JP2021079527A

JP2021079527A - ロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法

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Publication number: JP2021079527A
Application number: JP2020043138A
Authority: JP
Inventors: 勇益 ▲黄▼; Yung-I Huang
Original assignee: Institute for Information Industry
Current assignee: Institute for Information Industry
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: CN112894879A; US20210146551A1; TW202120281A; US11433551B2; TWI747079B; JP7116108B2

Abstract

【課題】ロボットアームの位置決め精度を正確かつ迅速に測定する。【解決手段】ロボットアームの位置決め精度の測定システム１００は、ロボットアーム２とコンピューティングデバイス１１１とロボットアーム制御装置１１２と第１の磁気要素１２０と第２の磁気要素１３０とを含む。ロボットアーム制御装置はロボットアームとコンピューティングデバイスとに電気的に接続される。第１の磁気要素はロボットアームに配置される。第２の磁気要素は固定プラットフォームに配置される。第１の磁気要素および第２の磁気要素の一方はコンピューティングデバイスに電気的に接続される。ロボットアーム制御装置は第１の磁気要素が第２の磁気要素の上で移動して磁場を生成するようにロボットアームを制御する。磁場における第１の磁気要素の複数の移動エラー情報が計算され、複数の移動エラー情報がカウントされることでロボットアームの位置決め精度が得られる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、位置決め精度の測定技術に関し、特に、ロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法に関する。

ロボットアームは、部品アセンブリや半導体ウェーハクランプなど、多くの分野で使用される。しかしながら、ロボットアームの終端は、処理中の過度のエラーによる製品の損傷や製品の歩留まりの低下を防ぐために、ある程度の精度が必要である。

ロボットアーム終端用の位置決め補正技術は、例えば、レーザー干渉計、レーザートラッカー、イメージセンサー、レーザークロス位置決め技術などがある。レーザー干渉計は、一度に３度の空間で１つの軸の位置決め精度しか測定できない上、操作に時間がかかってしまうという問題がある。レーザートラッカーは、高い携帯性を持ち、位置決め精度を高速かつ正確に測定できるが、ハードウェアのコストが過剰になるという問題がある。イメージセンサーには、２種類のカメラ、すなわち、単一カメラと３次元カメラとのがある。単一カメラは、３次元空間の２軸の情報しか捉えることができない上、３次元カメラに必要なソフトウェアとハードウェアは非常に高価である。レーザークロス位置決め技術は高精度であるが、測定時間が長すぎ、ソフトウェアとハードウェアのコストが高すぎるという問題がある。

一方、ロボットアームが使用中に位置決め精度を正確に測定できる場合、ロボットアームを停止させずにすぐに修正することができる。上記の位置決め補正技術のうち、ロボットアームの使用中に位置決め精度を検出できるのはイメージセンサーのみであるが、イメージセンサーは使用中に潤滑油の油汚れを生成してしまう。

本発明の実施形態は、３次元空間におけるロボットアームの位置決め精度を正確かつ迅速に測定することができ、かつ汚染を引き起こすことなくロボットアームの操作に使用することができる、ロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法を提供する。

本発明によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムは、ロボットアームと、コンピューティングデバイスと、ロボットアーム制御装置と、第１の磁気要素と、第２の磁気要素とを含む。ロボットアーム制御装置は、ロボットアームと、コンピューティングデバイスとに電気的に接続される。第１の磁気要素は、ロボットアームに配置される。第２の磁気要素は、固定プラットフォームに配置される。第１の磁気要素および第２の磁気要素の一方は、コンピューティングデバイスに電気的に接続される。ロボットアーム制御装置は、第１の磁気要素が第２の磁気要素の上で移動して磁場を生成するようにロボットアームを制御するように構成され、それにより第１の磁気要素は第２の磁気要素の上で移動する。コンピューティングデバイスは、磁場における第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算して、複数の移動エラー情報をカウントすることで、ロボットアームの位置決め精度を得るように構成される。

