专利名称：用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及板状工件的搬运机构，具体地说是一种用于板状工件搬运的末端 执行器可侧翻机构。
背景技术：
随着自动化技术的深入发展，工厂对板状工件的自动化制造程度提出了更高的要 求。板状工件应用于多个行业，如半导体制造中的硅片、平板，显示行业中的平板玻璃以及 造纸行业中的纸板等；这些板状工件具有生产量大、搬运精度高、面积分布范围广、厚度相 对较薄等特点。传统采用人工搬运的生产方式生产效率低且难以提高搬运质量，已经不适 应现代制造业的需求。发展板状工件的自动化搬运装置成为一种趋势。目前市场上出现了多种系列和型号的板状工件搬运机械手，如美国BROOKS公司 的晶圆搬运机械手、日本YASKAWA公司的玻璃基板搬运机器人，这些机构的末端执行器大 都有三个空间自由度，可实现工件的竖直举升、水平进给和水平面平移。在末端执行器需要 更多自由度的场合，如进行工件的侧翻和俯仰时，这些自动化机构往往难以胜任。美国专利US 6318951提出了一种“微电子工件搬运机器人”，该机器人的末端执 行器可以进行侧翻，原因是在机器人的手指上安装了驱动其侧翻的电机和谐波减速器。考 虑末端负载的增加将会提高对手臂的刚性要求，该机器人手臂仅有一个大臂和一个手指， 没有小臂。这种传动布置方式明显缩小了机器人的工作空间，不适合工件的大范围搬运。
实用新型内容为了解决上述工件搬运范围受限制和手臂刚性相互制约的问题，本实用新型的目 的在于提供一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构。该末端执行器可侧翻机构对 手臂的刚性要求低且不会缩小手臂的运动范围，并可实现末端执行器的高精度侧翻。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的本实用新型包括末端执行器、手指、小臂及大臂，其中大臂的一端可转动地安装在 搬运机器人上，另一端为自由端；所述小臂的一端可相对转动地安装在大臂的自由端、小臂 的另一端为自由端；所述手指可相对转动地安装在小臂的自由端，在手指上设有可直线伸 缩运动和侧翻运动的末端执行器；所述末端执行器、手指及小臂可随大臂共同转动。其中所述搬运机器人上安装有第二伺服电机，大臂的一端设有第三轴，该第三轴 与第二伺服电机相连，大臂通过第二伺服电机的驱动绕第三轴旋转；在所述第三轴上套设 有第三主动带轮，该第三主动带轮安装在搬运机器人上、与第三轴之间具有转动副；所述大 臂自由端设有第二轴，在大臂自由端内设有套在第二轴上的第三从动带轮，该第三从动带 轮与第二轴之间具有转动副；所述第三主动带轮通过第三同步带与第三从动带轮相连；所 述大臂的一端安装在搬运机器人上的升降旋转机构上，大臂、小臂、手指及末端执行器通过 升降旋转机构的驱动可上下升降运动和同步转动；升降旋转机构上安装有第二伺服电机， 大臂的一端设有第三轴，该第三轴与第二伺服电机相连，大臂通过第二伺服电机的驱动绕第三轴旋转；在所述第三轴上套设有第三主动带轮，该第三主动带轮安装在升降旋转机构 上、与第三轴之间具有转动副；所述大臂自由端设有第二轴，在大臂自由端内设有套在第二 轴上的第三从动带轮，该第三从动带轮与第二轴之间具有转动副；所述第三主动带轮通过 第三同步带与第三从动带轮相连；所述小臂的一端与第三从动带轮固联，另一端设有第一 轴，小臂的一端内设有与第二轴固联的第二主动带轮，小臂的另一端内设有套设在第一轴 上的第一从动带轮，该第一从动带轮与第一轴之间具有转动副，第二主动带轮通过第一同 步带与第一从动带轮相连；第二主动带轮的带轮中心线与第二轴同轴，第一从动带轮的带 轮中心线与第一轴同轴，第一从动带轮与第二主动带轮的齿数比为2 1;手指上设有手 