DE3402099A1

DE3402099A1 - Manipulatorgeraet mit licht/laserstrahl

Info

Publication number: DE3402099A1
Application number: DE19843402099
Authority: DE
Inventors: Daniel J. Palo Alto Calif. Plankenhorn
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1984-01-21
Publication date: 1984-07-26
Also published as: GB2134071B; SE462469B; FR2539659A1; IT1183710B; CA1245893A; JPS59134682A; IT8441511A0; SE8400121D0; GB2134071A; GB8334540D0; SE8400121L; US4539462A; FR2539659B1

Description

DR.-1NG. Ernst Stratmann

PATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

Düsseldorf, 50 1473 ' 20. Januar 1984

Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

,Manipulatorgerät mit Licht/Laserstrahl

.Die Erfindung betrifft allgemein ein optisches System für die Lieferung eines kollimierten Lichtstrahls in Verbindung mit automatischen Einrichtungen, insbesondere handelt es sich aber um eine einen Laserstrahl ausrichtende Gelenkverbindung für Anwendung auf dem Feld von Robotern.

Hochleistungslaser sind ideal geeignet, um als Hitzequelle für verschiedene Materialverarbeitungsanwendungen zu dienen, einschließlich der Verdampfung von Materialien, wie auch für Bohr- und Schneidoperationen. Laser finden auch Anwendung bei anderen Prozessen, wie beispielsweise beim Schweißen oder bei der Oberflächenbeschichtung von Metallen, die das Schmelzen des Materials erfordern. Auch kann die Temperatur von Materialien in fester Phase unter Anwendung eines Lasers verändert werden, beispielsweise bei Härteverfahren oder bei Anlaßverfahren.

Die thermischen Effekte, denen die Materialien bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl ausgesetzt sind, hängen haupt-'sächlich von der Intensität der Laserenergie, der Absorptionsfähigkeit des Materials und der Zeitdauer ab, während

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der das Material dem Laserstrahl ausgesetzt ist. Eine genaue Steuerung dieser Parameter legt die sich ergebende Veränderung in der Phase oder im Zustand des Materials fest. Gewöhnlich, wenn Laser für Prozesse wie Schweißen, Schneiden oder Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, wird die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes in solcher Weise orientiert, daß es nahezu senkrecht zum Laserstrahl liegt, wobei der Laserstrahl senkrecht auf seine Oberfläche auftrifft. Diese Anordnung optimiert die Absorptionsfähigkeit des Materials und erleichtert seine Erhitzung. Im allgemeinen werden der Laser und das Werkstück veranlaßt, sich relativ zueinander zu bewegen. Diese relative Bewegung kann auf zwei Arten erreicht werden. Erstens kann der Strahl über ein stationäres Werkstück traversiert werden. Zweitens kann das Werkstück unter einem feststehenden Laserstrahl manipuliert werden. Das erstgenannte Verfahren macht es notwendig, daß der Laserstrahl bewegt wird, entweder durch Befestigung des Lasers auf einer beweglichen Einrichtung oder indem der Laserstrahl von einem feststehenden Laser zu dem Werkstück unter Anwendung eines beweglichen optischen Systems gerichtet wird. Das letztgenannte Verfahren macht die Verwendung einer das Werkstück manipulierenden Einrichtung notwendig.

Im allgemeinen wird das letztgenannte Verfahren angewendet. Die meisten gegenwärtigen Systeme, die den Laser für die Materi-albearbeitung einsetzen, verwenden einen festen Laserstrahl zusammen mit einem Gerät, das in der Lage ist, das Werkstück zu manipulieren. Diese Manipulation des Werkstückes umfaßt gewöhnlich eine lineare oder eine Drehbewegung des Teils unter Ausnutzung der Symmetrie des Teiles. Symmetrische oder einfache Teile können durch Maschinen verarbeitet werden, die eine oder auch zwei Bewegungsachsen besitzen, jedoch jedes auch nur leicht kompliziertere Werkstück erfordert eine das Teil manipulierende Maschine, die die Fähigkeit besitzt, vier oder fünf Bewegungsachsen zu verwirklichen. Die erforderlichen Manipulationen eines

derartigen Werkstückes, zusammen mit der allgemeinen Forderung, daß der Laserstrahl die Werkstückoberfläche senkrecht trifft, lassen sich mit gegenwärtig zur Verfügung stehenden Teilehandhabungseinrichtungen nur schwer verwirklichen. Außerdem sind diese Einrichtungen gewöhnlich für spezielle Teile mit spezifischer Hardware hergestellt. Aus diesem Grunde können diese Einrichtungen nicht auf einfache Weise mit neuen Werkzeugen versehen werden, wenn Änderungen in der Form oder den Abmessungen des Teiles auftreten. Andere Nachteile dieser Art von Ausrüstung sind darin zu sehen, daß große, umfangreiche Teile nur schwer genau und wiederholt positioniert werden können und daß hohe Trägheitskräfte bei ihrer Bewegung auftreten. Auch können aufgrund der Geometrie der Teile Behinderungen auftreten, die verhindern, daß eine klare "Sichtlinie" zwischen der Laserstrahlquelle und der Arbeitsoberfläche des Werkstückes vorhanden ist.

Maschinen, die so gestaltet sind, daß sie ein spezifisches Produkt erzeugen, sind nur dann Ökonomisch tragbar, wenn eine große Stückzahl erzeugt werden soll. Einfache ökonomische Gesichtspunkte verhindern Verfahren für kleine Stückzahlen.

Es ist daher erstrebenswert, ein System zu erhalten, das wesentlich flexibler ist, indem es den Laserstrahl liefernde optische Einrichtungen besitzt, die in der Lage sind, Werkstücke zu bearbeiten, die komplizierte Formen und Größe besitzen, und zwar auch in kleinen Chargenmengen, wobei möglichst wenig neue Werkzeugeinrichtung notwendig sein sollte, wenn die Konfiguration des Arbeitsstückes sich ändert.

Die vorliegenden Erfindung ist auf die Schaffung einer derartigen Einrichtung gerichtet, insbesondere soll durch die vorliegende Erfindung die Verwendung von Industrierobotertechnologie bei solchen Anwendungen ermöglicht werden, die die Abgabe eines Laserstrahls er=fordern.

Gelöst wird die Aufgabe u. a. dadurch, daß erkannt wurde, daß mittels einer Anzahl von verschwenkbaren Spiegeln dem Laserstrahl ermöglicht wird, sich synchron mit den Bewegungen des Manipulators des Roboters zu bewegen. Auf diese Weise kann der Manipulator dann einen fokussierten Strahl auf jeden Punkt innerhalb des geometrischen Bereichs des Roboters richten und den Laserstrahl entlang einem konturierten Weg mit einer gesteuerten Geschwindigkeit bewegen.

Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser verwendenden Robotertechnologie umfassen einen mit Gelenk versehenen, einen Laserstrahl ausrichtenden Arm, mit an seinen Gelenken angeordneten Spiegeln, um den Lichtstrahl entlang der Segmente des Armes zu reflektieren. Ein Beispiel für eine kürzlich entwickelte, gelenkige, den Strahl richtende optische Einrichtung wird in der Druckschrift. "At Coherent: advanced lasers and new ideas in robotics" by Gary S. Vasilash, Manufacturing Engineering, März 1981, Seiten QH bis 85, beschrieben, in der ein optischer, gelenkiger Arm dargestellt und beschrieben wird. Dieser Arm liefert einen Lichtweg von einem stationären Laser zu einem "Endeffektor", der Strahlfokussieroptikeinrichtungen enthält. Der Endeffektor ist an einem Roboterarm angebracht, der eine automatische Arbeitsweise ausführen kann. Der das Licht ausrichtende Arm und der Roboterarm sind nur am Endeffektor miteinander verbunden, und die Gelenke des das Licht ausrichtenden Armes-können jeweils frei sich bewegen, um so dem den Laser ausrichtenden Arm zu ermöglichen, die Entfernung zwischen dem Laser und dem Raumpunkt zu überspannen, an dem der Roboterarm den Endeffektor angeordnet hat. Eine derartige Konfiguration ist analog in seiner grundlegenden Arbeitsweise zu dem Stützmechanismus eines Zahnarztbohrers. Das Bohrfutter ist vergleichbar mit dem Endeffektor des Lasersystems, und der Arm des Zahnarztes ist das Analogon zu dem Roboterarm. Der Bohrerstützmechanismus umfaßt eine Vielzahl von Gelenkverbindungen, die jeweils in einer solchen Weise sich bewegen können, daß das Verbindungsarmsystem die Ent-

fernung zwischen dem Motor und der Hand des Zahnarztes überspannt.

Ein Nachteil in dem oben beschriebenen System liegt in den relativen Positionen der Lichtquelle und dem Zentrum der Bewegungen des Roboters. Gerade so wie der Zahnarzt vermeiden muß, den Bohrer in seiner Hand vollständig herumzudrehen, muß der Roboter in einer solchen Weise gesteuert werden, daß er den das Licht ausrichtenden Arm nicht veranlaßt, zu versuchen, sich durch den Roboter selbst hindurchzuerstrecken, oder auch durch dessen Arm hindurch. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile, indem der das Licht ausrichtende Arm mit dem Arm des Roboters in einer solchen Weise kombiniert wird, daß sie sich synchron bewegen, wodurch es unmöglich wird, das sie sich gegenseitig stören.

Andere Entwicklungen auf dem Gebiet der Anpassung der Robotertechnologie an die Laseranwendung werden in den Druckschrift "Laser Processing at Ford", von Michael Yessik und Duane J. Schmaty, Metal Progress, Mai 1975, Seiten 210 bis 215, diskutiert. Es werden Beispiele für Manipulatorsysteme in den US-Patentschriften 39 37 057 und 42 21 997 diskutiert. Andere Robotersysteme werden in den US-Patentschriften 42 60 319, 40 76 131 und 40 89 427 beschrieben. Erfindungen, die sich speziell auf Betätiger und Gelenke für Roboter beziehen, werden in den US-Patentschriften 38 48 753, 37 77 618 und 40 96 766 erläutert.

Die vorliegende Erfindung umfaßt in ihrer allgemeinen Form einen Robotermanipulatorarmapparat der gelenkigen Bauart, bestehend aus zumindest zwei miteinander gelenkig verbundenen Armen, die in einem vorbestimmten Winkel zueinander und an einem Ende an einer festen Örtlichkeit angeschlossen sind und die an dem anderen Ende einen Endeffektor tragen, wobei der Manipulator einen Lichtstrahl verwendet, der von der festen Stelle zu dem Endeffektor läuft, wobei der Licht-

strahl auf einem Arbeitsstück an den Endeffektor benutzt werden soll, unabhängig von der Position, Entfernung und Orientierung des Endeffektors bezüglich der festen Stelle.

Erfindungsgemäß umfaßt nun jeder der Arme erste und zweite teleskopartige, hohle Glieder, die eine gemeinsame Achse haben, wobei das zweite Glied sich bezüglich des ersten Gliedes um diese gemeinsame Achse relativ drehen kann, wobei das zweite Glied ebenfalls in der Lage ist, bezüglich des ersten Gliedes eine teleskopartige Bewegung auszuführen. Erfindungswesentlich ist außerdem, daß der Manipulator folgende Merkmale aufweist: eine Lichtstrahlquelle an der festen Stelle, ein reflektierendes Glied mit einer reflektierenden Spiegeloberfläche, wobei ein derartiges reflektierendes Glied jeweils an dem ersten und an dem zweiten Ende eines jeden Arms angeordnet ist, und Einrichtungen, um den Montagewinkel des reflektierenden Gliedes mit Bezug auf die gemeinsame Achse einzustellen, wobei die Lichtstrahlquelle und die reflektierenden Glieder so montiert sind, daß sie einen Lichtstrahl entlang einer Achse eines jeden hohlen Armes bilden und aufrechterhalten, durch welchen Arm das Licht hindurchläuft, wobei mit jeder Art von zulässiger Bewegung des Endeffektors bezüglich der festen Stelle der Lichtstrahl den Endeffektor erreicht und niemals durch die gelenkig miteinander verbundenen Arme unterbrochen wird.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform, die im folgenden noch näher beschrieben wird, umfaßt die Erfindung ein Gelenk, das an einem Stützglied oder Arm drehbar gelagert ist. Ein reflektierendes Glied mit einer Spiegeloberfläche ist an dem Gelenk in einer solchen Weise angebracht, daß die Spiegeloberfläche von der Bewegungs=achse durchstoßen wird, die das Gelenk mit Bezug auf das Stützglied dreht. Durch Einstellung des Winkels der Spiegeloberfläche bezüglich dieser Bewegungsachse kann ein kollimierter Lichtstrahl, der entlang dieser Bewegungsachse läuft, durch die Spiegeloberfläche in irgendeiner von einer unendlichen Anzahl von

Richtungen reflektiert werden. Wenn das reflektierende Glied an dem Gelenk angebracht ist, wird ein besonderer vorgewählter Reflektionswinkel für den kollimierten Lichtstrahl festgelegt.

Es wird deutlich, daß dann, wenn das Gelenkglied um die Bewegungsachse gedreht wird, der reflektierte Strahl kollimierten Lichts in einer solchen Weise bewegt wird, daß er entweder eine flache oder eine konische Oberfläche beschreibt. Wenn die Spiegeloberfläche in einem Winkel von 45° zur Drehachse angeordnet ist, wird der reflektierte Strahl kollimierten Lichtes in einem Winkel von 90° bezüglich des ursprünglichen Strahls weiterverlaufen und der reflektierte ,Strahl wird, während das Gelenk um seine Bewegungsachse gedreht wird, eine im wesentlichen flache Oberfläche beschreiben, bezüglich der die Bewegungsachse des Gelenkes senkrecht steht.

