DE3784254T2

DE3784254T2 - Vorrichtung zum foerdern von gegenstaenden.

Info

Publication number: DE3784254T2
Application number: DE8787908021T
Authority: DE
Inventors: Danny C Swain
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-16
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2007-08-18
Also published as: JPH02502526A; WO1988007020A1; EP0352259A1; EP0352259A4; DE3784254D1; EP0352259B1; US4813845A; ATE85783T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die robotische Bewegung von Gegenständen und insbesondere eine Vorrichtung zum Fördern von Gegenständen zwischen zwei oder mehr festen Orten.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß es bei Herstellungsprozessen oft notwendig ist, daß das zu bearbeitende Teil von einer Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation befördert wird, um es aufeinander folgenden Bearbeitungen zu unterziehen. Wenn der Hersteller dieses Verfahren automatisieren will, muß er mechanische Vorrichtungen haben, die diese Übergabe erledigen. Da die Herstellungseffizienz diese Automation erfordert, gibt es zu diesem Zweck aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Erfindungen.
Viele von diesen Vorrichtungen des Standes der Technik sind insbesondere für einen bestimmten Herstellungsprozeß maßgeschneidert worden. Der "Transporter for Injection Modeled Parts or Inserts Therefor" von Herbert Rees und Klaus B. Fritsche aus der US 4,368,018 vom 11. Januar 1983 ist ein solches Beispiel. Ein anderes Beispiel sind die "Method and Apparatus for Removing and Transferring finished Glass Articles" von Urban Trudeau in der US 3,137,394 vom 16. Juni 1964. Allgemeinere Verfahren zum Befördern von Gegenständen sind in anderen Erfindungen beschrieben wie in den "Workpiece Distributors" von Poyet et al. in der US 3,215,284 vom 2. November 1965, in der ein Gerät beschrieben ist, um Werkteile auf Bearbeitungsverfahren zu verteilen. Eine ähnliche Vorrichtung ist der "Automatic Transfer Mechanism for Press Line" von James C. Danley aus der US 3,199,443 vom 10. August 1965.
Die oben genannten Vorrichtungen sind alle zum Einsatz in "schwer-industriellen" Bereichen vorgesehen. Als solche sind die Ausgestaltungen auf die Produktion in kontaminierter Umgebung, auf die Reproduzierbarkeit der Bewegung hoher Präzision und auf Platzprobleme von nicht allzu großer Bedeutung. Daher arbeiten in der "schwer-industriellen" Umgebung große mit Zahnrädern angetriebene Vorrichtungen meist recht zufriedenstellend.
Eine der Hauptanwendungen für eine Beförderungsvorrichtung, insbesondere im Silicon Valley, liegt in der Halbleiterindustrie. Bei der speziellen Umgebung der Halbleiterherstellung ist es klar, daß eine spezielle Ausrüstung notwendig ist. Ein Gerät des Standes der Technik, das für dieses Gebiet vorgesehen ist, ist der "Micromanipulator" von Charles Frederic Miller aus der US 3,403,575 vom 1. Oktober 1968. Eine andere Vorrichtung ist der "Object Transport Apparatus" von James D. Ott aus der US 4,364,077 vom 21. Dezember 1982.
Diese zuletzt genannten Geräte berücksichtigen die Erfordernisse der Halbleiterherstellung. Die schweren kontaminierenden ölgeschmierten Zahnradantriebe sind verschwunden. Das Gerät nach Ott beschreibt ein Verfahren zur Beförderung von Gegenständen, welches einen elektrischen Schrittmotor benutzt. Die Bewegung wird auf das Werkstück über ein Band und Rollenmechanismus übertragen. Das Gerät nach Miller, auch wenn es manuell angetrieben wird, zeigt auch eine Präferenz für den Rollen-und-Band-Mechanismus in einer Reinraumumgebung.
Bänder und Rollen benötigen keine Schmierung und werden in allen außer den neuesten Fabriken in Reinraumumgebungen bevorzugt eingesetzt, da sie nur wenig Verschmutzung und Kontamination erzeugen. Das ihnen innewohnende Problem liegt darin, daß sich die Bänder ausdehnen und abnützen, so daß die Genauigkeit der Bewegungsreproduzierbarkeit vermindert wird. Derselbe Fall tritt bei der Benutzung eines Zahnrades und Ritzelantriebs auf.
Die EP-A-0 078 522 der Hitachi Ltd. beschreibt einen Industrieroboter mit einem ersten Arm, der an einem Ende schwenkbar angeordnet ist, mit einem zweitem Arm, der an dem einen Ende des freien Endes des ersten Arms schwenkbar angeordnet ist. Mindestens ein Arm ist mit einem Antriebsmotor über einen Doppelverbindungsmechanismus verbunden, der eine Phasendifferenz aufweist.
Es gibt weiter eine Vielzahl von kommerziell erhältlichen Maschinen für die Beförderung und Übertragung von Gegenständeit. Zu diesen zählen der "Wafer Transfer Arm" der SCSS Instruments und die "Heatpulse 2101" der A.G. Associates und die "Microvision 360" der Optical Specialities Inc.. Diese Vorrichtungen sind in den üblichen Halbleiterzeitschriften beworben.
Es besteht die Notwendigkeit der Entwicklung einer Übertragungsvorrichtung, die einen sehr hohen Grad der Bewegungsreprodüzierbarkeit aufweist und zusätzlich eine weiche Bewegung der Teile gestattet. Auch besteht die Notwendigkeit eine Einrichtung zu schaffen, die die oben genannten Bedingungen erfüllt, dabei sehr wenig Platz einnimmt und in einem Reinraum eingesetzt werden kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genau zu regelndes Gerät zur Beförderung von Gegenständen zu schaffen, welches fähig ist, einen Gegenstand an jedem beliebigen Punkt innerhalb eines vorbestimmten Radius abzusetzen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Gerät zu schaffen, welches sowohl in seiner Position als auch in der Geschwindigkeit der Anordnung digital ansteuerbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, ein Gerät zum Transport von Gegenständen zu schaffen, welches eine Vakuumsaugkraft zum Halten der zu transportierenden Gegenstände einsetzt.
Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Gerät zum Transport von Gegenständen zu schaffen, welches in einem Reinraum benutzt werden kann, ohne daß Teile eingesetzt werden, die eine Verunreinigung durch Partikel hervorrufen können.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Gerät zur Beförderung von Gegenständen dafür vorgesehen, ein vorbestimmtes Element, üblicherweise einen Halbleiter-Wafer, zu irgendeinem Punkt in einem bestimmten Radius vom Ausgangspunkt zu befördern. Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieses Gerätes benutzt Höhenverstellungs- und Fahrstuhltechniken, um die Erreichbarkeit eines zylindrischen Bereichs zu erhöhen, anstatt nur einen kreisförmigen Bereich anzufahren. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist dafür ausgerichtet, mit einer Vakuumansaugeinrichtung benutzt zu werden, um einen Vakuumansaugmechanismus zu schaffen, um den Gegenstand auf dem Beförderungsgerät zurückzuhalten.
Das bevorzugte Gerät umfaßt drei primäre Untergruppen. Diese Untergruppen sind eine Motorantriebs-Untereinheit, eine Arm-Untereinheit und eine Hand-Untereinheit. Die Motorantriebs- Untereinheit umfaßt Motoren zur Schaffung einer Drehbewegung für die Hand- und Arm-Untereinheit und pneumatische Verbindungen zur Schaffung eines Vakuums bei den Arm- und Hand-Untereinheiten. Ein Paar von koaxialen Wellen verbindet die Antriebsuntereinheit mit der Arm-Untereinheit, wobei die Achse der Wellen rechtwinklig zum Ursprung des Positionierkreises des Gerätes stehen und sich dort sich schneiden. Die Arm-Untereinheit ist dazu vorgesehen, sich in Verbindung mit einer der Wellen zu drehen und eine Drehbewegung auf die andere Welle am äußeren Ende eines Armes, das als Handgelenk bezeichnet wird, auszuüben, an dem sie dann auf die Hand-Untereinheit über eine weitere Welle als eine entfernte Drehachse weiter übertragen wird. Die Hand-Untereinheit dreht sich um die Handgelenksachse und umfaßt ein objektgreifendes Mittel vorzugsweise eine Vakuumpumpe und eine den Gegenstand tragende Struktur zum Tragen und Verbringen des bevorzugten Objektes in den gewünschten Bereich. Die Vorrichtung umfaßt keine Zahnräder, Bänder oder Antriebsketten, sondern erhält ihre Bewegung ausschließlich aus Drehwellen einer Nockenantrieb- Untereinheit, die in der Arm-Untereinheit eingeschlossen ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Antriebsuntereinheit außerhalb eines Reinraums angeordnet werden kann, während die Handund Arm-Untereinheit innerhalb des Reinraumes angeordnet sind, womit die Gefahr der möglichen Verunreinigung verkleinert wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine Partikel- Verunreinigung schaffende Elemente wie Zahnräder, Bänder und Antriebsketten vermieden werden, so daß die Möglichkeit der Partikelkontamination durch die Antriebe sicher vermieden werden kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Drehkraft auf eine sekundäre Drehachse des Arm es mit einem konstanten Drehmoment übertragen wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das zu schaftende Vakuum auf die Hand-Untereinheit übertragen wird, ohne daß Röhren oder andere Elemente benutzt werden, die mit der freien Bewegung des Gerätes interferieren könnten.