指轴，该手指轴套在第一轴的外侧、与第一从动带轮固联；小臂上安装有第一伺服电机，小 臂内设有与第一伺服电机输出轴连接的第一主动带轮，该第一主动带轮通过第二同步带与 套设在手指轴上的第二从动带轮相连，第二从动带轮与手指轴之间具有转动副；所述第二 从动带轮上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮，该第二锥齿轮与手指内的第一锥齿轮相啮 合，末端执行器与第一锥齿轮相连、通过第一伺服电机的驱动实现侧翻运动；第一伺服电机 的输出轴与第二轴同轴；第三主动带轮的带轮中心线与第三轴同轴，第三从动带轮与第三 主动带轮的齿数比为1 2。本实用新型的优点与积极效果为1.本实用新型包括了大臂、小臂及手指，小臂可相对大臂转动，手指可相对小臂转 动，末端执行器由安装在小臂上的第一伺服电机驱动实现侧翻运动，并可由大臂、小臂及手 指的耦合转动实现直线伸缩运动，升降运动可由与大臂转动联接的升降旋转机构实现，整 个机构对手臂的刚性要求低，且保证了手臂具备足够的工作空间。2.本实用新型末端执行器的运动精度高，动作平稳。3.本实用新型的谐波减速器将传动速度降低到适合末端执行器侧翻的速度，并增 大传动力矩，从而实现了末端执行器的侧翻。
图1为本实用新型的外形立体结构图；图2为本实用新型的外形俯视图；图3为本实用新型的内部结构剖视图；图如为本实用新型工作状态示意图之一；图4b为本实用新型工作状态示意图之二 ；图如为本实用新型工作状态示意图之三；其中1为末端执行器，2为末端法兰，3为第一谐波减速器，4为手指，5为第一锥 齿轮，6为第一从动带轮，7为小臂，8为第二从动带轮，9为第二锥齿轮，10为第一同步带，11 为第二同步带，12为第一主动带轮，13为第一轴，14为第三从动带轮，15为第一伺服电机， 16为第二主动带轮，17为大臂，18为第三同步带，19为第三主动带轮，20为固定法兰，21为 第二谐波减速器，22为第二伺服电机，幻为升降旋转机构，M为第二轴，25为第三轴，沈为 第一片盒，27为第二片盒，28为晶圆。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。如图1 3所示，本实用新型包括末端执行器1、手指4、小臂7及大臂17，其中驱 动大臂17转动的第二伺服电机22固联在搬运机器人上的固定法兰20上，大臂17的一端 设有第三轴25，该第三轴25通过第二谐波减速器21与第二伺服电机22的输出轴相连，第 二谐波减速器21固联在固定法兰20上。在固定法兰20上固联有第三主动带轮19，第三主 动带轮19套设在第三轴25上、与第三轴25之间具有转动副，第三主动带轮19的传动部分 位于大臂17 —端的内部，第三主动带轮19的带轮中心线与第三轴25同轴。驱动大臂17转动的第二伺服电机22也可固联在搬运机器人上的升降旋转机构23 上，大臂17、小臂7、手指4及末端执行器1通过升降旋转机构23的驱动可上下升降运动和 同步转动。固定法兰20固联在升降旋转机构23上。大臂17的一端设有第三轴25，该第 三轴25通过第二谐波减速器21与第二伺服电机22的输出轴相连，第二谐波减速器21固 联在固定法兰20上；第二伺服电机22及第二谐波减速器21也可直接固定到升降旋转机构 23上。在固定法兰20上固联有第三主动带轮19，第三主动带轮19套设在第三轴25上、与 第三轴25之间具有转动副，第三主动带轮19的传动部分位于大臂17—端的内部，第三主 动带轮19的带轮中心线与第三轴25同轴。大臂17的另一端为自由端，该自由端设有第二轴M，在大臂17自由端内设有套在 第二轴M上的第三从动带轮14，第三从动带轮14与第二轴M之间具有转动副；第三主动 带轮19通过第三同步带18与第三从动带轮14相连。