Wenn das oben erläuterte Stützglied ein hohles Rohr ist, an dessen einem Ende das Gelenkglied drehbar angebracht ist, kann der Strahl kollimierten Lichtes durch das Stützglied entlang dessen Längsachse gesandt werden. Es sollte bemerkt werden, daß diese Längsachse auch mit der Bewegungsachse des Gelenkes zusammenfällt. Es sollte ferner beachtet werden, daß es von großer Bedeutung für eine richtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ist, daß der Strahl kollimierten Lichtes entlang der Bewegungsachse des Gelenkgliedes läuft. Diese Eigenschaft ermöglicht es, das Gelenk in irgendeinem Winkel um die Bewegungsachse zu drehen, während gleichzeitig ein genau vorhersagbarer Weg für den reflektierten Laserstrahl aufrechterhalten wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es, ein zusätzliches Stützglied an dem Gelenk fest anzubringen, und zwar in einer solchen Weise, daß es mit dem Gelenk um die oben beschriebene Bewegungsachse rotiert. Dieses zusätzliche Stützglied erlaubt es, ein zweites Gelenk an ihm drehbar derart zu befestigen, daß eine Spiegeloberfläche eines zweiten reflektierenden Gliedes innerhalb des zweiten Gelenkes angeordnet werden kann, und zwar in einer solchen Weise, daß es von einer zweiten Bewegungsachse durchstoßen wird, die zwischen

dem Gelenk und der Spiegeloberfläche des ersten Gelenkes liegt und entlang der der reflektierte Laserstrahl läuft.

Die Bewegungsachse des optischen Gelenkes fällt mit der des Roboterarms zusammen, an dem es angebracht ist. Bei einem vielgelenkigen Roboterarm ist jedes Segment des Roboterarms mit einem geraden Segment des Lichtstrahls verknüpft. Das Armsegment und das Strahlsegment bewegen sich synchron zueinander. Der Roboterarm kann an ein röhrenförmiges Glied und eine optische Verbindung angebracht werden oder alternativ können diese lichtausrichtenden Bauelemente innerhalb des Roboterarms selbst einbezogen werden.

Es wird deutlich, daß mit der vorliegenden Erfindung es möglich wird, einen kollimierten Lichtstrahl entlang den gelenkigen Armen eines Roboters laufenzulassen und den Lichtstrahl mit diesen synchron zu bewegen. Es wird ebenfalls deutlich sein, daß durch entsprechende Wahl des Typs der Anzahl der oben beschriebenen Gelenke oder Verbindungen ein Roboter so ausgestaltet werden kann, daß er in der Lage ist, einen Laserstrahl an praktisch jeden Punkt innerhalb eines geometrischen Bereichs und in praktisch jedem Winkel zu diesem Raumpunkt zu liefern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein optisches Gelenk gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein optisches Gelenk gemäß der vorliegenden Erfindung in Ausrichtung zu einem Motor und einer Stützeinrichtung;

Fig. 3 einen Roboter, der eine Vielzahl von optischen Gelenken gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ; und

Fig. 4 ein optisches Gelenk gemäß der Erfindung, angebracht in gleitender Beziehung zu einem S^tützarm.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein einen Lichtstrahl ausrichtendes Gerät, insbesondere aber ein Gelenk, das in Verbindung mit einem Roboter dazu verwendet werden kann, den Weg eines kollimierten Laserstrahls auszurichten.

Fig. 1 erläutert eine erfindungsgemäße Ausführungsform des optischen Gelenkes. Das Gelenk 10 umfaßt ein Rahmenglied 12, das an einem Stützglied 14 drehbar angebracht ist. Der Rahmen ist in Fig. 1 derart dargestellt, daß an ihm eine rohrförmige Erstreckung 16 fest angebracht ist. Es sollte bemerkt werden, daß diese Erstreckung 16 alternativ auch ein integraler Teil des Rahmens 12 sein könnte und daß die Darstellung in Fig. 1 die Erstreckung 16 nur aus Konstruktionsgründen bevorzugt und nicht unbedingt notwendig ist. Der Rahmen 12 und das Erstreckungsglied 16 sind so dargestellt, daß sie auf dem Stützglied 14 drehbar montiert sind. Der Rahmen 12 ist in einer solchen Weise montiert, daß er um eine Bewegungsachse AM rotieren kann.

Innerhalb der Rahmenstruktur 12 ist ein reflektierendes Glied 17 angeordnet. Das reflektierende Glied 17 besitzt einesSpiegeloberfläche 18, die in einer solchen Weise angeordnet ist, daß die Bewegungsachse AM durch sie hindurchläuft. Das reflektierende Glied 17 ist mit einer Einrichtung versehen, um seine Position innerhalb des Rahmen 12 einzustellen. In Fig. 1 ist diese Einstelleinrichtung in Form eines Paares von mit Gewinde versehenen Gliedern 20, 21 dargestellt, die einstellbar sind, um so die Position des reflektierenden Gliedes 17 und dessen Spiegeloberfläche 18

mit Bezug auf die Bewegungsachse AM des Rahmengliedes 12 zu verändern.

Das Rahmenglied 12, wie in Fig. 1 dargestellt, kann um das Stützglied 14 gedreht werden, wie durch den Pfeil R angedeutet. Wenn ein kollimierter Lichtstrahl 24 veranlaßt wird, entlang der Bewegungsachse AM zu laufen und die Spiegeloberfläche 18 zu treffen, ergibt sich ein reflektierter Lichtstrahl 25. Da der Einfallswinkel gleich dem Reflektionswinkel ist, ergibt sich ein Winkel N von 45° zwischen der Spiegeloberfläche 18 und der Bewegungsachse AM bei einem reflektierten Strahl 25, der mit dem einfallenden Winkel 24 rechtwinklig ist. Es sollte bemerkt werden, daß zwar auch andere Werte für einen Winkel N innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen, daß jedoch ein rechter Winkel zwischen dem einfallenden Strahl 24 und dem reflektierten Strahl 25 für die vorliegende Erläuterung am günstigsten ist und daher hier benutzt wird.

Da das Rahmenglied 12 um seine Bewegungsachse AM gedreht wird, wird der reflektierte Strahl 25 um die Bewegungsachse AM in einer solchen Weise geschwenkt, daß er eine flache, ebene Oberfläche beschreibt. Abhängig von der Größe der Drehung des Rahmens 12 und des Erstreckungsgliedes 16 um die Bewegungsachse AM kann der reflektierte Strahl 25 in irgendeiner einer unendlichen Anzahl von Linien angeordnet werden, die sich radial von der Spiegeloberfläche 18 erstrecken.

