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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Materialhandhabungsroboter und insbesondere
direkt angetriebene Armglieder und Endeffektoren eines Roboters.
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Roboter
zur Materialhandhabung werden bei der automatisierten Herstellung
von integrierten Schaltungen, Flachbildschirmen und anderen Präzisionserzeugnissen
verwendet. Viele dieser Produkte erfordern nahezu sterile Handhabung
von äußerst zerbrechlichen
und kostspieligen Materialien, wie etwa Halbleiter-Wafern, während des
Herstellungsprozesses. Bei der Halbleiterherstellung müssen Rohmaterialien
und prozessinterne Werkstücke äußerst sauber
gehalten werden; die auf den Werkstücken geätzten Leiterbahnen sind so
schmal (z. B. 0,18–10 μm), daß winzige
Teilchen die Bahnen kontaminieren und die fertige Schaltung unbrauchbar machen
können.
Deswegen werden abgedichtete, ultrareine Roboter benutzt, um die
Materialien genau, sanft und präzise
in einem Reinraum zu bewegen und Kontaminierung oder Schäden an den
Materialien zu vermeiden, die durch menschlichen Kontakt oder menschliche
Handhabung auftreten könnten. Solche
Roboter dürfen
aber keine Metallteilchen erzeugen, Chemikalien austreten lassen
oder andere Materialien erzeugen, die ein Wafer oder anderes Substrat
kontaminieren könnten.
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Ferner
müssen
Roboter sich präzise
zu bestimmten Punkten im Raum bewegen, um diverse Herstellungsschritte
auszuführen.
Da Wafer, Flachbildschirme und andere Substrate äußerst zerbrechlich und kostspielig
sind, müssen
alle Roboterbewegungen sanft und präzise sein. Ein "Backlash" oder Spiel in den
mechanischen Komponenten des Roboters muß minimiert sein, um genaue
Bewegung sicherzustellen und Schaden an einem Objekt am Roboter
zu vermeiden.
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Außerdem werden
manche Herstellungsprozesse in einem Vakuum durchgeführt oder
erfordern gefährliche
Chemikalien. Roboter müssen
vakuumtauglich sein und in der Lage sein, Materialien in Vakuum
und in korrosiven Umgebungen zu handhaben, die menschenfeindlich
sind.
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Es
besteht deshalb auf diesem Gebiet erhöhter Bedarf nach einem Ultrarein-Materialhandhabungsroboter,
der zuverlässig
ist, mit minimalem oder verschwindendem Spiel arbeitet, voll gegen Teilchenerzeugung
abgedichtet und vakuumtauglich ist.
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Aus
der
US 5 007 784 geht
ein Roboterarm mit einem zweiendigen Endeffektor hervor. Die Endeffektorstruktur
dient dazu, Werkstücke
aufnehmen zu können,
wobei gegenüber
einem zentralen Abschnitt sich zwei gegenüberliegende Hände befinden.
Der Roboterarm selbst besteht aus einer Reihe von Gliedern, wie
einem ersten Glied, einem zweiten Glied sowie dem Endeffektor, die
nacheinander jeweils zentral miteinander verbunden sind und ausgangsseitig
an einer relativ statischen Struktur befestigt und angelenkt sind.
Durch mehrfache Zahnriemengetriebe, die motorisch getrieben sind
von Motoren, die in der relativ statischen Struktur untergebracht
sind, kann eine Hand des Endeffektors eine lineare, radiale Bewegung
in Bezug auf die Achse der relativ statischen Struktur ausführen. Soll
eine reine Drehbewegung des Roboterarms stattfinden, ist es auch
erforderlich, einen Motor für
die Drehung der relativ statischen Struktur einzusetzen.
