一种可实现翻转的机械手臂的制作方法

本发明涉及晶圆传输领域，具体涉及一种可实现翻转的机械手臂。

背景技术：

随着半导体工艺水平的不断提高，前道和后道工艺设备厂对半导体自动化传输技术提出了更高更复杂的要求。

目前行业内晶圆的传输运动主要有两种：一种是保持晶圆姿态不变情况下，不同工位间水平面内不同高度的传输。另外一种是改变晶圆的姿态，不同工位间角度变更的传输。

行业内提高晶圆的传输效率主要是通过增加机器人末端执行器的数量来实现，如单臂scara(selectivecomplianceassemblyrobotarm)机器人常配一个以上的末端执行器，双臂scara机器人往往下手臂配一个末端执行器而上手臂配一个或多个。

为了解决晶圆传输范围增大的问题，如标准3port以上efem(半导体设备前端模块)内部对晶圆的传输，常采用的track轴配scara单臂或双臂机器人以及各关节可独立运动的水平多关节机器人的方案来解决。

目前上市的国内外多种型号的晶圆搬运机器人，如美国brooks、日本sankyo、日本jel等公司生产的机器人在对多末端执行器传输、末端执行器可翻转、传输范围大以及无行走轴的场合中均无法满足要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可实现翻转的机械手臂，具有两个可独立运动的末端执行器，其中上末端执行器可翻转，通过各驱动轴电机的协同工作可实现不同的运动姿态。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可实现翻转的机械手臂，包括本体、大臂、小臂、上末端执行器和下末端执行器，其中，所述大臂的固定端可旋转地安装在所述本体一端，所述小臂的固定端可旋转地安装在所述大臂的移动端，所述上末端执行器和下末端执行器的固定端上下叠加且可旋转地安装在所述小臂的移动端；所述上末端执行器和下末端执行器的移动端可旋转地安装上手指和下手指；

其中，所述上手指在所述上末端执行器的带动下实现直线、旋转和翻转运动；所述下手指在所述下末端执行器的带动下实现直线和旋转运动。

进一步的，所述下末端执行器连接所述小臂大带轮一，所述小臂大带轮一通过同步带连接小臂小带轮一；所述小臂小带轮一通过肘轴一固定连接大臂小带轮一，大臂大带轮一与大臂小带轮一通过同步带构成传动副，大臂大带轮一固定连接在第一驱动轴上；其中，小臂大带轮一位于小臂的移动端，小臂小带轮一位于小臂的固定端，大臂小带轮一和肘轴一位于大臂的移动端，大臂大带轮一位于大臂的固定端，第一驱动轴位于本体内部；

所述第一驱动轴驱动所述下末端执行器做旋转运动。

进一步的，所述小臂大带轮一和小臂小带轮一的齿数比为2:1。

进一步的，所述上末端执行器连接所述小臂大带轮二，所述小臂大带轮二通过同步带连接小臂小带轮二；所述小臂小带轮二通过肘轴二固定连接大臂小带轮二，大臂大带轮二与大臂小带轮二通过同步带构成传动副，大臂大带轮二固定连接在第二驱动轴上；其中，小臂大带轮二位于小臂的移动端，小臂小带轮二位于小臂的固定端，大臂小带轮二和肘轴二位于大臂的移动端，大臂大带轮二位于大臂的固定端，第二驱动轴位于本体内部；

所述第二驱动轴驱动所述上末端执行器做旋转运动。

进一步的，所述小臂大带轮二和小臂小带轮二的齿数比为2:1。

进一步的，所述上手指固定连接锥齿轮二，锥齿轮一和锥齿轮二构成齿轮副，所述锥齿轮一固定在小臂大带轮三上，且所述锥齿轮一与所述小臂大带轮三具有同心轴；所述小臂大带轮三通过同步带连接小臂小带轮三；所述小臂小带轮三通过肘轴三固定连接大臂小带轮三，大臂大带轮三与大臂小带轮三通过同步带构成传动副，大臂大带轮三固定连接在第三驱动轴上；其中，小臂大带轮三位于小臂的移动端，小臂小带轮三位于小臂的固定端，大臂小带轮三和肘轴三位于大臂的移动端，大臂大带轮三位于大臂的固定端，第三驱动轴位于本体内部；

所述第三驱动轴驱动所述上手指做翻转运动。

进一步的，所述小臂大带轮三和小臂小带轮三的齿数比为2:1。

进一步的，所述小臂的固定端安装在大臂小带轮四上，所述大臂小带轮四与大臂大带轮四通过同步带构成传动副，其中，大臂大带轮四位于大臂的固定端，大臂大带轮四固定连接第四驱动轴，第四驱动轴位于本体内部。

进一步的，所述大臂的固定端固定连接在第五驱动轴上，第五驱动轴位于本体内部，所述第五驱动轴驱动大臂进行旋转。

进一步的，所述大臂和小臂的长度相等。

本发明具有如下有益效果：本发明具有两个可独立运动的末端执行器，其中上末端执行器可直线运动，可旋转，可翻转；下末端执行器可直线运动，可旋转；通过各驱动轴电机的协同工作可实现不同的运动姿态；本发明机器人适用范围广泛，即可用于搬运晶圆等物体，也可以用于组装。