Fig. 1 zeigt auch ein rohrförmiges Glied 28, das an dem Rahmen 12 angebracht ist. Wie noch in größeren Einzelheiten beschrieben werden wird, kann dies rohrförmige Glied 28 als ein Stützglied für einen anderen Rahmen und ein anderes reflektierendes Glied in der gleichen Weise verwendet werden, wie das Stützglied 14 benutzt wird, um eine drehbare Stütze für den Rahmen 12 und das reflektierende Glied 17 gemäß der Figur zu schaffen. Somit sollte deutlich werden,

daß eine Vielzahl von Gelenken, wie das in der Fig. 1 dargestellte, miteinander kombiniert werden kann, um einen kollimierten Lichtstrahl in eine vorgewählte bestimmte Richtung zu richten. Es sollte auch bemerkt werden, daß solange, wie der einfallende Lichtstrahl 24 entlang der Bewegungsachse AM der Spiegeloberfläche 18 gerichtet ist, ein entsprechender reflektierter Strahl 25 in irgendeine einer unendlichen Anzahl von Richtungen reflektiert werden kann. Das Rahmenglied 12 der Fig. 1 ist auch so dargestellt, daß es eine Einlaßöffnung 30 und eine Auslaßöffnung 32 besitzt, die derartig angeordnet sind, daß sie gemeinsam ein Hindurchtreten des einfallenden Lichtstrahls 24 und des reflektierten Lichtstrahls 25 durch das Rahmenglied 12 ermöglichen.

Fig. 2 erläutert die Anwendung der vorliegenden Erfindung als ein Ausführungsbeispiel einer Vielzahl von Gelenken bei einem Robotersystem. Ein Hauptstützglied 40 liefert die mechanische Stütze für die gesamte Lenkanordnung. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist das Hauptstützglied 40 direkt an einem rohrförmigen Glied 42 angebracht, das wiederum die Stütze für ein Gelenkglied 43 liefert, das in sich eine Spiegeloberfläche umfaßt (in Fig. 2 nicht dargestellt, aber in Einzelheiten in Fig. 1 erläutert). Das Gelenkglied 43, wie es in dem beispielhaften System gemäß Fig. 2 benutzt wird, ist nicht an dem rohrförmigen Glied 42 drehbar angeordnet, sondern dient statt dessen nur dazu, den einfallenden Lichtstrahl 44 in einem rechten Winkel zu seinem ursprünglichen Weg zu reflektieren. Vergleicht man Fig. 1 mit Fig. 2, so ist die Gelenkstruktur der Fig. 2 analog zu dem Rahmen 12 in Fig. 1. Auch ist das rohrförmige Verbindungsglied 47, das in Fig. 2 zwischen den Gelenken 43 und 46 angeordnet dargestellt ist, analog zu dem stationären Stützglied 14 der Fig. 1. Mit anderen Worten, die meisten grundlegenden Elemente der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 2 so dargestellt, daß es sich um das Gelenk 46 handelt, welches in Verbindung mit dem Stützglied 47 angewendet wird. Es

sollte bemerkt werden, daß gemäß der Illustration in Fig. 2 das erfindungsgemäße optische Gelenk auch mit anderen, in etwa ähnlichen Gelenken angewendet werden kann, um so die Ausrichtung eines kollimierten Lichtstrahles in irgendeiner einer unbegrenzten Zahl von Richtungen zu erleichtern.

Der eintreffende Lichtstrahl 44 in Fig. 2 läuft von seiner Quelle in Richtung des Pfeiles 48 durch das rohrförmige Glied 42 und trifft eine Spiegeloberfläche innerhalb des Gelenkes 43, die in einem Winkel von 45° zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls 44 angeordnet ist. Der Lichtstrahl wird dann von der Spiegeloberfläche entlang der Achse A4 reflektiert. Der Lichtstrahl läuft dann entlang Achse A4 in Richtung auf eine Spiegeloberfläche innerhalb des Gelenkes 46. Dieser Lichtstrahl, während er vom Gelenk 43 zum Gelenk 46 läuft, wandert durch das Stützglied 47, das dazwischen angeordnet ist. Innerhalb des Gelenkes 46 reflektiert eine Spiegeloberfläche, die in einem Winkel von 45° zur Achse A4 angeordnet ist, den Lichtstrahl in einem Winkel von 90° zu dieser Achse. Dieser reflektierte Lichtstrahl 49 läuft durch eine Öffnung im Gelenk 46, durch ein rohrförmiges Glied 50 und dann weiter in die Richtung, die durch den Pfeil 52 dargestellt wird. Obwohl die Gelenkkomponenten, die in Fig. 2 dargestellt sind, nicht geschnitten sind, aus Gründen der Deutlichkeit, ist verständlich, daß der sich ergebende Weg des Lichtstrahls das rohrförmige Glied 42 in durch den Pfeil 68 dargestellter Richtung betritt, auf eine Spiegeloberfläche innerhalb des Gelenkes 43 auftrifft und entlang der Achse A4 reflektiert wird, durch das rohrförmige Stützglied 47 hindurchläuft, auf einen anderen Spiegel auftrifft, der innerhalb des Gelenkes 46 angeordnet ist und im Winkel von 90° bezüglich der Achse A4 in eine Richtung reflektiert wird, die vom Pfeil 52 angegeben wird.

Fig. 2 erläutert auch die Anwendung eines Motors 54, der in einer solchen Wei3e vorgesehen wird, daß er die Drehung des Gelenkes 46 um die Achse A4 bewirkt. Das Hauptstützglied 40

ist an einem Bügel oder Gabelgelenk 56 angebracht, das mit einem Drehglied 58 drehbar verknüpft ist. Der Motor 54 ist an dem Kabelglied 56 fest angebracht und mit dem Drehglied

58 in einer solchen Weise, daß der Motor 54 eine Drehkraft auf das Drehglied 58 und die daran angebrachte Plattform ausüben kann. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Plattform 60 fest an dem optischen Gelenk 46 angebracht. Diese Konfiguration ermöglicht dem Motor 54, die Verbindung 46 zur Drehung um die Achse A¹I zu bringen. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist diese Eigenschaft wichtig für eine richtige Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 macht auch die Beziehung des Stützarms 40 und des geraden Abschnittes des Lichtstrahls 44 deutlich, der sich in Richtung des Pfeiles 48 erstreckt und auf die Spiegeloberfläche innerhalb des optischen Gelenkes 43 auftrifft. Der Stützarm 40 und das Rohrglied 42 sind fest miteinander verbunden und bewegen sich daher synchron. Bei Anwendung in einem Robotersystem, das einen Arm mit einer Vielzahl von starren Segmenten verwendet, würde jedes Segment in ähnlicher Weise an optischen Elementen angebracht sein, die einen Lichtweg in konstanter geometrischer Beziehung zu dem Armsegment halten. Ebenso wird der Lichtstrahl an einem optischen Gelenk an einem Punkt entlang der Bewegungsachse des Gelenkes des Arms abgelenkt, so daß jedes Armsegment sich synchron mit seinem zugehörigen Lichtstrahlsegment bewegt.

