JP2012254524A - ロボット及びその教示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドエフェクタやターゲットの変形を引き起こすことなく、また、パーティクルの発生を防止できる自動教示方法を提供すること。
【解決手段】ロボット制御手段４０は、アーム駆動手段を制御してロボットアーム２８の先端部を移動させて、手首軸に取り付けられた接触部材５０を教示ターゲット５１に接触させ、接触部材５０と教示ターゲット５１との接触により手首軸が角変位を開始した時点でのロボットアーム２８の姿勢及び手首軸の角度位置を検出して教示点の位置を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲット位置を教示可能なロボット及びその教示方法に関する。

従来、半導体の製造に用いられるシリコンウェハや、液晶表示パネルの製造に用いられるガラス基板等のワークを搬送する際には、変位自在のアームを備えたロボットが使用されている。この種のロボットは、ワークを所定の位置に正確に搬送するために、予めターゲット位置を教示する機能を備えている。

近年、半導体ウェハやガラス基板の大形化に伴って、ロボットへの教示が益々難しくなってきており、オペレータに要求される技量のレベルも高くなっている。このため、オペレータの技量不足による教示ミスが発生しやすく、オペレータの技量に頼らずに正確な位置をロボットに教示できる技術が求められている。

特許文献１には、３軸スカラ型ロボットでターゲットの位置を検出して教示点を求める方式が記載されている。この方式においては、ロボットのエンドエフェクタを、カセットなどに追加したターゲットに向けて移動させて、ターゲットに接触させる。このとき、トルク及び速度の変化を検出する。そして、エンドエフェクタがターゲットに接触する場合と、そうでない場合とで、トルク及び速度の変化を比較して、エンドエフェクタとターゲットとの接触点を検出し、検出した接触点からターゲットの位置を求め、教示点を計算する。

米国特許６，２４２，８７９号明細書

ところが、上述した従来の教示方式においては、エンドエフェクタをターゲットに接触させたときに、エンドエフェクタ及びターゲットが変形したり、パーティクルが発生したりするという不具合が生じる。このような不具合を防ぐためには、ロボットを非常に低速で動作させる必要があるが、この場合、ロボットの駆動系の、変動要素及び経時変化要素に支配されて、位置の検出精度が低くなってしまうという問題がある。ここで、変動要素は、トルク変動及び摩擦などを含み、経時変化要素は、ヒステリシスなどを含む。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、エンドエフェクタやターゲットの変形を引き起こすことなく、また、パーティクルの発生を防止しつつ、ターゲットの位置を高精度で検出することができるロボット及びその教示方法を提供することを目的とする。

本発明によるロボットは、先端部に手首軸が回転自在に設けられたロボットアームと、前記ロボットアームを変位駆動するアーム駆動手段と、前記手首軸を回転駆動する手首軸駆動手段と、前記アーム駆動手段及び前記手首軸駆動手段を制御するロボット制御手段と、を備え、前記ロボット制御手段は、前記アーム駆動手段を制御して前記ロボットアームの前記先端部を移動させて、前記手首軸に取り付けられた接触部材を教示ターゲットに接触させ、前記接触部材と前記教示ターゲットとの接触により前記手首軸が角変位を開始した時点での前記ロボットアームの姿勢及び前記手首軸の角度位置を検出し、その検出結果に基づいて教示点の位置を決定するように構成されていることを特徴とする。

好ましくは、前記手首軸駆動手段は、前記手首軸を回転駆動するモータと、前記モータに設けられたエンコーダと、を含み、前記ロボット制御手段は、前記手首軸の前記角変位を前記エンコーダの位置の変化により検出するように構成されている。

好ましくは、前記手首軸に取り付けられたエンドエフェクタを更に有し、前記接触部材は前記エンドエフェクタである。

好ましくは、前記手首軸に取り付けられたエンドエフェクタを更に有し、前記接触部材は前記エンドエフェクタに保持された部材である。

好ましくは、前記エンドエフェクタは、板状部材を保持する保持手段を有し、前記接触部材は、前記エンドエフェクタに保持された前記板状部材であり、前記教示ターゲットは、前記板状部材を収容するための容器である。

