CN114131589B - 一种搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搬运机器人，包括依次转动连接的底座、下臂和上臂，在上臂上转动设置执行机构，执行机构的驱动模组内部设置线束，同时线束能分别延伸至下手腕和上手腕的内部空间，并通过线束分别连接下末端执行器和上末端执行器的电子元器件。通过驱动模组内设置线束，避免了线束的往复运动，可以降低对线束本身的性能要求以此节省成本；同时减少了机器人在搬运晶圆的过程中对线束的磨损，抑制了粉尘产生，也减少了后期维护、更换线束所产生的人力和材料成本；结构大幅简化，降低了装配难度和装配时间，也减少了加工难度和物料成本，简单的结构可以减少后期维护的时间，增加生产效率。

Description

一种搬运机器人

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于晶圆输送的搬运机器人。

背景技术

集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。

而集成电路的基础是半导体晶片，也称之为晶圆。在集成电路的制造过程中，要求高精度和高洁净度，同时晶圆需要在各个工序之间进行加工处理，因此需要搬运机器人将晶圆在各个工序之间进行稳定的传输和搬运。

目前的搬运机器属于长臂平面关节型晶圆搬运机械手，其结构中的两个末端执行器(手指/片叉)，用于进行直接接触式的晶圆取放。由于每个末端执行器中都有电气元件(传感器、气缸等)用于固定、监测晶圆等，所以需要将相关线缆和气管引导至两个末端执行器部位。此外，由于集成电路制造生产区域有严格的洁净度要求，所述线缆和气管需要置于机械手内部。

另外，运动部分的线缆和气管需要有优秀的耐磨性能，增加了原材料成本；在安装过程中，由于涉及到狭小空间内的线束缠绕，此设计也增加了人工成本和后期维护成本。

因此，目前搬运机器人存在线束设置位置不合理，导致前期装配难度增加，对零部件性能要求增加，后期线束磨损较快，维修次数增多，增加了维护成本、降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搬运机器人。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种搬运机器人，包括：

底座；

下臂，所述下臂的一端转动设置底座上，在外力作用下，所述下臂能在水平面内进行旋转；

上臂，所述上臂的一端与下臂的另一端转动连接，且所述上臂的旋转轴与下臂的旋转轴平行，并在外力作用下，所述上臂能在水平面内进行旋转；

执行机构，所述执行机构转动设置在上臂的另一端，所述执行机构包括驱动模组，且所述驱动模组上同轴设置下手腕和上手腕，且下手腕上设置下末端执行器，所述上手腕上设置上末端执行器，在驱动模组的驱动下，所述下手腕和上手腕进行同轴转动，且驱动模组的内部设置线束，同时线束能分别延伸至下手腕和上手腕的内部空间。

进一步的，所述驱动模组设置在上臂的另一端的内部，且所述驱动模组包括第一中空旋转轴和第二中空旋转轴，且第一中空旋转轴套设在第二中心旋转轴内，且二者同轴设置，并在二者之间设置连接轴承，并在第一中空旋转轴的侧面设置第一槽口，在第二中空旋转轴的侧面设置第二槽口，且所述第一槽口和第二槽口相通，且第一槽口和第二槽口内能放置线束。在驱动模组中包括两条线束通道，其一：第一中空旋转轴的中空内部通道，由下至上贯穿设置并进入上手腕；其二：从第一中空旋转轴的中空内部通道由下至上，当到达第一槽口高度时，进入第一槽口和第二槽口组成的通道，并进入下手腕；可以看出两条线束均为同轴转动，能有效地减少使用过程中的磨损。同时连接轴承的外圈位于第二中心旋转轴的内部，内圈卡在第一中空旋转轴的外侧，保证了第一中空旋转轴和第二中空旋转轴的同轴转动，且反向转动时，更加灵活和流畅。采用中空并在侧面开槽的旋转轴，简化线束引导，大幅度减少线束和运动部件的接触面积和运动范围，提高机械手整体可靠性。

进一步的，所述第一槽口呈310度设置，所述第二槽口呈50度设置。即第一槽口和第二槽口是对应设置的，且上手腕和下手腕重合时，参见附图5所示二者是对应设置的，第一槽口的槽体部分是50度，槽口为310度，50度的槽体部分和第二槽口的50度开口分别位于中心轴线的两侧，同时对第一槽口和第二槽口的边缘分别设置圆角结构，保证线束在旋转时的完整，特别是在旋转至极限角度时，仍有足够的空间通过第一槽口和第二槽口，线束不会被拖拽变形。

