Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật phần mềm: Xây dựng robot 3 trục - ứng dụng trong quy trình xử lý wafer

Robot ở thế hệ này lànhững thiết bị có thể lập trình được với các chức năng hạn chế trong việc thích ứngvới môi trường và khả năng cơ bản trong việc nhận thức về môi trường xung quanh..

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

BUI SY QUAN - 20521784

VÕ ĐÌNH NGOC UYEN - 20522141

KHOA LUAN TOT NGHIEP

XAY DUNG ROBOT 3 TRUC - UNG DUNG TRONG QUY

TRINH XU LY WAFER

Implementation of 3-axis robot — Application in wafer handling

process

CU NHAN KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRAN QUANG NGUYEN

TP HO CHÍ MINH, 2024

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Quang Nguyên đã đồng hànhcùng nhóm suốt thời gian thực hiện đồ án 1, đồ án 2 và đến khóa luận tốtnghiệp Nhờ thầy hỗ trợ, định hướng và hướng dẫn, chúng em đã thực hiệnthành công khóa luận tốt nghiệp và đã thêm vào hành trang của mình nhiều kinhnghiệm quý báu trong quá trình làm việc cùng thay

Kế đến, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến có van hoc tập Doan Duy đã hỗtrợ, quan tâm đến quá trình học tập và làm việc tại khoa của nhóm nói riêng vàlớp cố van nói chung Suốt thời gian học tập tại khoa, thầy luôn tận tình theo dõiquá trình học tập, giải đáp thắc mắc cả trong quá trình tiếp thu kiến thức lẫn cácvấn đề về mặt hành chính

Em cũng xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô ở khoa kỹ thuật máy tính

Nhờ những bài giảng quý báu va lời khuyên hữu ích, nhóm chúng em mới có đủ

kiến thức và nền tảng đề hoàn thành khóa luận này cũng như là cơ sở để chúng

em làm việc sau này.

Lời cuối, chúng em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã ở bên cạnh

chúng em hỗ trợ chúng em về mặt tài chính lẫn tinh thần.

MỤC LỤCChương 1 TONG QUAN 2-52 SE+S22EEEEEEE12E121121121121121121121121 21.1 cxe 2

1.1 Qué trình phát triển của robot công nghiỆp: 2-2 2+s++sz+se+xz+se2 2

1.1.1 Từ năm 1950 đến năm 1967: -©2+++c+++rtErkerrtrrkrrrrrrrree 21.1.2 Từ năm 1968 đến năm 1977: ::©+++22v+vttttxvvrtrrrrrrsrrrrrree 3

1.1.3 Từ năm 1977 đến năm 2000: - ¿ cccccctccvveerrrrrrtrrrrrrrrrreg 4

1.2 Robot công nghiệp được sử dụng trong quá trình vận chuyên wafer 6

* Robot sử dụng trong môi trường không khí - - 5+ -s=+s=+s 8

* Robot sử dụng trong môi trường chân không : ‹‹: 101.3.2 Một số cấu hình robot WaÍC - - + s2 +E+EvEE+ESEEEEzEererkerererree 10

* Robot dạng chân ếch (frog-leg robot) 2-2 2s s+£2+£zzzzzs+eš 10

% SD C0) 010 Go 2Q TS HH HH HH HH TH TH tp 11

* — Robot có nhiều cánh tay -¿- 25++S++EE+EE+EE2EE2EEErErrrrrrrrrreee 13

1.3.3 _ Các loại khâu chấp hành cuối 2-2 +2+++zx+2zxzzxezzxez 14

1.4 Tình hình nghiên cứu robot wafer và một số robot wafer trên thị trường 14

1.4.2 Một số mẫu robot wafer trên thi {TƯỜN Sen 151.5 _ Tổng quan khóa luận -¿2+E£+E£+EE+EEtEEEEEEtEEZEEeExerkerrrerkere 17

1.5.1 - Đặt vấn đề cu nhe 171.5.2 So đồ hệ thống :- St CC EEEEEE1211211211211211 2111 1x 18

1.5.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi CC cty 19

2.2 DOng hoc nghich n 24

2.3 Quỹ đạo di chuyển của rob0t cecsccescessessessessessessessessessessessessesssssessesseseeaee 25

2.3.1 Quỹ đạo tuyến tính -c c- c6 + 2t 2E EEEEEEErrrrrrrrrrei 25

2.3.4 Quỹ đạo bậc năm - 222 St HH HH ngư 29 2.3.5 Quy đạo hình thang và S-CUTVC 5c c3 *+ESsEsrrrrrreerrrree 31

2.3.6 Lựa chọn quỹ đạo c1 Hiệp 34

2.3.7 Rang buộc về mặt thời gian cho quỹ đạo bậc năm - 35

2.4 M6 hinkh bia ariiiiiiniă 37

“¬ "(909 — Ẽ':3 37

2.4.2 Điểm nồi bật của YOLOV8 -ccccccrkrrrrrrtrrrrrtirrrrrirrrre 37

Chương 3 THONG SO PHAN CỨNG 2-©22-©2225£22++2£x+2Exzrxrsrxrrrxee 39

“Sẽ he Z<-:g.L-)”;:.:L:”:ê:L.:)Ố:-:L.LL.L 39

3.1.2 BuỒng làm vViỆC -:- St SE EEE1211211221121111211 2111 c0, 41

Chương 4 PHAN MEM DIEU KHIÊN CHO RASPBERRY 48

4.1.1 Cac tinh năng giao diện cung cẤp: - 2 2+cs+x+xczrczrrrsres 484.1.2 Giao tiếp giữa Controller (Raspberry Pi) va Motion Controller (STM)

50

Giao thức UART oo eeceeescecceesceeseeeeseeceseeseeeeaeseeseeecsesaeeeeseeeeeeeaees 50

* Cấu trúc gói tin sử dU g sce ecceccscessessessessessessessessessessessessessesseaees 51

+ Huấn luyện mô hình xử lý ảnh: 2-2 2 +2 2+ £+£++£+£z£zzxeez 53

% Nhận diện khung chứa wafer và vi trí của các tắm wafer trên khay 53Chương 5 PHAN MEM DIEU KHIEN CHO STM32 2-52 2+5z5zeš 56

5.1 _ Tổng quan về chương trinh: c ccccccccscssessessessessessessessessessessessessessesseseeaee 56

5.2.1 Giao tiếp UART: 5c St E1 1E2121121121111111211 2111 re, 57

5.2.3 Sử dung ngắt ngoài trên các chân GPIO: 2- 2 sz+zz+cxzzsz 59

Chương 6 KHẢO SÁT KET QUẢ - 2 ¿©22+S£+E++EE+E£E+EzErrerrerreee 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Robot wafer đưa wafer từ buồng sạch vào các ngăn của hộp đựng [16] 7