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Aus
der
EP 0 188 863 B1 geht
ein Gelenk-Robotmanipulator hervor, wobei ein erster Arm des Manipulators
um eine Achse der Basis bzw. eine erste Achse herum gedreht werden
kann und ein zweiter Arm gegenüber
dem ersten Arm um eine zweite Achse drehbeweglich ist. Der zweite
Arm trägt an
seinem äußeren Ende
ein Werkzeug, das von einem Motor betätigt werden kann, der auch
das freie Ende des zweiten Armes belastet. Die Drehung des ersten
Armes um die erste Achse erfolgt durch einen ersten Motor, die Drehung
des zweiten Armes um die zweite Achse erfolgt durch einen zweiten
Motor, wobei der erste und der zweite Motor in der Basis untergebracht
sind und dabei der zweite Motor seine Drehung koaxial zum ersten
Motor ausführt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Roboter anzugeben, der
die Struktur und die seitliche Bewegungsfreiheit des menschlichen
Armes nachbildet, dabei einfach aufgebaut ist und sich leicht und
präzise
ansteuern lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Zweckmäßige und
weiterhin vorteilhafte Weiterbildungen des Roboters nach Anspruch
1 sind in den von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen
2 bis 7 angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Roboters.
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2 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Seitenansicht einer Roboterbasis.
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3 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Seitenansicht eines Roboterarms.
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4 ist
eine Draufsicht auf einen Roboterarm von oben in einer teilweise
ausgestreckten Position.
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5 ist
eine Draufsicht auf einen Roboterarm von oben in einer nahezu voll
ausgestreckten Position.
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6 ist
eine Seiten-Schnittansicht einer ein Roboterdrehgelenk verbindenden
Fluiddichtung.
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7 ist
eine Seiten-Schnittdarstellung eines Roboterarmglieds mit einem
Filter.
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8 ist
eine schematische Seitenansicht eines Weges zum Durchführen von
Signalen durch ein Roboterdrehgelenk.
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9 ist
eine schematische Draufsicht auf einen anderen Weg zur Durchführung von
Signalen durch ein Roboterdrehgelenk.
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10 ist
eine Seitenansicht im Teilschnitt des in 9 gezeigten
Weges zum Durchführen
von Signalen.
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11 ist
eine Seiten-Schnittansicht eines Roboterarms in einer voll ausgestreckten
Position.
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Detaillierte Beschreibung
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In
den Zeichnungen dieser Offenbarung beziehen sich gleiche Bezugszeichen
auf identische Strukturen.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Roboter 20 konstruiert,
um die Struktur und seitliche Bewegungsfreiheit eines menschlichen
Arms nachzuahmen. Der Roboter 20 hat eine Basis 22 mit
einem befestigten beweglichen Arm 24. Der Arm 24 umfaßt ein unteres Armglied 26,
ein oberes Armglied 28 und eine Hand oder einen Endeffektor 30.
Das untere Armglied 26 ist an die Basis 22 an
einer drehbaren Schulter 32 angeschlossen; das obere Armglied 28 ist
an das untere Armglied 26 durch einen drehbaren Ellbogen 34 angeschlossen;
und der Endeffektor 30 ist an den Unterarm 28 durch
ein drehbares Handgelenk 36 angeschlossen.
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Die
Basis 22 enthält
Motoren zum Antreiben mehrerer drehbarer Wellen. Eine drehbare Welle schließt an das
untere Armglied 26 an und steuert die Drehung der Schulter 32.
Eine andere Welle schließt an
das obere Armglied 28 durch eine Rolle an und steuert die
Drehung des Ellbogens 34. Im Ellbogen 34 befindet
sich eine Rolle, die die Drehung des Endeffektors 30 steuert.
Bei dieser Anordnung betätigen die
Motoren, gesteuert durch eine externe Steuerung, wie etwa einen
Mikrocomputer, den Arm 24 so, daß das Schultergelenk 32 rotiert
oder der Endeffektor 30 sich relativ zum Schultergelenk 32 und
der Mittelachse des Roboters radial nach innen oder außen bewegt.