Da das optische Gelenk 46 um die Achse A4 sich dreht, und der Lichtstrahl sich entlang der Achse A4 erstreckt, wird der Lichtstrahl einen Punkt auf der Spiegeloberfläche innerhalb des Gelenkes 46 treffen und dieser Punkt wird konstant bleiben, unabhängig von der Drehung des Gelenkes 46 um die Achse A4. Daher wird der reflektierte Lichtstrahl 49 in einer konstanten geometrischen Beziehung zu dem Gelenk 46 bleiben, unabhängig von seiner Drehposition um die Achse A4.

Es sollte bemerkt werden, daß, obwohl die Gelenke 43 und 46, die in Fig. 2 dargestellt sind, nicht in Schnittansichten dargestellt sind, sie innere Teile besitzen, die identisch zu denen arbeiten, die in Fig. 1 wiedergegeben sind. Jedes Gelenk besitzt ein reflektierendes Glied, das eine Spiegeloberfläche auf sich besitzt, und jedes reflektierende Glied ist innerhalb seines entsprechenden Rahmengliedes einstellbar.

Fig. 3 zeigt einen Roboter, der eine Vielzahl von optischen und mechanischen Gelenken verwendet. Der beispielhafte Roboter, der in Fig. 3 dargestellt ist, besitzt eine Basis

80, die fest an einer Oberfläche befestigt ist, wie beispielsweise am Boden der Fabrikhalle. Der Roboter umfaßt eine Anzahl von drehbar angeordneten Armen, die mit der Basis 80 drehbar verbunden sind. Das Robotersystem umfaßt auch ein stationäres optisches Gelenk 82, zusammen mit einem rohrförmigen Glied 84, das an diesem angebracht ist. Es sollte bemerkt werden, daß das Basisglied 80, das optische Gelenk 82 und sein rohrförmiges Glied 84 während des Betriebs des Roboters ebenfalls stationär bleiben. Der Rest der drehbar angeordneten Arme sowie die zugehörigen Stützglieder dieses Robotersystems, das in Fig. 3 dargestellt ist, können um die Achse A1 frei gedreht werden.

Ein kollimierter Lichtstrahl 86 wird in das Robotersystem in Richtung des Pfeiles 87 eingeführt. Dieser Lichtstrahl -86 läuft durch das Rohrglied 84 und dann in das Gelenk 82. Es sollte bemerkt werden, daß jedes der optischen Gelenke, die in Fig. 3 dargestellt sind, ein inneres reflektierendes Glied mit einer darauf befindlichen Spiegeloberfläche umfaßt. In diesem Beispiel besitzt jedes der optischen Gelenke eine Spiegeloberfläche, die in einem Winkel von 45° zu dem entsprechenden eintreffenden Lichtstrahl angeordnet ist. Diese geometrische Konfiguration liefert einen Reflektionswinkel von 90° zwischen dem einfallenden und dem reflektierten Lichtstrahl des optischen Gelenkes. Daher sollte bemerkt

werden, daß bei Durchtritt des Lichtstrahls gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Roboter bei jedem optischen Gelenk der Lichtstrahl in einem Winkel von 90° zwischen einfallendem und reflektiertem Weg reflektiert wird.

Der Lichtstrahl 86, der das Gelenk 82 betritt, wird entlang der Achse Al nach unten reflektiert, durch das rohrförmige Glied 88 und von dort in das Gelenk 89. Wie dargestellt, ist das Gelenk 89 an dem rohrförmigen Glied 88 in einer solchen Weise drehbar angeschlossen, daß es in der Lage ist, um die Achse A1 zu rotieren. Der Lichtstrahl, der eine Spiegeloberfläche innerhalb des Gelenkes 89 trifft, wird durch das Stützglied 90 und von dort in das Gelenk 82 hineinreflektiert. Da die Achse A1 in Fig. 3 vertikal angeordnet dargestellt ist und da der Lichtstrahl 86 das rohrförmige Glied

84 in horizontaler Richtung betritt, verläuft der Strahl in einer horizontalen Richtung, während er vom Gelenk 89 zum Gelenk 92 wandert.

Da der Lichtstrahl entlang der Achse A1 läuft, während er die Spiegeloberfläche des Gelenkes 89 trifft, verbleibt dessen Auftreffpunkt auf der Spiegeloberfläche konstant, während sich das Gelenk 89 um die Achse A1 dreht. Es sollte bemerkt werden, daß dieses Hindurchlaufen des eintreffenden Lichtstrahls entlang der Achse der Drehung des Gelenkes und dessen Spiegeloberfläche ein wichtiges Element der vorliegenden Erfindung ist, da dieses Merkmal die Konstanz des Ortes des Punktes sicherstellt, an dem der Lichtstrahl die Spiegeloberfläche trifft, unabhängig von der Drehposition des Gelenkes 89. Daher verbleibt der reflektierte Lichtstrahl, der in diesem Falle von dem Gelenk 89 zum Gelenk 92 wandert, in einer konstanten Position mit Bezug auf die Spiegeloberfläche und das Gelenk 89. Nach dem Hineinlaufen in das Gelenk 92 und Auftreffen auf dessen reflektierende Oberfläche wird der Lichtstrahl vertikal nach unten durch das rohrförmige Glied 94 und in das Gelenk 96 abgelenkt. Aus der Fig. 3 ist zu erkennen, daß das Gelenk 92, das rohr-

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förmige Glied 94 und das Gelenk 96 fest aneinander angebracht sind und als ein einziger Körper sich bewegen. Daher sollte bemerkt werden, daß diese fest angebrachte Kombination von Gelenken und rohrförmigem Glied nicht selbst das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung darstellt. Statt dessen dient diese Kombination von Gelenken dazu, das Hindurchtreten des Lichtstrahles von seiner horizontalen Richtung zwischen den Gelenken 89 und 92 zu einer niedrigeren Position zu übersetzen. Der vertikal absteigende Lichtstrahl, der durch das rohrförmige Glied 94 in das Gelenk 96 eintritt, wird durch das reflektierende Glied dieses Gelenkes in eine horizontale Richtung abgelenkt, und läuft dann durch ein rohrförmiges Zwischenglied in das Gelenk 98. Der Lichtstrahl, der vom Gelenk 96 zum Gelenk wandert, läuft entlang der Achse A2, die auch die Bewegungsachse des Gelenkes 98 ist. Diese Drehung des Gelenkes 98 wird durch die Bewegungskraft des Motors 100 verursacht, dessen Drehachse mit der Achse A2 zusammenfällt. Es sollte daher bemerkt werden, daß das Hindurchtreten des Lichtstrahls zwischen den Gelenken 96 und 98 in einer horizontalen Ebene erfolgt, in der die Achse A2 liegt, die parallel zu einer horizontalen Ebene, in der der ursprüngliche Lichtstrahl 86 gelaufen ist, als er das rohrförmige Glied 84 betrat. Beide dieser horizontalen Ebenen sind natürlich senkrecht zur Bewegungsachse A1, um die die beweglichen Komponenten des Roboters sich drehen. Während die beweglichen Komponenten des Roboters um die Achse A1 sich drehen, verbleibt der horizontal laufende Lichtstrahl zwischen den Gelenken 96 und 98 in seiner konstanten horizontalen Ebene, wobei er weg von der Achse A1 in sich ändernde Winkelrichtungen läuft. Eine Drehung des Motors 100 führt zu einer Bewegung des Stützarmes 102 und des rohrförmigen Gliedes um einen Drehpunkt, der auf der Achse A2 liegt. Während der Lichtstrahl aus dem Gelenk 98 in einem Winkel von 90° bezüglich der Achse A2 austritt, läuft er durch das rohrförmige Glied 104 zu dem Gelenk 106. Es sollte bemerkt werden, daß bei Drehung des rohrförmigen Gliedes 104 infolge