Hình 1-3 Các thùng đựng wafer được đi chuyền đi bởi máy móc [ 16] 8

Hình 1-4 Cau hình robot frog-leg 1,2: cánh tay trên — 3, 4, 5: trục chuyền động — 6,

7, 8, 9: căng tay — 10, 11: khâu chấp hành [19] -¿ ¿-s+2cx+2zx+zzxzsxe2 11Hình 1-5 Cấu hình robot r- [19] ¿2 +2£+SE+£E+2EE£EEtEE+£EEtEEezEerkerxerrxerxee 12

Hình 1-7 Robot có hai cánh tay 1 — dé hình trụ; 2 — dé xoay; 3 — cặp cơ chế truyềntuyến tính; 4 — khâu chấp hành cuối ¿- 2 2 ++£+E++E++E++E+E++EzEzzzxezreee 13Hình 1-8 Thiết kế của Bournouli Type (trái) [21] và Vacuum Type (Phải) End-

I§t2ï0840)001722077.7 4 14

Hình 1-9 Mẫu Porous Type (trái) [23] và mẫu Edge-grip End-Effector (phải) [24] 14

Hình 1-10 Mẫu SCR3100S của hãng JEL Corporation . 25+ 552x552 16 Hình 1-11 Mẫu RR757L15 của hãng RORZE -2- 2 525+22+22+2z2zzxezrxee 17Hinh 1-12: So d6 6 thong 01089058 , 18Hình 2-1: Đặt hệ tọa độ theo phương pháp D-H sửa đổi lên robot -¿ 22Hình 2-2: Chiếu cánh tay robot lên hệ tọa độ ĐỀ các - cc::+ccxccscccves 24

Hình 2-3 Đồ thị của quỹ đạo tuyến tính 2-2 ©52+£+E+£E£+EE+EE£zEeExerxerrxrrxee 26

Hình 2-4: Dạng đồ thị của quỹ đạo parabol - 2-2 +++s2+z+++xzzxzrxerxezrxerxee 28Hình 2-5: Dạng đồ thị của quỹ đạo bậc ba 5 SH HH HH ng key 29Hình 2-6: Dạng đồ thị của quỹ đạo bậc năm - + s + +++ xxx svkEssereeeerrreree 31Hình 2-7: Dang đồ thị của quỹ đạo hình thang .c.ccccccsccessesseessessesssessesssessessessseeses 33Hình 2-8: Dạng d6 thị S-CurVe -2- 2-52 SES22SE‡EE9EE2E12E1211211211221211212 21.1 xe, 34

Hình 2-9: Thông số xử lý ảnh dùng bởi YOLOv§ và các phiên bản YOLO trước đó

[38] 38

Hình 3-1: Cấu hình robot R-~Ø - ¿2 2 E+2E++EE+EE+£EE+EEtEEEEEEEEEEEEErkrrkerrkrrkee 40

Hình 3-2: Hệ máy gồm robot, khay đựng wafer mẫu, và buồng chứa wafer mau 40

Hình 3-3: Robot R-O - << 11101111E 1E S995 1 kg 5 1 KH 40

Hình 3-4: Buồng wafer được đóng gói 2-2 2+22+E++E2EE2EEEEEEEErrrrrerrree 41Hình 3-5: BuOng chứa wafer c.ccccccccssessessessessessessessessessessesssssessssssssessesesssssesssseeseees 42

Hình 4-2: Luồng hoạt động của giao diện -2- 2 2+ ++2x++£x++zxezrxrsrxerrxee 50Hình 4-3: Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh - 2:2: ©2+©2++2x++£x++£x++rxezrxrsrxerrree 52Hình 4-4: Kết quả validate của model - 2: 2-52 2 2£S£S£2£E+E2EE+EzEzEzzzcreee 53Hình 4-5: Một mẫu huấn luyện cho mô hìnhh -. <5 5+3 *++s++eexeeeeseeesees 53Hình 4-6: Khung wafer được viền xanh ceccsccesssssssessessessseseseesesesssssesseeseseesees 54Hình 4-7: Hình ảnh nhận diện wafer mẫu và khung đựng wafer - 55

DANH MỤC BANG

Bang 2-1: Bảng tham số D-H cho robot -

-Bang 6-1: Bảng khảo sát tốc đọc cánh tay thực hiện quy trình Bảng 6-2: Bảng khảo sát tốc độ xử lý ảnh trên Raspberry Pi

-. -DANH SÁCH TU VIET TAT

API Application Programming Interface

CAD Computer Aided Design

CVD Chemical Vapor Deposition

D-H Denavit—Hartenberg

DOF Degree of Freedom

FSM Finite State Machine

GPIO General Purpose Input Output

HMI Human Machine Interface

IDE Integrated Development Environment

TOM TAT KHÓA LUẬN

Nền công nghiệp bán dẫn ngày càng phát triển bởi nhu cầu tính toán ngàycàng cao dẫn đến động lực phát triển cho các ngành sản xuất linh kiện nói chung vàchip xử lý nói riêng Điều này thúc đây việc nghiên cứu chế tạo các sản phẩm bándẫn ở Việt Nam Với mục đích hướng đến hỗ trợ chế tạo linh kiện tại phòng thínghiệm thì điều kiện cần nhất chính là thiết lập các hệ máy (dạng nhỏ) dựa trên các

hệ máy chuẩn công nghiệp Nham phục vu cho việc di chuyển các tam wafer trong quá trình nghiên cứu ở phòng thí nghiệm, nhóm quyết định thực hiện đề tài “XÂY

DỰNG ROBOT BA TRỤC - ỨNG DỤNG TRONG QUY TRÌNH XỬ LÝWAFER” Dạng robot nay còn được gọi là wafer robot, sẽ thực hiện việc di chuyềncác tam wafer một cách chính xác, mượt mà và ồn định trong quá trình xử lý Đề tài

đưa ra mô hình hệ máy cùng với phương pháp điều khién robot di chuyên wafer kết

hợp với xử lý ảnh để nhận điện vị trí wafer trên khay đựng

Luận văn được tô chức thành 6 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2 Cở sở lý thuyết

- Chương 3 Phan cứng đồ án

- Chương 4 Phần mềm cho Board Raspberry Pi (Controller Board)

- Chương 5 Phần mềm cho Board STM32 (Motion Controller Board)

- Chương 6: Khảo sát và kết luận

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Quá trình phát triển của robot công nghiệp:

Chúng ta được thấy từ robot được sử dụng đầu tiên vào trong vở kịch “Cácrobot toàn năng của nhà văn Joseph Capek vào năm 1920 Vở kịch có nội dung

xoay quanh các người máy được tạo ra để làm việc trong các nhà máy và cuối cùng

xoay lưng phản bội lại chủ của chúng [1] Từ “robot” được sử dụng ở đây xuất phát

từ “robota” của tiếng Séc có nghĩa là lao dịch Đến năm 1942, robot học (Robotics)được nhắc đến lần đầu tiên bởi nhà văn người Nga Issac Aismov trong các cuốn tiểuthuyết của ông [2] Trong nhiều thập kỉ qua, robot, từ khoa học viễn tưởng đã trởthành hiện thực và trở thành một ngành khoa học và kỷ thuật tập trung vào thiết kế,sản xuất và ứng dụng robot Các ngành Khoa học Máy tính, Kỹ thuật Điện Kỹ thuật

Cơ khí và Trí tuệ Nhân mới chỉ là một vài mảng nghiên cứu phục vụ trong robot

học Mục tiêu chính của robot học chính là xây dựng nên một cấu trúc gồm nhiềuthiết bị để có thể hoàn thành được công việc đã đề ra Sự phát triển nhanh chóngcủa các ngành liên quan của robot đã cho ra đời nhiều loại robot khác nhau phục vụnhiều mục đích khác nhau: robot công nghiệp, tay vận hành, robot hoạt động trên

cạn, robot hoạt động dưới nước, trong vũ trụ, robot dùng cho giải trí, nghiên cứu hay robot dạng người [3].

