专利名称：具有三个转动自由度的踏板输入装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有三个转动自由度的踏板输入装置，更具体地，涉及用于可由使用 者脚的最小运动操作的、机械压力操作或电气操纵的设备的踏板输入装置。通过踏板输入 装置，使用者可以容易地操作驱动构件以便实现用 脚比用手更难以实现的、包括平移运动 的三个自由度的运动(即，滚动(roll)、俯仰(pitch)和Z轴平移的组合以及X轴平移、y 轴平移和偏转(yaw)的组合)。
背景技术：
已经开发和使用了能够用脚踏开关开启和关闭并且可用脚踏开关控制工作速度 的各种装置。当使用者的手需要用于其它任务时或当出于安全目的不允许使用者同时使用 脚和手时，这种脚踏开关操作的装置是必要的。例如，在现代外科手术(例如，腹腔镜手术或眼科手术)过程中，外科医生另外操 纵脚踏开关以便使各种装置执行其不同的功能。第6，132，313和5，787，760号美国专利公开了常规的脚踏开关。上述专利所公开 的脚踏开关具有两个转动自由度(俯仰和偏转)，并且可以实现向前和向后的运动。然而， 这种脚踏开关结构复杂且庞大。对于第6，132，313号专利中的脚踏开关，必须使用两个不 同的枢轴构件，因为偏转轴与俯仰轴并未彼此对准。还需要额外的空间以允许向前和向后 的运动。对于第5，787，760号专利中的脚踏开关，必须使用直线导向装置(linear guide) 以便精确地控制运动。还需要额外的空间以允许向前和向后的运动。需要一种能够容易地实现三个自由度、同时具有简化的结构和减小的体积的踏板 输入装置。
发明内容
由于上述问题，本发明的目的是提供一种具有三个转动自由度的踏板输入装置， 其中，绕着单一的转动中心产生三个自由度的运动，从而实现了简化的结构和减小的尺寸。本发明的另一个目的是提供一种具有三个转动自由度的踏板输入装置，其中，脚 踏板的转动引起驱动构件的平移运动，从而可通过使用者的脚的最小的运动来操作装置。根据本发明的实施方式，提供了一种踏板输入装置，包括底板；转动中心部，被 设置在所述底板的中心；接触板，可转动且可倾斜地装配至所述转动中心部，所述接触板具 有从所述接触板的下表面向下伸出的偏转开关接触部；脚踏板，由所述接触板承载并用脚 操作，以便使驱动构件进行三个自由度的转动运动(滚动、俯仰和偏转)、三个自由度的平 移运动(X轴或左右平移、y轴或前后平移以及Z轴或上下平移)、两个自由度的平移和一 个自由度的转动的组合(χ轴平移、y轴平移和偏转)以及两个自由度的转动和一个自由度 的平移的组合(滚动、俯仰和ζ轴平移)；一对俯仰开关，彼此相对地安装在所述底板上，从 而能够使所述俯仰开关交替地接触所述脚踏板的所述接触板；一对滚动开关，垂直于所述 俯仰开关安装在所述底板上，从而能够使所述滚动开关交替地接触所述脚踏板的所述接触板；以及一对偏转开关，彼此隔开地安装在所述底板上，从而能够使所述偏转开关在所述脚 踏板转动时交替地接触所述偏转开关接触部。优选地，所述接触板固定地连接至所述脚踏板，从而所述脚踏板和所述接触板能 够一起运动。优选地，所述转动中心部包括设置在所述底板的中心的球座以及附接至所述接触 板的球接头，所述球接头与所述球座连接以相对于所述球座进行转动和枢轴运动。此外，所述转动中心部可包括安装在所述底板的中心以进行两个自由度的转动 (滚动和俯仰)的万向接头以及与所述万向接头连接以进行一个自由度的转动(偏转)的 推力轴承，所述推力轴承被附接至所述接触板。优选地，所述底板包括周缘部、沿着所述周缘部延伸的支撑缘部以及一个或多个 复位弹簧部，所述一个或多个复位弹簧部以预定的间隔沿着所述支撑缘部设置以将所述脚 踏板弹性地偏压到初始位置。此外，所述底板包括周缘部和沿着所述周缘部延伸的支撑缘部，所述接触板通过 多个径向延伸的张紧弹簧连接至所述支撑缘部。优选地，所述俯仰开关、所述滚动开关和所述偏转开关是均具有接触片的电开关。优选地，所述驱动构件是用于驱动在腹腔镜手术和机器人手术中使用的腹腔镜的 操纵装置，所述操纵装置被配置为进行包括滚动、俯仰和ζ轴平移的三个自由度的运动。通过具有三个转动自由度的本发明的踏板输入装置，绕着单一的转动中心产生三 个自由度的运动，可以实现简化的结构和减小的尺寸。另外，脚踏板的转动引起驱动构件的 平移运动，可以使使用者的脚的运动最小化。
