JP3350310B2 - ロボットアームのリニアアクチュエータ - Google Patents

ロボットアームのリニアアクチュエータ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はロボットアームのリ
ニアアクチュエータに係り、特に磁気浮上技術とリニア
パルスモータを組み合わせた、真空中でリニアロボット
アームを浮上走行駆動するアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造プロセスにおいては、半導体
ウエハ上の線幅がサブミクロンレベルになると、ウエハ
上の微小異物がますます製品の歩留りに影響するので、
発塵とそれによる半導体ウエハの汚染を極度に嫌う。こ
の要求は、当然ウエハをハンドリングするロボットにも
課せられている。この要求を完全に満足するには、潤滑
材や接触による発塵をなくさなければならない。このよ
うな要求を満たすため、磁気軸受とリニアパルスモータ
を使用した完全非接触のアクチュエータを備えた、高真
空中で作動可能な、クリーンロボットが本発明者等によ
り考案されている（特開平６ー２３６８７号公報参
照）。
【０００３】図１は、このクリーンロボットの概念を示
す。クリーンロボットはリニアアクチュエータ３と回転
アクチュエータ５との組み合わせで、先端にハンド２を
有するロボットアーム２は、上下移動機構７を備えた支
柱１０のまわりで３次元の移動を実現する。ハンド１に
は半導体ウエハ等の搬送物が載置される。そして、アー
ム２は、リニアアクチュエータ３により直線移動自在に
非接触で支持され、又リニアアクチュエータ３は回転ア
クチュエータ５により回転移動自在に非接触で支持され
る。
【０００４】図２は、回転アクチュエータに取付けて、
アームを直線駆動するリニアアクチュエータの構造を示
す。リニアアクチュエータは、図２に示すように可動部
であるアーム２と、このアームを支持する非接触浮上用
電磁石１１と非接触変位センサ１３とからなる磁気軸受
と、アームを動かすリニアパルスモータ１２とで構成す
る。このアクチュエータに用いる磁気軸受は、アームの
前後左右に配置し、アームの上下からはアームを挟み込
む構造の４組の電磁石の吸引力を制御して、アームを非
接触で浮上支持すると同時に、アームの浮上姿勢をも制
御する。
【０００５】図３は、アームの姿勢制御の方向を示す。
アームは走行方向Ｘにパルスモータで直線駆動されるの
で、浮上方向ｚ、案内方向ｙ、ピッチ方向ｑ、ロール方
向ｐ、ヨー方向ｒの５自由度に磁気軸受で姿勢が制御さ
れる。
【０００６】図４は、このリニアアクチュエータにおけ
る電磁石とアームの断面構造を示す。図４に示すように
アームの幅を電磁石の幅より小さくして、アームに浮上
方向ｚに直交する案内方向ｙの制御力を得られる構造を
採用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーム
の走行時には、アームの重心が磁気軸受支持部の中心か
ら離れていくため、図７に示すようにピッチング角ｑが
大きくなる。即ち、アームの重心の移動に伴い、アーム
先端のハンド側が下がり、アームが傾いてしまうという
問題がある。本発明は係る問題を解決することを目的と
する。
【０００８】又、リニアロボットアームは長尺の薄板構
造であるため、比較的低い固有振動数の弾性モードが存
在する。このうち低次の弾性モードはフィードバック制
御系の周波数帯域と近接して存在するため、この干渉が
問題となる。従って、磁気軸受はこれらの各種モードの
弾性振動に対して、その振動を減衰させ、又避ける必要
がある。本発明は係る問題を解決することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のロボットアーム
のリニアアクチュエータは、先端部にハンドを備えた長
尺のロボットアームを磁気軸受浮上支持すると共に、非
接触で直線状にパルスモータで駆動するリニアアクチュ
エータにおいて、前記磁気軸受は、前記アームを所定目
標位置に保持するフィードバック制御系に加え、前記パ
ルスモータの直線方向駆動量から算出されたアームの移
動量に応じたフィードフォワード制御系を備えたことを
特徴とする。
【００１０】又、本発明のロボットアームのリニアアク
チュエータは、先端部にハンドを備えた長尺のロボット
アームを磁気軸受で浮上支持すると共に、非接触で直線
状にパルスモータで駆動するリニアアクチュエータにお
いて、前記磁気軸受は、前記アームの進行方向、ピッチ
ング方向、及びローリング方向の各制御系に、それぞれ
の前記アームの振動モードに対応した周波数成分を除去
するノッチフィルタを備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】アームの弾性振動とアーム移動に