小臂7的一端与第三从动带轮14固联，另一端设有第一轴13，小臂7的一端内设 有与第二轴M固联的第二主动带轮16，小臂7的另一端内设有套设在第一轴13上的第一 从动带轮6，该第一从动带轮6与第一轴13之间具有转动副，第二主动带轮16通过第一同 步带10与第一从动带轮6相连，第二主动带轮16的带轮中心线与第二轴M同轴，第一从 动带轮6的带轮中心线与第一轴13同轴。手指4上设有手指轴，该手指轴套在第一轴13 的外侧、并与第一从动带轮6固联。小臂7上安装有第一伺服电机15，该第一伺服电机15的输出轴可以与第二轴M 同轴，也可与第二轴24保持一定距离，原则是不对大臂17和小臂7的结构强度及刚度造成 影响；本实施例是将第一伺服电机15的输出轴与第二轴M同轴设置的。小臂7内设有与 第一伺服电机15输出轴固联的第一主动带轮12，该第一主动带轮12通过第二同步带11与 套设在手指轴上的第二从动带轮8相连，第二从动带轮8与手指轴之间具有转动副；第二从 动带轮8上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮9，该第二锥齿轮9与手指4内的第一锥齿轮 5相啮合，第二锥齿轮9的中心线与第一锥齿轮5的中心线垂直；在第一锥齿轮5上设有第 一谐波减速器3，第一谐波减速器3上设有末端法兰2，末端执行器1通过第一谐波减速器 3及末端法兰2与第一锥齿轮5相连、通过第一伺服电机15的驱动及第一主动带轮12、第 二同步带11、第二从动带轮8、第二锥齿轮9及第一锥齿轮5的传动实现侧翻运动。第一伺服电机15也可设置在大臂17上或手指4上。第三从动带轮14与第三主 动带轮19的齿数比为1 2。第一从动带轮6与第二主动带轮16的齿数比为2 1。本实用新型的工作原理为大臂17、小臂7和手指4由第二伺服电机22单独驱动，在耦合传动作用下，实现手指4沿直线L伸缩运动；末端执行器1通过末端法兰2及第一谐波减速器3与手指4相 连，从而实现末端执行器1沿直线L的伸缩运动。末端执行器1由第一伺服电机15单独驱 动，从而实现末端执行器1的侧翻运动。在升降旋转机构23的作用下，末端执行器还可绕 第三轴25旋转和沿第三轴25进行升降运动。具体为末端执行器1的伸缩运动第二伺服电机22工作，通过第二谐波减速器21传递 给第三轴25，进而带动大臂17绕第三轴25转动。第三主动带轮19、第三同步带18及第三 从动带轮14分别安装在大臂17内，第三主动带轮19是固定不动的，因此，当大臂17绕第 三轴25转动时，动力(即第三主动带轮19的阻力)通过第三同步带18传至第三从动带轮 14上，带动第三从动带轮14转动。由于第三从动带轮14与第三主动带轮19的齿数比为 1 2，因此，第三从动带轮14以相对于大臂17转速的二倍转速转动；小臂7的一端是与第 三从动带轮14固联的，所以，小臂7绕第二轴M以相对于大臂17转速的二倍转速转动。小 臂7内的第二主动带轮16与大臂17另一端的第二轴M固联且第二主动带轮的中心线与 第二轴M同轴，第一从动带轮6与手指4的手指轴固联、与第一轴13具有转动副，并且第 一从动带轮的中心线与第一轴13同轴；因此，小臂7转动时，动力(即第二主动带轮16的 阻力)通过第一同步带10传至第一从动带轮6上，从而带动与第一从动带轮6固联的手指 4绕第一轴13转动。由于第一从动带轮6与第二主动带轮16的齿数比为2 1，使手指4 的转动速度与大臂17的转动速度数值相同，方向相反。因此，大臂转速小臂转速(相对 于大臂)手指转速(相对于小臂)=1 ("2) 1，这种转速耦合关系保证了手指4沿 直线L进行伸缩运动；末端执行器1与手指4通过第一谐波减速器3及其末端法兰2联接 至手指4，从而实现末端执行器1沿直线L的伸缩运动。末端执行器1的侧翻运动上述末端执行器1的伸缩运动以及在升降旋转机构23 驱动下的升降和旋转运动，已经可以满足板状工件的水平搬运。