Dựa vào đặc trưng và đặc tính của các loại robot, quá trình phát triển của robot

có thể chia làm bốn giai đoạn theo một vài tác giả [3] Trước khi bước vào giai đoạnphát triển đầu tiên của robot, robot trước những năm 1950 là những thiết bị cơ khíkhí nén hoặc thủy lực được sử dụng trong quy trình sản xuất trong nhà máy Nhữngthiết bi này thiếu khả năng xử lý tính toán và cần được vận hành bởi công nhân dé

hoạt động được [4].

1.1.1 Từ năm 1950 đến năm 1967:

Ở giai đoạn dau từ năm 1950 đến năm 1967, robot đã có thé di chuyền từ điểm

đến điểm, tuy nhiên nhưng robot ở thế hệ này chưa có thông tin về môi trường qua

các cảm biên nên độ chính xác chưa cao và chỉ có thê trên quỹ đạo đơn giản Trong

khoảng thời gian này, sự ra đời của điều khiển số vào năm 1952, các khâu cơ khíđược điều khiển bởi máy tính [5], đã mở đường cho thế hệ đầu tiên của robot Với

sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và động lực làm tăng năng suất trong nhàmáy cho các công việc lặp lại “pick and place”, UNIMATE ra đời va được nhiềungười công nhận là robot công nghiệp đầu tiên [6], một máy móc có thể lập trình

được tạo ra bởi George Devol và Joe Engleberger, người mà hai năm trước đây là

đã thành lập ra công ty Unimation Vào năm 1960, công ty này đã ký thành công

hợp đồng với General Motors dé lắp đặt cánh tay robot vào nhà máy của ho.UNIMATE đã giúp cải thiện quá trình sản xuất, từ đó thúc day nhiều công ty vatrung tâm nghiên cứu đầu tư nguồn lực vào ngành robot học [3]

1.1.2 Từ năm 1968 đến năm 1977:

Bắt đầu từ năm 1968, sự tích hợp của cảm biến đánh dấu sự mở đầu cho thế hệthứ hai của robot, kéo đài từ năm 1968 đến năm 1977 [3] Robot ở thế hệ này lànhững thiết bị có thể lập trình được với các chức năng hạn chế trong việc thích ứngvới môi trường và khả năng cơ bản trong việc nhận thức về môi trường xung quanh

Sự dịch chuyên từ sử dụng bộ truyền động thủy lực sang bộ truyền động điện như

servo va stepper diễn ra vào những năm 70 cho phép những chuyên động linh hoạthơn của robot, cho phép chúng thực hiện các quỹ đạo cả từ điểm đến điểm và liên

tục [7] Một trong những phát minh nổi bật của giai đoạn này là PLC, một máy tính

số có thé lập trình được dé điều khiển các output dựa trên các input, được thiết kế

dé phù hợp với quy trình sản xuất trong nhà máy như dây chuyền lắp ráp hoặc dùngcho các thiết bị robot hoặc các hoạt động khác cần độ tin cậy cao Các hệ thống điều

khiến ở giai đoạn này thường sử dụng các vi xử lý hoặc bộ PLC hoặc có thé lập

trình qua các hộp dạy máy (teach box) [3] Sự phổ biến của vi xử lý đã cho phép cácnhà sản xuất robot cho ra các bộ điều khiển mạnh mẽ và kinh tế dé điều khiển robot

thực hiện các tác vụ phức tạp và đòi hỏi tính toán cao Tuy đã thực hiện được những

công việc phức tạp hơn, tính linh hoạt của robot không cao do mỗi loại robot được

thiết kế ra dé thực hiện trong một quy trình cụ thé trong chuỗi sản xuất và mỗi robot

có một phần mềm riêng biệt dé thực hiện tác vụ đó [7].

Một số robot có thiết kế động học mới mẻ có thé kế đến robot Stanford gồmsáu bậc tự do được thiết kế bởi Victor Scheinman [8] Cánh tay Stanford có nămkhớp quay va một khớp trượt, được điều khién bởi vi xử lý PDP-6, chuỗi động họccủa robot được thiết kế bởi các hộp số điều hòa và bộ giảm tốc Thêm nữa, robotđược tích hợp nhiều cảm biến (potentionmeters và tachometers) dé do vi trí và tốc

độ của từng khớp Vài năm sau, Victor tiếp tục phát triển từ cánh tay Stanford đểthiết kế ra Vicarm với thiết kế nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với robot thời bay giờ, giúp

nó phù hợp cho việc lắp ráp trong dây chuyên Công ty Unimation đã đứng ra muathiết kế của Vicarm dé từ đó thiết kế và sản xuất robot PUMA, robot được cho lànguyên mau của các cánh tay robot giống cánh tay người sau này Kế đó, hàng loạtmẫu robot được các nhà sản xuất cho ra đời, robot Famulus năm 1973, robot T3năm 1974, chuỗi robot IRB năm vào cùng năm [7].

1.1.3 Tir năm 1977 đến năm 2000:

Khoảng đầu những năm 80, hàng tỷ đô được đầu tư trên khắp thế giới để tựđộng hóa các tác vụ trong dây chuyền công nghiệp như sơn, hàn, đi chuyền và lắpráp Nhiều người tin rằng kỷ nguyên của robot bắt đầu từ năm 1980 [8] Một số

công nghệ chủ chốt vẫn còn tiếp tục thúc đây sự phát triển của robot cho tới hômnay có thé kế đến sự mở rộng của việc truy cập Internet ở năm 1980 [9], Ethernet

trở thành chuẩn truyền thông vào năm 1983 [10] và nhân Linux được công bố vàonăm 1991 và sau đó là các phiên bản khác của Linux nhằm phục vụ cho các hệthống thời gian thực [11] Robot ở giai đoạn này được đặc trưng qua việc mở rộng

trong sự tương tác của chúng với người vận hành và môi trường, qua các phương

tương khá phức tạp như giọng nói và thị giác Chúng có bộ điều khiển riêng (máytính) tập trung vào việc điều khiển, chúng có thể được cài đặt bởi người vận hànhqua các teach box, hoặc lập trình qua các bộ PLC hay PC và một số được kết nốivới phần mềm hỗ trợ thiết kế (CAD) và có cơ sở dữ liệu đi kèm Ngoài ra, chúngcũng trở nên thông minh hơn và đáp ứng với môi trường tốt hơn, một phần nhờ sựphát triển của trí tuệ nhận tạo Ví dụ như chúng có thé phân tích dữ liệu từ camera

hoặc các hệ thống cảm nhận để xác định vật thể và thay đổi cách di chuyên củakhớp theo tác vụ và đối tượng.

