（机械制造及其自动化专业论文）硅片传输机器人关键技术研究.pdf

中文摘要 本文研究了一种可实现整周回转二平动自由度并联机构的运动学分析、尺度 综合、伺服电机参数预估、轨迹规划等关键技术，为并联构形的硅片传输机械手 的产品化样机的开发提供基础，主要研究内容如下： 口运用矢量法构建整周回转二平动自由度并联机械手的闭环方程，并推导出其 位置正逆解分析模型，及速度、加速度模型。分析了机构的尺度参数对其操 作性能的影响，构建了运动学全域综合性能指标，该指标兼顾了雅可比矩阵 条件数全域均值和波动量间的矛盾，同时通过引入传力特性、工作空间与机 构体积比等一系列约束条件，进而实现了机构尺度的最优综合。 口利用虚功原理建立了机构刚体动力学模型，预估了实现硅片传输时的伺服进 给电机参数。 口以机械手最小运行周期为目标函数，同时兼顾其对伺服系统输入力矩的影 响，在操作空间进行了硅片传输并联机械手的轨迹规划。 上述研究成果为后续虚拟样机开发奠定了基础，对硅片传输机器人的设计 开发具有一定的指导作用。 关键词：硅片传输机器人，并联机械手，运动学分析，尺度综合，伺服电机参 数，轨迹规划 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e du p o nt h ed e v e l o p m e n to fac o m p l e t et h e o r e t i c a l p a c k a g ei nt e r m so ft h ed i m e n s i o n a lo p t i m i z a t i o ns y n t h e s i s ，s e r v o m o t o rp a r a m e t e r s e s t i m a t i o na n dk i n e m a t i c sc a l i b r a t i o no fa2 - d o fr o t a t i v ep a r a l l e lw a f e rr o b o tf o r r a p i dt r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o n s t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e d 口b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa2 - d o f p a r a l l e lw a f e rr o b o tu n d e r c o n s i d e r a t i o na n da c c o r d i n gt ot h ev e c t o rt h e o r y , a n a l y t i c a lr e p r e s e n t a t i o n so f i n v e r s ea n df o r w a r dk i n e m a t i c sa r ef o r m u l a t e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h ev e l o c i t y a n da c c e l e r a t i o na n a l y s i s c o n s e q u e n t l y , d i m e n s i o n a ls y n t h e s i so ft h e2 - d o f t r a n s l a t i o n a lp a r a l l e lw a f e rr o b o ti sc a r r i e do u tb ya n a l y s i so ft h ed e s i g nv a r i a b l e s v s ag l o b a lc o n d i t i o n i n gi n d e x ，w h i c hi sp r o p o s e db yc o n s i d e r i n gb o t ht h em e a n v a l u ea n df l u c t u a t i o no ft h ec o n d i t i o nn u m b e ro fj a c o b i a nm a t r i x m e a n w h i l e ，a s e to fa p p r o p r i a t ec o n s t r a i n t sh a sb e e nc o n s i d e r e di nt e r m so ft h ef o r c e t r a n s m i s s i o nb e h a v i o ra n dt h ew o r k s p a c e m a c h i n ev o l u m er a t i oi np r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n 