CN100548589C

CN100548589C - 校准方法

Info

Publication number: CN100548589C
Application number: CNB2004800303047A
Authority: CN
Inventors: 足立胜; 川边满德
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP4501103B2; CN1867430A; JP2005118951A; US7205742B2; US20060192514A1; KR101160370B1; WO2005037495A1; KR20060128837A

Abstract

本发明提供一种求出传感器光轴相对于机器人手部的偏移并进行校准的方法，以及提供一种求出机器人手部相对于机器人手臂的偏移并进行校准的方法。其通过可旋转地安装在机器人手臂前端的机器人手部搬运半导体晶片的机器人，在前述机器人手部上设置光学传感器，通过前述机器人手部将示教半导体晶片的收纳或载置位置的示教夹具放置在规定位置，以前述机器人手臂伸缩量不同的2种以上的姿势，用前述光学传感器重复检测前述示教夹具，从而计算出示教夹具位置的推断值，通过求得作为前述示教位置与前述推断值的差值的、相对于前述传感器光轴的垂直方向的偏移ΔR和旋转方向的偏移Δθ，校准前述光学传感器的光轴。

Description

校准方法

技术领域

本发明涉及一种为实现对半导体晶片搬运机器人示教半导体晶片位置而对设在机器人手部的传感器的光轴进行校准的方法。

背景技术

目前，半导体晶片搬运机器人的示教操作，与普通工业机器人一样，是通过操作者目视操作目标晶片，确认其位置从而将机器人引导向晶片的。但是，有时从外部难以或者不可能目视到处理装置等设备内部的晶片。因此，出现一种被称作自动示教的方法及装置，即以与实物晶片相同尺寸的示教夹具代替晶片放置在处理装置等设备中，由设在机器人末端受动器上的传感器检测出该示教夹具的位置，从而向机器人示教位置。

本发明的发明人此前在专利文献1中提出了使用装有2个穿透式传感器的机器人手部感应示教夹具的方法。在该方法中，使机器人手部从不同方向接近设置在示教夹具中的小圆板，对其结果应用最小2乘法计算求得机器人的示教位置，即圆柱坐标系(R-θ-Z)的R值、θ值、Z值。这里，R值表示机器人手臂伸缩方向的示教值，θ值表示机器人旋转方向的示教值，Z值表示机器人上下方向的示教值。

专利文献1：国际公开公报WO03/22534

发明内容

作为自动示教的前提，需要正确调整机器人手部上传感器的光轴。但在专利文献1中，没有提及光轴的调整方法。此外，虽然机器人手部本身的连接角度的偏差也被计算入光轴的偏差，但没有提供正确地求出并修正该光轴偏差的方法。

鉴于上述问题，本发明提供一种求出传感器光轴相对于机器人手部的偏差并进行校准的方法，还提供一种求出机器人手部相对于机器人手臂的偏差并进行校准的方法。

为解决上述问题，本发明是通过可旋转地安装在机器人手臂前端的机器人手部搬运半导体晶片的机器人，在前述机器人手部上设置光学传感器，通过前述机器人手部将示教半导体晶片的收纳或载置位置的示教夹具放置在规定位置，以前述机器人手臂伸缩量不同的2种以上的姿势，用前述光学传感器重复检测前述示教夹具，从而计算出示教夹具位置的推断值，通过求得作为前述示教位置与前述推断值的差值的、相对于前述传感器光轴的垂直方向的偏移ΔR和旋转方向的偏移Δθ，校准前述光学传感器的光轴。并且，通过前述机器人手部放置前述示教夹具的前述规定位置是能够以前述机器人手臂伸缩量不同的2种以上的姿势进行操作的校准用临时工作台。并且，所述机器人是具有多个半导体晶片工作台及前述校准用临时工作台的搬运装置。并且，前述校准用临时工作台，为了不使前述机器人设置的半导体晶片或示教夹具发生位置偏移，具有以平面进行保持的机构。