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Doppelnocken-Wellenverbindung innerhalb der Arm-Untereinheit eine konstante Geschwindigkeit und eine konstante Drehmomentübertragung der Drehbewegung schafft, so daß bei der Drehbewegung der Hand-Untereinheit keine "toten Punkte" existieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der zu transportierende Gegenstand in jede Position innerhalb des kreisförmigen Bereiches gebracht werden kann, insbesondere auch an den Ursprungspunkt, so daß keine Notwendigkeit besteht, um verbotene Positionen herum zu navigieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Gerät im wesentlichen frei von einem Spiel ist und ein konstantes 1:1-Übertragungsverhältnis aufweist.
Diese und andere Vorteile und Ziele der Erfindung werden für den Fachmann aus der nun folgenden Beschreibung des derzeit bekannten besten Ausführungsbeispiels klar hervorgehen. Dies gilt auch für die industrielle Anwendbarkeit des Ausführungsbeispiels, wie es unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nun beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines einen Gegenstand transportierenden Gerätes gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Explosionsansicht einer Seitenquerschnittsansicht der Antriebsuntereinheit,
Fig. 3 eine Explosionsansicht einer Seitenquerschnittsansicht der Arm-Untereinheit und der Hand-Untereinheit,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die exentrische Antriebsuntereinheit,
Fig. 5a eine Draufsicht auf die exentrische Antriebsuntereinheit in der Nähe einer der Nockenwellen,
Fig. 5b eine Unteransicht des selben Bereichs wie in Fig. 5a zum selben Zeitpunkt, und
Fig. 6 eine vertikale Querschnittsansicht einer anderen exzentrischen Antriebsuntereinheit.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einen Gegenstand transportierendes Gerät zum Befördern eines vorbestimmten Gegenstandes von einem Punkt zu einem anderen Punkt in einem kreisförmigen Bereich. Der kreisförmige Bereich wird so definiert, daß er jeden Punkt in einer bestimmten Ebene mit einem gegebenen Radius um einen Mittelpunkt umfaßt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Gegenstände befördernden Gerätes ist ein Wafer-Bewegungsgerät, welches insbesondere dafür vorgesehen ist, während der Halbleiterherstellung einen Silizium-Wafer von einem Punkt zu einem anderen Punkt zu bewegen.
Es ist hilfreich, daran zu denken, daß das Gerät analog zu einem menschlichen Unterarm und dessen Handstruktur aufgebaut ist, wobei sowohl der Ellbogen als auch das Handgelenk als perfekte Gelenke mit einer 360º-Drehbewegungsmöglichkeit ausgestattet sind.
Die Fig. 1 zeigt ein einen Gegenstand förderndes Gerät gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht. Es ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Wie es in dieser Figur zu erkennen ist, ist das einen Gegenstand fördernde Gerät in drei Untereinheiten aufgegliedert.
Diese Untereinheiten umfassen eine Antriebsuntereinheit 12, die die Drehbewegung erzeugt und steuert, eine dazwischen liegende Arm-Untereinheit 14 und eine Hand-Untereinheit 16. Die Untereinheiten werden von einer Trägerstruktur 18 gestützt, welche Elemente umfaßt, um die Antriebsuntereinheit 12 von der Arm-Untereinheit 14 und der Hand-Untereinheit 16 zu trennen. Typischerweise umfaßt die Trägerstruktur 18 eine Reinraumtrennwand. Die Hand-Untereinheit 16 ist die Struktur, die den gewünschten Gegenstand 19 bewegt, in diesem Fall einen Silizium-Wafer. Der Gegenstand 19 muß während der Bewegung von der Umwelt getrennt werden, um seine Verunreinigung zu vermeiden. Die Trägerstruktur 18, wie sie in der Fig 1 dargestellt ist, erfüllt diesen Zweck, indem eine Trennebene zwischen der Antriebsuntereinheit 12 und der Arm-Untereinheit 14 angeordnet ist, so daß die Arm-Untereinheit 14, die Hand-Untereinheit 16 und der Gegenstand 19 in einem Reinraum oder einer verunreinigungsfreien Umgebung isoliert werden können, während die Antriebsuntereinheit 12 außerhalb einer solcher Umgebung angeordnet ist.
Die Bewegungsfreiheit des Gegenstandes 19 ist auf einen kreisförmigen Bereich Z beschränkt, der durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt ist.
Der kreisförmige Bereich Z hat seinen Ursprung an dem Schnittpunkt der Drehebene und der ersten Achse 20, die im folgenden als Ellbogenachse 20 bezeichnet wird. Die Hand-Untereinheit 16 dreht sich um eine zweite Achse 21, die im folgenden als Handgelenksachse 21 bezeichnet wird, welche an dem gegenüberliegenden Ende der Arm-Untereinheit 14 und von der Ellbogenachse 20 getrennt angeordnet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen der Mitte des Gegenstandes 19 und der Handgelenksachse 21 gleich dem Abstand zwischen der Handgelenksachse 21 und der Ellbogenachse 20 und der Radius des Bereichs Z entspricht dem zweifachen Abstand zwischen diesen. In dieser Weise kann, da die Arm-Untereinheit 14 sich frei um die Ellbogenachse 29 dreht und da sich die Hand-Untereinheit 16 frei um die Handgelenksachse 21 dreht, der Mittelpunkt des Gegenstandes 19 durch ein unabhängiges Drehen der Arm- und Hand-Untereinheiten um ihre jeweilige Achse an jeden Ort innerhalb des Bereichs Z bewegt werden. Durch die Hinzufügung eines Hebemechanismus würde der Bereich Z zu einem Zylinder vergrößert werden.
In der Fig. 2 wird die Antriebsuntereinheit 12 in einer Explosionsquerschnittsansicht dargestellt, wobei der Querschnitt enflang der Linie 2-2 der Fig. 1 erstellt worden ist. Die Antriebsuntereinheit 12 ist im Querschnitt dargestellt und es ist leicht ersichtlich, daß jedes Element in der Antriebsuntereinheit 12 symmetrisch um die Ellbogenachse 20 angeordnet ist, die als strichlinierte Linie in der Fig. 2 dargestellt ist. Die Ellbogenachse 20 bildet die Achse, um die die Arm-Untereinheit 14 rotiert.
Von der Unterseite der Antriebsuntereinheit 12 beginnend und unter der Voraussetzung, daß die Ellbogenachse 20 vertikal steht und daß der zu tragende Gegenstand von unten gestützt wird, wird das erste Element in der Untereinheit 12 durch einen ersten Motor 22 gebildet, der auch als Handmotor bezeichnet wird. Der Handmotor 22 ist ein genau steuerbarer Drehpositioniermotor, der benutzt wird, um die Drehbewegung zu erzeugen, die über innerhalb der Arm-Untereinheit angeordnete Elemente auf die Handgelenksachse übertragen wird, bei welcher die Drehkraft benutzt wird, um die Positionierung der Hand-Untereinheit 16 zu steuern. Der Handmotor 22 ist vorzugsweise ein hochpräziser Schrittmotor oder ein in seiner Mechanik analoges Bauteil.
Der Handmotor 22 ist mit Hilfe einer Handkupplung 24 mit einer Hand-Antriebswelle 26 verbunden, die auch als innere Antriebswelle 26 bezeichnet wird. Die Handkupplung 24 wird eingesetzt, um größere Unterschiede zwischen dem Motor 22 und der Welle 26 auszugleichen und um eine universale Anschlußmöglichkeit zu schaffen, so daß eine präzise Ausrichtung nicht notwendig ist. Die Drehfreiheit der Hand-Antriebswelle 26 wird durch die Drehung des ersten Motors 22 gesteuert. Ein üblicher Steuerschaltkreis 27 von einem der vielen bekannten Typen wird benutzt, um die Steuersignale für die verschiedenen Elemente innerhalb der Antriebsuntereinheit 12 zu erzeugen, um die spezifische Drehung der Motorelemente zu steuern.
Direkt über und konzentrisch mit dem ersten Motor 22 ist ein zweiter Motor 28 angeordnet, der auch als Armmotor 28 bezeichnet wird. Der Armmotor 28 steuert die Drehung der Arm-Untereinheit 14 um die Ellbogenachse 20. Der Armmotor 28 umfaßt eine longitudinale mittige Öffnung 30, die es gestattet, die Hand-Antriebswelle 26 durch diese Mitte berührungslos hindurchzuführen. Der Armmotor 28 ist durch eine der Kupplung 24 ähnelnde Armkupplung 32 mit der Arm-Antriebswelle 34 verbunden, die die Gestalt einer hohlen Welle mit einem axialen Kanal 36 zur Aufnahme der Hand-Antriebswelle 26 aufweist. Die Arm-Antriebswelle 34 wird auch teilweise als hohle Welle oder äußere Welle 34 im Gegensatz zur inneren Welle 26 bezeichnet.
