JP2017035782A - 時間最適アーム動作を生成する装置 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、制限速度やジャークなどのさらなる制約条件が、安全な動作や軌道追跡理由のために要求される。従って、基板を摺動させずに且つ所定の制約条件を犯さずに搬送軌道を計算する効率の良いシステムは、最大基板スループットレベルのために必要とされる。既存の取り組みにおいて、例えばアメリカ特許第5,655,060号を参照すると、後方軌道(移動の終了位置から後方)と前方軌道(移動の開始位置から前方)とは、繰り返し計算されて合成される。しかしながら、周知のマルチアームロボットマニピュレータを用いて反復軌道生成を行うために利用可能な方法の現在の状態は、典型的な取り組みや他の実施例において、問題をはらんでいる。例えば、これらの方法の中で、反復計算に対する信頼性のある解の存在は保証されず、計算は、特に中止機能において、計算そのものが厳しく、時間を要し、また遅延につながる。最適とは言い難い加速度プロファイル及び不完全な軌道プロファイルは、加速度追跡の障害及びスループット損失を引き起こす。軌道は、出発及び到着位置の僅かな変化に対して大きく変化する。大きなメモリが、軌道の位置を記憶するために必要となり、様々な設定が様々なアームや速度に対して要求される。
例1:図12の形状、即ち直線移動用の最も複雑な形状に対して満たすべき条件は、(t1 > t0) 及び (t3 > t2) 及び (t6 > t5)であり、即ち、セグメント0−1,2−3,5−6が存在する。
例2:図19の形状、即ち直線移動に対して最も単純な形状に対して満たすべき条件は、
最初に、本発明による直線に沿ったシングルアームロボットの移動を検討する。これの移動は、エンドエフェクタの中心点に作用する、最大速度、加速度、ジャーク、ジャーク速度による制約を受ける。典型的な時間最適軌道形状を、図11乃至図19に示す。図11乃至図19において、セグメント名は、以下のパラメータを表す。
a = 加速度 (m/s2)
ai = ノードiでの加速度 (m/s2)
amax = 最大加速度 (m/s2)
d = ジャークの変化率 (m/s4)
di = ノードiでのジャークの変化率 (m/s4)
dmax = ジャークでの最大変化率 (m/s4)
j = ジャーク (m/s3)
ji = ノードiでのジャーク (m/s3)
jmax = 最大ジャーク (m/s3)
s = 位置 (m)
si = ノードiでの位置 (m)
smax = 移動距離 (m)
t = 時間 (s)
ti = ノードiでの時間 (s)
v = 速度 (m/s)
vi = ノードiでの速度 (m/s)
vmax = 最大速度 (m/s)
図11は、以下の12のセグメントから構成される直線ラインに沿う移動用の汎用軌道形状を示す。12のセグメントは、
セグメント0−1: j = +jmax
セグメント1−2: d = −dmax
セグメント2−3: a = +amax
セグメント3−4: d = −dmax
セグメント4−5: j = −jmax
セグメント5−6: v = vmax
セグメント6−7: v = vmax
セグメント7−8: j = −jmax
セグメント8−9: d = +dmax
セグメント9−10: a = −amax
セグメント10−11: d = +dmax
セグメント11−12: j = +jmax
からなる。
次に、本発明による円弧に沿ったシングルアームロボットの移動を検討する。この移動は、エンドエフェクタの中心点に作用する、最大速度、加速度、ジャークによる制約を受ける。典型的な時間最適軌道形状を、図26乃至図32に示す。図26乃至図32において、セグメント識別名は、以下のパラメータを示す。即ち、
ac = 遠心加速度 (m/s2)
amax = 最大全加速度 (m/s2)
at = 接線加速度 (m/s2)
ati = ノードiでの接線加速度 (m/s2)
atotal = 全(接線+遠心)加速度 (m/s2)
jmax = 最大接線ジャーク (m/s3)
jt = 接線ジャーク (m/s3)
jti = ノードiでの接線ジャーク (m/s3)
r = 円弧の半径 (m)
s = 位置 (m)