附图说明

附图1为本发明机械手臂的结构示意图；

附图2为本发明机械手臂处于初始状态的示意图；

附图3为本发明机械手臂的内部连接示意图；

附图4为附图3中ⅰ部分的放大示意图；

附图5为附图3中ⅱ部分的放大示意图；

图中：1上末端执行器；2下末端执行器；3大臂；4小臂；5本体；6小臂大带轮一；7小臂小带轮一；8小臂大带轮二；9小臂小带轮二；10小臂大带轮三；11小臂小带轮三；12锥齿轮一；13锥齿轮二；14肘轴一；15肘轴二；16肘轴三；17大臂小带轮一；18大臂大带轮一；19大臂小带轮二；20大臂大带轮二；21大臂小带轮三；22大臂大带轮三；23大臂小带轮四；24大臂大带轮四；25驱动轴一；26驱动轴二；27驱动轴三；28驱动轴四；29驱动轴五，30上手指，31下手指。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

请参阅附图1-5，本发明提供的一种可实现翻转的机械手臂，包括本体5、大臂3、小臂4、上末端执行器1和下末端执行器2，其中，大臂3的固定端可旋转地安装在本体5一端，小臂4的固定端可旋转地安装在大臂3的移动端，上末端执行器1和下末端执行器2的固定端上下叠加且可旋转地安装在小臂4的移动端；上末端执行器1和下末端执行器2的移动端可旋转地安装上手指30和下手指31；其中，大臂和小臂的长度相等；本发明中上手指可以实现直线、旋转和翻转运动；下手指可以实现直线和旋转运动。

本发明中下末端执行器2连接小臂大带轮一6，小臂大带轮一10通过同步带连接小臂小带轮一7，且小臂大带轮一和小臂小带轮一的齿数比为2:1；小臂小带轮一7通过肘轴一14固定连接大臂小带轮一17，大臂大带轮一18与大臂小带轮一17通过同步带构成传动副，大臂大带轮一18固定连接在第一驱动轴25上；其中，小臂大带轮一6位于小臂的移动端，小臂小带轮一7位于小臂的固定端，大臂小带轮一17和肘轴一位于大臂的移动端，大臂大带轮一18位于大臂的固定端，第一驱动轴25位于本体内部；第一驱动轴通过大臂大带轮一、大臂小带轮一、小臂小带轮一和小臂大带轮一驱动下末端执行器做旋转运动，下末端执行器带动下手指做旋转运动，这里的旋转运动指的是固定在小臂移动端的下末端执行器相对于小臂移动端进行旋转。

本发明中上末端执行器连接小臂大带轮二8，小臂大带轮二8通过同步带连接小臂小带轮二9，且小臂大带轮二和小臂小带轮二的齿数比为2:1；小臂小带轮二9通过肘轴二15固定连接大臂小带轮二19，大臂大带轮二20与大臂小带轮二19通过同步带构成传动副，大臂大带轮二20固定连接在第二驱动轴26上；其中，小臂大带轮二8位于小臂的移动端，小臂小带轮二9位于小臂的固定端，大臂小带轮二19和肘轴二15位于大臂的移动端，大臂大带轮二19位于大臂的固定端，第二驱动轴26位于本体内部；第二驱动轴通过大臂大带轮二、大臂小带轮二、小臂小带轮二和小臂大带轮二驱动上末端执行器做旋转运动，上末端执行器带动上手指做旋转运动，这里的旋转运动指的是固定在小臂移动端的上末端执行器相对于小臂移动端进行旋转。

本发明中上手指固定连接锥齿轮二13，锥齿轮一12和锥齿轮二13构成齿轮副，锥齿轮一12固定在小臂大带轮三10上，且锥齿轮一12与小臂大带轮三22具有同心轴；小臂大带轮三22通过同步带连接小臂小带轮三21，小臂大带轮三和小臂小带轮三的齿数比为2:1；小臂小带轮三21通过肘轴三16固定连接大臂小带轮三21，大臂大带轮三22与大臂小带轮三21通过同步带构成传动副，大臂大带轮三22固定连接在第三驱动轴27上；其中，小臂大带轮三位于小臂的移动端，小臂小带轮三位于小臂的固定端，大臂小带轮三和肘轴三位于大臂的移动端，大臂大带轮三位于大臂的固定端，第三驱动轴位于本体内部；第三驱动轴通过大臂大带轮三、大臂小带轮三、小臂小带轮三、小臂大带轮三、锥齿轮一和锥齿轮二驱动上末端执行器做翻转运动。值得说明的是，本发明中上末端执行器并不会发生翻转，其在第二驱动轴带动下可以旋转，但是翻转针对的是上手指，上手指通过锥齿轮一和锥齿轮二实现翻转。具体可以为上手指固定连接锥齿轮二的轴心，第三驱动轴通过大臂大带轮三、大臂小带轮三、小臂小带轮三和小臂大带轮三驱动锥齿轮一旋转，锥齿轮一带动锥齿轮二旋转，而上手指固定在锥齿轮二的轴心上，锥齿轮二旋转带动上手指实现翻转，具体的翻转角度可以根据第三驱动轴的驱动力来进行确定。