Ở giai đoạn này, nhiều cấu trúc động học robot được ra đời như SCARA,

robot tương thích với việc hoạt động theo phương ngang và có cấu trúc động học

nhẹ gọn, phù hợp với việc lắp ráp các vật nhẹ trong dây chuyền [12] Thiết kế directdrive cho cánh tay robot, robot có các động cơ nối trực tiếp vào cánh tay mà khôngthông qua bộ truyền động, cũng được áp dụng cho một số robot, cho phép robot dichuyên chính xác hơn với tốc độ cao hơn Mẫu đầu tiên của kiểu thiết kế này làCMU Direct Drive Arm, được thiết kế bởi Kanade và Asaka tại Trường đại học

Carneige Mellon của Mỹ vào năm 1981 Vào năm 1983, nhà khoa học Reymond

Clavel đã cho ra mô hình robot Delta, gồm 3 khớp trượt và 1 khớp quay trong luậnvăn tiến sĩ của ông [13] Với ý tưởng sử dụng cánh tay robot có chuỗi động họcsong song, gồm nhiều cánh tay có chuỗi động học kín, có cấu trúc gọn nhẹ dé thựchiện các tác vụ gắp và thả các vật nhẹ với tốc độ cao, thay vì sử dụng chuỗi động

học nối tiếp như các robot trước đây Kiến trúc động học của Delta tiếp tục được

ứng dụng trong các robot song song khác Cũng trong thập kỉ này, công ty

Motoman thực hiện đồng bộ các robot với nhau trong quy trình sản xuất và cho ra

bộ điều khiển MRC cho phép điều khiển 2 robot một cách đồng bộ (lên tới 21 trục)

[7].

1.1.4 Tir năm 2000 trở đi:

Từ cuối những năm 90, các công ty bắt đầu nghĩ cách đưa robot ra khỏi môi

trường công nghiệp và ứng dụng vào các mảng khác như y tế, nông nghiệp, dịchvụ, Những robot này có bộ điều khiển có khả năng tính toán mạnh mẽ, không chỉdừng lại ở việc phân tính dữ liệu mà còn có thé học và và tự đưa ra quyết định Trítuệ nhân tạo đã được ứng dụng mạnh mẽ đối với robot ở giai đoạn nay cùng với cáccảm biến tinh vi và thuật toán điều khiển phức tạp

Tuy nhiên, trừ sự xuất hiện của cobot vào năm 2015, robot công nghiệp không cóbước phát triển đáng ké nào như các thập kỉ trước dù robot công nghiệp đã pháttriển một cách đáng kê về độ chính xác, tốc độ và độ chịu tải.

1.2 Robot công nghiệp được sử dung trong quá trình vận chuyển wafer

Ké từ sự ra đời của con chip máy tính đầu tiên, ngành công nghiệp bán dẫn đãphát triển mạnh mẽ theo mức số mũ Suốt năm thập kỉ qua, transistor trên từngmiếng wafer càng ngày càng nhỏ dan và với sự ra đời của quy trình sản xuất wafer300mm và sắp tới là 450mm, yêu cầu về độ sạch trong môi trường sản xuất waferngày càng được thắt chặt Vì vậy, sự hiện diện của con người bên trong khu vực sảnxuất wafer càng được hạn chế và việc tự động hóa các bước và quy trình trong khâusản xuất được thực hiện triệt để Các bước xử lý wafer đều được xử lý trong môi

trường sạch Để di chuyên tấm wafer từ buồng sạch này sang buồng sạch khác cho

các quy trình khác nhau, việc bốc dỡ các tắm wafer khỏi buồng sạch và đưa vào cáchộp chứa chuyên dụng đã trở thành quy chuẩn [15] Các hộp chứa thường có nhiềukhe ngăn được thiết kế song song với nhau có thiết kế khá tương tự với hộp đựngcác sét (Hình 1-2) Hiện nay, chúng sẽ được van chuyền bởi máy móc theo các

đường ray được lắp đặt trên tran nhà máy hoặc dưới sàn (Hình 1-3) thay vì vận

chuyên bởi người như trước đây Sau khi các hộp cassette này đã được di chuyênđến khâu làm việc kế tiếp như cây ghép ion, các khâu ăn mòn, CVD, in thạch bản,

các tam wafer được bốc dỡ ra khỏi hộp cassette và đưa vào buồng xử lý chân không

trước khi được đưa vào buồng chính thực hiện tiếp công đoạn Sau khi thực hiệnxong, robot wafer sẽ thực hiện nhiệm vụ bốc dỡ các tam wafer từ buồng sạch ra cáchộp cassette và các hộp cassette chứa wafer tiếp tục được vận chuyên tới khâu tiếp

theo.

Robot wafer có đối tượng thao tác là các tam wafer có kích thước cực kì mỏng(dao động từ 279um+25um đến 775um+20um tùy vào đường kích wafer [16]),

nhạy cảm với dao động và dễ bị biến dạng đòi hỏi robot khi di chuyển các tắmwafer cần di chuyền mượt mà và hạn chế việc tăng giảm tốc đột ngột để hạn chế

rung lắc Ngoài ra, về mặt vật liệu, thiết kế và việc dẫn động của robot cũng phải

đáp ứng những yêu cầu riêng do hoạt động trong môi trường có yêu cầu khắt khe về

độ sạch trong không khí hoặc môi trường chân không Quan trọng không kém,

nhằm tăng năng suất, tốc độ, độ chính xác, và độ 6n định cũng là yếu tố quyết địnhđến chất lượng của robot wafer

Hình 1-3 Các thùng dung wafer được di chuyền đi bởi máy móc [16]

1.3 Phân loại wafer robot trên thị trường

1.3.1 Môi trường hoạt động của robot wafer

>* Robot sử dung trong môi trường không khí

Robot hoạt động trong môi trường không khí có yêu cầu cao về độ sạch cần

được quan tâm về vật liệu thiết kế, việc truyền động không gây bụi ban và độ nhẫn

bề mặt [18]