本発明によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定方法は、以下のステップを含む。すなわち、ａ）ロボットアームに配置される第１の磁気要素を提供するステップと、Ｂ）固定プラットフォームに配置される第２の磁気要素を提供するステップと、ｃ）第１の磁気要素および第２の磁気要素の一方に電気的に接続されるコンピューティングデバイスと、ロボットアームおよびコンピューティングデバイスに電気的に接続されるロボットアーム制御装置とを提供するステップと、ｄ）第１の磁気要素が第２の磁気要素の上で移動して磁場を生成するように、ロボットアーム制御装置により、ロボットアームを制御するステップと、ｅ）ロボットアーム制御装置によりロボットアームを制御することで第１の磁気要素が第２の磁気要素の上で移動するステップと、ｆ）記コンピューティングデバイスにより、第１の磁気要素の動きに応じて、磁場における第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算し、また複数の移動エラー情報をカウントすることで、ロボットアームの位置決め精度を得るステップと、を含む。

本発明の実施形態において、ロボットアームは、エンドエフェクタが配置される操作端を備え、また第１の磁気要素はエンドエフェクタに固定される。

本発明の実施形態において、第１の磁気要素は磁気プローブであり、また第２の磁気要素はホールセンサーアレイであってコンピューティングデバイスに電気的に接続される。

本発明の実施形態において、第２の磁気要素は磁気プローブであり、また第１の磁気要素はホールセンサーアレイであってコンピューティングデバイスに電気的に接続される。

本発明の実施形態において、ロボットアームは、互いに回転可能に接続される複数のシャフト本体を含み、また第１の磁気要素は、複数のシャフト本体の先端のシャフト本体に配置される。

本発明の実施形態において、ロボットアームの位置決め精度の測定システムは、磁場における第１の磁気要素または第２の磁気要素の位置を表示するためのディスプレイインターフェースをさらに含む。

本発明の実施形態において、第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算するステップは、第１の磁気要素を第２の磁気要素の上の初期位置に移動させるステップと、第１の磁気要素が初期位置から離れてからまた戻るように繰り返して移動させるステップと、をさらに含む。

本発明の実施形態のロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法は、ロボットアームと固定プラットフォームとの間に第１の磁気要素および第２の磁気要素を備えるように構成される。第１の磁気要素および第２の磁気要素によって生成される磁場は、迅速かつ正確に３次元空間におけるロボットアームの操作端の移動エラー情報を測定することができ、それにより補償情報を提供する。さらに、本発明の実施形態のロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法は、油汚れなどの汚染を引き起こすことなくロボットアームの操作中に使用することができる。

以下、本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより理解しやすくするために、添付の図面を参照しながら実施形態を詳細に説明する。

図１Ａは、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムの概略図である。図１Ｂは、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームと固定プラットフォームとの間の座標系を取得するための変換行列の概略図である。図２は、本発明の別の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムの概略図である。図３は、本発明の別の実施形態により提供されるロボットアームの位置決め精度のための測定システムの概略図である。図４は、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定方法の概略フローチャートである。

図１Ａは、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムの概略図である。図１Ｂは、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームと固定プラットフォームとの間の座標系を取得するための変換行列の概略図である。図１Ａおよび１Ｂに示すように、実施形態におけるロボットアームの位置決め精度の測定システム１００は、ロボットアーム２の操作端２１の位置決め精度を測定するために、ロボットアーム２と、コンピューティングデバイス１１１と、ロボットアーム制御装置１１２と、第１の磁気要素１２０と、第２の磁気要素１３０とを含む。