si = ノードiでの位置 (m)
smax = 移動距離 (m)
v = 速度 (m/s)
vi = ノードiでの速度 (m/s)
vmax = 最大速度 (m/s)
t = 時間 (s)
ti = ノードiでの時間 (s)
図26は、加速度プロファイル、加速度対時間のグラフを示し、円弧に沿った移動用の汎用軌道形状を示す。これは、8つのセグメントからなる。即ち、
セグメント0−1: jt = +jmax
セグメント1−2: atotal = amax
セグメント2−3: jt = −jmax
セグメント3−4: v = vmax
セグメント4−5: v = vmax
セグメント5−6: jt = −jmax
セグメント6−7: atotal = amax
セグメント7−8: jt = +jmax
エンドエフェクタの中心点の全加速度は、その接線方向成分及び遠心方向成分に関して以下のように表すことができる。
位置、速度、加速度プロファイルは、以下の式を使用してノードから計算される。
デュアルアームカエル足ロボット半径方向移動
半径方向の移動は、ロボットの中心に関する半径方向における直線移動である。デュアルアームカエル足ロボットの典型的な半径方向移動用の軌道生成を説明する。
aA = アームAの加速度 (m/s2)
aAi = ノードiでのアームAの加速度 (m/s2)
aAmax = アームAの最大加速度 (m/s2)
aB = アームBの加速度 (m/s2)
aBi = ノードiでのアームBの加速度 (m/s2)
aBmax = アームBの最大加速度 (m/s2)
jA = アームAのジャーク (m/s3)
jAi = ノードiでのアームAのジャーク (m/s3)
jAmax = アームAの最大ジャーク (m/s3)
jB = アームBのジャーク (m/s3)
jBi = ノードiでのアームBのジャーク (m/s3)
sA = アームAの位置 (m)
sAi = ノードiでのアームAの位置 (m)
sB = アームBの位置 (m)
sBi = ノードiでのアームBの位置 (m)
t = 時間 (s)
ti = ノードiでの時間 (s)
vA = アームAの速度 (m/s)
vAi = ノードiでのアームAの速度 (m/s)
vB = アームBの速度 (m/s)
vBi = ノードiでのアームBの速度 (m/s)
2つの基本的な事例が、加速度限界の値に基づいて識別される。
事例1: aAmax ≦ aBmax
事例2: aAmax > aBmax
エンドエフェクタBの加速度は、デュアルアームカエル足ロボットの周知の構成に対する半径方向移動の間、aAmaxを犯さないので、aAmax ≦ aBmaxの時、加速度限界aBmaxは有効にならない。その結果、上記のシングルアームロボットの直線移動に関しては、同一の軌道形状が事例1において使用される。事例2に対する汎用軌道形状を図35に示す。汎用軌道形状は、以下に示す7つのセグメントからなる。
セグメント0−1: jA = +jAmax
セグメント1−2: aB = −aBmax
セグメント2−3: jA = +jAmax
セグメント3−4: aA = aAlim
セグメント4−5: jA = −jAmax
セグメント5−6: aA = −aAmax
セグメント6−7: jA = +jAmax
最適解からの僅かなずれを犠牲にして、aAlimの値は、max(aB)=aBmaxとなるように選択される。この簡素化により、必要な基本軌道形状の数は、相当に減少される。位置、速度、加速度プロファイルは、以下の式によりノードから計算される。
j=1に対し、i=B (4.26)
図35の汎用形から導出される基本軌道形状の完全セットを、図36乃至図47に示す。中止軌道用の対応する形状を、図48及び図49に示す。
説明すべき単純移動の最後のカテゴリは、デュアルアームロボット、即ち2つのエンドエフェクタを備えたロボットマニピュレータの回転移動である。ロボットのエンドエフェクタが中心を共通とする円弧に沿って移動するとき、回転移動は実施される。
aAmax / rA ≦ aBmax / rB (4.27)
但し、aAmax = アームAの最大加速度 (m/s2)
aBmax = アームBの最大加速度 (m/s2)
rA = アームAの回転半径 (m)
