专利名称：一种化学机械抛光传输机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别涉及一种化学机械抛光传输机器人系统。
背景技术：
半导体制造装备中，其内部专用的自动物料处理设备是晶圆传输机器人。传输机器人需满足传输速度与粗、精加工速度同步，抓取装置不损伤晶片，不带来新的污染，传输中无冲击和震动等要求。由抛光机的要求，研发一种专用的传输机器人是必要的。国外公司和研究机构在传输机器人及其关键技术的研究与开发，取得了丰硕的成果，并形成了完整的产品体系。但国内传输机器人的研究和开发相比于国外较落后，在精密自动传输人系统方面的研究也很少。目前，应用在国内IC生产线上的自动传输人系统几乎全部是从国外进口，而且国内的传输机器人在稳定性、可靠性和自动化程度上与国际水平有一定差距。掌握核心技术，相关研究成果在实际生产制造中得以应用，实现传输机器人产品的自主化，以替代维护不便且价格贵的进口产品。相关技术还可移植到其他IC装备中及设备间的晶圆传输上，具有一定扩展性。IC设备中对机器人的控制精度要求非常高，由于传输机器人系统是高度非线性动态系统，加之摩擦、载荷变化及其他不确定干扰存在，使传输机器人系统的精确控制是一个难点。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别提出一种化学机械抛光传输机器人系统，该系统可以有效降低对负载控制算法的计算负担，满足机器人实现多项任务研究的要求，且具有较高的通用性高。为达到上述目的，本发明的实施例提供一种化学机械抛光传输机器人系统，包括执行机构，所述执行机构包括机器人本体和支撑装置，其中所述机器人本体包括手爪，所述手爪用于取放晶圆；手爪翻转机构，所述手爪翻转机构与所述手抓相连用于驱动所述手爪翻转；小臂体，所述小臂体与所述手爪相连用于带动所述手爪旋转；大臂体，所述大臂体与所述小臂体相连用于带动所述小臂体旋转；和套筒，所述套筒用于支撑所述大臂体且驱动大臂体旋转；其中所述支撑装置包括直线导轨滑台，所述直线导轨滑台用于支撑所述机器人本体；和导轨丝杠，所述导轨丝杠设在所述直线导轨滑台上且与所述套筒相连，用于驱动所述机器人本体沿所述导轨丝杠前后移动；检测器，所述检测器设在所述执行机构上， 用于检测所述执行机构的工作状态参数以生成检测信息；控制装置，所述控制装置分别与所述执行机构和所述检测器相连，用于控制所述手爪的运动位移和运动角度，所述控制装置包括上位控制器、主控制器、运动控制器、多个伺服驱动器、多个电机和多个编码器，其中，所述上位机控制器用于接收用户输入的操作指令；多个所述编码器分别与所述运动控制器、多个所述伺服驱动器和多个所述电机相连，每个所述编码器用于检测相应的所述电机的状态信息，并将相应的状态信息反馈给对应的伺服驱动器以及所述运动控制器；所述主控制器分别与所述上位机控制器和所述运动控制器相连，用于根据所述操作指令和所述检测信息生成所述执行机构的运动指令，并将所述运动指令发送给所述运动控制器，所述运动控制器分别与所述检测器、所述主控制器和多个所述编码器相连，用于按照预设控制算法计算电机控制量；多个所述伺服驱动器与所述运动控制器相连，其中，每个所述伺服驱动器用于根据相应的所述电机控制量计算相应电机的控制转矩；多个电机分别与所述多个伺服驱动器和所述执行机构相连，其中，每个所述电机用于在相应的控制转矩的控制下驱动所述执行机构运动。根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统具有以下优点第一，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统兼有传输机器人的离散时间动作决策问题和连续时间的运动控制问题，可用于对机器人学、机械学以及控制科学领域交叉的综合研究。第二，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统在保留现有传输机器人的原有优点基础上，具有新的应用价值。具体地，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统是一种与工程实际问题联系紧密，实用价值较高的研究、生产设备。该系统中电器结构及控制方法可广泛应用在IC设备的传输系统中，也可用在其他IC设备上。第三，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统中的电气系统采用层式结构，各级控制器各司其职，使得机器人的处理性能更加强劲，能够有效降低应对复杂控制算法时的计算负担，能满足机器人实现多用任务研究的要求。此外，分层结构使得硬件系统具有良好的扩展能力。第四，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统中的电气系统既有 PC (Personal Computer,个人电脑)系统,也包括嵌入式系统,而且在其PC系统中能直接开发各嵌入式系统的应用软件。用户在连接鼠标、键盘等I/O设备后，在机器人系统上直接开发多种硬件系统的程序，既方便了开发，又能够实践多种硬件体系的软件开发过程。