图1是示出根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置的分解立体图；图2是用于解释由根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置执行的偏转运动 的俯视图；图3和图4是用于解释由根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置执行的俯仰 和滚动运动的横截面图。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的一个优选的实施方式进行描述。以下描述是出于说明 目的，以便使本领域的技术人员能够方便地实施本发明，而并非要对本发明的范围进行限 制。图1是示出根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置的分解立体图。图2是用 于解释由根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置执行的偏转运动的俯视图。图3和图 4是用于解释由根据本发明的一个实施方式的踏板输入装置执行的俯仰和滚动运动的横截 面图。如图1所示，具有三个转动自由度的踏板输入装置100包括底板110 ；转动中心 部120，绕着该转动中心部120产生滚动、俯仰和偏转运动；俯仰、滚动和偏转开关140、150 和160，被设置在底板110上用于产生操作驱动构件1所需的电信号；以及脚踏板130，可转动且可倾斜地安装至转动中心部120，并用脚操作以选择性地接触俯仰、滚动和偏转开关 140、150 和 160。底板110呈圆形或多边形，并设置有平坦的底面从而可放置在地板上。底板110 由金属或合成树脂制成。可将橡胶构件附接至底板110的底面以增强底面与地板的摩擦接 触。转动中心部120安装在底板110的中心区域。转动中心部120确保脚踏板130的 滚动、俯仰和偏转运动在一个中心点上实现。转动中心部120包括在其中心具有凹槽的球 座122以及具有与球座122的凹槽连接的球部的球接头124。球部与凹槽滚动接触以便进 行枢轴和转动运动。作为未在图中示出的可替换的实施例，转动中心部120可包括安装在底板110的 中心以便进行两个自由度的转动(滚动和俯仰)的万向接头以及与万向接头连接以便进行 一个自由度的转动(偏转)的推力轴承。盘形接触板132被附接至可转动且可倾斜地安装至转动中心部120的球接头124 的上端。脚踏板130与接触板132的上表面紧密接触，从而脚踏板130和接触板132能够 绕着转动中心部120 —起运动。接触板132具有适于使接触板132与俯仰开关140、滚动开关150和偏转开关160 接触的直径。脚踏板130被使用者的脚触碰和操作，并可具有与底板110相同的面积和轮廓。可通过螺钉或其它紧固装置将脚踏板130和接触板132固定在一起。可在脚踏板 130的上表面上设置用于指示俯仰、滚动和偏转运动的箭头或其它标识。俯仰开关140被设置在底板110上，基本上位于图1和图2中的12点和6点位置， 并且在直径方向上彼此相对。俯仰开关140包括径向地向内延伸的弹性接触片141。接触 片141被电连接至俯仰开关140，从而接触片141能够以交替的方式接触接触板132。俯仰开关140是使驱动构件1在静止或运动时进行前后平移运动或俯仰运动的电 气单元。尽管在所示实施方式中作为实施例的驱动构件1是腹腔镜操纵装置，但是本发明 可适用于其它机械装置，只要这些机械装置能够进行三个自由度的转动(滚动、俯仰和偏 转)、三个自由度的平移(X轴或左右平移、y轴或前后平移以及Z轴或上下平移)、两个自 由度的平移和一个自由度的转动的组合(χ轴平移、y轴平移和偏转)以及两个自由度的转 动和一个自由度的平移的组合(滚动、俯仰和ζ轴平移)。