CN117182942B - 一种蛙手机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种蛙手机器人。包括控制本体、转盘机构、A手及B手，其中转盘机构安装在控制本体上，A手和B手均包括两条机械臂和一只手爪，其中两条机械臂对称布置，且两条机械臂的首端均与转盘机构连接，两条机械臂的末端均与一只手爪连接，构成蛙手结构；控制本体通过转盘机构控制A手和B手在同一方向上同步运动；当A手朝一方向伸出时，B手朝反方向缩回；当A手朝一方向缩回时，B手朝相反方向伸出。本发明具有结构紧凑、体积小、占用空间小、操作方便及成本低的优点。

Description

一种蛙手机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种蛙手机器人。

背景技术

当前对于晶圆加工生产中涉及的晶圆传送问题，多采用仿生机械手传递晶圆来解决。此种机械手一般是仿人机械臂，模仿人的手臂伸缩。如图1所示，仿人机械臂由大臂、小臂及手指三部分组成。传送晶圆时，将晶圆搭载在手指上，完成晶圆的取放。仿人机械臂在取放晶圆时，像人一样依靠肘关节和肩关节来调节大臂和小臂的伸缩，从而实现手指的伸展与缩回运动。这样的一条机械臂需要自如伸缩转动，需要两个电机来驱动，其中一个电机控制大臂旋转，另外一个电机控制小臂旋转。当两个电机朝相反方向转动时，仿人机械臂完成伸缩运动，当两个电机朝相同方向转动时，仿人机械臂整体做旋转运动。在实际生产中，为提高工作效率，通常将两个机械手装到一个控制本体上。在实际晶圆的加工生产中，希望可以借助晶圆传递机器人在同一个工位上，连续完成取片、放片的动作。这样就需要一个晶圆传递机器人具有两个机械手，其中一个机械手伸出放片的同时，另一个机械手缩回取片。这样每条机械臂都需要连接两个电机，总共就需要四个电机来协同控制。一条机械臂上的两个电机与另一条机械臂的两个电机作精密的控制配合，这对于电气控制***的控制精度要求较高，实现起来比较麻烦。而且电机数量多，就会增加机械手控制本体的长度，需要占用更大的空间。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种蛙手机器人，以解决现有晶圆传递机器人的电机数量较多，占用空间大及控制精度要求较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种蛙手机器人，包括控制本体、转盘机构、A手及B手，其中转盘机构安装在控制本体上，A手和B手均包括两条机械臂和一只手爪，其中两条机械臂对称布置，且两条机械臂的首端均与转盘机构连接，两条机械臂的末端均与手爪连接，控制本体通过转盘机构控制A手和B手在同一方向上同时运动；当A手朝一方向伸出时，B手朝反方向缩回；当A手朝一方向缩回时，B手朝反方向伸出。

所述控制本体包括控制本体外壳及同轴设置于控制本体外壳内的旋转驱动机构Ⅰ及旋转驱动机构Ⅱ；其中旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ均与所述转盘机构连接，旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ反方向驱动时，实现所述A手和所述B手沿同一方向交替伸出；旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ同向驱动时，实现所述A手和所述B手一起沿着旋转中心转动。

所述旋转驱动机构Ⅰ包括均为中空结构的转轴Ⅰ和电机Ⅰ，其中电机Ⅰ设置于控制本体外壳的一端，转轴Ⅰ贯穿电机Ⅰ的中心，且转轴Ⅰ与控制本体外壳转动连接，电机Ⅰ用于驱动转轴Ⅰ转动。

所述旋转驱动机构Ⅱ包括转轴Ⅱ和电机Ⅱ，其中电机Ⅱ为中空结构，且设置于控制本体外壳的另一端，转轴Ⅱ的一端贯穿电机Ⅱ的中心，且与控制本体外壳转动连接，转轴Ⅱ的另一端穿过转轴Ⅰ的内腔，电机Ⅱ用于驱动转轴Ⅱ转动。

所述电机Ⅰ包括电机定子Ⅰ、电机转子Ⅰ及编码器Ⅰ，其中电机定子Ⅰ固设于所述控制本体外壳的内壁上，电机转子Ⅰ设置于电机定子Ⅰ的内侧；编码器Ⅰ设置于所述转轴Ⅰ上。

所述电机Ⅱ包括编码器Ⅱ、电机定子Ⅱ及电机转子Ⅱ，其中电机定子Ⅱ设置于控制本体外壳的内壁上，电机转子Ⅱ位于电机定子Ⅱ的内侧，编码器Ⅱ设置于所述转轴Ⅱ上。

所述转盘机构包括由上至下依次设置的顶部转盘、中间转盘及底部转盘，其中底部转盘与所述旋转驱动机构Ⅰ连接，中间转盘与所述旋转驱动机构Ⅱ连接，中间转盘上对称设有以旋转轴线为圆心的两个弧形孔；顶部转盘通过两个销柱与底部转盘连接，两个销柱分别容置于中间转盘上的两个弧形孔内，顶部转盘与底部转盘同步同向转动；