第五,本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统配备光电、真空、压力以及视觉传感器系统，使得机器人可实现视觉识别功能。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的主视图；图2为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的后视图；图3为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的局部视图；图4为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统结构图；图5为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的控制装置框图；图6为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的电气实施图；图7为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的电气结构框 图8为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的化学机械抛光双臂传输机器人系统电源结构框图；图9为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的主程序流程图10为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统SCI接收中断程序的流程图;
阅图11为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统PID结合LQ控制结构图;
图12为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统LQ控制结构图13为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的PID结合LQ控制流程图14为根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统的LQ控制流程图15为水平从0到Im位置、速度及转矩曲线；
图16为上升从0到0. 33m位置、速度及转矩曲线；
图17为从0度旋转到90度时角度、角速度及位置曲线；
图18为从0度旋转到90度时转矩曲线；
图19为从90度伸展到0度时角度、角速度及位置曲线；
图20为从90度伸展到0度时转矩曲线；
图21为整体LQ水平位置及转矩图22为整体LQ水平速度图23为整体LQ升降位置及转矩图24为整体LQ升降速度图25为整体LQ旋转角度图26为整体LQ旋转角速度图27为整体LQ旋转转矩图28为整体LQ伸缩角度和位置图29为整体LQ伸缩角速度图；以及
图30为整体LQ伸缩转矩图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。下面参考图I至图14描述根据本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统。本发明实施例提供的化学机械抛光传输机器人系统的功能包括在IC设备中的晶圆(硅片、 铜片)的传输，以及能够进行，水平、升降、旋转等运动。其中，上述运动可以为机器人按照行为决策规则自主智能行为，也可以是按照用户及时下达的操作指令运动。如图I至图3所示，本发明实施例提供的化学机械抛光传输机器人系统，包括执行机构和控制装置，其中，执行机构包括机器人本体和支撑装置。机器人本体包括多个手爪4、多个手爪翻转机构3、多个小臂体2、多个大臂体I和套筒5。化学机械抛光传输机器人系统包括两个手爪4，每个手爪4用于取放晶圆。其中， 手爪4可以采用陶瓷或带有真空吸盘的阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙两种方式实现。 可以理解的是，手爪4为两个仅是处于示例的目的，手爪4的数量不限于此。根据化学机械抛光过程的需要，手爪4还可以设置为其他数量。手爪翻转机构3与手爪4的数量相同。每个手爪翻转机构3与一个手爪4相连， 用于驱动该相连的手爪4翻转。其中，手爪翻转机构3固连在小臂体2上且保持相对静止， 手爪翻转机构3与末端执行器手爪4之间以联轴器连接，再与手爪(4)紧固。在本发明的实施例中，手爪翻转机构3采用交流转动伺服电机带动同步带方式以驱动末端手爪4的运动。其中，手爪翻转机构3的材料可以为阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙。每个小臂体2与一个手爪4相连，用于带动该手爪4旋转。其中，小臂体2可以通过同步带轮系带动手爪4旋转。在本发明的一个实施例中，小臂体2采用阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙，通过同步带轮系驱动末端执行器手爪4旋转运动。