JP2014069288A - ロボットアームおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】作業スペースの狭小化と動力伝達剛性の確保とを両立させること。
【解決手段】実施形態に係るロボットアームは、第１アームと、第２アームと、リンク部とを備える。第１アームは、基端部がアームベースに対して回転可能に連結される。第２アームは、基端部が上記第１アームの先端部に対して回転可能に連結され、先端部においてはロボットハンドが回転可能に連結される。リンク部は、基端部がアームベースに対して回転可能に支持され、第１アームとの間で平行リンク機構を形成して、第１アームに対して第２アームを回転させる。また、リンク部の先端部は、第１アームの中途部において第１アームに対して相対回転可能に支持されるとともに、第１アームの内部へ貫入され、リンク部は、上記相対回転を第２アームの基端部へ伝達することによって第２アームを回転させる。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、ロボットアームおよびロボットに関する。

従来、ガラス基板や半導体ウエハ等のワークを搬送するロボットとして、水平多関節ロボットが知られている。水平多関節ロボットは、２つのアーム部が関節を介して連結された伸縮アームを備えるロボットであり、各アーム部を回転動作させることによって伸縮アームの先端部に設けられたエンドエフェクタを直線的に移動させる。さらに、水平多関節ロボットは、伸縮アームを支持するベース部が、鉛直軸である旋回軸を中心として回転可能に構成される。

このような水平多関節ロボットでは、伸縮アームの先端部に取り付けられるエンドエフェクタの向きがアーム部の回転動作によって変化しないことが求められる。そこで、本願出願人は、各アーム部の回転動作に追従して動作するリンク機構を設けてエンドエフェクタの回転を規制する多関節ロボットを、たとえば特許文献１において提案した。

具体的に、特許文献１に開示の多関節ロボットは、基端側のアーム部（第１アーム）と先端側のアーム部（第２アーム）とを連結する関節に、第２アームと同軸で軸支された少なくとも１つの補助リンクを含む複数個の補助リンクからなる平行リンク機構を用いてエンドエフェクタの回転を規制する。

なお、第１アームの基端側および第２アームの基端側にはそれぞれ減速機が設けられており、駆動源であるモータの動力は、かかる減速機とベルトプーリ機構とを介して伝達され、第１アームおよび第２アームを回転させている。

特開２００５−６６７１８号公報

しかしながら、上述した従来技術には、作業スペースの狭小化を図るうえで更なる改善の余地がある。たとえば、上述した従来技術では、平行リンク機構に第１アームあるいは第２アームと同一長の補助リンクが含まれており、水平多関節ロボットが伸縮アームを縮めた状態でベース部の旋回軸を中心として回転する場合に、かかる補助リンクが最も外側に突き出してしまい、最小旋回径を大きくしてしまっていた。

また、上述のように、第１アームと第２アームとを連結する関節には、少なくとも１つの補助リンクが第２アームと同軸で軸支されるうえ、さらには減速機を要するため、伸縮アーム全体の厚みを大きくしていた。

この点、動力伝達機構を単純なベルトプーリ機構のみで構成することによって伸縮アーム全体の厚みを小さくすることは可能であるが、かかる構成には、動力伝達剛性を著しく低下させてしまうという欠点がある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、作業スペースの狭小化と動力伝達剛性の確保とを両立させることができるロボットアームおよびロボットを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るロボットアームは、第１アームと、第２アームと、リンク部とを備える。前記第１アームは、基端部がアームベースに対して回転可能に連結される。前記第２アームは、基端部が前記第１アームの先端部に対して回転可能に連結され、先端部においてはロボットハンドが回転可能に連結される。前記リンク部は、基端部が前記アームベースに対して回転可能に支持され、前記第１アームとの間で平行リンク機構を形成して、前記第１アームに対して前記第２アームを回転させる。また、前記リンク部の先端部は、前記第１アームの中途部において前記第１アームに対して相対回転可能に支持されるとともに、前記第１アームの内部へ貫入され、前記リンク部は、前記相対回転を前記第２アームの基端部へ伝達することによって該第２アームを回転させる。