Auf diesem speziellen Gebiet ist nur radiale Bewegung des Endeffektors
erforderlich; der Endeffektor ist immer ausgerichtet, um sich entlang
eines Radius zu bewegen, der sich vom Zentrum der Roboterbasis zu
einer externen Arbeitsstation oder anderen Stelle erstreckt.
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Der
Endeffektor 30 umfaßt
eine Mittelplatte 38, die um das Handgelenk 36 drehbar
ist. Ein Paar von Endeffektorblätterklingen
oder -schaufeln 140 erstreckt sich vom Handgelenk radial
nach außen.
Das nahe Ende 142 jedes Blattes ist mit der Mittelplatte 38 verbunden.
Jedes der Blätter 140 kann
einen Gegenstand, wie etwa ein Halbleiter-Wafer, eine Flachbildschirmanzeige,
ein Substrat oder einen anderen Gegenstand heben und transportieren.
Der Endeffektor 30 ist somit vom in der Technik als "doppelendiger" Endeffektor bekannten
Typ.
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Wie
in 2 gezeigt, hat die Roboterbasis 20 ein
zylindrisches Motorgehäuse 40,
das einen Ellbogenmotor 50 und einen Schultermotor 70 umschließt und schützt. Der
Ellbogenmotor 50 ist auf einer Bodenplatte 52 angebracht,
die an der Basis des Roboters befestigt ist. Eine Ellbogen-Antriebswelle 62 ist
an den Ellbogenmotor 50 gekoppelt. Eine Heimkehrmarke 54 liefert
einen Weg, zu erfassen, wann der Motor und die Welle eine Heimposition
erreicht haben. Eine Gleitringanordnung 56 ist an einer Gleitringfassung 58 und
einer Wellenanordnung 60 befestigt und ermöglicht es
Steuersignalen, die Anordnung zu durchlaufen. Wenn die Vorrichtung zusammengebaut
ist, steht die Ellbogen-Antriebswelle 62 nach oben durch
das Gehäuse 40 über und schließt an eine
in 3 gezeigte erste Ellbogen-Antriebsrolle 90 an.
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Der
Schultermotor 70 ist im Gehäuse 40 direkt über dem
Ellbogenmotor 50 montiert und hat ein großes Mittelloch,
durch das die Welle 62 verläuft. Eine Schulterantriebswelle 82 ist
an den Schultermotor 70 mit einer Heimkehrmarke 74 und
einer Wellenanordnung 72 gekoppelt. Die Wellenanordnung 72 und
die Schulterwelle 82 haben ein durch sie hindurch verlaufendes
großes
Loch 80, um einen Freiraum für die Ellbogenwelle 62 zu
schaffen. Ein Schulterantriebs-Kugellager 76 gleitet zwischen
den Wellen 60 und 82, um Halterung für die Welle 62 zu schaffen.
Eine innere dynamische Magnetfluid-Drehdichtung 54 gleitet
auch zwischen den Wellen 60 und 82. So treibt
der Schultermotor 70 das untere Armglied 26 direkt
an, um es um das Zentrum des Roboters 20 zu drehen.
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Eine
Durchführung 78 ist
am oberen Rand 42 des Gehäuses 40 befestigt,
um eine Dichtoberfläche für einen
Balgen und für
die äußere dynamische
Magnetfluid-Drehdichtung 405 zu bilden. Die äußere Dichtung 405 schafft
zusammen mit der inneren Dichtung 404 eine Vakuum-Druckdifferenzsperre
und eine Partikelsperre für
das Schultergelenk. Das zusammengebaute Gehäuse 40 wird in Z-Achsenrichtung
durch einen Z-Achsenmotor und eine Kugelumlaufspindel nach oben
und unten angetrieben und ist in einem abgedichteten äußeren Gehäuse eingeschlossen,
das das Ein- oder Austreten von Partikeln oder Verunreinigungen
verhindert.
