JP2022091165A - ロボット及び教示方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ティーチングに対する耐久性が良好なロボットを提供する。【解決手段】水平多関節型のロボットは、マニピュレータと、ハンドと、教示部材と、を備える。前記ハンドは、前記マニピュレータに連結される。前記ハンドは、基板を保持可能である。前記教示部材は、前記マニピュレータに連結される。前記教示部材は、基板の搬送に用いられない。【選択図】図1

Description

本発明は、水平多関節型のロボットへの教示に関する。
特許文献1は、ウエハーハンドリングロボットの位置定め(ティーチング)を行うティーチング装置を開示する。このティーチング装置は、基板と、嵌合部と、を含む。嵌合部は、ウエハーハンドリングロボットが備えるエンドエフェクターに嵌合する。基板と接するようにエンドエフェクターを配置した場合、エンドエフェクターの上面位置がウエハーの下面と一致する。エンドエフェクターが嵌合部に嵌合されると、ウエハーハンドリングロボットのエンドエフェクター、アーム及び回転軸のティーチングが実行される。
特許第4601130号公報
上記特許文献1の構成は、エンドエフェクタであるハンドを直接用いて教示を行うため、ハンドに負荷が加わり易く、教示時に変形、破損等が生じることがあった。ウエハを搬送するハンドは軽量かつコンパクトであることが求められるため、ハンドの機械的強度を向上させることも困難であった。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、教示作業に対する耐久性が良好なロボットを提供することにある。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の第1の観点によれば、以下の構成のロボットが提供される。即ち、水平多関節型のロボットは、マニピュレータと、ハンドと、教示部材と、を備える。前記ハンドは、上下方向の軸を中心として回転可能に前記マニピュレータに連結される。前記ハンドは、基板を保持可能である。前記教示部材は、上下方向の軸を中心として回転可能に前記マニピュレータに連結される。前記教示部材は、基板の搬送に用いられない。
本発明の第2の観点によれば、マニピュレータに連結されるハンドによって基板を保持して搬送する水平多関節型のロボットに対する、以下のような教示方法が提供される。即ち、この教示方法では、前記マニピュレータに連結される、基板の搬送に用いられない教示部材を用いて、教示を行う。
これにより、ロボット側が備える教示部材を用いて、ロボットへの自動教示を実現することができる。ハンドとは別の部材である教示部材を使って教示が行われるので、ハンドの破損等を防止することができる。
本発明によれば、教示作業に対する耐久性が良好なロボットを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るロボットシステムの全体的な構成を示す斜視図。 ロボットの構成を示す斜視図。 ロボットシステムの一部の構成を示すブロック図。 教示部材が教示台にセットされる様子を示す斜視図。 教示部材を回転駆動するモータのサーボ制御を説明するブロック図。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るロボットシステム100の構成を示す斜視図である。図2は、ロボット1の構成を示す斜視図である。図3は、ロボットシステム100の一部の構成を示すブロック図である。図4は、教示部材12が教示台8にセットされる様子を示す斜視図である。
図1に示すロボットシステム100は、クリーンルーム等の作業空間内でロボット1に作業を行わせるシステムである。
ロボットシステム100は、ロボット1と、コントローラ5と、教示台8と、を備える。
ロボット1は、例えば、保管容器3に保管されるウエハ(基板)2を搬送するウエハ移載ロボットとして機能する。本実施形態では、ロボット1は、SCARA(スカラ)型の水平多関節ロボットによって実現される。SCARAは、Selective Compliance Assembly Robot Armの略称である。
ロボット1は、図2に示すように、ハンド(保持部)11と、教示部材12と、マニピュレータ13と、を備える。
