JP4595053B2 - 多関節型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、ワークをカセットにロード／アンロードする際に用いられる多関節型ロボットに関し、特に、直線補間にて安定した動作を行うことができるものに関する。

半導体ウェハ等の大型のワークをカセットにロード／アンロードするには、複数のアームを互いに回転可能に連結すると共に、回転駆動源の回転力を伝達して伸縮等の動作をさせるようにした多関節型ロボットが用いられている。例えば、特許文献１記載のＳＣＡＲＡ（Selective Compliance Assembly Robot Arm）型ロボットがある。これは、第１アーム及び第２アームが水平面内で回動することによって、アーム体（第１アーム及び第２アーム）の屈伸を実現させるものであって、また、第２アームの先端に回転可能に保持されたハンド部をカセットに対して直進／後退させることで、ワークのロード／アンロードを行うものである。特許文献１記載のＳＣＡＲＡ型ロボットによれば、円筒座標型ロボットを使用する場合と異なり、走行軸（複数のアームが設置された基台を水平方向に走行させるレールなど）の設置スペースが不要になる、といったメリットがある。

特開２００３−１７０３８４号公報（図２）

しかしながら、上述した従来のＳＣＡＲＡ型ロボットでは、第１アームと第２アームを直線補間によって制御した場合（すなわち、アーム上の一点を直線移動させる制御をした場合）、２本のアームが重なることに起因して、第２アームの角速度が急激に変化し、半導体ウェハの搬送が不安定になる虞がある。より詳細には、図６を用いて説明する。

図６は、従来のＳＣＡＲＡ型ロボット１００において、第１アーム１０１と第２アーム１０２を直線補間によって制御する様子を説明するための説明図である。図６（ａ）において、従来のＳＣＡＲＡ型ロボット１００は、基端部１０４が基台（図示せず）に設置された第１アーム１０１と、第１アーム１０１の先端部に連結された第２アーム１０２と、第２アーム１０２の先端部に連結されたハンド部１０３と、から構成されている。なお、ハンド部１０３は、ワーク（搬送対象物）２００を支持している。

今、ワーク２００をａ方向（Ｘ−Ｙ座標系におけるＸ軸方向）に移動させるため、第１アーム１０１と第２アーム１０２を直線補間によって制御する場合（すなわち、第２アーム１０２の先端部Ｘをａ方向に直線移動させる制御をする場合）を考える。基端部１０４を中心にして、第１アーム１０１を右回りに回動させつつ、第１アーム１０１の先端部を中心として、第２アーム１０２を左回りに回動させると、ワーク２００がａ方向に直線移動していく。

ここで、第１アーム１０１の有効長をＬ_１，第２アーム１０２の有効長をＬ_２とした場合（図６（ａ）参照）、第１アーム１０１と第２アーム１０２のなす角が０°となる姿勢は特異点となる。そして、この特異点の近傍を通過する直線補間を行う場合、すなわち図６（ａ）に示すＬが（Ｌ_１−Ｌ_２）に近い値の軌跡をたどる場合は、第１アーム１０１及び第２アーム１０２は、図６（ａ）→図６（ｂ）に示すような回転をする。その後、図６（ｂ），図６（ｃ）に示すように、第２アーム１０２は、第１アーム１０１の先端部を中心として、右回りの角速度で回転するようになる。一方で、第１アーム１０１は、基端部１０４を中心にして、図６（ａ）から図６（ｃ）を通して常時右回りに回転している。

図６では、ワーク２００を安定に搬送するため、ワーク２００のａ方向の搬送速度を一定にしている（図６（ａ）→図６（ｂ）と、図６（ｂ）→図６（ｃ）とで、ワーク２００のａ方向の搬送距離（第２アーム１０２の先端部Ｘの移動距離）をほぼ同じにしている）。第１アーム１０１の回転角度に着目すると、図６（ａ）→図６（ｂ）では約９０°−θ_２（θ_１はほぼ０°とする）、図６（ｂ）→図６（ｃ）ではθ_２＋θ_３となっている。そして、これらの回転角度のうち、図６（ａ）→図６（ｂ）の約９０°−θ_２の方が、明らかに最大である。すなわち、第２アーム１０２の先端部Ｘが特異点の近傍を通過するとき、ワーク２００のａ方向の搬送速度を一定にしようとすると、第１アームの基端部１０４を特異点として、第１アーム１０１の角速度を急激に（高速に）変化させなければならない。これは、第１アーム１０１や第２アーム１０２に振動を引き起こし、ワーク２００の搬送を不安定にさせる虞がある。