Eines der Merkmale des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Gerätes 10 zur Beförderung von Gegenständen liegt darin, daß es geeignet ist, in der Hand- Untereinheit 16 disparate Druckbedingungen als Haltemethode einzusetzen. Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, Elemente vorzusehen, die es gestatten, daß das Gerät 10 zur Förderung von Gegenständen pneumatische Signale überträgt. Dies können Signale in der Gestalt von Vakuumsignalen oder zur Ausübung eines positiven Druckes auf die Handvorrichtung sein, die über die anderen Elemente des Gerätes zur Förderung von Gegenständen 10 übertragen werden. Ein Teil der Elemente zur Übertragung von pneumatischen Signalen ist in der Antriebsuntereinheit 12 zusammengefaßt. Da ist die Arm-Antriebswelle 34 mit einer pneumatischen Öffnung 38 versehen, die radial entlang der Arm-Antriebswelle 34 an einem solchen Weg entlang geführt wird, daß sie innerhalb einer pneumatischen Spindel 40 angeordnet ist, die sich direkt oberhalb des zweiten Motors 28 befindet. Die pneumatische Spindel 40 ist ein stationäres Element mit einem inneren Hohlraum, welches vom äußeren pneumatischen Steuerelement 42 positive und negative pneumatische Drucksignale empfängt. Die positiven und negativen pneumatischen Drücke, die innerhalb der pneumatischen Spindel 40 erzeugt werden, werden über die pneumatische Öffnung 38 in das Innere des axialen Kanals 36 innerhalb der Arm-Antriebswelle 34 weiter und von dort zur Arm-Untereinheit 14 hin geleitet. Die pneumatische Isolation des Inneren der pneumatischen Spindel 40 wird am Boden der pneumatischen Spindel 40 durch ein erstes Arm-Antriebswellenlager 44 mit einer zugehörigen Vakuumdichtung 46 gewährleistet, um eine luftdichte Dichtung gegenüber der Arm-Antriebswelle 34 zu schaffen, und durch eine kleine Handwellenvakuumdichtung 48 gewährleistet, um eine Leckage um die Hand-Antriebswelle 26 herum zu vermeiden. Die pneumatische Handantriebsdichtung 48 ist innerhalb des axialen Kanals 36 an einem Ort angeordnet, der unterhalb der pneumatischen Öffnung 38 liegt.
Am oberen Ende der pneumatischen Spindel 40 ist eine Spindelabdeckung 50 vorgesehen, die mit der pneumatischen Spindel 40 zusammenpaßt, um ein abgeschlossenes Volumen zu bilden. Eine zweite Armwellendichtung 52 ist innerhalb der Abdeckung 50 ist vorgesehen, um die Arm-Antriebswelle 34 zu stützen. Die pneumatische Isolation des Inneren der pneumatischen Spindel 40 ist mit der Spindelabdeckung 50 an einem zusätzlichen Paar von identischen äußeren Wellen-Vakuumdichtungen 46 befestigt, die das zweite Armwellenlager 52 umgeben. Zwei zusätzliche Dichtungen werden benötigt, um das Lager 52 vom Vakuum zu trennen, da ein Vakuum auf die Wirksamkeit und auf die Haltbarkeit eines Lagers einen schlechten Einfluß ausübt.
Diese genannten Elemente gestatten die Einführung von positivem und negativem pneumatischen Druck in das Innere des axialen Kanals 36 der Arm- Antriebswelle 34. In dieser Weise kann auf die Arm-Untereinheit 14 und auf die Hand-Untereinheit 16 pneumatischer Druck ausgeübt werden, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist.
Die Fig. 3 zeigt die Arm-Untereinheit 14 und die Hand-Untereinheit 16 in einer Explosionsansicht mit einer vertikalen Querschnittsansicht. Die Richtung der Explosionszeichnung ist vertikal im Hinblick auf alle Elemente und horizontal in Bezug auf einige Elemente der Arm-Untereinheit 14. Wie in den Fig. 1 und 2 ist die Referenz zur Positionierung der Elemente durch die Ellbogenachse 20 und durch die Handgelenksachse 21 gegeben. Die Achsen 20 und 21 sind als strichlinierte Linien dargestellt und mit Bezugszeichen versehen, um dem Betrachter die Explosionsansicht zu erläutern.
Die Arm-Untereinheit 14 umfaßt ein Armrahmenelement 54, welches eine Basisplatte 56 aufweist, an der ein Element 58 befestigt ist, welches die Armwelle aufnimmt. Das die Armwelle aufnehmende Element ist dazu vorgesehen, die Arm-Antriebswelle 34 aufzunehmen und zu halten. Eine Befestigungsschraube 60 hält die Arm-Antriebswelle 34 sicher innerhalb des Elementes 58 zur Aufnahme der Armwelle und gestattet es, daß die Arm-Untereinheit 14 direkt mit der Drehung der Arm-Antriebswelle 34 rotiert. Eine Armwellen-Vakuumdichtung 62 ist innerhalb der Armwellenaufnahme 58 vorgesehen, um ein Verlust des pneumatischen Druckes zwischen dem oberen Ende der Arm-Antriebswelle 34 und der Basisplatte 56 zu vermeiden.
Durch die Basisplatte 56 und durch ein auf der Basisplatte 56 befestigtes, inneres Rahmenelement 66 hindurch ist ein Handwellenkanal 64 vorgesehen, um die freie Drehung der Hand-Antriebswelle 26 zu gestatten. Das innere Rahmenelement zusammen mit der Basisplatte 56 und die Armwellenaufnahme 58 sind einstückig ausgeformt, um das Armrahmenelement 54 zu bilden. Ein Paar von vakuumdurchlässigen Handwellenlagern 67 sind innerhalb des Handwellenkanals 64 innerhalb des inneren Rahmens 66 angeordnet, um die Ausrichtung zu gewährleisten. Die Handwellenöffnung 64 ist von einem größeren Durchmesser als die Hand-Antriebswelle 26 (ungefähr mit dem gleichen Durchmesser wie der axiale Kanal 36), um den freien pneumatischen Durchgang zwischen dem Inneren der Arm-Untereinheit 14 und dem axialen Kanal 36 der Arm-Antriebswelle 34 zu gewährleisten. Dadurch kann der pneumatische Zustand des Inneren der Arm-Untereinheit 14 durch äußere pneumatische Steuerelemente 42, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, gesteuert werden.
Die Basisplatte 56 ist weiterhin mit einer Abfolge von gewindeten Schrauben 68 versehen, die durch eine Abfolge von Schraubeneinführungsöffnungen 69 in der Basisplatte 56 hindurchstoßen. Die Trägerstützen 68 schaffen einen Träger und Befestigungspositionen für eine Armabdeckung 70, die zusammen mit der Basisplatte 56 und einer vakuumdichten Dichtung 72, typischerweise in der Gestalt eines O-Ringes das innere Volumen 74 der Arm-Untereinheit 14 in einer solchen Weise umfassen, daß es pneumatisch isoliert, d.h. luftdicht, ist.
Die Trägerstützen 68 werden in entsprechenden Abständen von gewindeten Aufnahmen 76 in der oberen inneren Oberfläche der Armabdeckungen 70 aufgenommen. Die Trägerstützen-Schrauben 68 können benutzt werden, um die Armabdeckung 70 auf der Basisplatte 56 zu befestigen und um das luftdicht abgeschlossene Innenvolumen 74 abzusichern. Die Hand-Antriebswelle 26 endet innerhalb des Volumens 74, so daß sie nicht gegen die Abdeckung 70 anstößt.
Am gegenüberliegenden Ende der Arm-Untereinheit 14 von der Hand-Antriebswelle 26 ist eine Handgelenks-Antriebswelle 80 vorgesehen. Die Handgelenk-Antriebswelle 80 ist mit der Handgelenksachse 21 konzentrisch ausgestaltet und schafft das Mittel, durch welches die Hand-Untereinheit 16 gestützt und gedreht wird. Die Handgelenk-Antriebswelle 80 umfaßt einen unteren massiven Abschnitt 82 und einen oberen hohlen Abschnitt 84. Der hohle Abschnitt 84 umfaßt eine untere pneumatische Öffnung 85, die sich zu dem inneren Volumen 74 hin in einer solchen Weise öffnet, daß das Innere des hohlen Abschnittes 94 den pneumatischen Drücken und dem Vakuum ausgesetzt ist, welches in dem inneren Volumen 74 durch die pneumatischen Elemente 42 erzeugt wird. In der Nähe der Spitze des hohlen Abschnittes 84 und in einer Position oberhalb der Abdeckung 70, an der das Handgelenk 80 mit der Hand-Untereinheit 16 zusammenstößt, ist eine obere pneumatische Öffnung 86 vorgesehen.
Die Handgelenks-Antriebswelle 84 dreht sich innerhalb eines zylindrischen Handgelenkwellen-Kanals 88, der in der Armabdeckung 70 ausgeformt ist, und innerhalb des inneren Rahmens 66. Das untere Ende der Handgelenkswelle 80 endet innerhalb des inneren Rahmens 66 und durchquert nicht die Basisplatte 56. Ein Paar von vakuumdurchlässigen Handgelenkswellendichtungen 90 sind um die Handgelenkswelle 80 herum innerhalb des Handgelenkswellenkanals 88 in dem inneren Rahmen 66 angeordnet, um die Ausrichtung festzuhalten und zu gewährleisten. Zu dem Punkt hin, an dem die Handgelenkswelle 80 durch die Handgelenkswellenöffnung 88 in der Armabdeckung 70 hindurchstößt, ist eine Handgelenksantrieb-Vakuumdichtung 92 vorgesehen, um einen Druckausgleich zu der Handgelenk-Antriebswelle 80 hin zu vermeiden.
