双臂机械手的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种双臂机械手。


背景技术：

2.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。目前行业内用于晶圆传输的scara(selective compliance assembly robot arm)机械手具有等臂长的结构特点，这种等臂长的scara机械手广泛应用于半导体自动化传输设备中，如配套集成在efem(equipment front module)设备内的大气机械手和集成在tm(transfer module)真空传输设备的真空机械手。
3.目前，两个单臂臂长的scara机械臂对称布置，第一机械臂的回转轴中心与第二机械臂的回转轴中心保持一定的距离，第一/第二机械臂腕部的末端执行器保持重合平行于臂的径向延伸轴线且沿该轴线运动。当有晶圆传输范围增大的需求时，往往是通过增大手臂的长度来实现，这样机械手的最小回转直径也相应地成倍增大。在tm等真空传输设备的真空腔的环境是非常苛刻且空间是非常有限的，其中与其配套的pm(process module)和ll(load lock)工位传输距离较远，传统的等臂长的scara双臂机械手结构无法套用到tm腔内使用的真空机械手上，
4.目前采用第一机械臂与第二机械臂回转轴中心重合，机械手本体1内的主驱动轴采用轴套轴的驱动手臂的设计来使手臂部分更加紧凑，又因为机械臂的大臂和小臂臂长相等，为了满足第一机械臂和第二机械臂正常的伸缩运动，需要将第一机械臂的小臂和第二机械臂的小臂空间上下方向错位进行设计，这种设计虽然缩小了手臂部分在径向方向的尺寸，但无疑会增加手臂部分在厚度方向的尺寸，因此会增加tm真空腔室在厚度方向的传输空间甚至会导致整个腔室外围尺寸的增加。
5.而且，不等臂长的scara机械手的上臂、小臂和末端执行器都是不同的驱动单元独立驱动的，通过各驱动单元的协同工作实现不同的运动轨迹，单臂机械手至少需要3个驱动单元，当需要两个不等臂长的scara机械手臂的机械手时，无疑会需要更多的驱动单元，不仅会增加机械手的成本而且控制起来也很困难。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种双臂机械手。
7.为实现上述目的，本发明提供一种双臂机械手，包括：本体，包括绕旋转轴同轴设置的旋转驱动轴、第一/第二伸缩驱动轴；第一臂组件及第一末端执行器，所述第一臂组件的一端旋转地耦连所述旋转驱动轴及所述第一伸缩驱动轴，另一端旋转地耦连所述第一末端执行器；第二臂组件及第二末端执行器，所述第二臂组件的一端旋转地耦连所述旋转驱动轴及所述第二伸缩驱动轴，另一端旋转地耦连所述第二末端执行器；其中，所述旋转驱动轴驱动所述第一臂组件带动所述第一末端执行器，及驱动所述第二臂组件带动所述第二末端执行器绕所述旋转轴旋转；所述第一/第二伸缩驱动轴分别对应驱动所述第一/第二臂组
件以对应带动所述第一/第二末端执行器沿所述旋转轴的径向往返。
8.优选地，所述第一臂组件包括第一大臂/第一小臂壳、第一大臂/第一小臂轴、及第一大臂/第一小臂从动轮，所述第二臂组件包括第二大臂/第二小臂壳、第二大臂/第二小臂轴、及第二大臂/第二小臂从动轮：其中，所述第一大臂壳的一端旋转地固定连接所述第一伸缩驱动轴，另一端固设有所述第一大臂轴，所述第一大臂从动轮旋转地固定连接所述第一大臂轴；所述第一小臂壳的一端旋转地固定连接所述第一大臂从动轮，另一端固设有所述第一小臂轴，所述第一小臂从动轮旋转地固定连接所述第一小臂轴；所述第二大臂壳的一端旋转地固定连接所述第二伸缩驱动轴，另一端固设有所述第二大臂轴，所述第二大臂从动轮旋转地固定连接所述第二大臂轴；所述第二小臂壳的一端旋转地固定连接所述第二大臂从动轮，另一端固设有所述第二小臂轴，所述第二小臂从动轮旋转地固定连接所述第二小臂轴；第一末端执行器旋转地固定连接所述第一小臂从动轮，第二末端执行器旋转地固定连接所述第二小臂从动轮。