好ましくは、前記ロボット制御手段は、予め与えられた前記教示ターゲットの暫定位置に基づいて、前記接触部材が前記教示ターゲットに接触すると予想される時点では前記手首軸駆動手段の制御ループゲインを実質的にゼロにしておくように構成されている。

好ましくは、前記ロボット制御手段は、前記接触部材が前記教示ターゲットに接触すると予想される時点の直前に前記制御ループゲインを実質的にゼロにするように構成されている。

好ましくは、前記ロボットアームは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されている。

好ましくは、前記ロボット制御手段は、異なる位置に存在する複数の教示点を検出するように構成されている。

好ましくは、前記手首軸は、Ｚ軸の方向の回転軸線周りに回転自在である。

好ましくは、前記ロボットアームは、Ｘ軸、Ｙ軸、及び前記Ｚ軸の方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されており、前記ロボット制御手段は、前記Ｚ軸の方向の位置に応じて前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸の方向の位置が変化するターゲットに対して、前記Ｚ軸の方向における複数の異なる位置において前記接触部材を前記ターゲットに接触させ、前記複数の異なる位置における前記検出結果に基づいて前記Ｚ軸の方向における前記教示点の位置を決定するように構成されている。

本発明は、上記いずれかのロボットに教示点の位置を教示する方法であって、前記ロボット制御手段によって前記アーム駆動手段を制御して前記ロボットアームの前記先端部を移動させて、前記手首軸に取り付けられた前記接触部材を前記教示ターゲットに接触させる工程と、前記接触部材と前記教示ターゲットとの接触により前記手首軸が角変位を開始した時点での前記ロボットアームの姿勢及び前記手首軸の角度位置を検出し、その検出結果に基づいて教示点の位置を決定する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態によるロボットをウェハカセットと共に示した斜視図。 図１に示したロボットのロボットアームの内部構造を示した図。 図１に示したロボットの制御駆動系の構成を示したブロック図。 図１に示したロボットにおける教示操作を説明するための平面図。 図１に示したロボットにおける教示操作を説明するための正面図。 図１に示したロボットにおける他の教示操作を説明するための平面図。 図６に示したターゲットの側面図。

本発明の一実施形態としてのロボット及びその教示方法について、図面を参照しながら以下に説明する。

図１に示したように本実施形態によるロボット１０は、半導体ウェハ５０等の板状部材（ワーク）を搬送するロボット本体２０と、このロボット本体２０の動作を制御するロボット制御手段４０とを備えている。

ロボット本体２０は、ウェハカセット５１内から半導体ウェハ５０を搬出し、或いはカセット５１内へウェハ５０を搬入することができる。ここで、ウェハカセット５１は、ＳＥＭＩ(Semiconductor Equipment and Materials International)規格に基づいて製造されたものである。

ロボット本体２０はロボット基台２１を有し、このロボット基台２１には、鉛直方向即ちＺ軸方向に延びるアーム基軸２２が昇降自在に設けられている。アーム基軸２２の上端には、第１アーム部２３の基端部が固定されている。第１アーム部２３の先端部には、第２アーム部２４の基端部が回転自在に取り付けられている。

第２アーム部２４の先端部には、エンドエフェクタとしてのハンド２５が回転自在に設けられており、このハンド２５は、半導体ウェハ５０がその上に載置されるように構成されている。ハンド２５は、その上に載置されたウェハ５０を解放可能に保持するために、真空吸着機構や把持機構等を利用した保持手段２５Ａを備えている。

ロボット制御手段４０は、コンピュータによって実現されるものであり、ロボット本体２０の動作を制御するための動作プログラムが格納された記憶部４１と、この記憶部４１に格納された動作プログラムを実行してロボット本体２０を制御するＣＰＵ４２と、を備えている。

