工件处理机器人

                      技术领域

本发明涉及用于在多种加工工具或一种加工工具和工件存放地点之间 传送诸如半导体晶片的工件的机器人，并具体地涉及一种具有坚固、可缩放 及容易构造的结构的精密工件处理机器人。

                      背景技术

工件处理机器人引入到半导体制造过程中代表了自动化领域超过手工 及早期用于在各种加工工具和/或工件存放位置之间移动晶片的传送设备的 明显的进步。传统的工件处理机器人的重要特征为能够从第一位置快速并精 确地接近工件，将其传送到笛卡尔空间内具有不同X、Y和Z坐标的新的位 置，并将其放下，而不会有损坏工件的风险。

为了实现这点，典型的机器人包括安装在基体内用于沿垂直轴移动的中 心支柱。一近端臂或连杆可转动地安装到支柱的上端，以及一远端臂或连杆 可转动地安装到近端连杆的相对端。该晶片处理机器人还包括枢转地连接到 远端连杆上用于支撑工件的端部操纵装置。并进一步提供了各种电机，这些 电机一般安装在基体内用于移动中心支柱，并用于转动近端连杆和远端连 杆，以便端部操纵装置可以受控地在立体空间内操纵。具体地，中心支柱传 统上包括一对叠置的同心轴。第一电机设置在基体内以垂直移动各轴，第二 电机设置在基体内用于通过外轴转动近端连杆，而第三电机设置在基体内用 于通过内轴转动远端连杆。

在传送诸如半导体晶片和平板显示器的工件时，重要的是机器人在相对 要被接近的工件的理想位置精确定位端部操纵装置及/或工件要被安放的位 置。对于目前的晶片存放和传送系统，即使在端部操纵装置的所期望位置处 的1/8″的误差也可能导致损伤或毁坏价值数千美元的工件。此外，即使在中 心轴内最小的位置偏差，通过传到端部操纵装置的误差累积，连杆或电机可 能会导致相当大的位置偏差。

设计能够满足这些精确公差及性能需求的机器人是困难的。虽然这些机 器人是公知的，但它们采用了制造昂贵且难于维护的复杂机构。对于这种机 器人的另一缺点在于它们一般构造成精确的规格，在不牺牲位置精度和性能 的前提下，不可能改变或缩放各种元件的长度或机器人的总体尺寸。这就对 于经常需要不同尺寸的元件的不同应用场合造成相当大限制。例如，200mm 和300mm的晶片制造对于晶片处理机器人提出明显不同的位置要求。因此， 理想的是能够缩放基体和/或支柱的长度，以用于更大的垂直行程，以及能够 缩放连杆以用于更大的水平范围。

                     发明内容

因此，本发明的一个优点是：提供一种具有精确定位精度和可重复性能 的晶片处理机器人。

本发明的另一优点是：提供一种具有简单结构及较少数量元件以利于容 易构造和维护的晶片处理机器人。

本发明的又一优点是：提供一种具有较长的平均故障时间的晶片处理机 器人。

本发明的另一优点是：提供一种具有多个可缩放元件的晶片处理机器 人。

本发明的再一优点是：提供一种能够在不利环境中工作并能够维持不同 于机器人周围环境的气氛的密封机器人。

这些和其它优点由本发明提供，本发明一般涉及一种改进的晶片处理机 器人，以用于晶片制造厂内在各加工工具和/或工件存放地点之间传输诸如半 导体晶片和平板显示器的工件。该机器人包括基体，该基体由刚性构架构 成，以用于给机器人提供很大程度的结构稳定性。该基体还包括支柱、用于 移动支柱的线性驱动系统和用于旋转支柱的肩台驱动器。该肩台驱动器包括 用于提供支柱部分的硬、平稳及精确的输出转速的谐波传动减速系统 (harmonic drive reduction system)。包括在线性和肩台驱动器中的各种元件预 装配在各电机中而形成一体化的结构。在机器人构造期间，这个特征允许电 机能够快速容易地安装到基体内。

机器人还包括牢固地安装到支柱上用于和支柱一起转动的近端连杆、以 及可转动地安装到近端连杆上的远端连杆。用于支撑各种工件的端部操纵装 置可转动地安装到远端连杆的远端。肘部驱动器安装到近端连杆上，向下延 伸入支柱部分内，用于驱使远端连杆相对近端连杆转动。扭矩通过围绕来自 肘部驱动器的主动轮和在远端连杆内的从动轮而缠绕的钢带从肘部驱动器 传递到远端连杆。类似地，扭矩经由分别围绕在远端连杆和端部操纵装置内 设置的滑轮而缠绕的第二组钢带从远端连杆传递到端部操纵装置。

根据本发明的机器人能够在理想位置精确定位机器人的端部操纵装 置，而同时具有简单、坚固和容易维护的结构。此外，机器人的各种元件可 以缩放到不同的尺寸以满足200mm和300mm的需求，以及其它应用。

