CN102528793A - 一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及板状工件的搬运机构，具体地说是一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，包括末端执行器、手指、小臂及大臂，其中大臂的一端可转动地安装在搬运机器人上，另一端为自由端；所述小臂的一端可相对转动地安装在大臂的自由端、小臂的另一端为自由端；所述手指可相对转动地安装在小臂的自由端，在手指上设有可直线伸缩运动和侧翻运动的末端执行器；所述末端执行器、手指及小臂可随大臂共同转动。本发明包括了大臂、小臂及手指，小臂可相对大臂转动，手指可相对小臂转动，末端执行器可实现伸缩运动、侧翻运动及升降和旋转，具有足够的工作空间，对手臂的刚性要求低。

Description

一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构

技术领域

本发明涉及板状工件的搬运机构，具体地说是一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构。

背景技术

随着自动化技术的深入发展，工厂对板状工件的自动化制造程度提出了更高的要求。板状工件应用于多个行业，如半导体制造中的硅片、平板，显示行业中的平板玻璃以及造纸行业中的纸板等；这些板状工件具有生产量大、搬运精度高、面积分布范围广、厚度相对较薄等特点。传统采用人工搬运的生产方式生产效率低且难以提高搬运质量，已经不适应现代制造业的需求。发展板状工件的自动化搬运装置成为一种趋势。

目前市场上出现了多种系列和型号的板状工件搬运机械手，如美国BR00KS公司的晶圆搬运机械手、日本YASKAWA公司的玻璃基板搬运机器人，这些机构的末端执行器大都有三个空间自由度，可实现工件的竖直举升、水平进给和水平面平移。在末端执行器需要更多自由度的场合，如进行工件的侧翻和俯仰时，这些自动化机构往往难以胜任。

美国专利US 6318951提出了一种“微电子工件搬运机器人”，该机器人的末端执行器可以进行侧翻，原因是在机器人的手指上安装了驱动其侧翻的电机和谐波减速器。考虑末端负载的增加将会提高对手臂的刚性要求，该机器人手臂仅有一个大臂和一个手指，没有小臂。这种传动布置方式明显缩小了机器人的工作空间，不适合工件的大范围搬运。

发明内容

为了解决上述工件搬运范围受限制和手臂刚性相互制约的问题，本发明的目的在于提供一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构。该末端执行器可侧翻机构对手臂的刚性要求低且不会缩小手臂的运动范围，并可实现末端执行器的高精度侧翻。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括末端执行器、手指、小臂及大臂，其中大臂的一端可转动地安装在搬运机器人上，另一端为自由端；所述小臂的一端可相对转动地安装在大臂的自由端、小臂的另一端为自由端；所述手指可相对转动地安装在小臂的自由端，在手指上设有可直线伸缩运动和侧翻运动的末端执行器；所述末端执行器、手指及小臂可随大臂共同转动。

其中：所述搬运机器人上安装有第二伺服电机，大臂的一端设有第三轴，该第三轴与第二伺服电机相连，大臂通过第二伺服电机的驱动绕第三轴旋转；在所述第三轴上套设有第三主动带轮，该第三主动带轮安装在搬运机器人上、与第三轴之间具有转动副；所述大臂自由端设有第二轴，在大臂自由端内设有套在第二轴上的第三从动带轮，该第三从动带轮与第二轴之间具有转动副；所述第三主动带轮通过第三同步带与第三从动带轮相连；所述大臂的一端安装在搬运机器人上的升降旋转机构上，大臂、小臂、手指及末端执行器通过升降旋转机构的驱动可上下升降运动和同步转动；升降旋转机构上安装有第二伺服电机，大臂的一端设有第三轴，该第三轴与第二伺服电机相连，大臂通过第二伺服电机的驱动绕第三轴旋转；在所述第三轴上套设有第三主动带轮，该第三主动带轮安装在升降旋转机构上、与第三轴之间具有转动副；所述大臂自由端设有第二轴，在大臂自由端内设有套在第二轴上的第三从动带轮，该第三从动带轮与第二轴之间具有转动副；所述第三主动带轮通过第三同步带与第三从动带轮相连；所述小臂的一端与第三从动带轮固联，另一端设有第一轴，小臂的一端内设有与第二轴固联的第二主动带轮，小臂的另一端内设有套设在第一轴上的第一从动带轮，该第一从动带轮与第一轴之间具有转动副，第二主动带轮通过第一同步带与第一从动带轮相连；第二主动带轮的带轮中心线与第二轴同轴，第一从动带轮的带轮中心线与第一轴同轴，第一从动带轮与第二主动带轮的齿数比为2∶1；手指上设有手指轴，该手指轴套在第一轴的外侧、与第一从动带轮固联；小臂上安装有第一伺服电机，小臂内设有与第一伺服电机输出轴连接的第一主动带轮，该第一主动带轮通过第二同步带与套设在手指轴上的第二从动带轮相连，第二从动带轮与手指轴之间具有转动副；所述第二从动带轮上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮，该第二锥齿轮与手指内的第一锥齿轮相啮合，末端执行器与第一锥齿轮相连、通过第一伺服电机的驱动实现侧翻运动；第一伺服电机的输出轴与第二轴同轴；第三主动带轮的带轮中心线与第三轴同轴，第三从动带轮与第三主动带轮的齿数比为1∶2。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明包括了大臂、小臂及手指，小臂可相对大臂转动，手指可相对小臂转动，末端执行器由安装在小臂上的第一伺服电机驱动实现侧翻运动，并可由大臂、小臂及手指的耦合转动实现直线伸缩运动，升降运动可由与大臂转动联接的升降旋转机构实现，整个机构对手臂的刚性要求低，且保证了手臂具备足够的工作空间。