ハンド11は、エンドエフェクタの一種であって、概ね、平面視でV字状又はU字状に形成されている。ハンド11は、マニピュレータ13(具体的には、後述の第2リンク18)の先端に支持されている。ハンド11は、第2リンク18に対して、上下方向に延びる第3軸a3を中心として回転可能である。
ハンド11は、エッジグリップ型のハンドとして構成されている。ハンド11において分岐されたそれぞれの先端部分には、エッジガイド6が設けられている。ハンド11の手首部近傍には、押圧部材7が設けられている。押圧部材7は、ハンド11の手首部に内蔵された図略のアクチュエータ(例えば、空気圧シリンダ)によって、ハンド11の先端方向に向かって移動する。
ハンド11の上面側にウエハ2を載せた状態で押圧部材7を先端側へ変位させることで、エッジガイド6と押圧部材7との間にウエハ2を挟んで保持することができる。
教示部材12は、板状に形成されている。教示部材12は、その厚み方向を上下方向に向けて配置されている。教示部材12は、マニピュレータ13(第2リンク18)の先端に支持されている。教示部材12は、第2リンク18に対して、上記の第3軸a3を中心として回転可能である。
本実施形態において、教示部材12は円板状に形成されている。ただし、教示部材12の平面視での形状は任意である。教示部材12の外周面は、図1において鎖線で示すように、教示台8が備える教示用ピン82に接触することができる。教示台8の詳細な構成については後述する。本実施形態において、教示部材12の円板状部分の径は、搬送対象であるウエハ2の径と等しい。ただし、教示部材12の円板状部分の径がウエハ2の径よりも大きくても良いし、小さくても良い。
教示部材12はウエハ2の搬送を目的としていない。従って、エッジガイド6、及び押圧部材7等は、教示部材12に設けられていない。
マニピュレータ13は、主として、基台15と、昇降軸16と、複数のリンク(ここでは、第1リンク17及び第2リンク18)と、を備える。
基台15は、例えば、クリーンルームを構成する天井面に固定される。基台15は、昇降軸16を支持するベース部材として機能する。
昇降軸16は、基台15に対して上下方向に移動する。この昇降により、第1リンク17、第2リンク18、ハンド11及び教示部材12の高さを変更することができる。
基台15には、モータM1と、エンコーダE1と、が設けられている。モータM1は、昇降軸16を、例えば図略のネジ機構を介して駆動する。エンコーダE1は、昇降軸16の上下方向の位置を検出する。
第1リンク17は、昇降軸16の下部に支持されている。第1リンク17は、昇降軸16に対して、上下方向に延びる第1軸a1を中心として回転する。これにより、第1リンク17の姿勢を水平面内で変更することができる。
第1リンク17には、モータM2と、エンコーダE2と、が設けられている。モータM2は、第1リンク17を、昇降軸16に対して回転するように駆動する。エンコーダE2は、昇降軸16に対する第1リンク17の角度を検出する。
第2リンク18は、第1リンク17の先端に支持されている。第2リンク18は、第1リンク17に対して、上下方向に延びる第2軸a2を中心として回転する。これにより、第2リンク18の姿勢を水平面内で変更することができる。
第1リンク17には、モータM3と、エンコーダE3と、が設けられている。モータM3は、第2リンク18を、第1リンク17に対して回転するように駆動する。エンコーダE3は、第1リンク17に対する第2リンク18の角度を検出する。
第2リンク18には、モータM4と、エンコーダE4と、が設けられている。モータM4は、ハンド11を、第2リンク18に対して回転するように駆動する。エンコーダE4は、第2リンク18に対するハンド11の角度を検出する。
第2リンク18には、モータM5と、エンコーダE5と、が設けられている。モータM5は、教示部材12を、第2リンク18に対して回転するように駆動する。エンコーダE5は、第2リンク18に対する教示部材12の角度を検出する。
モータM1~M5は、ロボット1の各部を動かすアクチュエータである。モータM1~M5は、電動モータの一種であるサーボモータとして構成されている。モータM1~M5を駆動することにより、ハンド11及び教示部材12の位置及び姿勢を様々に変更することができる。図3に示すように、モータM1~M5は、コントローラ5と電気的に接続されている。モータM1~M5のそれぞれの駆動は、コントローラ5から入力された指令値を反映するように行われる。