尽管未在图中示出，但是可以采 用控制用于滚动、俯仰和偏转运动的电信号的控制单元以及例如汽缸(cylinder)等的驱 动单元。滚动开关150被设置在底板110上，基本上位于图1和图2中的3点和9点位置， 并且垂直于俯仰开关140。滚动开关150包括径向地向内延伸的弹性接触片151。接触片 151被电连接至滚动开关150，从而接触片151能够以交替的方式接触接触板132。滚动开关150是使驱动构件1在静止或运动时进行左右平移运动或滚动运动的电 气单元。偏转开关160被设置在底板110上，基本上位于图1和图2中的1点和11点位置， 并且与被设置在12点位置处的俯仰开关140相邻。偏转开关160包括设置在其相对的侧表面上的接触片161。接触板132包括从接触板132的下表面向下延伸的偏转开关接触部134。偏转开关接触部134插在偏转开关160 的接触片161之间，从而接触片161能够以交替的方式与偏转开关接触部134接触。换句话说，如果接触板132在水平姿势下进行偏转运动，偏转开关接触部134交替 地接触偏转开关160中的一个，从而使驱动构件1进行上下平移运动或偏转运动。底板110包括沿着其周缘部延伸并向上伸出特定高度的环形支撑缘部112。沿着 支撑缘部112设置有一个或多个复位弹簧部114。复位弹簧部114优选地以大约45度的间 隔设置。复位弹簧部114中的每一个分别插在环形支撑缘部112的孔中，并包括压缩弹簧 和安装在该压缩弹簧上的盖。复位弹簧部114用于在俯仰和滚动运动结束时将脚踏板130 复位至初始位置。张紧弹簧116被径向地保持在接触板132与支撑缘部112之间以便在偏转运动 (即，水平转动)结束时将脚踏板130和接触板132复位至初始位置。张紧弹簧116以大约 90度的间隔彼此周向隔开。另外，支撑缘部112可具有 用于与驱动构件1的连接器接合的 切口。具有三个转动自由度的踏板输入装置以如下方式工作参照图2到图4，例如在腹腔镜手术或机器人手术过程中，医生在用手握持手术器 械的同时，通过踏板输入装置100操作腹腔镜。如图3所示，当使用者的脚未置于脚踏板130上时，脚踏板130通过复位弹簧部 114保持水平。此时，接触板132与俯仰开关140和滚动开关150的接触片141和151保持 接触，其中每个开关均被关断。当需要操作能够进行三个自由度的运动(即，滚动、俯仰和ζ轴平移的组合)的驱 动构件1 (例如，腹腔镜操纵装置)时，使用者通过将他或她的脚置于脚踏板130上以对驱 动构件1进行操作。为了使驱动构件1进行直线的上下平移运动，使用者使脚踏板130以水平姿势、绕 着转动中心部120向左或向右转动。当脚踏板130转动时，接触板132的偏转开关接触部 134按压偏转开关160中的一个的接触片161，从而开启偏转开关160中对应的一个。之后， 脚踏板130在保持在接触板132与支撑缘部112之间的张紧弹簧116的偏置力(biasing force)的作用下复位至初始位置。如果需要使驱动构件1在平移运动或停止过程中进行俯仰运动，那么使脚踏板 130绕着转动中心部120向前或向后倾斜。作为响应，接触板132按压俯仰开关140中的一 个的接触片141，从而开启俯仰开关140的对应的一个。此时，靠近被按压的俯仰开关140 的复位弹簧部114被压缩，接着被释放以使脚踏板130保持水平。类似地，如果需要使驱动构件1在平移运动或停止过程中进行滚动运动，那么使 脚踏板130绕着转动中心部120向左或向右倾斜。作为响应，接触板132按压滚动开关150 中的一个的接触片151，从而开启滚动开关150的对应的一个。此时，靠近被按压的滚动开 关150的复位弹簧部114被压缩，接着被释放以使脚踏板130保持水平。当使用者以上述方式操作脚踏板130时，驱动构件1重复且连续地进行平移、俯仰 和滚动运动。尽管以上描述了两个自由度的转动运动和一个自由度的平移运动的组合(滚动、 俯仰和ζ轴平移)，但是本发明不限于此。通过绕着转动中心部120以三个转动自由度操作脚踏板130，驱动构件1可以进行三个自由度的转动运动(滚动、俯仰和偏转)、三个自由度 的平移运动(χ轴或左右平移、y轴或前后平移以及ζ轴或上下平移)以及两个自由度的平 移和一个自由度的转动的组合(χ轴平移、y轴平移和偏转)。通过上述的本发明的踏板输入装置，绕着单一的转动中心产生三个自由度的转动 运动，可以实现简化的结构和减小的尺寸。另外，脚踏板的转动引起驱动构件的平移运动， 可以使使用者的脚的运动最小化。尽管以上描述了本发明的一个优选实施方式，但是本发明不限于此。对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，可以进行 多种不同的改变和修改。