进一步的，所述第二槽口包括水平部和竖直部，且水平部和竖直部均呈50 度设置，且竖直部与下手腕的内部空间相通。下手腕的内部空间存放线束，方便电气元件的导通。

进一步的，所述第一中空旋转轴的外侧固定设置第一同步带轮，在所述第二中空旋转轴连接第二同步带轮，且第一同步带轮和第二同步带轮能分别驱动第一中空旋转轴和第二中空旋转轴进行旋转。即通过两个同步带轮配合同步带和同步电机为二者的旋转提供动力。

进一步的，所述第二中空旋转轴的下方设置第二同步带轮，且通过第二轴承连接，并卡设在上臂内。为了保证同步带的传动，所以第二同步带轮需要向下设置，并与第一同步带轮保持平行，且参见附图2，第一中空旋转轴的长度大于第二中空旋转轴，所以第一同步带轮的设置的空间是足够的，但是第二中空旋转轴是套设在外部的，其尺寸已经大于第一中空旋转轴，因此通过第二轴承的内圈同时卡接第二同步带轮和第二中空旋转轴，使得旋转更加稳定，同时节约空间。

进一步的，所述执行机构还包括限位模组，所述限位模组设置两个，其一设置在上手腕和下手腕之间，其二设置在下手腕和上臂之间；所述限位模组包括限位销与限位槽，所述限位销位于限位槽内，且所述限位槽呈弧形设置，且不超过340度，同时限位槽的圆心与下手腕的旋转轴处于同一轴线。为了防止线束缠绕，必须有相应的旋转限位措施，图2所示的限位销和限位槽可以保证线束不会因为手腕部的过度旋转(>±180°)而缠绕。图3给出了对于下手腕起作用的所述限位措施的细节图，限位槽为加粗线条部分，与第一中空旋转轴同心，而且两个限位组件的两个限位槽均同轴设置。如图3和4所示，限位槽非整圆，经过测试得出，留有大约为23°的开口角，所以下手腕绕轴线a的旋转范围约为±168.5°，当下手腕旋转角度达到所述范围的最大值时，限位销和下手腕会接触，防止下手腕作进一步旋转，此时效果最佳。上手腕和下手腕均设置了类似的限位槽结构，与其对应的限位销则置于下手腕上(见图2)。所以，上手腕和下手腕的最大相对角度同样约为±168.5°，而加上下手腕的旋转范围，上手腕绕轴a 的旋转范围约为±337°。

进一步的，所述限位销的直径尺寸小于限位槽的宽度。这样的设置，能保证相对运动时，更加流畅，且不易发生碰撞。

进一步的，所述上臂的下侧设置底板，且底板上设置进线孔，且所述进线孔与第一中空旋转轴的中空内部通道相通。即保证线束能顺利进入。

进一步的，所述上臂上设置固定部件，且所述固定部件内设置第二轴承。即通过固定部件的设置，固定第二轴承，保证第二中空旋转轴的稳定旋转。

进一步的，所述上手腕和第二中空旋转轴通过连接部件连接，且上手腕和下手腕平行。即保证了同轴旋转时的稳定，同时也保证平行。

进一步的，下臂通过伺服电机驱动，并在水平面内进行旋转，上臂和下臂的转动连接也通过伺服电机驱动，上手腕和下手腕分别连接由两个同步伺服电机带动第一同步带轮和第二同步带轮旋转，同时底座上还可以设置一组丝杆组件，丝杆电机驱动丝杆，丝杆上套设螺母，螺母与底座内的工作台连接，能驱动工作台沿丝杆方向升降，即此搬运机器人有5个自由度(4个旋转自由度和1 个平移自由度)，参见附图1，在轴线a处有两个旋转自由度，在轴线b处有一个旋转自由度，在轴线c处有一个旋转自由度和一个平移自由度；在可以通过算法控制在一定空间内，实现晶圆的取放。当然在取放晶圆时，上手腕联动上末端执行器与下手腕联动下末端执行器同步张开或同步闭合的。

本发明一种搬运机器人的有益效果是，通过驱动模组内设置线束，避免了线束的往复运动，可以降低对线束本身的性能要求以此节省成本；同时减少了机器人在搬运晶圆的过程中对线束的磨损，抑制了粉尘产生，也减少了后期维护、更换线束所产生的人力和材料成本；结构大幅简化，降低了装配难度和装配时间，也减少了加工难度和物料成本，简单的结构可以减少后期维护的时间，增加生产效率。

