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Diese Erfindung bezieht sich auf optische
Positionsmeßsysteme und speziell auf solche, die zum Messen der Position
eines Roboterarms verwendet werden.
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Ein bekanntes optisches Positionsmeßsystem ist in UK Patent
Nr. 1 364 487 offenbart.
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In diesem wird ein Zeemanaufspaltungslaser benutzt, um zwei
parallel entgegengesetzt zirkularpolarisierte Laserstrahlen
zu erzeugen, die geringfügig verschiedene Frequenzen haben.
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Polarisationsoptiken werden dann zum Erzeugen einer kleinen
Winkeldifferenz zwischen den Richtungen der beiden
polarisierten Strahlen verwendet. Diese Strahlen erzeugen ein sich
bewegendes Interferenzmuster, das durch einen Sensor, der
einen Polarisator verwendet, detektiert wird.
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Durch Vergleich der Phase des sich bewegenden
Interferenzmusters am Sensor mit der Phase des sich bewegenden
Interferenzmusters an einem fixierten Referenzsensor kann die
Winkelposition des Sensors relativ zum Mustergenerator
berechnet werden.
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Es gibt eine Reihe von Nachteilen bei diesem System. Zuerst
ist die Winkelteilung zwischen den zwei Strahlen, welche
durch die Benutzung polarisierender Optiken erreicht werden
kann, relativ klein, z.B. ist ein Glan-Thompson-Prisma auf
ungefähr 25 bis 28 Grad begrenzt. Dies begrenzt den
Winkelbetriebsbereich, über welchen die Position des Sensors
berechnet werden kann. Es wäre wünschenswert, diesen
Winkelbetriebsbereich auf z.B. ungefähr 90 Grad auszudehnen. Wenn
dieses System zweitens zum Erzeugen eines Beugungsmusters,
das sich in zwei orthogonale Richtungen bewegt, benutzt
wird, ist es aufgrund von Lichtstreuung an den Flächen und
Fehlern in den polarisationsselektiven Optiken nicht
möglich, eine vollständige Teilung zwischen den zwei orthogonal
polarisierten Komponenten zu erzielen. Folglich wird es
zwangsläufig eine Kreuzungsinterferenz zwischen den zwei
Bewegungsrichtungen des Beugungsmusters geben, die zu einer
verminderten Genauigkeit führt.
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Diese Erfindung zielt darauf ab, ein optisches
Positionsmeßsystem zu erzeugen, das diese Nachteile überwindet.
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Diese Erfindung stellt ein optisches Positionsmeßsystem zur
Verfügung, das eine Lichtquelle, einen Lichtsensor, einen
Phasenkomparator und einen Interferenzmustergenerator
umfaßt, welche so angeordnet sind, daß im Gebrauch Licht von
der Lichtquelle vom Interferenzmustergenerator zum Erzeugen
eines sich bewegenden Interferenzmusters benutzt wird, das
auf den Lichtsensor fällt, und der Phasenkomparator die
Phase dieses Interferenzmusters mit der Phase eines
Referenzsignals vergleicht und dadurch eine Angabe über die
relativen Winkelpositionen der Lichtquelle und des Lichtsensors
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der
Interferenzmustergenerator eine Braggzelle ist und im Gebrauch Licht von der
Lichtquelle durch Braggbeugung in der Braggzelle in zwei
Strahlen gespalten wird und die zwei Strahlen zum Erzeugen
des sich bewegenden Interferenzmusters interferieren.
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Eine Reihe von Systemen, die die Erfindung verwenden, wird
nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 ein Positionsmeßsystem in schematischer und
Blockdiagrammform zeigt,
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Fig. 2 ein anderes Positionsmeßsystem in
schematischer und Blockdiagrammform zeigt, das die
Erfindung verwendet,
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Fig. 3 eine modifizierte Form des Systems von Fig.
2 in schematischer und Blockdiagrammform
zeigt,
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Fig. 4 ein weiteres Positionsmeßsystem in
schematischer und Blockdiagrammform zeigt, das die
Erfindung verwendet, und
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Fig. 5 ein weiteres Positionsmeßsystem in
schematischer und Blockdiagrammform zeigt, das die
Erfindung verwendet;
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identische Teile haben durchweg die gleichen Referenzzahlen.