9.优选地，所述第一伸缩驱动轴驱动第一大臂壳绕所述旋转轴顺时针或逆时针旋转第一角度，并带动所述第一小臂壳绕所述第一大臂轴逆时针或顺时针旋转第二角度，及传动所述第一末端执行器沿所述旋转轴的径向往返；所述第二伸缩驱动轴驱动第二大臂壳绕所述旋转轴逆时针或顺时针旋转第一角度，并带动所述第二小臂壳绕所述第二大臂轴顺时针或逆时针旋转第二角度，及传动所述第二末端执行器沿所述旋转轴的径向往返。
10.优选地，所述第一角度小于或等于所述第二角度。
11.优选地，所述第一臂组件还包括第一大臂/第一小臂驱动轮、及第一大臂/第一小臂传动带，所述第二臂组件还包括第二大臂/第二小臂驱动轮、及第二大臂/第二小臂传动带；其中，所述第一大臂驱动轮固定连接所述旋转驱动轴，所述第一大臂从动轮经所述第一大臂传动带传动连接所述第一大臂驱动轮；所述第一小臂驱动轮固定连接所述第一大臂轴，所述第一小臂从动轮经所述第一小臂传动带传动连接所述第一小臂驱动轮；所述第二大臂驱动轮固定连接所述旋转驱动轴，所述第二大臂从动轮经所述第二大臂传动带传动连接所述第二大臂驱动轮；所述第二小臂驱动轮固定连接所述第二大臂轴，所述第二小臂从动轮经所述第二小臂传动带传动连接所述第二小臂驱动轮。
12.优选地，所述第一大臂轴及所述旋转驱动轴之间，及所述第二大臂轴及所述旋转驱动轴之间均相隔第一距离；所述第一大臂轴及所述第一小臂轴之间，及所述第二大臂轴及所述第二小臂轴之间均相隔第二距离；所述第一距离大于或等于所述第二距离。
13.优选地，所述第一大臂从动轮及所述第二大臂从动轮均包括第一圆形带轮，所述第一小臂从动轮及所述第二小臂从动轮均包括第二圆形带轮。
14.优选地，所述第一大臂传动带及所述第二大臂传动带均包括至少一个第一开环传动带，所述第一小臂传动带及所述第二小臂传动带均包括至少一个第二开环传动带。
15.优选地，所述第一大臂驱动轮及所述第二大臂驱动轮均包括叠设的大臂上异形轮及大臂下异形轮，所述第一小臂驱动轮及所述第二小臂驱动轮均包括叠设的小臂上异形轮及小臂下异形轮。
16.优选地，一第一开环传动带的一端固连所述大臂上异形轮，另一端固连所述第一圆形带轮，另一第一开环传动带的一端固连所述大臂下异形轮，另一端固连所述第一圆形带轮；一第二开环传动带的一端固连所述小臂上异形轮，另一端固连所述第二圆形带轮，另
一第二开环传动带的一端固连所述小臂下异形轮，另一端固连所述第二圆形带轮。
17.本发明的双臂机械手具有两个回转轴中心重合左右对称且可独立伸缩运动的第一臂组件及第一末端执行器、第二臂组件及第二末端执行器，可解决需要两个独立伸缩运动的手臂，适用于空间要求紧凑及伸缩范围大的应用场景，而且，旋转驱动轴、第一/第二伸缩驱动轴仅对应3个驱动单元，降低成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.附图1为本发明实施例的机械手臂的结构示意图；
20.附图2为本发明实施例的机械手臂的内部连接结构示意图；
21.附图3为本发明实施例的机械手第一大臂内部结构示意图；
22.附图4为本发明实施例的机械手第一小臂内部结构示意图；
23.附图5为本发明实施例的机械手第一末端执行器结构示意图；
24.附图6为本发明实施例的机械手第二大臂内部结构示意图；
25.附图7为本发明实施例的机械手第二小臂内部结构示意图；
26.附图8为本发明实施例的机械手第二末端执行器结构示意图；
27.附图9为本发明实施例的机械手第一大臂内部传动副连接结构示意图；
28.附图10为本发明实施例的机械手第一小臂内部传动副连接结构示意图；
29.附图11为本发明实施例的机械手第一臂组件及第二臂组件都处于初始状态的示意图；