記憶部４１には、ロボット本体２０の動作を制御するための教示点に関するデータを格納することもでき、記憶部４１に格納された教示点データに基づいて、ハンド２５が所定の位置へと動かされる。また、記憶部４１には、ハンド２５の形状・寸法に関するデータ、ハンド２５に保持されたウェハの形状・寸法に関するデータも格納されている。

図２に示したように、第２アーム部２４は、その基端部にて、第１アーム部２３の先端部に回転自在に設けられた第２アーム回転軸２６に固定的に取り付けられている。ハンド２５は、その基端部にて、第２アーム２４の先端部に回転自在に設けられた手首軸２７に固定的に取り付けられている。

このようにロボット本体２０のロボットアーム２８は、アーム基軸２２、第１アーム部２３、第２アーム部２４、ハンド２５、第２アーム回転軸２６、及び手首軸２７を含んでいる。この種のロボットアーム２８は、スカラ型水平多関節アームと呼ばれ、ロボット制御手段４０によりロボットアーム２８の動作を制御することにより、ハンド２５をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の所望の位置まで動かすことができる。

図２及び図３に示したように、ロボット本体２０は、第１アーム部２３を回転駆動する第１アーム駆動手段２９、第２アーム部２４を回転駆動する第２アーム駆動手段３０、手首軸２７を回転駆動する手首軸駆動手段３１、及びアーム基軸２２を昇降駆動する昇降駆動手段３２を備えている。

第１アーム駆動手段２９は、ロボット基台２１の内部空間に配置され、サーボモータ３３及びその動力伝達機構３４を含む。第２アーム駆動手段３０は、第１アーム部２３の内部空間に配置され、サーボモータ３５及びその動力伝達機構３６を含む。手首軸駆動手段３１は、第２アーム部２４の内部空間に配置され、サーボモータ３７及びその動力伝達機構３８を含む。各サーボモータ３３、３５、３７は、各エンコーダ３３Ａ、３５Ａ、３７Ａを内蔵している。

動力伝達機構３４、３６、３８には、減速機を備えた歯車動力伝達機構が用いられる。サーボモータ３３、３５、３７の動力が減速機の入力側に伝達され、そのトルクが予め定める増幅比で増幅されると共に、その回転速度が予め定める減速比で減速されて、減速機の出力側から出力される。このようにして減速機の出力側から出力された動力によって、アーム基軸２２、第２アーム回転軸２６、及び手首軸２７のそれぞれが回転駆動される。これにより、第１アーム部２３、第２アーム部２４、及びハンド２５のそれぞれが回転駆動される。

なお、変形例としては、ダイレクトドライブモータによってアーム基軸２２、第２アーム回転軸２６、及び／又は手首軸２７を駆動するようにしても良い。

昇降駆動手段３２は、ロボット基台２１の内部に設けられており、角変位量を調整可能な回転モータを用いたボールねじ機構によって実現される。例えば、昇降駆動手段３２は、ねじ棒と、このねじ棒に螺合される螺合体と、ねじ棒を回転駆動する回転モータと、を含み、螺合体にアーム基軸２２が固定される。昇降駆動手段３２の回転モータには、エンコーダ３９Ａを内蔵するサーボモータ３９が用いられる。

上記構成を備えたロボット本体２０においては、第１アーム駆動手段２９によって、アーム基軸２２が、ロボット基台２１に対して回転軸線Ｌ１周りに回転駆動される。これにより、第１アーム部２３が、ロボット基台２１に対して回転軸線Ｌ１周りに回転駆動される。

第２アーム駆動手段３０によって、第２アーム回転軸２６が、第１アーム部２３に対して回転軸線Ｌ２周りに回転駆動される。これにより、第２アーム部２４が、第１アーム部２３に対して回転軸線Ｌ２周りに回転駆動される。