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Nach Fig. 1 hat ein Roboterarm 1 eine starr an ihm montierte
Laserdiode 2. Licht von der Laserdiode 2 strahlt in alle
Richtungen und ein Teil des Lichtes fällt auf ein entfernt
angeordnetes Lagemeßsystem 3, das am Rande des
Arbeitsvolumens des Roboterarms befestigt ist.
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Das Licht, das auf das Lagemeßsystem 3 fällt tritt durch ein
sich bewegendes Beugungsgitter 4, das am Rand einer
transparenten rotierenden Scheibe ausgebildet ist. Die Scheibe ist
hochkant in Fig. 1 zu sehen und rotiert um eine Achse
parallel zur Papierebene, so daß sich der Abschnitt des sich
bewegenden Beugungsgitters 4 in die Richtung 5 bewegt. Diese
Interferenzstreifen werden nach Durchgang durch ein zweites,
fixiertes Beugungsgitter 7 von einem Photodetektor 6
beobachtet.
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Eine im Lagemeßsystem 3 fixierte Lichtquelle 8 sendet
ebenfalls Licht durch das sich bewegende Beugungsgitter 4, und
dieses Licht tritt dann durch eine fixierte Blende 9 und
wird von einem zweiten Photodetektor 10 empfangen.
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Die Signale von den zwei Photodetektoren 6 und 10 werden
einem Phasenkomparator 11 zugeführt. Alle beide Signale
werden bei derselben Frequenz sinusförmig moduliert, wobei
diese Frequenz von der Rotationsgeschwindigkeit und dem
Linienabstand des sich bewegenden Beugungsgitters 4 abhängt.
Die relative Phase der zwei Signale wird solange fixiert,
wie die Laserdiode 2 in einer konstanten Lage zum
Lagemeßsystem 3 bleibt. Wenn sich die Lage der Laserdiode 2 ändert,
wird sich die Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen
verändern, die Phasendifferenz wird jedoch konstant bleiben,
falls sich die Rotationsgeschwindigkeit des Beugungsgitters
4 verändert. Der Ausgang des Phasenkomparators 11 wird einem
Computer 12 zugeführt, der die Zahl der Zyklen der
Phasenverschiebung, die sich ereignen, speichert und einen
Algorithmus benutzt, um daraus die Winkelbewegung der Laserdiode
2 relativ zum Lagemeßsystem 3 zu berechnen.
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Der Computer 12 wird ebenfalls Phasenmessungen entlang den
Leitungen 13 und 14 von zwei weiteren Lagemeßsystemen,
ähnlich dem Lagemeßsystem 3 aber unterschiedlich orientiert und
vom System 3 getrennt, erhalten, so daß eine Berechnung der
Position der Laserdiode 2 in drei Dimensionen möglich ist.
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Da das System nur Veränderungen in einer Lage messen kann,
ist es notwendig, den Roboterarm zur Eichung in eine
Referenzposition zu bringen, wenn das System zum ersten Mal
angeschaltet wird.
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Das Hauptproblem eines solchen Systems besteht in der
Notwendigkeit eines mechanisch bewegten Beugungsgitters, denn
zwangsläufig erzeugt jedes mechanisch bewegte Teil Probleme
mit dem Verschleiß, der Zuverlässigkeit und Stabilität.
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Nach Fig. 2 beinhaltet ein Interferenzmustertransmitter 14
eine Laserdiode 15. Eine Linse 16 fokussiert Licht von der
Laserdiode 15 zu einem Strahl 21, der durch einen
akustooptischen Modulator 17 tritt. Der akustooptische Modulator
17 umfaßt eine Braggzelle 18, in welche akustische Wellen
durch einen elektroakustischen Wandler 19 projiziert werden.
Eine Signalquelle 20 versorgt den elektroakustischen Wandler
19 mit einer 20 MHz Wechselspannung.
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Folglich tritt Braggbeugung in der Braggzelle zwischen dem
Lichtstrahl 21 von der Laserdiode und den akustischen Wellen
in der Braggzelle 18 auf, die zwei Lichtstrahlen erzeugt,
nämlich einen ersten ungebrochenen Strahl 22, der dieselbe
Frequenz wie der Strahl 21 hat, der in die Braggzelle
eintritt und einen zweiten gebrochenen Strahl 23, der eine
infolge von Dopplerverschiebung geringfügig veränderte
Frequenz zum Strahl 21 hat, der in die Braggzelle eintritt,
wobei der Unterschied in der Frequenz 20 MHz ist, was der
Modulationsfrequenz der Braggzelle entspricht.