ロボットアーム制御装置１１２は、ロボットアーム２とコンピューティングデバイス１１１とに電気的に接続される。第１の磁気要素１２０は、ロボットアーム２に配置される。第２の磁気要素１３０は、固定プラットフォーム３に配置される。第１の磁気要素１２０および第２の磁気要素１３０の一方は、コンピューティングデバイス１１１に電気的に接続されることができる。本実施形態において、ロボットアーム２は、その操作端２１にエンドエフェクタ２２が配置され、第１の磁気要素１２０は磁気プローブであってエンドエフェクタ２２に配置される。一方、ロボットアーム２は、互いに回転可能に接続される複数のシャフト本体２０を含むことができ、またエンドエフェクタ２２は、複数のシャフト本体２０の先端のシャフト本体に配置される。固定プラットフォーム３に配置される第２の磁気要素１３０は、ホールセンサーアレイであり、コンピューティングデバイス１１１に電気的に接続される。本実施形態において、図１Ａに示すエンドエフェクタ２２はグリッパージョーであるが、それに限定されない。

本実施形態において、コンピューティングデバイス１１１は、第２の磁気要素１３０に電気的に接続され、第１の磁気要素１２０および第２の磁気要素１３０によって生成される磁場の信号を受信し、アルゴリズムを持つプログラムにより磁場内の第１の磁気要素１２０の位置を取得する。ロボットアーム制御装置１１２は、ロボットアーム２とコンピューティングデバイス１１１とに電気的に接続され、ロボットアーム２の動きを制御するためのコンピューティングデバイス１１１の指示を受信する。本実施形態に係るロボットアームの位置決め精度の測定システム１００は、ディスプレイインターフェース１１３をさらに含むことができる。ディスプレイインターフェース１１３は、コンピューティングデバイス１１１に電気的に接続され、磁場内の第１の磁気要素１２０の位置を表示する。コンピューティングデバイス１１１はコンピュータまたはマイクロコンピュータであってよく、ロボットアーム制御装置１１２は、ロボットアーム２を駆動かつ制御することができ、通常、電気制御ボックス（図示せず）と上記電気制御ボックスに電気的に接続される案内装置（図示せず）とを含み、またディスプレイインターフェース１１３はスクリーンであってよいが、それに限定されない。

ロボットアーム制御装置１１２は、第１の磁気要素１２０が第２の磁気要素１３０の上で移動して磁場を生成するようにロボットアーム２を制御するように構成される。これによって第１の磁気要素１２０は第２の磁気要素１３０の上で移動する。コンピューティングデバイス１１１は、磁場における第１の磁気要素１２０の複数の移動エラー情報を計算し、上記複数の移動エラー情報をカウントすることで、ロボットアーム２の位置決め精度を得るように構成される。本実施形態において、第１の磁気要素１２０のエンドエフェクタ２２の座標系は、Ｘ_Ｒ、Ｙ_Ｒ、およびＺ_Ｒの３軸を含み、また固定プラットフォーム３の座標系は、Ｘ_Ｍ、Ｙ_Ｍ、およびＺ_Ｍの３軸を含む。ロボットアーム制御装置１１２は、磁場の範囲で往復運動するようにロボットアーム２を制御ことができる。例えば、図１Ａにおいて、ロボットアーム制御装置１１２は、まず、第１の磁気要素１２０（磁気プローブ）が第２の磁気要素１３０（ホールセンサーアレイ）の中心の上のエンドエフェクタ２２の座標系の初期位置Ｒ０に移動するようにロボットアーム２を制御し、続けてロボットアーム制御装置１１２は、第１の磁気要素１２０が初期位置Ｒ０から離れてからまた戻ることを繰り返すようにロボットアーム２を連続的に制御する。しかしながら、ロボットアーム２の移動誤差により、第１の磁気要素１２０は、初期位置Ｒ０に正確に戻らず、初期位置Ｒ０に近い位置に移動する場合がある。ｎ回移動され、毎回固定プラットフォーム３を基準とした座標系の位置Ｍｉ（ｉ＝１〜ｎ）に移動すると仮定すると、１回の移動エラー情報がＡＭｉ−Ｒ０であり、その中、Ａはエンドエフェクタ２２の座標系を固定プラットフォーム３の座標系に変換するために使用される変換行列である。これで、ロボットアーム２の操作端２１の位置決め精度は、コンピューティングデバイス１１１により磁場中の第１の磁気要素１２０の複数の移動エラー情報を計算することにより得ることができる。