30.附图12为本发明实施例的机械手第一臂组件及第二臂组件都处于伸展状态的示意图；
31.附图13为本发明实施例的机械手第一臂组件处于伸展状态的示意图；
32.附图14为本发明实施例的机械手第二臂组件处于伸展状态的示意图。
33.图中：1本体；2第一臂组件；3第二臂组件；4第一臂伸缩驱动轴；5第二臂伸缩驱动轴；6旋转驱动轴；7第一大臂壳；8第一大臂驱动轮；9第一大臂从动轮；10第一大臂轴；11第一大臂传动带；12第一小臂壳；13第一小臂驱动轮；14第一小臂从动轮；15第一小臂轴；16第一小臂传动带；17第一末端执行器；18第二大臂壳；19第二大臂驱动轮；20第二大臂从动轮；21第二大臂轴；22第二大臂传动带；23第二小臂壳；24第二小臂驱动轮；25第二小臂从动轮；26第二小臂轴；27第二小臂传动带；28第二末端执行器。
具体实施方式
34.为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
35.需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚
地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
36.如图1所示，本发明的一种双臂机械手，包括本体1、第一臂组件2及第二臂组件3。
37.所述本体1包括绕旋转轴同轴设置的第一伸缩驱动轴4、第二伸缩驱动轴5及旋转驱动轴6，本实施例中，第二伸缩驱动轴5、旋转驱动轴6及第一伸缩驱动轴4由内向外依次设置。
38.所述第一臂组件2的一端旋转地耦连所述旋转驱动轴6及所述第一伸缩驱动轴4，另一端旋转地耦连所述第一末端执行器17；所述第二臂组件3的一端旋转地耦连所述旋转驱动轴6及所述第二伸缩驱动轴5，另一端旋转地耦连所述第二末端执行器28。
39.第一臂组件2及第二臂组件3均具有伸展状态及初始状态，请结合参考图11～图14，第一臂组件2及第二臂组件3均呈初始状态，第一末端执行器17及第二末端执行器28叠设设置，本实施例中，第二末端执行器28叠设于所述第一末端执行器17上。
40.所述旋转驱动轴6驱动所述第一臂组件带动所述第一末端执行器17绕所述旋转轴旋转，同时，还驱动所述第二臂组件3带动所述第二末端执行器28绕所述旋转轴旋转。即，所述旋转驱动轴6实现第一臂组件及第一末端执行器17、第二臂组件3及第二末端执行器28的同时及同向旋转。
41.所述第一伸缩驱动轴4驱动所述第一臂组件传动所述第一末端执行器17沿所述旋转轴的径向往返。
42.第一臂组件2处于伸展状态时，所述第一末端执行器17自第一初始位置沿所述旋转轴的径向直线运动至第一伸展位置，第一臂组件2处于初始状态时，所述第一末端执行器17自第一伸展位置沿所述旋转轴的径向直线返回至第一初始位置。
43.所述第一臂组件包括第一大臂壳7、第一小臂壳12、第一大臂轴10、第一小臂轴15、第一大臂从动轮9、及第一小臂从动轮14。
44.所述第一伸缩驱动轴4驱动第一大臂壳7绕所述旋转轴顺时针或逆时针旋转第一角度，并带动所述第一小臂壳12绕所述第一大臂轴10逆时针或顺时针旋转第二角度，所述第一小臂壳12的一端绕所述第一大臂轴10逆时针或顺时针旋转第二角度，另一端伸展或收缩所述第一末端执行器17。所述第一角度小于或等于所述第二角度。
45.本实施例中，所述第一大臂壳7的长度大于第一小臂壳12的长度，所述第一角度小于所述第二角度。
46.所述第一大臂壳7的一端旋转地固定连接所述第一伸缩驱动轴4，另一端固设有所述第一大臂轴10，所述第一大臂从动轮9旋转地固定连接所述第一大臂轴10；所述第一小臂壳12的一端旋转地固定连接所述第一大臂从动轮9，另一端固设有所述第一小臂轴15，所述第一小臂从动轮14旋转地固定连接所述第一小臂轴15。第一末端执行器17旋转地固定连接所述第一小臂从动轮14。