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Ein Prisma 24 befindet sich im Weg des zweiten Strahls 23
und lenkt ihn so ab, daß er den ersten Strahl 22 kreuzt.
Falls die zwei Strahlen dieselbe Frequenz hätten, würden sie
ein statisches Interferenzmuster erzeugen, aber da die
Strahlen Frequenzen haben, die um 20 MHz differieren, erzeugen
sie ein Interferenzmuster, das sich mit einer Frequenz von
20 MHz bewegt, d.h. daß die Intensitätsspitzen des
Interferenzmusters einen festen Punkt mit einer Rate von 20
Millionen pro Sekunde passieren werden. Die
Interferenzstreifen bewegen sich in die Richtung des Pfeiles 37.
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Eine Mikroskopobjektivlinse 25 im Weg der zwei Strahlen
weitet das Interferenzmuster über einen breiten Winkel aus.
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Der Interferenzmustertransmitter 14 ist an einer fixierten
Position befestigt, so daß das Interferenzmuster, das er
erzeugt, über das ganze Arbeitsvolumen eines Roboters 26
projiziert wird.
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Am Roboter 26 ist ein Empfänger 27 befestigt. Der Empfänger
27 besitzt eine Blende 28, durch welche das
Interferenzmuster vom Transmitter 14 auf einen Photodetektor 29 fällt.
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Innerhalb des Transmitters 14 lenkt ein Strahlteiler 30
einen Teil der zwei Strahlen 22 und 23 ab, so daß das
resultierende Interferenzmuster auf eine fixierte Blende 31
fällt. Licht, das durch die fixierte Blende 31 tritt, fällt
auf einen Referenzphotodetektor 32.
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Die Signale von den zwei Photodetektoren 29 und 32 werden
durch einen Phasenkomparator 33 verglichen. Alle
Veränderungen in den relativen Phasen der zwei Signale müssen auf die
Winkelbewegung des Empfängers 27 relativ zum Transmitter 14
zurückgeführt werden. Das Phasendifferenzsignal wird einem
Computer 34 zugeführt, der auch Signale über die Leitungen
35 und 36 von zwei anderen ähnlichen Systemen erhält, die
sich an unterschiedlichen Orten um das Arbeitsvolumen des
Roboters herum befinden und in unterschiedlichen Ebenen
abtasten. Der Computer 33 speichert die Zahl der Phasenzyklen,
bei welchen die Phasensignale variieren und benutzt einen
Algorithmus, um daraus die dreidimensionale Position des
Roboters 26 zu berechnen.
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Wieder kann das System nur Veränderungen in der Lage messen
und muß zur Eichung mit einer bekannten Referenzposition des
Roboters beginnen, um die absolute Position des Roboters zu
messen.
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Temperaturveränderungen können die Ringabstände durch
thermische Expansion und Kontraktion und Veränderungen im
retraktiven Index der Laserdiode 15, der Linsen 16 und 25 und dem
Prisma 24 ändern und ebenso die akustooptischen
Eigenschaften der Braggzelle 18 verändern. Um solche Variationen
auszugleichen, wird das in Fig. 3 gezeigte System benutzt.
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Ein Interferenzmustertransmitter 38 projiziert ein
Interferenzmuster über das Arbeitsvolumen eines Roboters 26, wobei
der Interferenzmustertransmitter 38 mit dem
Interferenzmustertransmitter 14 identisch ist, außer daß er keinen
Strahlteiler 30, keine Blende 31 und keinen Photodetektor 32
umfaßt. Dieses Interferenzmuster wird mit dem Empfänger 27,
der am Roboter 26 angebracht ist und einem Paar von, mit dem
Empfänger 27 identischen Referenzempfängern 39 und 40 an
fixierten Positionen relativ zum Transmitter 38 detektiert.