根据本发明，机器人将示教夹具放置在工作台上，通过传感器检测出该示教夹具并推断晶片位置，根据示教位置和推断位置的差值进行传感器的校准，因此不需要夹具以及测量器具，可容易地进行校准。并且，通过机器人手臂以伸缩量不同的姿势重复进行2次或大于2次的计算测量，可求出机器人手部对机器人手臂连接角度的偏移并进行修正。而且，处理装置内设有校准工作台，可自动进行校准。并且，前述工作台的搬运面是以平面保持晶片使晶片位置不发生偏移的装置，在用机器人放置晶片或者示教夹具时，可以使其位置不发生偏移进行正确校准。此外，可以将机器人组装在处理装置中执行校准，因此即使设有传感器的机器人手部碰撞到装置受到损害而更换机器人手部时，也可以通过再次执行本校准操作继续进行自动示教。

附图说明

图1：实施本发明时所用机器人的平面图。

图2：实施本发明时所用机器人的平面图。

图3：实施本发明时所用机器人的平面图。

图4：实施本发明时所用机器人的侧视图。

图5：实施本发明时所用穿透式传感器的说明图。

图6：实施本发明时所用示教夹具的说明图。

图7：传感器光轴偏移说明图。

图8：表示本发明实施例中搬运装置的说明图。

图9：表示本发明实施例中临时工作台的说明图。

图10：本发明所提供校准方法的流程图。

图11：表示校准操作中晶片夹持部和示教夹具之间位置关系的说明图。

图12：表示校准操作中晶片夹持部和示教夹具之间位置关系的说明图。

图13：表示校准操作中晶片夹持部和示教夹具之间位置关系的说明图。

图14：表示本发明所提供晶片位置示教方法的流程图。

符号说明：

1：机器人

2：支柱部

3：第一机器人手臂

4：第二机器人手臂

5：晶片夹持部

6：穿透式传感器

7：机器人旋转中心

8：发光部

9：受光部

10：光轴

11：示教夹具

12：大圆板部

13：小圆板部

14：轻化孔

15：实际光轴

16：理想光轴

17：光轴偏角α

18：光轴偏角β’

19：第三机器人手臂偏角β

20：第三机器人手臂旋转中心

21：行走轴总成

22：可动台架

23：临时工作台

23a：支架

23b：侧壁

24～28：工作台

29：搬运面

30：间隙

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

实施例1

图1、图2、图3以及图4为本发明实施时所用机器人的说明图。图1、图2以及图3是平面图，图4是侧视图。图中，1为用于搬运半导体晶片的水平多关节型机器人，W是机器人1搬运的目标半导体晶片。机器人1具有围绕可自由升降圆柱形支柱部2的机器人旋转中心轴7在水平面内旋转的第一机器人手臂3、以及安装在第一机器人手臂3的末端可在水平面内自由旋转的第二机器人手臂4、以及安装在第二机器人手臂4的末端可在水平面内自由旋转的晶片夹持部5。晶片夹持部5为用于承载半导体晶片W的Y字形机器人手部，在Y字形的末端装有1组穿透式传感器6。此外，21是行走轴总成，22是行走轴总成21的可动台架，机器人1被固定在可动台架22上行走。

如图1至图4所示，机器人1具有4个自由度：即在保持第一机器人手臂3、第二机器人手臂4及晶片夹持部5之间相对角度的状态下使第一机器人手臂3围绕支柱部2的中心轴7旋转的θ轴动作(旋转)；使第一机器人手臂3、第二机器人手臂4及晶片夹持部5保持一定的速度比进行旋转，以使晶片夹持部5向着支柱部2的半径方向伸缩的R轴动作(伸缩)；使支柱部2升降的Z轴动作(升降)；以及通过行走轴总成21的直线动作使机器人1自身行走运动的T轴动作(行走)。另外，在这里，θ轴以逆时针方向为正向(参见图2)，R轴以晶片夹持部5远离支柱部2的方向即机器人手臂伸展方向为正向(参见图3)，Z轴以支柱部2的上升方向为正向(参见图4)，T轴以机器人向附图上方行走的方向为正向(参见图1)。