手首軸駆動手段３１によって、手首軸２７が、第２アーム部２４に対して回転軸線Ｌ３周りに回転駆動される。これにより、ハンド２５が、第２アーム部２４に対して回転軸線Ｌ３周りに回転駆動される。

回転軸線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は互いに平行であり、且つ、Ｚ軸方向（鉛直方向）に延びている。上記の通りロボットアーム２８は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向への自由度を有して変位駆動される。

ロボット制御手段４０は、第１アーム駆動手段２９、第２アーム駆動手段３０、手首軸駆動手段３１、及び昇降駆動手段３２のそれぞれのサーボモータ３３、３５、３７、３９のエンコーダ３３Ａ、３５Ａ、３７Ａ、３９Ａから、各サーボモータ３３、３５、３７、３９の角度位置を取得することによって、各駆動手段２９、３０、３１、３２をフィードバック制御することができる。これにより、ハンド２５を目的位置に精度良く位置合わせすることが可能となる。

次に、図４及び図５を参照して、ロボット１０においてターゲットの位置を教示する方法について説明する。ここでターゲットは、半導体ウェハ５０を収容するためのウェハカセット５１である。

ロボット制御手段４０のＣＰＵ４２は、記憶部４１に格納されているウェハカセット５１の暫定位置データを読み込み、第１アーム駆動手段２９、第２アーム駆動手段３０、手首軸駆動手段３１、及び昇降駆動手段３２を制御して、ハンド２５上に保持されているウェハ５０をカセット５１内に挿入する。

ここでウェハカセット５１は、ＳＥＭＩ規格に基づいて、その左右の内壁面５２、５３の間の水平方向の距離が、ウェハ５０の直径よりもやや大きい寸法に設定されている。従って、カセット５１内に挿入されたウェハ５０の側方には、ウェハ５０の左右方向への移動を可能とする間隙が存在する。

次に、ロボット制御手段４０は、手首軸駆動手段３１の制御ループゲインを実質的にゼロにすると共に、第１アーム駆動手段２９及び第２アーム駆動手段３０のうちの少なくとも一方を駆動制御して、ハンド２５に保持されているウェハ５０をカセット５１の一方の内壁面５２（又は５３）に接触させる（図４及び図５において仮想線で示した状態）。

ここで、手首軸駆動手段３１の制御ループゲインを「実質的にゼロにする」とは、当該制御ループゲインを、通常動作のサーボゲインから、ゼロを含む小さな値に変更して、手首軸駆動手段３１に対して外力が加えられた際、即ち、ハンド３５とカセット５１とが接触した際の接触反力を極小化して、手首軸駆動手段３１のサーボモータ３７が、この接触反力に対して実質的に抵抗することなく、その角度位置が実質的に自由に変位し得る状態にすることを言う。制御ループゲインを切ってゼロにする場合もここに含まれる。

ウェハ５０がカセット５１の内壁面５２（又は５３）に接触すると、手首軸駆動手段３１の制御ループゲインが実質的にゼロとされているので、ウェハ５０と共にハンド２５が回転軸線Ｌ３周りに角変位し、これにより、手首軸２７が角変位する。この手首軸２７の角変位は、動力伝達機構３８を介してサーボモータ３７に伝達され、このサーボモータ３７を角変位する。

このようにウェハ５０がカセット５１の内壁面５２（又は５３）に接触するとサーボモータ３７が角変位するので、このサーボモータ３７の角変位開始時点をエンコーダの位置の変化により検出する。そして、この検出時点におけるロボットアーム２８の姿勢及び手首軸２７の角度位置を検出する。

ここで、ロボットアーム２８の姿勢に関する情報は、第１アーム駆動手段２９、第２アーム駆動手段３０、昇降駆動手段３２の各サーボモータ３３、３５、３９の各エンコーダ３３Ａ、３５Ａ、３９Ａから取得することができる。手首軸２７の角度位置に関する情報は、手首軸駆動手段３１のサーボモータ３７のエンコーダ３７Ａから取得することができる。

