FR2539659A1

FR2539659A1 - Appareil-manipulateur avec un faisceau de lumiere laser

Info

Publication number: FR2539659A1
Application number: FR8400370A
Authority: FR
Inventors: Daniel Joseph Plankenhorn
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1984-01-11
Publication date: 1984-07-27
Anticipated expiration: 2004-01-11
Also published as: IT8441511A0; FR2539659B1; CA1245893A; GB8334540D0; SE8400121D0; SE462469B; GB2134071B; IT1183710B; JPS59134682A; GB2134071A; US4539462A; SE8400121L; DE3402099A1

Abstract

A.APPAREIL-MANIPULATEUR AVEC UN FAISCEAU DE LUMIERE LASER. B.DISPOSITIF CARACTERISE EN CE QUE CHAQUE MEMBRE SE COMPOSE D'UN PREMIER ET D'UN SECOND ELEMENTS CREUX TELESCOPIQUES AYANT UN AXE COMMUN, LE SECOND ELEMENT 12 POUVANT TOURNER PAR RAPPORT AU PREMIER ELEMENT 14 AUTOUR DE L'AXE COMMUN AM ET LE SECOND ELEMENT POUVANT EFFECTUER UN MOUVEMENT TELESCOPIQUE PAR RAPPORTAU PREMIER ELEMENT, LE MANIPULATEUR COMPORTANT UNE SOURCE DE LUMIERE SITUEE AU POINT FIXE, UN ELEMENT REFLECHISSANT 17 AYANT UNE SURFACE DE MIROIR 18 REFLECHISSANTE, MONTEE A LA PREMIERE ET A LA SECONDE EXTREMITES DE CHAQUE MEMBRE ET UN MOYEN 20-21 POUR REGLER L'ANGLE DE L'ELEMENT REFLECHISSANT 17 PAR RAPPORT A L'AXE COMMUN AM. C.L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF A BRAS ARTICULES DANS L'APPLICATION AUX ROBOTS.

Description

Appareil-manipulateur avec un faisceau de lumière

laser ".

La présente invention concerne un appa-

reil-manipulateur avec un faisceau de lumière laser et

de façon générale un système optique fournissant un fais-

ceau de lumière, regroupé en combinaison, avec un équipe-

ment automatique et de façon plus particulière une arti-

culation de renvoi d'un faisceau laser destiné au

domaine de la robotique.

Les lasers de forte puissance convien-

nent de façon particulière pour constituer une source de chaleur pour le traitement de différents matériaux à savoir la vaporisation des matériaux, les opérations de

perçage ou de découpe Les lasers s'appliquent-à des pro-

cédés tels que le soudage ou la garniture de surfaces de métaux nécessitant la fusion de la matière De la même manière, la température des matières en phase solide peut

être modifiée grâce au laser pour des opérations de dur-

cissement et de recuit.

Les effets thermiques subis par les

matières exposées au faisceau-laser dépendent principale-

ment de l'intensité de l'énergie laser, de l'absorption par la matière et de la durée pendant laquelle la matière est exposée au faisceau-laser Le réglage précis de ces différents paramètres détermine la variation résultante

de la phase ou l'état de la matière Généralement lors-

qu'on utilise des lasers dans des procédés tels que le soudage, la découpe ou le traitement de surface, on oriente

la surface de la pièce à traiter pour qu'elle soit prati-

quement perpendiculaire au faisceau-laser, le faisceau tombant alors d'équerre sur la surface à traiter Cette configuration rend optimale l'absorption par la matière et facilite son chauffage En général, le laser et la

pièce se déplacent l'un par rapport à l'autre Ce mouve-

ment relatif peut se faire de deux manières Une pre-

mière solution consiste à déplacer le faisceau par rapport à la pièce qui reste fixe La seconde solution consiste à manipuler la pièce en laissant fixe le faisceau-laser Le premier procédé nécessite que le faisceau-laser soit déplacé soit en montant le laser sur un dispositif mobile, soit en dirigeant le faisceau émis par un laser fixe vers

la pièce à traiter en utilisant un système optique mobile.

Le second procédé nécessite l'utilisation d'un dispositif

manipulateur de pièce.

En général, on utilise le second procédé.

Les systèmes les plus récents utilisant le laser pour le traitement de la matière emploient un faisceau de laser fixe ainsi qu'un appareil permettant de manipuler la

pièce Cette manipulation de la pièce consiste générale-

ment à prévoir un mouvement linéaire ou de rotation de la pièce ainsi que l'exploitation de la symétrie de la pièce Des pièces symétriques ou simples peuvent être traitées à l'aide de machines ayant un ou deux axes de

mouvement mais toute pièce relativement complexe néces-

site une machine de manipulation ayant quatre ou cinq axes de mouvement Les manipulations nécessaires pour de telles pièces ainsi que la condition générale suivant laquelle le faisceau-laser doit tomber perpendiculairement sur la surface à usiner, sont difficiles à réaliser avec

les dispositifs-existant actuellement En outre, ces dis-

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positifs sont généralement conçus pour des pièces déter-

minées et comportent des circuits particuliers C'est pourquoi, ils ne peuvent être transformés facilement dans le cas de variations de forme et de dimensions D'autres inconvénients de ce type d'installation sont que des

pièces de grandes dimensions, encombrantes, sont diffi-

ciles à positionner de façon précise et répétitive et présentent une inertie importante lorsque ces pièces sont déplacées De la même manière, étant donné la géométrie des pièces, on peut avoir des obstructions interdisant

une ligne de vue claire entre la source émettant le fais-

ceau-laser et la surface à usiner de la pièce.

