CN110962110A - 机械臂和自动搬运装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂和自动搬运装置，机械臂通过侧装的安装方式安装在自动导航小车的扩展框架上，并且安装点相对于地面的高度比起物料顶面相对于地面的的高度更高，相比于现有技术本实施例工作空间较大，可以满足较深或者较低工位的搬运，同时，本实施例的机械臂在搬运过程中可以避免机械臂与自身工位的干涉，不需要浪费机械臂大量的运动轨迹，增加了搬运的效率。进一步的，在机械叉和腕部关节处增加一转接块使得机械叉和腕部关节之间呈一定的夹角，可以消除机械臂的腕部奇异点。

Description

机械臂和自动搬运装置

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种机械臂和自动搬运装置。

背景技术

自动化物流系统已经在工业领域得到广泛应用，而自动化的主体就是使用六轴机械臂实现对货物的搬运，六轴机械臂可以通过使用带有转动关节的多重手臂把手臂终端的物品从一个位置移动到另一个位置，六轴机械臂拥有很高的自由度，然而也有可能出现奇异点使得1、六轴机械臂自由度减少从而无法实现某些运动，2、六轴机械臂失控发生不可预计的运动。

六轴机械臂可能产生三种奇异点：肩部奇异点、手肘奇异点和手腕奇异点，手腕奇异点为轴4与轴6平行或者共线时，轴5会发生不可预计的运动。在片盒搬运过程中，为了保证六轴机械臂末端的横滚和俯仰角度不变的大前提下，末端执行器安装方式以及协作机器人的结构设计就会引起大量手腕奇异点发生。现有技术中六轴机械臂的安装方式分为正装、侧装以及倒装。

对于正装与倒装方式而言，在搬运片盒过程中，轴4与轴6全程保持垂直，不存在共线与平行的状态，所以基本排除了手腕奇异点的发生。但是其工作空间较小，无法满足较深或者较低工位的搬运。虽然在搬运过程中基本无手腕奇异点，但是在搬运过程中，六轴机械臂为了避免与自身工位干涉，需要浪费大量的轨迹进行避让，大大降低了搬运效率。随着半导体行业在加工制造过程中越来越追求无人化生产，对片盒自动搬运设备的要求也越来越高，但是目前在兼顾片盒搬运效率以及规避奇异点的研究上，可行的结构较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂和自动搬运装置，不但能规避机械臂的奇异点还能减少执行器件的运动轨迹。

为了达到上述目的，本发明提供了一种机械臂，包括：腕部关节，所述腕部关节通过一转接块连接有机械叉，所述机械叉相对于所述腕部关节的轴成角度设置。

可选的，在所述的机械臂中，所述腕部关节包括第一腕部关节、第二腕部关节和第三腕部关节；所述机械叉通过所述转接块与所述第三腕部关节连接，所述机械叉相对于所述第三腕部关节的轴线成角度设置。

可选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括底座、回旋座、大臂、肘部关节和小臂，所述回旋座安装在所述底座上，所述大臂安装在所述回旋座上，所述肘部关节安装在所述大臂上，所述小臂的一端安装在所述肘部关节上，所述小臂的另一端与所述第一腕部关节连接。

可选的，在所述的机械臂中，所述转接块包括第一平面以及与所述第一平面成角度设置的第二平面，所述转接块的第一平面连接所述机械叉，所述转接块的第二平面连接所述腕部关节。

可选的，在所述的机械臂中，所述转接块为三棱柱。

可选的，在所述的机械臂中，所述第一平面和所述第二平面的角度为0°至35°。

相应地，本发明还提供了一种自动搬运装置，包括：自动导航小车、架设在所述自动导航小车上的扩展框架，所述扩展框架上配置有所述的机械臂和物料载盘，所述机械臂与物料载盘沿着与小车移动方向垂直的方向分布。

可选的，在所述的自动搬运装置中，所述物料载盘的数量为多个，多个物料载盘平行于小车移动方向依次排布。

可选的，在所述的自动搬运装置中，所述机械臂通过一支撑架安装在所述扩展框架上，所述机械臂与所述支撑架的连接位置相对于地面的高度高于物料顶部相对于地面的高度。

可选的，在所述的自动搬运装置中，所述物料为存储有晶圆的片盒。

可选的，在所述的自动搬运装置中，所述自动搬运装置与物料存放架交接物料时，所述自动导航小车的车头面向物料存放架。

在本发明提供的机械臂和自动搬运装置，相比于现有技术，本实施例工作空间较大，可以满足较深或者较低工位的搬运，并且，本实施例的机械臂在搬运过程中可以避免机械臂与自身工位的干涉，不需要浪费机械臂大量的运动轨迹，增加了搬运的效率。进一步的，在机械叉和腕部关节处增加一转接块使得机械叉和腕部关节之间呈一定的夹角，可以消除机械臂的腕部奇异点，即可以防止第四轴和第六轴共线或平行从而防止第五轴和机械叉出现不可预计的运动。

附图说明

图1是本发明实施例的机械臂的结构示意图；

图2是本发明实施例的机械叉加上转接块的结构示意图；

图3是本发明实施例的自动搬运装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的机械臂搬运片盒的运动轨迹的示意图；

图5是本发明实施例的自动搬运装置搬运片盒的示意图；

图中：100-机械臂、110-底座、120-回旋座、130-大臂、140-肘部关节、150-小臂、161-第一腕部关节、162-第二腕部关节、163-第三腕部关节、171-第四轴、172-第五轴、173-第六轴、180-机械叉、190-转接块、200-支撑架、300-自动导航小车、400-载盘、500-片盒、600-片盒存放工位、1-第六轴转动的弧度、2-第六轴转动最大的弧度时与第四轴的夹角，3-机械臂运动轨迹、4-机械臂运动轨迹、5-机械臂运动轨迹。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参照图1至图5，本发明提供了一种机械臂100，包括：腕部关节140，所述腕部关节140通过一转接块190连接有机械叉180，所述机械叉180相对于所述腕部关节140的轴成角度设置。

本实施例中，所述腕部关节包括第一腕部关节161、第二腕部关节162和第三腕部关节163；所述机械叉180通过所述转接块190与所述第三腕部关节163连接，所述机械叉180相对于所述第三腕部关节163的轴线成角度设置。

进一步的，所述机械臂还包括底座110、回旋座120、大臂130、肘部关节140和小臂150，所述回旋座120安装在所述底座110上，所述大臂130安装在所述回旋座120上，所述肘部关节140安装在所述大臂130上，所述小臂150的一端安装在所述肘部关节140上，所述小臂150的另一端与所述第一腕部关节161的一端连接，所述第一腕部关节161的另一端连接所述第二腕部关节162的一端，所述第二腕部关节162的另一端连接所述第三腕部关节163的一端，所述机械叉通过所述转接块190与所述第三腕部关节163的另一端连接，所述机械叉180相对于所述第三腕部关节163的第六轴173成角度设置。

例如所述大臂130具有第一轴、肘部关节140具有第二轴、小臂150具有第三轴、第一腕部关节161具有第四轴171、第二腕部关节162具有第五轴172、第三腕部关节163具有第六轴173，所述第四轴171和所述第六轴173的轴线呈角度设置。

本实施例中，所述转接块190包括第一平面以及与所述第一平面成角度设置的第二平面，所述转接块的第一平面连接所述机械叉180，所述转接块190的第二平面连接所述第三腕部关节163。所述转接块190的一边连接所述机械叉180，一边连接所述所述第三腕部关节163，在机械叉180和第三腕部关节163处增加一转接块190使得机械叉180和第三腕部关节163之间呈一定的夹角，可以消除机械臂100的腕部奇异点，即可以防止第四轴171和第六轴173共线或平行从而防止第五轴172和机械叉180出现不可预计的运动。

优选的，所述转接块190的轴线剖面为直角三角形或者直角梯形，所述直角三角形或所述直角梯形的一直角边与所述第三腕部关节连接，所述直角三角形的斜边或所述直角梯形的与所述直角边相对的斜边与所述机械叉连接，所述直角边与所述斜边所组成的角度为0°-35°