実施形態の一態様によれば、作業スペースの狭小化と動力伝達剛性の確保とを両立させることができる。

図１は、実施形態に係るロボットの構成を示す模式断面図である。 図２Ａは、ロボットアームを最も縮めた状態を示す模式平面図である。 図２Ｂは、ロボットアームを伸ばした状態を示す模式平面図である。 図３Ａは、従来と同様の平行リンク機構を採用した場合におけるロボットの構成を示す模式断面図である。 図３Ｂは、従来と同様の平行リンク機構を採用した場合におけるロボットの最小旋回径を示す模式平面図である。 図４は、従来と同様のベルトプーリ機構を採用した場合におけるロボットの構成を示す模式断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットアームおよびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下では、ロボットが、真空チャンバ内に設置され、被搬送物として半導体ウエハやガラス基板等を搬送する搬送ロボットである場合を例に挙げて説明を行う。また、これら被搬送物については「ワーク」と記載する。また、エンドエフェクタである「ロボットハンド」については「ハンド」と記載する。

まず、実施形態に係るロボット１の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るロボット１の構成を示す模式断面図である。

なお、説明を分かりやすくするために、図１には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。したがって、ＸＹ平面に沿った方向は、「水平方向」を指す。かかる直交座標系は、以下の説明に用いる他の図面においても示す場合がある。

図１に示すように、ロボット１は、水平方向に伸縮する伸縮アームを備える水平多関節ロボットである。具体的には、ロボット１は、胴体部１０と、ロボットアーム２０とを備える。

胴体部１０は、ロボットアーム２０の下部に設けられるユニットであり、筐体１１と、フランジ部１２と、支持部１３とを備える。筐体１１は、略筒状に形成されており、その内部に第１アーム２２を回転させるモータ等の駆動源を備える。

フランジ部１２は、筐体１１の上部に形成され、真空チャンバ３０に固定されることによって、ロボットアーム２０を真空チャンバ３０の内部へ設置する。支持回転部２６は、ロボットアーム２０の基端部（後述する第１アーム２２の基端部）を支持する。また、支持回転部２６は、上述の駆動源により回転駆動され、第１アーム２２を軸Ｐ１まわりに回転させる。

ロボットアーム２０は、支持部１３を介して胴体部１０と連結されたユニットである。具体的には、ロボットアーム２０は、アームベース２１と、支持回転部２６と、第１アーム２２と、第２アーム２３と、ハンド２４と、リンク部（後述）とを備える。

アームベース２１は、支持部１３の上面側に固定された、ロボットアーム２０の基部である。また、アームベース２１は、支持部１３が回転するのにともなって、フランジ部１２の上方で旋回する。第１アーム２２は、アームベース２１に対して軸Ｐ１まわりに回転可能となるように、その基端部が支持回転部２６に連結される。

また、第１アーム２２の先端部上側には、軸Ｐ２まわりに回転可能に第２アーム２３の基端部が連結される。また、第２アーム２３の先端部上側には、軸Ｐ３まわりに回転可能にハンド２４の基端部が連結される。

また、ロボットアーム２０は、支柱２５ａと、第１リンクバー２５ｂと、第２リンクバー２５ｃとを備える。これらは、リンク部を構成する。

支柱２５ａは、アームベース２１に立設される。第１リンクバー２５ｂは、その基端部が支柱２５ａによって軸Ｐ４まわりに回転可能に軸支される。

第２リンクバー２５ｃは、その基端部が、第１アーム２２の下面および第１リンクバー２５ｂよりも下側（すなわち、アームベース２１側）で、第１リンクバー２５ｂの先端部に対して軸Ｐ５まわりに回転可能に連結される。