図１Ｂに示すように、変換行列Ａの取得は、以下のように実現される。すなわち、ロボットアーム制御装置１１２は、第１の磁気要素１２０がＸ_Ｒ軸に沿ってＤ_ＸＲ（Ｘ_ＲＵ，０，０）の距離を移動し、Ｙ_Ｒ軸に沿ってＤ_ＹＲ（０，Ｙ_ＲＶ，０）の距離を移動し、またＺ_Ｒ軸に沿ってＤ_ＺＲ（０,０，Ｚ_ＲＷ）の距離を移動するように、ロボットアーム２を制御する。固定プラットフォーム３の座標系において、第１の磁気要素１２０は、Ｘ_Ｍ軸に沿ってＵ（Ｘ_ＭＵ，Ｙ_ＭＵ，Ｚ_ＭＵ）の距離を移動し、Ｙ_Ｍ軸に沿ってＶ（Ｘ_ＭＶ，Ｙ_ＭＶ，Ｚ_ＭＶ）の距離を移動し、またＺ_Ｍ軸に沿ってＷ（Ｘ_ＭＷ，Ｙ_ＭＷ，Ｚ_ＭＷ）の距離を移動する。距離Ｄ_ＸＲ、Ｄ_ＹＲおよびＤ_ＺＲが既知であり、また距離Ｕ、ＶおよびＷは測定可能であることに基づいて、固定プラットフォーム３に対するエンドエフェクタ２２の変換行列Ａは取得することができる。

本実施形態のロボットアームの位置決め精度の測定システム１００は、ロボットアーム２のエンドエフェクタ２２がタスクを実行する前に、上記の検出方法により位置決め精度を検出することができる。ロボットアーム２の位置決め精度が不十分であることが判明された場合、ユーザは、ロボットアーム制御装置１１２によりロボットアーム２の動きを補償することができる。さらに、位置決め精度が低すぎて、補償によってロボットアーム２の動きを補正できないことが判明された場合は、ロボットアーム２の保守または交換を検討することができる。

本実施形態のロボットアームの位置決め精度の測定システム１００は、ロボットアーム２と固定プラットフォーム３との間に第１の磁気要素１２０および第２の磁気要素１３０を備え、第１の磁気要素１２０および第２の磁気要素１３０によって生成される磁場は迅速かつ正確に３次元空間におけるロボットアーム２の操作端２１の移動エラー情報を測定することができ、それにより補償情報を提供する。さらに、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法は、油汚れなどの汚染を引き起こすことなくロボットアーム２の操作中に使用することができる。

図２は、本発明の別の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムの概略図である。図２に示す本実施形態の位置決め精度の測定システム１００ａは、図１Ａの実施形態と実質的に同じであるが、本実施形態の第１の磁気要素１２０ａは、ロボットアーム２に配置され、コンピューティングデバイス１１１に電気的に接続されるホールセンサーアレイであり、また第２の磁気要素１３０ａは、固定プラットフォーム３に配置される磁気プローブである。さらに、本実施形態において、ホールセンサーアレイである第１の磁気要素１２０ａはシャフト本体２０に配置され、これは、図１Ａの実施形態において磁気プローブである第１の磁気要素１２０がエンドエフェクタ２２に結合されることとは異なる。本実施形態において、コンピューティングデバイス１１１は、第１の磁気要素１２０ａに電気的に接続され、第１の磁気要素１２０ａおよび第２の磁気要素１３０ａによって生成される磁場の信号を受信し、アルゴリズムを持つプログラムにより磁場における第２の磁気要素１３０ａの位置を取得するように構成される。使用されるアルゴリズムには、同次変換行列や回帰アルゴリズムなど、特定のソリューションの変数に関連するさまざまな数式が含まれる場合がある。または、ニューラルネットワーク、逆伝播、ＡＮＮ、ＣＮＮ、ＲＮＮなどのデータトレーニングモデル法が含まれる場合もあるが、それらに限定されない。

