一种晶圆转运机器人夹爪振动抑制系统与方法与流程

本发明属于机械臂振动抑制，尤其涉及一种晶圆转运机器人夹爪振动抑制系统与方法。

背景技术：

1、在晶圆机器人中，机械臂的末端精度要求高是为了确保晶圆片加工和处理的精确性和稳定性。晶圆片是半导体芯片的基础，其制造过程对精度的要求非常严格。微小的振动都有可能导致以下问题：①晶圆位置不准确：振动会影响机械臂末端的稳定性，导致晶圆片无法准确地进入晶圆盒中。这可能会引发设备之间的撞击，造成设备和原材料的损失。②表面划痕和损伤：振动会导致机械臂末端与晶圆片或其他表面的接触，造成表面划痕和损伤。这些划痕可能导致晶圆片的缺陷，影响芯片的性能和可靠性，甚至使晶圆片成为报废品。

2、因此，为了确保晶圆机器人的高精度操作，需要采取一系列措施来减少振动和提高精度。现有的基于机器人各轴电机控制的减振或抑振方法存在以下不足：

3、①驱动轴远且动态响应不佳：由于驱动轴与机械臂末端之间的距离较远，电机扭矩传递的延迟可能导致动态响应不佳。这会影响机械臂的准确性和稳定性，降低对末端精度的控制效果。

4、②动力传递部分耦合部件过多：机械臂的动力传递系统通常包含多个耦合部件，例如传动带、减速器等。这些部件之间的耦合会引入额外的松弛度和振动，从而降低了整体系统的刚度和精度。

5、对于被动减振或抑振方式中的结构设计和特种材料方法，也存在以下不足：

6、①单一材料、制造后定型：使用单一材料制造机械结构后，其刚度和阻尼特性是固定的，无法根据不同工况和需求进行调整。这限制了机械臂在不同任务和环境下的适应性。②适应性差：由于被动方式无法主动调整结构刚度和阻尼，其适应性较差。在面对不同振动频率和幅度的情况下，被动方式难以提供有效的振动抑制效果。

7、综上所述，目前的电机控制方式和被动方式在振动抑制和精度控制方面存在一些限制和不足，需要进一步的改进和创新来解决这些问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆转运机器人夹爪振动抑制系统与方法，具体的技术方案如下：

2、一种晶圆转运机器人夹爪振动抑制系统，包括振动控制器和设置于机器人夹爪上的集成阵列，集成阵列由间隔排列的多个振动传感器和多个电致动器组成；所述多个振动传感器共同组成集成阵列的感知部分，用于获取机器人夹爪各点位的振动特征信号，并将各振动特征信号组成特征信号传送到振动控制器；所述多个电致动器共同组成集成阵列的电致动部分，用于根据振动控制器传送的控制信号，在机器人夹爪的相应点位处产生机械运动，以抑制机器人夹爪自身振动所产生的影响；所述振动控制器用于根据集成阵列感知部分获取的特征信号，计算产生相应地用于控制集成阵列电致动部分的控制信号。

3、优选地，所述振动传感器采用形变-电压/电流感应式传感器，所述电致动器是一类在输入电流或电压的作用下改变形状或刚度的电致动器，所述振动控制器采用计算处理芯片。

4、进一步地，所述集成阵列为贴敷于机器人夹爪表面的由若干振动传感器和电致动器组成的贴片或内嵌在机器人夹爪材料内部的夹层。

5、一种基于上述振动抑制系统的晶圆转运机器人夹爪振动抑制方法，包括以下步骤：

6、s1.使用系统辨识方法对机器人夹爪进行辨识，以建立夹爪模型；

7、s2.振动控制器加载夹爪模型，并实时获取机器人夹爪各点位的振动传感器数据；

8、s3.根据获取的振动传感器数据，振动控制器预测未来若干时刻的夹爪状态；

9、s4.振动控制器构建目标函数并进行优化求解，计算当前时刻的最佳控制值并将其作为控制信号输出到集成阵列相应位点处的电致动器中；

10、s5.机器人夹爪各点位的电致动器根据接收到的控制信号产生相应地机械运动；

11、s6.在进行步骤s2～s5的同时，振动控制器根据控制信号和振动传感器信号进行系统辨识，并将辨识得到的新模型与当前加载的夹爪模型进行比较，以更新加载模型；

12、s7.重复步骤s2～s6，直至夹爪运动结束。

13、进一步地，步骤s1又具体包括以下步骤：

14、s101.将待转运的晶圆片或等效圆片材料放置于机器人夹爪上；

15、s102.在晶圆片或等效圆片材料上施加激励信号；

16、s103.通过机器人夹爪上设置的集成阵列的感知部分，检测夹爪上若干点位的振动特征信号；

17、s104.根据扫频力信号和检测获取的振动特征信号，对夹爪进行系统辨识，从而获得夹爪模型。

18、进一步地，s104中获得的夹爪模型表示为：

19、

20、其中，xt和xt+1分别表示夹爪在t时刻和t+1时刻的状态矩阵，ut为t时刻输入的控制信号量，yt为t时刻的控制响应信号，a、b、c均为系数矩阵。

21、进一步地，步骤s3中，对于机器人夹爪上的每个点位，振动控制器实时获取该点位上的振动传感器数据，并将其作为输入源，通过以下方程计算预测空间n内下一时刻的控制信号输出值：

22、

23、其中，xt+n和ut+n-1分别表示夹爪在t+n时刻的状态矩阵以及t+n-1时刻输入的控制信号量。

24、进一步地，步骤s4中，所述目标函数表示为：

25、

26、其中，rn为参考输入，mp和mt为可选参数，q、ru、为权重系数。

27、进一步地，步骤s6中，若新模型与当前加载的夹爪模型存在模型误差，且模型误差连续k次超过误差阈值e，则将振动控制器中夹爪模型替换为新模型；所述模型误差d的计算公式为：

28、d＝ynew-yold

29、其中，ynew为新模型的系统输出，yold为当前加载的夹爪模型的系统输出。

30、本发明的有益效果：

31、(1)致动器直接作用于振动产生点，传递链路较短，因此可以直接控制振动源，而不会对其他零部件产生负面影响。

32、(2)本发明使用感知阵列在多个点位全面感知夹爪的状态，并利用阵列对夹爪在多个点位抑制振动，可以处理夹爪不同位置振动情况和抑制需求不一致的问题。

33、(3)通过控制算法，本发明可以处理传感器或致动器有效范围内的各种频率的振动，并对不同模态的振动具有良好的抑制效果，使得本发明在抑制不同类型的振动时具有很高的适应性。

34、(4)本发明的主动控制电路响应速度快，能够实时感知和响应振动变化，迅速抑制振动，提高系统的精度和稳定性。

35、(5)通过基于模型的控制方法，结合在线系统辨识和自主调整控制系统的方式，可以实时适应系统变化，并能针对变化调整控制系统，在不同环境下达到最佳振动抑制效果，无需人工介入依靠调整结构或参数的方式来适应环境变化。

36、(6)本发明的系统结构设计紧凑，体积小，并具有高集成度，这使得它在实际应用中占用空间少，同时适用于真空环境，满足特殊工作环境的需求。

37、综合而言，本发明通过直接作用于振动源、处理多频率和不同模态振动、快速响应和高效抑制振动、自主工作适应多种环境，以及小体积、高集成度和适用于真空环境等优点，能够有效解决振动控制问题，并提高系统的精度和稳定性。