ロボット制御手段４０は、記憶部４１に格納されたウェハ５０の形状・寸法のデータと、接触時のロボットアーム２８の姿勢及び手首軸２７の角度位置に関する検出結果とに基づいて、ＸＹ平面内のカセット内壁面５２（又は５３）の位置を検出する。

上述した操作によって、ウェハカセット５１の左右両側の内壁面５２、５３について位置データを取得する。これにより、ウェハカセット５１の左右方向の中心位置（教示点の位置）を決定することができる。

また、図５に示したようにＺ軸方向の異なる位置において、ウェハカセット５１の内壁面５２、５３について教示データを取得するようにしても良い。これにより、ウェハカセット５１の位置を、より正確に決定することが可能となる。

また、手首軸駆動手段３１の制御ループゲインを実質的にゼロにするタイミングについては、予め与えられているカセット内壁面５２、５３の暫定位置に基づいて、ウェハ５０がカセット内壁面５２、５３に接触すると予想される時点の直前に制御ループゲインを実質的にゼロにしても良い。

上述したように本実施形態によるロボット１０においては、ターゲット位置の教示操作に際して、手首軸２７及び手首軸駆動手段３１が、いわばスイッチのように作用する。そして、このスイッチの動作時点におけるロボットアーム２８の姿勢及び手首軸２７の回転位置を検出することにより、ターゲットの位置を検出し、教示するものである。

換言すれば、本実施形態のロボット１０は、ロボットアーム２８の駆動に関する指令値と現在値との差異によりターゲット位置を検出するものではなく、接触時の手首軸２７の角変位を検出するものである。

このため、ウェハ５０をターゲット（カセット内壁面５２、５３）に押し付ける必要がなく、ウェハ５０とターゲットとの接触時の衝撃力が極めて小さい（ソフトタッチ）ので、接触時にパーティクルが発生し難くい。

また、接触時の手首軸２７の角変化開始時点を捕らえるので、ロボット１０の駆動系が有する変動要素や経時変化要素の影響を受けることなく、ターゲット位置を高精度で検出することができる。

また、上記の通りウェハ５０とターゲットとの接触がソフトタッチなので、真空吸着等によりハンド２５に保持されたウェハ５０が、ターゲットとの接触時に外れてしまうことを確実に防止できる。そして、実際にウェハ５０を保持した状態で教示操作を行うことにより、実際の運転状況に即した正確な教示データを取得することができる。

なお、上述した実施形態においては、ハンド２５に保持されたウェハ５０をターゲット（カセット５１）との接触部材として用いているが、図６に示したように、ハンド２５自身を接触部材として用いて、上述のソフトタッチング操作により、追加設置した目標物５４にハンド２５を左右両側から順次接触させるようにしても良い。

ロボット制御手段４０は、記憶部４１に格納されたハンド２５の形状・寸法のデータと、接触時のロボットアーム２８の姿勢及び手首軸２７の角度位置とに基づいて、ＸＹ平面内の目標物５４の位置を決定する。

また、図７に示したように円柱状の目標物５４の上端部を先細り形状として、この形状に関するデータを予め記憶部４１に記憶させておく。そして、Ｚ軸方向における複数の異なる位置において、ハンド２５を目標物５４の左右両側に順次接触させる。これにより、各Ｚ方向位置における目標物５４の直径に関するデータが得られる。

このようにして取得した各Ｚ方向位置での直径データに基づいて、目標物５４の直径が変化するＺ方向位置を特定する。これにより、目標物５４におけるＺ方向の教示点５４Ａの位置を決定することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の範囲内で適宜変更することができる。例えば、上記実施形態によるロボットは半導体ウェハ（円形基板）を搬送するものであるが、これに代えて、液晶表示パネルに用いられるガラス基板（方形基板）を搬送するものとすることもできる。

