝在外殼最輕的一端，使其不會(huì )首先著(zhù)地，或用防護罩保護，以確保長(cháng)期可靠性。 車(chē)輛是另一種危險情況。傾斜的船舶或車(chē)輛上的控制裝置可能會(huì )成為一個(gè)拙劣的抓手，因此必須將指撥搖桿保持在盡可能低的高度，以避免潛在危險的意外操作。 在上述任何一種情況下，指撥搖桿伸出板面上方的高度不應超過(guò)約 50 毫米 (mm)（2 英寸）。指撥搖桿與面板上的任何其他控制裝置之間也必須有足夠的間隙，如果操作員可能戴有厚實(shí)的手套，還必須留有額外的間隙。 讓短小型操縱桿堅固耐用 工業(yè)操縱桿經(jīng)常會(huì )被水濺或水浸中，因此這些設備的防護等級至少需要達到 IP66。這可以通過(guò)回旋保護罩來(lái)實(shí)現，即外裝一個(gè)可以隨著(zhù)操縱桿移動(dòng)和伸縮的柔性護套（圖 2）。 操縱桿可放置在面板開(kāi)口處或從背面安裝。無(wú)論哪種情況，面板底部都不能有水霧、過(guò)度潮濕或灰塵，因為手柄的這一部分不受保護罩的保護。
圖 2：短小型指撥搖桿的嵌裝（左）使用了擋板和沉頭螺釘；后端安裝（右）使用機械螺釘和螺母，但不使用擋板�；匦Ｗo罩的防護等級為 IP66。（圖片來(lái)源：作者摘自 APEM 原始資料） 為了最大限度地提高耐用性，設計人員應尋找一種配有不銹鋼軸、類(lèi)似堅固型金屬墊圈、底座機械裝置和限位器的設備。如前所述，手持設備很容易跌落，因此操縱桿應通過(guò) 1 米 (m) 自由跌落測試。設計人員還應根據適用的 IEC 標準檢查振動(dòng)、電磁兼容性 (EMC) 和靜電放電 (ESD) 保護的額定值是否合適。 在惡劣的環(huán)境中，耐極端溫度也至關(guān)重要。例如，APEM 的 XS 系列短小型操縱桿的額定工作溫度為 -30°C 至 +85°C，存儲溫度為 -40°C 至 +110°C。 最后，如果指撥搖桿要用于安全關(guān)鍵型應用（通常就是這種情況），則應選擇安全完整性等級 (SIL) 達 SIL2 或更高等級的產(chǎn)品。 人的可用性因素設計考慮 操縱桿選擇的材料是否合適，設計是否符合人體工程學(xué)，會(huì )對其可用性產(chǎn)生重大影響。設計人員需要牢記，控制器可能是濕的或臟的，操作員可能戴著(zhù)厚厚的手套。因此，操縱桿帽應使用尼龍等材料，以提供耐用且易于抓握的表面。 如圖 3 所示，操縱桿帽各不相同，可用于不同的應用場(chǎng)景。例如，APEM 的 XS140SCA12A62000 指尖操縱桿配有城堡蓋（左）。這個(gè)蓋子使操作員更容易感覺(jué)到主 X 軸和主 Y 軸，有助于保持直線(xiàn)軌跡。相比之下，XS140SDM12A62000 使用的是適合任意運動(dòng)的指尖帽。
圖 3：XS140SCA12A62000（左）上提供的城堡頂和 XS140SDM12A62000（右）上提供的平帽分別適用于線(xiàn)性運動(dòng)和任意運動(dòng)。（圖片來(lái)源：作者摘自 APEM 原始資料） 操縱桿還可配上引導感。這樣操縱桿更容易向主軸移動(dòng)，而遠離這些軸則需要更大的力。同樣，操縱桿也可以配備定心力，以增加操縱桿的整體阻力。例如，APEM XS 系列短小型操縱桿可以用輕至 1 牛頓 (N) 或強至 2.5 N 的力彈向中心。 最后，操縱桿可以配置與中心位置相關(guān)的各種功能： · 添加中心點(diǎn)按功能可使操縱桿像按鈕一樣使用，從而簡(jiǎn)化控制面板并實(shí)現更復雜的操作。 · 另外，中心點(diǎn)按還可用于電壓測試，以確保電源正常工作。 · 對于需要活動(dòng)/非活動(dòng)狀態(tài)指示器的應用，中心檢測功能可確定操縱桿是否正在使用（該功能不得用于安全或安保目的）。 請注意，這些選項是相互排斥的。重要的是要確定哪些功能最適合在操縱桿上實(shí)現，哪些功能可以運用到其他控制器上。 電氣設計考慮因素 為確保最高可靠性，請選擇帶有冗余霍爾效應傳感器的操縱桿。此外，還必須仔細調節電源。如果電源的變化超出了規定的公差范圍，則可能會(huì )對傳感器造成永久性損壞，從而失去冗余的優(yōu)勢。 操縱桿的電壓輸出也需要精心設計。第一步，應選擇輸出信號類(lèi)型（如模擬或脈寬調制 (PWM)）和電壓比例，以便與讀取這些信號的微控制器 (MCU) 的預期輸入相匹配。圖 4 舉例說(shuō)明了這種可能的輸出電壓。輸出阻抗也應考慮在內。負載電阻過(guò)低（例如小于 10 千歐 (kΩ)）會(huì )產(chǎn)生大電流風(fēng)險，從而損壞傳感器。
圖 4：對于多軸操縱桿，兩個(gè)輸出電壓 (X/Y) 的比例應與 MCU 輸入相匹配。（圖片來(lái)源：APEM） 如前所述，霍爾效應傳感器容易受到磁場(chǎng)干擾。因此，設計精良的操縱桿將包含內部磁屏蔽。應注意電源的正確去耦，并采用足夠的 EMC 屏蔽。即使采取了這些措施，操縱桿也不應在強磁場(chǎng)附近安裝或操作。 結語(yǔ) 隨著(zhù)工業(yè)設備日益復雜，設計人員需要采用更強大的控制裝置，以確保用戶(hù)界面具有精確控制所需的精度、方向靈活性和觸覺(jué)反饋，同時(shí)在極端溫度下和使用周期內保持穩定可靠。綜上所述，短小型操縱桿是一種良好的解決方案。只要位置傳感器、IP 防護等級、電磁隔離和人的可用性考慮得當，并輔以精心的設計實(shí)現，這種指撥搖桿就能讓各種各樣的應用受益。 |
