TWI814757B - 平面式多關節機械手臂系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種平面式多關節機械手臂系統。此種平面式多關節機械手臂系統的實施例包含：一基部平台，具有一縱軸；一產品機械手，具有一縱軸，該產品機械手之縱軸垂直於該基部平台之縱軸；一雙曲柄連桿機構，由一第一曲柄連桿連結和一第二曲柄連桿連結、以及連接該第一和第二曲柄連桿連結的曲柄連桿關節的一連結元件所組成，其中該第一和第二曲柄連桿連結皆具有連接到該基部平台的一曲柄端及連接到該產品機械手的一連桿端；一第一驅動單元，設以旋轉該雙曲柄連桿機構的該第一曲柄連桿連結的該曲柄端；一多關節手臂，具有連接到該基部平台的一第一臂端及連接到該產品機械手的一第二臂端；以及一第二驅動單元，設以旋轉該多關節手臂的該第一臂端。
藉此，該產品機械手和該雙曲柄連桿機構的結構具有更平衡的設計，因此整體結構的質量和慣性明顯降低。
Description
本發明係關於一種平面式多關節機械手臂系統。
此種平面式多關節機械手臂系統係用於組裝機器人的一般習知概念。此類平面式多關節機械手臂系統通常也可稱為選擇順應性關節機械手臂（SCARA）。SCARA機械手臂通常比類似的笛卡爾機器人系統更快更乾淨。其單一基座底座所需的佔地面積小，並提供簡單、不受阻的安裝形式。
尤其，平面式多關節機械手臂系統能夠將旋轉運動轉換成平移運動，使得它們在以重複的方式執行一種特定運動的機器人製造或建構環境中是通用的。特別是由於其結構，產品機械手在Z軸方向上是不可彎曲的，並且在XY平面上是可彎曲的，從而允許其以重複的方式在XY平面內執行精確的操作，通常為八百萬至一千萬次。
由於其精確性和重複性，平面式多關節機械手臂系統被實施於例如半導體製造業中用於晶圓基板處理的真空控制環境中。
目前習知的平面式多關節機械手臂系統的缺點是由於產品機械手的結構不平衡以及多關節產品機械手的質量和慣性高，其壽命受限於最多八百萬至一千萬次的操作，此將導致系統的鉸接部件之間的關節處產生不期望的高負荷。同時，高質量則需要驅動單元有高的電動機性能，從而增加驅動單元和所用控制器的成本。因此，隨著時間將出現過度受限的系統設計，導致可靠性問題、在產品機械手運動期間由於過度的位置依賴性傾斜所致的不精確性、及最終的非計劃性停頓，以上所述都將降低系統的可靠性，這在諸如晶圓基板處理的高精度製程中是不理想的。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種平面式多關節機械手臂系統，其實現了不具上述結構缺陷的設計。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種平面式多關節機械手臂系統的實施例包含：
一基部平台，具有一縱軸，
一產品機械手，具有一縱軸，該產品機械手之縱軸垂直於該基部平台之縱軸，
一雙曲柄連桿機構，由一第一曲柄連桿連結和一第二曲柄連桿連結、以及連接該第一和第二曲柄連桿連結的曲柄連桿關節的一連結元件所組成，其中該第一和第二曲柄連桿連結皆具有連接到該基部平台的一曲柄端及連接到該產品機械手的一連桿端，
一第一驅動單元，設以旋轉該雙曲柄連桿機構的該第一曲柄連桿連結的該曲柄端，
一多關節手臂，具有連接到該基部平台的一第一臂端及連接到該產品機械手的一第二臂端，以及
一第二驅動單元，設以旋轉該多關節手臂的該第一臂端。
藉此，該產品機械手和該雙曲柄連桿機構的結構具有更平衡的設計，因此整體結構的質量和慣性明顯降低。因為該產品機械手的負載在該基部平台是由三個位置支撐而不是一個或兩個位置，所以所得的結構在其關節將經受較低的摩擦力和重力。類似地，質量和慣性減小使得在XY平面的運動過程中由於擾動所產生的振幅較低。當在用於半導體製造業的晶圓基板處理的真空控制環境中實施時，本發明將進一步減少任何晶圓損傷和污染的風險，並因此進一步提高該產品機械手的操縱精確度。
此外，簡化的設計免除了更複雜和昂貴的系統部件，例如尺寸過大的驅動單元，從而進一步減少機械故障。
在另一實施例中，該平面式多關節機械手臂系統還包含第三驅動單元，該第三驅動單元設以使該基部平台圍繞其縱軸旋轉，此舉允許產品機械手在XY平面內相對於地面旋轉，從而在產品處理方面增加系統的附加功能。