Die Hand-Untereinheit 16 umfaßt eine Handplatte 94, die als ein dickerer Ballenabschnitt 96 und ein dünneren Fingerabschnitt 98 angesehen werden kann. Der Fingerabschnitt 98 wird auch als Aufnahmeabschnitt bezeichnet. Der Ballenabschnitt 96 umfaßt eine Handgelenkswelle aufnehmende Ausnehmung 100, die es gestattet, das die Handgelenkswelle 80 fest mit der Handplatte 94 durch eine Abfolge von Schrauben 101 oder ähnlichen Befestigungselementen verbunden ist, so daß die Arm-Untereinheit 16 direkt mit der Handgelenkswelle 80 rotiert. Beginnend mit der Handgelenkswellen-Ausnehmung 100 und sich durch die Handplatte 94 hindurch erstreckend, ist eine pneumatische Bohrung 102 vorgesehen. Die pneumatische Bohrung 102 ist dergestalt angeordnet, daß sie auf die pneumatische Öffnung 86 auf der Handgelenk- Antriebswelle 80 ausgerichtet ist und innerhalb des Aufnahmeabschnitts 98 in einer Greifnut 104 endet. Die Greifmulde 104 ist eine längliche flache Nut, die sich einen Bereich bildet, in dem der Gegenstand 19 (siehe Fig. 1) durch einen Unterdruck gegenüber dem Aufnahmeabschnitt 98 gehalten werden kann. Eine Umkehrung des pneumatischen Druckes vom Negativen ins Positive löst den Gegenstand 19 von dem Aufnahmeabschnitt 98.
Eine weitere wichtige Untereinheit der Erfindung bildet das Verfahren zur Übertragung der Drehbewegung von der Hand-Antriebswelle 26 auf die Handgelenk-Antriebswelle 80. Diese Untereinheit wird als exzentrische Antriebsuntereinheit 110 bezeichnet und ist in der Fig. 3 in einer horizontalen Explosionsansicht vom Rest der Arm-Untereinheit 14 getrennt dargestellt. Die Richtung der Explosionsansicht entspricht der horizontalen Achse 106, die das Innere 74 der Arm-Untereinheit 14 zerschneidet. Die horizontale Achse 106 ist als eine strichlinierte Linie in der Fig. 3 dargestellt.
Die exzentrische Antriebsuntereinheit wird am besten durch die Zeichnungen der Fig. 3, 4, 5a und 5b erläutert. Die exzentrische Antriebsuntereinheit 110 ist sowohl vertikal um die horizontale Ebene, die die horizontale Achse 106 umfaßt, als auch um die vertikale zerschneidende Ebene symmetrisch aufgebaut Äquivalente Strukturen bestehen bei der Ellbogenachse 20 und der Handgelenksachse 21. Zum Beispiel kann ein erster Kurvenantrieb 111 um die Hand-Antriebswelle 26 (und die Ellbogenachse 20) herum angeordnet sein, während ein ähnlicher zweiter Kurvenantrieb 112 in dem massiven Abschnitt 82 der Handgelenk-Antriebswelle 80 (und der Handgelenksachse 21) angeordnet ist. Jeder der Kurvenantriebe 111 und 112 umfaßt einen mittigen Zylinder 114, einen oberen exzentrischen Zylinder 116 und einen unteren exzentrischen Zylinder 118, von denen jeder mit der jeweiligen Antriebswelle so verbunden ist, daß diese zusammen rotieren können. Die Kurvenantriebseinheiten 111 und 112 können ebenfalls so aufgebaut werden, daß sie die Antriebswellenlager 67 und die Handgelenk-Antriebswellelager 90 umfassen.
Die Drehkräfte des ersten Kurvenantriebs 111, der mit der Antriebsuntereinheit 12 verbunden ist, werden dem zweiten Kurvenantrieb 112 zugeleitet, der die Hand-Untereinheit 16 über einen oberen Kurvenantriebsverbinder 120 und einen unteren Kurvenantriebsverbinder 122 antreibt. Die oberen und unteren Kurvenantriebsverbinder 120 und 122 sind von identischer Konstruktion. Beide umfassen eine längliche Verbindungsplatte 124, die am besten in der Fig. 4 zu erkennen ist. Die Verbindungsplatte 124 umfaßt eine erste Antriebsöffnung 126 an dem Ende, das der Ellbogenachse 20 entspricht, und eine zweite Antriebsöffnung 128 an dem Ende, das der Handgelenksachse 21 entspricht. Die erste Antriebsöffnung 126 und die zweite Antriebsöffnung 128 sind dazu geeignet, ein Verbindungslager 130 innerhalb der Öffnungen aufzunehmen. Die Verbindungslager 130 sind geeignet, über die jeweiligen oberen exzentrischen Zylinder 116 und die unteren exzentrischen Zylinder 118 auf den Kurvenantrieben 111 und 112 aufgesetzt zu werden. Die Verbindungslager 130 werden verschieblich um die jeweiligen exzentrischen Zylinder 116 und 118 herum gedreht und die Drehbewegung der Kurvenantriebe 111 und 112 in eine horizontale Bewegung der Verbindungsplatte 124 umgewandelt. Am gegenüberliegenden Ende wird die Translationsbewegung der Verbindungsplatte 124 durch eine Zusammenwirkung zwischen den Verbindungslagern 130 und den jeweiligen exzentrischen Zylindern 116 oder 118 in eine Drehbewegung zurückübertragen. Die Verbindungsplatten 124 umfassen ebenfalls Stützöffnungen 132, die es gestatten, daß die Kurvenantriebs-Verbinder 120 und 122 sich bewegen, ohne gegen die Stützschrauben 68 zu stoßen.
Die Weise, in der die Drehbewegungen übersetzt werden, ergibt sich am besten aus den Fig. 4, 5a und 5b. Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die exzentrische Antriebsuntereinheit 110 und die die Weise dargestellt, in der die unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 und die oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 während der Benutzung jeweils abweichend von dem anderen versetzt angeordnet sind. Die Fig. 5a und 5b sind Draufsichten und Unteransichten der exzentrischen Antriebsuntereinheit 110 in der unmittelbaren Nachbarschaft des ersten Kurvenantriebs 111. Die Fig. 5a und 5b zeigen zugleich die Art und Weise, in der sich die unteren exzentrischen Zylinder 118 drehbar von den oberen exzentrischen Zylindern 116 entfernen. Diese Bewegung bewirkt die unterschiedliche Positionierung der oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 und der unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122, wie sie in der Fig. 4 zu erkennen ist.
Die Fig. 4 zeigt den oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120, der mit den oberen exzentrischen Zylindern 116 auf dem ersten Kurvenantrieb 111 und auf dem zweiten Kurvenantrieb 112 angeordnet ist und zeigt weiter, daß die oberen exzentrischen Zylinder auf den beiden Kurvenantrieben in identischer Weise ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der oberen exzentrischen Zylinder 116 der jeweiligen Kurvenantriebe ist in der Fig. 4 so dargestellt, daß sie mit der in der Fig. 5a übereinstimmt. Es kann in dieser Fig. 5a erkannt werden, daß der obere exzentrische Zylinder 116 auf der Hand-Antriebswelle 26 exzentrisch montiert ist. In der Fig. 5b ist dargestellt, daß der untere exzentrische Zylinder 118 ebenfalls exzentrisch um die Hand-Antriebswelle herum aufgebaut ist, aber daß die Richtung der Exzentrizität um 90º von der Richtung abweicht, die der Exzentrizität des oberen exzentrischen Zylinders 116 entspricht. Obwohl die Fig. 5a und 5b nur den ersten Kurvenantrieb 111 darstellen, ist es wohlverstanden, daß der zweite Kurvenantrieb 112 in der gleichen Weise aufgebaut ist.
Wenn sich die Hand-Antriebswelle 26 konzentrisch um die Ellbogenachse 20 dreht, wird die Drehbewegung der Hand-Antriebswelle 26 in eine Translationsbewegung des oberen Kurvenantriebs-Verbinders 120 und des unteren Kurvenantriebs-Verbinders 122 übertragen . Dieses geschieht, weil die oberen und unteren exzentrischen Zylinder 116 und 118 fest mit der Hand-Antriebswelle 26 verbunden sind und mit diesen rotieren. Die Verbindungslager 130, die um die exzentrischen Zylindern 116 und 118 herum angeordnet sind, können innerhalb der ersten Antriebsöffnung 126 frei um die exzentrischen Zylinder 116 und 118 herum rotieren. Diese Drehung ist notwendig, da die Bewegung der Verbindungsplatte 128 in einem relativ engen Kanal gewünscht ist. Wenn die Verbindungsplatte 128 mit den exzentrischen Zylindern 116 und 118 direkt gekoppelt wäre, würden diese in ihrer Bewegung Kreise bilden, wobei die Kreise einen Radius hätten, der gleich der Länge der Verbindungsplatte 124 wären. Was jedoch gewünscht ist, ist die Bewegung von jedem beliebigen Punkt der Verbindungsplatte 124, der einen Kreis beschreibt, der denselben Radius aufweist wie die Exzentrizität der exzentrischen Zylinder 116 und 118.