コントローラ5は、モータM1~M5を駆動するための駆動回路を備える。この駆動回路と、ロボット1のモータM1~M5とが、図示しない電気ケーブルによって接続される。この駆動回路には、電流センサC1~C5が設けられている。電流センサC1~C5は、モータM1~M5の電流値を検出することができる。
エンコーダE1は、位置を検出するセンサである。エンコーダE2~E5は、角度を検出するセンサである。エンコーダE1~E5の検出結果に基づいて、ハンド11及び教示部材12の位置及び姿勢を検出することができる。エンコーダE1~E5は、コントローラ5と電気的に接続されている。エンコーダE1~E5のそれぞれは、検出結果をコントローラ5に出力する。
コントローラ5は、予め定められる動作プログラム又はユーザから入力される移動指令に従って、モータM1~M5に指令値を出力して制御し、予め定められる位置にハンド11及び教示部材12を移動させる。
コントローラ5は、図3に示すように、演算部51と、サーボ制御部52と、を備える。演算部51は、前記プログラムに従って演算処理を行う。サーボ制御部52は、モータM1~M5のサーボ制御に必要な処理を行う。
コントローラ5は、CPU、ROM、RAM、補助記憶装置等を備える公知のコンピュータとして構成されている。補助記憶装置は、例えばHDD、SSD等として構成される。補助記憶装置には、ロボット制御プログラム、及び、本発明の教示方法を実現するためのプログラム等が記憶されている。これらのハードウェア及びソフトウェアの協働により、コントローラ5を、演算部51及びサーボ制御部52等として動作させることができる。
教示台8は、図4に示すように、ベース部材81と、教示用ピン(位置決め部材)82と、を備える。
ベース部材81は、ロボット1の設置面に対して固定的に設けられている。ベース部材81は、ロボット1の周囲に配置される図示しないステージの上面に固定されている。
ベース部材81の上面には、4つの教示用ピン82が固定されている。それぞれの教示用ピン82は、ベース部材81から上方に突出するように設けられている。4つの教示用ピン82の形状は、互いに同一である。平面視で、4つの教示用ピン82は、所定の基準点から互いに等しい距離となるように配置される。この基準点が、平面視での教示位置に相当する。4つの教示用ピン82によって囲まれた空間に、教示部材12の円板部分を上から差し込むことができる。
4つの教示用ピン82は何れも、先端テーパ部82aと、円柱部82bと、根元テーパ部82cと、を有する。
先端テーパ部82aは、教示用ピン82の上端部に配置されている。先端テーパ部82aは、下方となるに従って径が増大する円錐状に形成されている。先端テーパ部82aの下端が、円柱部82bに接続している。この先端テーパ部82aにより、上方から差し込まれる教示部材12を、4つの教示用ピン82の円柱部82bの間に入るように案内することができる。
円柱部82bは、教示用ピン82の上下方向中間部に配置されている。この円柱部82bに相当する高さまで教示部材12が差し込まれた状態では、教示部材12の外周面と、円柱部82bの外周面と、の隙間が僅かとなるように、4つの教示用ピン82の位置が定められている。
根元テーパ部82cは、教示用ピン82の下端部に配置されている。根元テーパ部82cは、下方となるに従って径が増大する円錐状に形成されている。根元テーパ部82cの上端が、円柱部82bに接続している。円柱部82bと根元テーパ部82cとの境界部分の高さが、上下方向での教示位置に相当する。
次に、サーボ制御部52について詳細に説明する。図5には、教示部材12を第2リンク18に対して回転させるモータM5を例として、ロボット1の制御系が模式的に示されている。
サーボ制御部52は、位置制御器55と、速度制御器56と、電流制御器57と、微分器58と、を備える。更に、サーボ制御部52は、減算器61,62,63を備える。
コントローラ5が備える演算部51は、角度位置の指令値を生成して減算器61に出力する。この減算器61には、エンコーダE5が検出する角度位置の検出値が入力される。減算器61は、角度位置の偏差を計算し、その結果を位置制御器55に出力する。