图5是穿透式传感器6的说明图。图中，8是安装在Y字形晶片夹持部5的一端的发光部，9是安装在另一端与发光部8相对的受光部。发光部8和受光部9构成穿透式传感器6。10是从发光部8射向受光部9方向的光轴，穿透式传感器6可以检测出遮挡光轴10的物体。

图6是本发明实施时所用示教夹具的说明图。图中，示教夹具11是由大圆板部12与其上的同心小圆板部13组合而成的，大圆板部12的直径与实际晶片相同。此外，大圆板部12上开设有轻化孔14以减轻重量，因此机器人自己可以采用与夹持晶片时相同的要领夹持本夹具，并放置在工作台上。另外，大圆板部12的厚度为约2mm，比实际半导体晶片的0.7mm要大，这是由强度上的制约决定的，当然最好能做到与实际半导体晶片的厚度相同。

图7是传感器光轴偏移的说明图，也是第一机器人手臂3、第三机器人手臂4以及晶片夹持部5的平面图。光轴的偏移有两种情况：R轴方向的偏移ΔR(参见图7(a))和旋转方向的偏移Δθ(图7(b))。传感器光轴的位置设计时处于第3机器人手臂的旋转中心20至光轴的距离L的位置上，但是在组装时会产生前后的偏移，即ΔR。Δθ由两个因素形成。其一是图7(c)所示的理想光轴16(R轴的垂直线)与实际光轴15的偏角α。其为相对于机器人旋转中心7的常数。另一个是图7(d)所示的第三机器人手臂的偏角β。其相对于机器人旋转中心7不是常数，其与机器人手臂的姿势即R轴的伸缩量成比例变化。如果以机器人旋转中心7至第三机器人手臂旋转中心20的距离为R，以第三机器人手臂旋转中心20至理想光轴16的距离为L，则感应操作时的影响角β′可由公式1表示。

β^{'} = β * \frac{L}{R + L}

(公式1)

从而修正量Δθ可由公式2表示，如果能求得其中的系数α和β，即可进行传感器的校准。

Δθ = α + β^{'} = α + β * \frac{L}{R + L}

(公式2)

图8是实施本发明时所用晶片搬运装置的平面图。图中，23是临时工作台，工作台24、工作台25以及工作台26为收纳容器，工作台27以及工作台28为真空隔绝室，在各工作台24～28之间通过机器人(图中未表示)搬运半导体晶片。临时工作台23设置在前述机器人操作工作台24～28时不产生干涉的位置。并且，设置在通过使用T轴(行走轴)移动机器人位置使机器人手臂能够以伸缩量不同的姿势进行操作的位置。即把临时工作台23设置在前述机器人行走轴(T轴)的延长线上。

图9是实施本发明时所用临时工作台的说明图。(a)是平面图，(b)是侧视图。临时工作台23呈圆柱形，通过支架23a固定在侧壁23b上。临时工作台23的搬运面29采用橡胶材质，以增加与示教夹具11的摩擦，使机器人放置时不发生位置偏移。此外，如图9(a)所示，晶片夹持部5的中央部分的开口和临时工作台23的圆柱部之间，确保间隙30的存在。其目的是为了在机器人放置的位置与规定距离发生前后左右偏移的情况下也可以放置。

图10是本发明实施例所示校准方法的流程图。此外，图11至图13是表示校准操作中晶片夹持部5和示教夹具11之间位置关系的说明图。其中(a)是平面图，(b)是侧视图。以下分步骤说明本校准方法。

(步骤1)将示教夹具11设置在机器人的晶片夹持部5上。

(步骤2)根据设备图纸等资料，临时工作台23的位置是已知的，所以，将机器人可以放置晶片的示教位置设置为(θs1，Rs1，Zs1，Ts1)。

(步骤3)使i＝1。

(步骤4)由机器人自己向示教位置(θsi，Rsi，Zsi，Tsi)即临时工作台23放置示教夹具11。

(步骤5)由于机器人放置晶片的示教位置(θsi，Rsi，Zsi，Tsi)是已知的，使晶片夹持部5向大圆板部12的下方自动移动。

(步骤6)使晶片夹持部5上升(参见图11及图12)，以穿透式传感器6检测出大圆板部12的下平面，记录此时机器人Z轴的坐标值Z₁。使晶片夹持部5继续上升，以穿透式传感器6检测出大圆板部12的上平面，记录此时机器人Z轴的坐标值Z₂。