Wie es in der Fig. 5a dargestellt ist, verfügt der obere exzentrische Zylinder 116 über eine erste exzentrische Achse 134, die den Ursprung für den exzentrischen Zylinder 116 für das zugehörige Verbindungslager 130 und für die zugehörige erste Antriebsöffnung 126 bildet. Die erste exzentrische Achse 134 ist von der Ellbogenachse 20 in und mit einem Abstand L getrennt. Der Abstand L bestimmt den Grad der Exzentrizität des oberen exzentrischen Zylinders 116. In gleicher Weise, wie es in der Fig. 5a dargestellt ist, ist der untere exzentrische Zylinder 118 in radialer Symmetrie um eine zweite exzentrische Achse 136 angeordnet und auch in und mit einem Abstand L von der Ellbogenachse 20 getrennt. Die erste exzentrische Achse 134 und die zweite exzentrische Achse 136 sind im selben Radius von der Armachse 20 aber in einem Versatz- oder Phasen-Winkel von 90º zueinander in der Richtung ihrer Trennung angeordnet. Dieser Versatz von 90º ist zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmomentes über die exzentrische Antriebsuntereinheit 110 hinweg und unabhängig von der gedrehten Position der Hand-Antriebswelle 26 notwendig.
Aufgrund der Exzentrizität der Wirkung und des Versatzes zwischen dem oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 und dem unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 werden die oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 und die unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 immer voneinander getrennt in einer solchen Weise angeordnet sein, daß korrespondierende Punkte auf den beiden Kurvenantriebs-Verbindern im Abstand L multipliziert mit dem Faktor von Wurzel 2 voneinander getrennt angeordnet sind. Dies kann in der Zeichnung erkannt werden, in dem die Position eines ersten willkürlichen Punktes 138 auf dem oberen Kurvenantrieb 120 in der Fig. 5a mit einem zweiten willkürlichen Punkt 140 verglichen wird, der einer entsprechenden Position auf dem unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 in der Fig. 5b angeordnet ist. Eine vertikale Ebene 142 umfaßt die Ellbogenachse 20 und steht senkrecht zu der vertikalen Ebene 144, die die horizontale Achse 106 umfaßt. Der zweite willkürliche Punkt 140 in der Fig. 5b ist in einem größeren Maße von der Verbindungsachsenebene 144 versetzt angeordnet als der erste willkürliche Punkt 138 der Fig. 5a. Er ist aber einen geringeren Betrag von der Ellbogenachsenebene 142 entfernt. Dies kann auch dadurch erkannt werden, in dem die relativen Positionen des oberen Kurvenantriebs-Verbinders 120 und des unteren Kurvenantriebs-Verbinders 122 mit dem zentralen Zylinder 114 verglichen werden, der mit der Ellbogenachse 20 vollkommen konzentrisch aufgebaut ist.
Eine Analyse der durch die Rotation der Hand-Antriebswelle 26 erzeugten Drehmomente zeigt, daß das maximale Drehmoment auf den oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 in der in der Fig. 5a dargestellten Position auftritt, und daß das minimale effektive Drehmoment auf den unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 in der in der Fig. 5b dargestellten Position auftritt. Da die Positionen der Fig. 5a und 5b gleichzeitig auftreten, kann daraus gefolgert werden, daß das Nettodrehmoment, welches auf die Handgelenk-Antriebswelle 80 ausgeübt wird, durch den Offset ausgeglichen wird, der zwischen den oberen und den unteren exzentrischen Zylindern 116 und 118 erzeugt worden ist. In gleicher Weise wird das minimale Drehmoment auf den oberen Kurvenantriebs-Verbinder 120 immer zu dem Zeitpunkt auftreten, in dem das maximale Drehmoment auf den unteren Kurvenantriebs-Verbinder 122 einwirkt. An den dazwischen liegenden Positionen wird ebenfalls jeweils das gleiche Netto- Drehmoment durch eine Kombination der unteren und oberen Kurvenantriebs-Verbinder 122 geliefert. In dieser Weise wird ein konstantes Drehmoment für die Handgelenk-Antriebswelle 80 erzeugt, welches unabhängig von der Drehlage der Hand-Antriebswelle 26 ist.
Bei einer vollständigen Rotation der Hand-Antriebswelle 26 werden die willkürlichen Punkte 138 und 140 einen Kreis mit dem Radius L beschreiben. Diese Bewegung wird eine entsprechende Drehung der Handgelenk-Antriebswelle 80 erzwingen, die an dem gegenüberliegenden Ende der zugehörigen Kurvenantriebs-Verbinder 120 und 122 angeordnet ist. Dies führt wiederum dazu, daß die gesamte Hand-Untereinheit 16 um die Handgelenksachse 21 herum in jede gewünschte Position drehbar ist. Die geometrische Konstanz zwischen den Kurvenantriebs-Verbindern 120 und 122 und den Kurvenantrieben 111 und 112 resultiert in einem System mit einem geringen oder sogar mit gar keinem Spiel.
Da die Hand und der Arm unabhängig voneinander von dem Handmotor 22 und von dem Armmotor 28 angetrieben werden können, ergibt sich als ein Netto-Ergebnis, daß der Gegenstand 19 auf jedem Punkt in einem Radius angeordnet werden kann, der der aufsummierten Distanz zwischen der Ellbogenachse 20 und der Handgelenksachse 21 und dem Abstand zwischen der Handgelenksachse 21 und der Mitte des Gegenstandes 19 entspricht. Der äußere Steuerkreis 27 wird benutzt, um den Handmotor 22 und den Armmotor 28 anzutreiben, um jede beliebige Positionierung innerhalb des Kreisbereichs Z erreichen zu können.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel entspricht in seiner Ausgestaltung vollständig dem ersten, außer daß ein zusätzliches Liftelement vorgesehen ist. Dieses Liftelement umfaßt die gesamte Vorrichtung 10 und bewirkt, daß diese vertikal in Bezug auf den kreisförmigen Bereich Z bewegbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Gerät 10 dazu befähigt, den Mittelpunkt des Gegenstandes 19 zu jedem Punkt innerhalb eines Zylinders C zu befördern, wobei der Zylinder C aus einer vertikalen Ausdehnung des kreisförmigen Bereichs Z hervorgeht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Trägerstruktur 18 entfernt oder in weitgehender Weise abgeändert, um die vertikale Bewegung zu gestatten. Um die Trennung von der Umgebung zu erhalten, kann der Liftmechanismus von der Umgebung durch eine Abdeckung geschützt werden, der um die Ellbogenachse 20 herum angeordnet ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel 610, welches teilweise in der Fig. 6 dargestellt ist, wird eine andere exzentrische Antriebsuntereinheit 6110 ausgehend von der bevorzugten Untereinheit 110 zu einer Dreinocken-Einheit umgebildet, die im Gegensatz zu einer Zweinocken-Einheit des bevorzugten Ausführungsbeispiels 10 steht. Bei diesem anderen Ausführungsbeispiel werden die nicht dargestellten Kurvenantriebe 6111 und 6112 einen zentralen exzentrischen Zylinder 6119 umfassen, der zwischen den oberen exzentrischen Zylindern 6116 und den unteren exzentrischen Zylindern 6118 und einem zugehörigen zentralen Kurvenantriebs-Verbinder 6123 angeordnet ist. Der Grad des Offsets zwischen den exzentrischen Zylindern 6116, 6118 und 6119 von jedem Versatzes bzw. der Phasenverschiebung beträgt jeweils 120º. Daher sind die Zylinder in einem jeweils gleichen Winkelabstand entlang einem Kreisbogen angeordnet. Die anderen Komponenten dieses Gerätes verbleiben unverändert.
Ein Vorteil dieses weiteren Ausführungsbeispiels 610 liegt darin, daß immer eine Zugkraft von einem der Kurvenantriebs-Verbinder auf den zweiten Kurvenantrieb 6112, und zwar unabhängig von der Drehlage des ersten Kurvenantriebes 111, angewandt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 10 bestehen Positionen, bei denen die eingesetzte Kraft nur ein Drücken anstelle eines Ziehens ist. Die Zugkraft neigt dabei weniger zum Verklemmen und zum Verkeilen der Elemente. Daher resultiert das Dreinocken-Ausführungsbeispiel 110, obwohl es umfangreicher ist und sich als schwieriger in der Herstellung und dem Zusammenbau herausstellt, in einem größeren Kraftausgleich als bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 10 unter Beibehaltung des Drehmomentes.
Spezifische Materialien und Dimensionen, die für die verschiedenen Elemente benutzt werden, sind im wesentlichen eine Wahl, die auf den Notwendigkeiten eines bestimmten Einsatzes beruhen. Bei den meisten Einsätzen ist es wünschenswert, diese Abschnitte der Arm-Untereinheit 14 und der Hand-Untereinheit 16 aus rostfreiem Stahl herzustellen, um eine mögliche partikulare Verunreinigung zu vermeiden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verfügt der Handmotor 22 über einen Nummer 23 Schrittmotor 1.8º und der Armmotor ist ebenfalls ein Nummer 23 Schrittmotor 1.8º. Die Handwelle 26 hat einen Durchmesser von 0,314 cm (0,125 Zoll), während die Armwelle 34 einen äußeren Durchmesser von 0,94 cm (0,375 Zoll) aufweist und mit einem inneren Durchmesser von 0,33 cm (0,130 Zoll) und mit einer Länge von 7,5 cm (3,0 Zoll) augestattet ist. Die Ellbogenachse 20 ist von der Handgelenksachse 21 mit und durch einen Abstand von 12,55 cm (5,0 Zoll) getrennt. Der Armrahmen 54 hat eine maximale Länge von 15,37 cm (6,125 Zoll), eine Höhe von 2,51 cm (1,0 Zoll), einen effektiven Außendurchmesser an der Ellbogenachse 20 von 3,14 cm (1,250 Zoll), und einen effektiven Außendurchmesser an der Handgelenksachse 21 von 2,51 cm (1,0 Zoll) und die Abdeckung hat eine Wanddicke von 0,5 cm (0,2 Zoll). Die Stützschrauben 68 sind in einem regelmäßigen Abstand voneinander angeordnet und sind von den Achsen 20 und 21 durch einen Abstand von 2,51 cm (1,0 Zoll) getrennt.