2.本发明末端执行器的运动精度高，动作平稳。

3.本发明的谐波减速器将传动速度降低到适合末端执行器侧翻的速度，并增大传动力矩，从而实现了末端执行器的侧翻。

附图说明

图1为本发明的外形立体结构图；

图2为本发明的外形俯视图；

图3为本发明的内部结构剖视图；

图4a为本发明工作状态示意图之一；

图4b为本发明工作状态示意图之二；

图4c为本发明工作状态示意图之三；

其中：1为末端执行器，2为末端法兰，3为第一谐波减速器，4为手指，5为第一锥齿轮，6为第一从动带轮，7为小臂，8为第二从动带轮，9为第二锥齿轮，10为第一同步带，11为第二同步带，12为第一主动带轮，13为第一轴，14为第三从动带轮，15为第一伺服电机，16为第二主动带轮，17为大臂，18为第三同步带，19为第三主动带轮，20为固定法兰，21为第二谐波减速器，22为第二伺服电机，23为升降旋转机构，24为第二轴，25为第三轴，26为第一片盒，27为第二片盒，28为晶圆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明包括末端执行器1、手指4、小臂7及大臂17，其中驱动大臂17转动的第二伺服电机22固联在搬运机器人上的固定法兰20上，大臂17的一端设有第三轴25，该第三轴25通过第二谐波减速器21与第二伺服电机22的输出轴相连，第二谐波减速器21固联在固定法兰20上。在固定法兰20上固联有第三主动带轮19，第三主动带轮19套设在第三轴25上、与第三轴25之间具有转动副，第三主动带轮19的传动部分位于大臂17一端的内部，第三主动带轮19的带轮中心线与第三轴25同轴。

驱动大臂17转动的第二伺服电机22也可固联在搬运机器人上的升降旋转机构23上，大臂17、小臂7、手指4及末端执行器1通过升降旋转机构23的驱动可上下升降运动和同步转动。固定法兰20固联在升降旋转机构23上。大臂17的一端设有第三轴25，该第三轴25通过第二谐波减速器21与第二伺服电机22的输出轴相连，第二谐波减速器21固联在固定法兰20上；第二伺服电机22及第二谐波减速器21也可直接固定到升降旋转机构23上。在固定法兰20上固联有第三主动带轮19，第三主动带轮19套设在第三轴25上、与第三轴25之间具有转动副，第三主动带轮19的传动部分位于大臂17一端的内部，第三主动带轮19的带轮中心线与第三轴25同轴。

大臂17的另一端为自由端，该自由端设有第二轴24，在大臂17自由端内设有套在第二轴24上的第三从动带轮14，第三从动带轮14与第二轴24之间具有转动副；第三主动带轮19通过第三同步带18与第三从动带轮14相连。

小臂7的一端与第三从动带轮14固联，另一端设有第一轴13，小臂7的一端内设有与第二轴24固联的第二主动带轮16，小臂7的另一端内设有套设在第一轴13上的第一从动带轮6，该第一从动带轮6与第一轴13之间具有转动副，第二主动带轮16通过第一同步带10与第一从动带轮6相连，第二主动带轮16的带轮中心线与第二轴24同轴，第一从动带轮6的带轮中心线与第一轴13同轴。手指4上设有手指轴，该手指轴套在第一轴13的外侧、并与第一从动带轮6固联。