47.所述第一臂组件还包括第一大臂驱动轮8、第一小臂驱动轮13、第一大臂传动带11、及第一小臂传动带16。
48.所述第一大臂驱动轮8固定连接所述旋转驱动轴6，所述第一大臂从动轮9经所述第一大臂传动带11传动连接所述第一大臂驱动轮8；所述第一小臂驱动轮13固定连接所述第一大臂轴10，所述第一小臂从动轮14经所述第一小臂传动带16传动连接所述第一小臂驱
动轮13；
49.所述第二伸缩驱动轴5驱动所述第二臂组件3传动所述第二末端执行器28沿所述旋转轴的径向往返。
50.第二臂组件3处于伸展状态时，所述第二末端执行器28自第二初始位置沿所述旋转轴的径向直线运动至第二伸展位置，第二臂组件3处于初始状态时，所述第二末端执行器28自第二伸展位置沿所述旋转轴的径向直线返回至第二初始位置。
51.所述第二臂组件3包括第二大臂壳18、第二小臂壳23、第二大臂轴21、第二小臂轴26、第二大臂从动轮20、及第二小臂从动轮25。
52.所述第二伸缩驱动轴5驱动第二大臂壳18绕所述旋转轴逆时针或顺时针旋转第一角度，并带动所述第二小臂壳23绕所述第二大臂轴21逆时针或顺时针旋转第二角度，所述第二小臂壳23的一端绕所述第二大臂轴21顺时针或逆时针旋转第二角度，另一端伸展或收缩所述第二末端执行器28。
53.本实施例中，第一初始位置及第一伸展位置之间的距离等于第二初始位置及第二伸展位置之间的距离，所述第一角度小于所述第二角度。本领域技术人员应当能够理解的是，第一初始位置及第一伸展位置之间的距离、第二初始位置及第二伸展位置之间的距离可视实际需求而定，在此不作限定。
54.本实施例中，所述第一角度小于所述第二角度，所述第一末端执行器17包括固连的第一支撑部及第一连接部，所述第一连接部的一端旋转地固定连接所述第一小臂从动轮14，另一端固连所述第一支撑部。
55.所述第二末端执行器28包括固连的第二支撑部及第二连接部，所述第二连接部的一端旋转地固定连接所述第二小臂从动轮20，另一端固连所述第二支撑部。
56.第一支撑部及第二支撑部用于支撑衬底。所述初始第三角度为钝角。
57.第一臂组件2处于初始状态时，所述第一连接部与所述第一小臂壳12成初始第三角度相交，第一臂组件2处于伸展状态时，所述第一连接部与所述第一小臂壳12成伸展第三角度相交；第二臂组件3处于初始状态时，所述第二连接部与所述第二小臂壳23成初始第三角度相交，第二臂组件3处于伸展状态时，所述第二连接部与所述第二小臂壳23成伸展第三角度相交。所述初始第三角度包括钝角及直角。
58.所述伸展第三角度、所述初始第三角度及所述第二角度之和为360
°
。
59.所述第二大臂壳18的一端旋转地固定连接所述第二伸缩驱动轴5，另一端固设有所述第二大臂轴21，所述第二大臂从动轮20旋转地固定连接所述第二大臂轴21；所述第二小臂壳23的一端旋转地固定连接所述第二大臂从动轮20，另一端固设有所述第二小臂轴26，所述第二小臂从动轮25旋转地固定连接所述第二小臂轴26。第二末端执行器28旋转地固定连接所述第二小臂从动轮25。
60.所述第二臂组件3还包括第二大臂驱动轮19、第二小臂驱动轮24、第二大臂传动带22、及第二小臂传动带27。
61.所述第二大臂驱动轮19固定连接所述旋转驱动轴6，所述第二大臂从动轮20经所述第二大臂传动带22传动连接所述第二大臂驱动轮19；所述第二小臂驱动轮24固定连接所述第二大臂轴21，所述第二小臂从动轮25经所述第二小臂传动带27传动连接所述第二小臂驱动轮24。
62.所述第一大臂轴10及所述旋转驱动轴6之间，及所述第二大臂轴21及所述旋转驱动轴6之间均相隔第一距离；所述第一大臂轴10及所述第一小臂轴15之间，及所述第二大臂轴21及所述第二小臂轴26之间均相隔第二距离；所述第一距离大于或等于所述第二距离。