der Wirkung des Motors 100 der Stützarm 102 mit seinem Gabelglied 106 sich ebenfalls um die Achse A2 in einer solchen Weise dreht, daß der Motor 108 ständig zu dem Gelenk 106 ausgerichtet bleibt, wobei die Achse A3 durch beide diese Komponenten hindurchläuft. Die Drehachse des Motors 108 wie auch die Verbindung 106 liegen beide auf einer Achse A3, und das Lichtbündel, das von der Spiegeloberfläche des Gelenkes 106 in die Verbindung 108 reflektiert wird, läuft ebenfalls entlang dieser Achse A3· Während der Lichtstrahl von dem Gelenk 106 zu dem Gelenk 109 entlang der Achse A3 läuft, durchläuft er ein Zwischenglied 110, das mit entweder dem Gelenk 106 oder dem Gelenk 109 drehbar verbunden und mit dem jeweils anderen fest verbunden ist. Obwohl die Verbindung 106 fest an dem rohrförmigen Glied 104 befestigt ist, kann sich das Gelenk 109 frei um die Achse A3 aufgrund der Drehung des Motors 108 rotieren. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, bewirkt die Drehung des Motors 108, daß der Stützarm 40 und das rohrförmige Glied 42 um Achse A3 sich drehen.

Es sollte deutlich werden, daß die Achse A4 und deren zugehörige Komponenten identisch sind zu den Komponenten, die in Fig. 2 dargestellt sind. Wie weiter oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, veranlaßt der Motor 54, der an dem Drehglied 58 befestigt ist, die Drehung des Gelenkes 46 um die Achse A4 aufgrund der Verbindung zwischen dem Drehglied 58 und dem Gelenk 46 über das Plattformglied 60. Der Lichtstrahl, der von dem Gelenk 106 zürn Gelenk 109 läuft, wird an einem Winkel von 90° zur Achse A3 reflektiert und läuft durch das Rohrglied 42, bevor er eine Spiegeloberfläche auf einem reflektierenden Glied innerhalb des Gelenkes 43 auftrifft. Wie weiter oben beschrieben, wird das in das Gelenk 43 hineinlaufende Licht durch das Rohrglied 47 in das Gelenk 46 hineinreflektiert, wo es in einem Winkel von 90° zur Achse A4 abgelenkt wird und durch das rohrförmige Glied 50 hindurchläuft.

Der in Fig. 3 dargestellte Roboter umfaßt auch optische Glieder 110, 114, 118 und 122, wie dargestellt. Diese optischen Gelenke, die rohrförmige Glieder 112, 116 und 120 zwischen sich umfassen, sind miteinander drehbar verbunden, werden aber nicht notwendigerweise automatisch in einer relativen Drehbewegung während des Betriebs des in Fig. 3 dargestellten Roboters angetrieben. Diese optischen Gelenke können während des Betriebs motorangetrieben sein, können aber auch bei bestimmten Drehstellungen relativ zu ihren angrenzenden optischen Gelenken fixiert sein. Diese Wahl wird von der jeweiligen Anwendung des Roboters abhängen. Wenn man dies berücksichtigt, sollte verständlich werden, daß die optischen Gelenke 114 und 118 relativ zueinander um eine Achse A7 umlaufen können, und daß die optischen Gelenke 118 und 122 mit Bezug zueinander um eine Achse A6 rotieren können.

Während der Lichtstrahl von seinem Eintrittspunkt in das Rohrglied 84 durch alle rohrförmigen Zwischenglieder und optischen Gelenke hindurchläuft und schließlich in das Gelenk 122 gelangt, wird der Lichtstrahl kollimiert und auf im wesentlichen konstanten Querschnitt gehalten. Um jedoch funktionieren zu können, muß der Lichtstrahl 126 an einem Anwendungspunkt 128 fokussiert werden. Diese Fokussierung des kollimierten Lichtstrahls 86 zu einem fokussierten Lichtstrahl 126 wird durch geeignete Fokussierlinsen erreicht, die innerhalb des Fokussiergliedes 124 angeordnet sind. Es sollte bemerkt ,werden, daß die besondere Art des Fokussiermechanismus, der innerhalb des Fokussiergliedes verwendet wird, kein kritisches Element der vorliegenden Erfindung ist und daß ein Roboter, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, viele Methoden der Fokussierung innerhalb seines Schutzbereichs verwenden kann. Eingeschlossen in diese verschiedenen Fokussierungsverfahren ist die Verwendung einer parabolischen reflektierenden Oberfläche, die so angeordnet ist, daß sie eine um 90° außerachsig liegende Anordnung bildet, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.

Natürlich sollte beachtet werden, daß das spezielle Fokussiergerät eine Funktion der jeweiligen Anwendung sein wird, bei der die vorliegende Erfindung benutzt wird.

In Fig. 3 ist die vorliegende Erfindung in verschiedenen Anwendungsbeispielen erkennbar. Das optische Gelenk 89 ist fest an dem Roboterarm 130 angebracht, und dessen Eintrittslichtstrahl liegt auf der Achse A1, welche Achse die Bewegungsachse von sowohl dem Arm 130 wie auch dem optischen Gelenk 89 ist. Diese Hauptachse A1 des in Fig. 3 dargestellten Robotersystems ist nur eines von zahlreichen beispielhaften Illustrationen der vorliegenden Erfindung. An jeder Rotationsbewegungsachse können die grundlegenden Elemente der vorliegenden Erfindung erkannt werden. Diese Elemente umfassen die synchrone Assoziierung eines optischen und eines mechanischen Gelenkes, einer reflektierenden Oberfläche, die innerhalb des optischen Gelenkes angeordnet ist, und die konstante geometrische Beziehung zwischen dem Roboterarm und einem Segment des Strahls von kollimiertem Licht, das auf die reflektierende Oberfläche auftrifft.

