[发明专利]一种高速运动机械手的防碰撞系统

说明书

一种高速运动机械手的防碰撞系统，包括高速视觉捕捉硬件系统、快速识别跟踪定位系统、初始化参照表模块、晶圆参照表对比模块、机械手标记检测模块和预警模块；获取正常工作中一工作节拍视频，制作搭载晶圆机械手位置、速度、加速度和时间关系表；通过视觉捕捉硬件系统和识别跟踪定位系统获得晶圆圆心位置坐标、速度和加速度信息，对比初始化参照表模块中存储数据；在晶圆边缘两侧固定位置做标记，通过获得机械手上的标记点有无信息，确定晶圆与机械手托持结构的相对位置关系；根据计算出的晶圆位置运动状态和建立的参照表，计算运动状态的差值，超过设定阈值启动碰撞预警装置。本发明低成本、高精确地实现高速运动物体碰撞视觉检测，具有通用性。

技术领域

本发明属于工业机器人领域，涉及一种高速运动机械手的防碰撞系统，应用于真空中洁净环境中晶圆搬运机械手的防碰撞系统。

背景技术

半导体技术的发展决定了电子工业的繁荣程度，晶圆是半导体集成电路制作所需要的硅晶片，晶圆在半导体行业中起到了支柱作用，在工业生产中得到了愈来愈多的重视。因为晶圆易变形，易破损，易受尘埃颗粒影响，因此需要机械手搬运晶圆，且需要在洁净的真空腔室中搬运传递。

搬运晶圆的机械手其安全性与可靠性影响到整条生产线的质量与效率。搬运过程中，真空洁净机械手难免与周围环境发生碰撞，或晶圆脱落机械手的托持结构，因此及时检测碰撞的发生对于真空洁净机械手及晶圆安全性具有非常重要的作用。

就目前来看，高速运动机械手防碰撞方法的相关技术，可以分为：碰撞前、碰撞中和碰撞后三种情况，目前应用较多的是利用机器人自身传感器，通过坐标变换，计算末端执行器的运动状态，在此过程中存在运动振动和计算不准确的问题。通过对机器人碰撞过程这三个阶段运动学及动力学特性进行比较分析，机器人碰撞保护主要针对碰撞阶段及碰撞后这两个阶段进行研究。实际控制都是在碰撞后，不能很好地同时满足实时性和准确性这两个要求，也不能满足洁净真空腔中搬运晶圆机械手的实时防碰撞预警。

目前的目标跟踪方法中主要分为相关滤波方法和利用深度学习识别目标的两种方法，在相关滤波方法中应用了傅里叶变换加快了计算速度，部分简单相关滤波方法可以达到数百帧每秒，但是鲁棒性差。其中导致鲁棒性变差的原因是环境复杂，每帧图像之间变化过多，导致跟踪失败。其中深度学习方法计算消耗较大，导致运算速度有限，需要GPU加速实现，成本较高，且需要大量数据集和大量训练时间。高速运动机械手的防碰撞方法计算对实时性要求很高，深度学习方法由于计算量较大。

发明内容

针对当前机械手的防碰撞方法无法在碰撞前做到同时兼顾准确性和实时性的问题，本发明提供了一种高速运动机械手的防碰撞系统。本发明采用高速相机装置可以减少每帧图像之间变化过多的情况，提高计算速度快的简单相关滤波方法鲁棒性，降低了开发难度和成本。快速进行高速运行下的机械手及晶圆防碰撞检测，通过制作参照表对比法，减少机械手理论运动状态运算步骤，形成直接的数据比较。机械手标记检测可以检测晶圆与机械手的相对位置，可得到发生故障时是机械手本体控制问题还是托持结构与晶圆之间接触摩擦问题。使用高速相机装置获取高帧率视频数据，提高精确度，降低计算复杂程度，可提高计算速度，完成实时位置、速度和加速度的获取。

本发明采用的技术方案如下：

一种高速运动机械手的防碰撞系统，其特征在于：包括高速视觉捕捉硬件系统、快速识别跟踪定位软件系统、初始化参照表模块、晶圆参照表对比模块、机械手标记检测模块和预警模块；

高速视觉捕捉硬件系统包括高速相机装置、保护支撑架和高亮光源装置；

快速识别跟踪定位软件系统：晶圆检测、晶圆圆心跟踪定位及运动状态计算，结合高速视觉捕捉硬件系统和简单滤波器，达到快速晶圆跟踪；

初始化参照表模块：获取正常工作中一工作节拍视频，制作搭载晶圆的机械手位置、速度、加速度和时间关系表（参照表），并存储；保证机械手在测试运行中晶圆运动和制作参照表过程中晶圆运动同时启动或达到同步；