一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转方法及系统与流程

本发明涉及实验室芯片自动化流转，具体涉及一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转方法及系统，尤其适用于半导体芯片、光电器件、传感器样品以及其他需要在多个实验设备之间进行识别、输送、缓存、降温和追踪的芯片载具自动流转场景。

背景技术：

1、随着半导体芯片、光电器件、传感器及相关实验样品在研发、检测、小批量验证和多工序实验场景中的应用不断增加，实验室内芯片载具的流转方式逐渐由人工搬运、人工登记向自动化、信息化和洁净化方向发展。实验室芯片流转通常涉及上料、下料、暂存、转运、读码识别、工艺状态确认以及在不同实验设备之间的衔接，其流转过程不仅要求完成芯片载具的位置转移，还要求满足批次可追溯、防混料、防错放、减少污染以及适应不同实验设备节拍的要求。尤其是在存在热处理、检测、分选、老化或其他实验工序的场景中，芯片载具往往需要在多个实验设备之间循环流转，并在特定工序完成后进入缓存、降温或等待下一实验环节。因此，如何在实验室有限空间内实现芯片载具的连续化、闭环化和可追踪流转，已经成为实验室自动化系统设计中的重要方向。

2、现有实验室芯片载具流转方式中，较为常见的是由人工将芯片载具从一个实验设备搬运至另一个实验设备，或者通过简单输送线完成局部区段传送。此类方式虽然能够满足基础搬运需求，但在芯片载具数量较多、实验设备分布较分散、设备节拍不一致的情况下，人工搬运容易受到人员经验、操作习惯和工作强度影响，导致芯片载具流转效率不稳定。特别是在需要区分芯片型号、批次、实验阶段或工艺状态的场景中，仅依靠人工识别和记录，容易出现漏记、错放、混料或者流转路径不清的问题，进而影响实验数据的准确性和后续追溯。

3、在公告号为 cn219791656u、名称为一种基于rfid识别的自动回转输送系统的中国实用新型专利，公开了包括 plc 控制器、上料机器人、下料机器人、回转输送线、支线输送线、移载机、阻挡器和 rfid 读写器的自动回转输送系统，其能够利用 rfid 电子标签和rfid 读写器识别回转托盘，并配合机器人和输送线完成物料回转输送。该方案能够在一定程度上实现托盘识别和回转输送，但其主要面向普通物料或托盘输送场景，重点在于回转输送线、支线输送线和机器人之间的物料上下料配合，并未针对实验室芯片载具在多实验设备之间的工艺状态识别、动态路径分配、暂存位管理、降温等待、防尘联动以及全过程流转记录作出适配设计。

4、又如，公开号为 cn114148698a、名称为一种全自动样本与样本架转移装置及全自动样品处理系统的中国发明专利申请，公开了主轨道、进样缓存轨道和样本转移模块等结构，用于实现样本和样本架在样品处理系统中的自动转移。该方案能够提高样本处理过程中的自动转移效率，但其应用对象主要为样本和样本架，技术重点在于样本处理系统中的进样、缓存和转移，并非针对芯片载具在实验室芯片工序之间的闭环流转。对于芯片载具而言，其流转过程通常还涉及芯片型号、批次、工艺状态、设备进出料状态、暂存位占用状态、轨道运行状态以及降温条件等多因素协同判断，上述样本转移方案难以直接解决芯片载具在多实验设备之间循环输送、机器人取放、动态暂存和过程追踪的综合问题。

5、再如，公告号为 cn115783723b、名称为流线式载具暂存装置的中国发明专利，公开了机架、主流线、暂存线、第一输送装置、第二输送装置以及包括顶升结构和平推结构的移动机构，用于实现载具在主流线和暂存线之间的转移暂存。该方案能够改善载具暂存装置的结构紧凑性和使用便利性，但其主要解决的是自动化生产线中载具在主流线与暂存线之间的机械暂存和转移问题，尚未将载具身份识别、实验设备进出料状态、轨道输送状态、机器人取放状态、降温暂存状态以及防尘罩开合状态进行统一调度，也未形成适用于实验室芯片载具的闭环自动流转控制逻辑。