所述A手的两个机械臂分别与底部转盘和中间转盘连接；所述B手的两个机械臂分别与中间转盘和顶部转盘连接。

所述B手容置于所述A手的两个机械臂形成的环形空间内。

所述机械臂包括相互铰接的大臂和小臂；所述A手的一机械臂的大臂与所述B手的一机械臂的大臂平行且位于一竖直平面内；

所述A手的另一机械臂的大臂与所述B手的一另机械臂的大臂平行且位于另一竖直平面内。

所述手爪包括手腕和设置于手腕上的手指。

所述控制本体靠近所述转盘机构的一端设有转接法兰。

本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种蛙手机器人，具有两只机械手（A手和B手），两只机械手通过控制本体控制沿同一方向交替伸出缩回，控制本体只用了两个驱动电源，相较于其它机械手使用了更少的驱动源来实现运动控制效果，本发明具有结构紧凑、体积小、占用空间小、操作方便及成本低的优点。

本发明通过两个电机配合机械结构来实现同一机械手的两条机械臂朝同方向同步伸出和缩回，模仿青蛙游泳的姿态，运动平稳；同时保证一只机械手正向伸出的同时，另一只机械手反向缩回，这样只需在其中一只机械手上连接两个电机来驱动，从而带动另一只机械手运动。本发明只需要两个电机就能实现控制效果，有效节省了空间，也减小了经济上的成本。同时用电气控制配合机械结构代替纯电气控制来实现一只机械手正向伸出的同时另一只机械手反向缩回，这就大大降低了对机械手控制精度的要求，使得对机械手的控制更加方便快捷，也提升了机构运动的稳定性。

附图说明

图1为现有仿人机械臂的结构示意图；

图2为本发明一种蛙手机器人的轴测图；

图3为本发明中控制本体的结构示意图；

图4为本发明中中间转盘的结构示意图；

图5为本发明一种蛙手机器人的平面机构运动简图：（a）为A手和B手缩回状态示意图；（b）为A手半伸出状态示意图；（c）为A手完全伸出状态示意图；

图6为本发明一种蛙手机器人的初始状态示意图；

图7为本发明中A手伸出拾取晶圆的工作示意图；

图8为本发明中B手伸出拾取晶圆的工作示意图；

图9为本发明中A手和B手拾取晶圆后回归零位的示意图；

图10为本发明中A手和B手拾取晶圆后旋转至第一工位的示意图。

图中：100-大臂，200-小臂，300-手指，1-控制本体，101-控制本体外壳，102-转轴Ⅰ，103-转轴Ⅱ，104-电机定子Ⅰ，105-电机转子Ⅰ，106-轴承Ⅰ，107-编码器Ⅰ，108-编码器Ⅱ，109-轴承Ⅱ，110-电机定子Ⅱ，111-电机转子Ⅱ，2-转接法兰，3-B手大臂Ⅰ，4-B手小臂Ⅰ，5-A手大臂Ⅰ，6-A手小臂Ⅰ，7-A手手指，8-A手手腕，9-A手小臂Ⅱ，10-B手手指，11-B手手腕 ，12-A手大臂Ⅱ，13-B手小臂Ⅱ，14-B手大臂Ⅱ，15-顶部转盘，16-中间转盘，17-底部转盘，18-销柱，20-A手，21-B手，22-晶圆盒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图2所示，本发明提供的一种蛙手机器人，包括控制本体1、转盘机构、A手20及B手21，其中转盘机构安装在控制本体1上，A手20和B手21均包括两条机械臂和一只手爪，其中两条机械臂对称布置，且两条机械臂的首端均与转盘机构连接，两条机械臂的末端均与一只手爪连接，构成连杆机构；控制本体1通过转盘机构控制A手20和B手21在同一方向上同步运动；当A手20朝一方向伸出时，B手21朝相反方向缩回；当A手20朝一方向缩回时，B手21朝反方向伸出。A手20和B手21类似蛙手，模仿青蛙游泳的姿态。