尤其，該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端皆位於該產品機械手的縱軸的一側，而在另一個實施例中，該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端位於該基部平台的一第一中心線的相對側，該第一中心線係垂直於該基部平台的縱軸。
此等設計方案為產品機械手提供了更加平衡的設計，並減少了質量和慣性。因為在產品機械手的運動期間這種過度的位置依賴性傾斜減小並且系統的可靠性進一步提高，因為在產品機械手的運動過程中由於傾斜所導致的不精確性明顯降低了。
在又一個實施例中，多關節手臂的第一臂端位在產品機械手的縱軸的另一側。
在該平面式多關節機械手臂系統的又一有利實施例中，該第二曲柄連桿連結的該曲柄端與該多關節手臂的該第一臂端位於該第一中心線的同一側且與該第一中心線相距不同距離。
為了更適當地理解本發明，圖式中相同的部件用相同的元件符號表示。
在圖1-3中，元件符號100表示依據本發明的平面式多關節機械手臂系統的實施例。該平面式多關節機械手臂系統是由三個主要元件部分所組成，即平台基座111、雙曲柄連桿機構130及產品機械手120。雙曲柄連桿機構130安裝於基部平台110，基部平台110是平台基座111的一部分。同樣地，產品機械手120的產品機械手底座121安裝於該雙曲柄連桿機構。產品機械手120用於操縱產品，該產品例如在半導體製造業中用於生產積體電路的晶圓基板190。
在基座111內，將第一驅動單元181定位成可旋轉地驅動雙曲柄連桿機構130的一個關節。此旋轉運動被轉換成雙曲柄連桿機構130在垂直於平台基座/基部平台111-110的縱軸110z的XY平面上的平移運動。雙曲柄連桿機構130在XY平面上的平移運動再被傳遞到產品機械手120。
由於這種旋轉運動在產品機械手120的平移運動中的轉換，平面式多關節機械手臂系統100在以重複的方式執行特定運動的機器人製造或建構環境中是通用的。將在圖式描述中進一步解釋，由於平面式多關節機械手臂系統的結構，產品機械手120在Z軸方向（沿著縱軸110z）上是不可彎曲的，但在垂直於設定軸110z的XY平面上是可彎曲的。此舉允許平面式多關節機械手臂系統以重複的方式在XY平面內執行精確的操作，即產品機械手120的平移運動。由於其精確性和重複性，依據本發明的平面式多關節機械手臂系統非常適合實施於例如在半導體製造業中藉由該產品機械手120操縱晶圓基板190的真空控制環境。
雙曲柄連桿機構130是由第一曲柄連桿連結140和第二曲柄連桿連結150所組成。第一和第二曲柄連桿連結140-150皆由兩個元件曲柄141-151和連桿142-152組成。第一和第二曲柄連桿連結140-150的曲柄141（151）和連桿142（152）藉由鉸鏈或關節145（155）連接或連結在一起。此外，每個連桿端144（154）皆與產品機械手底座121鉸接。
此外，如圖1和圖2所示，第一和第二曲柄連桿連結140（150）的兩個曲柄141（151）的曲柄端143（153）安裝於平台基座111的基部平台110。元件符號160表示將第一和第二曲柄連桿連結140-150的曲柄和連桿部件之間的兩個關節145-155相互連接的連結元件或條狀元件或桿。因此，第一和第二曲柄連桿連結140-150形成互連的連結框架（平行四邊形）。第一和第二曲柄連桿連結140-150的曲柄141（151）的兩個曲柄端143（153）皆可旋轉地安裝於基部平台110。可旋轉的曲柄端143可圍繞平行於縱向通路110Z並被第一驅動單元181可旋轉地驅動的旋轉通路旋轉。驅動單元181較佳為電動機。
藉由第一驅動單元181圍繞其樞軸點143旋轉曲柄141（其中曲柄端143連接到基部平台110）導致曲柄141相對於基部平台110旋轉運動，該旋轉運動通過雙曲柄連桿機構130被轉換成產品機械手120在XY平面的平移運動，該XY平面的方向垂直於圍繞樞軸點143的旋轉軸。產品機械手平移的XY平面的方向垂直於平台基座111的縱軸Z。
依據本發明，為了在平衡方面改善平面式多關節機械手臂系統的設計並減小質量和慣性，該雙曲柄連桿機構還包含以元件符號170表示的多關節手臂。多關節手臂170由兩個以元件符號171和172表示的手臂連結組成。第一手臂連結171和第二手臂連結172藉由中間鉸接關節175連接在一起。旁邊的第二手臂連結的另一端174與產品機械手底座121連接。