Những vật liệu thích hợp gồm có thép không ghỉ, nhôm, một vài loại nhựa vàhợp chất và ceramic Thép không gỉ thường được sử dụng được sử dụng rộng rải

cho các chi tiết máy di chuyền trong quá trình hoạt động như 6 trục, trục vit me

và các chỉ tiết nhỏ như ốc, đai ốc, Đối với các vật liệu cần phải co dan và phần sẽtiếp xúc với wafer thường được làm từ các loại nhựa (PEEK, PFA, PTFE, Vespel,Viton và nhựa sillicon) [18] Ngoài ra, bộ khung của robot thường được làm bằngnhôm Đối với khâu chấp hành cuối, các vật liệu phi kim loại cũng thường được sử

dụng Đặc biệt với ceremic tuy có giá thành cao nhưng có những đặc tính phù hop

như độ sạch, độ cứng tốt, độ bền cao và chịu nhiệt, chịu mòn tốt Các robot này

được sử dụng các chất bôi trơn phù hợp trong môi trường sạch, là những chất có

tính chất hóa học ồn định, không độc, vật liệu tổng hợp với áp suất bay hơi thấp và

rat ít thoát khí [19]

Trong khi truyền động, các thành phan bên trong robot dùng đề truyền động sẽsinh ra các hạt bụi Khi robot thu phần thân về theo trục z, không khí sẽ bị đây raqua các khe hở cùng với các hạt bụi Dé xử lý van đề này, người ta có thé thiết kếsao cho áp lực bên trong phần đề robot (chứa bộ truyền động) có áp suất nhỏ hơnkhông khí bên ngoài, sử dụng quạt dưới đáy robot dé hút các bụi ra khỏi buồng vàgiữ phần truyền động ở dưới bền mặt tam wafer dé bụi không thé rơi xuống, [19]

Lớp bề mặt bên ngoài của robot phòng sạch không được tạo ra các hạt bụihoặc hơi Điều này đạt được nhờ các vật liệu sạch và bề mặt nhẫn và chống ăn mòn

Bat ky su gian doan nao trén bề mặt nhẫn, bao gồm các lỗ, khe và kẽ hở, đều có thé

tích tụ và sau đó giải phóng các hạt Do đó, tất cả các góc bên trong và bên ngoàiphải có các góc và bán kính lớn hơn thông thường [18] Lớp bề mặt bên ngoài sẽđược tối ưu nhất khi được đánh bóng và các vật liệu được khuyên dùng bao gồmthép không gi, thép sơn và nhôm anodised Các loại men urethane đàn hồi, menurethane và men epoxy được ưu tiên sử dụng cho các bề mặt sơn Tất cả các bề mặtphải có điện trở suất từ 10° đến 10° Ohm/sg4 [19] để ngăn chặn sự tích tụ điện tích.Điều này có thé đạt được bang việc sử dung các kim loại phù hợp, nhưng cũng cóthé đạt được bằng các phương pháp xử lý bề mặt dẫn điện (mạ niken) và sơn bột

dan điện.

>* Robot sử dụng trong môi trường chân không

Robot wafer hoạt động trong cả môi trường chân không thấp đến môi trường

chân không cao tùy vào từng khâu Robot sử dụng trong môi trường chân không

thường được cé định ở giữa buồng chân không Robot wafer cần phải đạt được các

tiêu chí sau khi vận hành trong môi trường chân không [18]:

e Có các vách ngăn tĩnh có thể ngăn được môi trường chân không và môi

trường thường.

e_ Có các vách ngăn động có thể truyền lực từ môi trường bên ngoài vào môi

trường chân không.

e Ngăn chặn được các sự thất thoát khiến buồng chứa không đạt duoc áp suất

chân không cần thiết

e Hạn chế sử dụng các vật liệu thoát khí hoặc vượt mức áp suất chân không đề

ra.

Vỏ ngoài của robot cần đủ cứng cáp dé chịu được sự thay đổi về áp suất trong

quá trình hoạt động Robot wafer thường chỉ hoạt động một trong môi trường chân

không: phan cánh tay robot được thiết trong buồng chân không tuy nhiên phan déđược lắp đặt bên ngoài Lực được phát động ở phần đề robot sẽ truyền qua các váchngăn động cho phép truyền lực lên cánh tay robot bên trong buồng chân không.Ngoài ra, chất bôi trơn cũng giữ vai trò mau chốt của robot dé giữ được môi trườngchân không Người ta thường dùng vật liệu có đặc tính hóa học én định, không độcvới áp suất bay hơi thấp va ít thoát khí, hydrocacbon, sillicone và các hóa chấtperfluorinate là ba loại chất bôi trơn thông dụng [19]

1.3.2 Một số cấu hình robot wafer

* Robot dạng chân ếch (frog-leg robot)

Wafer robot dạng chân ếch gồm chuỗi chuyên động kín được tạo bởi hai cánh

tay song song Robot có hai bậc tự do và hoạt động trên mặt phẳng, gồm hai khớp xoay nối giữa tay 1 với bệ 3 và tay 2 và bệ 3 Đầu các thanh 6, 7, 8, 9 được có định

bằng khớp nối có thé quay được Khi xoay khớp cánh tay 1 ở bệ 3 và xoay khớp

10

cánh tay 2 ở bệ 3 sẽ di chuyền vị trị của khâu chấp hành cuối ở 10 và 11 [18] Khixoay hai khớp ngược chiều nhau, một trong hai phía cánh tay sẽ được kéo giãn ra

khỏi vùng trung tâm và cánh tay còn lại được giữ ở vi trí chờ (như Hình 1-4) [19].

Do là robot song song nên dù nhẹ nhưng độ cứng cáp của robot vẫn được đảm bảo.Ngoài ra, có thiết kế đơn giản, robot có ít thành phần cấu tạo di động độ chính xáctốt hơn và ít bị hao mòn

Hình 1-4 Cấu hình robot frog-leg 1,2: cánh tay trên — 3, 4, 5: trục chuyên động —

6, 7, 8, 9: căng tay — 10, 11: khâu chap hành [19]

* Robot r-0

Robot r-0 thường có thiết kế như Hình 1-5 với một khớp trượt nâng cánh taylên xuống, một khớp xoay ở dé dé xoay cánh tay, và bộ phận chuyền động trượt cóphương đi qua tâm của dé robot Vì cơ chế chuyên động đơn giản, robot phù hợpvới các tác vụ có tính lặp lại cao Tuy nhiên, do kết câu của bộ phần chuyền độngtrượt tương đối phức tạp, sử dụng nhiều bộ truyền nên độ chính xác bị ảnh hưởng

11

SCARA robot thường có thiết kế như hình có thiết kế như Hình 1-6 với mộtkhớp trượt nâng cánh tay lên xuống và ba khớp xoay Do cánh tay có thêm mộtkhớp so với robot r-0 nên cánh tay có thé đặt tam wafer theo nhiều góc khác nhau

thay vì chỉ theo một phương như khớp trượt của robot r-0 Điều này giúp SCARA

có thé hoạt động được với nhiều kiểu thiết kế buồng khác nhau và có thé dùng déxoay wafer theo góc khác nhau dé bù trừ sai lệch về góc thay cho aligner nếu có sử

dụng kèm thiết bị canh vị trí góc wafer [15] Bên cạnh đó, Robot SCARA do có thể

gan được động cơ ngay tai khớp (direct drive) nên cho ra tốc độ cao và chính xác

hơn so với các robot sử dụng bộ truyền động gây thất thoát năng lượt, đòi hỏi bảo

trì phức tạp.