Les machines conçues pour engendrer un

produit particulier sont réalisables économiquement seu-

lement si la production concerne un grand nombre de pièces De simples considérations économiques interdisent souvent des opérations concernant des lots réduits C'est

pourquoi, il existe le besoin d'un système très adaptable-

avec une optique fournissant un faisceau-laser et qui permet de traiter des pièces de dimensions et de forme complexes, en petites séries, avec une réadaptation minimale nécessaire des outils lorsque la configuration

des pièces change.

La présente invention permet d'utiliser

la technique de la robotique industrielle dans des appli-

cations fournissant un faisceau-laser L'utilisation selon l'inventiond'un nombre de miroirs articulés permet

au faisceau-laser de s'adapter en synchronisme au mouve-

ment du manipulateur du robot C'est pourquoi, le manipu-

lateur peut fournir un faisceau focalisé en n'importe

quel point de la plage de la géométrie du robot et dépla-

cer le faisceau suivant le contour d'un chemin avec une

vitesse réglée.

Les développements récents dans le domaine des robots utilisant le rayonnement laser comprennent un bras directeur de faisceau laser, articulé, avec des

miroirs placés aux articulations pour réfléchir le fais-

ceau de lumière suivant les segments du bras Un exemple de système optique directeur de faisceau, articulé est décrit dans "At Coherent: advanced lasers and new ideas

in robotics" par Gary S Vasilash, Manufacturing Engi-

neering, (Mars, 1981, pp 84-85 Ce document montre et décrit un bras optique articulé Ce bras forme un chemin de lumière entre un faisceaulaser fixe et un élément d'extrémité qui contient le système optique de mise au point du faisceau L'élément d'extrémité est fixé à un

bras de robot permettant un fonctionnement automatique.

Le bras dirigeant la lumière et le bras de robot sont

seulement reliés à l'élément d'extrémité et les articu-

lations du bras dirigeant le faisceau lumineux sont li-

bres chacune de se déplacer pour permettre au bras direc-

teur du faisceau de parcourir la distance comprise entre

le laser et le point dans l'espace o se trouve l'élé-

ment d' extrémité positionné par le bras du robot Le

principe de fonctionnement d'une telle structure est ana-

logue à celui du mécanisme portant la fraise d'un den-

tiste L'extrémité de la fraise est comparable à l'élé-

ment d'extrémité du système-laser et le bras de l'appa-

reil du dentiste est analogue au bras du robot Le méca-

nisme de support de la fraise comporte un ensemble d'ar-

ticulations qui peuvent se déplacer de façon que le sys-

tème articulé parcourt la distance entre le moteur et la

main du dentiste.

Une limite dans l'application du système décrit ci-dessus réside dans les positions relatives de

la source lumineuse et du centre de mouvement du robot.

Précisément lorsque le dentiste doit éviter de tourner complètement avec la fraise dans sa main, le robot doit être commandé pour que ses mouvements ne font pas que le bras dirigeant la lumière ait tendance à passer par le robot lui-même et son bras La présente invention a pour but de remédier à cette limitation combinant le bras dirigeant la lumière et le bras du robot pour que les deux bras puissent se déplacer en synchronisme et qu'il n'y ait pas de risque d'interférence réciproque.

D'autres développements de l'art anté-

rieur dans le domaine de l'adaptation de la technique des robots aux applications lasers sont décrits dans "Laser Processing at Ford", par Michael Yessik et Duane 3 Schmaty, Metal Progress, Mai 1975, pages 210215 Des exemples de systèmes de manipulateur sont décrits aux brevets U S 3 937 057 et 4 221 997 D'autres systèmes de robot sont décrits aux brevets U S 4 260 319 et 4 076 131 ainsi que 4 089 427 Les inventions qui concernent en particulier les manipulateurs et les articulations de robot sont décrites aux brevets U S 3 848 753, 3 777 618,

4 096,766.

La présente invention concerne de façon générale un bras de manipulateur de robot d'un type d'articulation particulière comprenant au moins deux membres articulés disposés à un angle prédéterminé et dont une extrémité est reliée à un point fixe, et dont l'autre extrémité porte une extrémité de manoeuvre, ce manipulateur utilisant un faisceau lumineux issu d'un point fixe pour l'extrémité de manoeuvre, le faisceau

lumineux étant nécessaire au niveau d'une pièce à l'ex-

trémité de manoeuvre, quelle que soit la position ou la distance ou l'orientation de l'extrémité de manoeuvre par rapport à la position fixe, ce dispositif étant caractérisé en ce que le membre se compose d'un premier

et d'un second éléments creux, télescopiques d'axe com-

mun, et le second élément est susceptible de tourner par rapport au premier élément autour de l'axe commun,

le second élément pouvant effectuer un mouvement télesco-

pique par rapport au premier élément, et le manipulateur

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comporte une source lumineuse au niveau du point fixe, un élément réfléchissant avec une surface de miroir réfléchissant étant monté à la première et à la seconde extrémités de chaque membre, et des moyens pour régler l'angle de montage de l'élément réfléchissant par rap-

port à l'axe commun, la source de lumière et les élé-

ments réfléchissants étant montés de façon à établir et maintenir le faisceau lumineux toujours dans l'axe de n'importe quel membre creux traversé par le faisceau lumineux, en permettant n'importe quel type de mouvement de l'extrémité de manoeuvre par rapport au point fixe, le faisceau lumineux atteignant l'extrémité de manoeuvre

sans être coupé par les membres articulés.

Suivant un mode de réalisation préfé-

rentiel décrit ci-après, il est prévu une articulation fixée en rotation à un élément de support ou bras Un élément réfléchissant avec une surface de miroir est fixé à l'articulation de façon que la surface de miroir soit coupée par l'axe de mouvement autour duquel tourne l'articulation par rapport à l'élément de support En réglant J'angle de la surface de miroir par rapport à l'axe du mouvement, on obtient un faisceau de lumière, regroupé, qui se déplace suivant l'axe de mouvement et peut être réfléchi par la surface de miroir-suivant

n'importe laquelle d'un ensemble infini de directions.