位置制御器55は、予め定められた伝達関数、又は比例係数に基づいた演算処理により、減算器61から入力された角度偏差から速度指令値を生成する。位置制御器55は、生成した速度指令値を減算器62に出力する。この減算器62には、エンコーダE5の角度位置を微分器58で微分して得られた速度値が入力される。減算器62は、速度の偏差を計算し、その結果を速度制御器56に出力する。
速度制御器56は、予め定められた伝達関数、又は比例係数に基づいた演算処理により、減算器62から入力された速度偏差から電流指令値を生成する。速度制御器56は、生成した電流指令値を減算器63に出力する。この減算器63には、電流センサC5が検出した、モータM5の電流値が入力される。減算器63は、電流の偏差を計算し、その結果を電流制御器57に出力する。
電流制御器57は、減算器63から入力された電流偏差に基づいて、モータM5に出力する電流値を制御する。
演算部51は、サーボ制御部52が備える位置制御器55、速度制御器56及び電流制御器57のうち少なくとも何れかに対して、ゲインの切換を指示する信号を出力する。これにより、位置制御器55、速度制御器56及び電流制御器57のうち少なくとも何れかにおいて、ゲインが実質的にゼロになる。言い換えれば、位置ループゲイン、速度ループゲイン及び電流ループゲインのうち少なくとも何れかが、実質的にゼロになる。
ゲインがゼロ、又はゼロに近い値となっていると、教示部材12に加わる外力(例えば、教示部材12が教示用ピン82に接触したときの反力)によって、モータM5の回転角度が自由に変更される状態になる。
上記ではモータM5を例にして説明しているが、他のモータM1~M4についても同様にサーボ制御のゲインを実質的にゼロとすることで、当該モータM1~M4の回転角度が自由に変更される状態になる。
本実施形態においてロボット1の自動教示を行う場合、コントローラ5は、ロボット1の教示部材12が教示台8のほぼ直上方に位置するようにモータM1~M5を制御する。このとき、ハンド11は、教示部材12と実質的に重ならない姿勢としておく。
続いて、コントローラ5の演算部51は、モータM1~M3,M5に関して、サーボ制御のゲインを実質的にゼロとする。この状態で、演算部51は、モータM1を駆動して、昇降軸16とともに教示部材12を下降させる。
ロボット1の公差等により、教示部材12の中心が教示台8の中心と一致していない場合がある。この場合、下方へ移動する教示部材12の外周面が、何れかの教示用ピン82の先端テーパ部82aに接触して押される。サーボ制御のゲインが実質的にゼロであるので、教示部材12が押されるのに応じて、教示部材12、第1リンク17、及び第2リンク18の姿勢が自由に変化する。
教示部材12を下降させていくと、やがて、教示部材12が、教示用ピン82の根元テーパ部82cの上に載る。この結果、モータM1を駆動しても、昇降軸16が下降しなくなる。このときの教示部材12の位置が、教示位置となる。コントローラ5の演算部51は、このときのエンコーダE1~E3,E5の検出結果を記憶する。以上により、教示部材12を用いた自動的な教示を実現することができる。
モータM1~M5の回転角度を自由に変更できる状態とする方法は様々である。演算部51は、ゲインを低くすることに代えて、位置偏差、速度偏差、及び電流偏差のうち何れかを、ゼロ、又はゼロに近い値としても良い。演算部51は、電流制御器57からモータM1~M5に出力される電流値を、ゼロ、又はゼロに近い値としても良い。速度制御器56から出力される電流指令値を、ゼロ、又はゼロに近い値としても良い。
本実施形態では、ウエハ2の搬送に用いるハンド11とは別に、教示部材12をロボット1側に設けている。この教示部材12は、ウエハ2の搬送に用いられることはない。従って、押圧部材7等の精密な機構が必要なハンド11と比較して、簡素で、機械的な強度が良好であるように教示部材12を構成することが容易である。従って、教示の際に外力が加わっても破損しにくく、耐久性に優れた構成とすることができる。
例えば半導体のウエハ2を搬送する場合、クリーン度の高い環境で作業を行うために、閉鎖された空間内にロボット1が配置される場合がある。この構成では、教示台8が外部からは見えないので、公知のティーチペンダントを用いた目視での教示が困難である。しかし、本実施形態によれば、ロボット1が備える教示部材12によって自動的に教示が行われるので、閉鎖された空間にロボット1が配置されても、問題なく教示を行うことができる。