口w i t ht h ea i do f 也ep r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r k , t h ed y n a m i cm o d e lo ft h er o b o th a s b e e nf o r m u l a t e d a na p p r o a c ht oe s t i m a t et h es e r v o m o t o rp a r a m e t e r si sp r o p o s e d u s i n gt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e ，r e s u l t i n gi n t h em a p p i n g f u n c t i o nb e t w e e nt h em a x i m u mv a l u eo fj o i n tv a r i a b l e sa n dt h eu n i to p e r a t i o n v a r i a b l e s 口c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c et ot h ei n p u tm o m e n to ft h es e 】f v os y s t e m , t h et r a j e c t o r y p l a n n i n go ft h ep a r a l l e lm a n i p u l a t o rw a sd e v e l o p e di nt h ew o r k s p a c ew i t ht h e m i n i m u mo p e r a t i o np e r i o da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n t h e s er e s e a r c hr e s u l t sh a v es o m eg u i d i n ge f f e c to nt h ef o l l o w - u pv i r t u lp r o t o t y p e d e v e l o p m e n ta n dt h ed e s i g no fw a f e r r o b o t k e yw o r d s ：w a f e rr o b o t ，p a r a l l e lr o b o t , k i n e m a t i ca n a l y s i s ，d i m e n s i o n a ls y n t h e s i s ， s e r v o m o t o rp a r a m e t e r , t r a j e c t o r yp l a n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耐乏锄 签字日期： 训7 年占月f g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：甜之钐 签字日期：伽7 年月，g 日 一名：气包雨泳 签字日期：矽印年多月偿日 第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 集成电路( i c ) 产业是影响国家经济、政治和国防安全的战略必争产业【， 是推动国民经济和社会信息化发展高技术之一。2 0 0 5 年世界i c 产业的产值达到 2 4 0 0 亿美元，占电子信息产品的世界贸易额的四分之一。我国对i c 产业的发展 非常重视，已列入国家中长期发展规划1 6 个重大专项之一。根据中国半导体协 会预测，“十一五”期间我国i c 产业进入快速增长期，产值将由2 0 0 5 年的7 0 2 亿 元增加到2 0 1 0 年的2 5 0 0 亿元【2 洌。作为北方的重要经济中心，i c 制造业也是天 津市重点发展的产业之一，并正在利用环渤海区域经济优势，培育集成电路设计 与制造产业群。 制造工艺与相应装备的不断更新换代对整个i c 产业的发展中起着重要的引 领作用，已成为i c 产业的驱动力和重要组成部分。受到了美国、日本、欧洲和包 括台湾、新、马等亚洲各i c 产业新生力量的高度重视，纷纷制定国家战略予以大 力支持【4 】。 i c 产业的强劲增长，为i c 装备制造业带来了巨大的发展机遇。每年对新增 电子设备的需求是巨大的，但是，在电子装备水平方面我国与发达国家存在很大 差距。我国几乎没有自主设计制造先进电子制造装备的能力，主要依靠从发达国 家引进。其中芯片制造的高档装备几乎1 0 0 来自进口。预计近十年内我国将需 求价值7 0 0 0 亿的电子制造装备，而国内仅能提供2 6 亿低档装备。然而，我国i c 制造技术与国外相比还存在很大差距，大部分设备都必须从国外引进。因此，在 引进消化吸收的基础上，研究与开发具有自主产权的i c 制造装备对提升产业的 核心竞争力具有重要的意义。 