１０ ロボット
２０ ロボット本体
２５ ハンド
２７ 手首軸
２８ ロボットアーム
２９、３０ アーム駆動手段
３１ 手首軸駆動手段
３７ サーボモータ
３７Ａ エンコーダ
４０ ロボット制御手段
５０ 接触部材
５１ 教示ターゲット

Claims (12)

1. 先端部に手首軸が回転自在に設けられたロボットアームと、前記ロボットアームを変位駆動するアーム駆動手段と、前記手首軸を回転駆動する手首軸駆動手段と、前記アーム駆動手段及び前記手首軸駆動手段を制御するロボット制御手段と、を備え、
   前記ロボット制御手段は、前記アーム駆動手段を制御して前記ロボットアームの前記先端部を移動させて、前記手首軸に取り付けられた接触部材を教示ターゲットに接触させ、前記接触部材と前記教示ターゲットとの接触により前記手首軸が角変位を開始した時点での前記ロボットアームの姿勢及び前記手首軸の角度位置を検出し、その検出結果に基づいて教示点の位置を決定するように構成されていることを特徴とするロボット。
2. 前記手首軸駆動手段は、前記手首軸を回転駆動するモータと、前記モータに設けられたエンコーダと、を含み、
   前記ロボット制御手段は、前記手首軸の前記角変位を前記エンコーダの位置の変化により検出するように構成されている請求項１記載のロボット。
3. 前記手首軸に取り付けられたエンドエフェクタを更に有し、前記接触部材は前記エンドエフェクタである請求項１又は２に記載のロボット。
4. 前記手首軸に取り付けられたエンドエフェクタを更に有し、前記接触部材は前記エンドエフェクタに保持された部材である請求項１又は２に記載のロボット。
5. 前記エンドエフェクタは、板状部材を保持する保持手段を有し、
   前記接触部材は、前記エンドエフェクタに保持された前記板状部材であり、
   前記教示ターゲットは、前記板状部材を収容するための容器である請求項４記載のロボット。
6. 前記ロボット制御手段は、予め与えられた前記教示ターゲットの暫定位置に基づいて、前記接触部材が前記教示ターゲットに接触すると予想される時点では前記手首軸駆動手段の制御ループゲインを実質的にゼロにしておくように構成されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロボット。
7. 前記ロボット制御手段は、前記接触部材が前記教示ターゲットに接触すると予想される時点の直前に前記制御ループゲインを実質的にゼロにするように構成されている請求項６記載のロボット。
8. 前記ロボットアームは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されている請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロボット。
9. 前記ロボット制御手段は、異なる位置に存在する複数の教示点を検出するように構成されている請求項８記載のロボット。
10. 前記手首軸は、Ｚ軸の方向の回転軸線周りに回転自在である請求項１乃至９のいずれか一項に記載のロボット。
11. 前記ロボットアームは、Ｘ軸、Ｙ軸、及び前記Ｚ軸の方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されており、
    前記ロボット制御手段は、前記Ｚ軸の方向の位置に応じて前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸の方向の位置が変化するターゲットに対して、前記Ｚ軸の方向における複数の異なる位置において前記接触部材を前記ターゲットに接触させ、前記複数の異なる位置における複数の前記検出結果に基づいて前記Ｚ軸の方向における前記教示点の位置を決定するように構成されている請求項１０記載のロボット。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のロボットに教示点の位置を教示する方法であって、
    前記ロボット制御手段によって前記アーム駆動手段を制御して前記ロボットアームの前記先端部を移動させて、前記手首軸に取り付けられた前記接触部材を前記教示ターゲットに接触させる工程と、
    前記接触部材と前記教示ターゲットとの接触により前記手首軸が角変位を開始した時点での前記ロボットアームの姿勢及び前記手首軸の角度位置を検出し、その検出結果に基づいて教示点の位置を決定する工程と、を備えたことを特徴とするロボットの教示方法。
    

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