12

Hình 1-6 Mô hình thường gặp của scara robot 4DOF [20]

*%_ Robot có nhiều cánh tay

Dé tăng năng suất, người ta sử dụng thêm nhiều loại robot có hai cánh tay Haicánh tay thường là hai cánh tay SCARA robot, hai cánh tay có thé thực hiện các dichuyền xoay và trượt trên mặt phẳng một cánh độc lập

Hình 1-7 Robot có hai cánh tay 1 — dé hình trụ; 2 — dé xoay; 3 — cặp cơ chế truyền

tuyên tính; 4 — khâu châp hành cuôi

13

1.3.3 Cac loại khâu chấp hành cuối

Một số loại khâu chấp hành cuối đang được sử dụng hiện nay có

e Vacuum-grip Type End-Effector: khâu chấp hành cuối giữ wafer bang lực

hút được tạo ra bởi dụng cụ kẹp và mặt day wafer.

e Edge-grip Type End-Effector: khâu chấp hành cuối giữ wafer bang cách kẹp

lên cạnh wafer mà không tiếp xúc với mặt dưới wafer

e Bournouli Type End-Effector: khâu chấp hành cuối ứng dụng định luật

Bournouli dé giữ tam wafer mà không chạm vào mặt đáy

e©_ Dual End-Effector: thiết kế được gắn hai khâu chấp hành cuối

e Porous Type End-Effector: khâu chấp hành cuối giữ tam wafer băng việc hút

qua bê mặt tiêp xúc làm bởi gôm xôp.

Pad——— _-—— End-effector sa

( z

J1 lL ¢

Guide \ Wafer

( Hold both sides ofthe ÌÀ— — sung flow

wafer to avoid displacement }

Hình 1-8 Thiết kế của Bournouli Type (trái) [21] va Vacuum Type (Phải)

End-Effector (phai) [22]

Eston a |

Hình 1-9 Mau Porous Type (trái) [23] và mẫu Edge-grip End-Effector (phải) [24]

1.4 Tình hình nghiên cứu robot wafer và một số robot wafer trên thị trường

1.4.1 Tinh hình nghiên cứu robot wafer

Do khóa luận tập trung vào việc vận hành robot và các vân đê liên quan nên chỉ đê cập đê một sô khía cạnh sau đây của robot wafer:

14

e Cấu hình: đa số các robot từ các hãng sản xuất wafer lớn hiện nay: Kawasaki

Robotics, RORZE, DAIHEN Corporation, JEL Corporation, Hirata

Corporation [25] có cấu hình tương tự như robot r-0, SCARA va một sốrobot có hai cánh tay r-0 hoặc SCARA hoặc kết hợp với nhiều khâu chấphành cuối Bên cạnh đó, một số nhà sản xuất cho ra mẫu robot khá mới cókhớp nối theo chiều dọc với hai khớp quay, di chuyên thoải trên mặt phangdựng đứng kết hợp cùng với cánh tay r-0 hoặc SCARA để di chuyển wafertrên mặt phăng nằm ngang [26]

e Thuật toán điều khiển: một số bài báo được công bố liên quan tới van đề điều

khiển sử dụng nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như PID [20] Fuzzy

PID [27], Servo-Visualling [28], hau hết tập trung vào việc giải quyết van

đề về độ chính xác và rung lắc của robot khi hoạt động tuy nhiên không cónhiều bài báo đưa ra kết quả thực nghiệm

e_ Quỹ đạo di chuyển: quỹ đạo sử dụng cho việc điều khiển khá đa dạng: quỹ

đạo hình thang, s-curve, super s-curve, quỹ đạo đa thức, [29] tuy nhiên quỹ

đạo cho wafer robot là các quỹ đạo có sự tăng và giảm gia tốc hài hòa đểtránh gây giật cho robot Nhiều quỹ đạo phức tạp hơn tối ưu thời gian dichuyên có cân nhắc về tốc độ tối đa, gia tốc tối đa cũng được công bố [30]

1.4.2 Một số mẫu robot wafer trên thị trường

Mẫu SCR3100S của hãng JEL Corporation (Hình 1-10) là robot r-0 ba trục

sử dụng cho wafer có kích thước nhỏ với thông số kỹ thuật như sau:

e Đối tượng thao tác: wafer có kích thước tối đa 150mm

e Phương thức giữ wafer: hút chân không

e Loại động cơ: Stepping motor 2 pha

e Khoảng hoạt động: Từ tâm robot đến tâm wafer (R-axis): 397.7 mm ; Góc

xoay (Theta-axis): 340 độ; Khoảng cách nâng lên tối đa (Z-axis): 200 mm

e Tốc độ trung bình: Cánh tay (R-axis) 330 mm/s; Tốc độ góc (Theta-axis):

280 độ/s; Trục dọc (Z-axis): 130 mm/s

15

e Tốc độ tối đa: cánh tay (R-axis) 500 mm/s; Tốc độ góc (Theta-axis): 480

độ/s; Trục dọc (Z-axis): 170 mm/s

e Độ chính xác: +0.lmm

e Chuẩn phòng sạch sạch: ISO Class 2

e Công suất sử dụng: DC24V+10% 8A; Lực hút: -53kPa or more

e Chuẩn giao tiếp: RS232C and parallel photo I/O

Hình 1-10 Mẫu SCR3100S của hang JEL Corporation

Mẫu RR757L15 của hang RORZE (Hình 1-11) với hai cánh tay r-0 có thông

số kỹ thuật như sau:

e Cánh tay: Đôi

e Độ dài cánh tay: 156 mm

e Độ dài Z-axis: 340/410/430 mm

e Đối tượng thao tác: 300mm wafer

© Góc quay tối da: 330 độ

Hình 1-11 Mau RR757L15 của hang RORZE1.5 Tổng quan khóa luận

1.5.1 Đặt vấn đề

Tuy việc nghiên cứu và sản xuất robot xử lý wafer ngoài nước phát triển mạnh

mẽ, các robot hiện này đều có giá thành rất cao khiến đây là rào cản lớn để phòngthí nghiệm có thé mua va sử dụng Bang việc phục hồi và tái sử dụng cánh taywafer robot cũ cùng với thiết kế hệ máy có buồng chân không, chúng em đi đếnthực hiện đề tài này với mục đích thiết kế hệ máy gồm cánh tay robot có thê tự động

di chuyên các tam wafer giữa ngăn đựng wafer và buồng xử lý wafer một cách êm

mượt, không gây hư hỏng đến wafer Sản phẩm có thể phục vụ cho cho mục đích

nghiên cứu và học tập trong phòng thí nghiệm.