L'élément réfléchissant est fixé à l'articulation et un angle prédéterminé, caractéristique de réflexion est déterminé pour le faisceau lumineux regroupé Il est clair que lorsque l'élément d'articulation tourne autour de l'axe du mouvement, le faisceau lumineux réfléchi, regroupé, est déplacé de façon à décrire une surface plane ou conique Lorsque la surface de miroir fait un angle de 450 par rapport à l'axe de rotation, le faisceau réfléchi de lumière, regroupé correspond à un angle de

900 par rapport au faisceau incident et lorsque l'articu-

-7 lation tourne autour de l'axe de mouvement, le faisceau réfléchi décrit en général une surface plane et l'axe de mouvement de l'articulation est perpendiculaire à

cette surface.

Si l'élément de support décrit ci-dessus est un tube creux et que l'élément d'articulation est fixé à rotation à une extrémité, le faisceau de lumière regroupé peut passer par l'élément de support selon son axe longitudinal Il est clair que cet axe longitudinal

coïncide également avec l'axe de mouvement de l'articula-

tion. Il est en outre clair qu'il est essentiel pour une application correcte de la présente invention, que le faisceau de lumière regroupé passe suivant l'axe

de mouvement de l'élément d'articulation Cette caracté-

ristique permet de tourner l'articulation suivant un angle quelconque autour de son axe de déplacement tout en maintenant un chemin clairement prédéterminé pour le faisceau de lumière laser réfléchi Cela permet également

à un élément de support supplémentaire d'être fixé rigi-

dement à l'articulation de façon à tourner avec l'arti-

culation autour de l'axe de mouvement décrit ci-dessus.

Cet élément de support supplémentaire permet à un second élément d'articulation d'être fixé à rotation, de-sorte que la surface-miroir d'un second élément réfléchissant puisse être placée dans la seconde articulation pour être coupée par un second axe de mouvement qui se trouve entre

celui-ci et la surface de miroir de la première articula-

tion, le faisceau-laser réfléchi passant suivant ce second axe. L'axe de mouvement de l'articulation optique coïncide avec celui du-bras de robot auquel il

est fixé Dans un robot à articulations ou Jonctions mul-

tiples, chaque segment du bras de robot est associé à un segment droit du faisceau lumineux Le segment de bras e 539659

et le segment de faisceau se déplacent en synchronisme.

Le bras de robot peut être fixé à un élément tubulaire et l'articulation optique ou en variante les composants de celle-ci dirigeant la lumière peuvent être incorporés dans le bras de robot lui-même. Il est clair que la présente invention

permet le passage d'un faisceau de lumière regroupé sui-

vant les bras articulés d'un robot et de façon plus syn-

chrone Il est en outre clair que par un choix approprié du type et du nombre d'articulations ou-de Jonctions décrites ci-dessus, on peut obtenir un robot permettant de fournir un faisceau-laser pratiquement à n'importe quel point de-sa plage géométrique et suivant n'importe

quel angle dans l'espace, vers ce point.

La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels

la figure 1 est une articulation opti-

que selon un mode de réalisation de l'invention.

la figure 2 montre une articulation optique selon l'invention, alignée avec un moteur et un

moyen de support.

la figure 3 montre un robot utilisant un ensemble-d'articulations optiques selon un mode de

réalisation de l'invention.

la figure 4 montre une articulation optique selon le mode de réalisation de l'invention, et

qui est associée en coulissement avec un moyen de support.

De façon générale, la présente invention

concerne un dispositif de direction d'un faisceau lumi-

neux et plus particulièrement une jonction ou une articu-

lation utilisable dans un robot pour diriger le chemin

d'un faisceau-laser regroupé.

La figure 1 montre un mode de réalisation d'une articulation optique selon la présente invention L'articulation 10 se compose d'un élément de châssis 12

qui est fixé à rotation à un élément de support 14.

L'élément de châssis 12 est représenté à la figure 1 comme ayant un prolongement tubulaire 16 qui lui est fixé rigidement Il est clair que ce prolongement 16 peut être réalisé en alternance sous la forme d'une partie intégrante du châssis 12 et que la figure 1 montre le prolongement 16 constituant un élément préférentiel mais

non nécessaire Le châssis 12 et l'élément de prolonge-

ment 16 sont montés à rotation sur l'élément de support 14 Le châssis 12 est monté de façon qu'il puisse tourner

autour d'un axe de mouvement AM.

Dans la structure de châssis 12, il est

prévu un élément réfléchissant 17 L'élément réfléchis-

sant 17 présente une surface de miroir 18 placée pour

être traversée par l'axe de mouvement AM L'élément réflé-

chissant 18 comporte un moyen pour régler sa position dans le châssis 12 A la figure 1, ce moyen de réglage

est représenté sous la forme d'une paire d'éléments file -

tés 20 et 21 que-l'on peut régler pour changer la posi-

tion de l'élément réfléchissant 17 et de sa surface de miroir 18 par rapport à l'axe de mouvement AM du châssis

ou plus précisément de l'élément de châssis 12.

L'élément de châssis 12 tel que repré-

senté à la figure 1 peut tourner autour de l'élément de support 14 comme cela est représenté par la flèche R Si un faisceau de lumière 24, regroupé, passe sur l'axe de mouvement AM et rencontre la surface de miroir 18, cela donne un faisceau lumineux réfléchi 25 Comme l'angle d'indicence est égal à l'angle de réflexion, un angle N

égal à 45 entre la surface de miroir 18 et l'axe de mou-

vement AM donne un faisceau réfléchi 25 qui est perpendi-

culaire au faisceau incident 24 Il est clair que bien

que d'autres grandeurs de l'angle N puissent être envisa-

gées dans le cadre de la présente invention, un angle

droit entre le faisceau incident 24 et le faisceau réflé-

chi 25 est avantageux pour le présent exposé et y sera

utilisé à cet effet.