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3 zeigt
einen Roboterarm 24 mit Direktantrieb in auseinandergezogener
Form. Wenn der Arm 24 an die in 2 gezeigte
Roboterbasis angebaut ist, sitzt ein Spritzschutz 92 auf
der Schulterwelle 82. Die erste Ellbogen-Antriebsrolle 90 sitzt
an der Ellbogen-Antriebswelle 62. Die erste Ellbogen- Antriebsrolle 90 ist
mit einer zweiten Ellbogen-Antriebsrolle 94 durch Treibriemen 96 verbunden.
Die zweite Ellbogen-Antriebsrolle 94 ist im allgemeinen
zylindrisch mit einem mittigen, kreisrunden Hohlraum 95 und
läuft in
einem Ellbogenschacht 29 im unteren Armglied 26.
Ein Kugellager 104 ist im Ellbogenschacht 29 innerhalb
der zweiten Ellbogen-Antriebsrolle 94 angeordnet. Der äußere rotierende
Laufring des Kugellagers 104 ist zwischen der zweiten Ellbogen-Antriebsrolle 94 und
einer Lagerklammer 108 gefangen. Der innere rotierende
Laufring des Kugellagers 104 ist zwischen einer oberen
Ellbogenrolle 106 und einem kreisrunden Vorsprung 110 des
Ellbogenendes des unteren Armglieds 26 gefangen.
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Die
Durchmesser der ersten und der zweiten Ellbogen-Antriebsrolle sind
im wesentlichen identisch, d. h. die Durchmesser stehen in einer
1:1-Beziehung. Die Treibriemen 96 umfassen Metallbänder oder
laminierte Metall-viskoelastische Bänder, die jeweils ein um eine
der Rollen 92, 94 gewickeltes und durch einen
Stift 100 am Ort gehaltenes Ende 98 haben. Ein
Bandstraffer 150 ermöglicht
eine Einstellung der Spannung in den Bändern. Der Betrag der Bandspannung
kann gemessen werden durch Einführen eines
Meßwerkzeugs
durch ein Loch 152. Das andere Ende jedes Bands ist an
die gegenüberliegende Rolle
geheftet. Das erste Ende 98 jedes Bands ist um ca. 320
Grad des Umfangs einer Rolle 92, 94 gewickelt.
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Das
obere Armglied 28 ist an der Lagerklammer 108 befestigt
und dreht sich so zusammen mit der zweiten Ellbogen-Antriebsrolle 94.
Bei dieser Anordnung übt
eine Kreisbewegung der ersten Ellbogen-Antriebsrolle 90 eine
direkte Kraft auf die Treibriemen 96 aus und dreht dadurch
die zweite Ellbogen-Antriebsrolle 94 und das obere Armglied 28.
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Eine
Schulterabdeckung 102 umschließt und schützt die erste Ellbogen-Antriebsrolle 90 und
das Schultergelenk und verhindert das Eindringen von Verunreinigungen
oder die Freisetzung von Partikeln aus dem Gelenk.
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Bezogen
auf 11 erstreckt sich die obere Ellbogenrolle 106 durch
die Lagerklammer 108 und durch ein entsprechendes Loch 112 im
Ellbogenende 126 des oberen Armglieds 28. Ein
Paar von Endeffektor-Treibriemen 114 ist an der oberen
Ellbogenrolle 106 befestigt und durch Stifte an der Welle
in der oben in Verbindung mit Treibriemen 96 beschriebenen
Weise gehalten.
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Eine
Endeffektor-Antriebsrolle 120 ist im Handgelenkende des
oberen Armglieds 28 angeordnet. Die Endeffektor-Antriebsrolle 120 ist
im allgemeinen zylindrisch mit einer zylindrischen kreisrunden Aussparung 401 (siehe 3).
Die Endeffektorrolle 120 ist an die obere Antriebsrolle 106 durch
Treibriemen 114 gekoppelt. Der Durchmesser der oberen Ellbogenrolle 106 ist
die Hälfte
des Durchmessers der Endeffektorrolle 120, d. h. die Durchmesser
der Rollen 106, 120 haben ein 1:2-Verhältnis.