如图3所示，本发明的实施例中，控制本体1包括控制本体外壳101及设置于控制本体外壳101内的旋转驱动机构Ⅰ及旋转驱动机构Ⅱ；其中旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ均与转盘机构连接，旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ反方向驱动时，实现A手20和B手21沿同一方向交替伸出；旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ同向驱动时，实现A手20和B手21一起沿着旋转中心转动。控制本体1靠近转盘机构的一端设有转接法兰2。

本发明的实施例中，旋转驱动机构Ⅰ包括均为中空结构的转轴Ⅰ102和电机Ⅰ，其中电机Ⅰ设置于控制本体外壳101的一端，转轴Ⅰ102贯穿电机Ⅰ的中心，且转轴Ⅰ102通过轴承Ⅰ106与控制本体外壳101连接，电机Ⅰ用于驱动转轴Ⅰ102转动。

具体地，电机Ⅰ包括电机定子Ⅰ104、电机转子Ⅰ105及编码器Ⅰ107，其中电机定子Ⅰ104固设于控制本体外壳101的内壁上，电机转子Ⅰ105设置于电机定子Ⅰ104的内侧；编码器Ⅰ107设置于转轴Ⅰ102上。

如图3所示，本发明的实施例中，旋转驱动机构Ⅱ包括转轴Ⅱ103和电机Ⅱ，其中电机Ⅱ为中空结构，且设置于控制本体外壳101的另一端，转轴Ⅱ103的一端贯穿电机Ⅱ的中心，且通过轴承Ⅱ109与控制本体外壳101连接，转轴Ⅱ103的另一端穿过转轴Ⅰ102的内腔，电机Ⅱ用于驱动转轴Ⅱ103转动。

具体地，电机Ⅱ包括编码器Ⅱ108、电机定子Ⅱ110及电机转子Ⅱ111，其中电机定子Ⅱ110设置于控制本体外壳101的内壁上，电机转子Ⅱ111位于电机定子Ⅱ110的内侧，编码器Ⅱ108设置于转轴Ⅱ103上。

如图2至图4所示，本发明的实施例中，转盘机构包括由上至下依次设置的顶部转盘15、中间转盘16及底部转盘17，其中底部转盘17固设于转轴Ⅰ102上，中间转盘16固设于转轴Ⅱ103上，中间转盘16上对称设有以转轴Ⅱ103的轴线为中心的两个弧形孔；顶部转盘15通过两个销柱18与底部转盘17连接，两个销柱18分别容置于中间转盘16上的两个弧形孔内，顶部转盘15与底部转盘17同步同向转动。A手20的两个机械臂分别与底部转盘17和中间转盘16连接，底部转盘17和中间转盘16带动A手20的两条机械臂同步伸出或缩回。B手21的两条机械臂分别与中间转盘16和顶部转盘15连接，中间转盘16和顶部转盘15带动B手21的两条机械臂同步伸出或缩回，A手20和B手21的伸缩运动模仿青蛙游泳的姿态。具体地，顶部转盘15与底部转盘17进行刚性连接，包括但不限于使用销柱18连接的形式。

进一步地，B手21容置于A手20的两条机械臂形成的环形空间内，使A手20和B手21的伸缩运动互不干涉。同时A手20和B手21的四条机械臂位于不同的高度上，保证转动时互不干涉。

本发明的实施例中，机械臂包括相互铰接的大臂和小臂；控制本体1内的电机控制大臂的伸缩运动，从而带动小臂运动，进而实现了机械手手指的伸出和缩回运动。

A手20的一机械臂的大臂与B手21的一机械臂的大臂平行且位于一竖直平面内；A手20的另一机械臂的大臂与B手21的一另机械臂的大臂平行且位于另一竖直平面内。手爪包括手腕和设置于手腕上的手指。

如图2、图3所示，本实施例中，A手20包括第一A手机械臂、第二A手机械臂、A手手指7及A手手腕8，其中A手手腕8与第一A手机械臂和第二A手机械臂的末端连接，A手手指7和A手手腕8连接，第一A手机械臂和第二A手机械臂形成连杆机构。具体地，第一A手机械臂包括A手大臂Ⅰ5和A手小臂Ⅰ6，A手大臂Ⅰ5的一端与底部转盘17连接，另一端与A手小臂Ⅰ6的一端铰接，A手小臂Ⅰ6的另一端与A手手腕8铰接。第二A手机械臂包括A手大臂Ⅱ12和A手小臂Ⅱ9，其中A手大臂Ⅱ12的一端与中间转盘16连接，另一端与A手小臂Ⅱ9的一端铰接，A手小臂Ⅱ9的另一端与A手手腕8铰接。