Fig. 4 erläutert eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie umfaßt zwei optische Gelenke, 140 und 142, die in axial versetzter Beziehung zueinander stehen. Nimmt man an, daß das Gelenk 140 im Raum fixiert ist, kann das Gelenk 142 entweder von dem Gelenk 140 weg oder auf dieses zu entlang seiner Bewegungsachse A8 in den von dem Pfeil 144 angedeuteten Richtungen bewegt werden. Mit anderen Worten, die Verbindung 142 kann alternativ die durch die Bezugszahlen 142 und 142 - u. a. - angedeuteten Positionen alternativ annehmen. Wenn ein kollimierter auftreffender Lichtstrahl 146 hindurchtritt, in Richtung des Pfeils 148, durch ein rohrförmiges Glied 150 in das Gelenk 140 hinein, trifft der Lichtstrahl auf ein reflektierendes Glied 152 auf und wird in einem Winkel von 90° entlang dem Lichtstrahl reflektiert. Dieser Lichtstrahl 154 läuft durch ein Rohrglied 156, entlang der Bewegungsachse A8 und von dort in das

Gelenk 142 hinein. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist das Gelenk 142 an einem Rohrglied 158 fest angebracht, und das Rohrglied 158 ist in gleitender Beziehung zu dem Rohrglied-

156 angeordnet. Während diese zwei gleitend zueinander zugeordneten Rohrglieder axial mit Bezug zueinander in durch den Pfeil 144 angedeuteter Richtung sich bewegen, bewegt sich das Gelenk 142 entweder auf das Gelenk 140 zu, oder von diesem weg. Solange wie das reflektierende Glied 160 des Gelenkes 142 an einem konstanten Winkel von 45° zu dem Lichtstrahl 154 positioniert ist, läuft der sich ergebende reflektierende Lichtstrahl 162 von dem reflektierenden Glied 160 aus dem optischen Glied 142 heraus und durch das rohrförmige Glied 164 in eine Richtung, die einen Winkel von zu dem Lichtstrahl 154 bildet. Daher wird, während sich das optische Gelenk 142 in dieser axialen Beziehung zu dem optischen Gelenk 140 bewegt, der sich ergebende abgelenkte Lichtstrahl 162 sich in einem linearen Weg bewegen. Es sollte bemerkt werden, daß das Gelenk 142, das in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, sowie seine zugehörigen Komponenten, die mit ähnlichen, mit einem Strich versehenen Bezugszahlen versehen sind, eine alternative Position dieses optischen Gelenkes darstellen.

Die Konfiguration in Fig. 4 könnte auch eine drehbare Zusammenstellung von rohrförmigen! Glied I58 mit rohrförmigem Glied 156 umfassen. Diese drehbare Zusammenstellung könnte es dem optischen Gelenk 142 und seinem daran angebrachten rohrförmigen Glied 158 erlauben, bezüglich des rohrförmigen Gliedes 156, wie durch Pfeil I70 gezeigt, rotieren. Solange wie der Lichtstrahl 154 entlang einer Bewegungsachse A8 läuft, die auch die Bewegungsachse des optischen Gelenkes-

142 ist, wird der reflektierte Lichtstrahl 162 bezüglich des Gelenkes 142 in fester Beziehung bleiben und kann in Kombination mit anderen ähnlich konstruierten Gelenken wie oben beschrieben benutzt werden. Obwohl die besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 4

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dargestellt ist, sowohl axiale wie auch rotierende Bewegungen des Gelenkes 142 verwendet, sollte doch deutlich gemacht sein, daß diese Bewegungen nicht notwendigerweise beide in einem Strahlausgabesystem gemäß der Erfindung auftreten müssen. Beispielsweise könnte ein Strahlausgabegerät gemäß der Erfindung lediglich eine oder auch mehrere geradlinige Achsen mit einer einzigen Rotationsachse verwenden oder auch mit einer Mehrzahl von Rotationsachsen (wie in Fig. 3 dargestellt) ohne Verwendung einer geradlinien Achse. Es sollte auch bemerkt werden, daß die Verwendung des Ausdrucks "axial" hier sich auf Anwendungen bezieht, in der das optische Gelenk in eine Richtung sich bewegt, die parallel ist zu seinem eintreffenden Lichtstrahl.

Die in Fig. H dargestellte Konfiguration erläutert eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine axiale Bewegung seines optischen Gelenkes ermöglicht. Solange wie der eintreffende Lichtstrahl auf der Bewegungsachse A8 des optischen Gelenkes oder Verbindung liegt, wird die vorliegende Erfindung richtig arbeiten. Diese Bewegungsachse kann entweder für eine Axialbewegung oder für eine ^Rotationsbewegung oder auch für eine Kombination davon sein. Es sollte bemerkt werden, daß zwar in Fig. 4 keine Motoren dargestellt sind, daß jedoch die vorliegende Erfindung berücksichtigt, daß derartige Motoren in einer solchen Weise angeordnet sind, daß sie die optischen Gelenke oder Verbindungen gemäß der Erfindung veranlassen, sich um eine Bewegungsachse AS zu bewegen, die mit dem Strahl von kollimiertem Licht zusammenfällt, welches auf die Spiegeloberfläche der optischen Verbindung (bzw. des optischen Gelenkes) gemäß der vorliegenden Erfindung auftrifft.

Es ist wichtig, zu bemerken, daß die optische Verbindung (das optische Gelenk) gemäß der vorliegenden Erfindung bei vielen funktionell unterschiedlichen Apparaten anwendbar ist, solange wie die Basiselemente aufrechterhalten werden.

Eine optische Verbindung bzw. ein optisches Gelenk, das gemäß der beschriebenen Ausführungsform ausgeführt ist, besitzt ein reflektierendes Glied, das an seinem Rahmenglied in einer solchen Weise angebracht ist, daß ein eintreffender Lichtstrahl, der die optische Verbindung bzw. das optische Gelenk betritt, die Spiegeloberfläche trifft und von dort reflektiert wird. Weiterhin läuft der eintreffende Lichtstrahl, der das optische Gelenk (Verbindung) gemäß der vorliegenden Erfindung betritt, entlang einer Linie, die auch die Drehachse oder die Translationsachse des Rahmengliedes der Verbindung darstellt. Diese Eigenschaften führen dazu, daß der auftreffende Lichtstrahl einen festen Punkt auf der Spiegeloberfläche trifft, unabhängig von der Drehverschiebung oder Axialverschiebung um oder entlang der Achse. Der Vorteil dieses konstanten Punktes ist der, daß der abgelenkte Lichtstrahl in einer konstanten Position relativ zu der sich drehenden oder axial verschiebenden optischen Verbindung verbleibt, und daß dessen Position im Raum genau gesteuert werden kann. Ohne dieses Konstanz des Ortes dieses Punktes könnte die sich ergebende Bewegung des Lichtstrahles sowohl in der Richtung wie auch in der Stärke der Bewegung der optischen Verbindung unterschiedlich sein.