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Die Signale vom Empfänger 27 am Roboter 26 und dem ersten
Referenzempfänger 39 werden durch einen Phasenkomparator 33
verglichen, der dem Computer 34 ein Signal, entsprechend der
Phasendifferenz zwischen diesen zwei Eingangssignalen
entlang einer Leitung 41 zuführt, das in ihm, wie mit Bezug auf
Fig. 2 beschrieben arbeitet.
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Die Signale von den zwei Referenzempfängern 39 und 40 werden
durch einen Phasenkomparator 42 verglichen. Da die
Positionen der zwei Referenzempfänger 39 und 40 fest sind, muß jede
Veränderung in den relativen Phasen ihrer Ausgangsgrößen auf
eine Veränderung im Abstand zwischen dem Interferenzmuster,
das durch den Transmitter 38 erzeugt wurde Zurückgeführt
werden. Die Ausgangsgröße des Phasenkomparators 42 wird
einem spannungsgesteuerten Oszillator (V.C.O.) 43 zugeführt,
der die fixierten Frequenzsignalquellen 20 durch Zuführung
eines Signals an den elektroakustischen Wandler 19 ersetzt.
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Die Frequenz des dem elektroakustischen Wandler 19 durch den
V.C.O. 43 zugeführten Signals wird durch die Spannung des
Signals vom Phasenkomparator 42 gesteuert, so daß, falls der
Abstand zwischen dem Interferenzmuster variiert, die
Veränderung in der relativen Phase der Signale von den zwei
Referenzempfängern 39 und 40 den Ausgang des
Phasenkomparators 42 veranlassen wird, die Frequenz des V.C.O. 43 so zu
wechseln und zu verändern, daß der Abstand zwischen dem
Interferenzmuster auf seinen ursprünglichen Wert zurückkehrt.
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In Fig. 4 ist ein System abgebildet, das fähig ist die
Position eines Roboters 44 in drei Dimensionen zu berechnen und
einen einzelnen Interferenzmustertransmitter 45 benutzt.
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Der Transmitter 45 umfaßt eine Laserdiode 15, wobei das
Licht von der Laserdiode 15 durch eine Linse 16 zu einem
Strahl 71 fokussiert wird. Der fokussierte Lichtstrahl tritt
dann in eine erste Braggzelle 46 ein. Der ersten Braggzelle
46 werden durch einen elektroakustischen Wandler 47
akustische Wellen zugeführt, wobei diesem elektroakustischen
Wandler 47 seinerseits ein elektrisches 20 MHz Signal durch eine
erste Signalquelle 48 zugeführt wird. Braggbeugung in der
Braggzelle 46 spaltet das Licht von der Laserdiode 15 in
einen ersten Strahl 72, der gerade durch die Braggzelle 46
tritt und einen zweiten Strahl 73 auf, der Braggbeugung in
der y-Richtung erfährt und infolge von Dopplerverschiebung
seine Frequenz um 20 MHz verändert.
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Die ersten und zweiten Strahlen 72 und 73 treten dann durch
eine zweite Braggzelle 49. Diese Braggzelle 49 wird durch
einen elektroakustischen Wandler 50, der durch eine zweite
Signalquelle 51 mit einem elektrischen 20 MHz Signal
gespeist wird, mit akustischen Wellen versorgt, die
senkrecht zu denen in der ersten Braggzelle 46 sind. Der erste
gerade verlaufende Strahl 72 von der ersten Braggzelle 46
wird durch Braggbeugung in einen dritten strahl 74, der in
der Richtung x abgelenkt wird und seine Frequenz mit 20 MHz
infolge von Dopplereffekte verändert hat, und den Rest des
ersten Strahls 72 aufgespalten, welcher ohne jede
Frequenzverschiebung gerade hindurchtritt. Der zweite, abgelenkte
Strahl 73 von der ersten Braggzelle 46 tritt ohne jede
Braggbeugung zu erfahren gerade durch die zweite Braggzelle
49, da er einen abweichenden Winkel zum ersten Strahl 72 hat
und die zweite Braggzelle 49 so angeordnet ist, daß sie mit
dem ersten Strahl 72 wechselwirken kann.
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Der zweite Strahl 73 tritt in ein Prisma 52 ein und wird so
abgelenkt, daß er den ersten Strahl 72 kreuzt. Der dritte
Strahl 74 tritt in ein Prisma 53 ein und wird so abgelenkt,
daß er den ersten Strahl 72 an derselben Stelle wie den
zweiten Strahl 73 kreuzt.