図３は、本発明の別の実施形態により提供されるロボットアームの位置決め精度のための測定システムの概略図である。図３に示す本実施形態の測定システム１００Ｂは、図１Ａの実施形態と実質的に同じであるが、本実施形態の第１の磁気要素１２０ｂは、ロボットアーム２に配置され、コンピューティングデバイス１１１に電気的に接続されるホールセンサーアレイであり、また第２の磁気要素１３０ｂは、固定プラットフォーム３に配置される磁気プローブである。さらに、本実施形態において、ホールセンサーアレイである第１の磁気要素１２０ｂは、図１Ａの実施形態において磁気プローブである第１の磁気要素１２０と同じくエンドエフェクタ２２に結合される。好ましくは、本実施形態のエンドエフェクタ２２はグリッパージョーである。

図４は、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定方法の概略フローチャートである。図４に示すロボットアームの位置決め精度の測定方法は、以下のステップを含む。

ステップＳ４０１において、第１の磁気要素が提供され、上記第１の磁気要素はロボットアームに配置される。上記ロボットアームは、図１Ａにおけるロボットアーム２であってよい。上記第１の磁気要素は、図１Ａにおける第１の磁気要素１２０、図２における第１の磁気要素１２０ａ、または図３における第１の磁気要素１２０ｂであってよい。

ステップＳ４０２において、第２の磁気要素が提供され、上記第２の磁気要素は固定プラットフォームに配置される。上記固定プラットフォームは図１Ａにおける固定プラットフォーム３であってよい。上記第２の磁気要素は、図１Ａにおける第２の磁気要素１３０、図２における第２の磁気要素１３０ａ、または図３における第２の磁気要素１３０ｂであってよい。

ステップＳ４０３において、コンピューティングデバイスおよびロボットアーム制御装置が提供され、上記コンピューティングデバイスは第１の磁気要素および第２の磁気要素の一方に電気的に接続され、またロボットアーム制御装置はロボットアームおよびコンピューティングデバイスに電気的に接続される。図１Ａにおいて、コンピューティングデバイス１１１は第２の磁気要素１３０に電気的に接続される。図２および３において、コンピューティングデバイス１１１はそれぞれ第１の磁気要素１２０ａおよび１２０ｂに電気的に接続される。

ステップＳ４０４において、ロボットアームはロボットアーム制御装置によって制御され、第１の磁気要素を第２の磁気要素の上に移動させ磁場を生成させる。図１Ａにおいて、ロボットアームによって移動される第１の磁気要素１２０は磁気プローブである。図２において、ロボットアームによって移動される第１の磁気要素１２０ａはホールセンサーアレイである。図３において、ロボットアームによって移動される第１の磁気要素１２０ｂはホールセンサーアレイである。

ステップＳ４０５において、ロボットアームはロボットアーム制御装置によって制御されることにより、第１の磁気要素は第２の磁気要素の上で移動する。例えば、図１Ａにおいて、ロボットアーム制御装置１１２はロボットアーム２を制御することにより、第１の磁気要素１２０は第２の磁気要素１３０の上で初期位置Ｒ０に移動され、また第１の磁気要素１２０は初期位置Ｒ０から離れてからまた戻るように繰り返して移動される。

ステップＳ４０６において、コンピューティングデバイスは、第１の磁気要素の動きに応じて磁場における第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算し、また複数の移動エラー情報をカウントすることで、ロボットアームの位置決め精度を得る。例えば、図１Ａにおいて、コンピューティングデバイス１１１は複数の移動エラー情報ＡＭｉ−Ｒ０を計算し、アルゴリズムにより複数の移動エラー情報をカウントし、かつロボットアーム２の位置決め精度を得る。