また、第２リンクバー２５ｃは、その先端部が、第１アーム２２の下面からその内部へ貫入される。ここで、かかる第２リンクバー２５ｃの先端部が貫入されるのは、第１アーム２２の基端部と先端部との間の中途部である。

なお、かかる第１アーム２２の中途部は、第２アーム２３の基端部の近傍であることが好ましい。かかる点については、図２Ａ以降を用いた説明で詳しく述べる。

そして、第１アーム２２の中途部においてその内部へ貫入された第２リンクバー２５ｃの先端部は、第１アーム２２に対して軸Ｐ６まわりに相対回転可能に支持されるとともに、固定プーリ２２ａが設けられる。したがって、第１アーム２２が軸Ｐ１まわりに回転した場合、これにともなって固定プーリ２２ａが相対回転することとなる。

これに対し、第２アーム２３の基端部には、かかる基端部に対し、固定プーリ２２ａと同じ高さ位置で直結された固定プーリ２３ｂが設けられる。なお、固定プーリ２３ｂの中央部には、第１アーム２２の先端部の内部に立設された支柱２２ｂが貫通している。

かかる固定プーリ２３ｂと固定プーリ２２ａとは、所定のプーリ比で構成され、互いにタイミングベルトＴＢ１で連結される。なお、所定のプーリ比については、図２Ａ以降を用いた説明で後述する。また、タイミングベルトＴＢ１の素材としては、クロロプレンゴム等を好適に用いることができる。

なお、固定プーリ２２ａと固定プーリ２３ｂとは、双方で厚みが異なっていてもよい。したがって、固定プーリ２２ａと固定プーリ２３ｂとが同じ高さ位置で設けられる点は、タイミングベルトＴＢ１が第１アームの主面方向に沿って略平行となるように配置される、と言い換えてもよい。

かかる構成により、第１アーム２２が軸Ｐ１まわりに回転した場合に、これにともなって固定プーリ２２ａが相対回転し、かかる相対回転はタイミングベルトＴＢ１を介して固定プーリ２３ｂへ伝達され、第２アーム２３を第１アーム２２に対して相対的に反対方向に軸Ｐ２まわりに回転させる。

また、支柱２２ｂの先端部にはさらにプーリ２３ｃが固定され、ハンド２４の基端部にはプーリ２４ａが直結されて設けられる。そして、かかるプーリ２３ｃとプーリ２４ａとは、タイミングベルトＴＢ２を介して連結される。

したがって、第１アーム２２が軸Ｐ１まわりに回転した場合、これにともなってプーリ２３ｃが第２アーム２３に対して相対回転し、かかる相対回転はタイミングベルトＴＢ２を介してプーリ２４ａへ伝達され、ハンド２４を第２アーム２３に対して相対的に反対方向に軸Ｐ３まわりに回転させることとなる。

次に、ロボットアーム２０を平面視した場合について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、ロボットアーム２０を最も縮めた状態を示す模式平面図であり、図２Ｂは、ロボットアーム２０を伸ばした状態を示す模式平面図である。

なお、図２Ａに示す円Ｒ１は、ロボットアーム２０を最も縮めた状態で軸Ｐ１まわりに旋回した場合に、第２アーム２３の先端部あるいはハンド２４の基端部が描く軌跡、すなわち「最小旋回径」である。また、符号Ｗが付与された部材は「ワーク」を示している。

図２Ａに示すように、第１リンクバー２５ｂおよび第２リンクバー２５ｃを含んでなるリンク部は、アームベース２１と第１アーム２２との間でいわゆる平行リンク機構を形成する。

そして、本実施形態では、かかる平行リンク機構において、第１リンクバー２５ｂあるいは第２リンクバー２５ｃの長さＬ２を、第１アーム２２の長さＬ１より小さくしている。

具体的には、かかる長さＬ２およびこれに基づく第１リンクバー２５ｂの基端部の配設位置、第２リンクバー２５ｃの先端部の配設位置（すなわち、上述の第１アーム２２の中途部の位置）は、ロボットアーム２０を最も縮めた最小旋回姿勢をとった場合に、平行リンク機構が円Ｒ１の内側に収まるように決められる。