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Die Wechselwirkung dieser drei Strahlen 72, 73 und 74
erzeugt zwei Interferenzstreifenmuster, das erste in der
Richtung x und das zweite in der Richtung y, wobei sich jedes
mit einer Frequenz von 20 MHz in der Richtung der Pfeile 57
bzw. 58 bewegt. Diese Interferenzstreifen werden durch eine
Mikroskopobjektivlinse 25 aufgeweitet, um ein breites
Winkelvolumen zu überdecken.
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Ein Roboter 54 hat einen ersten Photodetektor 55, der hinter
einer Blende 56 in der x-Richtung montiert ist. Ein zweiter
Referenzphotodetektor 59 hinter einer in der x-Richtung
orientierten Blende 60 befindet sich an einer fixierten
Position im Projektionsvolumen der Interferenzmuster. Die
Orientierung der Blenden 56 und 60 in der x-Richtung macht die
Photodetektoren 55 und 59 nur für Interferenzmuster in der
y-Richtung sensitiv. Dann werden die Signale von den ersten
und zweiten Photodetektoren 55 und 59 in einem
Phasenkomparator 61 verglichen, und ein Phasendifferenzsignal vom
Phasenkomparator
61 wird zu einem Computer 62 gesendet. Der
Computer 62 benutzt die Phasendifferenz zwischen den Signalen vom
ersten und zweiten Photodetektor 55 und 59, um die
Winkelposition des Roboters 54 in der y-Ebene zu berechnen und
speichert die Zahl der vollen Zyklen der Phasenverschiebung,
die auftreten.
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Ein dritter Photodetektor 63 ist, hinter einer Blende 64 in
der y-Richtung, am Roboter montiert und ein vierter
Photodetektor 65 befindet sich hinter einer Blende 66 in der
y-Richtung an einer fixierten Position im Projektionsvolumen
der Interferenzstreifen. Die Orientierung der Blenden 64 und
66 in der y-Richtung macht die Photodetektoren 63 und 65 nur
für Interferenzmuster in der x-Richtung sensitiv. Die
Signale von den dritten und vierten Photodetektoren 63 und
65 werden in einem Phasenkomparator 67 verglichen. Das
Phasendifferenzsignal vom Phasenkomparator 67 wird dem Computer
62 zugeführt, der eine Aufzeichnung der Zahl der vollen
Zyklen der Phasenverschiebung vornimmt und die
Winkelposition des Roboters 54 in der x-Ebene aus der
Phasendifferenz berechnet.
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Ein fünfter Photodetektor 68 ist hinter einer Blende 69 in
der y-Richtung am Roboter in einem bekannten Abstand vom
dritten Photodetektor 63 montiert. Die Signale von den
dritten und fünften Photodetektoren 63 und 68 werden durch einen
Phasenkomparator 70 verglichen, und die Phasendifferenz dem
Computer 62 zugeführt. Der Abstand der Photodetektoren 63
und 68 ist fest, so daß jede Veränderung in den relativen
Phasen der Signale, die sie erzeugen auf eine Veränderung in
ihrem Winkelabstand, der von einem Transmitter 45 gemessen
wird zurückgeführt werden muß, so daß jede solche
Veränderung auf eine Veränderung im radialen Abstand zwischen dem
Transmitter 45 und dem Roboter 54 zurückgeführt werden muß.
Der Computer nimmt eine Aufzeichnung der Zahl der vollen
Phasenzyklen vor, die das Signal durchlaufen hat und
berechnet den Abstand des Roboters 54 vom Transmitter 45.
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Da dieses System nur Veränderungen in der Position messen
kann, ist es notwendig, den Roboter in irgendeiner bekannten
Referenzposition zu starten.
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Nach Fig. 5 projiziert ein Transmitter 45, der im
wesentlichen ähnlich zu den mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen ist,
sich bewegende Streifen über das Arbeitsvolumen des Roboters
54. Der zweite akustooptische Modulator 49 wird von einer
Quelle 51 über einen elektroakustischen Wandler 50 durch
eine Wechselspannung mit einer festen Frequenz von 25 MHz
betrieben, und der erste akustooptische Modulator 47 wird mit
einer Frequenz von 20 MHz durch eine Quelle 48 betrieben.