本実施形態のロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法は、ロボットアームと固定プラットフォームとの間に第１の磁気要素および第２の磁気要素を備え、第１の磁気要素および第２の磁気要素によって生成される磁場は迅速かつ正確に３次元空間におけるロボットアームの操作端の移動エラー情報を測定することができ、それにより補償情報を提供する。さらに、本発明の実施形態によって提供されるロボットアームの位置決め精度の測定システムおよび方法は、油汚れなどの汚染を引き起こすことなくロボットアームの操作中に使用することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を開示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、いくつかの修正および修正を行うことができる。したがって、本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定されるものとする。

Claims

ロボットアームと、
前記ロボットアームに配置される第１の磁気要素と、
固定プラットフォームに配置される第２の磁気要素と、
前記ロボットアームに電気的に接続されるロボットアーム制御装置と、
前記ロボットアーム制御装置と、前記第１の磁気要素および前記第２の磁気要素の一方とに電気的に接続されるコンピューティングデバイスとを含み、
前記ロボットアーム制御装置は、前記第１の磁気要素が前記第２の磁気要素の上で移動して磁場を生成するように前記ロボットアームを制御することにより、前記第１の磁気要素は前記第２の磁気要素の上で移動し、また
前記コンピューティングデバイスは、前記磁場における前記第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算して、前記複数の移動エラー情報をカウントすることで、前記ロボットアームの位置決め精度を得る
ロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記ロボットアームは、エンドエフェクタが配置される操作端を備え、また第１の磁気要素は前記エンドエフェクタに固定される
請求項１に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記第１の磁気要素は磁気プローブであり、また前記第２の磁気要素はホールセンサーアレイであって前記コンピューティングデバイスに電気的に接続される
請求項１に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記第２の磁気要素は磁気プローブであり、また前記第１の磁気要素はホールセンサーアレイであって前記コンピューティングデバイスに電気的に接続される
請求項１に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記ロボットアームは、互いに回転可能に接続される複数のシャフト本体を含み、また前記第１の磁気要素は、前記複数のシャフト本体の先端のシャフト本体に配置される
請求項１に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記第１の磁気要素はホールセンサーアレイであって前記コンピューティングデバイスに電気的に接続され、また前記第２の磁気要素は磁気プローブである
請求項５に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
前記磁場における前記第１の磁気要素の位置を表示するために前記コンピューティングデバイスに接続されるディスプレイインターフェースをさらに含む
請求項１に記載のロボットアームの位置決め精度の測定システム。
ロボットアームに配置される第１の磁気要素を提供するステップと、
固定プラットフォームに配置される第２の磁気要素を提供するステップと、
前記第１の磁気要素および前記第２の磁気要素の一方に電気的に接続されるコンピューティングデバイスを提供するステップと、
前記ロボットアームおよび前記コンピューティングデバイスに電気的に接続されるロボットアーム制御装置を提供するステップと、
前記第１の磁気要素が前記第２の磁気要素の上で移動して磁場を生成するように、前記ロボットアーム制御装置により、前記ロボットアームを制御するステップと、
前記ロボットアーム制御装置により前記ロボットアームを制御することで前記第１の磁気要素が前記第２の磁気要素の上で移動するステップと、
前記コンピューティングデバイスにより、前記第１の磁気要素の動きに応じて、前記磁場における前記第１の磁気要素の複数の移動エラー情報を計算し、また前記複数の移動エラー情報をカウントすることで、前記ロボットアームの位置決め精度を得るステップと、を含む
ロボットアームの位置決め精度の測定方法。
前記第１の磁気要素の前記複数の移動エラー情報を計算するステップは、
前記第１の磁気要素を前記第２の磁気要素の上のある位置に移動させるステップと、
前記第１の磁気要素が前記位置から離れてからまた戻るように繰り返して移動させるステップと、をさらに含む
請求項８に記載のロボットアームの位置決め精度の測定方法。
前記コンピューティングデバイスに電気的に接続され、前記磁場における前記第１の磁気要素の位置を表示するディスプレイインターフェースを提供するステップをさらに含む
請求項８に記載のロボットアームの位置決め精度の測定方法。