rB = アームBの回転半径 (m)
その結果、同一の基本軌道形状が、図26乃至図34に関して、上記のように、シングルアームロボットに関して使用できる。式(4.27)の条件を満足しない場合、軌道は、エンドエフェクタBに関連した加速度限界及び半径に基づいて生成すべきである。
多くの用途において、直線又は円弧などの単純路は、ワークピース限界に直面した場合などに、十分には孤立しておらず、故に、所望のパスが一連の複数の移動として得られ、移動時間全体が増加する。時間損失は、連続して実行される移動各々の間の停止による。これらの停止は、後述する本発明による合成技術によって除去できる。
制約条件下での最初の連続移動の概略を、図50(a)に示す。これは、パスでの2つの直線セグメント、すなわち、ポイント「0」から「1」までと、ポイント「1」から「2」までとからなる。例えば、上記の所定時間最適軌道形状に基づいて生成された、2つのセグメント用の軌道が利用可能であると仮定すると、この合成移動用の位置、速度、加速度プロファイルは、以下の式を使用して得られる。
x1,y1 = ポイント1でのx、y座標 (m)
sA,vA,aA = セグメント0−1に対する位置、速度、加速度プロファイル(m)
sB,vB,aB = セグメント1−2に対する位置、速度、加速度プロファイル(m)
tA = セグメント0−1に沿った移動存続期間 (S)
Δ = オーバラップ時間 (s)
2直線移動を合成する代表的な例を図51に示す。図51は、ポイント「0」から「1」までと、ポイント「1」から「2」までとの2つの直線セグメントに続く丸い基板を示す。左側(a)は順に移動する例であり、右側(b)は合成した移動である。
制約条件下での第2の順次移動の概略を、図50(b)に示す。これは、連続した、ポイント「0」から「1」までの直線に沿った第1の移動と、次の、ポイント「1」から「2」までの円弧に沿った移動とからなる。例えば、上記のように所定の時間最適軌道形状に基づいて生成された、2つのセグメント用の軌道が利用可能であると仮定すると、混合移動用の位置、速度、加速度プロファイルは、以下の式を利用して計算される。
x1,y1 = ポイント1でのx、y座標(m)
xc,yc = 円弧の中心のx、y座標(m)
sA,vA,aA = セグメント0−1の位置(m),速度(m/s),加速度プロファイル(m/s2)
sB,vB,aB = セグメント1−2の位置(m),速度(m/s),加速度プロファイル(m/s2)
tA = セグメント0−1に沿った移動の持続期間(s)
Δ = オーバラップ時間(s)
直線に沿った2つの移動、即ち、ポイント「0」から「1」までとポイント「2」から「3」までとのセグメントと、円弧に沿った移動、即ちポイント「1」から「2」までのセグメントとの合成を、図52に示す。図52は、各セグメントに続く丸い基板を示し、左側(a)は順次の事例を示し、右側は複合移動を示す。左側(a)の事例は、従来例によるパスを示し、右側(b)は、本発明による複合移動が行われた円形基板用の最適搬送路を示す。
Claims (12)
- ロボットマニピュレータのアーム動作について連続する加速度プロファイルを有する時間最適軌道を信頼性高く且つ効率良く生成する装置であって、前記時間最適軌道は、搬送路に沿った時間最適アーム動作を生成し、前記装置は、
コントローラを含み、
前記コントローラは、
基本軌道形状のセットを決定し、前記基本軌道形状は、前記アーム動作の始点から前記アーム動作の終点まで前記搬送路に沿った所定の種類の前記アーム動作に対する所定の一組の制約に対応した時間最適加速度プロファイルであり、前記時間最適加速度プロファイルは時系列的にセグメントを接続することにより構成され、当該セグメントの各々においては最大速度、最大加速度、最大ジャーク、最大ジャーク変化率、全加速度若しくは接線方向ジャークのうちの1つの制約が有効であり、前記基本軌道形状のセットは、前記搬送路に適用可能な全ての制約が含まれるように接続されたセグメントで構成された汎用軌道形状から設定され、前記基本軌道形状のセットの各基本軌道形状は前記汎用軌道形状の制約の幾つかを含み、