但在某些工件搬运场合，需 要对工件进行侧翻一定角度后放置，因此，有必要使末端执行器1具备侧翻功能。第一伺服 电机15设置在小臂7上，电机输出轴与第一主动带轮12固联，将驱动力通过第二同步带11 传递给第二从动带轮8，第二从动带轮8套设在手指轴上、并具有转动副，可绕手指轴自由 转动。第二锥齿轮9与第二从动带轮8固联，将动力通过与第一锥齿轮5啮合、传递至固联 在手指4输出端的第一谐波减速器3上；末端执行器1通过末端法兰2联接到第一谐波减 速器3的输出轴上，在第一伺服电机15的驱动下，实现侧翻运动。在升降旋转机构工作时，大臂17、小臂7、手指4及末端执行器1共同旋转或升降。 本实用新型的升降旋转机构23可以实现末端执行器1绕第三轴25旋转和沿第三轴25升 降的两个运动，为常规的机械结构，本实用新型不作详细说明。下面结合晶圆的搬运实例说明本实用新型末端执行器可侧翻机构的一种典型应 用，但不代表本实用新型仅局限于晶圆的搬运。如图如 如所示，晶圆是半导体生产线中需要频繁搬运的圆盘状工件，一种比较 常见的搬运工作是从片盒(或工艺腔)搬运至另一片盒(或工艺腔)。机械手需要将一个 水平放置的第一片盒26中的晶圆搬运至另一个垂直放置的第二片盒27中，图如所示为末 端执行器1抬起，完成晶圆观的抓取和吸附；图4b所示为末端执行器1向第二片盒27的 方向旋转运动，并完成侧翻动作，以第二片盒25中的目标晶圆放置位置对齐；图如所示为 末端执行器1完成晶圆28与第二片盒27对齐后开始进行直线伸缩运动将晶圆28送至目标位置。 本实用新型可用于包括半导体行业中的硅片、平板显示行业中的玻璃基板、造纸 行业中的纸板等板状工件。
权利要求1.一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于包括末端执行器 (1)、手指、小臂(7)及大臂(17)，其中大臂(17)的一端可转动地安装在搬运机器人上， 另一端为自由端；所述小臂(7)的一端可相对转动地安装在大臂(17)的自由端、小臂(7) 的另一端为自由端；所述手指(4)可相对转动地安装在小臂(7)的自由端，在手指(4)上 设有可直线伸缩运动和侧翻运动的末端执行器(1)；所述末端执行器(1)、手指(4)及小臂 (7)可随大臂(17)共同转动。
2.按权利要求1所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 搬运机器人上安装有第二伺服电机(22)，大臂(17)的一端设有第三轴(25)，该第三轴05) 与第二伺服电机02)相连，大臂(17)通过第二伺服电机02)的驱动绕第三轴05)旋转； 在所述第三轴0 上套设有第三主动带轮(19)，该第三主动带轮(19)安装在搬运机器人 上、与第三轴0 之间具有转动副；所述大臂(17)自由端设有第二轴(M)，在大臂(17)自 由端内设有套在第二轴04)上的第三从动带轮(14)，该第三从动带轮(14)与第二轴04) 之间具有转动副；所述第三主动带轮(19)通过第三同步带(18)与第三从动带轮(14)相 连。
3.按权利要求1所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 大臂(17)的一端安装在搬运机器人上的升降旋转机构03)上，大臂(17)、小臂(7)、手指 (4)及末端执行器(1)通过升降旋转机构的驱动可上下升降运动和同步转动。