ウエハ2を水等の液体で濡らす処理を行う場合、電気部品であるセンサを教示部材12の近傍に配置することが困難な場合が多い。本実施形態では、ロボット1が制御のために通常備えるエンコーダE1~E3,E5を用いて、教示を実現している。従って、本実施形態の構成は、ウェット環境に適用することが特に好ましい。
教示部材12の非使用時には、コントローラ5は、図1の実線で示すように、第2リンク18に対して180°折返し状となるように教示部材12の姿勢を制御する。180°折返し状の姿勢は、第2リンク18に沿う姿勢と言い換えることもできる。平面視で教示部材12の一部が第2リンク18に重なるように姿勢を制御することで、教示部材12がウエハ2の搬送の邪魔にならないようにすることができ、また、周辺の部材とも干渉しにくくなる。
教示部材12の使用時には、コントローラ5は、図4等で示すように、第2リンク18に対して180°折返し状となるようにハンド11の姿勢を制御する。平面視でハンド11の一部が第2リンク18に重なるように姿勢を制御することで、ハンド11がロボット1への教示の邪魔にならないようにすることができる。
以上に説明したように、本実施形態の水平多関節型のロボット1は、マニピュレータ13と、ハンド11と、教示部材12と、を備える。ハンド11は、上下方向の第3軸a3を中心として回転可能にマニピュレータ13に連結される。ハンド11は、ウエハ2を保持可能である。教示部材12は、上下方向の第3軸a3を中心として回転可能にマニピュレータ13に連結される。教示部材12は、ウエハ2の搬送に用いられない。
これにより、ロボット1側が備える教示部材12を用いて、ロボット1への自動教示を実現することができる。ハンド11とは別の部材である教示部材12を使って教示が行われるので、ハンド11の破損等を防止することができる。
また、本実施形態のロボット1において、教示部材12が、ロボット1への教示のために用いられる。
これにより、ロボット1への教示を行うにあたって、ロボット1に治具を装着したりする必要がない。従って、教示のためのロボット1の動作を簡素にすることができる。
また、本実施形態のロボット1において、マニピュレータ13は、リンク17,18と、エンコーダE2,E3,E5と、を備える。エンコーダE2,E3,E5は、リンク17,18及び教示部材12の姿勢を検出する。ロボット1の設置面に対して固定的に設けられた教示用ピン82に教示部材12が接触した場合のエンコーダE2,E3,E5の検出結果に基づいて、ロボット1への教示が行われる。
これにより、センサ等の電気的構成を特別に追加する必要がないので、コストを低減することができる。
また、本実施形態のロボット1において、ハンド11によってウエハ2を搬送する場合、教示部材12は、平面視で少なくとも一部がマニピュレータ13と重なる姿勢となる。
これにより、ウエハ2の搬送時に教示部材12が邪魔にならないようにすることができる。
また、本実施形態のロボット1において、ハンド11によってウエハ2を搬送する場合、教示部材12は、平面視で、マニピュレータ13のうち最も先端側に位置するリンク18に沿う姿勢を維持する。
これにより、教示部材12が周囲と干渉しにくくすることができる。
また、本実施形態のロボット1において、教示部材12によってロボット1への教示を行う場合、ハンド11は、平面視で少なくとも一部がマニピュレータ13と重なる姿勢となる。
これにより、教示を行うときにハンド11が邪魔にならないようにすることができる。
また、本実施形態のロボット1において、ハンド11は、マニピュレータ13の先端に、上下方向の第3軸a3を中心として回転可能に連結される。教示部材12は、マニピュレータ13の先端に、ハンド11と同軸である第3軸a3で回転可能に連結される。
これにより、教示部材12とハンド11が同軸で配置されているので、教示部材12による教示によって、ハンド11の動作精度を確実に良好にすることができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
平面視での位置の教示だけを行い、上下方向での位置の教示を省略しても良い。この場合、教示用ピン82において根元テーパ部82cを省略することができる。
教示にあたって、教示部材12が教示用ピン82に接触して押されることを利用しなくても良い。例えば、適宜の位置に非接触型のセンサ(例えば、光センサ)を配置し、このセンサが教示部材12を検出した位置を教示位置とすることができる。