Lorsque l'élément de châssis 12 tourne autour de son axe de mouvement AM, le faisceau réfléchi décrit un mouvement de balayage autour de l'axe de mouvement AM suivant une surface plane Selon la rotation

de l'élément de châssis 12 et de l'élément de prolonge-

ment 16 autour de l'axe de mouvement AM, le faisceau réfléchi 25 peut être mis suivant n'importe laquelle des innombrables lignes s'étendant radialement de la surface

de miroir 18.

La figure 1 montre également un élément tubulaire 28 relié à l'élément de châssis 12 Comme cela sera décrit de façon plus détaillée ci-après, cet élément tubulaire 28 peut s'utiliser comme élément de support pour n'importe quel autre châssis ou élément réfléchissant

de la même manière que l'élément de support 14 est uti-

lisé pour constituer un support de rotation pour l'élé-

ment de châssis 12 et l'élément réfléchissant 17 repré-

sentés à cette figure Il est ainsi clair qu'un ensemble d'articulations tel que celui représenté à la figure 1 peut être combiné pour diriger un faisceau lumineux

regroupé dans une direction particulière, prédéterminée.

Il est évident qu'aussi longtemps que le faisceau de

lumière incidente 24 est dirigé suivant l'axe de mouve-

ment AM de la surface de miroir 18, son faisceau réfléchi correspondant peut être renvoyé dans n'importe quelle direction parmi un nombre infini de directions L'élément de châssis 12 de la figure 1 est également montré comme

ayant une-ouverture d'entrée 30 et une ouverture de sor-

tie 32 placées de façon qu'elles se combinent pour per-

mettre le passage du faisceau incident 24 et du faisceau

réfléchi 25 à travers l'élément de châssis 12.

La figure 2 montre l'application de la

présente invention à titre d'exemple à l'une des diffé-

rentes articulations ou Jonctions d'un système de robot.

Un élément de support principal 40 constitue le support

mécanique de l'assemblage de l'ensemble de l'articulation.

Comme représenté à la figure 2, L'élément principal de support 40 est directement fixé à un élément tubulaire

42 qui assure lui-même le support d'un élément d'articu-

lation 43 formé d'une surface de miroir (non représentée à la figure 2, mais en détail à la figure 1) L'élément d'articulation 43 tel qu'il est utilisé dans le système donné à titre d'exemple à la figure 2 n'est pas monté à rotation sur l'élément de tube 42 mais au lieu de cela il permet uniquement de réfléchir le faisceau de lumière

incidente 44 perpendiculairement à son chemin initial.

En comparant la figure 1 et la figure 2, on voit que la structure d'articulation de la figure 2 est analogue à celle de l'élément de châssis 12 de la figure 1 De la même manière, l'élément d'articulation tubulaire 47 représenté à la figure 2 qui est placé entre les éléments

d'articulation 43 et 46 est analogue à l'élément de sup-

port fixe 14 de la figure 1 En d'autres termes, les éléments fondamentaux de la présente invention comme représenté à la figure 2 sont l'articulation 46 réunie

à l'élément de support 47 Il est clair que comme repré-

senté à la figure 2, l'articulation optique selon l'in-

vention peut s'appliquer à des articulations ou à des jonctions légèrement différentes pour faciliter l'envoi d'un faisceau de lumière regroupé dans l'une quelconque

parmi une infinité de directions.

Le faisceau de lumière incidente 44 selon la figure 2 part de la source dans la direction de la flèche 48 en passant par l'élément tubulaire 42 et

rencontre une surface de miroir à l'intérieur de l'arti-

culation 43, surface qui est placée suivant un angle de 450 par rapport à la direction du faisceau de lumière incidente 44 Le faisceau lumineux est alors réfléchi par cette surface de miroir ou surface réfléchissante suivant axe A 4 Le faisceau lumineux suit l'axe A 4 en

direction de la surface de miroir ou surface réfléchis-

sante à l'intérieur de l'articulation 46 Ce faisceau lumineux qui va-de l'articulation 43 à l'articulation 46 traverse l'élément de support 47 se trouvant entre ces deux articulations A l'intérieur de l'articulation 46, la surface de miroir fait un angle de 450 par rapport à l'axe A 4 et réfléchit le faisceau lumineux suivant un angle de 900 par rapport à cet axe Ce faisceau de lumière réfléchi 49 passe par l'ouverture de l'articulation 46 à

travers l'élément tubulaire 50 et poursuit dans la direc-

tion représentée par la flèche 52 Bien que les composantes de l'articulation comme représenté à la figure 2 ne soient pas coupées, il est prévu pour des raisons de clarté que le chemin résultant du faisceau lumineux pénètre dans l'élément tubulaire 42 dans la direction représentée par la flèche 48 pour tomber sur la surface réfléchissante

à l'intérieur de l'articulation 43 et être réfléchi sui-

vant J'axe A 4, passer à travers l'élément de support tubulaire 47 et tomber sur une autre surface de miroir qui se trouve à l'articulation 46; le faisceau est réfléchi suivant un angle de 900 par rapport à l'axe A 4 dans la

direction de la flèche 52.

La figure 2 montre également un moteur 54 utilisé pour faire tourner l'articulation 46 autour de l'axe A 4 L'élément principal de support 40 est fixé à la culasse 56 solidaire en rotation de l'élément pivotant 58 Le moteur 54 est fixé rigidement à l'élément de culasse 56 et est relié à l'élément pivotant 58 de façon que le moteur 54 puisse exercer une force de rotation sur l'élément pivotant 58 et sur la plate-forme 60 qu'il porte Comme représenté à la figure 2, la plate-forme 60

est fixée solidairement à l'articulation optique 46.