なお、このとき、第１アーム２２の中途部の位置が、第２アーム２３の基端部の近傍となるように決められることが望ましい。これにより、タイミングベルトＴＢ１（図１参照）の長さを短くすることができるので、タイミングベルトＴＢ１によって動力伝達剛性が低下するのを抑えることができる。

また、図２Ｂに示すように、最小旋回姿勢からロボットアーム２０を伸ばす際、ハンド２４については、その移動方向と向きを所定の方向、向き（図中のＸ軸方向）に規制する必要がある。

そこで、本実施形態では、上述の「所定のプーリ比」によってこれを規制する。具体的には、第１アーム２２に対する第２アーム２３の回転量がアームベース２１に対する第１アーム２２の回転量の２倍となるように、第１アーム２２および第２アーム２３を回転させる。

たとえば、第１アーム２２がアームベース２１に対してα度回転させる場合に、第２アーム２３を第１アーム２２に対して２α度回転させる。これは、上述の固定プーリ２２ａおよび固定プーリ２３ｂのプーリ比を「２：１」にすることによって行うことができる。

また、かかる場合、ハンド２４については、第２アーム２３に対してα度回転させればよい。したがって、上述のプーリ２３ｃおよびプーリ２４ａのプーリ比を「１：２」としておけば、ハンド２４を第１アーム２２の回転量と同じ回転量で第２アーム２３とは反対方向に回転させることができる。

これにより、ロボットアーム２０を伸縮させる場合であっても、ハンド２４の移動方向と向きを所定の方向、向きに規制することができる。

ここで、これまで説明した本実施形態によって奏することができる効果について、従来と同様の構成を採用した場合との比較において、図３Ａ〜図４を参照しつつ説明する。

図３Ａは、従来と同様の平行リンク機構を採用した場合におけるロボット１’の構成を示す模式断面図である。また、図３Ｂは、従来と同様の平行リンク機構を採用した場合におけるロボット１’の最小旋回径を示す模式平面図である。また、図４は、従来と同様のベルトプーリ機構を採用した場合におけるロボット１’’の構成を示す模式断面図である。

なお、ロボット１’およびロボット１’’については、本実施形態に係るロボット１との比較のうえで必要となる構成要素についてのみ説明することとし、その他の構成要素については図示および説明を省略する。

図３Ａに示すように、ロボット１’のロボットアーム２０’は、第１アーム２２’と、第２アーム２３’と、第１リンクバー２５ｂ’および第２リンクバー２５ｃ’を含んでなるリンク部とを備える。

かかるロボット１’では、第１アーム２２’の回転動作を第２リンクバー２５ｃ’で直接関節部Ｍ１のギヤ列を駆動させることによって、第２アーム２３’を回転させていた。このため、ギヤを上下２段構成にして増速する必要があり、第１アーム２２’ひいてはロボットアーム２０’全体が厚み方向に大きくなりやすかった。

また、第２リンクバー２５ｃ’も第１アーム２２’の上面側から接続されるため、やはりロボットアーム２０’全体の厚みを増す要因となっていた。このため、作業スペースの狭小化を図りにくかった。

また、図３Ｂに示すように、ロボット１’のロボットアーム２０’では、第１リンクバー２５ｂ’あるいは第２リンクバー２５ｃ’の長さを、第１アーム２２’の長さＬ１と同一にして平行リンク機構が形成されていた。

このため、最小旋回径が、第２アーム２３’の先端部が描く円Ｒ１よりも大きい、第１リンクバー２５ｂ’および第２リンクバー２５ｃ’によって形成される肘部が描く円Ｒ２となっていた。したがって、やはり作業スペースの狭小化を図りにくかった。