第一手臂連結171的臂端173可旋轉地安裝於基部平台110。元件符號182表示第二驅動單元，其安裝在平台基座111內，用於圍繞其樞軸點173可旋轉地驅動第一手臂連結171。第二驅動單元182較佳為電動機。與第一驅動單元181的驅動動作一起，雙曲柄控制機構130和多關節手臂170皆由其各自的第一和第二驅動單元181-182相對於基部平台110驅動，並在垂直於縱向設定軸110z的XY平面內產生產品機械手的平移運動。
元件符號183表示第三驅動單元，其安裝在平台基座111內，用於圍繞其縱向Z軸110z可旋轉地驅動整個基部平台110，從而由雙曲柄連桿機構130/多關節手臂170/產品機械手120在XY平面內相對於平台基座110形成完整的結構。第三驅動單元183較佳為電動馬達。
如圖2和圖3所示，平台基座111/基部平台110具有第一和第二中心線110x-110y，第一和第二中心線110x-110y與產品機械手120的縱軸120z一起形成XY平面，由於雙曲柄連桿機構130和多關節手臂170藉由第一和第二驅動單元181-182所致的旋轉操作，使得產品機械手120在XY平面上執行其平移運動。應注意的是，雙曲柄連桿機構130的第一和第二曲柄連桿連結140-150的曲柄141-151皆安裝於基部平台110，且其相應的曲柄端143-153相對於產品機械手120的縱軸120z位於同一側。在該縱軸120z的相對位置上為藉由第一手臂連結171的臂端173安裝於基部平台110的多關節手臂170。
此外，第一和第二曲柄連桿連結140-150的曲柄141-151的曲柄端143-153位於基部平台的第一中心線110x的相對側上，並且較佳距離該中心線相同的距離。第一手臂連結171的可驅動臂端173和第二曲柄連桿連結150的非驅動曲柄端153位於第二中心線110y和產品機械手120的縱軸120z的相對側上，但是相對於第一中心線110x位於同一側，並在第一曲柄連桿連結140的曲柄141的可驅動曲柄端143安裝於基部平台110的相對側上。應注意的是，可驅動臂端173和非驅動曲柄端153相對於第一中心線110x位於不同距離處，其距離差在圖2中以X表示。
這些設計方案皆提供了產品機械手相對於基部平台110/平台基座111更平衡的設計，並具有減小的質量和慣性。因此，在產品機械手120的運動過程中這種過度的位置依賴性傾斜減小了，並且系統的可靠性明顯增強，因為在產品機械手的運動過程中由於傾斜所導致的不精確性明顯降低。
在現有技術中，有若干SCARA型平面式多關節機械手臂系統運用預應力鋼帶或齒形帶來操縱手臂，而產品機械手120基於該手臂在XY平面內執行其平移運動。在預應力或預張緊狀態下使用和安裝鋼帶（齒形帶）需要機械手臂具有堅固的結構，以便能夠承受預負載。因此，現有技術的系統重量很重，因而在尺寸和驅動單元方面也受到過度的限制。
此外，現有技術的平面式多關節機械手臂系統實現的機械手臂中，具有三個自由度（X、Y及Rz）的手臂和產品機械手之間的連接由於其重量而表現出顯著的順應性。
利用本發明來使用這種預張緊的帶驅動機構，結果，機器人系統的手臂結構更輕了。此舉導致質量和慣性質量明顯減小，並因此得到更可靠的結構，因為在產品機械手的運動過程中由於傾斜所導致的不精確性明顯降低。此外，現有技術的機械手臂與產品機械手之間的連接的原始順應性被與平台基座連接的三個連結機械手臂本身的順應性取代了，從而進一步減輕重量。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］
100‧‧‧平面式多關節機械手臂系統
110‧‧‧基部平台
110x‧‧‧基部平台的第一中心線
110y‧‧‧基部平台的第二中心線
110z‧‧‧基部平台的縱軸
111‧‧‧平台基座
120‧‧‧產品機械手
120z‧‧‧產品機械手的縱軸
121‧‧‧產品機械手底座
130‧‧‧雙曲柄連桿機構
140‧‧‧第一曲柄連桿連結
141‧‧‧第一曲柄連桿連結的曲柄
142‧‧‧第一曲柄連桿連結的連桿
143‧‧‧第一曲柄連桿連結的曲柄端
144‧‧‧第一曲柄連桿連結的連桿端
145‧‧‧第一曲柄連桿連結的關節
150‧‧‧第二曲柄連桿連結
151‧‧‧第二曲柄連桿連結的曲柄
152‧‧‧第二曲柄連桿連結的連桿
153‧‧‧第二曲柄連桿連結的曲柄端
154‧‧‧第二曲柄連桿連結的連桿端
155‧‧‧第二曲柄連桿連結的關節
160‧‧‧雙曲柄連桿機構的連結元件
170‧‧‧多關節手臂
171‧‧‧第一手臂連結
172‧‧‧第二手臂連結