                        附图说明

现在将参照附图对本发明进行描述，附图中：

图1是根据本发明的晶片处理机器人的透视图；

图2是图1所示的支柱和连杆充分伸展的晶片处理机器人的透视图；

图3是移去机器人盖板的机器人基体的透视图；

图4是示出支柱偏离基体倾斜成一角度的现有技术的视图；

图5示出了偏离基体倾斜成一角度并包括本发明的浮动密封的支柱；

图6A是根据本发明的线性驱动电机的剖面图；

图6B是根据本发明的线性驱动电机的透视图；

图7是根据本发明的支柱和肩台驱动器的剖面图；

图7A是根据本发明的支柱和肩台驱动器的透视图；

图7B是根据本发明的支柱顶部的放大透视图；

图8是根据本发明的支柱和肩台驱动器的剖面图；

图9A是根据本发明的近端连杆的透视图；

图9B是根据本发明的远端连杆的透视图；

图10是根据本发明的近端连杆及远端连杆的侧视图；

图11是根据本发明的近端及远端连杆的分解透视图；

图12是根据本发明的连杆和肘部驱动器的剖面图；

图12A是根据本发明的连杆和肘部驱动器的透视图；

图13是用于近端和远端连杆的旋转安装的另一实施例的侧剖面图；

图14A和14B是用于近端和远端连杆的旋转安装的又一实施例的侧剖 面图；

图15是根据本发明的远端连杆和端部操纵装置的侧视图。

                    具体实施方式

现在，将参照附图1-15描述本发明，本发明大体上涉及一种用于在多 个加工工具或一个加工工具和工件存放地之间传送工件的工件处理机器 人。应理解，要被本发明传送的工件可以由包括半导体晶片、分化板或平板 显示器的各种扁平的、平面的物体构成。或者，要被传送的工件可以包括用 于存放和传送一个或多个晶片、分化板或平板显示器的容器。根据本发明的 机器人可以在晶片加工厂内的各个位置工作，例如位于加工工具前端微环境 内，或者作为用于将工件传送到多个加工工具或在多个加工工具之间传送工 件的组件的一部分。此外，如在下面将详细描述的，本发明适于在各种晶片 加工环境中发挥作用，例如包括由腐蚀气体和/或液体构成的不利环境。应进 一步理解的是，根据本发明的机器人可以遵循所有可适用的SEMI标准并为 遵循该标准提供条件。

现在参照图1和图2，示出了根据本发明的机器人100，其包括基体102、 近端连杆104、远端连杆106以及端部操纵装置108。在基体102之内的立 柱116(示于图2中，而图1中未示出)能够沿垂直的Z轴移动进出基体102， 并且近端连杆、远端连杆及端部操纵装置都能够围绕它们在垂直于Z轴的X -Y平面内的相应旋转轴枢转。如此，端部操纵装置可以在机器人100的近 端在立体空间内操纵。

现在参照图1到3，基体102包括与构架112配合以确定一封闭并保护 基体内的元件的圆柱形壳体的弧形盖板100(在图3中移去了该盖板)。基体的 高度优选地约为271/2″，而其可以按比例缩放到不同的长度以覆盖用于支柱 标准的或扩展的垂直行程长度所需的200mm和300mm。

构架112优选由冲压的铝或类似的刚性材料制成，以赋予基体102较高 的结构刚性和稳定性。传统的晶片处理机器人没有诸如构架112的元件以给 基体提供结构刚性。在现有技术的结构中，除了外部壳体以外，在基体内的 若干元件用于提供结构刚性，例如，中心支柱内成对的轴，用于线性移动的 引导螺栓，甚至是用于机器人的控制电子元件安装于其上的印刷电路板。这 种现有技术结构的问题在于：基体元件之一的改变或调整将影响其它元件的 承载特性，以及影响基体的总体结构稳定性。现有技术的情形与调谐吉它类 似。改变一根弦的张力或音调将影响其它每根弦的张力和音调。在本发明 中，构架明显比基体内的任何元件都刚硬，且不依靠基体内的各种其它元件 提供结构上的稳定性。从而，基体内特定元件的改变或变化对基体内其它元 件不会有结构影响，并不会影响基体的总体稳定性。

此外，在特定应用中，理想的是将整个机器人安装在水平轨道上，以允 许机器人水平移动。在传统的机器人中，对于机器人可以安装到轨道上的何 处有严格的限制，以便其随着机器人沿着轨道移动而保持稳定。由于构架112 的强度和刚性，本发明的机器人可以在沿构架的任何位置上固定到轨道上， 而不会损害机器人的稳定性或性能。

如在图1到3中进一步示出的，基体102包括与构架112和盖板110的 顶部配合并固定的顶板114。顶板114包括中心孔115，通过该中心孔支柱 116伸展并移动，如下文所述。

本发明还包括如参照图4、5和8所说明的浮动密封118，以用于密封中 心孔115和支柱116的外径之间的交界面。如图4中现有技术所示出的，中 心支柱20的轴有可能相对垂直轴倾斜(为了清晰起见在图4和5中倾角被放 大示出)。在现有技术中，在这种情况下，随着支柱移动，例如向下移动到基 体22内，A处所示的密封的一侧将作用为用于中心支柱的承载面，而在B 处所示的密封的另一侧将与中心支柱分离。在这种情况下，密封可能会在位 置A处磨损，而颗粒及污染物将进入点B处的顶板和中心支柱之间。

本发明通过提供如图5和8所示的浮动密封118解决了这个问题。如下 文所述，提供了将支柱保持在垂直方向的元件，且支柱不可能偏离该直线。 然而，在例如由于机器人的振动而支柱116变得相对垂直轴线稍微倾斜的情 况下，随着支柱上下移动，密封118将“浮动”或径向移动，以防止密封作 为承载面并防止了顶板和支柱之间的空间。浮动密封118可以包括围绕支柱 116并与其接合的低摩擦、低磨损的环119。环119可以由特氟隆或超高分 子量的聚乙烯(UHMWPE)形成。环119被公知成份的柔软、闭合单元的泡沫 橡胶环121围绕，该橡胶环121固定到顶板上并允许环119按需径向移动以 适应支柱116的垂直移动。