Cette structure permet au moteur 54 de faire tourner

l'articulation 46 autour de l'axe A 4 Comme décrit ci-

dessus, cette caractéristique est importante pour le

fonctionnement correct de la-présente invention.

La figure 2 montre également la relation

entre le bras de support 40 et la section droite du fais-

ceau lumineux 44 s'étendant dans la direction de la flè-

che 48 et rencontrant la surface de miroir à l'intérieur de l'articulation optique 43 Le bras de support 40 et l'élément tubulaire 42 sont réunis solidairement et se déplacent ainsi en synchronisme Lorsque l'invention est appliquée à un système de robot utilisant un bras à plusieurs segments rigides, chaque segment doit être

fixé de façon analogue aux composantes optiques qui con-

servent un chemin lumineux avec une géométrie constante par rapport aux segments du bras De même, le faisceau lumineux sera dévié au niveau d'une articulation optique en un point sur l'axe de mouvement de l'articulation du bras de sorte que chaque segment de bras se déplace en

synchronisme avec le segment du faisceau lumineux corres-

pondant. Comme l'articulation optique 46 tourne autour de l'axe A 4 et que le faisceau lumineux correspond à l'axe A 4, le faisceau lumineux rencontre un point de la surface de miroir à l'intérieur de l'articulation 46 et ce point reste constant quelle que soit la rotation de l'articulation 46 autour de l'axe A 4 C'est pourquoi, le faisceau de lumière réfléchi 49 reste dans une relation géométrique constante dans l'articulation 46 quelle que

soit sa position de rotation autour de l'axe A 4.

Bien que les articulations 43 et 46 qui sont montrées à la figure 2 n'aient été représentées en

coupe, leurs pièces internes sont fonctionnellement iden-

tiques à celles représentées à la figure 1 Chaque arti-

culation comporte un élément réfléchissant ayant une sur-

face de miroir et chaque élément réfléchissant est régla-

ble dans son élément de châssis respectif.

La figure 3 montre un robot utilisant un ensemble d'articulations optiques et mécaniques Le robot montré à titre d'exemple à la figure 3 se compose d'une base 80 qui est fixée rigidement à une surface telle que le sol d'un atelier Le robot comporte un certain nombre

de bras reliés en pivotement et qui sont associés en ro-

tation à la base 80 Le système de robot comporte égale-

ment une articulation optique fixe 82, ainsi qu'un élé-

ment tubulaire 84 relié à cette articulation Il est clair que l'élément de base 80, l'articulation optique 82 et son élément tubulaire 84 restent tous fixes pendant la mise en oeuvre du robot Les autres bras reliés de façon pivotante et les éléments de support correspondants de ce système de robot représenté à la figure 3 sont libres

de tourner autour de l'axe Al.

Un faisceau lumineux regroupé 86 est introduit dans le système de robot suivant la direction

de la flèche 87 Ce faisceau lumineux 86 passe par l'élé-

ment tubulaire 84 et par l'articulation 82 Il est clair que chacune des articulations optiques représentées à la figure 3 comporte un élément interne, réfléchissant ayant une surface de miroir Dans cet exemple, chacune des articulations optiques présente une surface de miroir inclinée suivant un angle de 45 par rapport au faisceau

lumineux incident respectif Cette configuration géomé-

trique donne un angle de réflexion de 900 entre chaque faisceau lumineux incident arrivant dans l'articulation optique et le faisceau réfléchi C'est pourquoi comme le passage du faisceau lumineux est décrit par rapport au robot représenté à la figure 3, il est clair qu'au

niveau de chaque articulation optique, le faisceau lumi-

nèux sera réfléchi suivant un angle de 900 entre son

chemin incident et son chemin réfléchi.

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Le faisceau lumineux 86 qui pénètre dans l'articulation 82 est réfléchi vers le bas suivant l'axe Ai à travers l'élément tubulaire 88 et dans l'articulation 89: Comme représenté, l'articulation 89 est reliée en rotation à l'élément tubulaire 88 de façon à pouvoir tour- ner autour de l'axe Al Lorsque le faisceau lumineux

rencontre la surface de miroir à l'intérieur de l'arti-

culation 89, il est réfléchi par l'élément de support 90 et l'articulation 92 Comme l'axe Ai est vertical selon la figure 3 et que le faisceau lumineux 86 pénètre dans l'élément tubulaire 84 dans la direction horizontale, le

faisceau se déplace en direction horizontale entre Par-

ticulattion 89 et l'articulation 92. Comme le faisceau lumineux se déplace suivant l'axe Ai, lorsqu'il

* rencontre la surface de miroir de l'articulation 89, son point d'incidence de

la surface de miroir reste constant pendant que l'articu-

lation 89 tourne autour de l'axe Ai Il est clair que ce passage du faisceau de lumière incidente suivant l'axe de rotation de l'articulation et de sa surface de miroir est un élément important de la présente invention en ce qu'il maintient constante la position du point là o le faisceau lumineux rencontre la surface de miroir quelle

que soit la position de rotation de l'articulation 89.

C'est pourquoi, le faisceau de lumière réfléchi qui, dans ce cas, va de l'articulation 89 à l'articulation 92,

reste dans une position constante par rapport à la sur-

face de miroir et de l'articulation 89 Après avoir tra-

versé l'articulation 92 et avoir rencontré sa surface

réfléchissante, le faisceau lumineux est dévié verticale-

ment vers le bas à travers l'élément tubulaire 94 et dans

l'articulation 96 Comme le montre la figure 3, l'articu-

lation 92, l'élément tubulaire 94 et l'articulation 96 sont fixés rigidement l'un-à l'autre et se déplacent en bloc Il est clair pour cela que cette combinaison rigide d'articulations et d'éléments tubulaires ne présente pas

d'elle-même le principe de base de la présente invention.