また、第１アーム１０１の角速度を急激に（高速に）変化させるためには、特別に大きな駆動力（トルク）が必要となるが、これを実現するために高価なモータが必要となり、結果として製造コストの上昇に繋がる虞がある。

この点、特開平１１―１３８４７４号公報に開示された多関節ロボットによれば、ワーク搬送中に特異点を発生させないようにすることができる。すなわち、この多関節ロボットは、回転テーブルの回転中心に対して偏心した位置に第１回転軸を形成して回転テーブルを第１アーム部とし、第１回転軸に回転可能に保持されるアームを第２アーム部とし、第２アーム部の先端に第３アーム部を、第３アーム部の先端にハンド部を回転可能に保持する共に、第１アーム部，第２アーム部，第３アーム部及びハンド部の各々を回転制御することによって、特異点を発生させないようにしている。しかし、この「各々を回転制御すること」は、制御パラメータ数の多さに起因して複雑な制御となっており、その制御プログラムを作成するためには多大な労力を要する。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大きな駆動力を発生する高価なモータを用いることなく、簡易な制御によって、半導体ウェハなどのワークを安定に搬送することが可能な多関節型ロボットを提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、以下のものを提供する。

（１） ワークをカセットに載置又は取り出しする多関節型ロボットにおいて、ワークを保持するハンド部と、前記ハンド部を先端側で回転可能に保持するアーム部と、前記多関節ロボットの基端側に位置する基台側リンク部と、前記アーム部側に位置するアーム部側リンク部と、が互いに回転可能に連結され、前記アーム部側リンク部が前記アーム部の基端側を回転可能に保持するリンク機構と、前記アーム部を回転制御する駆動手段と、を備え、前記リンク機構は、前記アーム部の基端側の移動軌跡が所定の直線となるように動作し、前記駆動手段は、前記アーム部の回転動作を前記リンク機構による前記アーム部の基端側の移動に整合させて、前記アーム部の先端側を前記所定の直線と略直交する方向に直線補間するように移動させることを特徴とする多関節型ロボット。

本発明によれば、多関節型ロボットに、半導体ウェハなどのワークを保持するハンド部と、このハンド部を回転可能に保持するアーム部と、このアーム部の基端側を回転可能に保持するとともに、このアーム部の基端側の移動軌跡が、ワークをカセットにロード／アンロードする方向とはほぼ直交する方向の直線となるように動作するリンク機構と、アーム部（又はアーム部の先端側）を、リンク機構の移動に整合させてワークをカセットにロード／アンロードする方向に直線補間するように移動させる駆動手段（例えばモータ）と、を設けることとしたので、半導体ウェハなどのワークを安定に搬送することができる。すなわち、アーム部を直線補間するように移動させる場合であっても、アーム部の基端側を最適な位置に移動させることで、アーム部やリンク機構の急激な速度変動を必要としない（特異点が発生しない）。従って、アーム部やリンク機構の振動発生を防ぐことができ、ひいてはワークを安定に搬送することができる。

また、アーム部やリンク機構の急激な速度変動を必要としないので、大きな駆動力を発生する高価なモータを用いることなく、ワークを安定に搬送することができる。さらに、特開平１１―１３８４７４号公報に開示された多関節ロボットでは、第１アーム部，第２アーム部，第３アーム部及びハンド部の各々を回転制御する必要があったが、本発明によれば、リンク機構，アーム部及びハンド部の各々を回転制御すれば足りるため、制御パラメータ数を削減することができ（その結果、制御プログラムを作成するための労力を減らすことができ）、ひいては簡単な制御によって、ワークを安定に搬送することができる。

なお、従来のＳＣＡＲＡ型ロボット１００（図６参照）では、ワーク２００を一定の搬送速度で搬送しようとすると、第１アーム１０１の急激な速度変動が必要であったが（図６（ｂ）→図６（ｃ）参照）、第１アーム１０１が所定の角速度以上のスピードで回転すると、ＳＣＡＲＡ型ロボット１００自体が故障する可能性があるため、第１アーム１０１の速度超過を防ぐ処理が施されていた。しかし、本発明に係る多関節型ロボットによれば、このような特別な処理も不要となるため、製造コスト削減に大きく貢献することができる。