よる重心位置の変化により、電磁石による非接触浮上姿
勢制御において、発振とアーム先端の位置が下がるとい
う問題があることは前述したとおりである。このため、
アーム移動による重心位置の変化でハンド側が下がるこ
とを補償するため、即ち、ピッチング方向の誤差を最小
にするため、アームの移動量をピッチング方向制御系に
フィードフォワード制御する。フィードバックとフィー
ドフォワード制御を組み合わせた制御で、アームを水平
方向に維持したまま、アームをＸ方向に走行移動させる
ことができる。
【００１２】また、アームの弾性振動がアーム姿勢制御
系に回り込むことを回避するため、姿勢モード別制御を
基に、弾性振動を抑制する最小限のノッチフィルタをフ
ィードバック制御系に挿入する。アームの姿勢モード別
制御を基に、最小限のノッチフィルタを姿勢モード別制
御系に追加して、アーム弾性振動の発生を避けることが
できる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照しながら説明する。図５は、本発明の一実施例の制
御系の構成を示す。検出回路１５の出力を、和差演算回
路Ａにより、モード別制御量（ｙ，ｚ，ｐ，ｑ，ｒ）に
変換する。このモード別制御量をＰＩＤ回路１６に導
き、モード別のフィードバック制御量（ΔＩｙ，ΔＩ
ｚ，ΔＩｐ，ΔＩｑ，ΔＩｒ）を得る。そしてモード別
の操作量を和差演算回路Ｂに導き、アクチュエータ毎の
操作量を演算し、その出力信号に定常励磁電流（バイア
ス電流）を加算して、駆動回路１７により電磁石を励磁
する。このとき、ｑ（ピッチング角）制御系では、定常
励磁電流（バイアス電流）を走行系（Ｘ）の位置信号Ｘ
０に比例させるので、この位置信号を加算器２１（図６
参照）でフィードフォワードする。尚、アームの姿勢
（剛体）モード別制御を効果的に作動させるためには、
センサ、電磁石の特性をそろえて、操作・検出系の線形
化、非干渉化を達成することが重要である。
【００１４】図６は、本発明の一実施例のフィードフォ
ワードとフィードバックを組合わせた制御のブロック図
である。ｑフィードバック制御系のＰＩＤ回路の後に加
算器２１を挿入して、リニアパルスモータコントローラ
２２から、アームの走行位置指令値、即ちアームの移動
量ＸＯに比例した電流△Ｉｑ′を加算する。リニアパル
スモータコントローラ２２は、アームを直線駆動するリ
ニアパルスモータ励磁コイル２４に駆動回路２３を介し
て駆動パルスを送っているので、走行位置指令値ＸＯを
容易に算出することができる。又、Ｚ制御系の和差演算
回路Ｂの後には加算器２５が挿入され、アームの自重を
キャンセルするバイアス電流指令値ΔＩｚが加算され
る。
【００１５】リニアモータにより、アームを±０．２ｍ
の範囲で移動させた時のアーム移動量Ｘ０のフィードフ
ォワード制御の有無による、アーム浮上制御系の制御特
性を測定し、その結果を図７及び８に示した。図８は、
リニアパルスモータコントローラの位置指令値Ｘ０をｑ
制御系にフィードフォワード制御した場合であり、他
方、図７はｑ制御系のフィードフォワードのない場合で
ある。図７では、走行位置指令値が直線的に上昇し、速
度指令値はある時間帯に一定値である。即ち、アームを
直線的に、ある時間帯に一定速度で走行させる。これに
より、アームの重心位置が前方に移動し、ｑ（ピッチン
グ）方向の変位が大きくなる。即ち、ハンド側が下がる
ことが判る。
【００１６】図８では、アームの走行位置指令及び速度
指令は図７と同じである。フィードバック制御系にフィ
ードフォワード制御を組合わせることにより、ｑ方向の
変位は小さくなっている。これは、アームの移動に伴う
重心位置の変化がフィードフォワード制御で補償されて
いることが判る。
【００１７】図７及び図８から、フィードフォワード制
御を行った場合、各制御量の変動はそれぞれ十分小さい
が、フィードフォワード制御をしないと、特にｑ制御系
の変位が大きく変動して、アームが固定側に接触する危
険性が大きくなることが判る。従って、移動位置指令信
号Ｘ０をｑ−制御系にフィードフォワードする制御法
は、長尺のロボットアームをリニアアクチュエータで姿
勢制御するのに極めて有効である。
【００１８】ところでリニアアクチュエータのアーム
は、軽量化のため長尺板状の柔構造となっている。この
アームの弾性固有振動が、浮上−姿勢制御系のフィード
バックループ内に現れると、アームの浮上−姿勢制御に
悪影響を及ぼす。このため、アームの弾性振動をできる
だけ簡単に除去する制振機能を以下に説明する。長尺板
状柔構造アームの弾性振動は、ｚ（浮上），ｐ（ロー
ル），ｑ（ピッチ）制御系に現れることが推定される。
まず、アームの弾性１次モードに着目して、アームの移