支柱坐落并固定于肩台驱动器120(在下文有所解释)的旋转部分上，该 驱动器120又支撑在用于沿Z轴线性移动驱动器120和支柱116的线性驱动 器122上。尤其是，线性驱动器122包括肩台驱动器120在其内受到支撑的 托架124、用于垂直移动托架124的圆头螺旋丝杆126、以及用于转动圆头 螺旋丝杆126的电机组件128。另外，一对导轨127固定到构架112上，而 托架又通过辊可移动地固定到导轨127上。构架的结构刚性可确保线性驱动 器保持在完全垂直位置。托架124优选地由铝形成，且圆头螺旋丝杆126优 选地由镀铬的硬化钢制成。应理解，在备选实施例中，可以用具有所需强度 及低颗粒生成特性的其它材料替代以上相对托架和圆头螺旋丝杆所述的材 料。

在优选实施例中，线性驱动电机128优选地由无刷多极电机构成。其优 于由于电刷磨损而具有有限寿命的有刷电机。然而，有刷电机在备选实施例 中有所考虑。如图6A的局部剖面图和6B的透视图所示，圆头螺旋丝杆126 优选向下延伸进入电机128的顶孔123内，并直接安装到电机的电枢130上。 电机优选包括单独一组角接触轴承132，以用于在电机内旋转支撑电枢130， 并支撑由圆头螺旋丝杆126施加的轴向负载。将圆头螺旋丝杆126与电机的 输出轴同轴避免了带驱动系统内的圆头螺旋丝杆的转动轴偏离电机转动轴 的固有问题。这种问题包括带在一段时间后磨损，在电机快速加速和减速时 不精确地扭矩传输，由于带打滑造成的扭矩损失，以及运行驱动系统所需的 零件数量的增加。电机128还包括用于电机转动的闭环伺服控制的整体的编 码器134，以及在动力中断情况下重力将使支柱快速落下时阻止圆头螺旋丝 杆的转动的制动器136。角接触轴承132、解码器134和制动器136优选在 电机128内预装配，以便在机器人构造期间，电机128具有容易安装到基体 102之内的单元化的结构。线性驱动器优选为支柱116提供大约18″的垂直行 程。然而，该距离可以按比例缩放到比备选实施例中的距离更大或更小。

现在，参照图3、7、7A、7B和8，支柱116优选地为大约100mm外径、 20″长及大约0.08″厚的不锈钢管形成的中空圆柱。应理解的是，上面说明的 材料和尺寸可以在备选实施例中变化。如前所述，现有技术的结构在中心支 柱内包括至少一对轴，用于转动近端连杆和远端连杆。省略了用于向远端连 杆传递扭矩的第二同心轴，可允许支柱116比在传统结构中的这对轴更轻， 并也允许支柱做得相对较厚或沿其长度包括有肋，以更强或更坚固。增强的 强度使支柱116更精确地将扭矩从肩台驱动器120通过支柱116传递到近端 连杆104。此外，从支柱内移去第二中心轴解放了支柱内有价值的空间，以 用于定位电子连接和真空管。线性驱动器122能够使支柱116在图2所示的 缩回位置和至少图1和3所示的伸出位置之间往复。

参照图2、3和8，肩台驱动器120设置成转动支柱116和近端连杆104， 该近端连杆牢固地安装于其上以用于与支柱116一起旋转。在优选实施例 中，肩台驱动器120包括耦合到谐波传动减速系统138上的无刷电机137。 如在传统的谐波传动中，电机137电枢的角速度由系统138降低，而扭矩增 大，从而产生非常刚硬、平稳且精确的输出转动。应考虑的是，谐波传动减 速系统可以通过从约140∶1到另一实施例中的约40∶1范围内的传动比而 减小角速度，并增大电机扭矩输出，该传动比最佳为50∶1。

支柱116连接到谐波传动减速系统138的输出花键轴145上，在优选实 施例中该花键轴为肩台驱动器的最外部分。从而，肩台驱动器120的转动产 生固定于其上的支柱和近端连杆的非常刚硬、平稳并精确的转动。该肩台驱 动器由托架124通过牢固安装于托架124和容纳电机137的静止电机壳体 149上的环形适配器板147支撑。另外，在优选实施例中，谐波传动减速系 统138的转动输出花键轴145在托架124内被围绕输出花键轴145、并安装 在输出花键轴145和托架124之间的大十字滚子轴承(large cross roller bearing)(未示出)支撑。

除了支柱和近端连杆的精确转动以外，肩台驱动器提供了优于传统的晶 片处理机器人驱动器的多个优点。例如，肩台驱动器120安装成电机轴143 以及来自谐波传动减速系统138的输出花键轴145与支柱116同心。通过比 较，传动的驱动器使用包括带和相关元件的偏置电机来旋转机器人的中心支 柱。将肩台驱动器与支柱同轴对齐可允许去除带驱动器，该带驱动器是转动 误差的根源，并需要频繁维修。此外，除了带以外，偏置驱动系统包括用于 该操作的附加元件，例如，各种滑轮和张紧惰轮。如此，根据本发明的驱动 系统120比传统系统具有较少的元件。此外，根据本发明的同轴驱动系统120 的使用消除了在传统偏置驱动系统中的较大的径向载荷。

肩台驱动器120还包括在电机壳体149的底部的固定到电机轴143上的 编码器141，以允许支柱和近端连杆转动的闭环伺服控制。电机137、谐波 传动减速系统138、十字滚子轴承以及编码器141优选地都预装配成整体的 构件，以便在机器人构造期间，驱动器120可以容易地固定到基体102之内。

现在参照图1、2、9A和10-12A，近端连杆104包括矩形管142，其 带有固定到相对端或与管142一体形成的安装轮毂144和146。在优选实施 例中，从轮毂144到轮毂146的中心线距离可以约为9.75″。然而，由于连杆 如下所述可以按比例缩放，该尺寸也可以变动。矩形管142优选为单体结构 的由不锈钢形成的无缝中空管，其大约3.5″宽、1.5″深，且壁厚约为0.07″。 轮毂144和146优选地通过焊接永久地固定到管142的相对端上，或可与管 142一体形成。在优选实施例中，轮毂144和146可以分别具有约为3.7″和 3.75″的外径，且它们优选都由不锈钢机加工而成。应理解的是，在备选实施 例中，上述对于管142和轮毂144及146的材料和尺寸可以改变。在轮毂144 和146内设置各种凸缘以使连杆104安装到支柱上，并用于支撑在轮毂内的 如下所述的旋转承载附件。

支柱116的顶部优选包括环形凸缘148(如在图7A和7B中所示)，以允 许近端连杆104牢固地连接到支柱116上。尤其是，安装轮毂144包括与凸 缘148内的多个孔151相对齐的第一组孔，以用于接收从其中穿过以将近端 连杆牢固连接到支柱上的紧固件，诸如螺钉或螺栓(未示出)。该凸缘148还 包括与安装轮毂144内的第二组孔配合的一对对齐销153，以使近端连杆在 支柱上对齐。从而，在近端连杆从支柱上移去的情况下，可以在与近端连杆 移去时相同的方向进行替换。这进一步方便了机器人的维修，其中控制系统 可以以在支柱上在与其移去时相同方向的近端连杆(和所连接的远端连杆和 端部操纵装置)为基准。从而，不需要重新教导机器人和工具及/或机器人维 修的存放位置之间的相对位置。虽然优选实施例包括可拆卸的紧固件，以便 近端连杆可以如下所述的从支柱上分离，但应理解的是近端连杆104还可以 焊接到支柱116上。

如现有技术所述，传统的连杆包括带有用螺钉或螺栓固定于其上的盖板 的管形结构。在悬臂负载施加到机器人端部上时，这种结构导致管和盖板之 间产生轻微的相对运动。除了盖板和管之间的相对运动之外，在移去负载 时，螺钉的松紧度导致盖板和管将不会返回到负载施加前的它们相对位置的 迟滞现象。该问题在本发明中由管142的单体无缝结构解决。另外，单体结 构使连杆104的重量减小到约3磅，而不会损害结构一体性，从而减少连杆 104的惯性运动。此外，在传统结构中，用于将盖板固定到管上的螺栓孔作 为一潜在的泄漏源而被取消。

现在参照图10-12A，肘部驱动器150安装在安装轮毂144的内部，并 在支柱116的内部悬挂下来。尤其是，电机支承板152安装到固定有肘部驱 动器150的安装轮毂144的底部。肘部驱动器150在结构上和操作上与肩台 驱动器120类似，并具有上述的各附加优点。尤其是，肘部驱动器150优选 包括耦合到谐波传动减速系统156上的无刷电机154。谐波传动减速系统156 的内部波形发生器耦合到电机154的输出上。在备选实施例中，速度和扭矩 的减小范围约140∶1到约40∶1，并最佳的是约50∶1，从而产生非常刚硬、 平稳且精确的输出转动。来自谐波传动减速系统156的输出花键轴固定到向 上延伸通过电机支承板152内的孔的驱动凸台161。滑轮162又固定到驱动 凸台161之上。如下所述，滑轮162通过皮带198、200连接到远端连杆106， 以便由肘部驱动器150造成的滑轮162的转动使远端连杆106按需旋转。

肘部驱动器150还包括在电机154的底部安装在电机154的电枢上的编 码器160，它允许支柱和近端连杆转动的闭环伺服控制。电机154、谐波传 动减速系统156、编码器160以及驱动凸台161优选地预装配成一体化的结 构，以便在机器人构造过程中，可以将驱动器150容易地安装到近端连杆上。

在现有技术结构中，用于转动远端连杆的机构位于机器人基体内的中心 支柱的底部。将肘部驱动器安装到根据本发明的支柱顶部的近端连杆上形成 了多个优点。首先，从驱动器150向远端连杆传递扭矩很容易，第二，必须 通过支柱内的中心轴将扭矩传递到远端连杆，将支柱截面的可缩放性限制于 中心轴的长度的变化那么大，可以改变中心轴传递扭矩的能力。第三，与以 下所述的电子或真空接头组合，肘部驱动器安装到近端连杆上便于连杆及其 相关元件从机器人的基体上分离，从而使机器人的维护、修理及改型更容 易。

现在参照图7、8和11-12A，根据本发明的机器人还包括安装在支柱 内部的第一解耦板166和安装在肘部驱动器150之下的第二解耦板168。第 一解耦板166和第二解耦板168一同包括电子接头和真空接头，使机器人的 顶部(即，连杆和端部操纵装置)易于从机器人基体上分离。如下所述，机器 人100包括从基体穿过的电引线和真空管，并穿过机器人的每个部分，终结 在端部操纵装置108。由于机器人的各种元件的运动，通过机器人的导线和/ 或真空管偶尔需要替换。为了在现有技术的机器人中完成替换，机器人的上 部和机器人的基体必须拆开，并然后替换遍及机器人整个长度上的电导线(一 根或多根)或真空管。类似地，当要替换一个或两个连杆时，基体必须拆开以 便电接头和/或真空接头可被替换。此外，在不更换遍及机器人整个长度的电 接头和真空接头的情况下，缩放机器人的基体或连杆的长度是不可能的。

本发明的电接头和真空接头允许在机器人上部内的电接头和真空接头 与在机器人基体内的电接头和真空接头分离及重新连接。从而，在机器人一 部分内的接头可以改变或维修，而不必拆开机器人的其它部分。尤其是，来 自基体102的电接头和真空接头终止在第一解耦板166处。每个电接头电连 接到第一解耦板166的上表面170内的导电接触垫(未示出)上。类似地，来 自端部操纵装置的电接头和真空接头穿过近端连杆和远端连杆，并终止在肘 部驱动器150下方的第二解耦板168。第二解耦板内的电接头终止在第二解 耦板168的下表面172内的导电接触垫(未示出)处。

在组装机器人时，第一和第二解耦板彼此相邻地定位在支柱内，以便第 一解耦板166的上表面170与第二解耦板168的下表面172并排，且用于配 合电接头的各接触垫并彼此对齐电连接。另外，当第一和第二解耦板彼此接 近时，在电接头和真空接头的相对侧上真空接头连接。第一和第二解耦板可 以包括使真空接头固定到相应的解耦板上的真空配装件163。可以在第一和/ 或第二解耦板上围绕解耦板内的用于真空接头的开口设置一O形圈，以形成 连通穿过接合处的真空的有效密封，而不会泄漏。

第一解耦板166由两个或多个向上延伸经过支柱16的一部分的支座169 支撑在支柱16内(示于图7中)。第二解耦板由从安装轮毂144围绕肘部驱动 器150向下延伸的安装板171支撑。支座169和安装板171分别在正确的高 度支撑第一和第二解耦板，因此，当近端连杆安装到支柱上而安装板和肘部 驱动器向下插入支柱内时，第一解耦板166的上表面170位于第二解耦板168 的下表面附近。板166和168优选并不接触，以便不与支柱上的近端连杆齐 平的支座相干涉。第二解耦板优选包括向下延伸到成型在第一解耦板内的孔 175内的一对销173，以在它们装到一起时正确地对齐各板。

根据本发明的这个特征，当要将在机器人上部内的电接头和真空接头从 机器人下部内的电接头和真空接头分离时，用于连接近端连杆和支柱的紧固 件被移去。此后，近端连杆104可以远离支柱116而抬起，且电接头和真空 接头分离。

在优选实施例中，第一解耦板166和第二解耦板168优选包括在支柱116 内紧贴配合的外周边，从而完全将第一解耦板之下的环境与第二解耦板之上 的环境分开。从而，有可能在电接头和真空接头之上和之下具有不同的压力 和/或流体复合物。可以围绕第一和/或第二解耦板的外周边设置提供O形密 封件，以进一步将接合处上方的空间与接合处下方的空间分开。

现在，参照图9B-12A，远端连杆106优选与近端连杆104的尺寸、形 状和重量相同，或稍小于近端连杆104。应理解的是，在备选实施例中，远 端连杆106的尺寸、形状和/或重量可以与近端连杆104不同。连杆106包括 矩形管174，其具有焊接到管174相对端上或在管174上一体地形成的安装 轮毂176和178。矩形管174优选为由不锈钢制成的单体结构的无缝中空管。 在轮毂176和178内可设置各种凸缘，用于支撑如下所述的转动承载固定 件，其允许远端106可旋转地安装到近端连杆104上，且还允许端部操纵装 置108可转动地安装到远端连杆106上。

应理解的是，可以考虑各种结构以用于近端连杆和远端连杆彼此旋转地 安装。参照图10和11，在优选实施例中，近端连杆104的安装轮毂146可 以包括牢固地安装到安装轮毂146的底部并从其中伸出的环形凸台177。下 滑轮179可以通过在凸台177和下滑轮179之间安装的大十字滚子轴承184 而可旋转地围绕凸台177安装。下滑轮179牢固地安装到远端连杆106上， 以便如下所述由肘部驱动器150造成的下滑轮179的转动导致远端连杆106 转动。十字滚子轴承184提供了径向和轴向稳定性，并防止远端连杆的转动 轴相对近端连杆倾斜。优选在近端连杆和远端连杆之间设置一环形密封件 186，以防止来自外部环境的气体或液体泄漏进近端连杆和远端连杆之间。

应理解的是，其它各种结构都有可能用于在近端连杆上安装远端连杆。 例如，图13示出了一转动安装结构，其中，近端连杆104的安装轮毂146 可以包括机加工成安装轮毂的向上延伸的环形承载凸缘180。根据该实施 例，远端连杆106的安装轮毂176包括机加工成安装轮毂的向下延伸的环形 下滑轮182。下滑轮182的内径稍大于承载凸缘180的外径，以允许下滑轮 182通过单独一组十字滚子轴承184可转动地绕承载凸缘180的周边。在近 端连杆和远端连杆之间优选设置一环形的密封件186，以防止气体或液体从 外部环境泄漏进连杆之间。

在远端连杆和近端连杆之间的另一个可选的旋转安装结构示于图14A 中。图14A示出了旋转安装结构，如相对图13所描述的，其包括在安装轮 毂176内的向下延伸的环形承载凸缘180和在安装轮毂176内的向上延伸的 环形下滑轮182。然而，根据该实施例，凸缘180和滑轮182之间没有支撑 表面。另外，单独一组轴承184定位在承载凸缘180相对侧上，并接触机加 工成安装轮毂176的一部分188。根据该实施例，由于与人在图10的实施例 中那样的依靠单独一组球或滚子轴承提供稳定性，本实施例还包括牢固地安 装在近端连杆104的安装轮毂146之内的撑杆190。撑杆190向上延伸并适 于接收穿过盖板194固定并安装在安装轮毂176之内的芯轴192。在撑杆190 的上部和芯轴192之间设置了第二组轴承196以允许芯轴192和撑杆190之 间的转动，由此允许在远端连杆106和近端连杆104之间转动。在该实施例 中，轴承184和196一同提供径向和轴向的稳定性，并防止远端连杆的转动 轴相对近端连杆倾斜。如图10中的实施例所示，设置了环形密封件186，以 防止污染物自由地穿过近端连杆和远端连杆之间的交界处。

用于将远端连杆旋转安装到近端连杆上的另一种结构示于图14B中。图 14B与图14A所示的实施例基本相似，且相同的附图标记表示在结构上及操 作上相似的元件。在图14B的实施例中，向下延伸的承载凸缘180被省略， 且不同于向上延伸的下滑轮182，下滑轮182是向下延伸的。

现在，将针对图10和11描述由肘部驱动器150导致的远端连杆106的 转动。第一钢带198和第二钢带200在一端固定到肘部驱动器150的滑轮162 处，而它们的相对端围绕安装轮毂146内的下滑轮179固定。带198、200 的端部固定到滑轮162和下滑轮179上，以防止在滑轮162被肘部驱动器150 转动时带打滑。相应的带198和200位于不同的非叠置的水平平面内，并绕 相应的滑轮162、179缠绕，以便滑轮可以在任一方向转动大约160°，而不 会完全从滑轮上解开带。应理解的是，滑轮在任一方向上可以转动的角度在 备选实施例中可以大于或小于160°，规定是该角度大约等于或小于180°。此 外，尽管在优选实施例中带是金属的，在备选实施例中它们可以由其它材料 制成，这些材料包括合成聚合物，例如特氟隆和尼龙。

滑轮162在第一方向的转动将拉动一根带，例如带198，以使下滑轮转 动，并由此导致固定于下滑轮上的远端连杆在第一方向转动。随着该情况发 生，带200保持处于拉力下，以防止所需的连杆转动过量并减小稳定时间 (即，在连杆中任何摆动稳定下来所需的时间，若有的话)。类似地，驱动滑 轮在相反方向的转动将例如拉动带200，以在相反方向转动下滑轮和远端连 杆。同样，随着该情况发生，带198保持在拉力下，以防止所需的连杆转动 过量并减少稳定时间，若有的话。

滑轮162优选包括上环形部分162a和下环形部分162b，该部分162a 和162b可彼此转动地相连。带198固定到上部分162a，而带200固定到下 部分162b。上和下部分设置成相对彼此转动，以在相应的带198和200之间 提供并保持理想的张力。尤其是，这两个部分可以在相反的方向转动，直到 在带之间存在理想的张力，并然后将上和下部分彼此紧固，以防止其间由一组 可拆卸的螺钉201造成的相对转动。上部分包括弧形槽，而下部分包括螺纹 孔。螺钉201通过弧形槽配装入螺纹孔中，并当在带198和200内达到恰当 张力时向下拧紧。以这种方式，带198和200之间的张力易于按需调整以维 持理想的张力。

除了避免打滑以外，钢带198、200的使用提供了非常精确的扭矩传递 系统。另外，钢带的使用比传统的带系统承受更小的磨损，并如上所述更容 易维护。此外，其可以利于改变肘部驱动器150的谐波传递的角速度，以控 制在这种驱动器中可能发生的扭矩脉动。带198、200比传统的同步带能更 快地响应并传递这些快速的加速/减速。带也比传统的齿轮系统更好，是因为 带在使用中不存在固有空程。然而，应理解的是，相应的钢带在备选实施例 中可以由围绕滑轮缠绕的连续钢圈替代。在优选实施例中，带198和200的 宽度大约为1英寸，而带198和200优选分别由0.004″和0.008″厚的钢材形 成。应理解的是，带198和200的直径和厚度在备选实施例中可以改变。

现在，参照图15，本发明还包括旋转安装到与安装到近端连杆的端部相 对的远端连杆106的端部上。除了以下相对其旋转安装到远端连杆所指出 的，端部操纵装置优选具有传统的结构，用于接近并支撑供传送的晶片。如 在传统结构中，端部操纵装置可以包括多个传感器和允许晶片支撑部分202 相对端部操纵装置的基体部分204移动的移动机构。尤其是，采用如下惯例， 其中Y轴是水平的且沿端部操纵装置的主轴取向，X轴是水平的且垂直于Y 轴，而Z轴是垂直的且垂直于X轴和Y轴，所述端部操纵装置108包括这 种传统机构，它允许晶片支撑部分202的倾斜角变化(即，绕Y轴转动)、允 许支撑部分的俯仰角变化(即，绕X轴转动)，和允许摇摆角变化(即，绕Z轴 转动)。此外，应考虑的是端部操纵装置可以是可拆卸的，以至于可以使用各 种端部操纵装置。这种端部操纵装置包括那些构造成传送扁平、平面的工件 的结构，以及那些构造成传送工件承载容器的那些结构。

由于远端连杆旋转安装到近端连杆上，应理解的是，可以考虑各种结构 以用于将端部操纵装置108旋转安装到远端连杆106上。在优选实施例中， 除了以下指出的，端部操纵装置以与远端连杆转动地安装到近端连杆上基本 相同的方式安装到远端连杆上。应理解的是，在备选实施例中，用于将远端 连杆安装到近端连杆上的结构可以不同于将端部操纵装置安装到远端连杆 上的结构。

再次参照图10和11，在优选实施例中，端部操纵装置108可以通过将 端部操纵装置108固定到旋转安装于远端连杆106的安装轮毂178之内的端 部操纵装置安装板206上，而旋转地安装到远端连杆上。为了将该板206旋 转安装到安装轮毂178内，远端连杆106的安装轮毂178可以包括固定到安 装轮毂178的底部并从其中向上延伸的环形凸台207。一滑轮208可以通过 安装在凸台207和滑轮208之间的大十字滚子轴承209旋转地围绕凸台207 安装。端部操纵装置安装板牢固地安装到滑轮208的顶部，从而与滑轮208 一同转动。优选在远端连杆106和端部操纵装置208之间设置一环形密封件 210，用以防止来自外部环境中的气体或液体泄漏入这些元件之间。应理解 的是，端部操纵装置还可以根据图13、14A和14B所公开的实施例旋转地安 装到远端连杆上。

现在，将参照图10、11和15描述扭矩从远端连杆传递到端部操纵装置。 一上滑轮214牢固地安装到安装轮毂146内的凸台177上，并从其向上延伸， 以便定位于远端连杆106的安装轮毂176之内。上滑轮被限制成随着凸台转 动，该凸台又牢固地安装到近端连杆的远端。

为了转动端部操纵装置安装板206和端部操纵装置208，第一钢带216 和第二钢带218在一端固定到上滑轮214上，并在它们的相对端围绕滑轮208 固定。带216和218的端部固定到滑轮214和208上，以防止在上滑轮214 相对远端连杆106转动时带打滑(如前面指出的，滑轮214牢固地安装到近端 连杆104上，而滑轮214在近端连杆104转动时旋转)。各钢带216和218 位于不同的非重叠的水平平面内，并围绕相应的滑轮214和219缠绕，以便 各滑轮可以在任一方向转动约160°，而不会完全解脱与其缠绕的带。应理解 的是，在备选实施例中，滑轮可以转动的角度可以大于或小于160°。此外， 虽然在优选实施例中带是金属的，在备选实施例中它们可以由其它材料形 成。这些材料包括合成聚合物，诸如kevlar和尼龙。根据上述相对带198 和200的相同原则，在上滑轮214转动时(其又被肘部驱动器150驱动，如上 所述)，带作用为转动端部操纵装置108。

滑轮208优选包括上环形部分208a和下环形部分208b，这些部分208a 和208b能够彼此相对地转动。带216固定到上部分208a上，而带218固定 到下部分208b上。上和下部分被设置成相对彼此转动，以在各带216和218 之间如上所述相对滑轮168的滑轮部分168a和168b提供并保持理想的张 力。以这种方式，带216和218之间的张力可以按需轻易地调节以维持理想 的张力。设置了电接头以用于向端部操纵装置108提供电源和控制信号，以 影响端部操纵装置的各个关节；以及用于从端部操纵装置携带伺服信号，以 监控端部操纵装置的各个关节；而且一个或多个晶片的各种特性由端部操纵 装置操纵。如上所述，电接头的设置通过本发明的电接头和真空接头而更加 便利。尤其是，在需要更换机器人100上部中的导线时，不需要接近机器人 基体内的导线，而反之，在需要更换机器人基体内的导线时，不需要接近机 器人上部内的导线。如在现有技术中公知的，光纤导线可以穿过机器人设 置，以在端部操纵装置执行传感功能。如所指出的，本发明优选包括起到在 端部操纵装置的晶片握持部分产生吸力作用的真空接头。该真空由远离机器 人的真空源产生，并通过机器人经由真空接头连通到端部操纵装置。真空接 头可以优选地由内径约为0.12″的不锈钢制成，但在备选实施例中该材料和尺 寸可以变动。虽然一个真空接头是优选地，但应理解的是，在备选实施例中 可以提供两个或多个真空接头。应进一步考虑的是：可以与真空接头一起设 置一个或多个管，以用于向端部操纵装置或从端部操纵装置传送液体和/或气 体。如上所述，相对于电接头，真空接头的更换通过提供电接头和真空连接 接头而变得相当容易。

根据本发明，机器人100特别适于在不利环境中工作，而这种环境对于 某些应用场合是优选的。尤其是，如上所述，在所有移动元件之间的交界处 提供了密封件，以便在不利的外部环境内的腐蚀材料不能进入到机器人内 部。另外，一旦在各个轮毂内的元件安装后，近端连杆的安装轮毂144的顶 部即用包括环形O形密封件的环形板密封。这对于在远端连杆中的安装轮毂 176是一样的。此外，机器人所有的外表面优选不受腐蚀材料的影响，而这 类腐蚀材料用在需要不利环境的工艺中。在一个实施例中，连杆可以由300 类的不锈钢制成并然后电抛光以改善抗腐蚀性。当然，机器人还可以用于干 净的室内或其它无害环境中。

另外，在机器人内移动零件的各个交界面的密封件允许机器人内部和外 部之间的压差不同。从而，例如，当机器人用于不利环境中时，机器人内的 压力相对周围环境的压力升高，以确保任何流过机器人接合部分的气体在机 器人周围环境内流动，并防止来自不利环境的任何污染物进入机器人中。另 外，对于干净室内和无害环境，机器人内部的压力可以保持在比周围环境低 的水平，以确保流过机器人移动零件之间交界面的任何气体从外部流进机器 人的内部，从而确保任何所产生的颗粒不会逸散到干净房间的环境中。

本发明机器人的特征在于，相对传统结构的半导体处理机器人，其明显 更可以缩放(即，各种元件的长度和机器人的总体尺寸可以增大或减小)。例 如，在传统的系统中，难于改变基体的高度，这是由于如上所述在基体内的 各种元件被用作负载承受元件，并且使一些或所有基体元件的高度变化将会 影响其负载承受特性以及基体的潜在结构稳定性。由于构架112提供了高强 度和高稳定性，所以这在本发明中不是一个问题。构架足够刚硬，以至于其 高度的改变不会显著影响基体的刚性。此外，由于是构架而不是基体元件给 基体提供了结构刚性，在基体内的元件可以被缩放，而不会影响基体的刚性 和稳定性。

类似地，本发明机器人100的结构允许支柱116被缩放，而不会影响机 器人的位置精度或性能。由于省略了在现有技术中可见到的第二中心轴，单 独的支柱可以包括更坚固的结构，并且支柱的长度因此可增加，而不会影响 扭矩从肩台驱动器向近端连杆传递。另外，肘部驱动器已经被移动到近端连 杆内。从而，支柱可以缩放到更大或更小的长度，而不会影响扭矩向远端连 杆传递，而且不必改变肘部驱动器或与其连接的电接头。此外，由于提供了 电接头和真空接头，在支柱缩放时，导线的长度可以在基体部分中变化，而 不会影响在机器人上部内的电接头或真空接头。

此外，如前所述，每个连杆都由未精加工的无缝矩形管形成。精加工发 生在焊接于矩形管的相对端上的安装轮毂上。因此，用于近端连杆和/或远端 连杆的矩形管的长度可以容易地改变，而不会影响连杆的结构或操作。此 外，在包括在施加悬臂载荷时易于弯曲并迟滞的管和盖板结构的现有技术结 构中，根据本发明的连杆的无缝结构可以增大，而不会产生弯曲或迟滞效 应。

除了可缩放特性之外，本发明比现有技术中的半导体处理机器人更易构 造。如上所示，依靠构架而不是在基体之内的其它元件给基体提供结构刚性 和稳定性。从而，在基体内一个元件上进行安装、工作或改进时，不需要向 后检查基体内各其它元件以确保负载承受特性和性能不会改变。另外，肘部 驱动器在近端连杆内的位置简化了在现有技术中的多根中心轴的结构，即可 以由一单独的支柱替代，以用于转动近端连杆。此外，如上所述，电接头和 真空接头允许改变机器人上部的电接头和/或真空接头，而不需改变机器人基 体内的电接头或真空接头，反之亦然。此外，用在肩台驱动器和肘部驱动器 中的电机被预装配并具有一体化的结构。从而，安装或替换每个或全部驱动 器所需的工作量减小了。

另外，根据本发明的机器人比传统的晶片处理机器人更坚固耐用。再 者，由构架112提供的结构刚性和稳定性减少了在传统机器人中由于多个元 件作用为给基体提供结构刚性而产生的维护和修理的需要。另外，在现有技 术的驱动系统中的偏置电机和滑轮系统被去掉，并代之以包括与它们所驱动 的元件同轴的电枢的驱动系统。另外，在传统机器人中用于驱动连杆的皮带 被去掉，并代之以钢带。皮带受到频繁地磨损并经常要更换，将它们从本发 明的机器人中去掉可减少保持机器人正常工作所需的维护。此外，本发明中 的元件数量被最少化。例如，在现有技术中的轴承组、皮带、张紧惰轮以及 多根中心轴的数量在本发明中被省略。具有较少的零件减少了在给定时间零 件需要维护的可能性。

除了上述的特征以外，相对传统结构，本发明的机器人提供了高度的精 度。构架和支柱各自都提供了相当大的强度，而在肩台和肘部驱动器中使用 的谐波传动提供了比传统的无刷电机本身更高的精度。此外，如上所述，皮 带的去除提高了对来自机器人中各种驱动器的扭矩传递的控制。

虽然本发明在此详细描述，但应理解的是，本发明不局限于在此公开的 实施例。在不背离由所附的权利要求书所限定的本发明的精髓和范围的前提 下，本领域技术人员可以作出各种变化、替代及改进。

本申请要求1999年1月15日提交的美国临时专利申请60/116,077和 1999年1月19日提交的美国临时专利申请60/116,446的优先权。