（２） 前記リンク機構は、前記基台側リンク部と前記アーム部側リンク部との長さが略同一であって、前記基台側リンク部と前記アーム部側リンク部との回転角度比が１：２であることを特徴とする（１）記載の多関節型ロボット。
（３） ワークの載置又は取り出し時に、前記ハンド部を前記アーム部と反対方向に回転させて、前記ハンド部の向きを保つようにしたことを特徴とする（１）又は（２）記載の多関節型ロボット。

本発明によれば、上述したリンク機構は、多関節ロボットの基端側に位置する基台側リンク部と、アーム部側に位置するアーム部側リンク部と、が連結されて構成され、両者の長さが略同一であって（ほぼ等しく）、両者の回転角度比が１：２であることとしたから、アーム部の基端側を常時所定の直線上に適切に規制することができ、アーム部やリンク機構の急激な速度変動を不要なものとし、ひいてはワークを安定に搬送することができる。

この点、従来の円筒座標系ロボットに、基台を水平方向に走行させる走行軸を設けることによって、上述した連結点を直線移動させることは可能である。しかし、走行軸を設けるとなると、その設置スペースが必要になるのみならず、レールなどの発塵部になり得る部品も必要になるため、クリーンルーム内での使用に適さない。一方で、本発明に係る多関節型ロボットによれば、レールなどの発塵部になり得る部品を必要としないため、クリーンルーム内でも適切に使用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、アーム部やリンク機構の振動発生を防ぐことができ、ひいてはワークを安定に搬送することができる。また、大きな駆動力を発生する高価なモータを用いることなく、ワークを安定に搬送することができる。さらに、アーム部やリンク機構の速度超過を防ぐ特別な処理が不要となるため、製造コスト削減に大きく寄与することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

［機械構造］
図１は、本発明の実施の形態に係る多関節型ロボット１の縦断面図である。また、図２は、図１に示す多関節型ロボット１の横断面図である。特に、図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ'線に沿う断面図であって、図２（ｂ）は、図１におけるＢ−Ｂ'線に沿う断面図である。

図１及び図２において、多関節型ロボット１は、基台２と、リンク機構３と、アーム部６と、ハンド部７と、から構成される。リンク機構３は、互いに回転可能に連結された同じ長さの基台側リンク部４とアーム部側リンク部５を備えている。

基台２は、昇降モータ２０と、昇降モータ２０によって回転し、上下方向を長手方向とするガイド軸２１と、ガイド軸２１に案内されて上下方向に昇降する昇降筒８と、を備えている。

基台側リンク部４は、昇降筒８に、連結軸８ｂを介して連結されており、昇降筒８に内蔵されたリンク機構モータ８ａによって回転可能に保持されている。また、基台側リンク部４は、昇降筒８の昇降に伴って、基台２に対して昇降可能となっている。

基台側リンク部４には、基台側プーリ４ａ，アーム部側プーリ４ｂ，ベルト４ｃが内蔵されている。そして、基台側プーリ４ａとアーム部側プーリ４ｂとの径の比は２：１としている。また、アーム部側プーリ４ｂとアーム部側リンク部５とは、連結軸４ｄによって連結されている。従って、基台側プーリ４ａとアーム部側プーリ４ｂとの回転角度比、すなわち基台側リンク部４とアーム部側リンク部５との回転角度比は１：２となり、その結果、リンク機構３は、基台側リンク部４における基台側プーリ４ａの中心点（固定点Ｙ）と、アーム部側リンク部５とアーム部６とを回転可能に連結する連結軸５ａの中心点（連結点Ｚ）と、が常時所定の直線上に規制されることなる。

アーム部６は、アーム部側リンク部５の先端に、連結軸５ａを介して連結されており、アーム部側リンク部５に内蔵されたアーム部モータ５１によって回転可能に保持されている。なお、図１では、説明の便宜上、アーム部モータ５１をアーム部側リンク部５に内蔵させているが、本発明はこれに限られず、例えばアーム部モータ５１をアーム部６に内蔵させてもよいし、その他どこにあってもよい。ハンド部７には、平行な２本の上支持フレーム７ａと下支持フレーム７ｂから構成され、上支持フレーム７ａ及び下支持フレーム７ｂは、アーム部６の先端に、それぞれ連結軸６ｃ及び連結軸６ｄを介して連結され、それぞれアーム部６に内蔵された下支持フレームモータ６ａ及び上支持フレームモータ６ｂによって回転可能に保持されている。