为了适应i c 技术的突飞猛进对硅片制造技术盒设备提出的要求，工业发达国 家非常重视开发先进的硅晶片制造技术与设备【5 6 7 一。目前，国外直径2 0 0 r a m 硅 片加工技术已很成熟，直径3 0 0 r a m 硅晶片的加工技术正在普及。2 0 0 1 年世界首 条q b 3 0 0 m m 硅圆片生产线问世。据有关方面统计，2 0 0 4 年按面积计，巾3 0 0 m m 硅 圆片占全球硅圆片产量的4 0 。另据半导体设备厂商美国应用材料公司称，全 球新投产的半导体生产线大部分使用0 3 0 0 m m 硅圆片。目前全球各大硅片公司正 第一章绪论 在积极投资增产巾3 0 0 m m 硅片。信越半导体集团计划到2 0 0 6 年秋季将0 3 0 0 m m 硅片的月产能力提高到5 0 万片；三菱住友硅公司计划在2 0 0 6 年夏季之前达到 4 0 万片月：m e m c 公司计划在2 0 0 6 年底以前达到3 0 万片月；小松电子金属公 司将在2 0 0 6 年内在台湾的子公司新上一条5 万片月的综合生产线，届时总产能 可达到1 2 5 万片。据信越半导体公司预测，全球对t 3 0 0 m m 硅片的需求在2 0 0 4 年1 2 月为7 0 万片，到2 0 0 5 年末将达到9 0 万片月，2 0 0 6 年末为1 1 0 万片月， 2 0 0 7 年将扩大到1 4 0 万片的规模。2 0 1 2 年半导体产业将进入t m 5 0 m m 硅圆片时 代。担任世界半导体技术发展进程会议主席的美国英特尔公司首席技术官p a o l o g a r g i n i 先生称，2 0 1 2 年前全球半导体业将迈入0 4 5 0 m m 硅圆片时代。国内硅片制 造水平与国外相比有很大差距，仍以直径1 0 0 1 5 0 m m 的硅片为主流产品，直径 2 0 0 m m 的硅片才开始规模生产，从生产工艺到测试方法，从生产测试设备到清 洗包装等外围支持设备，几乎都要从国外引进。而先进技术的引进受制于发达国 家和跨国公司，难以独立创新。因此，我们必须依靠自己的力量研究具有自主知 识产权的大直径( 3 0 0 r a m ) 硅片的超精密加工技术与设备。 在i c 生产线中，硅片制造装备的自动化程度很高，几乎每个工位都需要硅 片传输机器人。硅片传输机器人是硅片加工设备的重要组成部分，它直接体现出 整机的自动化程度、可靠性。随着硅片生产的产量和尺寸的不断增加，要求硅片 生产向着高速、连续化生产方式发展。人工装夹的方式根本无法达到这一要求， 必须由高速度、高精度的硅片传输机器人来实现。硅片传输机器人是硅片在各工 序间传输与定位的高速、高洁净自动化装备。目前，硅片传输机器人主要分为净 化机器人和真空机器人，前者是指在净化环境中工作的机器人，后者是指不但在 净化而且在真空环境下工作的机器人。由于是在有限的空间内实现硅片工位的快 速转换，与传统的工业机器人相比，硅片传输机器人必须具有高速度、高稳定性 和高洁净度的特点。因此硅片传输机器人不仅要具有占地空间小，结构紧凑等特 点，它还必须满足的运动特性、反应灵敏性、动作准确性，以及工作稳定可靠性 等方面的要求。它还必须满足动作快速，柔和，没有冲击和振动，抓取装置不对 硅片造成损伤，不能成为新的污染源等方面的要求。 硅片传输机器人是一个包含机械、电子、计算机等多学科的产品。它在整个 硅片加工过程中承担着硅片运输和定位两项主要任务。图1 1 是硅片磨削设备中 的自动传输系统，它的工艺动作顺序为：机器人将待加工的硅片从片盒中取出， 送至预对准台中，中心定位后，机器人将硅片取至工件转台上，转至粗磨工位。 粗磨后的硅片，转至下一工位精磨，机器人再将加工完毕的硅片送到清洗装置， 清洗完毕后，由机器人将硅片放至片盒中【9 】o 第一章绪论 图1 1 硅片自动传输装置 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 硅片机器人研究现状及分析 硅片自动传输系统的发展按照硅片尺寸的划分目前经历了3 个阶段，小 于2 0 0 r a m 阶段，2 0 0 r a m 阶段和3 0 0 r a m 阶段。它的历史是与微电子和运动控制技 术的发展紧密联系的。 1 ) 硅片直径小于2 0 0 r a m 阶段时，由于硅片和片盒的尺寸相对较小，工艺特征 尺寸相对较大，要求的传输精度和洁净度都不高，允许用简单的机构实现硅 片传输的半自动化。这时，采用了镊子或真空棒来代替人手夹持或吸附硅片， 采用步进电机驱动传送带和硅片升降机构代替人工搬运硅片盒，在一定程度 上减少了对硅片的污染，提高了硅片传输过程中的可靠性。后来发展成采用 橡胶圈的输送机和硅片盒的升降机构。当时，运动控制技术的成本较高，自 动传输系统的应用并不普遍。后来，认识到污染对硅片的成品率有很大的影 响，于是淘汰了手动搬运，采用夹持或真空吸附的自动化传输系统。n a s c e n t 自动系统采用步进电机驱动传送带和硅片升降机构代替人工搬运这虽然有 利于减少破损，但是对于减轻尘埃污染的作用却不大。 