每个大臂体I与一个小臂体2相连，用于带动小臂体2旋转。其中，大臂体I可以通过同步带轮系带动小臂体2转。在本发明的一个实施例中，大臂体I可以采用阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙，并通过第一同步带轮系驱动小臂体2执行旋转运动。套筒5用于支撑大臂体I且驱动大臂体I旋转。其中，套筒5为内外套筒且具有升降台，内外套筒为圆筒式结构，内部立柱和交叉辊子轴承为主支撑，固联小臂体I。在本发明得到一个实施例中，套筒5采用阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙，负责提供将动力传送给机器人的大臂体1，其次为机器人臂体提供支撑。其中，套筒5可以采用以外径15mm导程20的BNK1520-3丝杠为基本的定制导轨，从而为传输机器人提供升降移动载体，内外套筒5采用阳极氧化的硬铝铝合金支撑臂体。在本发明的另一个实施例中，在套筒5上设置有串口 11、CAN 口 12、网络接口 13和电源接口 14。支撑装置包括直线导轨滑台6和导轨丝杠7。其中，直线导轨滑台6为紧固水平架，用于支撑机器人本体。在本发明的一个实施例中，直线导轨滑台6可以采用阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙，提供机器人本体的支撑和固定。直线导轨滑台6上内切入固定水平导轨丝杠7，将与化学机械抛光系统机台固定。导轨丝杠7位于直线导轨滑台6上且与套筒5相连，用于驱动机器人本体沿导轨丝杠7前后移动。其中，导轨丝杠7可以采用型号为BNFN-DKN4020-3的丝杠为基本的定制导轨，其中，该导轨丝杠I的外径为40mm，导程为20。在本发明的一个实施例中，导轨丝杠7与套筒5通过齿的啮合连接。在本发明的一个实施例中，执行机构还包括支架8和拍照装置，其中，支架8与直线导轨滑台6固定相连，为立柱式支架。拍照装置安装在支架8上，用于监控执行机构的运动。其中，支架8可以采用阳极氧化的硬铝铝合金再渡特氟龙。在本发明的一个示例中，拍照装置为双目摄像头。在本发明的又一个实施例中，执行机构还包括多个缓冲支柱10。其中，缓冲支柱可以为两个，可以分别安装在直线导轨滑台6前内侧壁和后内侧壁上。缓冲支柱10可以防止机器人本体与支架8发生碰撞，起到缓冲保护作用。在本发明的一个示例中，缓冲支柱10的材料可以为硅胶。在本发明的一个实施例中，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统可以包括至少套执行机构。例如，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统可以包括两套执行机构，四个卡爪4。检测器设置在执行机构上，用于检测执行机构的工作状态参数以生成检测信息。 在本发明的实施例中，检测器包括光电传感器15、压力传感器16、真空传感器17、声纳传感器9和视觉传感器。光电传感器15固定在手爪4的一个表面上，用于检测机器人本体取放的晶圆的位置信息，从而通过对晶圆的扫描以确定其位置。在本发明的一个实施例中，光电传感器15 新式光电芯片，可以增强抗干扰性。其中，光电传感器15的型号可以为欧姆龙光电传感器 E3S-5E4。压力传感器16固定在手爪4的一个沟槽中，用于检测晶圆的吸附状态，即通过力量反馈信息对晶圆进行在位检测，以检测晶圆是否压紧。其中，压力传感器16的型号可以为 HM20-1-A1-F1-L2。真空传感器17贴附在手爪4的末端上，用于检测晶圆的在位信息和抓取压力信息。其中，真空传感器17的型号可以为ZSE30A-01-N-L。声纳传感器9嵌于套筒5上，用于通过检测机器人本体与障碍物距离信息以屏蔽机器人本体外部的干扰。视觉传感器与机器人本体相连，用于检测执行机构工作过程中的图像信息。其中， 视觉传感器可以为基于PC/104-PLUS结构的图像采集卡DH-CG320。视觉传感器可进行高质量彩色/黑白视频信号实时采集，并通过PCI总线传送到主板内置的VGA卡上实时显示或传送到计算机内存中实时存储，以及500万像素网络摄像头，方便直接与USB接口相连接。控制装置分别与执行机构和检测器相连，用于控制手爪4的运动位移和运动角度。其中，控制装置包括上位控制器27、主控制器28、运动控制器20、多个伺服驱动器21、 多个电机22和多个编码器24。如图4至图6所示，上位机控制器27用于接收用户输入的操作指令。其中，操作指令包括程序存储的动作顺序表、动作指令、任务式指令。操作指令可以为即时指令也可以为上位机控制器27预存的指令。其中，预存指令包括程序存储的动作顺序表、动作指令、 任务式指令。在本发明的一个示例中，上位机控制器27可以为2套数字运算操作电子系统的 PLC (Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)。例如西门子 S-300 (21)。西门子PLC满足小规模性能要求的S7-300系列，具有体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高的特定。