(步骤7)使晶片夹持部5向大圆板部12上方移动。即，设定在使晶片夹持部5前进(这里所说前进指R轴的+方向)时穿透式传感器6可以检测出小圆板部13的高度。

(步骤8)使晶片夹持部5后退到穿透式传感器6不能检测出小圆板部13的位置。

(步骤9)驱动θ轴，改变晶片夹持部5的朝向(参见图13)，然后驱动R轴，使晶片夹持部5前进，以使其缓缓接近小圆板部13，记录穿透式传感器6最初检测出小圆板部13(即光轴10接触到小圆板部13的圆周)时θ轴和R轴的坐标。

(步骤10)重复步骤8和步骤9，使晶片夹持部5从不同方向接近小圆板部13，求得光轴10接触到小圆板部13圆周时的θ轴和R轴的多组坐标，以最小2乘法计算这些数值，求出并记录小圆板部13也即示教夹具的中心位置(θei，Rei)。此外，运用最小2乘法计算中心位置的算法在专利文献1中已有详细叙述，请参考。

(步骤11)计算并记忆通过步骤10感应步骤4中放置在临时工作台23上的示教夹具11所求得的(θei，Rei)和放置示教夹具11的示教位置(θsi，Rsi)之间的差值Δθi和ΔRi，同时记忆Rsi。

Δθi＝θsi-θei，ΔRi＝Rsi-Rei(公式3)

(步骤12)用机器人夹持工作台23的示教夹具11。因为机器人已经记忆了放置示教夹具的示教位置(θsi，Rsi，Tsi)，所以夹持是可能的。

(步骤13)当i＝2时，跳到步骤16。

(步骤14)下一个(i+1)示教夹具的放置位置参照公式4。

(θsi+1，Rsi+1，Zsi+1，Tsi+1)＝(θsi，Rsi+Roft，Zsi，Tsi-Roft)(公式4)

这是为了机器人手臂以不同伸缩量的姿势感应示教夹具并计算测量数据，因为使用相同位置的临时工作台23而形成公式4。本实施例中，因为R轴的正向和T轴的正向一致，所以如公式4中那样在R轴加上Roft，T轴减去Rort。

(步骤15)使i＝i+1，跳至步骤4。

(步骤16)使用步骤11中记忆的Δθi、ΔRi、Rsi求出校准数值Δθ和ΔR。由于本实施例中样本数为2，通过公式5、6求出α、β，通过公式2求出Δθ。ΔR为(ΔR₁+ΔR₂)/2。将求得的α、β、ΔR保存在控制器中。

α = \frac{- Δ θ_{1} (R_{1} + L) + Δ θ_{2} (R_{2} + L)}{R_{2} - R_{1}}

(公式5)

β = \frac{(Δ θ_{1} - Δ θ_{2}) (R_{1} + L) (R_{2} + L)}{L (R_{2} - R_{1})}

(公式6)

此外，当样本数为N时，通过将步骤13的Roft置换为Roft/(N-1)，将步骤14的i＝2变为i＝N，可获取感应数据。校准数值的求解方法中，对Δθ应用最小2乘法、对ΔR使用平均值即可。

(步骤17)回收机器人的晶片夹持部5上的示教夹具11。

此外，如果将步骤2至步骤16的操作预先编写成程序，则可以不依赖工作人员的操作，自动进行自动示教的感应校准工作。

通过以上步骤，校准完成。下面说明晶片位置的示教方法。图14是本发明实施例所示晶片位置示教方法的流程图。以下，按步骤说明该晶片位置示教方法。

(步骤18)将示教夹具11放置在收纳容器等设备中装载半导体晶片的位置。因为大圆板部12具有与实际半导体晶片完全相同的外径，所以通过收纳容器等的定位向导等使示教夹具11准确定位。并且，当有多个需要示教的工作台时，在所有工作台上放置示教夹具11。