2 ) 在硅片直径2 0 0 r a m 阶段，为了满足高速度、高精度和高洁净度的工艺要求， 国外研究机构和机器人制造商在自上世纪8 0 年代后期开展了硅片机器人关 第一章绪论 键技术的研究，研制出直接驱动电机、磁性编码器等关键部件，开发了相应 的机器人产品，并申请了专利 1 0 , 1 1 】。目前用于i c 制造业的硅片机器人可分为 两大类：一类为平面关节机器人，分为间接驱动和直接驱动两种；另一类为 径向直线运动( r o ) 型机器人。新型的系统采用了带有真空吸附功能的 末端执行器，可以满足在更高的净化等级的环境下工作。平面关节型硅片机 器人具有4 个自由度，分别为大臂回转、小臂回转和末端执行器回转以及升 降运动。间接驱动型硅片机器人，需使用减速器和润滑油，容易造成污染。 直接驱动技术采用力矩电机直接驱动负载，可省略传动机构，减少污染，如 美国的a d e p t 公司开发的$ 3 0 0 系列就是采用直驱轴的平面关节型硅片机器 人。r - - 0 型机器人具有3 个自由度，分别为r ( 径向运动) ，0 ( 旋转运动) ， z ( 上下运动) 。它的显著特征是电机通过复杂的带传动驱动前、后臂的关 节回转，实现硅片机器人手臂沿着径向运动，如日本r o r z e 公司的r r 7 3 0 系列、日本安川公司的n x 5 2 0 系列等。国内i c 产业起步较晚，在硅片机器 人开发方面几为空白。据报道，大连理工大学丛明于2 0 0 4 年研制出一种实 验型r o 型硅片搬运机器人 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。 3 ) 进入二十一世纪后，3 0 0 r a m 的硅片生产线将逐渐代替2 0 0 m m 的硅片生产线 成为主流，并预计到2 0 1 3 年4 5 0 m m 、0 0 3 5 微米特征尺寸的硅片也将投入 生产。硅片的直径、重量的增加与制造工艺的提高，使2 0 0 m m 系列硅片机 器人的净化等级和硅片机器人的动、静态特性已满足不了3 0 0 m m 硅片制造 的需要。世界半导体工业强国如美国s e m a t e c h 、欧洲的j e s s i 和日本的 e i a j 已经对3 0 0 m m 硅圆片传输技术进行了研发 1 7 , 1 8 】。 值得指出的是，上述硅片机器人均采用串联构型，这类机械手虽然具有作 业空间大等优点，但由于需在各关节上设置驱动装置，故各动臂的运动惯量较 大、因此不宜实现高速、高精度操作。针对硅片机器人向更高洁净度和高速度、 高精度与高稳定性的发展要求，提出了硅片机器人关键技术的研究课题。硅片 机器人运动学特性，以及硅片机器人运动轨迹规划的研究。下面将分别对各关 键技术的研究现状进行论述分析。 4 - 第一章绪论 习 罩。 s t h r 4 0 9 5 m t h r 4 0 0 0 s h r 3 0 0 0 m h r 3 c 0 0 酉训 s h r 2 0 0 0 cs t v h r 4 0 0 0 s t w = i r 4 0 0 0s v h r 3 0 0 0 p m 图l 串联硅片传输机嚣人 1 2 2 关键技术研究现状及分析 1 ) 运动学及刚体动力学分析 运动学分析往往将运动构件视为刚体构造运动学模型，而模型的优劣将直接 影响到控制系统编程难易和解算速率进而影响运动控制的难度与精度。并联机 构运动学逆解，即已知机构末端执行器位姿求解机构的关节空间输入，是运动学 分析的基础与关键，国内外学者在这方面作了大量的研究f i g - 2 6 1 ，大致可分为三类。 其一：矩阵法c r a i gjj 和r a g h a v a n m 删等人提出同一空间点分别在操作 空间和关节空间用矩阵进行表示，通过矩阵相似变换将二者联系起来，从而获得 机构的运动学逆解。其二：矢量法l e ehy 口”和k u a p c z y kj 田等人提出用矢 量构造出机构的闭环矢量方程进行求解。其三：数值法，a n g e l e sj 口”提出了一 节l出。艮配豁峪面k 墓割霹k 第一章绪论 种通过一维迭带有效解决封闭解不能得到的情况下运动学逆解问题，而 r m a n s e u r , k d o 何等人【2 4 j 介绍了一种可应用于任何六自由度机械手的一维 n w e t o n r a p h s o n 法根求解策略。很多学者综合利用上述方法进行了成功的推导， 如c l a v e l 和k m i l l d 2 5 矧曾使用三种不同的方法进行推导d e l t a 机构的运动学逆解 模型。 在刚体动力学层面上，涉及给定末端执行器的位置、速度和加速度反求伺服 电机驱动力。动力学逆问题是并联机器人动力学分析、整机动态设计、动力学尺 度综合、控制器参数整定和伺服电机选配的理论基础。为此，大量学者对并联机 器人动力学建模方面方法进行了深入广泛研究，几乎遍及所有可资利用的力学原 理，如拉格朗日法【2 7 1 、牛顿一欧拉法【2 引、虚功原理法【2 9 】、h a m i l t o n 3 0 1 原理，以 及它们的综合利用等。相比之下，牛顿一欧拉法物理意义明确，但因需要首先求 出铰链内力，导出的计算格式不宜作为控制或优化设计模型；拉氏方程可导出标 准形式的动力学模型，但由于涉及到大量的偏微分推导和运算，过程过于繁复； 基于动力学普遍方程的虚功原理和凯恩方程很容易从雅可比和海赛矩阵直接导 出操作空间与关节空间速度和加速度映射关系的解析解答，并据此可方便地导出 各运动构件的广义速度和广义力，故认为其是建立并联机构动力学模型的首选方 法。 注意到运动学及刚体动力学分析是并联机构控制的基础与理论前提，而高速 并联机械手对控制系统的实时性与可靠性则提出了更为苛刻的要求，故从运动 学、动力学层面出发，探讨一种快速结算且利于控制的理论模型，对降低控制系 统对硬件性能要求及提高机械手控制动态品质都将是一项极有实际意义的工作。 2 ) 尺度综合的研究现状及分析 ：” 尺度综合是并联机器人运动学设计的主要内容，涉及在不发生铰干涉和支 链干涉前提下，实现给定位姿的能力，以确保机器人具有良好的运动精度、刚 度、灵活度为目标，确定关节变量范围和结构参数。选择合适的机构尺度参数 对保证机构的上述性能至关重要。 以往可资利用的尺度综合方法可大致分为两类：一类称为局部优化方法，旨 在寻求满足各向同性条件的尺度参数关系。g o s s e l i n 3 l 】以球面并联机构为例，在 考虑局部灵活度的基础上，构造了一族满足局部灵活度最优的尺度参数关系。 p i t t e n s 3 2 】提出一族满足特定尺度约束条件的局部最优灵活度构型，并证明该族构 型的雅可比矩阵条件数均为拒。h u a n g 等人【3 3 】的研究结果表明，对s t e w a r t 平台 而言，上述各种灵活度评价指标具有相似的局部性态和完全等同的极值条件。对 这些奇异点的寻找导致人们对并联结构的特性有了更清楚的了解。这些研究成果 无疑为尺度综合提供了坚实的基础。需指出的是，在局部指标中，对于不同类型 第一章绪论 的并联机构，其有效性尚需具体分析。 另一类称为全域优化方法，即在满足各向同性条件的尺度参数族中唯一确定 一组使得全域操作性能指标最优的尺度参数。在全域法中，操作性能指标通常被 表示为基于雅可比矩阵条件数的评价指标关于给定工作空间的一次矩，并被定义 为全域灵活度指标，优化的目标是使得该指标趋于最大或最小。g o s s e l i n 和 a n g e l e s 3 4 , 3 s , 3 6 1 以平面三自由度并联机械手为例，研究了兼顾主工作空间面积和可 控灵活度的结构参数设计问题。s t o u g h t o n 3 7 】在g o s s e l i n 所提出目标函数的基础 上，以雅可比条件数和工作空间某一给定区域的一次矩最小为目标，以无量纲实 际工作空间体积为罚因子，将构型设计问题归结为一类多目标泛函极值问题。黄 田【3 8 舯】在研究3 - h s s 并联机床时利用最大与最小条件数之比与条件数在工作空 间中的均值构造了一类兼顾灵活度和工作空间的灵活度评价指标，有效地解决了 3 - h s s 并联机床的尺度综合问题。 由于结构不同，使得同一灵活度指标应用于不同构形时的效果存在着差异。 硅片传输机器人的洁净及高速要求使其结构和约束相对一般的工业机器人要复 杂。因此，如何根据设计目标确定恰当的全域评价指标是运动学设计的关键。 3 )硅片机器人运动轨迹规划的研究现状及分析 i c 制造技术的发展给硅片生产线带来了新的变化，主要体现在生产周期逐 渐缩短、硅片机器人的测结构和弹路径日趋复杂级面。为了适应这些变化，据要 从规轨迹规划算法和运动控制技术两方面来提升现有的机器人控制系统，以确保 硅片机器人能实现高速度、高精度和高稳定性的运行要求。 轨迹规划是在满足给定机器人动力学方程、各关节驱动力、速度、加速度和 加速度变化率等约束条件下，计算机器人姿态、各关节速度、加速度和加速度率 等相关参数，并使所规定的代价函数( 通常为表征时间或能量等条件的函数) 最 小化。常用的工业机器人操作臂轨迹规有能量最优、时间最优和路径最优等多种 不同算法。针对硅片传输系统而言，为了配合硅片生产线快速生产节拍的要求， 时间最优的运动轨迹规划算法应用最为广泛。操作行时间最优轨迹规划的研究始 于6 0 年代后期，经过多年的积累，已经形成了相对独立的理论体系。 国外学者b i a n c o q c g l m l 和p i a z z i a 、s o u r c e 提出了采用修正的三次多项式来 构造机器人的关节轨迹，然后以关节位置、关节速度、关节加速度和关节加速度 变化率等参数作为动态边界约束条件来优化机器人各关节的运动规律，最终实现 机器人末端执行器在规定的轨迹中运动时间最短。该方法较好地解决了在运动学 约束条件下机器人时间最优的运动轨迹规划问题。与此类似的还有外国学者 d c o n s t a n t i n c s c m 和e a c r o f t t 4 l 】以及国内学者王建滨等所做的研究。但是， 他们的研究结果都是通过计算机仿真或者在通用机器入平台上得以验证的。如要 第一章绪论 应用到硅片机器人上，还需对算法进一步的研究、实验和修正。除最优时间算法 外，由于硅片传输潮中要求本体的振动要尽可能地小，因此还需要引入加速度变 化率最优的运动轨迹规划算法国外学者a n r e l i op i a z z i 4 赳和a n t o n i o v i s i o l i t 4 3 】所做 的相关研究具有一定的借鉴意义。 在轨迹规划方面，需要对现有的时间最优轨迹规划算法进行分析与综合。结 合加速度变化率最优轨迹规划，提出适用硅片机器人控制的运动轨迹规划理论， 并对其进行计算机仿真分析和样机试验测试。 综上所述，在硅片自动传输系统中机器人负责硅片在各个工位之间的转移。 它应该满足下列要求： 机器人的传输速度应与硅片的粗、精加工速度同步； 机器人的抓取装置应该对硅片不造成损伤，而且不能成为新的污染； 机器人的动作应该快速、柔和； 机器人的运动空间应该尽量小；这样有利于整机的结构紧凑，节省。 现有机构所存在的问题： 机床机构技术的简单延伸，以串联形式构建的多自由度平台，其局限性 已非常明显； 即使采用直线电机，加速度也很难有大的提高； 惯量偏大，不利于力控制； 丝杠导轨占有相当的工作空间。 开发出适合本行业的新型机构成为当前急需解决的问题，也是我国抢占i c 制造装备技术制高点的一个契机。 1 3 研究内容 本文以一种能够实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人为对象，探讨 和研究提高应用于硅片传输机构的高速轻型并联机械手的机构、运动学分析、尺 度综合、动力学分析及伺服电机选配等问题。全文编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域研究概况，并提 出主要研究内容。 一 第二章借助矢量法构造出整周回转平面两自由度机构的运动学模型和尺度 综合方法，为轨迹规划提供必要的理论前提。 第三章利用虚功原理建立机构刚体动力学模型，为轨迹规划提供必要的理 论前提。 0 第四章针对影响高速并联机构精度的一个重要因素轨迹规划，利用电 第一章绪论 子凸轮原理以机构在相同最大加速度下单程运行时间最短为优化目标，同时兼顾 轨迹对伺服电机最大输入力矩的影响，比较研究几种有效的轨迹模式规划方案。 在此基础上，设计一柔性有障碍路径规划方案，进一步缩短运行周期。 第五章给出全文结论和今后工作展望。 第二章运动学分析及尺度综合 2 1 引言 第二章运动学分析及尺度综合 运动学分析涉及已知机构尺度参数求解关节变量与操作空间变量的位置、速 度和加速度映射关系，通常可归结为正、逆两类问题。刚体逆动力学涉及已知机 构运动构件惯性参数、末端运动规律的条件下，考察折算到主动关节上的角加速 度、力( 矩) 、功率。值得指出的是，尽管前人已经在机器人运动学、动力学分析 方面作了大量的探讨，但针对具体的不同运动机构和控制策略，各种建模方法在 控制精度上将表现出很大的优劣。因此，探讨一种形式简洁且方便结算的模型， 对提高系统控制精度都将是一项极有实际意义的工作。 本章以一种能够实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人为研究对象， 构建其2 自由度环形并联机构的运动学逆解模型和正解模型；然后利用雅可比矩 阵的条件数构造机构运动学性能指标，研究该2 自由度环形并联机构的尺度综合 问题；旨在为后续的轨迹规划提供必要的理论前提。 2 2 机构介绍 本文研究机构采用两个驱动轴同轴布置形式，使得平面两自由度并联机构能 够实现绕其驱动轴轴线的整周回转，具有环形工作空间，同时使其运动学和动力 学性能具有良好的轴对称性。 如图2 1 所示为黄田教授提出的可实现整周回转的四自由度混联抓放式机 器人，机构采用由一个机座和两个结构相同的支链组成的两自由度并联机构，支 链包括驱动装置、驱动轴、主动臂、销轴及从动臂。各运动构件之间采用纯转动 铰链连接，两个驱动轴同轴布置形式，实现执行装置的整周回转。主动臂带动从 动臂，进而实现动平台的2 自由度平动。在尺度等同的情况下，比现有的平面两 自由度并联机器人机构具有更大的工作空间，同时运动学和动力学性能具有轴对 称性。 在所述第二从动臂与所述第一从动臂的铰接处设置有执行装置，包括回转运 动驱动装置、直线运动驱动装置、以及末端执行器，所述的回转运动驱动装置固 第二章运动学分析及尺度综合 定设置于第二从动臂末端并随第二从动臂一同运动，其输出轴与直线运动驱动 箍置固接所述直线运动驱动装置的输出端与末端执行嚣固接，从而使得所述的 末端执行器能够相对于所述的第二从动臂具有一个回转自由度和一个移动自由 度，所述的末端执行器可以是手爪或吸盘等。 2 3 运动学分析 2 3 1 位置逆解模型 图2 一 图2 - 2 所示为二自由度四杆机 构结构简图。虚线表示机构的初始 位置，实线表示机构处于工作空问 内任意位姿。无特殊说明情况下， 所有矢量均在固定参考坐标系 0 一x y 中度量。 位置逆解涉即己知末端执行器 图2 - 2 机构结构简图 第二章运动学分析及尺度综合 、参考点d 的位矢r - - ( xj ，) t ，确定主动臂转角f 9 l ，( 汪l ，2 ) 。在坐标系d 一砂下构 造闭环方程 ，一吩= 之嵋 i = 1 , 2 ( 2 1 ) 式中，l ，厶，玛，m 表示支链i 中主、从动臂杆长和单位矢量。 = ( c o s q ，s i n q ，) t ，嵋= ( c o s 岛，s i n 岛，) 丁 对式( 2 1 ) 两端取模方，得 2 l l y s i n 0 1 f + 2 1 2 c o s o l f - ( x 2 + ) ，2 + 午+ 譬夕= 0 4s i n o l f + 骂c o s o l f q = 0( 2 - 2 ) 式中， 4 = 2 y 忍= 2 l l x c t - _ x 2 + 矿+ t ：一l ： 根据装配模式，可解出 e l j = 2 一型学 ( 2 - 3 ) 据此，可确定；及由下式解出 2 3 2 位置正解模型 。一，一吩 吁彳 ( 2 - 4 ) 机构的位置正解涉及已知q ，( 扛1 2 ) ，求解点0 的位矢，。为此，将式( 2 1 ) 取模方后的2 个闭环方程相减，得 l , r t ( u l u 2 ) = o ，i = 1 ，2( 2 5 ) 展开后有 严告 ( 2 - 6 ) 式中， c = c o s 0 i l c o s o l 2 第二章运动学分析及尺度综合 d = s i n 0 i l s i n 0 1 2 代入第i 个闭环方程后，得到关于x 的一元二次方程 f x 2 + 2 g , x + h 。= 0 式中 心，罟 g ，= 2 1 lc o s 。l j + ，l 五cs i n o l ，) h i = l ? 一1 0 由此解出两组正解。根据装配模式，取一 、 工：二刍二匝：二鱼匝 f f 将式( 2 8 ) 代入式( 2 - 6 ) 即可确定点0 的y 坐标。 2 3 3 速度模型 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 对式( 2 1 ) 关于时间求导，得 ，= ，l 幺j q u j + ，2 0 2 i q 嵋，i = 1 , 2 ( 2 9 ) 式中， ，表示点0 的速度，皖，和幺，为支链i 中主动臂和从动臂的角速度，且 q = 。 将式( 2 - 9 ) 两端同前乘w j ，且注意，；t 妙，= 0 ，有 略志小l 2 j ( 2 - l 。) 写成矩阵形式，得 q = , i v = b i v( 2 - 1 1 ) 式中，表示速度雅可比矩阵，且 彳= b 。 m ，：】r ，曰= w j 孑啊，j 三群： ，幺= 瓴。馥：) t 同理，将式( 2 9 ) 两端同前乘矿，得 第二章运动学分析及尺度综合 2 4 尺度综合 矽2 i = 1 2 w h t j v 瓦， ( 2 1 2 ) 2 4 1 工作空间与约束条件 分析现存的各串联构形硅片传输机器人，得出实现由3 0 0 m n 的硅片传输其工 作空间和各参数如表2 1 所示。据此确定本文所设计串联硅片传输机械手性能 指标如表2 2 所示。 表2 一i 现有各硅片机器人机构的工作空间及各性能参数 垂直运动范围和工作环境关联较大，变动范围也较大，无特别要求 工作半径 2 8 英寸硅片尺寸的2 3 0 m m r 4 5 0 m m ，跨度较大，1 2 英寸硅片 尺寸的4 0 0 m m r 8 0 0 m m ，随硅片尺寸增大其工作半径相应增 大 转角范围最大3 3 0 度3 4 0 度，这是考虑压力角的原因 定位精度大多数为：l - o 1 m m 构型同一基座上单臂居多 硅片尺寸及质 8 英寸的2 0 0 9 ，1 2 英寸的3 0 0 9 量 末端速度半径方向上普遍比较大，2 4 0 脚一8 8 0 脚不等，旋转方向上1 0 0 度s - 3 0 0 度s ，不是很大，垂直方向上2 0 - 1 3 0 嬲s 不等 表2 - 2 设计要求的性能指标 工作半径 夹持9 3 0 0 m m 硅片，径向位移4 0 0 r a m 关节转角范围3 2 0 度，压力角定为3 0 度 定位精度 士0 1 m m 构型同一基座上单臂 硅片尺寸及质量3 0 0 9 末端速度 半径方向：5 0 0 m m 不等，旋转方向上1 5 0 度s ，垂直方向上 5 0 m m s 第二章运动学分析及尺度综合 本文研究机构采用两个驱动轴同轴布置形式，使得平面两自由度并联机构能 够实现绕其驱动轴轴线的整周回转，具有环形工作空间，如图2 3 所示。同时使 其运动学和动力学性能具有良好的轴对称性。当给定，l ，厶后，执行器末端参考 点d 的可达空间为以d 为圆心的环形平面区域，组成环形的两圆的半径由主动 臂、从动臂及其压力角共同确定。因为其运动学性能的对称性，对环形空间在v 轴负半轴的部分0 ，一d ：进行尺度综合。优化出杆长尺寸后，考虑图1 1 所示 硅片工位传输，在图示扇形区域进行优化后的性能分析，同时验证其对称性。 ， r ： 一! t 囊 。 。 、， ! 、 、 ； x ：i 毫 采 ， l | 薹 “ # j !强? ，1 7 4j 。r j c： i ， 重 ， 毋 l ! i r 卜 一 l ：! 