4.按权利要求3所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 升降旋转机构03)上安装有第二伺服电机(22)，大臂(17)的一端设有第三轴(25)，该第 三轴05)与第二伺服电机02)相连，大臂(17)通过第二伺服电机02)的驱动绕第三轴 (25)旋转；在所述第三轴0 上套设有第三主动带轮(19)，该第三主动带轮(19)安装在 升降旋转机构上、与第三轴0 之间具有转动副；所述大臂(17)自由端设有第二轴 (M)，在大臂(17)自由端内设有套在第二轴04)上的第三从动带轮(14)，该第三从动带 轮(14)与第二轴04)之间具有转动副；所述第三主动带轮(19)通过第三同步带(18)与 第三从动带轮(14)相连。
5.按权利要求2或4所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于 所述小臂(7)的一端与第三从动带轮(14)固联，另一端设有第一轴(13)，小臂(7)的一端 内设有与第二轴04)固联的第二主动带轮(16)，小臂(7)的另一端内设有套设在第一轴 (13)上的第一从动带轮(6)，该第一从动带轮(6)与第一轴(1 之间具有转动副，第二主 动带轮(16)通过第一同步带(10)与第一从动带轮(6)相连。
6.按权利要求5所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 第二主动带轮(16)的带轮中心线与第二轴04)同轴，第一从动带轮(6)的带轮中心线与 第一轴(1 同轴，第一从动带轮(6)与第二主动带轮(16)的齿数比为2 1。
7.按权利要求5所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 手指(4)上设有手指轴，该手指轴套在第一轴(1 的外侧、与第一从动带轮(6)固联。
8.按权利要求7所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 小臂(7)上安装有第一伺服电机(15)，小臂(7)内设有与第一伺服电机(15)输出轴连接的 第一主动带轮(12)，该第一主动带轮(1 通过第二同步带(11)与套设在手指轴上的第二 从动带轮(8)相连，第二从动带轮(8)与手指轴之间具有转动副；所述第二从动带轮(8)上固设有套在手指轴上的第二锥齿轮(9)，该第二锥齿轮(9)与手指内的第一锥齿轮(5) 相啮合，末端执行器⑴与第一锥齿轮(5)相连、通过第一伺服电机(15)的驱动实现侧翻运动。
9.按权利要求8所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于所述 第一伺服电机(15)的输出轴与第二轴04)同轴。
10.按权利要求2或4所述用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，其特征在于 所述第三主动带轮(19)的带轮中心线与第三轴0 同轴，第三从动带轮(14)与第三主动 带轮(19)的齿数比为1 2。
专利摘要本实用新型涉及板状工件的搬运机构，具体地说是一种用于板状工件搬运的末端执行器可侧翻机构，包括末端执行器、手指、小臂及大臂，其中大臂的一端可转动地安装在搬运机器人上，另一端为自由端；所述小臂的一端可相对转动地安装在大臂的自由端、小臂的另一端为自由端；所述手指可相对转动地安装在小臂的自由端，在手指上设有可直线伸缩运动和侧翻运动的末端执行器；所述末端执行器、手指及小臂可随大臂共同转动。本实用新型包括了大臂、小臂及手指，小臂可相对大臂转动，手指可相对小臂转动，末端执行器可实现伸缩运动、侧翻运动及升降和旋转，具有足够的工作空间，对手臂的刚性要求低。
文档编号B25J9/06GK201922441SQ201020662578
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者冯亚磊, 徐方, 曲道奎, 王金涛 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司