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Ein
Kugellager 130 ist im Hohlraum 401 der Endeffektor-Antriebsrolle 120 positioniert.
Der äußere Laufring
des Kugellagers 130 ist zwischen der Endeffektor-Antriebsrolle 120 und
einer äußeren Lagerklammer 136 gefangen.
Der innere rotierende Laufring des Kugellagers 130 ist
zwischen einer inneren Lagerklammer 132 und einem kreisrunden
Vorsprung 122 des Handgelenkendes des oberen Armglieds 28 gefangen.
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Eine
obere Armgliedabdeckung 134 erstreckt sich über das
Armglied 28, um die Rollen und Treibriemen darin zu verdecken
und sie gegen Partikelaustritt abzudichten und vor dem Eindringen
von Verunreinigungen zu schützen.
Eine Klammerplatte 138 ist am Endeffektor 30 befestigt
und hält
den Endeffektor 30 an der Rolle.
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Optionsweise
kann eine Magnetfluid-Drehdichtung 402 zwischen dem unteren
Armglied 26 und der zweiten Ellbogenrolle 94 installiert
sein. Dadurch wird das Ellbogengelenk 34 gegen in das Gelenk
eindringende oder daraus entweichende Partikel oder Verunreinigungen
abgedichtet. In ähnlicher
Weise kann optionsweise eine Magnetfluid-Drehdichtung 403 zwischen
dem oberen Armglied 28 und der Endeffektor-Antriebsrolle 120 installiert
sein, um das Handgelenk 36 abzudichten.
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Die
Länge des
unteren Armgliedes 26 ist gleich der Länge des oberen Armgliedes 28,
wobei "Länge" sich auf den Abstand
zwischen den Gelenken an beiden Enden jedes Armgliedes bezieht.
Bei dieser Anordnung ist der Schultermotor 82 direkt an das
Schultergelenk gekoppelt. Der Ellbogenmotor 50 ist an einer
Rolle 90 im Schultergelenk befestigt, wobei die Rolle in
einem 1:1-Verhältnis
mit einer anderen Rolle 94 im Ellbogengelenk angetrieben
wird. Deshalb ergibt, wenn der Schultermotor steht, eine Umdrehung
des Ellbogenmotors eine Umdrehung des Ellbogengelenks.
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Zusätzlich treibt
die Endeffektor-Antriebsrolle 120 im oberen Armglied den
Endeffektor in Drehbewegung relativ zum oberen Armglied an. Die
Endeffektor-Antriebsrolle 120 hat den zweifachen Durchmesser
einer oberen Ellbogen-Antriebsrolle 106. Wenn bei dieser
Anordnung Schultermotor und Ellbogenmotor mit gleicher Geschwindigkeit,
aber in unterschiedliche Richtungen angetrieben werden, wird der
Endeffektor radial ausgestreckt, d. h. in einer sich radial erstreckenden
geraden Linie angetrieben, so daß eine Mittelachse des Endeffektors
immer die Schulterachse kreuzt. Wenn der Schultermotor und der Ellbogenmotor
mit gleicher Geschwindigkeit in gleicher Richtung angetrieben werden,
ist das obere Glied 28, relativ zum unteren Armglied 26 fest,
und der ganze Arm 24 dreht sich um das Schultergelenk.