小臂7上安装有第一伺服电机15，该第一伺服电机15的输出轴可以与第二轴24同轴，也可与第二轴24保持一定距离，原则是不对大臂17和小臂7的结构强度及刚度造成影响；本实施例是将第一伺服电机15的输出轴与第二轴24同轴设置的。小臂7内设有与第一伺服电机15输出轴固联的第一主动带轮12，该第一主动带轮12通过第二同步带11与套设在手指轴上的第二从动带轮8相连，第二从动带轮8与手指轴之间具有转动副；第二从动带轮8上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮9，该第二锥齿轮9与手指4内的第一锥齿轮5相啮合，第二锥齿轮9的中心线与第一锥齿轮5的中心线垂直；在第一锥齿轮5上设有第一谐波减速器3，第一谐波减速器3上设有末端法兰2，末端执行器1通过第一谐波减速器3及末端法兰2与第一锥齿轮5相连、通过第一伺服电机15的驱动及第一主动带轮12、第二同步带11、第二从动带轮8、第二锥齿轮9及第一锥齿轮5的传动实现侧翻运动。

第一伺服电机15也可设置在大臂17上或手指4上。第三从动带轮14与第三主动带轮19的齿数比为1∶2。第一从动带轮6与第二主动带轮16的齿数比为2∶1。

本发明的工作原理为：

大臂17、小臂7和手指4由第二伺服电机22单独驱动，在耦合传动作用下，实现手指4沿直线L伸缩运动；末端执行器1通过末端法兰2及第一谐波减速器3与手指4相连，从而实现末端执行器1沿直线L的伸缩运动。末端执行器1由第一伺服电机15单独驱动，从而实现末端执行器1的侧翻运动。在升降旋转机构23的作用下，末端执行器还可绕第三轴25旋转和沿第三轴25进行升降运动。具体为：

末端执行器1的伸缩运动：第二伺服电机22工作，通过第二谐波减速器21传递给第三轴25，进而带动大臂17绕第三轴25转动。第三主动带轮19、第三同步带18及第三从动带轮14分别安装在大臂17内，第三主动带轮19是固定不动的，因此，当大臂17绕第三轴25转动时，动力(即第三主动带轮19的阻力)通过第三同步带18传至第三从动带轮14上，带动第三从动带轮14转动。由于第三从动带轮14与第三主动带轮19的齿数比为1∶2，因此，第三从动带轮14以相对于大臂17转速的二倍转速转动；小臂7的一端是与第三从动带轮14固联的，所以，小臂7绕第二轴24以相对于大臂17转速的二倍转速转动。小臂7内的第二主动带轮16与大臂17另一端的第二轴24固联且第二主动带轮的中心线与第二轴24同轴，第一从动带轮6与手指4的手指轴固联、与第一轴13具有转动副，并且第一从动带轮的中心线与第一轴13同轴；因此，小臂7转动时，动力(即第二主动带轮16的阻力)通过第一同步带10传至第一从动带轮6上，从而带动与第一从动带轮6固联的手指4绕第一轴13转动。由于第一从动带轮6与第二主动带轮16的齿数比为2∶1，使手指4的转动速度与大臂17的转动速度数值相同，方向相反。因此，大臂转速：小臂转速(相对于大臂)：手指转速(相对于小臂)＝1∶(-2)∶1，这种转速耦合关系保证了手指4沿直线L进行伸缩运动；末端执行器1与手指4通过第一谐波减速器3及其末端法兰2联接至手指4，从而实现末端执行器1沿直线L的伸缩运动。

末端执行器1的侧翻运动：上述末端执行器1的伸缩运动以及在升降旋转机构23驱动下的升降和旋转运动，已经可以满足板状工件的水平搬运。但在某些工件搬运场合，需要对工件进行侧翻一定角度后放置，因此，有必要使末端执行器1具备侧翻功能。第一伺服电机15设置在小臂7上，电机输出轴与第一主动带轮12固联，将驱动力通过第二同步带11传递给第二从动带轮8，第二从动带轮8套设在手指轴上、并具有转动副，可绕手指轴自由转动。第二锥齿轮9与第二从动带轮8固联，将动力通过与第一锥齿轮5啮合、传递至固联在手指4输出端的第一谐波减速器3上；末端执行器1通过末端法兰2联接到第一谐波减速器3的输出轴上，在第一伺服电机15的驱动下，实现侧翻运动。

在升降旋转机构工作时，大臂17、小臂7、手指4及末端执行器1共同旋转或升降。本发明的升降旋转机构23可以实现末端执行器1绕第三轴25旋转和沿第三轴25升降的两个运动，为常规的机械结构，本发明不作详细说明。

