CN108789423A - 片盒搬运机器人 - Google Patents

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CN108789423A CN201710295962.8A CN201710295962A CN108789423A CN 108789423 A CN108789423 A CN 108789423A CN 201710295962 A CN201710295962 A CN 201710295962A CN 108789423 A CN108789423 A CN 108789423A
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吴飞
许琦欣
杜荣
冯日盛
周红吉
李玲雨
王帆
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B25J11/0095—Manipulators transporting wafers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0091—Shock absorbers

Abstract

本发明提供一种片盒搬运机器人，包括自动导引小车和架设在所述自动导引小车上的外部框架，所述外部框架上设有片盒承载装置、搬运所述片盒的机械手以及若干减振组件，所述若干减振组件对称分布在所述外部框架与自动导引小车之间，这样在片盒搬运机器人的移动过程中，当受到撞击或者外力或者被突然停止时，减振组件可以减缓其突然停止的动作，防止位于片盒架中的晶圆被突然停止的动作而与片盒发生碰撞或者片盒从片盒架上甩出去，同时由于减缓了突然停止的动作，能有效降低因机械振动对机器人本体造成的疲劳和寿命缩短，提高系统的可靠性。

Description

片盒搬运机器人
技术领域
本发明涉及半导体光刻机领域，特别涉及一种片盒搬运机器人。
背景技术
21世纪以来，自动化物流系统已经在工业领域得到广泛应用，在IC行业前道工艺FAB(Fabrication，加工制造)产线中，特别是 12寸晶圆制造的产线中，已经普遍采用了自动物料搬送系统 (AMHS)，包括FAB AGV(FAB自动引导运输小车)、OHT (Overhead HoistTransfer，举重运输小车)、Stocker(堆料机)等。通过MES(manufacturing executionsystem，制造执行)系统调度 AMHS，直接将硅片片盒从Stocker直接搬送到各机台的接口上，然后命令机台进行自动化生产，改变了之前完全靠人工运输的低效率模式，大大提升先进IC工艺产线的自动化水平，有效地节约人力成本，提高产品产出，增加客户价值。
半导体厂房中尤其是后道封装产线，机台自动化是未来发展的趋势，产线中人工运输的现状将彻底地改变。目前世界范围内主要前道 12寸半导体产线中已经采用了OHT系统进行物料管理，但对于许多后道封装产线来说也面临物料自动化系统更新的问题，而且12寸晶圆产品越来越占主导地位，满载荷的片盒重量约为7.5Kg，对于操作工的搬运来说较吃力，且有一定的风险；同时，劳动力在未来会严重短缺且劳动力成本越来越高，因此片盒运输机器人的需求量将会越来越大；此外，由于封装厂的规模和利润，无法支持诸如前道半导体产线的OHT系统投资，需要便利、经济的自动化片盒搬送方案和设备。
在全球范围内，一些电子厂和半导体厂房已经在用AGV小车代替人工搬运，一般一侧设置片盒搬运机器人，中间和另一侧为8寸 SMIF(上料口输送)盒搬运机器人，通过在产线上配置搬运机器人，可节省大量的体力劳动。但这些已有产品的不足之处为都是主要针对8 寸片盒，不能满足12寸片盒的运输需求。
此外，目前半导体厂商的货架，为了尽可能提高货架存储量，节省FAB内的空间，货架可能会做到3层，层间高度不超过450mm。这对于自动搬运设备而言，留给机械臂的空间非常有限。
最重要的是，根据前期对现有技术中片盒搬运机器人振动测量的结果，片盒搬运机器人受到的振动主要体现顶部X方向，也就是在顶部X方向上振动值偏大，振幅在10mm左右量级。根据振动频域和时域测试结果，可得到测试结论为：在一般运行情况下，片盒机器人顶部和中部的主要低频频率成分为10-20Hz区域；中部位置在停止时，会有水平向振荡，幅度在毫米级别；因此需要解决片盒机器人的运动框架在运动过程中，受到运动状态改变(如自身的急停刹车)和外界激励(如地面不平整导致边界变化)所激发的整车振动的问题，并且进一步还需要解决，过大的振动造成的对12寸晶圆传送盒内晶圆或者硅片的损坏以及对机器人系统的使用寿命缩短的问题。
发明内容
本发明提出了一种片盒搬运机器人，用于解决上述问题。