附图说明

图1为搬运机器人的结构示意图。

图2为轴线a处的纵剖面示意图。

图3为下手腕对应的限位模组的示意图。

图4为上手腕对应的限位模组的示意图。

图5为第一槽口与第二槽口的组合示意图。

图6为现有的搬运机械手的示意图。

图中：

1、底座，

2、下臂，

3、上臂，31、底板，32、进线孔，33、固定部件，

4、执行机构，

41、驱动模组，411、第一中空旋转轴，412、第二中空旋转轴，413、连接轴承，414、第一槽口，415、第二槽口，4151、水平部，4152、竖直部，416、第一同步带轮，417、第二同步带轮，418、第二轴承，

42、限位模组，421、限位销，422、限位槽，

5、下手腕，

6、上手腕，61、连接部件，

7、下末端执行器，

8、上末端执行器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见附图1-6所示，本实施例中的一种搬运机器人，包括：底座1；下臂2，下臂2的一端转动设置底座1上，在外力作用下，下臂2能在水平面内进行旋转；上臂3，上臂3的一端与下臂2的另一端转动连接，且上臂3的旋转轴与下臂2的旋转轴平行，并在外力作用下，上臂3能在水平面内进行旋转；执行机构4，执行机构4转动设置在上臂3的另一端，执行机构4包括驱动模组41，且驱动模组41上同轴设置下手腕5和上手腕6，且下手腕5上设置下末端执行器7，上手腕6上设置上末端执行器8，在驱动模组41的驱动下，下手腕5和上手腕6进行同轴转动，且驱动模组41的内部设置线束，同时线束能分别延伸至下手腕5和上手腕6的内部空间。

进一步的，驱动模组41设置在上臂3的另一端的内部，且驱动模组41包括第一中空旋转轴411和第二中空旋转轴412，且第一中空旋转轴411套设在第二中心旋转轴内，且二者同轴设置，并在二者之间设置连接轴承413，并在第一中空旋转轴411的侧面设置第一槽口414，在第二中空旋转轴412的侧面设置第二槽口415，且第一槽口414和第二槽口415相通，且第一槽口414和第二槽口 415内能放置线束。在驱动模组41中包括两条线束通道，其一：第一中空旋转轴411的中空内部通道，由下至上贯穿设置并进入上手腕6；其二：从第一中空旋转轴411的中空内部通道由下至上，当到达第一槽口414高度时，进入第一槽口414和第二槽口415组成的通道，并进入下手腕5；可以看出两条线束均为同轴转动，能有效地减少使用过程中的磨损。同时连接轴承413的外圈位于第二中心旋转轴的内部，内圈卡在第一中空旋转轴411的外侧，保证了第一中空旋转轴411和第二中空旋转轴412的同轴转动，且反向转动时，更加灵活和流畅。采用中空并在侧面开槽的旋转轴，简化线束引导，大幅度减少线束和运动部件的接触面积和运动范围，提高机械手整体可靠性。

进一步的，第一槽口414呈310度设置，第二槽口415呈50度设置。即第一槽口414和第二槽口415是对应设置的，且上手腕6和下手腕5重合时，参见附图5所示二者是对应设422置的，第一槽口414的槽体部分是50度，槽口为310度，50度的槽体部分和第二槽口415的50度开口分别位于中心轴线的两侧，同时对第一槽口414和第二槽口415的边缘分别设置圆角结构，保证线束在旋转时的完整，特别是在旋转至极限角度时，仍有足够的空间通过第一槽口414和第二槽口415，线束不会被拖拽变形。

进一步的，第二槽口415包括水平部4151和竖直部4152，且水平部4151 和竖直部4152均呈50度设置，且竖直部4152与下手腕5的内部空间相通。下手腕5的内部空间存放线束，方便电气元件的导通。

进一步的，第一中空旋转轴411的外侧固定设置第一同步带轮416，在第二中空旋转轴412连接第二同步带轮417，且第一同步带轮416和第二同步带轮 417能分别驱动第一中空旋转轴411和第二中空旋转轴412进行旋转。即通过两个同步带轮配合同步带和同步电机为二者的旋转提供动力。