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4 und 5 zeigen,
wie die lineare radiale Ausstreckung funktioniert. In 4 ist
der Roboterarm 24 in einem teilweise eingezogenen Zustand gezeigt,
wohingegen in 5 der Arm 24 voll ausgestreckt
gezeigt ist. Wenn der Schultermotor und der Ellbogenmotor mit gleicher
Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzte Richtungen angetrieben
werden, treten mehrere gleichzeitige Bewegungen auf. Das Schultergelenk 22 dreht
sich, so daß das
untere Armglied 26 sich im Gegenuhrzeigersinn in die in 5 gezeigte
Position bewegt. Gleichzeitig dreht sich das Ellbogengelenk 34 mit
der gleichen Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzte Richtung,
d. h. im Uhrzeigersinn, so daß das
obere Glied 28 sich im Uhrzeigersinn in bezug auf das untere
Armglied 26 dreht. Auch der Endeffektor dreht sich mit
Bezug auf das obere Armglied 28 im Gegenuhrzeigersinn,
aber mit der halben Geschwindigkeit der anderen Glieder. Auf diese
Weise bewegt sich der Endeffektor entlang einer Radiuslinie 150 nach
außen,
so daß der
Endeffektor immer mit der Linie 150 ausgerichtet bleibt. Diese
Linearbewegung wird erreicht durch die Erkenntnis, daß bei Bewegung
zwischen den in 4 und 5 gezeigten
Positionen der von den Gliedern 26 und 28 aufgespannte
Winkel A mit dem Zweifachen der Geschwindigkeit des vom Glied 28 und
dem Endeffektor 30 aufgespannten Winkels B spitzer wird.
Dieses 2:1-Verhältnis der
Winkeländerung
wird erreicht durch Verwendung des 2:1-Verhältnisses
der Endeffektor-Antriebsrolle 120 zur oberen Ellbogenrolle 106.
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Diese
Vorrichtung schafft einen direkten Antriebsmechanismus, der das
bei bisherigen Mechanismen, die Steuerriemen und/oder Getriebeuntersetzungen
innerhalb der Armglieder und/oder innerhalb des Roboters verwenden,
erzeugte Spiel vermeidet. Durch Verwendung großer Direktantriebsmotoren ist
kein Getriebe in der Basis erforderlich, und die Antriebskette ist
einfach. Der Antriebsmechanismus ist sehr zuverlässig und robust. Die Zuverlässigkeit
kann erhöht
werden durch Verwendung von bürstenlosen
Stellmotoren.
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Bei
diesem System ist jedes der dynamischen Armgelenke, einschließlich Schulter,
Ellbogen und Handgelenk, durch dynamische Magnetfluid-Drehdichtungen,
auch als Ferrofluid-Dichtungen bekannt, oder gleichwertige Fluiddrehdichtungen
abgedichtet. 6 zeigt ein beispielhaftes,
abgedichtetes dynamisches Gelenk eines oberen Armgliedes 200 und
eines unteren Armgliedes 210. Eine rotierende Welle 7 geht
von einem Motor 406 im unteren Armglied 210 aus,
der das obere Glied 200 antreibt. Um zu ermöglichen,
daß sich
das obere Glied 200 über
das untere Glied 210 drehen kann, trennt ein kleiner Spalt 220 die
zwei Glieder. Bei einem Vakuumroboter steht der Spalt 220 unter
Vakuum, wohingegen das Innere der Glieder 200, 210 unter
Atmosphärendruck
steht. Deshalb muß die
Dichtung zwischen der Welle 7 und den Wänden des unteren Gliedes 210 durch
eine Drehdichtung 5 abgedichtet sein, um zu verhindern,
daß Atmosphäre aus dem
Glied austritt. Zusätzlich
ist eine Dichtung erforderlich, um zu verhindern, daß Partikel
aus dem Motor 406 oder Gliedkomponenten in die ultrareine
Vakuumumgebung austreten.
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Die
Dichtungseinheit 5 umfaßt ein Gehäuse 12, das die Welle 7 umgibt,
und ein Kugellager 14. Das Innere der hohlen Armglieder
ist vollständig
gegen die äußere Vakuumumgebung
abgedichtet und kann unter etwa atmosphärischem Druck bleiben.
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Wie
in 6 gezeigt, füllt
bei der dynamischen Magnetfluid- oder "Ferrofluid"-Drehdichtung ein Ring aus magnetischer
Flüssigkeit 18 den
Spalt zwischen der beweglichen Welle 7 und dem stationären Gehäuse 12.