La combinaison des articulations sert à décaler le pas-

sage du faisceau lumineux de sa direction horizontale en-

tre les articulations 89 et 92 vers une position -plus basse Le faisceau lumineux descendant verticalement qui

traverse l'élément tubulaire 94 et arrive sur l'articula-

tion 96 est dévié par l'élément réfléchissant de cette articulation dans la direction horizontale à travers

l'élément tubulaire intermédiaire vers l'articulation 98.

-Le faisceau lumineux qui passe de l'articulation 96 à l'articulation 98 se déplace suivant l'axe A 2 qui est également l'axe de mouvement de l'articulation 98 Cette rotation de l'articulation 98 est engendrée par la force motrice exercée par le moteur 100 dont l'axe de rotation coincide avec l'axe A 2 Il est clair pour cela que le passage du faisceau lumineux entre l'articulation 96 et l'articulation 98 se fait dans un plan horizontal passant par l'axe A 2; ce plan est parallèle au plan horizontal en contenant le faisceau lumineux initial 86 lorsque celui-ci pénètre dans l'élément tubulaire 84 Ces deux plans horizontaux sont évidemment perpendiculaires à

l'axe de mouvement Al autour duquel tournent les compo-

sants mobiles du robot Pendant que les composants mobi-

les du robot tournent autour de l'axe Al, le faisceau

lumineux qui se déplace horizontalement entre les articu-

lations 96 et 98 tout en restant dans son plan horizontal

constant, s'écarte de l'axe Al dans différentes direc-

tions angulaires.

La rotation du moteur 100 se traduit par

un mouvement du bras de support 102 et de l'élément tubu-

laire 104 autour d'un point de rotation situé sur l'axe A 2 Lorsque le faisceau lumineux sort-de l'articulation 98 suivant un angle de 90 par rapport à l'axe A 2, il

passe par l'élément tubulaire 104 et pénètre dans 11 arti-

culation 106 Il est clair que lorsque l'élément tubu-

laire 104 tourne sous l'effet du moteur 100, le bras de

support 102 et son élément de culasse 106 tournent éga-

lement autour de l'axe A 2, de sorte que le moteur 108 reste constamment aligné avec l'articulation 106, l'axe A 3 passant par ces deux composants L'axe de rotation du moteur 108 et de l'articulation 106 coïncident tous

deux avec l'axe A 3 et le faisceau lumineux qui est réflé-

chi par la surface de miroir de l'articulation 106 dans l'articulation 108 se déplace également suivant l'axe A 3 Lorsque le faisceau lumineux passe de l'articulation 106 à l'articulation 109 suivant l'axe A 3, il traverse

un élément intermédiaire 110 qui peut être relié à rota-

tion à l'articulation 106 ou à l'articulation 109 et être

fixé rigidement à l'autre articulation Bien que l'arti-

culation 106 soit fixée rigidement à l'élément tubulaire 104, l'articulation 109 est libre de tourner autour de l'axe A 3 du fait de la rotation du moteur 108 Comme le

montre la figure 3, la rotation du moteur 108 fait tour-

ner le bras de support 40 et l'élément tubulaire 42 autour

de l'axe A 3.

Il est clair que l'axe A 4 et les compo-

sants correspondants sont identiques à ceux représentés à la figure 2 Comme décrit ci-dessus à l'aide de la figure 2, le moteur-54 fixé à l'élément pivotant 58 fait tourner l'articulation 46 autour de l'axe A 4 du fait de la liaison entre l'élément pivotant 58 et l'articulation 46 par l'élément de plate-forme 60 Le faisceau lumineux qui va de l'articulation 106 à l'articulation 109 est réfléchi suivant un angle de 900 par rapport à l'axe A 3 et passe par l'élément tubulaire 42 avant de rencontrer la surface de miroir de l'élément réfléchissant dans l'articulation 43 Comme décrit ci-dessus, la lumière qui passe par l'articulation 43 est réfléchie à travers l'élément tubulaire 47 dans l'articulation 46 qui en assure la déviation d'un angle de 90 par rapport à laxe

A 4; puis, la lumière traverse l'élément tubulaire 50.

Le robot représenté à la figure 3 comporte également des articulations optiques 110, 114, 118 et 122 Ces articulations optiques sont formées des éléments tubulaires 112, 116 et 120 qui sont reliés en rotation -l'un à l'autre mais ne sont pas nécessairement entraînés automatiquement dans la direction de rotation relative

au cours du fonctionnement du robot représenté à la figu-

re 3 Ces articulations optiques peuvent être entraînées par le moteur au cours de son fonctionnement mais peuvent également être bloquées dans des positions de rotation

déterminées par rapport aux articulations optiques cor-

respondantes Ce choix dépend de l'application particu-

lière du robot En tenant compte de cette considération, il est clair que les articulations optiques 114 et 118 peuvent tourner l'une par rapport à l'autre autour de l'axe A 7 et les articulations optiques 118 et 122 peuvent

tourner l'une par rapport à l'autre autour de l'axe A 6.

Lorsque le faisceau lumineux va de son point d'entrée dans l'élément tubulaire 84 à travers tous

les éléments tubulaires intermédiaires et les articula-

tions optiques pour arriver en définitive dans l'articu-

lation 122, le faisceau lumineux est regroupé et conserve une section essentiellement constante Toutefois pour pouvoir être utilisé, il faut focaliser le faisceau

lumineux 126 au point d'utilisation 128 Cette focalisa-

tion du faisceau lumineux regroupé 86 en un faisceau lumineux focalisé 126 est effectuée par des lentilles de focalisation adéquates, lentilles logées dans l'élément de focalisation 124 Il est clair que le type particulier de mécanisme de focalisation utilisé dans l'élément de

focalisation 12-4 n'est pas un élément critique de la pré-

sente invention et un robot réalisé selon l'invention peut utiliser de multiples procédés de focalisation Parmi