6、由此可见，现有技术虽然分别公开了 rfid 识别回转输送、样本与样本架自动转移以及载具暂存等技术方案，但这些方案大多仍停留在单点设备或局部流程优化层面，各部件之间通常缺少面向实验室芯片载具流转的统一协同控制逻辑。机器人往往仅作为取放执行机构使用，未能与读码识别结果、暂存位空满状态、轨道运行状态、实验设备进出料状态和降温条件形成联动判断；输送轨道往往仅承担物料传送功能，不能根据芯片载具身份和工艺状态动态确定流转路径；暂存机构往往仅作为临时放置区域使用，不能根据系统状态进行动态分配和追踪；防尘罩也往往不能根据机器人动作时序自动开启和关闭。由此导致芯片载具在实验设备之间仍然难以实现连续、可控、洁净、可追溯的闭环自动流转。

7、另外，在实验室芯片流转场景中，洁净度和防污染要求较高。现有人工搬运或者开放式输送方式在芯片载具转运过程中容易受到落尘、人员接触、空气扰动等因素影响。部分输送线虽可设置防尘罩，但传统防尘结构通常为固定式或整段封闭式结构，在机器人取放载具时容易与机械臂运动空间发生干涉；若为满足机器人取放而长期打开防尘罩，又会削弱防尘效果。因此，当机器人取放动作、防尘罩开合动作以及输送轨道运行之间缺少合理配合时，难以同时兼顾自动化取放空间和载具洁净转运要求。

8、此外，芯片载具在经过热处理、老化或其他可能产生温升的实验工序后，通常需要等待温度下降至适宜范围再进入后续环节。现有处理方式多为单独设置冷却工位，或者由人工将载具放置在临时区域自然冷却。该方式不仅占用额外空间，还会增加搬运环节和等待时间。若芯片载具在冷却过程中缺少位置记录和状态跟踪，还可能导致不同批次载具混放，或者出现已降温载具与未降温载具难以区分的问题。对于需要连续实验或多批次并行处理的实验室而言，上述问题会进一步降低整体流转效率。

9、因此，现有技术仍有必要提供一种能够将机器人取放、读码识别、暂存位分配、轨道输送、降温暂存、防尘联动及上位机调度进行协同控制的实验室芯片闭环自动流转方法及系统，以改善现有实验室芯片载具流转过程中自动化衔接不足、路径分配不灵活、暂存管理不完善、洁净转运难以兼顾以及流转过程不易追踪的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转方法及系统，其目的在于通过读码识别、机器人取放、动态暂存、轨道输送、降温暂存、防尘联动和记录追踪的协同控制，实现芯片载具在实验设备、暂存机构和闭环输送轨道之间的自动流转、缓存管理和过程追踪。

2、一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转方法，应用于实验室芯片流转系统，所述实验室芯片流转系统包括上位机、机器人、读码器、暂存机构、闭环输送轨道和实验设备，所述闭环输送轨道由长轨道、短轨道和转角机连接形成，所述暂存机构设置在所述闭环输送轨道的上下料侧并具有多个供芯片载具放置的暂存位，所述机器人设置在所述实验设备、所述暂存机构和所述闭环输送轨道之间的取放作业区域，所述读码器设置在所述芯片载具的流转路径上并与所述上位机通信连接，所述方法包括：

3、通过所述读码器读取所述芯片载具的载具信息并将所述载具信息发送至所述上位机，所述载具信息包括芯片型号信息、批次信息和工艺状态信息；

4、所述上位机分别获取所述实验设备的进出料状态、所述暂存机构中各暂存位的占用状态、所述闭环输送轨道的输送状态以及所述转角机的换向状态，根据所述载具信息确定所述芯片载具对应的流转任务，并根据所述流转任务、所述进出料状态、所述占用状态、所述输送状态和所述换向状态确定所述芯片载具的目标位置以及到达所述目标位置的流转路径，所述流转路径包括长轨道输送段、短轨道桥接段和转角机换向节点；

5、所述上位机向所述机器人发送与所述目标位置对应的取放指令，向所述闭环输送轨道发送与所述流转路径对应的输送指令，并在所述机器人执行取放动作前控制与取放位置对应的防尘罩打开、在取放动作完成后控制所述防尘罩关闭；

6、当所述流转任务包含缓存要求或降温要求时，所述上位机根据所述占用状态从所述暂存机构中确定目标暂存位或降温暂存位，并控制所述机器人将所述芯片载具放入或者取出所述目标暂存位或所述降温暂存位；

7、所述机器人完成取放动作后向所述上位机反馈动作完成信号，所述上位机据此更新所述芯片载具的位置状态、对应暂存位的占用状态以及流转记录，以使所述芯片载具在所述实验设备、所述暂存机构和所述闭环输送轨道之间进行可追踪的闭环自动流转。

8、进一步的，所述上位机预存与所述芯片型号信息、所述批次信息和所述工艺状态信息对应的流转任务规则表，所述流转任务规则表中的每一规则记录包括目标实验设备、允许暂存类型、是否需要降温、异常处理位置、下一工序条件和任务优先级；所述上位机将所述读码器读取的载具信息与所述流转任务规则表进行匹配，并结合上一流转记录对所述工艺状态信息进行连续性校验，以确定所述芯片载具对应的目标实验设备、目标暂存位、降温暂存位或目标轨道位置。

9、进一步的，所述上位机在确定所述流转路径时，将所述长轨道、所述短轨道和所述转角机划分为可管理的轨道资源单元，并对各轨道资源单元的空闲、占用、预占、故障或禁止进入状态进行判断；所述上位机对被选中的长轨道输送段、短轨道桥接段和转角机换向节点生成与所述芯片载具对应的路径预占标识，当任一轨道资源单元不能被预占时生成等待指令或重新规划指令，当所述芯片载具离开相应输送段或换向节点并到达下一确认位置后释放对应路径资源。

10、进一步的，所述上位机在确定目标暂存位时，依据各暂存位的占用状态、所述芯片载具对应的后续流转路径、所述机器人到达各暂存位的取放距离、所述实验设备的进出料状态以及所述芯片载具的批次隔离要求，从处于空闲状态的暂存位中选取与后续流转路径相匹配的暂存位作为目标暂存位，并在发送机器人取放指令前将所述目标暂存位更新为预占状态；当所述暂存机构包括多层缓存位和升降机构时，所述上位机控制所述升降机构将所述目标暂存位移动至与所述机器人取放高度对应的位置，并在接收到升降到位信号后允许所述机器人执行取放动作。

11、进一步的，在所述流转任务包含降温要求时，所述上位机将具有降温功能且处于空闲状态的降温暂存位确定为目标位置，控制所述机器人将所述芯片载具放入所述降温暂存位，并将所述降温暂存位更新为降温中状态；所述上位机控制与所述降温暂存位对应的风扇形成依次经过气流通道、芯片载具所在位置和散热空间的散热气流，并根据预设降温时长、温度采集信息或后续工艺条件判断所述芯片载具是否满足后续流转条件，在满足条件后将所述降温暂存位更新为可取出状态并生成取出指令。

12、进一步的，所述防尘罩包括设置在所述长轨道上的分段开启防尘罩和设置在所述机器人取放作业区域的翻盖式防尘罩，所述分段开启防尘罩和所述翻盖式防尘罩均具有开启到位状态和关闭到位状态；所述上位机根据所述机器人的取放位置选择相应的分段开启防尘罩或翻盖式防尘罩开启，并在确认所述防尘罩开启到位、所述闭环输送轨道停止于取放位置且对应轨道资源已预占后允许所述机器人执行取放动作，在所述机器人反馈动作完成信号后控制相应防尘罩关闭，并在确认所述防尘罩关闭到位后允许所述闭环输送轨道继续输送。

13、进一步的，当所述载具信息与预设流转任务规则不匹配、所述读码器未读取到有效载具信息或者所述工艺状态信息与上一流转记录不连续时，所述上位机将所述芯片载具的目标位置确定为异常处理位置，并记录异常原因，控制所述机器人或所述闭环输送轨道将所述芯片载具转移至指定轨道位置或预留异常暂存位；所述上位机在所述芯片载具经过读码位置、实验设备、暂存位、降温暂存位和轨道位置时记录对应的载具信息、当前位置、目标位置、流转任务、执行部件、动作类型和流转时间，以形成所述芯片载具的流转记录。

14、进一步的，包括上位机、机器人、读码器、暂存机构、闭环输送轨道和实验设备，所述闭环输送轨道由长轨道、短轨道和转角机连接形成，所述暂存机构设置在所述闭环输送轨道的上下料侧并具有多个供芯片载具放置的暂存位，所述机器人设置在所述实验设备、所述暂存机构和所述闭环输送轨道之间的取放作业区域，所述读码器设置在所述芯片载具的流转路径上并与所述上位机通信连接；

15、所述上位机分别与所述机器人、所述读码器、所述暂存机构、所述闭环输送轨道、所述转角机以及设置在所述闭环输送轨道上的防尘罩通信连接，所述上位机包括任务规则匹配模块、状态采集模块、路径资源预占模块、暂存分配模块、防尘联锁模块、降温判断模块和流转记录模块；所述任务规则匹配模块用于根据所述载具信息确定流转任务，所述状态采集模块用于获取所述实验设备的进出料状态、各暂存位的占用状态、所述闭环输送轨道的输送状态、所述转角机的换向状态以及所述防尘罩的开闭到位状态，所述路径资源预占模块用于确定并预占流转路径，所述暂存分配模块用于确定目标暂存位或降温暂存位，所述防尘联锁模块用于在机器人取放前后控制所述防尘罩开启或关闭，所述降温判断模块用于判断具有降温要求的芯片载具是否满足后续流转条件，所述流转记录模块用于更新芯片载具的位置状态、对应暂存位的占用状态以及流转记录。

16、进一步的，所述暂存机构包括多层缓存位、与所述多层缓存位对应设置的升降机构以及具有降温功能的降温暂存位，各暂存位设置有用于反馈空闲、占用、预占、降温中或异常隔离状态的状态检测件，所述升降机构与所述上位机通信连接并用于将目标暂存位移动至与所述机器人取放高度对应的位置；所述降温暂存位与风扇、气流通道、散热空间和温度采集件配合，所述风扇用于形成流经所述降温暂存位的散热气流，所述气流通道用于引导气流经过所述芯片载具所在位置，所述散热空间用于供热量排出，所述温度采集件用于向所述上位机反馈降温暂存位或芯片载具附近的温度信息。

17、进一步的，所述防尘罩包括设置在所述长轨道上的分段开启防尘罩和设置在所述机器人取放作业区域的翻盖式防尘罩，所述分段开启防尘罩和所述翻盖式防尘罩分别设置有开启到位检测件和关闭到位检测件，并分别与所述上位机通信连接；所述上位机根据所述机器人的取放位置控制对应防尘罩开启或关闭，并在对应防尘罩未开启到位时限制所述机器人进入取放作业区域、在对应防尘罩未关闭到位时限制所述闭环输送轨道启动输送，且所述上位机还用于根据所述机器人的动作完成信号、所述防尘罩的开闭到位状态和所述闭环输送轨道的到位状态更新所述芯片载具的位置状态、对应暂存位的占用状态以及所述芯片载具的流转记录。

18、本发明还提供一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转系统，包括上位机、机器人、读码器、暂存机构、闭环输送轨道和实验设备。上位机分别与机器人、读码器、暂存机构、闭环输送轨道、转角机和防尘罩通信连接，并包括任务规则匹配模块、状态采集模块、路径资源预占模块、暂存分配模块、防尘联锁模块、降温判断模块和流转记录模块，以分别完成流转任务确定、系统状态采集、路径资源预占、目标暂存位或降温暂存位分配、防尘罩开闭联锁、降温条件判断以及流转记录更新。