また、図４に示すように、ロボット１’’のロボットアーム２０’’は、プーリ２２ａ’、２３ｂ’、２３ｃ’、２４ａ’と、タイミングベルトＴＢ１’、ＴＢ２’とを備え、これらを単純に連結したベルトプーリ機構を採用している。

かかる場合、タイミングベルトＴＢ１’、ＴＢ２’の伸びやたわみ、よれ等によって著しく動力伝達剛性が低下するため、ワークＷを所定の向きに向けたままの直線的な移動に支障をきたすおそれがあった。

これらの点につき、本実施形態に係るロボット１によれば、第１アーム２２の回転に対する相対回転を１段のベルトプーリ機構で伝達することによって第２アーム２３を回転させることとしたので、ロボットアーム２０を薄く構成することができる。すなわち、作業スペースの狭小化を図ることができる。

また、第２リンクバー２５ｃを第１アーム２２の下面から接続することとしたので、やはりロボットアーム２０を薄く構成することができる。したがって、作業スペースの狭小化を図ることができる。

また、第１リンクバー２５ｂあるいは第２リンクバー２５ｃの長さを、第１アーム２２の長さＬ１より小さい長さＬ２としたので、最小旋回径を小さくすることができる。したがって、やはり作業スペースの狭小化を図ることができる。

また、第２アーム２３を回転させるのに平行リンク機構を採用したので、動力伝達剛性を確保することができる。また、第２リンクバー２５ｃを介して、第１アーム２２の相対回転を第２アーム２３へ伝達するのにあたり、第２リンクバー２５ｃの先端部を第２アーム２３の基端部の近傍に配設して短いタイミングベルトＴＢ１を用いることとしたので、ベルトプーリ機構を用いてなお、動力伝達剛性を確保することができる。

したがって、実施形態に係るロボットアーム２０およびそれを備えるロボット１によれば、作業スペースの狭小化と動力伝達剛性の確保とを両立させることができる。

なお、図１について補足すれば、実施形態に係るロボット１では、モータといった駆動源等は大気圧に保たれた筐体１１の内部に収納され、第１アーム２２や第２アーム２３等は減圧環境下である真空チャンバ３０の内部に収容されている。

すなわち、第１アーム２２および第２アーム２３の内部は、真空にさらされている。これにより、駆動源の駆動による発塵等で真空チャンバ３０の内部が汚染されるのを抑制できるほか、発塵等の影響によって第１アーム２２および第２アーム２３の内部機構に不具合が生じるのを防止することができる。

上述してきたように、実施形態に係るロボットアームは、第１アームと、第２アームと、リンク部とを備える。第１アームは、基端部がアームベースに対して回転可能に連結される。第２アームは、基端部が上記第１アームの先端部に対して回転可能に連結され、先端部においてはロボットハンドが回転可能に連結される。リンク部は、基端部がアームベースに対して回転可能に支持され、第１アームとの間で平行リンク機構を形成して、第１アームに対して第２アームを回転させる。また、リンク部の先端部は、第１アームの中途部において第１アームに対して相対回転可能に支持されるとともに、第１アームの内部へ貫入され、リンク部は、上記相対回転を第２アームの基端部へ伝達することによって第２アームを回転させる。

したがって、実施形態に係るロボットアームによれば、作業スペースの狭小化と動力伝達剛性の確保とを両立させることができる。

なお、上述した実施形態では、ロボットが、ワークを搬送する搬送ロボットである場合を例に挙げて説明したが、ロボットは、ワークの搬送以外の作業を行うロボットであってもよい。

また、上述してきた実施形態では、ロボットが、真空チャンバ内に設置される場合を例に挙げて説明したが、ロボットが設置されるチャンバは真空チャンバ以外のチャンバであってもよい。

また、上述した実施形態では、プーリ相互の連結部材としてタイミングベルトを用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。たとえば、スチールベルトを用いてもよい。また、ベルト全体のうち、プーリと接触することのない部分を、スチールベルトで部分的に補強することとしてもよい。また、ベルトでなく、ギヤ列を用いてもよい。