教示部材12は、第3軸a3に連結されることに代えて、例えば第2軸a2又は第1軸a1に連結されるように構成することもできる。
教示部材12は、円板状に形成されなくても良い。例えば、教示部材12は、細長い矩形の対向する2辺を円弧状に外側に突出させた、長円状に形成することができる。また、教示部材12を3角形、4角形、6角形等の多角形に構成することもできる。
教示部材12に、貫通状の軸孔を形成することができる。この場合、軸孔の内周面に教示用ピン82を接触させるように構成することができる。軸孔を円形孔とした場合、教示用ピン82の代わりに、軸孔に差込可能な円錐状の位置決め部材を教示台8に設けることができる。
教示用ピン82の数は、4つに限らず、例えば3つとすることもできる。
上記の実施形態では、ハンド11の上方に教示部材12が配置され、教示部材12の上方に第2リンク18が配置されている。言い換えれば、第3軸a3の方向で、教示部材12はハンド11よりも第2リンク18に近い。しかしながら、ハンド11の下方に教示部材12が配置されても良い。
ロボット1は、基台15が天井面に設置される構成(天吊り式)に代えて、床面に設置される構成とすることもできる。
ハンド11がフリップ動作可能に構成することもできる。この場合でも、教示部材12がフリップ動作機能を有する必要はない。教示部材12がフリップ動作機能を有しないことで、簡素な構成の教示部材12を実現することができる。
本願発明は、ウエハ2以外の基板(例えば、ガラス板)を搬送するためのロボットに適用することもできる。
1 ロボット
2 ウエハ(基板)
11 ハンド
12 教示部材
13 マニピュレータ
16,17 リンク
82 教示用ピン(位置決め部材)
E1~E5 エンコーダ(センサ)
a3 第3軸(軸)

Claims (8)

  1. 水平多関節型のロボットであって、
    マニピュレータと、
    上下方向の軸を中心として回転可能に前記マニピュレータに連結される、基板を保持可能なハンドと、
    上下方向の軸を中心として回転可能に前記マニピュレータに連結される、基板の搬送に用いられない教示部材と、
    を備えることを特徴とするロボット。
  2. 請求項1に記載のロボットであって、
    前記教示部材が、当該ロボットへの教示のために用いられることを特徴とするロボット。
  3. 請求項2に記載のロボットであって、
    前記マニピュレータは、
    リンクと、
    前記リンク及び前記教示部材のうち少なくとも何れかの姿勢を検出するセンサと、
    を備え、
    前記ロボットの設置面に対して固定的に設けられた位置決め部材に前記教示部材が接触した場合の前記センサの検出結果に基づいて、当該ロボットへの教示が行われることを特徴とするロボット。
  4. 請求項1から3までの何れか一項に記載のロボットであって、
    前記ハンドによって前記基板を搬送する場合、前記教示部材は、平面視で少なくとも一部が前記マニピュレータと重なる姿勢となることを特徴とするロボット。
  5. 請求項4に記載のロボットであって、
    前記ハンドによって前記基板を搬送する場合、前記教示部材は、平面視で、前記マニピュレータのうち最も先端側に位置するリンクに沿う姿勢を維持することを特徴とするロボット。
  6. 請求項1から5までの何れか一項に記載のロボットであって、
    前記教示部材によって前記ロボットへの教示を行う場合、前記ハンドは、平面視で少なくとも一部が前記マニピュレータと重なる姿勢となることを特徴とするロボット。
  7. 請求項1から6までの何れか一項に記載のロボットであって、
    前記ハンドは、前記マニピュレータの先端に、上下方向の軸を中心として回転可能に連結され、
    前記教示部材は、前記マニピュレータの先端に、前記ハンドと同軸で回転可能に連結されることを特徴とするロボット。
  8. マニピュレータに連結されるハンドによって基板を保持して搬送する水平多関節型のロボットに対する教示方法であって、
    前記マニピュレータに連結される、基板の搬送に用いられない教示部材を用いて、教示を行うことを特徴とする教示方法。
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