基本軌道形状の各々は、基本軌道形状の各々に関する前記所定の一組の制約に付随する一組の条件を有し、基本軌道形状の各々は、前記一組の条件に基づいて特定のアーム動作における使用に適しているか選択され、当該選択された基本軌道形状の条件は前記搬送路の条件を満たし、
前記コントローラはさらに、
前記選択された基本軌道形状の各基本軌道形状を複数のセグメントに分解し、前記セグメントの各々では単一の制約が有効であり、
前記コントローラは更に、
前記選択された基本軌道形状の複数のセグメントの各々に対して時間最適路を判定し、
前記選択された基本軌道形状の前記複数のセグメントについての前記時間最適路を所定時間間隔で1つの軌道の前記搬送路となるように組み合わせ、前記所定時間間隔において前記一組の条件に基づき前記選択された基本軌道形状を用いて前記搬送路に沿った時間最適アーム動作を形成することを特徴とする装置。 - 前記アーム動作はシングルアームロボットの動作であり、前記搬送路は直線であり、前記一組の制約は、最大速度、最大加速度、最大ジャーク及び最大ジャーク変化率であることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記アーム動作はシングルアームロボットの動作であり、前記搬送路は円弧であり、前記一組の制約は、最大速度、全加速度及び接線方向ジャークからなることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記アーム動作は、エンドエフェクタA及びエンドエフェクタBを備えているデュアルアームロボットの動作であり、前記搬送路は半径方向移動を含み、前記一組の制約は、エンドエフェクタAの最大速度、最大加速度、最大ジャーク及び最大ジャーク変化率、エンドエフェクタBの最大加速度からなることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記アーム動作は、エンドエフェクタA及びエンドエフェクタBを備えているデュアルアームロボット動作であり、前記搬送路は半径方向移動を含み、前記一組の制約は、エンドエフェクタAの最大ジャーク及び最大加速度と、エンドエフェクタBの最大加速度とを含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記アーム動作はデュアルアームロボットの動作であり、前記搬送路は回転移動を含み、前記一組の制約は、最大速度、全加速度及び接線方向ジャークからなることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記搬送路は直線及び円弧を含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記ロボットマニピュレータはエンドエフェクタを含み、前記一組の制約は、前記ロボットマニピュレータの前記エンドエフェクタの中心に与えられる最大速度、最大加速度、最大ジャーク及び最大ジャーク変化率からなることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 前記コントローラは、
前記ロボットマニピュレータが前記搬送路に沿って始点から終点までの設定距離を移動するのに必要な時間を最小にし、
エンドエフェクタと当該エンドエフェクタの上に支持される基板との間の保持力を越える慣性力を生成する加速度の発生を回避することによって前記時間最適加速度プロファイルを決定することを特徴とする請求項1記載の装置。 - 前記コントローラは、単一の制約が有効である前記基本軌道形状の前記複数のセグメントを、合成された経路に沿ったノンストップな移動のための合成軌道に合成するように構成されており、単一の制約が有効である前記複数のセグメントの各々が独立した軌道成分を形成し、
前記コントローラは、
前記独立した軌道成分を所定期間毎に重畳し、
当該重畳した軌道成分を、前記合成された経路に沿ったノンストップな移動をもたらす合成軌道に合成することを特徴とする請求項1記載の装置。 - 前記独立した軌道成分は直交しておりかつ直交座標系のx、y軸方向成分によって示されることを特徴とする請求項10記載の装置。
- 前記独立した軌道成分は直線及び円弧を含むことを特徴とする請求項10記載の装置。
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