垂 ，- ， 噍 ：r 强 矧 ；： 譬 7 ， 嚣 ， y ? j 、 ；： 一： 弋 7 f ： ， 口窒 t ：i ： j ：i ：； ij ：气 、 、 7 ? 一一 2z ) 1 ( 工， i ； i i i 01 ： 。冬- 萎密x ：跨毪i j ；， ：； ， ： 露 t ： ： 弋 一- v 。，叱 图2 3 机构的工作空间 图2 _ 4 表示机构出现刚化，控制整 个工作空间中各位形处的机构压力角即 可避免图2 _ 4 所示奇异位形。 束边界 图2 - 4 机构奇异位形 第二章运动学分析及尺度综合 2 4 2 约束条件 令p 。和p ：分别表示当d 位于设计空间边界上点0 1 ：( 五，咒) 和点q ( j c 2 ，) 时，主动 臂与从动臂之间夹角。在工作空间形中l l f 与矽：间所夹锐角p ，= a r c c o s l f 嵋l 由图2 - - 3 可构造如下尺度参数关系， 上边界： i 咒i = 彳+ 譬一2 乞c o s p - ( 2 - 1 3 ) 下边界： i i = 芊+ 蟹- 2 l l l 2 c o s2 ( 2 1 4 ) 为了避免由m 屹或屹n u 2 引起的奇异位形，利用式( 1 2 ) 和余弦定理构造如 下不等式约束 m a x ( c o s 岛c o s p 2 ) c o s p 曲 ( 2 - 1 5 ) 式中 c 。s p 。= 彳( ，+ 6 2 一睾 式( 2 1 5 ) 还可表示为 c o s p 2 = 乎 卜一翻 妒啦】仁 一矜c o s 嗍 一 在此，p 1 表示机构的许用压力角，即主动臂与从动臂间所夹的最小锐角， 6 = 乞4 表示从动臂与主动臂杆长之比。后续计算结果将表明：若形如式( 1 5 ) 的不 等式成立，则在整个工作空间中各个位形处的机构压力角即可得到控制。至于图 中m 和h u 2 同时出现，以及嵋的情况，因必须破坏形如( 1 4 ) 的约束才 可能出现，故可不予考虑。 另需考虑的约束为工作空间与机构体积比，其可表示为 e 0 e 0 + +tl ，l，l f归匕 1 4 后，而随6 的增大缓慢减小。为了权衡上述两个分项指标间 的矛盾，且注意到它们具有相同的数量级，故考虑利用二者的几何均值构造全域 综合性能评价指标：综合考虑彳i 和而的影响，可构造如下全域综合性能指标 n：厢-2 。2 ( 2 2 6 ) 式中，表示面的加权因子。 第二章运动学分析及尺度综合 3 3 2 图2 - 5 1 1 ，可和f 1 随l l 、艿的变化 3 图2 - 5 ( c ) 示出了在上述条件下，r 随，l 和万的变化规律。据此，机构的最优 尺度综合问题在理论上可表述为 ” m m x _ r 2 ( 2 - 2 7 ) 满足不等式约束( 2 一1 5 心一1 8 ) 的有约束非线性规划问题。在此， x = ( ，6 ) 表示 设计变量。 2 4 4 实例分析 将采用该机构构成的四自由度混联机械手用于硅片高速自动传输装置开发 ( 见图1 1 ) 。工艺顺序：是硅片磨削设备中的自动传输系统，它的工艺动作顺序 为：机器人将待加工的硅片从片盒中取出，送至预对准台中，中心定位后，机器 人将硅片取至工件转台上，转至粗磨工位。粗磨后的硅片，转至下一工位精磨， ， 2 瘩 b 7 与沁 m 他侣”搿 第二章运动学分析及尺度综合 机器人再将加工完毕的硅片送到清洗装置，清洗完毕后，由机器人将硅片放至片 盒中。设定硅片最大直径为3 0 0 m m ，参考现有串联硅片传输机器人的尺寸，定 义该机构的工作空间为b = 州2 ，h = 5 0 0 r a m ；此外，为了保证机构具有良好的 传力特性，取防】- 4 0 。基于动力学因素和工程可实现性的考虑，给定设计变量 上、下限为： 1 3 6 3 2 0 0 m m s 4 5 0 m m 调用m a t l a b 圆o p t i m i z a t i o nt o o lb o x d p 的f m i n c o n 函数，求解问题( 2 2 7 ) ，得到 如下结果：= 3 3 9 0 9 4 9 m m ，6 = 1 5 4 7 ，1 1 m i n = 1 7 7 9 图2 - 7 示出了利用上述参数计算出的条件数r 和机构压力角p ( p 。= p ：) ( 届表示 支链i = 1 ，2 中主动臂与从动臂间所夹锐角) 在w d 中的分布情况。由图( 口) ( c ) 可见， k 在的下边界附近半部取值很小，且波动平缓，全域最大值为1 c = 2 8 9 。由 图2 - 7 ( 6 ) ( d ) 可见，在上边界处压力角l 8 - - 4 0 。，符合工作要求，且在全域各位 形处的压力角均已得到有效控制。 经优化综合并圆整得到一组最终尺度参数为： = 3 4 0m 坍，厶= 5 3 0 r a m 第二章运动学分析及尺度综合 2 5 本章小结 ， ， 图2 7 运动学性能在设计工作空间中的分布 ( a ) 、( c ) 雅可比矩阵条件数( b ) 、( d ) 最小传动角 本章以一种能够实现整周回转的四自由度混联抓放式机器人为对象，研究 其整周回转平面两自由度机构的运动学