19、进一步地，暂存机构包括多层缓存位、与多层缓存位对应设置的升降机构以及具有降温功能的降温暂存位，各暂存位设置有用于反馈空闲、占用、预占、降温中或异常隔离状态的状态检测件。降温暂存位与风扇、气流通道、散热空间和温度采集件配合，温度采集件用于向上位机反馈温度信息。防尘罩包括分段开启防尘罩和翻盖式防尘罩，并分别设置开启到位检测件和关闭到位检测件，以与机器人取放动作和闭环输送轨道输送动作形成联锁关系。

20、本发明所提供的一种基于机器人协同的实验室芯片闭环自动流转方法及系统，其有益效果在于，通过将上位机、机器人、读码器、暂存机构、实验设备、闭环输送轨道、转角机和防尘罩进行协同配置，使芯片载具不再依赖人工搬运和人工判断，而是能够基于载具信息、设备状态、暂存状态、轨道资源状态、转角机换向状态和防尘罩开闭状态完成自动取放、自动输送、动态缓存和闭环回流，从而改善多实验设备之间流转衔接不连续、流转效率不稳定的问题。

21、通过设置流转任务规则表，并将芯片型号信息、批次信息、工艺状态信息、目标实验设备、允许暂存类型、降温要求、异常处理位置、下一工序条件和任务优先级建立对应关系，使芯片载具在进入输送流程时即可形成身份识别、工艺状态校验和任务匹配关系。该设置能够减少人工登记错误、批次混淆、工艺状态跳转不连续以及目标设备选择错误导致的错放、混料和漏转问题。

22、通过将长轨道、短轨道和转角机划分为可管理的轨道资源单元，并对被选中的输送段、桥接段和换向节点进行路径预占，可以在多芯片载具并行流转时避免不同载具同时占用同一轨道资源或换向节点。该设置使闭环输送轨道不再仅按固定路线输送，而是能够根据轨道占用、预占、故障或禁止进入状态进行等待或重新规划，提高路径分配的安全性和灵活性。

23、通过依据暂存位占用状态、后续流转路径、机器人取放距离、实验设备进出料状态和批次隔离要求确定目标暂存位，并在机器人取放前将目标暂存位更新为预占状态，可以使暂存机构由简单放置区域转变为受控缓存节点。该设置有利于避免多批次芯片载具混放、同一暂存位重复分配和机器人取放目标不一致的问题，并能够在实验设备节拍不一致时实现有序缓存。

24、通过设置降温暂存位、风扇、气流通道、散热空间和温度采集件，并使上位机根据预设降温时长、温度采集信息或后续工艺条件判断是否允许后续流转，可以使经过热处理、老化或其他温升工序的芯片载具在受控位置完成降温等待。该设置减少了单独冷却工位和人工临时放置带来的空间占用及状态混淆，有利于区分降温中、可取出和异常隔离等状态。

25、通过将分段开启防尘罩和翻盖式防尘罩的开启到位状态、关闭到位状态纳入机器人取放和闭环输送的联锁条件，可以在机器人取放时形成必要避让空间，在取放完成后及时恢复输送区域遮蔽状态。该设置既降低机器人与防尘罩发生干涉的风险，又减少芯片载具在输送过程中的落尘、人员接触和空气扰动影响，从而兼顾自动化取放和洁净转运要求。

26、通过在异常处理和流转记录中记录载具信息、当前位置、目标位置、流转任务、执行部件、动作类型、异常原因和流转时间，能够使芯片载具经过读码位置、实验设备、暂存位、降温暂存位和轨道位置的全过程形成连续记录。由此，本发明通过任务规则匹配、路径预占、目标暂存位预占、降温判断、防尘联锁、异常分流和流转记录的协同配合，提高了实验室芯片载具闭环自动流转的可控性、洁净性、连续性和可追溯性。