上位机控制器27采用模块化结构，具备高速的指令运算速度、浮点数运算方式、方便的人机界面、多级口令保护，并且提供通信组态功能，组态非常容易、简单，并且具有多种不同的通信接口，可连接AS-I总线接口、工业以太网总线系统、点到点的通信系统、编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。在本发明的一个实施例中，控制装置还包括数据转换器31，其中，数据转换器31 分别与主控制器28和上位控制器27相连，用于将上位控制器27输出的数据进行格式转换以生成适于主控制器28的数据。上位机控制器27与主控制器28间的数据转换器31为2套串口数据转化为 PR0FIBUS-DP 的 DP 即 Decentralized PeripheryDP 数据转换器 PB-B-RS232 (22)。上位机控制器27可以实现PR0FIBUS到RS232协议总线桥，将具有RS232专用通信协议的接口设备连接到PR0FIBUS总线上，使设备成为PR0FIBUS总线上的一个从站。该设备与PR0FIBUS主站互连方便且使用简单、方便自主编程实现连接通信，并且具有透明的通信，可实现PR0FIBUS 主站与RS232设备之间同喜报文的透明传输。编码器24可以为多个，分别与运动控制器20、多个伺服驱动器21和多个电机22 相连，每个编码器24用于检测相应的所述电机的状态信息，并将相应的状态信息反馈给对应的伺服驱动器24以及运动控制器20。主控制器28分别与上位机控制器27和运动控制器20相连，用于根据操作指令和检测信息生成执行机构的运动指令，并将运动指令发送给运动控制器20。主控制器28进一步与继电器控制板相连，继电器控制板进一步与推动气缸和真空发生器相连以控制推动气缸和真空发生器的工作。在本发明的一个示例中，主控制器28为2套嵌入式计算机系统，例如，型号可以为 PCI04主板PCM-3343。该系统是一款无风扇标准尺寸96mm*90mm的PCI04架构，采用最新 SOC (system on a chip)单一芯片集合多种功能模块，具有超低功耗DM&P的PCI04CPU模块，板载1.06取￥01^61860乂处理器，2561 DDR II内存，集成显卡、声卡，提供各种接口，并且配有东芝抗震硬盘MK4036GAC，存储容量40GB，工作中可抗最大2. OG振动及200G瞬时冲击。运动控制器20分别与检测器、主控制器28和多个编码器24相连，用于按照预设控制算法计算电机控制量。其中，预设控制算法为线性二次型最优控制算法或比例-积分-微分PID结合线性二次型最优控制算法。在本发明的一个示例中，运动控制器20可以为2套DSP (Digital Signal Processor,数字信号处理器)，例如DSP2812。运动控制器20选用DSP2812EVM系统板，该系统的处理器采用TMS320F2812DSP，系统为5V直流供电，配有ICETEK-5100USB仿真器， USB2. 0 接口。在本发明的一个实施例中，运动控制器20包括动作发生器和决策控制器。动作发生器与检测器25相连，用于检测检测器25反馈的检测信息，并将检测信息发送给主控制器28。其中，动作发生器的设计方法包括查表、模糊逻辑和专家系统算法等。决策控制器用于接收并解析所述运动指令以得到所述传输机器人的目标运动位移和目标运动角度，以及接收来自编码器24的当前运动位移和当前运动角度，并将当前运动位移和当前运动角度与目标运动位移和所述目标运动角度进行比较以得到当前位移误差和当前角度误差，根据当前位移误差和所述当前角度误差计算多个伺服驱动器21的多个电机控制量。其中，决策控制器的设计方法包括查表、模糊逻辑、专家系统算法。在本发明的一个实施例中，运动控制器20的设计方法包括闭环极点配置、比例-积分-微分PID、线性二次型LQ最优控制、PID结合LQ控制算法。多个伺服驱动器21与运动控制器20相连。其中，每个伺服驱动器21用于根据初始电机控制量或电机控制量计算相应电机的控制转矩。在本发明的一个示例中，伺服驱动器21为6套安川电机伺服驱动器，可以通过电机反馈实现电机22的力矩和速度控制，即伺服驱动器21通过电机电枢电流反馈闭环，实现电机22的速度控制。如图4所示，多个伺服驱动器21包括R向驱动器、9向驱动器、Z向驱动器和Y向驱动器。安川伺服驱动器采用了速度观测控制，使电机的速度波动大幅度减低，低速下亦可平滑运转。SGMJV-01ADA61电机配S⑶V-R90A01A002000伺服驱动器、SGMJVA-5AAA61配 S⑶V-R70A01A002000伺服驱动器，Yaskawa安川伺服自动测定机械特性，设置所需要的伺服增益。Yaskawa安川伺服驱动器可以自动判别伺服电机的功率、规格、自动设定Yaskawa 安川伺服电机参数。安川伺服利用参数切换可分别使用转矩、位置、速度控制，对目标电机进行伺服控制。安川伺服驱动器可通过面板以及USB与PC系统通信，进行工作模式和控制器参数的设定。多个电机22分别与多个伺服驱动器21和执行机构相连。其中，每个电机22用于在相应的控制转矩的控制下驱动执行机构运动。多个电机22包R向电机、0向电机、Z向电机和Y向电机。在本发明的一个实施例中，电机22为交流电机，且电机22可以为中惯量小容量的高精度安川交流电机，该电机为带减速器的伺服型交流电机，具有高功率快速响应率。其中，多个电机包括6个中惯量小容量的交流电机，分别为2个水平移动电机、2个垂直移动电机和2个旋转运动电机。其中，水平移动电机用于驱动执行机构将承载的晶圆在水平方向上运动以产生水平位移，升降移动电机用于驱动执行机构将晶圆在竖直方向上运动以产生升降位移，旋转移动电机用于驱动执行机构将晶圆进行旋转运动以产生旋转角度。