为达到上述目的，本发明提供一种片盒搬运机器人，包括自动导引小车和架设在所述自动导引小车上的外部框架，所述外部框架上设有片盒承载装置、搬运所述片盒的机械手以及若干减振组件，所述若干减振组件对称分布在所述外部框架与自动导引小车之间。
作为优选，所述若干减振组件包括沿垂向设于所述自动导引小车上方的第一减振组件，其中至少两组与所述片盒对应设置。
作为优选，所述若干减振组件包括至少两组沿所述自动导引小车运动方向水平设置的第二减振组件。
作为优选，所述外部框架上安装有多个万向轮，所述多个万向轮作为从动轮跟随所述自动导引小车运动。
作为优选，所述多个万向轮上均设有第三减振组件。
作为优选，所述第一减振组件为橡胶、气浮垫或气囊。
作为优选，所述第二减振组件为弹性阻尼器。
作为优选，所述弹性阻尼器面向所述自动引导小车的一端的端面为斜面。
作为优选，所述第三减振组件为并联的双弹簧结构或阻尼器。
作为优选，所述第一减振组件的肖氏硬度范围为45～65，垂向承重范围为5～50kg，水平向承重范围为2～20kg，垂向刚度和水平向刚度皆为10～500N/mm。
作为优选，所述第二减振组件的刚度范围在10-10000N/mm之间，阻尼范围在10-10000N·s/mm之间。
作为优选，所述第三减振组件的刚度范围在10-10000N/mm之间。
作为优选，所述外部框架包括底部框架和顶部框架，所述底部框架罩设连接在所述自动导引小车上，所述顶部框架与所述机械手沿所述自动导引小车的运动方向设置在所述底部框架上，所述片盒承载装置固定在所述顶部框架上。
作为优选，所述机械手包括机械臂和末端执行器，所述机械臂固定在所述底部框架上，所述末端执行器与所述机械臂末端关节呈倒L 型布置。
作为优选，所述片盒承载装置设置有两个，在竖直方向上排列。
作为优选，所述外部框架采用方管焊接而成，材料为铝合金或镁合金。
作为优选，所述底部框架包括若干沿纵平面分布的斜向加强筋。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种片盒搬运机器人，包括自动导引小车和架设在所述自动导引小车上的外部框架，所述外部框架上设有片盒承载装置、搬运所述片盒的机械手以及若干减振组件，所述若干减振组件对称分布在所述外部框架与自动导引小车之间，这样在片盒搬运机器人的移动过程中，当受到撞击或者外力或者被突然停止时，减振组件可以减缓其突然停止的动作，防止位于片盒架中的晶圆被突然停止的动作而与片盒发生碰撞或者片盒从片盒架上甩出去，同时由于减缓了突然停止的动作，能有效降低因机械振动对机器人本体造成的疲劳和寿命缩短，提高系统的可靠性。
附图说明
图1和图2皆为本发明实施例一提供的片盒搬运机器人组成结构图；
图3和图4为本发明实施例一提供的片盒搬运机器人外部框架结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的片盒搬运机器人结构示意图；
图6为本发明实施例一提供的框架平台下方结构示意图；
图7为图6中阻尼模块示意图；
图8为本发明实施例二提供的片盒搬运机器人结构示意图；
图9为本发明实施例二提供的框架平台俯视图；
图10为图9中顶端模块示意图；
图11为本发明实施例二提供的框架平台下方结构示意图；
图12为图11中移动滚轮装置示意图；
图13～18为本发明实施例二片盒搬运机器人动力系统分析示意图。
图中：101-自动导引小车、103-天线、111-液晶屏控制器、112- 急停控制按钮、113-无线天线通讯、114-三色灯报警系统、201-机械臂、2011-基础部件、2022-连杆、202-末端执行器、203-视觉装置、300-水平向激光传感器、301-垂向激光传感器、302-声呐、400-片盒架、500-片盒、501-顶部法兰、600-外部框架、601-顶部框架、602- 底部框架、6021-框架平台、6022-支撑结构、603-移动滚轮装置、6031- 支架、6032-万向轮、701-弹簧组件、702-阻尼模块、801-水平向减振模块、802-垂向减振模块、821-顶端模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供一种片盒搬运机器人，包括自动导引小车101和架设在所述自动导引小车101上的外部框架600，所述外部框架600上设有片盒承载装置、搬运所述片盒的机械手以及若干减振组件，所述若干减振组件对称分布在所述外部框架与自动导引小车101之间。
实施例一
请参照图1至图4，本实施例提供片盒搬运机器人，包括一外部框架600，在外部框架600内放置各种电子元件以及片盒，具体地请参照图3和图4，所述外部框架600从上至下包括依次连接的顶部框架601、底部框架602以及位于底部框架602下方的移动滚轮装置603。
具体地，在顶部框架601上主要支撑片盒架400和构成移动机器人外形，形成图1～5所示的结构，在片盒架400上放置片盒500，片盒500内放置若干片晶圆。片盒架400具有两个，在竖直方向上排列。
底部框架602主要包括与水平面平行的框架平台6021以及位于框架平台6021下方的支撑结构6022，框架平台6021固定在自动导引小车101上方，用于放置电气设备和机械手，所述顶部框架601固定在框架平台6021上一侧，机械手固定在框架平台6021上另一侧。片盒搬运机器人维修维护时，从底部框架602后部拖出，底部框架 602前方需避开后续需要安装的激光或者声呐类传感器的探测区域，因此底部框架602前部和后部皆敞开，在底部框架602前部敞开，以避让用于自动导引小车101运动的水平向激光传感器300；在底部框架602后部敞开，以便片盒搬运机器人充电并考虑充电桩外形尺寸。底部框架602还包括若干沿纵平面分布的斜向加强筋，以增加整体刚度和稳定性。增设加强筋需避开后续两侧安装的传感器区域；而底部框架602的后方不仅需要避开后续安装的声呐302的探测区域范围，还需避让充电桩的位置。进一步的，本实施例中底部框架602通过 40mm×40mm为主的方管焊接而成，材料为铝合金或镁合金。
本发明提供的机器人的外部框架600的顶部框架601和底部框架 602都是从上至下在垂直方向上连接，则在机器人前进过程中，框架上承受的是垂向载荷，这样增加了机器人行驶的稳定性。
请参照图1至图5，机械手包括固定在框架平台6021上用于抓取片盒的机械臂201，机械臂201自身由若干个端部铰接的连杆2022 连接而成，其具有六个自由度，可应对四层以上的货架，机械臂201 臂展范围为1000mm～1500mm，机械臂201的端部通过基础部件2011固定在框架平台6021上，另一端连接末端执行器202，该末端执行器202可进行360°旋转，在工作时，末端执行器202与机械臂201 靠近末端执行器202的一段连杆2022呈倒L型布置，伸入货架时，机械臂201的该端连杆2022位于末端执行器202的下方，以最大程度上节省末端执行器202伸入货架时每层高度空间的占用，同时降低对机械臂末端的力矩。
另外，末端执行器202采用被动式无源方式，用于抓取位于片盒 500顶部的顶部法兰501，其在抓取时，末端执行器202从顶部法兰 501与片盒500主体之间的空间伸入至一定位置后，垂直向上将片盒 500托起；在放置片盒500时，将片盒500放在货架上后，末端执行器202沿垂直向下方向运动，与片盒500脱离后抽出。
为了使末端执行器202更好地工作，在末端执行器202上安装视觉装置203，用于探测末端执行器202前方的情况，使末端执行器202 准确地进入货架。
通过有限元仿真计算整个外部框架600受载荷后的变形和最大应力分析，最大变形小于1mm，最大应力小于20Mpa，低于材料需用应力。因此：通过有限元仿真计算整体外部框架600的受力模态，其中一阶模态值中固有频率范围为5-10Hz，其中二阶模态值中固有频率范围10-20Hz。
在本发明提供的片盒搬运机器人中，在框架平台6021下方刚性连接一自动导引小车101，自动导引小车101用于驱动整个片盒搬运机器人移动，请参照图1和图2，在底部框架602处安装有用于探测前方是否有障碍物的水平向激光传感器300，其与自动导引小车101连接，当探测前方没有障碍物时，自动导引小车101继续驱动机器人前行，当探测前方有障碍物时，则停止驱动机器人前行。
为了防止自动导引小车101停止驱动机器人前行或者机器人突然停止前行时，自动导引小车101与机器人之间发生碰撞或者由于机器人突然急停，片盒架400上的片盒500飞出机器人，本实施例在自动导引小车101和框架平台6021之间设置了减振组件。
请参照图5和图6，本实施例中的减振组件是垂直方向设置的，可设置为对称分布的4组或者8组，其中至少有两组减振组件是放置在片盒架400下方，对片盒架400在移动过程中受到的振动进行减缓。
本实施例中，减振组件主要包括阻尼模块702和平行于阻尼模块 702的弹簧组件701。
请参照图7，本实施例提供的阻尼模块702为实体橡胶或者气浮装置或者中空的气囊式橡胶垫，其既能承受一定的垂向力又可承受一定水平向剪切力，将垂向和水平向减振问题耦合在一起解决。所述阻尼模块702的肖氏硬度范围为45～65，垂向承重范围为5～50kg，水平向承重范围为2～20kg，垂向刚度和水平向刚度皆为10～500N/mm。根据单个阻尼模块702的刚度估计，整个片盒搬运机器人系统刚度垂向可设置在10-500N/mm的范围内，水平向刚度可设置在10-500 N/mm的范围内。
请参照图1和图2，片盒搬运机器人上还设置有相关电子装置，具体为：
在机器人两侧设置有垂向激光传感器301，用于提供高度方向上的障碍探测；
在两侧设置有声呐302、在机器人前部或者后部设置有声呐302，用于探测在机械臂201运动时，是否有物体进入机械臂201行程范围之内；
在机器人前部或者后部还设置有液晶屏控制器111，液晶屏控制器111上方设置急停控制按钮112；