なお、昇降モータ２０，リンク機構モータ８ａ，アーム部モータ５１，下支持フレームモータ６ａ及び上支持フレームモータ６ｂを駆動する制御信号は、オペレータが入力したプログラムに基づいて、コンピュータ（図示せず）から適宜送信される。

［機械動作］
図３は、本発明の実施の形態に係る多関節型ロボット１の機械動作を説明するための説明図である。図３では、ワーク（円形の半導体ウェハ）３０を図中下のカセットから取り出して、図中上のカセットに載置する動作について説明する。

図３（ａ）において、ハンド部７の上支持フレーム７ａの先端には、ワーク３０が載置されている。なお、ハンド部７の下支持フレーム７ｂは、ここでは使用しないため、図示するように折り曲げられた状態になっている。

ハンド部７の上支持フレーム７ａは、ワーク３０を図中下のカセットから取り出すために、その向きを保ちつつｙ軸の正方向に直線移動する。より詳細に説明すると、アーム部６は、アーム部モータ５１によって連結点Ｚを中心として右回りに回転し、ハンド部７の上支持フレーム７ａは、上支持フレームモータ６ｂによって連結軸６ｃを中心として左回りに回転する。このとき、連結点Ｚの移動軌跡は、ワーク３０をアンロードする方向と直交する方向（ｘ軸方向）の直線となる。

その後、ハンド部７の上支持フレーム７ａが所定距離だけ図中の上に移動すると、ワーク３０の取り出しが完了する（図３（ｂ））。そして、アーム部６が、ハンド部７の上支持フレーム７ａと一体になって連結点Ｚを中心として右回りに所定角度回転することで、ハンド部７の上支持フレーム７ａの向きは、下向きから上向きへ１８０°逆さになる（図３（ｃ））。なお、図３（ｂ）及び図３（ｃ）では、下支持フレーム７ｂは、上支持フレーム７ａと重なって、上支持フレーム７ａと同じ動作を行う。

最後に、アーム部モータ５１によってアーム部６が連結点Ｚを中心として右回りに回転し、上支持フレームモータ６ｂによってハンド部７の上支持フレーム７ａが連結軸６ｃを中心として左回りに回転することで、ワーク３０が図中上のカセットに載置されることになる（図３（ｄ））。なお、図３（ｄ）では、図３（ａ）と同様に、ハンド部７の下支持フレーム７ｂは、図示するように折り曲げられた状態になっている。

図４及び図５は、本発明の実施の形態に係る多関節型ロボット１の別の機械動作を説明するための説明図である。図４及び図５では、多関節型ロボット１によって、ワーク（円形の半導体ウェハ）３０をそれぞれ図中左下及び図中右下のカセットから取り出して、それぞれ図中左上及び図中右上のカセットに載置する動作について説明する。

図４（ａ）において、多関節型ロボット１は、ハンド部７の上支持フレーム７ａの先端にワーク３０が載置されている。以下、図３（ｂ）〜図３（ｄ）を用いて説明したのと同様に、アーム部モータ５１によってアーム部６が連結点Ｚを中心として右回りに回転し、上支持フレームモータ６ｂによってハンド部７の上支持フレーム７ａが連結軸６ｃを中心として左回りに回転して、ワーク３０の取り出しが完了した後（図４（ｂ））、アーム部６がハンド部７の上支持フレーム７ａと一体になって連結点Ｚを中心として左回りに所定角度回転し、ハンド部７の上支持フレーム７ａの向きが下向きから上向きへ１８０°逆さになる（図４（ｃ））。最後に、アーム部モータ５１によってアーム部６が連結点Ｚを中心として右回りに回転し、上支持フレームモータ６ｂによってハンド部７の上支持フレーム７ａが連結軸６ｃを中心として左回りに回転することで、ワーク３０が図中左上のカセットに載置されることになる（図４（ｄ））。

一方で、図５（ａ）において、多関節型ロボット１は、ハンド部７の上支持フレーム７ａの先端にワーク３０が載置されている。以下、図３（ｂ）〜図３（ｄ）を用いて説明したのと同様に、アーム部モータ５１によってアーム部６が連結点Ｚを中心として左回りに回転し、上支持フレームモータ６ｂによってハンド部７の上支持フレーム７ａが連結軸６ｃを中心として右回りに回転して、ワーク３０の取り出しが完了した後（図５（ｂ））、アーム部６がハンド部７の上支持フレーム７ａと一体になって連結点Ｚを中心として右回りに所定角度回転し、ハンド部７の上支持フレーム７ａの向きが下向きから上向きへ１８０°逆さになる（図５（ｃ））。最後に、アーム部モータ５１によってアーム部６が連結点Ｚを中心として左回りに回転し、上支持フレームモータ６ｂによってハンド部７の上支持フレーム７ａが連結軸６ｃを中心として右回りに回転することで、ワーク３０が図中右上のカセットに載置されることになる（図５（ｄ））。