权利要求
一种踏板输入装置，包括底板；转动中心部，被设置在所述底板的中心；接触板，可转动且可倾斜地装配至所述转动中心部，所述接触板具有从所述接触板的下表面向下伸出的偏转开关接触部；脚踏板，由所述接触板承载并且用脚操作，以便使驱动构件进行三个自由度的转动运动(滚动、俯仰和偏转)、三个自由度的平移运动(x轴或左右平移、y轴或前后平移以及z轴或上下平移)、两个自由度的平移和一个自由度的转动的组合(x轴平移、y轴平移和偏转)以及两个自由度的转动和一个自由度的平移的组合(滚动、俯仰和z轴平移)；一对俯仰开关，彼此相对地安装在所述底板上，从而能够使所述俯仰开关交替地接触所述脚踏板的所述接触板；一对滚动开关，垂直于所述俯仰开关安装在所述底板上，从而能够使所述滚动开关交替地接触所述脚踏板的所述接触板；以及一对偏转开关，彼此隔开地安装在所述底板上，从而能够使所述偏转开关在所述脚踏板转动时交替地接触所述偏转开关接触部。
2.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述接触板固定地连接至所述脚踏板，从 而所述脚踏板和所述接触板能够一起运动。
3.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述转动中心部包括设置在所述底板的 中心的球座以及附接至所述接触板的球接头，所述球接头与所述球座连接以相对于所述球 座进行转动和枢轴运动。
4.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述转动中心部包括安装在所述底板的 中心以进行两个自由度的转动(滚动和俯仰)的万向接头以及与所述万向接头连接以进行 一个自由度的转动(偏转)的推力轴承，所述推力轴承被附接至所述接触板。
5.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述底板包括周缘部、沿着所述周缘部延 伸的支撑缘部以及一个或多个复位弹簧部，所述一个或多个复位弹簧部以预定的间隔沿着 所述支撑缘部设置以将所述脚踏板弹性地偏压到初始位置。
6.如权利要求1所述的踏板输入装置1，其中，所述底板包括周缘部和沿着所述周缘部 延伸的支撑缘部，所述接触板通过多个径向延伸的张紧弹簧连接至所述支撑缘部。
7.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述俯仰开关、所述滚动开关和所述偏转 开关是均具有接触片的电开关。
8.如权利要求1所述的踏板输入装置，其中，所述驱动构件是用于驱动在腹腔镜手术 和机器人手术中使用的腹腔镜的操纵装置，所述操纵装置被配置为进行包括滚动、俯仰和z 轴平移的三个自由度的运动。
全文摘要
一种踏板输入装置，包括底板；转动中心部，被设置在所述底板的中心；接触板，具有从所述接触板的下表面向下伸出的偏转开关接触部；脚踏板，由所述接触板承载并用脚操作，以便使驱动构件进行三个自由度的运动；一对俯仰开关，彼此相对地安装在所述底板上；一对滚动开关，垂直于所述俯仰开关安装在所述底板上，从而能够使所述滚动开关交替地接触所述脚踏板的所述接触板；以及一对偏转开关，彼此隔开地安装在所述底板上，从而能够使所述偏转开关在所述脚踏板转动时交替地接触所述偏转开关接触部。
文档编号G05G1/30GK101833353SQ20091016405
公开日2010年9月15日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年3月12日
发明者任惠媛, 曹泳淏, 白斗镇, 金荣雨 申请人:国立癌中心