在机器人顶部设置三色灯报警系统114以及无线天线通讯113；
在每一层片盒架400的底部配置有射频识别读卡器(未图示)以及天线103。
实施例二
请参照图8，本实施例与实施例一的区别在于减振组件的分布不同。本实施例中的减振组件具体为水平向减振模块801以及垂向减振模块802。
请参照图8～图11，水平向减振模块801安装在自动导引小车101 与支撑结构6022之间，水平向减振模块801沿所述自动导引小车101 运动方向水平设置，且关于自动导引小车101对称分布，可设置为均匀分布的4组或者8组，水平向减振模块801为水平向放置的弹性阻尼器，刚度范围在10-10000N/mm之间，阻尼范围在10-10000N·s/mm 之间，弹性阻尼器面向自动导引小车101的一端包括一个带有斜面的顶端模块821，请参照图10，其作用为使得在弹性阻尼器受力压缩或延展时，可以在斜面的接触面上滑动并产生自适应的位移。本实施例所述弹性阻尼器为由弹簧和阻尼器形成的弹性阻尼器。
垂向减振模块802具体为安装在移动滚轮装置603上的弹簧柔性件或者阻尼器，本实施例中所述移动滚轮装置603上设置有一支架 6031，在支架6031上铰接一万向轮6032，万向轮6032与地面接触滚动，垂向减振模块802就设置在支架6031上，用于减缓万向轮6032在滚动时遇到障碍物后，对移动滚轮装置603以及上方的支撑结构 6022产生的冲击，请参照图12，弹簧柔性件或者阻尼器具有两个，为并联设置，以减小垂向空间提高刚度，刚度范围在10-10000N/mm 之间，同时使其具有一定的柔性的地面适应性，垂向减振模块802对机器人进行垂向减震，此外还能保证万向轮6032都接触地面，避免轮子虚接触。
对实施例二的结构进行动力学分析：
水平向动力学分析：
考虑两自由度系统，如所示的一个含黏性阻尼的二自由度弹簧质量系统。其中质量块m1通过弹簧k1和阻尼器c1与墙壁连接，质量块 m1和m2通过弹簧k2和阻尼器c2连接，质量块m2通过弹簧k3和阻尼器c3与另一面墙壁连接，这三个弹簧k1、k2和k3长度方向皆为水平方向，且位于同一条直线上，三个阻尼器c1、c2和c3也同样设置。系统的运动可以用坐标x1(t)和x2(t)来描述，它们分别定义在某一时刻t 两个质量块m1和m2离开各自平衡位置的位移。两个外力F1(t)和F2(t) 分别作用在m1和m2上，m1和m2的受力分析如图14所示。
对每一个质量块分别应用牛顿第二定律可得如下运动微分方程：
其中为x1(t)对t的二维求导，为x1(t)对t的一维求导，为 x2(t)对t的二维求导，为x2(t)对t的一维求导，c1、c2和c3分别为三个阻尼器的弹性系数，k2、k3、k1分别为三个弹簧的弹性系数。
根据频率方程(frequency equation)或特征方程(characteristic equation)可求得系统的频率或特征值，系统的固有频率(natural frequencies)分别为ω1和ω2(rad/s)。
垂向动力学分析
如图15所示，有时质量块m放置在地基或者弹簧k或者阻尼器 c的支承会发生简谐运动。令y(t)示地基的位移，x(t)表示在t时刻质量块m距其静平衡位置的位移，则弹簧m的净伸长为(x-y)，阻尼器 c两端的相对速度为根据如图16所示的受力图，可得运动微分方程。
其中为x(t)对t的二维求导，为x(t)对t的一维求导，为y(t) 对t的一维求导。
如所示为机器人通过粗糙路面而引起竖向振动的一个简单模型。请参照图18，设机器人的质量为100kg，系统的弹簧常数刚度值为 400kN/m，阻尼比为ζ＝0.5。机器人的行驶速度为0.5～1.5m/s的范围，已知路面的起伏按正弦规律变化，幅值为Y＝0.05m，波长为1.2m(以高架地板长0.6m×宽0.6m为例)。求解地基激励频率、小车固有频率、频率比和小车载荷的位移幅值。
地基激励频率：地基基础运动激励的频率可以通过机器人速度 v(m/s)乘以路面起伏的一个循环的长度求得地基激励频率为：
ω＝2πf＝2π×v×1.2＝7.5v(rad/s)
其中f为频率，w为角频率。
机器人自身固有频率：机器人自身固有频率由固有频率公式求得，其中载荷为外部框架600质量100kg，采用共4组垂向减振模块 802支撑，每个垂向减振模块802由2个并联的弹簧(弹簧柔性件) 支撑，弹簧刚度为20N/mm，即20000N/m，则机器人自身固有频率：
频率比：其中ωmean为多次测量后取平均。
振幅比：由振幅比公式如下求得振幅比为：
通过以上分析，得到：
当机器人相对向前运动时，同前进方向前部两组水平向减振模块 801撞击并发生力的作用和能量的衰减；
当机器人相对向后运动时，同前进方向后部两组水平向减振模块 801撞击并发生力的作用和能量的衰减；
当机器人相对向左运动时，同左部两组水平向减振模块801撞击并发生力的作用和能量的衰减；