进一步地，A手大臂Ⅰ5和A手大臂Ⅱ12的另一端沿竖直方向设有弯折部，B手21容置于弯折部形成的空间内。

本实施例中，B手21包括第一B手机械臂、第二B手机械臂、B手手指10及B手手腕11，其中B手手腕11与第一B手机械臂和第二B手机械臂的末端连接，B手手指10与B手手腕11连接，第一B手机械臂和第二B手机械臂形成连杆机构。第一B手机械臂包括B手大臂Ⅰ3和B手小臂Ⅰ4，其中B手大臂Ⅰ3的一端与中间转盘16连接，另一端与B手小臂Ⅰ4铰接，B手小臂Ⅰ4与B手手腕11铰接；第二B手机械臂包括B手小臂Ⅱ13和B手大臂Ⅱ14，其中B手大臂Ⅱ14的一端与顶部转盘15连接，另一端与B手小臂Ⅱ13的一端铰接，B手小臂Ⅱ13的另一端与B手手腕11铰接。

具体地，A手大臂Ⅰ5和B手大臂Ⅱ14相互平行，且A手大臂Ⅰ5和B手大臂Ⅱ14位于同一竖直平面内。A手大臂Ⅱ12和B手大臂Ⅰ3相互平行，且位于另一竖直平面内。

电机Ⅰ驱动转轴Ⅰ102转动时，转轴Ⅰ102带动底部转盘17和顶部转盘15转动，销柱18在中间转盘16的弧形槽内运动，从而带动A手大臂Ⅰ5和B手大臂Ⅱ14同向转动；电机Ⅱ驱动转轴Ⅱ103反向转动，转轴Ⅱ103带动中间转盘16反向转动，从而带动A手大臂Ⅱ12和B手大臂Ⅰ3同步沿反向转动。因此，A手20的两条机械臂朝同一方向同步伸出，B手21的两条机械臂朝相反方向同步缩回，或者A手20的两条机械臂朝一方向同步缩回，B手21的两条机械臂朝相反方向同步伸出，即A手20和B手21沿同一方向交替伸出。当电机Ⅰ和电机Ⅱ同向转动时，A手20和B手21不再伸缩，而是一起沿着旋转中心转动，如此实现了控制本体1对A手20和B手21运动的控制。

如图5所示，本发明提供的一种蛙手机器人的平面机构运动简图，其中（a）表示蛙手机器人两手缩回状态下的机构运动简图，（b）表示一只机械手半伸出的状态下的机构运动简图，（c）表示一只机械手完全伸出状态下的机构运动简图。

具体到实际工作中，初始时A手20和B手21均位于零位，如图6所示；然后电机Ⅰ和电机Ⅱ同向转动，带动A手20和B手21同步旋转至晶圆盒22前。电机Ⅰ和电机Ⅱ反向转动，驱动A手20朝一方向伸出，同时带动B手21朝反方向缩回，A手20从晶圆盒22中取走一片待加工的晶圆，如图7所示；A手20取片完毕后，则开始向后缩回，从而带动B手21向前伸至晶圆盒22中取片，如图8所示；在A手20和B手21都取到晶圆后，则统一回归到零位，如图9所示。电机Ⅰ和电机Ⅱ同向转动，带动A手20和B手21同步旋转至一个加工工位23，如图10所示；A手20和B手21先后将待加工的晶圆送入加工工位23中，然后交替将已加工好的晶圆取走，随后蛙手机器人旋转至下一工位，将机械手指上的晶圆送入该工位中，以完成晶圆加工的下一道工序，同时取走两片该工位加工处理好的晶圆。如此循环往复，完成晶圆加工的多道工序。

本发明中共有两个电机，均连接到A手20上。电机驱动A手20运动，从而带动B手21运动，实现了A手20伸出的同时，B手21缩回。本发明利用驱动电机配合机械结构实现了A手20和B手21的同步运动，完成了A手20和B手21沿同一方向的交替伸出缩回。A手20和B手21中的两条机械臂运动的同步性更高，更便于控制。同时有效节省了空间，也从很大程度上，减小了经济成本。本发明大大降低了对机械手控制精度的要求，使得对机械手的控制更加方便快捷，便于两条机械手的运动实现同步性，也提升了机构运动的稳定性。