17

Hệ thống có sơ đồ khái quát như Hình 1-12:

e HMI: phần mềm cung cấp giao diện cho người dùng điều khiển và theo dõi

hoạt động của robot.

e Controller: board Raspberry Pi có nhiệm vụ chạy ứng dung giao diện, xử lý

ảnh nhận được từ camera và điều khiển từng lệnh thông báo MotionController điều khiển robot di chuyên, đóng mở cửa buông và điều khiến lênxuống các buông

e_ Motion Controller: board STM32 có nhiệm vụ ứng dụng các lý thuyết động

học thuận, động học nghịch, từ quỹ đạo đã đặt ra trực tiếp điều khiển cácmotor với bộ điều khiển được cài đặt và nhận hồi đáp từ encoder Hoạt độngcủa Motion Controller được điều khiển bởi Controller và sẽ hồi đáp trạng

thái cho Controller.

18

e Machine system: hệ máy gồm cánh tay robot r-0, một ngăn đựng chứa các

tam wafer và hai buồng hút chân không có khóa đóng mở bằng khí nén

1.5.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

* Mục tiêu

Xây dựng hệ máy gồm cánh tay robot, khay đựng wafer và các buồng chânkhông ứng dụng trong việc bốc dỡ các tam wafer từ ngăn đựng wafer và hút chân

không wafer phục vụ cho các bước xử lý wafer ở sau trong phòng thí nghiệm.

Cánh tay robot có thể xác định vị trí các tắm wafer trong ngăn đựng wafer,nâng, di chuyền và đặt các tâm wafer mẫu nhẹ nhàng mà không gây hư hai

Mô hình robot wafer có thé được sử dụng trong các phòng thí nghiệm dé sinhviên nghiên cứu và học tập và từ đó có thể được phát triển thêm đề sử dụng đượctrong quy trình sản xuất

*% Nhiệm vụ

Dé hoàn thành khóa luận, nhóm đã dé ra nhiệm vụ như sau:

e Nhiệm vụ 1: Thiết kế hệ máy bao gồm phục hồi cánh tay robot, buồng chân

không và ngăn đựng wafer

e Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu, tim hiểu về cơ sở lý thuyết động học thuận, động

học nghịch, thiết kế quỹ đạo và bộ điều khiến dé điều khiển robot r-Ð

e Nhiệm vụ 3: Lập trình bộ điều khiển chuyền động của robot

e Nhiệm vụ 4: Lập trình bộ điều khiển chung gồm giao diện người dùng cho hệ

thống, giao tiếp, xử lý ảnh nhận diện vị trí wafer trong ngăn đựng wafer vàluồng làm việc của hệ thống

e Nhiệm vụ 5: Hiệu chỉnh và đánh giá

*x Pham vi

Từ mục tiêu và nhiệm đã trình bay ở mục trước, đê tài có phạm vi giới hạn

như sau:

19

e Wafer robot được sử dụng trong phòng thí nghiệm với mục đích nghiên cứu

và học tập.

e Wafer robot chỉ hoạt động trong hệ máy đã thiết kế sẵn

1.5.4 Tổ chức luận văn

Luận văn được chia làm sáu chương với nội dung của từng chương như sau:

e Chương 1: Chương này giới thiệu về robot công nghiệp, wafer robot, tình

hình nghiên cứu robot wafer Sau đó, chương kết thúc bằng việc đưa ra mục

tiêu, nhiệm vụ và cái nhìn khái quát về nội dung khóa luận

e Chương 2: Chương này trình bày động học thuận, động học nghịch, quỹ đạo

di chuyén và bộ điều khién được sử dụng cho robot

e Chương 3: Chương này trình bày các thông số kĩ thuật của phần cứng được

lựa chọn cho khóa luận

e_ Chương 4: Chương này trình bày về cách điều khiển chuyên động cho robot,

các cơ chế của robot, cách sử dung các cảm biến và cách điều khiển cơ chếcủa bộ phận khác của hệ máy gồm ngăn đựng, buồng chân không

e Chương 5: Chương nay tập trung trình bày các nội dung của bộ điều khiển

chính gồm giao diện người dùng, cách giao tiếp giữa bộ điều khiển chính và

bộ điều khiển chuyên động, xử lý ảnh và luồng làm việc của hệ thống

e Chương 6: Chương này đánh giá kết quả hoàn thành của khóa luận đưa ra

những hạn chế và hướng phát triển khóa luận trong tương lai

20

Chuong 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

Đề điều khiển khâu chấp hành cuối của robot đi đến vị trí mong muốn cầnbiết được mối liên hệ giữa hệ giữa vi trí của khâu chấp hành trong tọa độ Đề-các và

vị trí của các khớp trong không gian khớp Dé dat được điều này, nhóm tìm hiểu

động học thuận và động học nghịch cua robot Ngoài ra, nhóm trong chương nay

cũng tiến hành lựa chọn quỹ đạo di chuyên phù hợp, với mục đích cho ra đỗ thịquãng đường, vận tốc và gia tốc của robot khi di chuyền theo thời gian không gâyrung lắc, nghĩa là không có sự tăng vận tốc hay gia tốc đột ngột trong quá trình di

chuyên.

2.1 Động học thuận

Dé biểu diễn vị trí của khâu chấp hành cuối trong không gian làm việc theo

các vi trí các khớp trong không gian khớp, phương pháp D-H đặt các khung tọa độ

Đề các vào các khớp của robot, và dùng các phép tịnh thién và xoay quanh các trụctọa độ dé biến đổi vị trí của điểm trong hệ tọa độ đặt ở khâu chấp hành cuối lần lượt

về vị trí của điểm trong các hệ tọa độ của khớp liền kề và biến đổi dần về vị trítrong hệ tọa độ sốc đặt ở dé robot Theo phương pháp D-H sửa đôi [35], hệ tọa độ ở

các khớp của robot được đặt quy tắc sau:

e Gắn trục Z; dọc theo khớp thứ i

© Gốc 0, của hệ tọa độ {i} được đặt tại điểm giao nhau giữa đường vuông góc

chung của Z; và Z;„¡ với Z;.

e Gắn trục X; dọc theo đường vuông góc chung giữa hai trục Z; và Z;41

e_ Gắn hệ tọa độ {0} trùng với hệ tọa độ {1} Đối với hệ tọa độ {N} (hệ tọa độ

ở khâu chấp hành cuối), chọn một vị trí sốc tọa độ và hướng của trục Xy tùy

ý.