Das sich über das Arbeitsvolumen des Roboters 54 bewegende
Streifenmuster enthält somit Streifen, die sich in der
x-Richtung mit einer Periodizität von 20 MHz und in der
y-Richtung mit einer Periodizität von 25 MHz bewegen.
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Am Roboter 54 ist ein Paar Photodetektoren 75, 76 befestigt,
die die sich bewegenden Streifenmuster vom Transmitter 45
empfangen. Ein zusätzlicher Photodetektor 77 befindet sich
an einer Referenzposition außerhalb des Betriebsbereiches
des Roboters 45. Die Photodetektoren 75, 76, 77 haben
Öffnungen, die im Vergleich mit dem räumlichen Abstand der
Streifen in den x- und y-Richtungen klein sind und so einen
Ausgangsphotostrom erzeugen, der mit beiden Ringfrequenzen
von 20 und 25 MHz moduliert ist. Die Ausgangsgrößen der
Photodetektoren 75, 76 und 77 werden jeweils Filtern 78, 80
und 82 zugeführt. Jeder dieser Filter ist so abgestimmt, daß
nur ein enges, ein paar Kilohertz breites, um 20 MHz
zentriertes Frequenzband durchtreten kann. Die
Ausgangsgrößen der Photodetektoren 75, 76 und 77 werden
ebenfalls jeweils Filtern 79, 81 und 83 zugeführt. Jeder dieser
Filter ist auf ein enges, um 25 MHz zentriertes Frequenzband
abgestimmt. Die Phasen der Ausgangsgrößen von den Filtern 78
und 82 werden durch einen Phasenkomparator 84 verglichen,
der eine Ausgangsgröße einem Computer 62 zuführt, mit dem
der Winkelabstand in der x-Richtung der Photodetektoren 75
und 77 relativ zum Transmitter 45 berechnet werden kann.
Gleichermaßen werden die Ausgangsgrößen von den Filtern 79
und 83 hinsichtlich der Phase durch einen Phasenkomparator
85 verglichen, der eine Ausgangsgröße dem Computer 62
zuführt, mit dem der Winkelabstand in der y-Richtung der
Photodetektoren 75 und 77 relativ zum Transmitter 45
berechnet werden kann.
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Die Phasen der Ausgangsgrößen von den Filtern 78 und 80
werden durch den Phasenkomparator 86 verglichen, der eine
Ausgangsgröße abhängig von der Zahl der Streifen in der
x-Richtung zwischen den Photodetektoren 75 und 76 erzeugt.
Gleichermaßen werden die Phasen der Ausgangsgrößen von den
Filtern 79 und 81 durch einen Phasenkomparator 87
verglichen, der eine Ausgangsgröße erzeugt, die die Zahl der Ringe
in der y-Richtung zwischen den Photodetektoren 75 und 76
angibt. Ein Vergleich der Ausgangsgrößen der Phasendetektoren
86 und 87 im Computer 62 ermöglicht die Winkeltangente der
Linie, die die Phasendetektoren 75 und 76 verbindet, relativ
zu den x- und y-Koordinaten zu berechnen und ebenso den
senkrechten Abstand von den Photodetektoren 75 und 76 zum
Transmitter 45 zu berechnen. Damit kann sowohl die Orientierung
um die z-Achse und die Größe der z-Koordinate des Roboters
54 relativ zum Transmitter 45 berechnet werden, um
zusätzliche Information über die Roboterposition und -orientierung
zu erhalten. Zusätzliche Transmitter vom Typ ähnlich dem
Transmitter 45 aber bei unterschiedlichen
Modulationsfrequenzen arbeitend, können in unterschiedlichen Positionen um das
Arbeitsvolumen des Roboters 54 herum angeordnet werden.
Signale von den Photodetektoren 75, 76 und 77 werden durch
zusätzliche Filter geschickt, die auf die zusätzlichen
Modulationsfrequenzen abgestimmt sind und in ihrer Phase
verglichen, um die Orientierungskoordinaten und -winkel des
Roboters 54 relativ zu den zusätzlichen Transmittern zu
erhalten. Auf diesem Weg können die vollständigen Linear- und
Winkelkoordinaten des Roboters abgeleitet werden.