在本发明的一实施例中，所述转接块190为三棱柱，所述三棱柱的第一边与所述第三腕部关节连接，所述三棱柱的第二边与所述机械叉连接，所述第一边与所述第二边组成的角度为0°-35°。例如，可以选择直角三棱柱作为转接块，第一边和第二边的角度为35°，另两个角的度数为55°和90°，在搬运过程中以及搬运后，机械叉180转动也不会使得第四轴171和第六轴173共线或平行，可以避免手腕奇异点的产生。如图2，增加了转接块190后，机械叉180在平面上可能左右转动，第四轴171也绕着第五轴172转动，然而无论如何转动，第四轴171最多转动弧度2，不会出现与第六轴173平行或共线，计算得出1的弧度为0°-35°，同时这也是机械叉180与第三腕部关节163之间的角度。转接块190也可以是其他形状，例如锐角三角形或者钝角三角形，只要使得转接块190位于所述机械叉180与所述第三腕部关节163之间具有一定的角度使得第四轴171和第六轴173无法平行或共线即可消除机械臂100手腕处的奇异点，本实施例使用直角三角形可以方便角度计算。

本发明的另一实施例中，所述转接块190的形状为直角梯形，所述直角梯形接触第三腕部关节163的直角边所在的直线与所述直角梯形接触机械叉180的斜边所在的直线所组成的角度为0°-35°。

本发明还提供了一种自动搬运装置，包括：自动导航小车300、架设在所述自动导航小车300上的扩展框架，所述扩展框架上配置有机械臂100和物料载盘400，所述载盘400用于承载搬运后的片盒500，所述机械臂100垂直于所述自动导航小车300的车身安装，所述自动导航小车300按照预定的路径运行使得所述机械臂100将工位上装有晶圆的片盒搬运至所述载盘400上，所述机械臂100用于搬运片盒。

本实施例中，所述机械臂100通过一支撑架安装在所述扩展框架上，所述机械臂100与所述支撑架的连接位置相对于地面的高度高于物料顶部相对于地面的高度，所述机械臂100靠近所述自动导航小车300的车头或车尾，使得机械臂只需向一个方向转动就可以将物料搬运到载盘上。

本实施例中，所述底座110通过法兰安装在所述支撑架200上，所述机械叉180叉取片盒500时，所述回旋座120与所述底座110垂直。本实施例的机械臂100的安装方式是侧装安装方式，所述机械叉180叉取片盒500时，所述回旋座120与所述底座100垂直，即回旋座120是相当于安装在一个侧面上，回旋座120上的大臂130平行于水平面，小臂140垂直于水平面向下，由于机械臂100安装的位置相对于地面比物料顶部相对于地面的高度更高，这样，小臂垂下，与小臂140连接的机械叉180可以作业于更深或更低的工位的片盒500。机械叉180只需进入低位的片盒存放工位处叉取片盒500回到与载盘400平行的位置，机械叉180再将片盒500放置在载盘400上，参照图4，机械臂按照轨迹4和5或4和6只需两步就可以将片盒放置在载盘上。相比于现有技术的正装安装方式，本实施例工作空间较大，可以满足较深或者较低工位的搬运，并且，本实施例的机械臂在搬运过程中可以避免机械臂与自身工位的干涉，不需要浪费机械臂大量的运动轨迹，增加了搬运的效率。

本实施例中，所述自动搬运装置与物料存放架交接物料时，所述自动导航小车的车头面向物料存放架，所述机械臂100靠近所述自动导航小车300的车头。自动导航小车300到片盒存放工位600叉取片盒500时，自动导航小车300车头对着片盒存放工位600，机械臂100位于自动导航小车300对着片盒存放工位600的左侧，载盘400位于右边一侧，并且机械臂100靠近所述自动导航小车300的车头，载盘400位于所述机械臂100到自动导航小车300的车尾位置(载盘400单向设置机械臂100一侧)。使得机械臂100叉取片盒500后只需向一个方向转动即可将片盒500放置于载盘400上，相对于载盘400放在机械臂前后的位置而机械臂前后转动才能将片盒放置于载盘上而言，本实施例可以减少一个机械臂100的转动方向，方便找出使得第四轴171和第六轴173不平行或共线的角度，并且还能减少机械臂100的转动的轨迹。进一步的，所述机械叉180上安装有声呐传感器，用于检测片盒500是否在片盒存放工位600上。声呐传感器通过声呐检测片盒存放工位上是否有片盒500，如果有片盒500再对片盒500进行叉取，如果没有片盒500则运行至下一个工位。