173‧‧‧多關節手臂的第一臂端
174‧‧‧多關節手臂的第二臂端
175‧‧‧多關節手臂的第一和第二手臂連結之間的中間關節
181‧‧‧第一驅動單元
182‧‧‧第二驅動單元
183‧‧‧第三驅動單元
190‧‧‧產品（晶圓）
現在將參照附圖更詳細地描述本發明，其中：
圖1-圖3為依據本發明的平面式多關節機械手臂系統之示意性實施例。
100‧‧‧平面式多關節機械手臂系統
110‧‧‧基部平台
110z‧‧‧基部平台的縱軸
111‧‧‧平台基座
120‧‧‧產品機械手
121‧‧‧產品機械手底座
140‧‧‧第一曲柄連桿連結
141‧‧‧第一曲柄連桿連結的曲柄
142‧‧‧第一曲柄連桿連結的連桿
143‧‧‧第一曲柄連桿連結的曲柄端
144‧‧‧第一曲柄連桿連結的連桿端
145‧‧‧第一曲柄連桿連結的關節
150‧‧‧第二曲柄連桿連結
151‧‧‧第二曲柄連桿連結的曲柄
152‧‧‧第二曲柄連桿連結的連桿
153‧‧‧第二曲柄連桿連結的曲柄端
154‧‧‧第二曲柄連桿連結的連桿端
155‧‧‧第二曲柄連桿連結的關節
160‧‧‧雙曲柄連桿機構的連結元件
170‧‧‧多關節手臂
171‧‧‧第一手臂連結
172‧‧‧第二手臂連結
173‧‧‧多關節手臂的第一臂端
174‧‧‧多關節手臂的第二臂端
175‧‧‧多關節手臂的第一和第二手臂連結之間的中間關節
181‧‧‧第一驅動單元
182‧‧‧第二驅動單元
183‧‧‧第三驅動單元
Claims (6)
- 一種平面式多關節機械手臂系統，包含：一基部平台，具有一縱軸以及一第一中心線，一產品機械手，具有一縱軸，該產品機械手之縱軸垂直於該基部平台之縱軸，一雙曲柄連桿機構，由一第一曲柄連桿連結和一第二曲柄連桿連結、以及連接該第一和第二曲柄連桿連結的曲柄連桿關節的一連結元件所組成，其中該第一和第二曲柄連桿連結皆具有連接到該基部平台的一曲柄端及連接到該產品機械手的一連桿端，一第一驅動單元，設以旋轉該雙曲柄連桿機構的該第一曲柄連桿連結的該曲柄端，一多關節手臂，具有連接到該基部平台的一第一臂端及連接到該產品機械手的一第二臂端，以及一第二驅動單元，設以旋轉該多關節手臂的該第一臂端，其中該多關節手臂的該第一臂端位於該產品機械手的縱軸的另一側，其特徵在於：該第二曲柄連桿連結的該曲柄端與該多關節手臂的該第一臂端位於該第一中心線的同一側且與該第一中心線相距不同距離。
- 如請求項1所述之平面式多關節機械手臂系統，其中該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端皆位於該產品機械手的縱軸的一側。
- 如請求項2所述之平面式多關節機械手臂系統，其中該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端位於該基部平台的一第一中心線的相對側，該第一中心線係垂直於該基部平台的縱軸。
- 一種平面式多關節機械手臂系統，包含：一基部平台，具有一縱軸，一產品機械手，具有一縱軸，該產品機械手之縱軸垂直於該基部平台之縱軸，一雙曲柄連桿機構，由一第一曲柄連桿連結和一第二曲柄連桿連結、以及連接該第一和第二曲柄連桿連結的曲柄連桿關節的一連結元件所組成，其中該第一和第二曲柄連桿連結皆具有連接到該基部平台的一曲柄端及連接到該產品機械手的一連桿端，一第一驅動單元，設以旋轉該雙曲柄連桿機構的該第一曲柄連桿連結的該曲柄端，一多關節手臂，具有連接到該基部平台的一第一臂端及連接到該產品機械手的一第二臂端，以及一第二驅動單元，設以旋轉該多關節手臂的該第一臂端，其中該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端皆位於該產品機械手的縱軸的一側，其特徵在於：該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端位於該基部平台的一第一中心線的相對側，該第一中心線係垂直於該基部平台的縱軸，該雙曲柄連桿機構的兩個曲柄端與該基部平台的該第一中心線的距離相等。
- 如請求項4所述之平面式多關節機械手臂系統，其中該多關節手臂的該第一臂端位於該產品機械手的縱軸的另一側。
- 如請求項1至5中任一項所述之平面式多關節機械手臂系統，還包含一第三驅動單元，該第三驅動單元設以使該基部平台圍繞其縱軸旋轉。
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