以上、図４及び図５を用いて多関節型ロボット１の別の機械動作を説明したが、連結点ＺをＸ線上で移動させることによって、例えば図中左下のカセットから図中右上のカセットにワーク３０を搬送することも可能である。より詳細には、多関節型ロボット１が図４（ｂ）の形態である場合において、連結点ＺをＸ軸の正方向に直線移動させるとともに、アーム部６を、連結点Ｚを中心として回転させ、ハンド部７を、連結軸６ｃを中心として回転させればよい。その結果、図４（ｂ）の形態であった多関節型ロボット１は、図５（ｃ）の形態になる。このように、多関節型ロボット１の形態を、図４（ａ）→図４（ｂ）→図５（ｃ）→図５（ｄ）という流れで変形させることによって、図中左下のカセットから図中右上のカセットにワーク３０を搬送することが可能になる。

このように、図３〜図５によれば、アーム部６とリンク機構３（基台側リンク部４とアーム部側リンク部５）とを直線補間によって制御する場合であっても、アーム部６の連結点Ｚを最適な位置に移動させることで、アーム部６やリンク機構３の急激な速度変動を必要としない（特異点が発生しない）ことが分かる。すなわち、図４（ａ）→図４（ｂ）の直線補間，図４（ｃ）→図４（ｄ）の直線補間，図５（ａ）→図５（ｂ）の直線補間，図５（ｃ）→図５（ｄ）の直線補間，図３（ａ）→図３（ｂ）の直線補間，図３（ｃ）→図３（ｄ）の直線補間において、従来の多関節ロボットが持っていた特異点は発生しない。従って、アーム部６やリンク機構３の振動発生を防ぐことができ、ひいてはワーク３０を安定に搬送することができる。

また、図３〜図５によれば、基台側リンク部４と、アーム部６と、ハンド部７の各々を回転制御することによって（換言すれば、リンク機構３のうちアーム部側リンク部５については特に回転制御しないことによって）、簡単な制御で、ワークを安定に搬送することができる。

本発明に係る多関節型ロボットは、大きな駆動力を発生する高価なモータを用いることなく、簡易な制御によって、半導体ウェハなどのワークを安定に搬送することが可能なものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る多関節型ロボットの縦断面図である。 図１に示す多関節型ロボットの横断面図である。 本発明の実施の形態に係る多関節型ロボットの機械動作を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る多関節型ロボットの別の機械動作を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る多関節型ロボットの別の機械動作を説明するための説明図である。 従来のＳＣＡＲＡ型ロボットにおいて、第１アームと第２アームを直線補間によって制御する様子を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 多関節型ロボット
２ 基台
３ リンク機構
４ 基台側リンク部
５ アーム部側リンク部
６ アーム部
７ ハンド部
８ 昇降筒

Claims (3)

1. ワークをカセットに載置又は取り出しする多関節型ロボットにおいて、
   ワークを保持するハンド部と、
   前記ハンド部を先端側で回転可能に保持するアーム部と、
   前記多関節ロボットの基端側に位置する基台側リンク部と、前記アーム部側に位置するアーム部側リンク部と、が互いに回転可能に連結され、前記アーム部側リンク部が前記アーム部の基端側を回転可能に保持するリンク機構と、
   前記アーム部を回転制御する駆動手段と、を備え、
   前記リンク機構は、前記アーム部の基端側の移動軌跡が所定の直線となるように動作し、
   前記駆動手段は、前記アーム部の回転動作を前記リンク機構による前記アーム部の基端側の移動に整合させて、前記アーム部の先端側を前記所定の直線と略直交する方向に直線補間するように移動させることを特徴とする多関節型ロボット。
2. 前記リンク機構は、前記基台側リンク部と前記アーム部側リンク部との長さが略同一であって、
   前記基台側リンク部と前記アーム部側リンク部との回転角度比が１：２であることを特徴とする請求項１記載の多関節型ロボット。
3. ワークの載置又は取り出し時に、前記ハンド部を前記アーム部と反対方向に回転させて、前記ハンド部の向きを保つようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の多関節型ロボット。

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