Die Kurvenantriebe 111 und 112 sind vorzugsweise von einstückiger Herstellung und fest mit den jeweiligen Hand-Antriebswellen 26 und Handgelenk-Antriebswellen 80 verbunden. Der zentrale Zylinder 114 hat einen Durchmesser von 0,94 cm (0,375 Zoll), während jeder der exzentrischen Zylinder einen Durchmesser von 0,63 cm (0,250 Zoll) hat. Der Exzentrizitätsabstand L beträgt 0,156 cm (0,062 Zoll). Der Durchmesser der Antriebsöffnungen 126 und 128 beträgt 0,94 cm (0,375 Zoll), der Durchmesser der Stützöffnungen 132 beträgt 0,78 cm (0,312 Zoll) und die Länge-über-alles der Kurvenantriebs- Verbinderplatten 124 beträgt 12,6 cm (5,0 Zoll).
Die Handplatte 94 dieses Ausführungsbeispiels hat eine totale Länge von 7,5 cm (3,0 Zoll) mit einer Dicke im Ballenabschnitt 96 von 0,63 cm (0,250 Zoll) und eine Dicke im Fingerbereich 98 von 0,469 cm (0,187 Zoll). Der Abstand von der Handgelenksachse 21 zum Anfang des Aufnahmeabschnittes 98 beträgt 5,02 cm (2,0 Zoll). Bei einem Gegenstand 19 mit einem Durchmesser von 15,1 cm (6,0 Zoll) sollte die Mitte des Gegenstandes 19 auf der Ellbogenachse 20 liegen, wenn der Arm 14 und die Hand 16 ausgerichtet sind, um eine maximale Effizienz zu erhalten.
Die vollständige vertikale Höhe des Gerätes 10 beträgt 20,1 cm (8,0 Zoll), wobei der Abstand zwischen der Vakuumspindelabdeckung 50 und der Basisplatte 56 1,57 cm (0,625 Zoll) und der Abstand zwischen der Armabdeckung 70 und der Handplatte 94 0,156 cm (0,062 Zoll) beträgt. Die vertikalen Dimensionen können, wenn notwendig, für bestimmte Anwendungen abgeändert werden.
Für die Hand-Wellenlager 67 und Handgelenks-Wellenlager 90 werden spezielle vakuumdurchlässige und vakuumresistente Lager eingesetzt, die innerhalb des Volumens 74 der Arm-Untereinheit 14 bestehen. Diese Lager sind nicht abgeschirmt und nicht geschmiert. Normale Wellenlager des abgeschirmten und geschmierten Typs werden innerhalb der Antriebsuntereinheit 12 verwendet.
Die Vakuumdichtungen, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 10 eingesetzt werden, sind vorzugsweise Gummi-O-Ringe, obwohl auch Teflonbedeckte Federn oder ferro-fluidische Dichtungen benutzt werden können.
Viele Änderungen an den Materialien und an der Größenordnung der Ausgestaltung können vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können verschieden Typen von Schrittmotoren eingesetzt werden oder es können andere Formen der Vakuumdichtungen benutzt werden und es kann Kunststoff anstelle von rostfreien Stahlteilen eingebunden werden, um Gewicht zu sparen.
Das gerät ist industriell anwendbar. Der Einsatz des Gerätes 10 zur Förderung von Gegenständen ist durch digitale Signale steuerbar, die von einer Steuerschaltung 27 und äußere pneumatische Steuerelemente 42 erzeugt werden. Diese Signale führen zu den gewünschten Drehungen des Handantriebsmotors 22 und des Armantriebsmotors 28, die notwendig sind, um den Gegenstand innerhalb des Bereichs Z zu positionieren. Die pneumatischen Steuerungen 42 werden signalgesteuert sein, um den Gegenstand 19 wie gewünscht festzuhalten oder zu lösen.
Ein Beispiel des Einsatzes des gerätes kann die Aufnahme eines Gegenstandes 19 von einem Aufnahmepunkt 146 (siehe Fig. 1) auf dem Umkreis des Bereichs Z sein und das Absetzen auf einem diametral liegenden Ablagepunkt 148. Um dies durchzuführen, würde der Motor 22 aktiviert werden, um die longitudinale Armachse 106 entlang dem Radius auszurichten, der den Aufnahmepunkt umfaßt, und der Handmotor 28 könnte aktiviert werden, um die Hand-Untereinheit 16 zu drehen, bis diese auch in derselben Richtung ausgerichtet ist.
Es ist festgzustellen, daß es für die Hand-Untereinheit 16 möglich ist, zu dem Aufnahmepunkt 146 auf einer Vielzahl von verschieden Wegen zu gelangen. Eine der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, daß ein Punkt innerhalb des Kreisbereichs Z auf fast jedem Vektor angenähert werden kann, der innerhalb des Bereiches Z liegt. Zum Beispiel kann durch volles Ausrichten der Hand 16 mit dem Arm 14 vor der Rotation des Armes 14 der Aufnahmepunkt auf einem Umfangsweg angefahren werden. Dasselbe Ergebnis könnte durch eine Drehung des Arm es 14 in eine Position erreicht werden, nach der dann die Hand 16 gedreht wird. Durch entsprechende genaue Drehungen des Armes 14 und der Hand 16 mit eventuell verschiedenen Geschwindigkeiten kann der Aufnahmepunkt entlang von anderen Vektoren angenähert werden. Zum Beispiel kann bei einem Punkt gestartet werden, bei dem das Zentrum des Gegenstands 19 (im diesem Falle theoretisch) auf der Ellbogenachse 20 (dem Ursprung des Bereichs Z) angeordnet ist, und der Arm 14 ist in einer solchen Weise ausgerichtet, daß die Armachse 106 senkrecht zur Aufnahmeachse 150 steht, wobei der Aufnahmepunkt direkt über die Aufnahmeachse 150 angenähert wird, indem der Handantriebsmotor 22 mit genau der doppelten Geschwindigkeit wie der Armantriebsmotor 28 gedreht wird. Diese Art der Annäherung ist in der industriellen Umgebung gewünscht, z.B. wenn ein Silizium-Wafer aus einer Kassette entfernt wird. Eine andere Auswahl der relativen Drehgeschwindigkeiten und des Zeitpunktes des Einsatzes der Motordrehungen können zu anderen gewünschten und durchführbaren Vektoren führen.
Sobald die Hand 16 in der Position ist, wird der Gegenstand auf ihr über die Greifnuten 104 befestigt, indem die pneumatische Steuerung 42 aktiviert wird, um ein Vakuum über die Vakuumspindel 40 und darüber hinaus über die pneumatischen Öffnungen 38, den axialen Kanal 36, den Handwellen 64, das innere Volumen 74, die untere pneumatische Öffnung 85, den hohlen Abschnitt 84 der Handgelenk-Antriebswelle 80, die obere pneumatische Öffnung 86 und die pneumatische Öffnung 102 zur Greifnut 104 zu führen.
Sobald der Gegenstand 19 befestigt ist, werden die Motoren 22 und 28 erneut einzeln gestartet, um den Gegenstand 19 entlang dem entsprechenden Vektor zu dem gewünschten Freisetzungspunkt 148 zu bewegen. Die pneumatische Steuerung 42 löst dann das Vakuum und der Gegenstand 19 wird an dem Abgabepunkt 148 zu und auf die aufnehmenden Strukturen hin freigesetzt.
Wie es in dem oben angeführten Beispiel gezeigt wird, weist die Vorrichtung zur Förderung von Gegenständen 10 eine große Flexibilität auf, was das Anfahren von Punkten innerhalb des kreisförmigen Bereichs Z angeht und was die Annäherung entlang von bestimmten Richtungen und der Geschwindigkeit dieser Annäherung betrifft. Diese Aspekte sind bei hochtechnologischen Präzisionsanwendungen wie der Halbleiterherstellung sehr wichtig. Darüber hinaus kann durch Veränderung der Dimensionen der Komponenten und/oder den Ersatz der verschiedenen Typen der Hand-Untereinheit 16 die Vorrichtung 10 so angepaßt werden, daß sie mit einer Vielzahl von verschiedenen Gegenständen und Umgebungen arbeitet. Die massive Konstruktion gestattet selbst den Einsatz dieses Gerätes zum Transporti von relativ schweren Gegenständen. Die computergesteuerte Kontrolle der Motoren erlaubt hochspezialisierte und komplexe Transportsequenzen mit relativer Einfachheit zu steuern und bestehende gegenstandsbefördende Konfiguration en zu verbessern.
Alle obengenannten Merkmale und Vorteile machen die Erfindung zu einer gut einsetzbaren Komponenten in der Halbleiterherstellung und entsprechenden Fertigungsfeldern. Darüber hinaus wird erwartet, das die vorliegende Erfindung bald eine lang anhaltende und weit gefächerte Anwendbarkeit und kommerziellen Einsatz finden wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Fördern von Gegenständen (10), insbesondere zum Transport eines Gegenstandes zwischen zwei Orten, die in einem ebenen Bereich angeordnet sind:

mit einer motorgetriebenen Untereinheit (12) mit einem ersten Positioniermotor (22) und einem zweiten Positioniermotor (28),

mit einer Armuntereinheit (14), die mit dem besagten zweiten Positioniermotor (28) um eine Ellbogenachse (20) drehbar ist, und

mit einer Handuntereinheit (16), die zum Tragen von Gegenständen geeignet ist, die an der Armuntereinheit an einer Handgelenkachse (21) befestigt ist, die von der Ellbogenachse räumlich entfernt angeordnet ist und die durch den ersten Positioniermotor um diese Handgelenkachse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten Positioniermotor gelieferte Drehkraft durch eine exzentrische Antriebsuntereinheit (110) übertragen wird, daß diese exzentrische Antriebsuntereinheit innerhalb der Armuntereinheit zwischen dem ersten Drehmotor und der Handuntereinheit angeordnet ist und ausgelegt ist, eine Drehkraft einer Hand-Antriebswelle (26), die konzentrisch mit der Ellbogenachse ausgerichtet ist, auf eine Handgelenk-Antriebswelle (80) auszuüben, die mit der Handgelenkachse konzentrisch angeordnet ist,

wobei die exzentrische Antriebsuntereinheit umfaßt:

einen ersten Kurvenantrieb (111), der an der Hand-Antriebswelle befestigt ist, um sich mit dieser zu drehen, wobei dieser erste Kurvenantrieb einen oberen exzentrischen Zylinder (116), der außerhalb der besagten Ellbogenachse steht, und einen unteren exzentrischen Zylinder (118) umfaßt, der in demselben Abstand aber in einer anderen Richtung in Bezug auf den oberen exzentrischen Zylinder außerhalb der besagten Ellbogenachse steht,

einen zweiten Kurvenantrieb (112), der in deckungsgleicher Weise zu dem ersten Kurvenantrieb ausgebildet ist, jedoch an der besagten Handgelenk-Antriebswelle befestigt ist,

einen ersten Kurvenantriebs-Verbinder (120) mit einer kreisförmigen ersten Antriebsöffnung (126) und einer kreisförmigen zweiten Antriebsöffnung (128), wobei jede Öffnung einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als der der jeweiligen exzentrischen Zylinder ist, so daß die besagten Öffnungen mindestens einen ringförmigen Abschnitt der jeweilig oberen exzentrischen Zylinder des ersten Kurvenantriebes und des zweiten Kurvenantriebes gleitend umfassen, sowie einem starren Verbindungsplattenabschnitt (124) zum Übertragen einer Kraft von dem ersten Kurvenantrieb auf den zweiten Kurvenantrieb, und