動に伴い、ｚ方向とｑ方向に主として振動する固有振動
モードと浮上制御アクチュエータ（浮上制御力）との相
対的位置関係を考察する。図９に弾性１次モードと電磁
力との位置関係を示す。図中、実線及び点線の矢印が電
磁力である。Ｘ０はアームの中央からの移動量である。
【００１９】剛体としての浮上方向（ｚ）の場合、４対
の電磁石が全て同方向の制御力を発生する。Ｘ０＝０ｍ
では、両側の電磁石は同相でアームに磁気吸引力を及ぼ
し、浮上を実現する制御則を採用したとする。両側の電
磁石はアームの弾性曲げ固有振動モードに対して同相で
あるので、両アクチュエータが、そのモードを加振する
ように作用することになる。これを防止するためには、
このアーム位置では、固有振動数近傍での、制御力の位
相を逆相にしておく必要がある。他方、Ｘ０＝０．２ｍ
では、このアームの弾性曲げ固有振動数において、両側
の電磁石は逆相でアームに磁気吸引力を及ぼすので、こ
の弾性振動モードを加振することはない。また、ｑ（ピ
ッチング）方向の場合、両側の電磁石は逆相でアームに
磁気吸引力を及ぼし、アームの剛体ピッチング運動を制
御する。この制御則によれば、Ｘ０＝０ｍでは、両アク
チュエータの電磁石は逆相でアームに作用する。したが
って、アームの弾性モードを加振することはない。他
方、Ｘ０＝０．２ｍでは、両側の電磁石は剛体ピッチン
グ運動を制御するため、逆相でアームに磁気吸引力を及
ぼすため、アームの弾性固有振動を加振することにな
る。 これを防止するためには、ｚ方向と同様に、この
アーム位置では、固有振動数近傍での、制御力の位相を
逆相にして置く必要がある。
【００２０】ｐ（ローリング）方向は、アーム剛体ロー
リング運動を制振するため、アームの左右制御力が逆相
になっている。したがって、アームが移動する時も、剛
体ローリング運動の制御力がこの弾性モードを加振する
ことはない。同様のことは、２次および４次の固有振動
モードについても言える。さらに、３次の固有振動モー
ドは、アームの左右に振れる振動モードである。すべて
の移動位置で、ｚ方向とｑ方向の剛体制御系が、この振
動モードを加振しない。しかし、ｐ方向制御系では、ア
ームの移動量Ｘ０の増大と共に、この弾性振動モードが
加振され易くなる。
【００２１】 振動モード解析から予想される共振特性 姿勢方向 X。[m］ (1次モート゛) (2次モート゛) (3次モート゛) (4次モート゛) ──────────────────────────────────── 0 ○ × × ○ ｚ 0.1 ○ ○ × × 0.2 × ○ × ○ ──────────────────────────────────── 0 × × × × p 0.1 × × ○ × 0.2 × × ○ × ──────────────────────────────────── 0 × ○ × × q 0.1 ○ × × ○ 0.2 ○ ○ × × ──────────────────────────────────── (○は共振ピークあり、×は共振ピーク無し）
【００２２】以上の考察から、アームの弾性固有振動モ
ード、アーム移動量、剛体運動制御方向と固有振動の励
振の間の関係をまとめると、上表のような振動加振／非
加振パターンを得る。
【００２３】このように、アームの移動に連れて発生す
るこの弾性振動モードの励振をさけるためには、弾性振
動の固有振動数にノッチフィルタを入れて、発振を防止
する。そして、全ての制御系に全ての固有振動数に対応
したノッチフィルタを入れるのではなく、表の中で加振
する恐れのある固有振動数にだけ入れる。
【００２４】アーム弾性振動の一次固有振動数は、比較
的低周波数であるので、浮上ＰＩＤ制御の位相進み補償
で制御し、２次から４次固有振動数を次のノッチフィル
タで制御する。ｚ方向とｑ方向の制御系には、２次と４
次の固有振動数のノッチフィルタをＰ方向制御系には、
３次の固有振動数のノッチフィルタ２６を、図５におい
て、それぞれ浮上ＰＩＤ制御回路１６の後段に追加す
る。
【００２５】振動モードの影響と姿勢モード別制御の有
効性を調査するため、ＰＩＤ補償器とノッチフィルタを
除いた、制御対象の周波数特性を、Ｘ０をパラメータと
して測定した。ｚ方向の測定結果を図１０に示す。図中
実線は測定値、破線は数学モデルに検出系の２次遅れ要
素を考慮した時の周波数特性である。ｚ方向では、Ｘ０
＝０ｍで１次モード，Ｘ０＝０．１ｍで１次モードと２
次モード，Ｘ０＝０．２ｍで２次モードの共振ピークが
存在する。この共振ピークの現れ方は、前述の表に示し
た通りである。移動距離Ｘ０とアーム弾性固有振動の共
振の現れ方と一致している。したがって、アームの弾性
振動は、浮上制御系に直接悪影響を及ぼすことが分か
る。