Während der obigen Diskussion wurde der Ausdruck "Bewegungsachse" benutzt, um den Weg zu beschreiben, entlang dem der Strahl des kollimierten Lichtes laufen muß. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß dieser Ausdruck genau so gut sich auf eine Rotationsachse oder auf eine Achse einer geradelinigen Bewegung beziehen kann. Bei Anwendungen, wo die optische Verbindung eine Rotationsbewegung ist, ist die Bewegungsachse die Gelenkachse der Drehung und der eintreffende Lichtstrahl muß einen Weg laufen, der mit dieser Achse zusammenfällt. Dem gegenüber ist bei Anwendungen, wo die Bewegung der optischen Verbindung geradlinig ist, die Achse der Bewegung die Verbindungsachse der Axialbewegung, entlang der sie sich bewegt. Im letzteren Fall muß der Lichtstrahl

ebenfalls entlang der Achse laufen, es sollte jedoch dem Fachmann deutlich werden, daß bei Anwendungen mit geradliniger Bewegung die Bewegungsachse auch entlang vielen dazu parallelen Linien verlaufen kann. Daher wird als Ausdruck "Achse der Bewegung" eine unterschiedliche Definition zutreffen, abhängig von der jeweiligen Art der Bewegung der Verbindung. Der Lichtweg in einer Rotationsanwendung muß direkt entlang der Bewegungsachse der Verbindung (das ist die Rotationsachse) verlaufen, damit die vorliegende Erfindung korrekt arbeitet. Da jedoch bei geradlinig angewendeten Verbindungen mehr als eine Bewegungsachse (d. h. Achsen geradliniger Bewegung) definiert werden können, kann der Lichtstrahl auf irgendeinem Weg liegen, der parallel zu der Bewegungsrichtung der Verbindung ist und der es dem Strahl ermöglicht, auf die Spiegeloberfläche der Verbindung aufzutreffen. Es sollte daher beachtet werden, daß der Ausdruck "Achse der Bewegung", wie er hier benutzt wird, sowohl Bedeutung einer Rotationsachse wie auch die Bedeutung einer Achse für eine geradlinige Bewegung umfaßt, abhängig von der jeweiligen Anwendung der vorliegenden Erfindung.

Es sollte deutlich geworden sein, daß die vorliegende Erfindung eine Einrichtung liefert, um einen kollimierten Lichtstrahl durch den Weg zu liefern, der von Stützarmen beschrieben wird, die sich in verändernden Winkelbeziehungen zueinander bewegen. Bei einem Robotersystem, das eine Vielzahl von Armsegmenten umfaßt, richtet diese Eigenschaft den Lichtstrahl entlang eines reflektierten Weges, der mit den Armsegmenten des Robotersystems zusammenfällt oder dazu parallel ist, und jedes Segment des Lichtstrahles bewegt sich synchron zu dem zugehörigen Armsegment. Es sollte außerdem deutlich geworden sein, daß es die vorliegende Erfindung möglich macht, den kollimierten Lichtstrahl vollständig in solcher Weise zu umschließen, daß der Lichtstrahl von Störungen durch von in der Luft schwebenden Unreinheiten wie beispielsweise Staub geschützt ist. Obwohl die vorlie-

gende Erfindung anhand eines besonderen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, sollte doch nicht unerwähnt bleibn, daß sie auch noch auf anderen Verwendungsgebieten eingesetzt werden kann.

ES/jn/wt i\

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Claims

. Ernst Stratmann

PATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

. Düsseldorf,

50,473 20. Januar 1984

Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Patentansprüche :

.1. Robotermanipulatorarmeinrichtung von Gelenkbauart, mit zumindest zwei gelenkig miteinander verbundenen Armen, die in einem vorbestimmten Winkel angeordnet und an einem Ende mit einer feststehenden Stelle verbunden sind und einen Endeffektor am anderen Ende tragen, wobei der Manipulator einen Lichtstrahl verwendet, der von der festen Stelle zu dem Endeffektor läuft, wobei der Lichtstrahl für das Arbeitsstück an dem Endeffektor benutzt werden soll, unabhängig von der Position, der Entfernung und der Orientierung des Endeffektors mit Bezug zu der festen Stelle, wobei jeder Arm ein erstes und ein zweites teleskopartiges hohles Glied mit einer gemeinsamen Achse umfaßt und wobei das zweite Glied in der Lage ist, sich relativ zu dem ersten Glied um diese gemeinsame Achse zu drehen, und wobei das zweite Glied auch in der Lage ist, eine teleskopartige Bewegung bezüglich des ersten Gliedes auszuführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator folgendes umfaßt: eine Lichtstrahlquelle an der festen Stelle, ein reflektierendes Glied (17, Fig. 1) mit einer reflek-

iT (BLZ ton IOO I O) I32736-IO9 · deutsche bank (BLZ 3OO7OOIO> 6 16O

tierenden Spiegelfläche (18, Fig. 1), das an sowohl dem ersten wie auch dem zweiten Ende eines jeden Arms montiert ist, und Einrichtungen (20, 21, Fig. 1), um den Befestigungswinkel des reflektierenden Gliedes (17, Fig. 1) bezüglich der gemeinsamen Achse einzustellen, wobei die Lichtstrahlquelle und die reflektierenden Glieder (17) derart befestigt sind, daß sie den Lichtstrahl (24, 25, Fig. 1) stets entlang einer Achse eines jeden hohlen Armes bewirken und aufrechterhalten, durch welchen der Lichtstrahl hindurchläuft, wobei für jede Art von zulässiger Bewegung des Endeffektors (124, Fig. 3) bezüglich der festen Stelle (80, Fig. 3) der Lichtstrahl den Endeffektor erreicht und niemals durch die gelenkigen Arme unterbrochen wird.
2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (20, 21, Fig. 1) zur Einstellung der Position des reflektierenden Gliedes (17) innerhalb des hohlen Gliedes (12, 16, 28, Fig. 1).
3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen zumindest ein mit Gewinde versehenes Glied (20 oder 21, Fig. 1) umfassen, das mit dem reflektierenden Glied (17, Fig· 1) verbunden ist und in Gewindebeziehung zu dem hohlen Glied (12, 16, 28, Fig. 1) steht.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützglied (14 , Fig. 1) vorgesehen ist, das so geformt ist, daß es im ersten Lichtstrahl (24) ermöglicht, durch es hindurchzulaufen, wobei das Stützglied (14, Fig. 1) an dem hohlen Glied (z. B. 16, 14 oder 28 gem. Fig. 1) in beweglicher Beziehung steht.
5. Gerät nach Anspruch 1, einschließlich Bewegungseinrichtungen, um jeden Arm oder jedes Glied zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtungen einen Motor darstellen, dessen Rotor mit der Bewegungsachse koaxial ist.