les différents procédés de focalisation, il y al'utili-

sation d'une surface parabolique réfléchissante donnant

un décalage axial de 900 comme cela est connu des spé-

cialistes Il est clair que le dispositif de focalisation particulier dépend de l'application de la présente inven- tion. Selon la figure 3, la présente invention

s'applique à de multiples exemples L'articulation opti-

que 89 est fixée rigidement au bras de robot 130 et le faisceau de lumière incidente se trouve sur l'axe Al qui

est l'axe de mouvement à la fois du bras 130 et de l'ar-

ticulatiôn optique 89 Cet axe principal Al du système de robot représenté à la figure 3 est commun aux multiples exemples de l'invention Pour chaque rotation autour de l'axe de mouvement, on voit les éléments fondamentaux de l'invention Ces éléments sont l'association synchrone

d'une articulation optique et d'une articulation mécani-

que, avec une surface réfléchissante placée dans l'arti-

culation optique et une relation géométrique constante entre le bras de robot et un segment du faisceau lumineux

regroupé tombant sur la surface-réfléchissante.

La figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'invention Ce mode de réalisation se compose de deux articulations optiques 140 et 142 qui sont mobiles axialement l'une par rapport à l'autre En supposant que l'articulation 140 soit fixe dans l'espace, on peut déplacer l'articulation 142 pour la rapprocher

ou l'écarter de l'articulation 140 suivant l'axe de mouve-

ment A 8 dans la direction représentée par la flèche 144.

En d'autres termes, l'articulation 142 peut prendre notam-

ment les positions représentées par les références numé-

riques 142 et 142 ' Lorsqu'un faisceau lumineux-incident

146 arrive dans la direction de la flèche 148 et passe-

par l'élément tubulaire 150 pour arriver dans l'articula-

tion 140, il rencontre un élément réfléchissant 152 et est réfléchi suivant un angle de 900 donnant le faisceau

lumineux 154 Ce faisceau lumineux 154 traverse un élé-

ment tubulaire 156 suivant l'axe de mouvement A 8 et arrive dans l'articulation 142- La figure 4 montre que l'articulation 142 est fixée rigidement à l'élément tubu- laire 158 et ce dernier coulisse par rapport à l'élément

tubulaire 156 Comme ces deux éléments tubulaires coulis-

sants se déplacent axialement l'un par rapport à-l'autre

dans la direction représentée par la flèche 144, l'arti-

culation 142 se rapproche ou s'écarte de l'articulation Aussi longtemps que l'élément réfléchissant 160 de l'articulation 142 est placé suivant un angle constant de 450 par rapport au faisceau lumineux 154, le faisceau lumineux réfléchi 162 passe de l'élément réfléchissant 160 et sort par l'articulation optique 142 et l'élément tubulaire 164 dans une direction qui fait un angle de 900 par rapport au faisceau lumineux 154 C'est pourquoi, pendant que l'articulation optique 142 se déplace dans la direction axiale par rapport à l'articulation optique 140, le faisceau lumineux 162, dévié, qui en résulte se déplace suivant un chemin linéaire Il est clair que l'articulation 142 qui est représentée en pointillés à la figure 4 et les composants correspondants portant des références numériques avec un prime (') représentent une

autre position de cette articulation optique.

La configuration de la figure 4 peut également être prévue dans un montage en rotation de

l'élément tubulaire 158 et de l'élément tubulaire 156.

Cette combinaison en rotation doit permettre à l'articu-

lation optique 142 et à son élément tubulaire correspon-

dant 158 de tourner par rapport à l'élément tubulaire 156 comme cela est représenté par la flèche 170 Aussi longtemps que le faisceau lumineux 154 se déplace suivant

l'axe de mouvement A 8 qui est également l'axe de mouve-

ment de l'articulation optique 142, le faisceau de lumière réfléchi 162 reste dans une position fixe par rapport à l'articulation 142 et peut être utilisé en combinaison avec d'autres articulations de structure analogue, comme

cela a été indiqué ci-dessus Bien que le mode de réali-

sation particulier de la présente invention, représenté à la figure 4 utilise à la fois le mouvement axial et le mouvement de rotation pour l'articulation 142, il est clair que ces deux mouvements ne sont pas nécessairement combinés dans un système fournissant un faisceau lumineux selon la présente invention Par exemple, un dispositif

fournissant un faisceau lumineux selon-la présente inven-

tion peut utiliser un ou plusieurs axes rectilignes sans axesde rotation ou encore un ensemble d'axes de rotation

(comme représenté à la figure 3) et pas d'axes rectili-

gnes Il est clair que l'utilisation de l'expression

"axial" dans la présente description s'applique au mouve-

ment d'une articulation optique dans une direction

parallèle à celle du faisceau lumineux incident.

La configuration représentée à la figure

4 correspond à une variante de réalisation de l'inven-

tion qui permet le mouvement axial de l'articulation opti-

que Aussi longtemps que le faisceau lumineux incident se trouve sur l'axe de mouvement A 8 de l'articulation optique, l'invention fonctionne correctement L'axe de mouvement peut être soit un axe de mouvement axial ou de mouvement de rotation ou encore une combinaison des deux mouvements Il est clair que bien qu'aucun moteur n'ait été représenté à la figure 4, la présente invention envisage leur mise en place pour permettre de déplacer les articulations optiques selon l'invention autour d'un axe de mouvement A 8 qui co Xncide avec le faisceau de lumière regroupé arrivant sur la surface de miroir de

l'articulation optique selon l'invention.