在本发明的一个实施例中，电机22选用Yaskawa安川公司的伺服型交流电机，具有高功率快速响应率适用于小惯量大转矩输出，功率为100W的SGMJV-01ADA61、功率为50W 的SGMJVA-5AAA61，电机为单相200V供电，最高转速为6000转/min，额定转速为3000转/ min，配备25 1日本新宝减速机VRSF-25B-100的行星齿轮减速器，最大输出转矩分别为， 3. 975和7. 95Nm，电机末端配20位绝对值编码器。本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统还包括显示屏18，其中，显示屏 18用于显示检测器25的检测信息和用户输入的操作指令。在本发明的一个实施例中，显示屏采用防尘的电阻式触摸屏，能在恶劣的环境下运作。主板芯片组采用低电压，低功耗工业主板，低噪音的风扇设计、适合安静环境下运行支持24位双屏显示，支持VGA输出。在本发明的又一个实施例中，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统还包括报警装置19，其中报警装置19用于在检测信息或操作指令有误时，发出报警信号。其中， 报警装置19可以为一对功率为2W的无源扬声器单元。如图7所不,在本发明的再一个实施例中，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统还包括指示灯40，用于为系统各个控制单元提供系统启动指示。在本发明的实施例中，本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统包括AC/DC 电源转换模块38，用于将交流电压转换为直流电压。其中，AC/DC电源转换模块38的型号可以为HS-60T。执行机构的电源为220V交流电，AC/DC电源转换模块38将220V交流输入转为5V、 12V和24V直流输出，用于相关设备供电。选用交流220V输入的型号HS-60T的AC/DC电源转换模块，其ATX电源适配器(39)，输出ATX/AT接口电源，方便直接的ATX接口为主控制器 28、硬盘存储器、触摸屏背光升压板直接供电。如图8所不,本发明实施例的化学机械抛光传输机器人系统还包括电源稳压模块 44和电压转换模块45。其中，电源稳压模块44用于为传输机器人系统中交流电机22提供稳定的电压，电压转换模块用于为传输机器人系统中主控制器28、硬盘存储器、触摸屏背光升压板直接供电。化学机械抛光传输机器人的运动控制方法，属于一个三闭环的控制系统，包括外环的传输机器人的主控制环、中间环的传输机器人的运动控制环、内环的电机伺服控制环。外环上位机控制器27接收视觉传感器信息，主控制器28接收来至上位机控制器 27以及液晶触摸屏18的指令信息，定时参照用户操作指令和传感器反馈信息，通过决策控制来决定施行指定位置送取片运动，需将机器人水平移动、升降、旋转命令，下达给运动控制器20。运动控制器20计算出控制量发送给伺服驱动器21上，伺服驱动器21控制交流电机22运动。电机带动执行机构按指定方式运动，视觉传感器26将机器人运动信息反馈回上位机控制器27，可对机器人进行工作状态的监测。中间环运动控制器20执行主控制器28指令，机器人水平移动方向由电机编码器 24反馈回信号，与指定位移量比较得到误差量，调节机器人到指定位置。机器人升降移动方向由电机编码器24反馈回信号，与指定位移量比较得到误差量，调节机器人到指定高度位置；机器人旋转移动方向由光电、真空、压力传感器以及读取的电机编码器24反馈信号，与指定位移比较得到误差量，根据误差量，运动控制器20按预定的运动控制算法，计算出交流电机的控制量，发送给伺服驱动器21执行，伺服驱动器21控制交流电机22动作，电机通过带动执行机构，使机器人本体旋转到指定角度。内环伺服驱动器21执行运动控制器20指令，通过读取编码器24的反馈信号，分别与水平移动、升降移动及旋转运动的指定位置比较得到误差量，根据误差信号，伺服驱动器21按照PI (Proportion Integral)控制算法计算电机控制量,控制交流电机22运动，电机22通过带动执行机构，使执行机构旋转到指定角度。具体而言，主控制器28经过数据转换器31、串口以及USB 口，由运功控制器20和上位机控制器27读取各个传感器反馈的检测信息和用户的操作指令，并且显示在液晶触摸屏18上，当检测信息或用户的操作指令有误时，通过扬声器19报警，主控制器28接收来至上位机控制器27以及液晶触摸屏18的指令信息，定时参照用户操作指令和传感器反馈信息，通过决策控制来决定施行指定位置送取片运动，需将机器人水平移动、升降、旋转、伸缩命令，下达给运动控制器20。