21

Hình 2-1: Đặt hệ tọa độ theo phương pháp D-H sửa đổi lên robotTheo các quy tắc trên, nhóm đặt trục tọa độ lên cấu hình robot như Hình 2-1.Sau khi đặt xong, ta được bốn tham số cho từng khớp biêu diễn mỗi quan hệ giữa

các khớp của hệ tọa độ tại khớp so với hệ tọa độ của khớp trước đó (Bang 2-1):

e a; là khoảng cách từ Z; đến Z;„¡ do doc theo trục X;

e a; là góc quay từ trục Z; đến Z;,, xung quanh trục X;

ed; là khoảng cách từ X;_, đến X; đo dọc theo trục Z;

e 6; là góc quay từ X;_, đến X; xung quanh trục Z;

Bang 2-1: Bảng tham số D-H cho robot

đ;—+ | @-1| dị 0;

11 0 0 0,

210 L, 6;

3 | Ls L, —20, 4) Ls 0 L, | —90+ 6,

51 0 | -90 | Ly 6s

Từ các tham số trên, dé biến đổi hệ tọa độ khớp {i-1} về hệ tọa độ của khớp{i}, ta thực hiện lần lượt các phép biến đổi sau dựa trên các tham số đã có: xoay hệtọa độ {i-1} một góc một góc a¡_; quanh trục X;_,, tiếp tục tịnh tiễn theo trục X;_,

22

một khoảng cách aj;_1, tiếp tục xoay hệ tọa độ quanh trục Z; một góc Ø; và cuốicùng tịnh tiến hệ thọa độ doc theo trục Z ¡ một khoảng dj Bằng cách thực hiện lầnlượt các phép biến đổi này, ta có ma trận thuần nhất mô tả hướng và vị trí của hệ tọa

độ {i} so với hệ tọa độ {1-1}.

Ti+ = Rot(X,_1, @j-1).Trans(X;_1, aj-1).Rot(Z;, 6,).Trans(Z2,, d,)

trận biên đôi từ hệ tọa độ gôc đên hệ toa độ của khâu chap hành cui:

cosØ; —sin@, 0 0 cosØ; —sinØ; 0 0 0m — sinØ, cosØ, 0 0 1T = sinO, cos0; 0 0

1 0 0 1 0 ? 0 0 1 d,

0 0 0 1 0 0 0 1

23

cos@, —sinØ;ạ 0 a, cos@, —sinO, 0 a;

ar sin@; cosØ;y 0 0 3m — sinO, cos0 0 0

sinØ;.cosØy —sinØ;.sinØ; cosØ;y cos6,(2L3 cos 6, + Lạ)

_ |—cos6,.cos@,; cosØ;.sinØ; sin@, sin 6,(2 Lạcos9; + L,) (2-1)

—sin 63 — cos 63 1 Lạ + 2L;

0 0 0 1

Từ cột thứ tư của ma trận trên (2- 1), ta có được vi trí cua khâu chấp hành

cuối trong hệ tọa độ góc thay đôi theo biến khớp như sau:

Px = cos 8,( 2L; cos 8; + Lạ)

Py = sin 6,(2 Lạ cos 8; + Lạ) (2-2)

Dp =—dh + 2L,

2.2 Dong hoc nghich

Mục dich của việc tính đọc học nghịch cua robot là xác định các biến khớp

của robot từ vi trí và hướng của khâu chap hành cuôi của robot.

Hình 2-2: Chiếu cánh tay robot lên hệ tọa độ Đề các

24

Phác họa cánh tay robot lên mặt phang Oxy ta được Hình 2-2 Do phương

chuyên động của bộ phận tịnh tiến của robot hướng tâm robot và xoay theo góc6; quanh trục xoay ở bệ robot nên phương của khâu chấp hành cuối cũng xoay theo

góc Ø;quanh trục xoay ở bệ robot Từ đó ta có:

= 0, = ATAN2 (—,/1 — cos? 9; , cos 8;

Ta có giá trị biến khớp thay đổi theo vị trí khâu chấp hành cuối như sau:

0, = ATAN2(py, px)

6, = ATAN2 (-v1 — cos’ 8, ,COS 6;)

2.3 Quỹ đạo di chuyển của robot

Yếu tổ cốt lõi ảnh hưởng tới chất lượng của một robot wafer là độ chính xác

và độ ôn định Việc tăng giảm vận tốc, gia tốc đột ngột trong quá trình chuyên độnggây ra rung lắc có thé ảnh hưởng tới độ chính xác và gây khiếm khuyết hay xứt mẻcho miếng wafer Để hạn chế điều này, nhóm di đến việc khảo sát một số quỹ đạo

dé đưa ra lựa chọn phù hợp cho robot của mình

2.3.1 Quỹ đạo tuyến tính

Quỹ đạo theo đường tuyến tính là kiểu quỹ đạo đơn giản nhất khi di chuyển

từ một diém qo đên điêm cuôi q,, có phương trình như sau:

25

q(t) = a) + a(t — to)

Khi xác định được góc dau qo va góc cuối q,, và thời điểm bắt đầu di chuyén

tạ và thời điểm kết thúc t,, tham số ay và a, có thể được tính như sau:

Có thé thấy phương trình van tốc của quỹ dao này là hang số: đ(f¡) = ay,

và gia tốc là 0 trong quá trình di chuyên từ [fạ; t,] Khi vận tốc là hằng số, sẽ có sựthay đổi vận tốc đột ngột vào thời điểm bắt đầu và kết thúc di chuyền, gây sự runglắc (Hình 2-3)

10

Position ES

0 1 2 3 4 5 6 H 8

Hình 2-3 Đồ thị của quỹ đạo tuyến tính

2.3.2 Quỹ đạo parabol

Quỹ đạo chia làm hai giai đoạn, ở gia đoạn dau tăng tốc, khớp di chuyển với

gia toc có hang sô dương và ở giai đoạn sau giảm toc, khớp di chuyên với gia toc có

26

hằng số ngược dấu với hằng số dùng dé di chuyên ở giai đoạn trước đó Quỹ đạo là

sự kết hợp của một hàm parabol ở giai đoạn đầu (to dén tr) va một ham parabol ở

giai đoạn cuối (ty dén tị)

tot tị

2

và Cho giai đoạn tăng và giảm của quỹ đạo như nhau, ta có tr =

forts

at) = 4; =

Ở giai đoạn tăng tốc, quỹ đạo được biéu diễn như sau:

qo(t) = ao + + — to) + a2 — to)’, t € [to, tự]

Các tham số dp, a, va az có thé tính được bằng đặt các ràng buộc về vị trí

Khảo sát quỹ đạo trên với ty = 0, t, = 8, dg = 0, Gy = 10, V9 = 1 = 0 ta được

đồ thị như Hình 2-4 Có thé thấy qua đồ thị, quỹ đạo vận tốc không liên tục tai thời

điểm giữa quá trình chuyền động, gia tốc cũng thay đổi đột ngột tại thời điểm này,

khi robot di chuyền tại thời điểm này có thể gặp phải rung giật

q(t) = ag + a,(t — tạ) +a,(t — tạ)2 + az(t — tạ)Ÿ,tạ t< tị

Từ các ràng buộc trên, ta có được các tham sô như sau: