CN116852330B - 一种变轨伸缩机械臂组、半导体晶圆双臂搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变轨伸缩机械臂组、半导体晶圆双臂搬运机器人，其中该变轨伸缩机械臂组，包括：基座，直线交替驱动装置，一对呈镜像结构的末端执行器单元，其中直线交替驱动装置横向设置在基座上，各末端执行器单元分别与直线交替驱动装置的传动端连接并呈镜像位设置，所述基座上对应各所述末端执行器单元的位置处分别设有导槽，各所述末端执行器单元分别与导槽配接，以经导槽引导，沿直线交替驱动装置传动方向变轨，促使双臂交替外伸时令末端执行器单元逐渐汇入双臂间中心线航道、回退时双臂于交汇处相互避让，籍此以替代Scara双臂机器人，实现晶圆搬运工序中的搬运动作。

Description

一种变轨伸缩机械臂组、半导体晶圆双臂搬运机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术，尤其涉及采用双臂交替搬运半导体晶圆的变轨伸缩机械臂组及搬运机器人。

背景技术

目前半导体晶圆传输方案中，Scara机器人占有重要地位，其使用十分广泛。典型的如中国专利200510047790.X公开的《一种平面多关节机器人》其包括：Z轴、T轴及R轴，Z轴为升降机构，T轴为旋转机构，整体安装在Z轴的支架上，其上方设回转筒，R轴部件整体安装在回转筒上;具有至少一个R轴部件，R轴部件通过回转筒与T轴安装在一起，其上配有末端执行器;R轴部件包括固定带轮、大臂壳体、从动带轮、带轮轴、小臂壳体及二级从动带轮，旋转臂壳与从动带轮间为负号传递结构。

而对应此类结构的Scara双臂机器人通常由2台平面多关节机器人组成，其包括Z轴、TH轴、R1轴、R2轴。其中Z轴为升降轴，TH轴为旋转轴，R1、R2为伸出轴，经该些关节及自由度设计，使得Scara双臂机器人在执行晶圆搬运工序过程中，可以经由TH轴旋转带动双臂往返于目标工位，令双臂交替取/送晶圆，以完成搬运、传递、转运作业。

考虑到虽然Scara双臂机器人的运动自由度较高，但其伸出轴有着复杂的构造，同时造价高昂，安装调试也较为繁琐，而反观该些晶圆搬运工序过程中，Scara双臂机器人所做的搬运动作却并不复杂，双臂均为沿预设轨迹交替伸缩取/送晶圆。由此可见采用Scara双臂机器人执行此类晶圆搬运作业并不经济。因此发明人试图提供一种经济的替代方案，来平替Scara双臂机器人，以模仿其在晶圆搬运工序中，所需作出的搬运动作。

发明内容

为此，本发明的主要目的在于提供一种变轨伸缩机械臂组、半导体晶圆双臂搬运机器人，以替代Scara双臂机器人实现晶圆搬运工序中的搬运动作。

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种变轨伸缩机械臂组，其包括：基座，直线交替驱动装置，一对呈镜像结构的末端执行器单元，其中直线交替驱动装置设置在基座上，各末端执行器单元分别与直线交替驱动装置的传动端连接并呈镜像位设置，所述基座上对应各所述末端执行器单元的位置处分别设有导槽，其中末端执行器单元包括：导轨支座，第一直线滑动模块，导向件，手臂支架，手指件，所述导轨支座承载第一直线滑动模块，并与直线交替驱动装置的传动端连接，所述第一直线滑动模块的第一滑块上设有支撑部，以支撑手臂支架悬空，所述手指件连接在手臂支架末端，所述导向件固定在第一滑块上，其导向端与导槽配接，以当导轨支座沿直线交替驱动装置带动的方向往复移动时，受导槽引导驱使第一滑块位移带动手臂支架逐渐变轨，而手臂支架悬空的距离使得手臂支架变轨时，双臂交替从上方侵入直线交替驱动装置所处的双臂间中心线航道。

在可能的优选实施方式中，其中所述直线交替驱动装置包括：驱动电机，导轨安装架，一对第二直线滑动模块，带轮机构，其中各所述第二直线滑动模块呈镜像设置在导轨安装架两侧，所述带轮机构连接在导轨安装架顶部，且带轮机构的主动轮、从动轮分设在导轨安装架顶部两端，所述驱动电机与带轮机构的主动轮连接，各所述末端执行器单元的导轨支座分别与带轮机构的同步带及第二直线滑动模块的第二滑块连接。

在可能的优选实施方式中，其中所述直线交替驱动装置包括：一对直线模组，呈并排设置，所述各末端执行器单元分别与其对应一侧的直线模组的滑动件连接。

在可能的优选实施方式中，其中所述导轨支座包括：底板座，夹板件，所述夹板件设置在底板座一端，用以夹持同步带形成连接，所述底板座与第二直线滑动模块的第二滑块连接，并承载所述第一直线滑动模块。

在可能的优选实施方式中，其中所述导向件导向端设有导向轮，以经导向轮与导槽配接。

在可能的优选实施方式中，其中所述手臂支架呈类L形状，所述手臂支架的L形短端处与第一滑块上的支撑部连接，以向双臂间中心线位置方向延伸一段预设距离并悬空，其中该预设距离约束各第一直线滑动模块在变轨交汇行程位令双臂手指件抓持的晶圆间相隔、交替外伸行程位令手指件变轨汇入双臂间的中心线航道、回退极限行程位令回退侧手指件抓持的晶圆与外伸侧手臂支架间隔。

在可能的优选实施方式中，其中所述导槽的两端错位偏移，以形成类S型路径，且所述导槽两端的偏移距离不超出第一直线滑动模块的行程。

为了实现上述目的，对应上述变轨伸缩机械臂组，根据本发明的另一方面，还提供了一种半导体晶圆双臂搬运机器人，其包括：TH轴旋转装置，Z轴升降装置，机械臂组，控制装置，其中所述机械臂组采用如上任一示例所述的变轨伸缩机械臂组结构，所述TH轴旋转装置与Z轴升降装置的升降端连接，所述机械臂组经基座与TH轴旋转装置的旋转端连接，所述直线交替驱动装置与控制装置连接受控。

通过本发明提供的该变轨伸缩机械臂组、半导体晶圆双臂搬运机器人，由于结构复杂度较低，成本低廉，但能够平替Scara双臂机器人，以在晶圆搬运工序中，执行搬运动作，因此经济价值较高。此外由于本发明巧妙的设计了变轨机构，使得经直线交替驱动装置带动的末端执行器单元，能够交替变轨伸缩，以令手指件统一交替沿双臂间的中心线航道伸出，相比现有技术，在执行搬运动作时，能够减少TH轴根据双臂不同伸出位置而进行的调整动作流程，此外本发明设计上使得各末端执行器单元位于同一水平位置，因此不会产生高度差，从而在取放片时可以减少Z轴调整动作流程，籍此整体提高搬运动作的执行效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的变轨伸缩机械臂组双臂交汇时结构示意图；

图2为本发明的变轨伸缩机械臂组双臂交汇时结构俯视示意图；

图3为本发明的变轨伸缩机械臂组中R2侧末端执行器单元外伸结构示意图；

图4为本发明的变轨伸缩机械臂组中R1侧末端执行器单元外伸结构示意图；

图5为本发明的半导体晶圆双臂搬运机器人结构示意图。

附图标记说明

变轨伸缩机械臂组1，TH轴旋转装置2，Z轴升降装置3，晶圆4，基座11，直线交替驱动装置12，末端执行器单元13，导槽14，双臂间中心线航道15，导轨支座131，第一直线滑动模块132，导向件133，手臂支架134，手指件135，第一滑块136，支撑部137，导向轮138，驱动电机121，导轨安装架122，第二直线滑动模块123，带轮机构124，主动轮125，从动轮126，同步带127，第二滑块128，底板座1311，夹板件1312。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。而术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“布设”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况，结合现有技术来理解上述术语在本发明中的具体含义。此外在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。且图示中的部件中的一个或多个可以是必须的或非必须的，以及上述图示的各部件之间的相对位置关系可以根据实际需要进行调整。

请参阅图1至图4所示，为替代Scara双臂机器人实现晶圆4搬运工序中的搬运动作，本发明提出了一种变轨伸缩机械臂组1，其包括：基座11，直线交替驱动装置12，一对呈镜像结构的末端执行器单元13，其中直线交替驱动装置12横向设置在基座11上，各末端执行器单元13分别与直线交替驱动装置12的传动端连接并呈镜像位设置，所述基座11上对应各所述末端执行器单元13的位置处分别设有导槽14，各所述末端执行器单元13分别与导槽14配接，以经导槽14引导，沿直线交替驱动装置12传动方向变轨，促使双臂交替外伸时令末端执行器单元13逐渐汇入双臂间中心线航道15、回退时双臂于交汇处相互避让。

具体来说，如图1所示，为了实现机构变轨，在优选示例中，该末端执行器单元13包括：导轨支座131，第一直线滑动模块132，导向件133，手臂支架134，手指件135，其中所述第一直线滑动模块132纵向设置在导轨支座131上，而所述导轨支座131则与直线交替驱动装置12的传动端连接，所述第一直线滑动模块132的第一滑块136上设有支撑部137，其中该支撑部137垂直向上延伸，以支撑手臂支架134悬空，而所述手指件135连接在手臂支架134末端，所述导向件133固定在第一滑块136上，其导向端与导槽14配接，其中为了减少导向端与导槽14的摩擦，在优选示例中，所述导向件133的导向端设有导向轮138，以经导向轮138与导槽14配接减少摩擦。

通过该导向件133与导槽14的配接，以当导轨支座131沿直线交替驱动装置12带动的方向往复移动时，受导槽14引导驱使第一滑块136位移，将带动手臂支架134逐渐变轨，而手臂支架134悬空距离支持变轨时，双臂交替从上方侵入直线交替驱动装置12所处的双臂间中心线航道15。

其中，如图1至图3所示，在优选示例中，该导槽14优选设置呈类S型，即导槽14的两端错位偏移距离H，形成S型路径，且该导槽14两端的偏移距离H不超出第一直线滑动模块132的行程。

进一步的，由于整个机构中该手臂支架134的设计十分关键，其关系到双臂在交替变轨时是否干涉，同时也关系到各手臂支架134能否将手指件135送入，双臂间中心线航道15，为此本示例中，优选将所述手臂支架134设计呈类L形状，且所述手臂支架134的L形短端处与第一滑块136上的支撑部137连接，以向双臂间中心线位置方向延伸一段预设距离并悬空，从而与第一滑块136间形成立体错位结构，以使手臂支架134架体与导轨支座131之间定义出一段随变轨而缩放的间隔空间，而该空间的存在，实则是为手指件135汇入中心线航道15，提供并入直线交替驱动装置12所处位置的空间，这样便可以使得双臂都可以交替于同一航道伸出。

另一方面，该手臂支架134的L形短端所延伸出的该预设距离，也可以理解为约束各第一直线滑动模块132在变轨交汇行程位，令双臂手指件135抓持的晶圆4间相隔；以及在交替外伸行程位，令手指件135变轨汇入双臂间的中心线航道15；以及在回退极限行程位，令回退侧手指件135抓持的晶圆4与外伸侧手臂支架134间隔。因此该预设距离可以根据实际情况进行调整。

进一步的，如图1至图4所示，为了降低直线交替驱动装置12的结构成本，以通过单个驱动电机121来完成直线交替驱动工作，在优选示例中，该直线交替驱动装置12包括：驱动电机121，导轨安装架122，一对第二直线滑动模块123，带轮机构124，其中各所述第二直线滑动模块123呈镜像设置在导轨安装架122两侧，所述带轮机构124连接在导轨安装架122顶部，且带轮机构124的主动轮125、从动轮126分设在导轨安装架122顶部两端，以定义出直线伸缩传动位移范围，而所述驱动电机121与带轮机构124的主动轮125连接，各所述末端执行器单元13的导轨支座131，则分别与带轮机构124的同步带127及第二直线滑动模块123的第二滑块128连接。

籍此当驱动电机121正/反转时，同步带127便会分别带动两侧镜像位设置的末端执行器单元13交替伸缩。

进一步的，为了便于后期调试各末端执行器单元13在同步带127上的位置，如图3至图4所示，在优选示例中，所述导轨支座131包括：底板座1311，夹板件1312，所述夹板件1312设置在底板座1311一端，用以夹持同步带127形成连接，所述底板座1311与第二直线滑动模块123的第二滑块128连接，并承载所述第一直线滑动模块132。其中该夹板件1312由两片夹板组成，通过螺栓固定来夹持同步带127，因此可以随时拆卸调整，便于调试末端执行器单元13间，在同步带127上的相对位置，籍此示教末端执行器单元13间的交替变轨位置。可见相比现有的Scara双臂机器人，本发明调试十分便捷直观。

如图3至图4所示，通过上述示例构建的变轨伸缩机械臂组1，运行时，经驱动电机121驱动同步带127正/反转，以带动导轨支座131横向直线往/复位移，此时连接在导轨支座131上的第一直线滑动模块132的第一滑块136，将随导向件133沿导槽14的引导，纵向位移，以带动手臂支架134及手指件135直线变轨移动，其中由于手臂支架134悬空设计，使得可在伸出方向逐渐汇入双臂间中心线航道15的过程中，悬于直线交替驱动装置12上，而不会造成干涉。

而在回退过程中，同理，经导槽14引导第一滑块136纵向位移，以带动手臂支架134及手指件135变轨移动，逐渐返回原位。并且该过程，可在设计时经调整导槽14的偏移量，及手臂支架134的短端所延伸出的预设距离量，来控制双臂在交替变轨伸缩过程中互不干涉，分解步骤如图1、图3至图4所示。

另一方面，在其他可能的替换示例中，该直线交替驱动装置12包括：一对直线模组，呈并排设置，所述各末端执行器单元13分别与其对应一侧的直线模组的滑动件连接。从而通过分别控制各直线模组的直线往复位移，来控制各末端执行器单元13间的交替伸缩变轨。

请参阅图5所示，对应上述变轨伸缩机械臂组1方案，本发明另一方面，还提供了一种半导体晶圆双臂搬运机器人，其包括：TH轴旋转装置2，Z轴升降装置3，机械臂组，控制装置（图中未示出），其中所述机械臂组采用如上任一示例所述的变轨伸缩机械臂组1结构，所述TH轴旋转装置2与Z轴升降装置3的升降端连接，所述机械臂组经基座11与TH轴旋转装置2的旋转端连接，所述直线交替驱动装置12与控制装置连接受控。

综上所述，通过本发明提供的该变轨伸缩机械臂组1、半导体晶圆双臂搬运机器人，由于结构复杂度较低，成本低廉，但能够平替Scara双臂机器人，以在晶圆4搬运工序中，执行搬运动作，因此经济价值较高。此外由于本发明巧妙的设计了变轨机构，使得经直线交替驱动装置12带动的末端执行器单元13，能够交替变轨伸缩，以令手指件135统一交替沿双臂间的中心线航道15伸出，相比现有技术，在执行搬运动作时，能够减少TH轴根据双臂不同伸出位置而进行的调整动作流程，此外本发明设计上使得各末端执行器单元13位于同一水平位置，因此不会产生高度差，从而在取放片时可以减少Z轴调整动作流程，籍此整体提高搬运动作的执行效率。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (8)

1.一种变轨伸缩机械臂组，其包括：基座，直线交替驱动装置，一对呈镜像结构的末端执行器单元，其中直线交替驱动装置设置在基座上，各末端执行器单元分别与直线交替驱动装置的传动端连接并呈镜像位设置，所述基座上对应各所述末端执行器单元的位置处分别设有导槽，其中末端执行器单元包括：导轨支座，第一直线滑动模块，导向件，手臂支架，手指件，所述导轨支座承载第一直线滑动模块，并与直线交替驱动装置的传动端连接，所述第一直线滑动模块的第一滑块上设有支撑部，以支撑手臂支架悬空，所述手指件连接在手臂支架末端，所述导向件固定在第一滑块上，其导向端与导槽配接，以当导轨支座沿直线交替驱动装置带动的方向往复移动时，受导槽引导驱使第一滑块位移带动手臂支架逐渐变轨，而手臂支架悬空的距离使得手臂支架变轨时，双臂交替从上方侵入直线交替驱动装置所处的双臂间中心线航道。

2.根据权利要求1所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述直线交替驱动装置包括：驱动电机，导轨安装架，一对第二直线滑动模块，带轮机构，其中各所述第二直线滑动模块呈镜像设置在导轨安装架两侧，所述带轮机构连接在导轨安装架顶部，且带轮机构的主动轮、从动轮分设在导轨安装架顶部两端，所述驱动电机与带轮机构的主动轮连接，各所述末端执行器单元的导轨支座分别与带轮机构的同步带及第二直线滑动模块的第二滑块连接。

3.根据权利要求1所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述直线交替驱动装置包括：一对直线模组，呈并排设置，所述各末端执行器单元分别与其对应一侧的直线模组的滑动件连接。

4.根据权利要求2所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述导轨支座包括：底板座，夹板件，所述夹板件设置在底板座一端，用以夹持同步带形成连接，所述底板座与第二直线滑动模块的第二滑块连接，并承载所述第一直线滑动模块。

5.根据权利要求1所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述导向件导向端设有导向轮，以经导向轮与导槽配接。

6.根据权利要求1所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述手臂支架呈类L形状，所述手臂支架的L形短端处与第一滑块上的支撑部连接，以向双臂间中心线位置方向延伸一段预设距离并悬空，其中该预设距离约束各第一直线滑动模块在变轨交汇行程位令双臂手指件抓持的晶圆间相隔、交替外伸行程位令手指件变轨汇入双臂间的中心线航道、回退极限行程位令回退侧手指件抓持的晶圆与外伸侧手臂支架间隔。

7.根据权利要求1所述的变轨伸缩机械臂组，其中所述导槽的两端错位偏移，以形成类S型路径，且所述导槽两端的偏移距离不超出第一直线滑动模块的行程。

8.一种半导体晶圆双臂搬运机器人，其包括：TH轴旋转装置，Z轴升降装置，机械臂组，控制装置，其中所述机械臂组采用如权利要求1至7中任一所述的变轨伸缩机械臂组结构，所述TH轴旋转装置与Z轴升降装置的升降端连接，所述机械臂组经基座与TH轴旋转装置的旋转端连接，所述直线交替驱动装置与控制装置连接受控。