(步骤19)根据设备图纸等资料，晶片示教位置的大概位置是已知的，同时机器人的结构也是已知的，因此，可以通过逆运算求出图12所示位置，使晶片夹持部5向大圆板部12下方自动移动。

(步骤20)使晶片夹持部5上升(参见图12及图13的姿势)，通过穿透式传感器6检测出大圆板部12的下平面，记录此时机器人Z轴的坐标值Z₁。使晶片夹持部5继续上升，通过穿透式传感器6检测出大圆板部12的上平面，记录此时机器人Z轴的坐标值Z₂。

(步骤21)使晶片夹持部5向大圆板部12上方移动。即，设定在使晶片夹持部5前进(这里所说前进指R轴的+方向)时穿透式传感器6可以检测出小圆板部13的高度。

(步骤22)使晶片夹持部5后退到穿透式传感器6不能检测出小圆板部13的位置。

(步骤23)驱动θ轴，改变晶片夹持部5的朝向(参见图14的姿势)，然后驱动R轴，使晶片夹持部5前进，以使其缓缓接近小圆板部13，记录穿透式传感器6最初检测到小圆板部13(即光轴10接触到小圆板部13的圆周)时θ轴和R轴的坐标。

(步骤24)重复步骤22和步骤23，使晶片夹持部5从不同方向接近小圆板部13，求得光轴10接触到小圆板部13圆周时的θ轴和R轴的多组坐标，以最小2乘法计算这些数值，求出并记录小圆板部13也即示教夹具的中心位置(θei，Rei)。

(步骤25)晶片的推断位置以根据步骤20记录的Z₁、Z₂计算的(Z₁+Z₂)/2作为Z轴的推断值，以步骤24求得的(θei，Rei)加上步骤16求得的校准值得到的(θei+Δθ，Rei+ΔR)作为θ轴、R轴的推断值。将这些数值作为该工作台的示教位置保存在控制器中。

(步骤26)有多个示教工作台时，重复步骤19～25。

(步骤27)步骤25中求出了各工作台的示教位置，因此，机器人根据这些信息采用与通常搬运晶片时相同的要领，自动回收所有的示教夹具。所谓回收，不是指如打开处理装置盖板用手直接取出示教夹具的操作，而是将示教夹具运送到卡式工作台的不同插槽中并使其互不干扰，然后将积存在卡盒中的示教夹具一并取出。

此外，如果将步骤19至步骤27的操作预先编写成程序，则可以不依赖工作人员的操作，自动进行半导体晶片的位置示教。

本发明作为向半导体晶片搬运机器人示教半导体晶片位置的传感器的校准方法具有实用价值。

Claims

1.一种校准方法，其特征在于：

通过可旋转地安装在机器人手臂前端的机器人手部搬运半导体晶片的机器人，

在前述机器人手部上设置光学传感器，

通过前述机器人手部将示教半导体晶片的收纳或载置位置的示教夹具放置在规定位置，

以前述机器人手臂伸缩量不同的2种以上的姿势，用前述光学传感器重复检测前述示教夹具，从而计算出示教夹具位置的推断值，

通过求得作为前述示教半导体晶片的收纳或载置位置的示教位置与前述推断值的差值的、相对于前述传感器光轴的垂直方向的偏移ΔR和旋转方向的偏移Δθ，校准前述光学传感器的光轴。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：通过前述机器人手部放置前述示教夹具的前述规定位置是能够以前述机器人手臂伸缩量不同的2种以上的姿势进行操作的校准用临时工作台。

3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于：所述机器人是具有多个半导体晶片工作台及前述校准用临时工作台的搬运装置。

4.根据权利要求2或3所述的校准方法，其特征在于：前述校准用临时工作台，为了不使前述机器人设置的半导体晶片或示教夹具发生位置偏移，具有通过摩擦力保持半导体晶片或示教夹具的机构。