Die Magnetflüssigkeit 18 wird
durch starke Magnete 16 am Platz gehalten, dichtet so den Spalt
und läßt gleichzeitig
Drehung der Welle 7 zu, schützt gegen Eindringen von korrosiven
Materialien und verhindert das Austreten von partikelförmigen Verunreinigungen.
Die Flüssigkeit
hat auch eine Dämp fungswirkung
durch innere Reibung auf beliebige, durch die Motoren und Rollen
verursachte Restschwingungen.
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Statische
Dichtungen werden verwendet, um Gas- oder Partikeldurchtritt vom
Inneren oder ins Innere jedes hohlen Armgliedes 26, 28 zu
verhindern. Zum Beispiel können
statische O-Ring-Dichtungen um die Abdeckplatte 102 verwendet
werden. Alternativ werden Flanschdichtungen, wie etwa von der Varian
Corporation, Menlo Park, Kalifornien erhältliche CONFLAT-Flanschdichtungen
zum Abdichten von Nahten in dem die Armglieder bildenden Metallblech verwendet.
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In
der Vergangenheit haben Roboter in dem Bemühen, Partikel im Roboter zurückzuhalten
und das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern, saubere Herstellungspraktiken
und fluidlose Dichtungen genutzt. Die Verwendung von Ferrofluiddichtungen
an den dynamischen Armgelenken bietet jedoch signifikante Vorteile.
Beliebige innerhalb der Roboterglieder erzeugte Teilchen können nicht
in die saubere Umgebung entweichen. Beliebige korrosive Materialien
außerhalb
des Roboters können
nicht in die internen Komponenten des Roboters gelangen. Auch bei Verwendung
in einem Vakuum müssen
die internen Komponenten nicht vakuumtauglich sein, da die Fluiddichtungen
eine Atmosphärensperre
bilden. Die oben beschriebene Anordnung verwendet dynamische Dichtungen
in allen Drehgelenken und statische Dichtungen an allen anderen
Stellen eines Armgliedes, die eine Naht oder einen Spalt haben.
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Der
oben beschriebene Roboter ist voll abgedichtet, doch eine alternative
Ausgestaltung verwendet belüftete
Armglieder. Wie in 3 und 7 gezeigt,
ist in jedem Armglied 26, 28 ein hochdichter metallischer
oder keramischer Filter 170, 172 in der Bodenwand 26' des Armgliedes
oder dem Arm-"Trog" montiert. Die Filter
schaffen eine dichte Sperre gegen das Eindrin gen von Partikeln in
oder Austreten aus den Armgliedern. Zusätzlich stellen die Filter sicher,
daß eine
sehr kleine Druckdifferenz zwischen den Armgliedern besteht, was
die Verwendung von dünnen,
einstufigen Abschlußdichtungen 5 an dynamischen
Gelenken zwischen den Gliedern 26, 28 ermöglicht.
Dies bietet signifikante Vorteile. Zum Beispiel können alle
Armgelenke dünner
gemacht werden, insbesondere das Handgelenk. Außerdem sind alle Gelenklager
gegen direkten chemischen Angriff durch die Ferrofluiddichtungen
geschützt.
Der Filter verringert oder beseitigt Verunreinigungen durch Partikel
innerhalb der Glieder.
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Wie
oben festgestellt, ist eine Gleitringanordnung 56 zwischen
den Motor 50 und die Wellenanordnung 60 gekoppelt. 8 zeigt
einen allgemeinen Weg der Verwendung einer Gleitringanordnung zur Übertragung
von elektrischen Signalen von einem rotierenden Element, wie etwa
einem Armglied, an ein statisches Element, wie etwa eine Roboterbasis. 8 zeigt
einen Roboter 20 mit einem statischen Basisgehäuse 40 und
einem beweglichen Armglied 26. Eine Gleitringanordnung 56 ist
innerhalb des Basisgehäuses
auf der Mittellinie der Drehung des Gelenks 26 montiert.