运动控制器20执行主控制器28指令，机器人水平和升降移动方向由电机编码器 24反馈回信号，调节机器人到指定位置；机器人旋转移动方向由光电、真空、压力传感器以及读取的电机编码器24反馈信号，根据误差量，运动控制器20按预定的运动控制算法，计算出交流电机的控制量，发送给伺服驱动器21执行。机器人伸缩移动方向由读取的电机编码器(24馈信号，根据误差量，运动控制器20按预定的运动控制算法，计算出交流电机的控制量，发送给伺服驱动器21行。伺服驱动器21执行运动控制器20指令，通过读取编码器24 的反馈信号，根据误差信号，伺服驱动器21按PI (Proportion Integral)控制算法计算电机控制量，控制交流电机22动，通过电机带动执行机构使机器人旋转到指定角度。视觉传感器26将机器人运动信息反馈回上位机控制器27，可对执行机构进行工作状态的监测。、在本发明的一个实施例中，运动控制器20的程序可以采用TI (Texas Instruments)公司的CCS(Code Composer Studio)软件开发,并通过烧写固化在存储单元中。程序以SCI (Serial Communication Interface)接收中断的方式接收主控制器28的控制命令，以IOms定时中断的方式实现传输机器人运动的实时控制，并在每次定时中断后向主控制器28发送状态数据。其中，定时中断的优先级高于SCI接收中断优先级。图9示出了主程序的执行流程。步骤S901，系统初始化，完成程序使用的变量的初始化和配置DSP各寄存器状态， 主要配置控制中所需的10端口和A/D通道、SCI。具体地，设定波特率19200、8位数据位、 无奇偶校验、I位停止位、使能收发FIFO缓冲等。步骤S902，向伺服驱动器发送使能信号步骤S903，使能SCI接收端口 RX、Tl定时中断、SCI接收中断;步骤S904，进行无限循环等待中断到来，在每次循环中，判断定时中断程序运行标志变量Flag是否为1，如果不为I则无操作，否则执行步骤S905。步骤S905，将x，x，z，z，0,9,0 1，01的数值按照串口通信协议经串口发送到主控制器28。步骤S905，将 Flag 置为 O。当SCI的接收FIFO缓存区一个字节时将产生中断，在CPU响应该中断后，保存当前程序数据信息，然后转入SCI接收中断程序。图10示出了 SCI接收中断程序的流程。步骤S1001，SCI接收中断程序。
步骤S1002，SCI接收中断关闭。步骤S1003，读取接收FIFO缓存中的一个字节数据。步骤S1004，判断该字节是否为数据包结束，如果为否，则存储该字节数据，返回步骤S1003续读取下一个字节，如果为是，则执行步骤S1005。步骤S1005，判断该数据包的长度是否正确，若不正确，则放弃该数据包，执行步骤 S1007，否则执行步骤S1006。步骤S1006，解析该数据包中数据，获得x，x，z，z，9 ,9, 01，01的数值并存储。步骤S1007，清空接收FIFO缓存。步骤S1008，打开SCI中断，退出中断程序。下面分别对两种预设控制算法的控制流程进行描述。首先，结合图11和图13对PID结合线性二次型LQ最优控制算法的控制流程进行描述。水平移动位置控制器kdl和kpl，根据位置误差和速度误差计算出水平移动的控制量U1，加到伺服控制器上得到电机控制转矩T 10升降运动位置控制器kd2和kp2，根据位置误差和速度误差计算出升降移动的控制量U2，加到伺服控制器上得到电机控制转矩T 2。 旋转运动转矩控制器kd3和kp3，根据角度误差和角速度误差计算出旋转的控制量U3，加到伺服控制器上得到电机控制转矩t3。伸缩运动转矩控制器kd4和kp4，根据角度误差和角速度误差计算出伸缩的控制量U4，加到伺服控制器上得到电机控制转矩t4。平移动位置控制器、升降运动位置控制器以及旋转运动控制器的设计选用ro控制算法，伸缩运动控制器的设计选用LQ控制算法。其中在仿真系统中经过大量的调试结果获得，kpl = 83750，kdl =1，kp2 = 21249，kd2 = 1，kp3 = 876，kd3 = 10，kp4 = 11. 5878，kd4 = 4. 1638。下面结合图13对本发明实施例的PID结合LQ优化控制系统的控制流程进行描述。S1301,参数初始化,包括 ml, m2, m3, m4, m5, m6, L, g, r, d, SL, Js, T, x0, xd, k, n 及
机器人系统的参数等。其中，ml为大臂质量，m2为小臂质量，m3为卡爪质量，m4为旋转连接件质量，m5为升降台质量，m6为底座质量，L为大臂、小臂、卡爪的长度，d为丝杠的外径， SL为丝杠的导程，Js为减速器比。