进一步的，第二中空旋转轴412的下方设置第二同步带轮417，且通过第二轴承418连接，并卡设在上臂3内。为了保证同步带的传动，所以第二同步带轮417需要向下设置，并与第一同步带轮416保持平行，且参见附图2，第一中空旋转轴411的长度大于第二中空旋转轴412，所以第一同步带轮416的设置的空间是足够的，但是第二中空旋转轴412是套设在外部的，其尺寸已经大于第一中空旋转轴411，因此通过第二轴承418的内圈同时卡接第二同步带轮417和第二中空旋转轴412，使得旋转更加稳定，同时节约空间。

进一步的，执行机构4还包括限位模组42，限位模组42设置两个，其一设置在上手腕6和下手腕5之间，其二设置在下手腕5和上臂3之间；限位模组 42包括限位销421与限位槽422，限位销421位于限位槽422内，且限位槽422 呈弧形设置，且不超过340度，同时限位槽422的圆心与下手腕5的旋转轴处于同一轴线。为了防止线束缠绕，必须有相应的旋转限位措施，图2所示的限位销421和限位槽422可以保证线束不会因为手腕部的过度旋转(>±180°)而缠绕。图3给出了对于下手腕5起作用的限位措施的细节图，限位槽422为加粗线条部分，与第一中空旋转轴411同心，而且两个限位组件的两个限位槽422均同轴设置。如图3和4所示，限位槽422非整圆，经过测试得出，留有大约为23°的开口角，所以下手腕5绕轴线a的旋转范围约为±168.5°，当下手腕5旋转角度达到范围的最大值时，限位销421和下手腕5会接触，防止下手腕5作进一步旋转，此时效果最佳。上手腕6和下手腕5均设置了类似的限位槽422结构，与其对应的限位销421则置于下手腕5上(见图2)。所以，上手腕6和下手腕 5的最大相对角度同样约为±168.5°，而加上下手腕5的旋转范围，上手腕6绕轴a的旋转范围约为±337°。

进一步的，限位销421的直径尺寸小于限位槽422的宽度。这样的设置，能保证相对运动时，更加流畅，且不易发生碰撞。

进一步的，上臂3的下侧设置底板31，且底板31上设置进线孔32，且进线孔32与第一中空旋转轴411的中空内部通道相通。即保证线束能顺利进入。

进一步的，上臂3上设置固定部件33，且固定部件33内设置第二轴承418。即通过固定部件33的设置，固定第二轴承418，保证第二中空旋转轴412的稳定旋转。

进一步的，上手腕6和第二中空旋转轴412通过连接部件61连接，且上手腕6和下手腕5平行。即保证了同轴旋转时的稳定，同时也保证平行。

进一步的，下臂2通过伺服电机驱动，并在水平面内进行旋转，上臂3和下臂2的转动连接也通过伺服电机驱动，上手腕6和下手腕5分别连接由两个同步伺服电机带动第一同步带轮416和第二同步带轮417旋转，同时底座1上还可以设置一组丝杆组件，丝杆电机驱动丝杆，丝杆上套设螺母，螺母与底座1 内的工作台连接，能驱动工作台沿丝杆方向升降，即此搬运机器人有5个自由度(4个旋转自由度和1个平移自由度)，参见附图1，在轴线a处有两个旋转自由度，在轴线b处有一个旋转自由度，在轴线c处有一个旋转自由度和一个平移自由度；可以通过算法控制在一定空间内，实现晶圆的取放。当然在取放晶圆时，上手腕6联动上末端执行器8与下手腕5联动下末端执行器7同步张开或同步闭合的。

一种搬运机器人的有益效果是，通过驱动模组41内设置线束，避免了线束的往复运动，可以降低对线束本身的性能要求以此节省成本；同时减少了机器人在搬运晶圆的过程中对线束的磨损，抑制了粉尘产生，也减少了后期维护、更换线束所产生的人力和材料成本；结构大幅简化，降低了装配难度和装配时间，也减少了加工难度和物料成本，简单的结构可以减少后期维护的时间，增加生产效率。

总的来说，

1、驱动模组结构的改进，将线束内置与驱动模组的旋转轴内，避免了线束的往复运动，可以降低对线束本身的性能要求以此节省成本；同时减少了机器人在搬运晶圆的过程中对线束的磨损，抑制了粉尘产生，也减少了后期维护、更换线束所产生的人力和材料成本；