Ein Steuerkabel 256 ist innerhalb des Armgliedes 26 verlegt
und es ist erwünscht,
die Signale in dem Kabel an elektronische Komponenten im Basisgehäuse zu koppeln.
Das Kabel 256 durchläuft
eine Vakuumsperre 254 und ist an einem rotierenden Element 250 einer
Gleitringanordnung 56 mechanisch befestigt und elektrisch
daran gekoppelt. Das statische Element 252 der Gleitringanordnung ist
an der Roboterbasis 41 montiert. Der Gleitring hat konzentrische
Ringkontakte an einer Oberseite 258 des statischen Elements 252 und
entsprechende Gleiter an dem rotierenden Element 250. Wenn
sich das rotierende Element dreht, gleiten die Gleiter über die
Ringkontakte und erzeugen so einen stromleitenden Weg, der sich
drehen kann. So kann das Armglied 26 ohne Bedenken bezüglich Aufwickeln
des Drahtes, übermäßiges Biegen,
Verdrillen oder Wendeln von Drähten
in der Basis, gedreht werden.
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Andere
Typen von Gleitringen, wie etwa Quecksilber-Gleitringanordnungen,
können
verwendet werden.
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9 und 10 zeigen
einen anderen Weg, ein elektrisches Signal durch ein Roboterdrehgelenk
zu führen. 9 und 10 zeigen
einen äußeren statischen
Zylinder 300, wie etwa ein oberes Armglied, der konzentrisch
zu einem rotierenden inneren Zylinder 310, wie etwa einer
Welle oder einer Rolle, montiert ist, die sich innerhalb des statischen Zylinders 300 dreht.
Der innere Zylinder 310 ist durch eine Welle 330 angetrieben,
die sich nach unten zu einem Motor oder einer anderen Vorrichtung
erstreckt. Ein Flachkabel 320 erstreckt sich von außerhalb
des statischen Zylinders 300 durch ein Loch 340 in
den statischen Zylinder. Innerhalb des statischen Zylinders 300 ist
das Kabel 320 in einer Wicklung 360 um den inneren
Zylinder 310 locker angeordnet. Die Wicklung 360 umfaßt ca. drei
Kabelumdrehungen. Das ferne Ende 350 des Kabels verläuft durch
ein Loch 370 im inneren Zylinder 310. Das ferne
Ende 350 und das nahe Ende 380 des Kabels 320 sind
an Schaltungen oder Sensoren gekoppelt.
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Das
Kabel 320 kann eine Litze oder ein anderer geeigneter Kabelbaum
sein, der gegen Abrieb beständig
und vakuumtauglich ist.
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Bei
dieser Anordnung kann die Welle 330 frei mehrere Umdrehungen
zurücklegen,
ohne den Signalfluß durch
das Kabel 320 zu beeinflussen. Das Kabel 320 biegt
sich lediglich geringfügig,
ohne sich wesentlich zu bewegen, während die Welle sich dreht.
Das Kabel 320 ist lang genug, damit sich die Welle mehrere
Male drehen kann. So verlängert
diese Anordnung die Lebensdauer eines Kabelbaums oder Kabels 320,
indem sie verhindert, daß sich
das Kabel 320 zu fest aufwickelt. Die Fähigkeit, sich über einen
Bogen von 360 Grad oder mehr zu drehen, ist ein wesentlicher Vorteil
gegenüber
Robotern, die auf eine Drehung von 320 Grad oder weniger beschränkt sind.
Voll drehbare Roboter können
oft einen kürzeren
Weg zu einem bestimmten Arbeitsplatz nehmen.
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Diese
Anordnung kann in einem beliebigen Drehgelenk eines Roboters, einschließlich Schulter, Ellbogen
und Handgelenk, verwendet werden. Andere alternative Ausgestaltungen
liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.