进一步的，所述机械叉180上还安装有相机，所述相机用于获取预设位置拍照。自动导航小车300到达预设位置叉取片盒500时，相机会对自动导航小车300达到的位置进行拍照以判断是否达到预设位置。

本发明还提供了一种运用自动搬运装置的片盒搬运方法，包括：

自动导航小车300运行至片盒存放工位附近，自动导航小车300对准片盒存放工位；

机械臂100叉取片盒500并按照预定的轨迹将片盒500搬运至所述载盘400上；

机械臂100回到初始位置。

本实施例中，所述预定的轨迹由工作人员事先编写好程序进行控制。自动导航小车300将要运行至片盒存放工位，叉取片盒500到自身的载盘400上，因此，自动导航小车300的轨迹可以通过编写程序控制，然后自动导航小车300就可以按照规定的路线运行。

进一步的，在自动导航小车300运行至片盒存放工位附近后，所述搬运方法还包括：声呐传感器检测片盒500是否在位。叉取片盒500之前对片盒存放工位是否有片盒进行检测。

进一步的，相机拍摄至片盒存放工位处的照片，以判断所述自动导航小车300是否达到预定位置。

本实施例中，所述导航小车300的车头与片盒存放工位的距离为0mm-100mm。当自动导航小车300运行到车头离片盒存放工位0mm-100mm处时，自动导航小车300停止运行，方便自动导航小车300上的机械臂100对片盒500的叉取。

综上，在本发明实施例提供的机械臂和自动搬运装置中，相比于现有技术，本实施例工作空间较大，可以满足较深或者较低工位的搬运，并且，本实施例的机械臂在搬运过程中可以避免机械臂与自身工位的干涉，不需要浪费机械臂大量的运动轨迹，增加了搬运的效率。进一步的，在机械叉和腕部关节处增加一转接块使得机械叉和腕部关节之间呈一定的夹角，可以消除机械臂的腕部奇异点，即可以防止第四轴和第六轴共线或平行从而防止第五轴和机械叉出现不可预计的运动。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂，其特征在于，包括：腕部关节，所述腕部关节通过一转接块连接有机械叉，所述机械叉相对于所述腕部关节的轴成角度设置。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述腕部关节包括第一腕部关节、第二腕部关节和第三腕部关节；所述机械叉通过所述转接块与所述第三腕部关节连接，所述机械叉相对于所述第三腕部关节的轴线成角度设置。

3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括底座、回旋座、大臂、肘部关节和小臂，所述回旋座安装在所述底座上，所述大臂安装在所述回旋座上，所述肘部关节安装在所述大臂上，所述小臂的一端安装在所述肘部关节上，所述小臂的另一端与所述第一腕部关节连接。

4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述转接块包括第一平面以及与所述第一平面成角度设置的第二平面，所述转接块的第一平面连接所述机械叉，所述转接块的第二平面连接所述腕部关节。

5.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述转接块为三棱柱。

6.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面的角度为0°至35°。

7.一种自动搬运装置，其特征在于，包括：自动导航小车、架设在所述自动导航小车上的扩展框架，所述扩展框架上配置有物料载盘和如权利要求1-6任一所述的机械臂，所述机械臂与物料载盘沿着与小车移动方向垂直的方向分布。

8.如权利要求7所述的自动搬运装置，其特征在于，所述物料载盘的数量为多个，多个物料载盘平行于小车移动方向依次排布。

9.如权利要求7所述的自动搬运装置，其特征在于，所述机械臂通过一支撑架安装在所述扩展框架上，所述机械臂与所述支撑架的连接位置相对于地面的高度高于物料顶部相对于地面的高度。

10.如权利要求7所述的自动搬运装置，其特征在于，所述物料为存储有晶圆的片盒。

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