2、机器人的腕部设置限位模组，可以有效防止手腕旋转幅度过大，对设备提供保护；

3、执行机构的结构大幅简化，降低了装配难度和装配时间，也减少了加工难度和物料成本，简单的结构可以减少后期维护的时间，增加生产效率。

在另一些可能的实施例中，

1.可以将第一中空旋转轴和第二中空旋转轴的材质更换为耐磨材料，例如改为耐磨陶瓷材料；

2.在第一中空旋转轴和第二中空旋转轴的内部进一步增加耐磨零件(例如耐磨塑料结构零件或耐磨塑料贴膜)；

3.开槽的大小和角度是可变的，(现有的限位槽宽度4、限位槽的开口角23°、第一槽口和第二槽口分别是310°、50°，也可以变为300和60,320和40,270和 90，等等，相加等于360的组合范围均可尝试)；

4.第一槽口和第二槽口是组合使用的，所以二者的组合数可以设置多个，增加开槽数量，例如可间隔开多个槽，增加下手腕数量。

在其他实施例中，

参见附图6，两个末端执行器的位置设置于同一轴线上，由对应的旋转轴和同步带轮分别驱动，导致线束引导难度较大。目前产品的线束引导设计复杂，线束引导路径于旋转轴线外部分为两条：上末端执行器的线束从底板下通过中空旋转轴被引导至上末端执行器；下末端执行器的线束则通过中层线束引导部，在下末端执行器旋转轴外部环绕一圈后(虚线部分)经过槽口被引导至下末端执行器。此设计存在线束设置位置不合理，在下末端执行器旋转过程中，图6 部分线束会作往复运动，导致线束磨损较快，维修次数增多，降低了生产效率。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种搬运机器人，包括：

底座；

下臂，所述下臂的一端转动设置底座上，在外力作用下，所述下臂能在水平面内进行旋转；

上臂，所述上臂的一端与下臂的另一端转动连接，且所述上臂的旋转轴与下臂的旋转轴平行，并在外力作用下，所述上臂能在水平面内进行旋转；

其特征在于，还包括：

执行机构，所述执行机构转动设置在上臂的另一端，所述执行机构包括驱动模组，且所述驱动模组上同轴设置下手腕和上手腕，且下手腕上设置下末端执行器，所述上手腕上设置上末端执行器，在驱动模组的驱动下，所述下手腕和上手腕进行同轴转动，且驱动模组的内部设置线束，同时线束能分别延伸至下手腕和上手腕的内部空间；

所述驱动模组设置在上臂的另一端的内部，且所述驱动模组包括第一中空旋转轴和第二中空旋转轴，且第一中空旋转轴套设在第二中空旋转轴内，且二者同轴设置，第一中空旋转轴的侧面设置第一槽口，在第二中空旋转轴的侧面设置第二槽口，且所述第一槽口和第二槽口相通，且第一槽口和第二槽口内能放置线束；

所述第二槽口包括水平部和竖直部，且竖直部与下手腕的内部空间相通，所述第二槽口形成将线束导入下手腕内部空间的台阶状的引导结构。

2.根据权利要求1所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述第一中空旋转轴和第二中空旋转轴之间设置连接轴承。

3.根据权利要求2所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述第一槽口呈310度设置，所述第二槽口呈50度设置。

4.根据权利要求2所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述第一中空旋转轴的外侧固定设置第一同步带轮，在所述第二中空旋转轴连接第二同步带轮，且第一同步带轮和第二同步带轮能分别驱动第一中空旋转轴和第二中空旋转轴进行旋转。

5.根据权利要求2所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述第二中空旋转轴的下方设置第二同步带轮，且通过第二轴承连接，并卡设在上臂内。

6.根据权利要求1所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述执行机构还包括限位模组，所述限位模组设置两个，其一设置在上手腕和下手腕之间，其二设置在下手腕和上臂之间；所述限位模组包括限位销与限位槽，所述限位销位于限位槽内，且所述限位槽呈弧形设置，且不超过340度，同时限位槽的圆心与下手腕的旋转轴处于同一轴线。

7.根据权利要求6所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述限位销的直径尺寸小于限位槽的宽度。

8.根据权利要求1所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述上臂的下侧设置底板，且底板上设置进线孔，且所述进线孔与第一中空旋转轴的中空内部通道相通。

9.根据权利要求1所述的一种搬运机器人，其特征在于：所述上手腕和第二中空旋转轴通过连接部件连接，且上手腕和下手腕平行。

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