【００２６】図１０（ａ），（ｂ）に示すように共振ピ
ークは、アームの１次固有振動数によるものであり、フ
ィードバック制御系のクロスオーバー周波数（ゲイン特
性とＯｄｂが交差している周波数）と極めて近接してい
る。仮に１次固有振動数に対してノッチフィルタを用い
て制振対策をとると、ノッチフィルタにより１次固有振
動数モードのピークは下がるが、クロスオーバ周波数で
の位相が遅れ、フィードバック制御系が不安定となるこ
とは前述したとおりである。
【００２７】又、仮にクロスオーバ周波数を下げるため
に制御系のゲインを下げると、位相進み補償で且つ１次
固有振動数とクロスオーバ周波数とを離すことができ
る。しかしながら、ゲインを下げるとＺ−制御系及びｑ
−制御系の定常誤差が大きくなり、同様に制御系が不安
定となる。
【００２８】本実施例ではフィードバック制御系に前述
したフィードフォワード制御を加えることにより、クロ
スオーバ周波数と近接した１次固有振動数に対してノッ
チフィルタを用いることなく、制御系を安定化して、且
つ１次固有振動数の干渉の影響を避けることができる。
【００２９】尚、上述した実施例は半導体製造プロセス
に好適な真空中で、リニア磁気軸受により浮上支持した
アームをリニア駆動するアクチュエータについて述べた
が、本発明の趣旨は、長尺平板状のアームを浮上支持
し、且つ非接触駆動するリニアアクチュエータに広く適
用できるのは勿論のことである。
【００３０】
【発明の効果】
（１）真空雰囲気中で使用するクリーンロボットのリニ
アアクチュエータについて、そのアームのフィードバッ
ク制御系に、アームの移動量をフィードフォワードする
制御系を加えることにより、発振という問題を生じるこ
となく、又アームの走行に伴なう重心位置の変動にもか
かわらず、アームのピッチング（ｑ）方向等の制御を大
幅に安定化できる。 （２）アームの弾性固有振動が姿勢制御系に回り込むこ
とを避けるため、アームの弾性固有振動を除去する必要
最小限のノッチフィルタを選び出し、浮上−姿勢制御Ｐ
ＩＤ系に追加することにより、アーム姿勢制御に悪影響
を及ぼすアーム弾性振動を除去できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空ロボットの斜視図。
【図２】リニアアクチュエータの構造を示す斜視図。
【図３】６自由度の方向を示す説明図。
【図４】電磁石とロボットアームの位置関係を示す断面
図。
【図５】本発明の一実施例の制御系の構成を示す説明
図。
【図６】フィードフォワード制御系の構成を示す説明
図。
【図７】アーム走行時の各姿勢パラメータの制御信号波
形図であり、フィードフォワード制御無しの場合を示
す。
【図８】アーム走行時の各姿勢パラメータの制御信号波
形図であり、フィードフォワード制御有りの場合を示
す。
【図９】弾性１次モードと電磁力との位置関係を示す説
明図。
【図１０】Ｚ方向の制御対象の周波数特性図。
【符号の説明】
１ ロボットハンド ２ ロボットアーム ３ リニアアクチュエータ ２１，２５ 加算器 ２２ リニアパルスモータコントローラ ２６ ノッチフィルタ
フロントページの続き (72)発明者 平城 直治 福岡県飯塚市大字伊岐須１−４−４− 401 (56)参考文献 特開 平６−23687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−110472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−126402（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 13/00 B25J 18/02 B25J 19/00 F16C 32/04 H02P 5/00 H02K 41/03

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 先端部にハンドを備えた長尺のロボット
    アームを磁気軸受で浮上支持すると共に、非接触で直線
    状にパルスモータで駆動するリニアアクチュエータにお
    いて、前記磁気軸受は、前記アームを所定目標位置に保
    持するフィードバック制御系に加え、前記パルスモータ
    の直線方向駆動量から算出されたアームの移動量に応じ
    たフィードフォワード制御系を備えると共に、前記アー
    ムの進行方向、ピッチング方向、及びローリング方向の
    各制御系に、それぞれの前記アームの振動モードに対応
    した周波数成分を除去するノッチフィルタを備えたこと
    を特徴とするロボットアームのリニアアクチュエータ。
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