0130]S1302，判断是否水平控制。0131]S1303，设定比例PID控制参数(kpl, kvl)。0132]S1304,由当前状态量及期望状态量计算得位移误差、速度误差。0133]S1305,由PID参数及误差量，获得k时刻控制转矩U (k)。0134]S1306，变量转换。0135]S1307，将输入控制量U(k)施加到非线性CMP传输机器人。0136]S1308，产生新的k+1时刻的状态量x(k+l)。0137]S1309，判断速度是否大于限定速度。0138]S1310，速度等于限定速度。0139]S1311，判断是否结束次数n是否完成。0140]S1312，判断是否升降控制。0141]S1313，设定比例PID控制参数(kp2，kv2)。0142]S1314，由当前状态量及期望状态量计算得位移误差、速度误差。0143]S1315，由PID参数及误差量，获得k时刻控制转矩U (k)。0144]S1316，变量转换。0145]S1317，将输入控制量U(k)施加到非线性CMP传输机器人。0146]S1318，产生新的k+1时刻的状态量z (k+1)。0147]S1319，判断速度是否大于限定速度。0148]S1320，速度等于限定速度。0149]S1321，判断是否结束次数n是否完成。0150]S1322，判断是否旋转控制。0151]S1323，设定比例PID控制参数(kp3，kv3)。0152]S1324，由当前状态量及期望状态量计算得角度误差、角速度误差。0153]S1325，由PID参数及误差量，获得k时刻控制转矩U (k)。0154]S1326，变量转换。0155]S1327，将输入控制量U(k)施加到非线性CMP传输机器人。0156]S1328，产生新的k+1时刻的状态量y (k+1)。0157]S1329，判断速度是否大于限定速度。0158]S1330，速度等于限定速度。0159]S1331，判断是否结束次数n是否完成。0160]S1332，判断是否伸缩控制。0161]S1333，定义系统相关矩阵函数 A(k)，B(k)，C(k)，D(k)，Q(k)，R(k)等。0162]S1334，求解Riccati方程，获得反馈矩阵K (k)。0163]S1335，求出k时刻的最优输入控制量u* (k)。0164]S1336，变量转换。0165]S1337，将输入控制量U*(k)施加到非线性CMP传输机器人上。0166]S1338，产生新的k+1时刻的状态量xy (k+1)。0167]S1339，判断是否结束迭代次数n是否完成。0168]图15为水平从0到Im位置(position)、速度(speed)及转矩(force)曲线，其
中，A为位置曲线，B为转矩曲线，C为速度曲线。图16为上升从0到0. 33m位置、速度及转矩曲线，其中，A为位置曲线，B为转矩曲线，C为速度曲线。图17为从0度旋转到90度时角度(e I)、角速度(e Ispeed)曲线，其中，D为角度曲线，E为角速度曲线。图18为从0 度旋转到90度时转矩曲线；图19为从90度伸展到0度时角度、角速度及位置曲线，其中， A为位置曲线，D为角度曲线，E为角速度曲线。图20为从90度伸展到0度时转矩曲线。然后，结合图12和图14对线性二次型LQ最优控制算法的控制流程进行描述。由LQ最优控制获得系统状态增益矩阵K，水平移动控制器kl和k2，计算出水平移动的控制量U1，加到伺服控制器上得到电机控制转矩Tltj升降运动控制器k3和k4，计算出升降移动的控制量U2，加到伺服控制器上得到电机控制转矩t2。旋转运动控制器k5和 k6，计算出旋转的控制量U3，加到伺服控制器上得到电机控制转矩T 3。伸缩运动控制器kd4 和kp4，计算出伸缩的控制量U4，加到伺服控制器上得到电机控制转矩t4。其中，平移动控制器、升降运动控制器、旋转运动控制及伸缩运动控制的设计选用线性二次型LQ最优控制算法。首先，将传输机器人该非线性系统，通过解耦处理(泰勒级数展开，并取到高阶次相)，获得传输机器人的线性状态方程，并将其分解为水平移动、升降运动以及旋转运动三个单输入子系统。根据传输机器人的机械系统的特点和参数，建立其数学模型，线性化处理获得线性状态空间方程X = AX+ BuY = CX+Du其中，X= [x X z z 0 OOi ^Jt . Y = [x z 0 0 Jt, u = [ t , x 9 x ^ x 4]T,
权利要求
1.一种化学机械抛光传输机器人系统,其特征在于,包括执行机构，所述执行机构包括机器人本体和支撑装置，其中所述机器人本体包括手爪，所述手爪用于取放晶圆；手爪翻转机构，所述手爪翻转机构与所述手抓相连用于驱动所述手爪翻转；小臂体，所述小臂体与所述手爪相连用于带动所述手爪旋转；大臂体，所述大臂体与所述小臂体相连用于带动所述小臂体旋转；和套筒，所述套筒用于支撑所述大臂体且驱动大臂体旋转；其中所述支撑装置包括直线导轨滑台，所述直线导轨滑台用于支撑所述机器人本体；和导轨丝杠，所述导轨丝杠设在所述直线导轨滑台上且与所述套筒相连，用于驱动所述机器人本体沿所述导轨丝杠前后移动；检测器，所述检测器设在所述执行机构上，用于检测所述执行机构的工作状态参数以生成检测信息；控制装置，所述控制装置分别与所述执行机构和所述检测器相连，用于控制所述手爪的运动位移和运动角度，所述控制装置包括上位控制器、主控制器、运动控制器、多个伺服驱动器、多个电机和多个编码器，其中，所述上位机控制器用于接收用户输入的操作指令；多个所述编码器分别与所述运动控制器、多个所述伺服驱动器和多个所述电机相连， 每个所述编码器用于检测相应的所述电机的状态信息，并将相应的状态信息反馈给对应的伺服驱动器以及所述运动控制器；所述主控制器分别与所述上位机控制器和所述运动控制器相连，用于根据所述操作指令和所述检测信息生成所述执行机构的运动指令，并将所述运动指令发送给所述运动控制器，所述运动控制器分别与所述检测器、所述主控制器和多个所述编码器相连，用于按照预设控制算法计算电机控制量；多个所述伺服驱动器与所述运动控制器相连，其中，每个所述伺服驱动器用于根据相应的所述电机控制量计算相应电机的控制转矩；多个电机分别与所述多个伺服驱动器和所述执行机构相连，其中，每个所述电机用于在相应的控制转矩的控制下驱动所述执行机构运动。