当机器人相对向右运动时，同右部两组水平向减振模块801并发生力的作用和能量的衰减；
通过以上四组水平向减振模块801能够对全部的水平方向(X向和Y向)的振动进行衰减。
本发明提供一种片盒搬运机器人，在该机器人的框架平台6021 下方设置了减振组件，减振组件分布在水平方向和竖直方向上，这样在片盒搬运机器人的移动过程中，当受到撞击或者外力或者被突然停止时，减振组件可以减缓其突然停止的动作，防止位于片盒架400中的晶圆被突然停止的动作而与片盒500发生碰撞或者片盒500从片盒架400上甩出去，同时由于减缓了突然停止的动作，能有效降低因机械振动对机器人本体造成的疲劳和寿命缩短，提高系统的可靠性。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种片盒搬运机器人，其特征在于，包括自动导引小车和架设在所述自动导引小车上的外部框架，所述外部框架上设有片盒承载装置、搬运所述片盒的机械手以及若干减振组件，所述若干减振组件对称分布在所述外部框架与自动导引小车之间。
2.如权利要求1所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述若干减振组件包括沿垂向设于所述自动导引小车上方的第一减振组件，其中至少两组与所述片盒对应设置。
3.如权利要求1或2所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述若干减振组件包括至少两组沿所述自动导引小车运动方向水平设置的第二减振组件。
4.如权利要求1所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述外部框架上安装有多个万向轮，所述多个万向轮作为从动轮跟随所述自动导引小车运动。
5.如权利要求4所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述多个万向轮上均设有第三减振组件。
6.如权利要求2所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第一减振组件为橡胶、气浮垫或气囊。
7.如权利要求3所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第二减振组件为弹性阻尼器。
8.如权利要求7所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述弹性阻尼器面向所述自动引导小车的一端的端面为斜面。
9.如权利要求5所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第三减振组件为并联的双弹簧结构或双阻尼器。
10.如权利要求2所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第一减振组件的肖氏硬度范围为45～65，垂向承重范围为5～50kg，水平向承重范围为2～20kg，垂向刚度和水平向刚度皆为10～500N/mm。
11.如权利要求3中所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第二减振组件的刚度范围在10-10000N/mm之间，阻尼范围在10-10000N·s/mm之间。
12.如权利要求5所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述第三减振组件的刚度范围在10-10000N/mm之间。
13.如权利要求1所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述外部框架包括底部框架和顶部框架，所述底部框架罩设连接在所述自动导引小车上，所述顶部框架与所述机械手沿所述自动导引小车的运动方向设置在所述底部框架上，所述片盒承载装置固定在所述顶部框架上。
14.如权利要求1中所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述机械手包括机械臂和末端执行器，所述机械臂固定在所述底部框架上，所述末端执行器与所述机械臂末端关节呈倒L型布置。
15.如权利要求1所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述片盒承载装置设置有两个，在竖直方向上排列。
16.如权利要求1所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述外部框架采用方管焊接而成，材料为铝合金或镁合金。
17.如权利要求13所述的片盒搬运机器人，其特征在于，所述底部框架包括若干沿纵平面分布的斜向加强筋。
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