63.所述第一大臂从动轮9及所述第二大臂从动轮20均包括第一圆形带轮，所述第一小臂从动轮14及所述第二小臂从动轮25均包括第二圆形带轮，实现零部件的通用化，降低制造成本。
64.第一臂组件2及第二臂组件3均处于初始状态时，所述第一大臂壳7、所述第二大臂壳18、所述第二小臂壳23及所述第一小臂壳12自下而上依次设置，所述第一/第二支撑部自下而上叠设，从而有效节省占地面积。
65.所述第一大臂传动带11及所述第二大臂传动带22均包括至少一个第一开环传动带，所述第一小臂传动带16及所述第二小臂传动带27均包括至少一个第二开环传动带。
66.本实施例中，所述第一大臂驱动轮8及所述第二大臂驱动轮19均固定连接所述旋转驱动轴6，且均包括叠设的大臂上异形轮及大臂下异形轮，所述第一小臂驱动轮13及所述第二小臂驱动轮24均包括叠设的小臂上异形轮及小臂下异形轮。
67.第一臂组件2及第二臂组件3均处于初始状态时，所述第一大臂驱动轮8及所述第二大臂驱动轮19之间对称设置，所述第一小臂驱动轮13及所述第二小臂驱动轮24之间对称设置。
68.所述第一大臂传动带11及所述第二大臂传动带22均包括两个第一开环传动带，所述第一小臂传动带16及所述第二小臂传动带27均包括两个第二开环传动带。其中，一第一开环传动带的一端固连所述大臂上异形轮，另一端固连所述第一圆形带轮，另一第一开环传动带的一端固连所述大臂下异形轮，另一端固连所述第一圆形带轮；一第二开环传动带的一端固连所述小臂上异形轮，另一端固连所述第二圆形带轮，另一第二开环传动带的一端固连所述小臂下异形轮，另一端固连所述第二圆形带轮。
69.所述第一开环传动带及所述第二开环传动带都必须始终保持张紧状态。为了保证所述第一/第二末端执行器沿所述旋转轴的径向往返，在第一距离大于所述第二距离时，设置传动比时刻变化的大臂上异形轮及大臂下异形轮、及小臂上异形轮及小臂下异形轮。
70.本发明中当第二臂伸缩驱动轴5和旋转驱动轴6固定不旋转运动，第一臂伸缩驱动轴4旋转运动时，第一臂组件2做伸缩运动使第一末端执行器17沿所述旋转轴的径向往返，而第二臂组件3静止不动。
71.本发明中当第一臂伸缩驱动轴4和旋转驱动轴6固定不旋转运动，第二臂伸缩驱动轴5旋转运动时，第二臂组件3做伸缩运动使第二末端执行器28沿所述旋转轴的径向往返，而第一臂组件2静止不动。
72.本发明中旋转驱动轴6固定不旋转，第一臂伸缩驱动轴4和第二臂伸缩驱动轴5旋转运动时，第一臂组件2和第二臂组件3做伸缩运动使第一末端执行器17和第二末端执行器28沿所述旋转轴的径向往返。
73.本发明中第二臂伸缩驱动轴5、第一臂伸缩驱动轴4和旋转驱动轴6以同速同向旋转以驱动双臂机械手旋转运动。
74.本发明的双臂机械手具有两个回转轴中心重合左右对称且可独立伸缩运动的第一臂组件及第一末端执行器、第二臂组件及第二末端执行器，可解决需要两个独立伸缩运
动的手臂，适用于空间要求紧凑及伸缩范围大的应用场景，而且，旋转驱动轴、第一/第二伸缩驱动轴仅对应3个驱动轴，降低成本。
75.本发明的双臂机械手不局限于大气和真空机器人，第一/第二末端执行器不局限于真空吸附和夹持两种形式。
76.本发明的双臂机械手内部的驱动轮和从动轮不局限于钢带圆轮、同步带轮、链轮等常用传动轮，同样手臂内部的同步带也不局限于钢带、链条等常用传动带。
77.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。
78.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以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的保护范围内。
79.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。