下面结合晶圆的搬运实例说明本发明末端执行器可侧翻机构的一种典型应用，但不代表本发明仅局限于晶圆的搬运。

如图4a～4c所示，晶圆是半导体生产线中需要频繁搬运的圆盘状工件，一种比较常见的搬运工作是从片盒(或工艺腔)搬运至另一片盒(或工艺腔)。机械手需要将一个水平放置的第一片盒26中的晶圆搬运至另一个垂直放置的第二片盒27中，图4a所示为末端执行器1抬起，完成晶圆28的抓取和吸附；图4b所示为末端执行器1向第二片盒27的方向旋转运动，并完成侧翻动作，以第二片盒25中的目标晶圆放置位置对齐；图4c所示为末端执行器1完成晶圆28与第二片盒27对齐后开始进行直线伸缩运动将晶圆28送至目标位置。

本发明可用于包括半导体行业中的硅片、平板显示行业中的玻璃基板、造纸行业中的纸板等板状工件。

Claims (10)

1.一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：包括末端执行器(1)、手指(4)、小臂(7)及大臂(17)，其中大臂(17)的一端可转动地安装在搬运机器人上，另一端为自由端；所述小臂(7)的一端可相对转动地安装在大臂(17)的自由端、小臂(7)的另一端为自由端；所述手指(4)可相对转动地安装在小臂(7)的自由端，在手指(4)上设有可直线伸缩运动和侧翻运动的末端执行器(1)；所述末端执行器(1)、手指(4)及小臂(7)可随大臂(17)共同转动。

2.按权利要求1所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述搬运机器人上安装有第二伺服电机(22)，大臂(17)的一端设有第三轴(25)，该第三轴(25)与第二伺服电机(22)相连，大臂(17)通过第二伺服电机(22)的驱动绕第三轴(25)旋转；在所述第三轴(25)上套设有第三主动带轮(19)，该第三主动带轮(19)安装在搬运机器人上、与第三轴(25)之间具有转动副；所述大臂(17)自由端设有第二轴(24)，在大臂(17)自由端内设有套在第二轴(24)上的第三从动带轮(14)，该第三从动带轮(14)与第二轴(24)之间具有转动副；所述第三主动带轮(19)通过第三同步带(18)与第三从动带轮(14)相连。

3.按权利要求1所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述大臂(17)的一端安装在搬运机器人上的升降旋转机构(23)上，大臂(17)、小臂(7)、手指(4)及末端执行器(1)通过升降旋转机构(23)的驱动可上下升降运动和同步转动。

4.按权利要求3所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述升降旋转机构(23)上安装有第二伺服电机(22)，大臂(17)的一端设有第三轴(25)，该第三轴(25)与第二伺服电机(22)相连，大臂(17)通过第二伺服电机(22)的驱动绕第三轴(25)旋转；在所述第三轴(25)上套设有第三主动带轮(19)，该第三主动带轮(19)安装在升降旋转机构(23)上、与第三轴(25)之间具有转动副；所述大臂(17)自由端设有第二轴(24)，在大臂(17)自由端内设有套在第二轴(24)上的第三从动带轮(14)，该第三从动带轮(14)与第二轴(24)之间具有转动副；所述第三主动带轮(19)通过第三同步带(18)与第三从动带轮(14)相连。

5.按权利要求2或4所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述小臂(7)的一端与第三从动带轮(14)固联，另一端设有第一轴(13)，小臂(7)的一端内设有与第二轴(24)固联的第二主动带轮(16)，小臂(7)的另一端内设有套设在第一轴(13)上的第一从动带轮(6)，该第一从动带轮(6)与第一轴(13)之间具有转动副，第二主动带轮(16)通过第一同步带(10)与第一从动带轮(6)相连。

6.按权利要求5所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述第二主动带轮(16)的带轮中心线与第二轴(24)同轴，第一从动带轮(6)的带轮中心线与第一轴(13)同轴，第一从动带轮(6)与第二主动带轮(16)的齿数比为2∶1。

7.按权利要求5所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述手指(4)上设有手指轴，该手指轴套在第一轴(13)的外侧、与第一从动带轮(6)固联。

8.按权利要求7所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述小臂(7)上安装有第一伺服电机(15)，小臂(7)内设有与第一伺服电机(15)输出轴连接的第一主动带轮(12)，该第一主动带轮(12)通过第二同步带(11)与套设在手指轴上的第二从动带轮(8)相连，第二从动带轮(8)与手指轴之间具有转动副；所述第二从动带轮(8)上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮(9)，该第二锥齿轮(9)与手指(4)内的第一锥齿轮(5)相啮合，末端执行器(1)与第一锥齿轮(5)相连、通过第一伺服电机(15)的驱动实现侧翻运动。

9.按权利要求8所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述第一伺服电机(15)的输出轴与第二轴(24)同轴。

10.按权利要求2或4所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于：所述第三主动带轮(19)的带轮中心线与第三轴(25)同轴，第三从动带轮(14)与第三主动带轮(19)的齿数比为1∶2。

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