einen zweiten Kurvenantriebs-Verbinder (122), der in deckungsgleicher Weise zu dem ersten Kurvenantriebs-Verbinder ausgebildet ist, aber die jeweilig unteren exzentrischen Zylinder des ersten Kurvenantriebes und des zweiten Kurvenantriebes umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Kurvenantriebs-Verbinder dergestalt befestigt sind, daß die gerichtete Ausrichtung der oberen und unteren exzentrischen Zylinder des besagten zweiten Kurvenantriebs-Verbinders zu jeder Zeit in Bezug auf ihre jeweiligen Achsen identisch zu deijenigen der jeweiligen exzentrischen Zylinder des ersten Kurvenantriebs-Verbinders sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Versatzes des unteren exzentrischen Zylinders um 90º von der des oberen exzentrischen Zylinders abweicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfaßt:

einen mittigen exzentrischen Zylinder (6119), der zwischen dem oberen exzentrischen Zylinder (6116) und dem unteren exzentrischen Zylinder (6118) auf jedem der beiden ersten und zweiten Kurvenantriebe ausgebildet ist, wobei der mittige exzentrische Zylinder von der jeweiligen Achse in demselben Abstand aber in einer anderen Richtung in Bezug auf die oberen und unteren exzentrischen Zylinder versetzt ist, und

einen dritten Kurvenantriebs-Verbinder (6123), der in ähnlich gleichartiger Weise wie der erste Kurvenantriebs-Verbinder ausgestaltet ist, aber die jeweiligen mittigen exzentrischen Zylinder des ersten Kurvenantriebes und des zweiten Kurvenantriebes umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen, unteren und mittigen exzentrischen Zylinder in Drehrichtung um jeweils 120º voneinander versetzt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Positioniermotor (22) eine Drehbewegung auf eine Hand-Antriebswelle (26) überträgt, die konzentrisch mit der Ellbogenachse (20) ausgerichtet ist, wobei die Drehung der Hand-Antriebswelle in eine Drehbewegung der Handuntereinheit aber in keine äußere Bewegung der Armuntereinheit übertragen wird, und

daß der zweite Positioniermotor (28) eine Drehbewegung auf eine Arm-Antriebswelle (34) überträgt, die koaxial aber unabhängig von der Hand- Antriebswelle angeordnet ist, wobei die Drehung der Arm-Antriebswelle in eine Drehbewegung der Armuntereinheit übertragen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Positioniermotor koaxial aber versetzt zu dem ersten Positioniermotor angeordnet ist und eine mittige Öffnung (30) aufweist, durch die die besagte Handwelle reicht, und daß die Arm-Antriebswelle koaxial außen zu der Arm-Antriebswelle angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfaßt:

Mittel zur Erzeugung von pneumatischem Druck und zur Übertragung von pneumatischem Druck, um positiven und negativen pneumatischen Druck zu erzeugen und durch die Armuntereinheit zu der Handuntereinheit zu übertragen, und

pneumatische Griffmittel (104) in der Handuntereinheit zum pneumatischen Festhalten und Lösen der Gegenstände, wobei die pneumatischen Griffmittel durch die Mittel zur Erzeugung und zur Übertragung von pneumatischem Druck gesteuert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von pneumatischem Druck eine Unterdruckpumpe umfassen und daß die Mittel zur Übertragung von pneumatischem Druck eine Unterdruckspindel (40), die eine hohle Arm-Antriebswelle (34) umgibt, eine Öffnung (38) in der hohlen Arm-Antriebswelle innerhalb der Spindel, einen Anschluß zwischen der Arm-Antriebswelle und einem hohlen Innenvolumen der Armuntereinheit, wobei das hohle Innenvolumen ansonsten pneumatisch isoliert ist, eine hohle Handgelenk-Antriebswelle (84), die sich entlang der Handgelenkachse in das Innenvolumen erstreckt und eine untere pneumatische Öffnung (85) umfaßt, die dort innerhalb des Innenvolumens angeordnet ist, und eine obere pneumatische Öffnung (86) umfaßt, die dort innerhalb der Handuntereinheit angeordnet ist, und einen pneumatische Durchgang (102) umfassen, der sich innerhalb der Handuntereinheit zwischen dem oberen pneumatischen Durchgang und den pneumatischen Griffmitteln erstreckt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Armuntereinheit und die Handuntereinheit von der Motoruntereinheit isolierend gekapselt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Antriebsuntereinheit ein konstantes Drehmoment auf die Handuntereinheit unabhängig von der Drehlage des ersten Positioniermotors ausübt.

12. Vorrichtung zum Fördern von Gegenständen (10):

mit einem ersten Positioniermotor (22) zur drehenden Bewegung einer Hand-Antriebswelle (26) in wertdiskreten Drehpositionen, wobei die Hand- Antriebswelle koaxial mit einer vorbestimmten Ellbogenachse (20) angeordnet ist,

mit einem zweiten Positioniermotor (28) zur drehenden Anordnung einer Handuntereinheit (14) unabhängig von der Position der Hand-Antriebswelle in wertdiskreten Drehpositionen um die besagte Ellbogenachse (20),

mit einer Handuntereinheit (16), die zum Stützen und Tragen von einem Gegenstand geeignet ist und die an der Armuntereinheit an einer Handgelenkachse (21) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine exzentrische Antriebsuntereinheit (110) vorgesehen ist, die als Teil der Armuntereinheit ausgebildet ist, um die Drehbewegung der Hand-Antriebswelle auf eine Handgelenk-Antriebswelle (80) zu übertragen, die koaxial mit einer vorbestimmten Handgelenkachse (21) angeordnet ist, die sich parallel zu aber im Abstand von der besagten Ellbogenachse erstreckt, daß die exzentrischen Antriebsmittel einen ersten Kurvenantrieb (111) beinhalten, der an der Hand- Antriebswelle befestigt ist, um sich mit dieser zu drehen, daß dieser erste Kurvenantrieb eine Vielzahl von axial räumlich getrennten Nocken umfaßt, wobei jeder dieser Nocken exzentrisch zu der besagten Hand-Antriebswelle angeordnet ist und wobei die Richtung der besagten Exzentrität von der Richtung der Exzentrität jeder der anderen der Nocken abweicht, daß sie weiter einen zweiten Kurvenantrieb (112), der in deckungsgleicher Weise zu dem ersten Kurvenantrieb ausgebildet ist, jedoch an der besagten Handgelenk- Antriebswelle befestigt ist, und eine Vielzahl von Kurvenantriebs-Verbindern beinhaltet, die in gleicher Zahl zu der Zahl der Nocken vorgesehen sind und dabei jeweilige Nocken auf dem ersten Kurvenantrieb und dem zweiten Kurvenantrieb miteinander verbinden, so daß die Handgelenk-Antriebswelle entsprechend mit der Hand-Antriebswelle rotiert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Handgelenkachse von der Ellbogenachse und daß die Dimensionen der Handuntereinheiten für einen vorbestimmten vorgesehenen Gegenstand ausgewählt sind, so daß ein vorbestimmter wertdiskreter Punkt auf dem bestimmten Gegenstand auf der besagten Ellbogenachse positioniert werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kurvenantriebe zwei Nocken umfaßt, wobei die Richtung der Exzentrität dieser Nocken in Drehrichtung von dem jeweilig anderen um 90º versetzt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kurvenantrieb drei Nocken aufweist, wobei die Richtung der Exzentrität dieser Nocken in Drehrichtung von den jeweilig anderen um jeweils 120º versetzt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiter Steuermittel umfaßt, um den ersten Positioniermotor und den zweiten Positioniermotor dergestalt zu drehen, daß die besagten vorbestimmten wertdiskreten Punkte an jedem Ort innerhalb eines ebenen kreisförmigen Bereichs angeordnet werden können, der um die Ellbogenachse ausgebildet ist und eine Handuntereinheit aufweist, wobei der Radius dieses Bereichs zweimal dem Abstand zwischen der Handgelenkachse und der Ellbogen Achse beträgt, und daß ferner jeder solche Ort von irgend einem anderen Annäherungsvektor erreicht werden kann, der in diesem Bereich liegt.