Il est important de savoir que l'articu-

lation optique selon l'invention peut s'appliquer à de nombreux appareils fonctionnellement différents dans la mesure o ces éléments fondamentaux sont conservés Une articulation optique selon l'invention, suivant les

modes de réalisation ci-dessus, comporte un élément réflé-

chissant fixé à son élément de châssis pour que le fais- ceau de lumière incidente pénétrant dans l'articulation optique tombe sur la surface de miroir et soit réfléchi

par cette surface En outre, le faisceau lumineux inci-

dent qui arrive dans l'articulation optique selon lein-

vention se déplace suivant une ligne qui est également l'axe de rotation ou l'axe de translation de l'élément de châssis de l'articulation Cette caractéristique fait que le faisceau de lumière incidente rencontre un point

fixe de la surface de miroir quels que soient sa rota-

tion ou son déplacement axial suivant cet axe L'avantage de ce point constant est que le faisceau lumineux dévié

reste dans une position constante par rapport à la rota-

tion ou au déplacement axial de l'articulation optique ainsi déplacée et sa position dans l'espace peut être

réglée de façon précise Sans cette constante-de la posi-

tion de ce point, le mouvement résultant du faisceau lumineux peut être différent à la fois en direction et

en amplitude par rapport au mouvement exécuté par 1-arti-

culation optique.

Dans tout l'exposé ci-dessus, l'expres-

sion "axe de mouvement" a été utilisée pour décrire le chemin suivant lequel doit passer le faisceau de lumière regroupé Il est clair que cette expression s'applique de la même manière à un axe de rotation ou à un axe de

mouvement rectiligne Dans les applications dans lesquel-

les l'articulation optique est une articulation de rota-

tion, l'axe de mouvement est l'axe de rotation de l'arti-

culation et le faisceau de lumière incidente doit par-

courir un chemin coincidant avec cet axe Pour une appli-

cation dans laquelle le mouvement de l'articulation opti-

que est rectiligne, l'axe de-mouvement est l'axe de dépla-

cement de l'articulation Dans ce dernier cas, le fais-

ceau de lumière doit passer suivant l'axe mais il est clair que dans les application S à déplacement rectiligne, l'axe de mouvement peut se situer sur l'une des nombreuses lignes parallèles C'est pourquoi l'expression "axe de

mouvement" peut avoir des significations différentes sui-

vant le type de mouvement Le chemin lumineux dans une

application à mouvement de rotation doit coïncider exac-

tement avec l'axe de mouvement de l'articulation c'est à-dire son axe de rotation pour assurer une rotation correcte selon l'invention Toutefois comme on peut avoir

plus d'un axe de mouvement (en général un axe de déplace-

ment rectiligne) dans des articulations à mouvement rec-

tiligne, le faisceau lumineux peut se trouver sur n'im-

porte quel chemin parallèle à la direction de mouvement de l'articulation et qui permet au faisceau de tomber sur la surface de miroir de l'articulation Il est clair pour cela que l'expression "axe de mouvement" utilisée ici signifie soit un axe de rotation, soit un axe de mouvement rectiligne suivant l'application particulière

de la présente invention.

En résumé, la présente invention concerne un moyen permettant de diriger un faisceau de lumière regroupé suivant un chemin décrit par des bras de support

et qui peuvent se déplacer suivant des relations angu-

laires variables Dans un système de robot à plusieurs segments de bras, cette caractéristique permet de diriger

un faisceau lumineux suivant un chemin réfléchi coinci-

dant ou parallèle aux segments de bras du système de robot et chaque segment du faisceau lumineux se déplace

en synchronisme avec un segment de bras correspondant.

Il est en outre clair que la présente invention permet d'enfermer complètement le faisceau de lumière regroupé de façon que le faisceau lumineux soit protégé vis-à-vis

des poussières ou impuretés en suspension dans l'air.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S ) Dispositif à bras de manipulateur de robot, articulés, comportant au moins deux membres ( 12 14) articulés disposés suivant un angle prédéterminé et reliés à une extrémité à un point fixe, l'autre extrémité portant un élément de manoeuvre, ce manipulateur utilisant un faisceau lumineux ( 24) fourni à l'élément de manoeuvre à partir d'un point fixe, le faisceau lumineux étant nécessaire au niveau d'une pièce du côté de l'extrémité de manoeuvre, quelles que soient la position, la distance et l'orientation de l'extrémité de manoeuyre par rapport à la position fixe, dispositif caractérisé en ce que cha- que membre se compose d'un premier et d'un second éléments creux télescopiques ayant un axe commun, le second élément ( 12) pouvant tourner par rapport au premier élément ( 14) au- tour de l'axe commun AM et le second élément pouvant effec- tuer un mouvement télescopique par rapport au premier élément, le manipulateur comportant une source de lumière située au point fixe, un élément réfléchissant ( 17) ayant une surface de miroir ( 18) réfléchissante, montée à la première et à la seconde extrémités de chaque membre et un moyen ( 20 ( 21) pour régler l'angle de l'élément réfléchissant ( 17) par rap- port à l'axe commun AM, la source lumineuse et l'élément réfléchissant étant montés de façon à définir et conser- ver le faisceau lumineux toujours suivant un axe de n'importe quel membre creux( 25) à travers lequel passe le faisceau lumineux, si bien que pour n'importe quel type de mouvement autorisé de l'extrémité de manoeuvre par rapport à la position fixe, le faisceau lumineux atteint l'extrémité de manoeuvre et n'est Jamais coupé par les membres articulés. ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen ( 20-21) pour régler la position de l êlément reflechissant ( 17) par rapport à l-élément creux ( 28). ) Appareil selon la revendication 27 caractérisé en ce que le moyen de réglage( 20-21) comporte au moins un élément fileté relié à l'élément réfléchissant( 17) et coopérant par vissage avec l'élément creux ( 28).

40) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de support ( 14) dont la forme permet le passage du premier faisceau lumineux ( 14),, l'élément de support étant fixé à l'élément creux,

de façon mobile.

5 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour déplacer chaque membre, ce moyen étant un moteur ( 54) dont le rotor

est coaxial à l'axe de mouvement.