2.如权利要求I所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，所述运动控制器包括动作发生器，所述动作发生器与所述检测器相连，用于检测所述检测器反馈的所述检测信息，并将所述检测信息发送给所述主控制器；决策控制器，所述决策控制器用于接收并解析所述运动指令以得到所述传输机器人的目标运动位移和目标运动角度，以及接收来自所述编码器的所述当前运动位移和当前运动角度，并将所述当前运动位移和当前运动角度与所述目标运动位移和所述目标运动角度进行比较以得到当前位移误差和当前角度误差，根据所述当前位移误差和所述当前角度误差计算多个所述伺服驱动器的多个电机控制量。
3.如权利要求I或2所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，所述预设控制算法为线性二次型最优控制算法或比例-积分-微分PID结合线性二次型最优控制算法。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，当所述预设控制算法线性二次型最优控制算法时，所述决策控制器还用于根据对所述当前运动位移和所述当前运动角度进行线性化处理以得到当前时刻的第一系统矩阵和第二系统矩阵，并根据所述第一系统矩阵和所述第二系统矩阵判断系统是否可控。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光传输机器人系统,其特征在于,所述决策控制器在判断系统可控时，求解Riccati方程获得状态反馈增益矩阵K' (k)，其中，所述状态反馈增益矩阵K' (k)用于表示所述当前位移误差和所述当前角度误差，以及根据所述状态反馈增益矩阵K' (k)计算所述传输机器人的当前电机控制量。
6.如权利要求I所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，所述执行机构还包括支架，所述支架与所述直线导轨滑台固定相连；以及拍照装置，所述拍照装置安装于所述支架上，用于监控所述执行机构的运动。
7.如权利要求1-6中任一项所述的化学机械抛光传输机器人系统,其特征在于,所述执行机构还包括缓冲支柱，所述缓冲支柱分别安装在所述直线导轨滑台的前内侧壁和后内侧壁上。
8.如权利要求I所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，所述检测器包括: 光电传感器，所述光电传感器固定在所述手爪的表面上，用于检测所述机器人本体取放的晶圆的位置信息；压力传感器，所述真空传感器固定在所述手爪的沟槽中，用于检测所述晶圆的吸附状态；真空传感器，所述真空传感器贴附在所述手爪的末端上，用于检测所述晶圆的在位信息和抓取压力信息；声纳传感器，所述声纳传感器嵌于所述套筒上，用于检测所述机器人本体与障碍物距离信息；以及视觉传感器，所述视觉传感器与所述机器人本体相连，用于检测所述执行机构工作过程中的图像信息。
9.如权利要求I所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，所述控制装置还包括数据转换器，其中，所述数据转换器分别与所述主控制器和所述上位控制器相连，用于将所述上位控制器输出的数据进行格式转换以生成适于所述主控制器的数据。
10.如权利要求I所述的化学机械抛光传输机器人系统，其特征在于，在所述套筒上设置有串口、CAN接口、网络接口以及电源接口。
全文摘要
本发明提出一种化学机械抛光传输机器人系统，包括执行机构包括机器人本体和支撑装置，机器人本体包括爪、手爪翻转机构、小臂体、大臂体和套筒，支撑装置包括直线导轨滑台和导轨丝杠；检测器用于检测执行机构的工作状态参数以生成检测信息；控制装置用于控制手爪的运动位移和运动角度，包括上位控制器、主控制器、运动控制器、伺服驱动器、电机和编码器，上位机控制器用于接收用户输入的操作指令；编码器用于检测相应的电机的状态信息；主控制器用于生成执行机构的运动指令，运动控制器用于按照预设控制算法计算电机控制量；伺服驱动器用于计算相应电机的控制转矩；电机用于在相应的控制转矩的控制下驱动执行机构运动。
文档编号B24B37/34GK102581745SQ201210050639
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者何永勇, 周顺, 沈攀, 许振杰, 赵建伟, 路新春 申请人:清华大学