除此以外，本发明中小臂的固定端安装在大臂小带轮四23上，大臂小带轮四23与大臂大带轮四24通过同步带构成传动副，其中，大臂大带轮四24位于大臂的固定端，大臂大带轮四24固定连接第四驱动轴28，第四驱动轴28位于本体内部，第四驱动轴28驱动小臂进行旋转。大臂的固定端固定连接在第五驱动轴29上，第五驱动轴28位于本体内部，第五驱动轴29驱动大臂进行旋转。

本发明中上末端执行器和下末端执行器的直线运动指的是在第四驱动轴和第五驱动轴协同驱动而其他驱动轴不动时，大臂和小臂协同运动时带动上末端执行器和下末端执行器相对于大臂固定端旋转轴线为中心径向的移动，即为直线运动。

综上所述，本发明中小臂的移动端包括小臂大带轮一6、小臂大带轮二8和小臂大带轮三41，其中，小臂大带轮一6连接下末端执行器2，小臂大带轮二8连接上末端执行器1，小臂大带轮三10连接上末端执行器1；

小臂4的固定端包括小臂小带轮一7、小臂小带轮二9和小臂小带轮三11，其中，小臂小带轮一7通过同步带与小臂大带轮一6通过同步带传动；小臂小带轮二9通过同步带与小臂大带轮二8通过同步带传动；小臂小带轮三11通过同步带与小臂大带轮三10通过同步带传动；

大臂的移动端包括大臂小带轮一17、大臂小带轮二19、大臂小带轮三21和大臂小带轮四23；以及肘轴一14、肘轴二15和肘轴三16；其中，小臂小带轮一7通过肘轴一14固定连接大臂小带轮一17；小臂小带轮二9通过肘轴二15固定连接大臂小带轮二19；小臂小带轮三11通过肘轴三16固定连接大臂小带轮三21；小臂的固定端可旋转地安装在大臂小带轮四23上；

大臂的固定端包括大臂大带轮一18、大臂大带轮二20、大臂大带轮三22和大臂大带轮四24，其中，大臂大带轮一18与大臂小带轮一17通过同步带构成传动副，大臂大带轮二20与大臂小带轮二19通过同步带构成传动副，大臂大带轮三22与大臂小带轮三21通过同步带构成传动副，大臂大带轮四24与大臂小带轮四23通过同步带构成传动副；

主体内部包括第一驱动轴25、第二驱动轴26、第三驱动轴27、第四驱动轴28和第五驱动轴29；其中，大臂大带轮一18固定连接在第一驱动轴25上，大臂大带轮二20固定连接在第二驱动轴26上，大臂大带轮三22固定连接在第三驱动轴27上，大臂大带轮四24固定连接在第四驱动轴28上，大臂4的固定端固定连接在第五驱动轴29上；

请继续参阅附图1-5，本发明中机械手臂进行运动过程如下：

当机械手臂处于初始状态时，五个驱动轴同速同向旋转，可以实现机械手臂的旋转运动；此时，如附图2所示，上手指30和下手指31重叠，大臂3、小臂4以及上手指30形成类似三角形形状，上手指和下手指近乎位于本体上方。

当末端执行器进行直线伸缩运动时，第一驱动轴25、第二驱动轴26和第三驱动轴27不工作，第四驱动轴28和第五驱动轴29反向旋转，同时保证小臂的旋转速度是大臂旋转速度的两倍；此时，上末端执行器和下末端执行器仍然处于重叠状态，大臂和小臂带动两个末端执行器移动，移动的轨迹为以大臂固定端旋转轴线为中心径向方向且呈一条直线。

当机械手臂进行直线伸缩运动、两手指反向旋转分离且上手指不翻转时，第四驱动轴和第五驱动轴反向旋转，同时保证小臂的旋转速度是大臂旋转速度的两倍，确保机械手臂进行直线伸缩运动；第一驱动轴和第二驱动轴旋转方向相反，同时第三驱动轴和第二驱动轴保持同速同向旋转，可实现两末端执行器带动上手指和下手指反向旋转分离运动且上手指保持不翻转。

当机械手臂末端执行器进行直线伸缩运动，且下手指避让，上手指翻转运动时，第四驱动轴和第五驱动轴反向旋转，同时保证小臂的旋转速度是大臂旋转速度的两倍，确保机械手臂进行直线伸缩运动；第一驱动轴旋转带动下末端执行器旋转使得下手指旋转避让，第二驱动轴不旋转，上末端执行器不旋转即上手指不旋转，第三驱动轴旋转使得上手指翻转。

本发明的机械手臂不局限于大气和真空机器人，末端执行器不局限于真空吸附和夹持两种形式，手臂部件内各轴的驱动形式不局限于本体电机同轴，机器人的本体的安装方式不局限于底座安装和上法兰安装形式。

本发明可以是搬运半导体晶圆等其它搬运对象物的搬运用机器人，也可以是组装用机器人等搬运用机器人以外的工业用机器人。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。