在晶圆加工生产中，本发明通过两条能够朝同一方向交替伸出的机械手实现晶圆传递，可以在一个工位上连续的取片、放片，大大提升工作效率。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种蛙手机器人，其特征在于，包括控制本体（1）、转盘机构、A手（20）及B手（21），其中转盘机构安装在控制本体（1）上，A手（20）和B手（21）均包括两条机械臂和一只手爪，其中两条机械臂对称布置，且两条机械臂的首端均与转盘机构连接，两条机械臂的末端均与手爪连接，控制本体（1）通过转盘机构控制A手（20）和B手（21）在同一方向上同时运动；当A手（20）朝一方向伸出时，B手（21）朝反方向缩回；当A手（20）朝一方向缩回时，B手（21）朝反方向伸出；

所述控制本体（1）包括控制本体外壳（101）及同轴设置于控制本体外壳（101）内的旋转驱动机构Ⅰ及旋转驱动机构Ⅱ；其中旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ均与所述转盘机构连接，旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ反方向驱动时，实现所述A手（20）和所述B手（21）沿同一方向交替伸出；旋转驱动机构Ⅰ和旋转驱动机构Ⅱ同向驱动时，实现所述A手（20）和所述B手（21）一起沿着旋转中心转动；

所述旋转驱动机构Ⅰ包括均为中空结构的转轴Ⅰ（102）和电机Ⅰ，其中电机Ⅰ设置于控制本体外壳（101）的一端，转轴Ⅰ（102）贯穿电机Ⅰ的中心，且转轴Ⅰ（102）与控制本体外壳（101）转动连接，电机Ⅰ用于驱动转轴Ⅰ（102）转动；

所述旋转驱动机构Ⅱ包括转轴Ⅱ（103）和电机Ⅱ，其中电机Ⅱ为中空结构，且设置于控制本体外壳（101）的另一端，转轴Ⅱ（103）的一端贯穿电机Ⅱ的中心，且与控制本体外壳（101）转动连接，转轴Ⅱ（103）的另一端穿过转轴Ⅰ（102）的内腔，电机Ⅱ用于驱动转轴Ⅱ（103）转动；

所述转盘机构包括由上至下依次设置的顶部转盘（15）、中间转盘（16）及底部转盘（17），其中底部转盘（17）与所述转轴Ⅰ（102）连接，中间转盘（16）与所述转轴Ⅱ（103）连接，中间转盘（16）上对称设有以旋转轴线为圆心的两个弧形孔；顶部转盘（15）通过两个销柱（18）与底部转盘（17）连接，两个销柱（18）分别容置于中间转盘（16）上的两个弧形孔内，顶部转盘（15）与底部转盘（17）同步同向转动；

所述A手（20）的两个机械臂分别与底部转盘（17）和中间转盘（16）连接；所述B手（21）的两个机械臂分别与中间转盘（16）和顶部转盘（15）连接。

2.根据权利要求1所述的蛙手机器人，其特征在于，所述电机Ⅰ包括电机定子Ⅰ（104）、电机转子Ⅰ（105）及编码器Ⅰ（107），其中电机定子Ⅰ（104）固设于所述控制本体外壳（101）的内壁上，电机转子Ⅰ（105）设置于电机定子Ⅰ（104）的内侧；编码器Ⅰ（107）设置于所述转轴Ⅰ（102）上；

所述电机Ⅱ包括编码器Ⅱ（108）、电机定子Ⅱ（110）及电机转子Ⅱ（111），其中电机定子Ⅱ（110）设置于控制本体外壳（101）的内壁上，电机转子Ⅱ（111）位于电机定子Ⅱ（110）的内侧，编码器Ⅱ（108）设置于所述转轴Ⅱ（103）上。

3.根据权利要求1所述的蛙手机器人，其特征在于，所述B手（21）容置于所述A手（20）的两个机械臂形成的环形空间内。

4.根据权利要求3所述的蛙手机器人，其特征在于，所述机械臂包括相互铰接的大臂和小臂；所述A手（20）的一机械臂的大臂与所述B手（21）的一机械臂的大臂平行且位于一竖直平面内；

所述A手（20）的另一机械臂的大臂与所述B手（21）的一另机械臂的大臂平行且位于另一竖直平面内。

5.根据权利要求1所述的蛙手机器人，其特征在于，所述手爪包括手腕和设置于手腕上的手指。

6.根据权利要求1所述的蛙手机器人，其特征在于，所述控制本体（1）靠近所述转盘机构的一端设有转接法兰（2）。