また、上述した実施形態では、単腕のロボットを例に挙げて説明したが、腕の数を限定するものではない。したがって、双腕以上の多腕ロボットに適用することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、被搬送物が主にウエハやガラス基板である場合を例に挙げて説明したが、被搬送物の種別を問うものではない。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボット
１０ 胴体部
１１ 筐体
１２ フランジ部
１３ 支持部
２０ ロボットアーム
２１ アームベース
２２ 第１アーム
２２ａ 固定プーリ
２２ｂ 支柱
２３ 第２アーム
２３ｂ 固定プーリ
２３ｃ プーリ
２４ ハンド
２４ａ プーリ
２５ａ 支柱
２５ｂ 第１リンクバー
２５ｃ 第２リンクバー
２６ 支持回転部
３０ 真空チャンバ
Ｍ１ 関節部
Ｐ１〜Ｐ６ 軸
Ｒ１、Ｒ２ 円（最小旋回径）
ＴＢ１、ＴＢ２ タイミングベルト
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. 基端部がアームベースに対して回転可能に連結される第１アームと、
   基端部が前記第１アームの先端部に対して回転可能に連結され、先端部においてはロボットハンドが回転可能に連結される第２アームと、
   基端部が前記アームベースに対して回転可能に支持され、前記第１アームとの間で平行リンク機構を形成して、前記第１アームに対して前記第２アームを回転させるリンク部と
   を備え、
   前記リンク部の先端部は、前記第１アームの中途部において前記第１アームに対して相対回転可能に支持されるとともに、前記第１アームの内部へ貫入され、
   前記リンク部は、前記相対回転を前記第２アームの基端部へ伝達することによって該第２アームを回転させること
   を特徴とするロボットアーム。
2. 前記リンク部の先端部および前記第２アームの基端部にはそれぞれ前記リンク部の先端部と前記第２アームの基端部にそれぞれ固定される固定プーリが設けられており、
   前記固定プーリのそれぞれは、
   互いを連結するベルトが前記第１アームの主面方向に沿って略平行となるように配置されること
   を特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記リンク部の先端部は、
   前記第１アームの下面から該第１アームの内部へ貫入されること
   を特徴とする請求項１または２に記載のロボットアーム。
4. 前記リンク部は、
   前記アームベースに立設される支柱と、
   基端部が前記支柱によって軸支される第１リンクバーと、
   基端部が前記第１アームの下面および前記第１リンクバーよりも前記アームベース側で前記第１リンクバーの先端部に対して回転可能に連結され、先端部が前記第１アームの下面から該第１アームの内部へ貫入される第２リンクバーと
   を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載のロボットアーム。
5. 前記第１アームの中途部は、
   前記第２アームの基端部の近傍であること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロボットアーム。
6. ロボットが前記ロボットアームを最も縮めた状態で鉛直方向と平行な旋回軸まわりに旋回した場合に前記第２アームの先端部あるいは前記ロボットハンドの基端部が描く円の内側に収まるように、前記第１リンクバーの長さと基端部の配設位置および前記第２リンクバーの長さと前記中途部の位置が決められていること
   を特徴とする請求項４または５に記載のロボットアーム。
7. 前記第１アームの先端部の内部には、前記第２アーム内に侵入する支柱が立設されており、
   前記支柱の先端部にはさらにプーリが固定され、
   前記ロボットハンドは、
   該ロボットハンドの基端部に固定されたプーリと、前記支柱の先端部に固定されたプーリとがベルトを介して連結されることによって、前記ロボットハンドの向きが所定の向きへ規制されること
   を特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載のロボットアーム。
8. 前記支柱が、前記第２アームの基端部に固定された前記固定プーリを貫通すること
   を特徴とする請求項７に記載のロボットアーム。
9. 前記第１アームおよび前記第２アームの内部が真空にさらされること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のロボットアーム。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載のロボットアーム
    を備えることを特徴とするロボット。
    

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