JP6057284B2 - 多関節ロボット及び半導体ウェハ搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアーム要素が順次接続されており、アクチュエータによって関節ごとにアーム要素を相対動作させることで、先端のハンド部の位置及び姿勢を変更可能に構成した多関節ロボット、及び、これを用いた半導体ウェハ搬送装置に関するものである。

従来より、複数のアーム要素を関節によって順次接続し、各関節に対応したアクチュエータを制御することによって、先端のハンド部の位置及び姿勢変更を変更可能にした多関節ロボットとして、数多くのものが知られている。

こうした多関節ロボットで用いられる関節は、対をなすアーム要素を相対的に直線運動させるものと回転運動させるものに分類され、これらの種類および個数を組み合わせることで、種々様々な動作を行わせることが可能になっている。

また、多関節ロボットの中でも、アクチュエータとしてモータ等による回転機構を関節に備えたいわゆる水平多関節型ロボットや、垂直多関節型ロボットが、製造業等においてより広く一般的に利用されている。例えば、半導体ウェハ搬送装置においては、特許文献１に記載されるような水平多関節型ロボットが好適に用いられており、先端に設けたハンド部上に半導体ウェハを載置させた状態で各関節を回転駆動させ、半導体ウェハを所定の位置に搬送することができるようになっている。

こうした多関節ロボットに所定の動作を行わせるためには、各関節に対応して設けられたアクチュエータを制御部により統合して制御することが必要となる。この際、制御部からは各アクチュエータに適した指令信号を個別に出力することになる。すなわち、関節が回転自由度を有するものであり、これを動作させるためにサーボモータ等の回転モータが使用されている場合には、モータの回転角度または回転角速度等を指令信号として出力し、所定の動作を行わせることになる。そして、上述の特許文献１に記載されているような、回転自由度を有する関節を３つ備えたタイプのロボットにおいては、３つの関節に対応するモータのそれぞれに対して上記と同様の指令信号を与えることで回転運動を行わせ、先端のハンド部を所望の位置および姿勢に変更することが可能になっている。

多関節ロボットでは一般に振動の低減が求められており、その中でも上記の半導体用途など精密加工を要する分野においてはこうした要求が特に大きなものとなっている。同時に、搬送時間の短縮などを目的に益々の高速化も求められてきている。しかしながら、動作速度を向上させた場合には、大きな加速度が働いて動作停止時の残留振動が大きくなる傾向にあるため、この残留振動を低減させることも必要となる。

そのため、下記特許文献２および非特許文献１では、上述した振動抑制のための手法としてインプットシェーピング制御を用いるものが開示されている。なお、インプットシェーピング制御をプリシェーピング制御と称することもあるが、両者は同一のものである。このインプットシェーピング制御では、予め振動測定を行うことで得た振動測定値を基にして、制振対象とする次数までの固有周波数と減衰係数とを装置特有の振動特性として同定しておき、アクチュエータに与えるべき基準指令値に対応する逆位相の信号を上記固有周波数及び減衰係数を基に作り出し、上記基準指令値に重畳させた制御指令値としてアクチュエータに与えるものである。このようにアクチュエータに与える制御指令値を予め適切なものに変更するフィルタ処理を行うことで、振動の抑制効果を得ることが可能となっている。

特開２０１１−２１６７２９号公報 特許第３０１５３９６号公報

Minh Duc Duong ,Kazuhiko Terashima ,Toshio Kamigaki ,and HirotoshiKawamura"Development of a Vibration Suppression GUITool Based on Input Preshaping and its Application to Semiconductor WaferTransfer Robot"(Int.J.ofAutomation Technology Vol.2 No.6,2008)

しかしながら、上記特許文献２および非特許文献１に記載のものは、アクチュエータが一個のみで構成される単純な構造体に適用する例を示したものであり、特許文献１記載のロボットのような、実際の製造ラインで使用可能な複数の関節を有するものに適用した例を開示するものではない。

そこで、上記特許文献２および非特許文献１に記載されるインプットシェーピング制御を特許文献１のような多関節ロボットに適用する場合には、各関節を駆動するモータにそれぞれ与えられる回転角度または回転角速度等の指令値に対して、インプットシェーピング制御に係るフィルタ処理を独立して適用することが考えられる。こうすることで、上記と同様に、多関節ロボットにおいても振動抑制効果を得ることが可能となる。

しかしながら、関節に対応するアクチュエータに与える指令値に独立してフィルタ処理を行った場合、ハンド部の動作軌跡が大きく異なってしまう可能性がある。

具体的には、制御対象となる多関節ロボットが、関節の一部に回転自由度を有するものとされている場合には、一般にはモータによってこれを駆動するため、その回転角度または回転角速度等を指令値として制御が行われる。そのため、この指令値とハンド部の移動距離とは比例関係になることがなく、インプットシェーピング制御に係るフィルタ処理の影響は関節ごとに異なることになる。従って、ハンド部に直線軌道で動作させる指令値を与えた場合であっても、振動抑制のため関節ごとの指令値に独立してインプットシェーピング制御に係るフィルタ処理を適用すると、目標の軌道よりずれが生じハンド部は直線的な動作が不能となってしまう。

そのため、ハンド部を他の装置の内部に挿入させる場合など、他の装置や壁面等の障害物が近くに存在する状態でハンド部を直線的に動作させる際には、これらの障害物にハンド部が衝突して損傷することが考えられる。また、ハンド部が半導体ウェハ等のワークを保持して動作する場合には、ワークを他の装置や壁面などに衝突させて損傷させる可能性もある。

また、上記のインプットシェーピング制御だけではなく、振動抑制のための他のフィルタ処理を適用する場合にも同様の問題が生じ得る。さらに、振動抑制といった目的のみならず、ハンド部の速度・加速度等の適正化等の異なる目的の基にフィルタ処理を行う場合であっても、同様の問題が生じることになる。

本発明は、上記のような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、アクチュエータを動作させる際の基準指令値に対して入力整形を行うことによる動作の軌道のずれを抑制し、入力整形による効果を得つつも動作の軌道を正確に保つことが可能な多関節ロボット及び半導体ウェハ搬送装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の多関節ロボットは、直動又は回動可能な複数の関節により順次接続されるアーム要素と、各関節に接続されるアーム要素の相対位置又は姿勢を変更するアクチュエータと、当該アクチュエータの制御を行うことで末端のアーム要素に設けられたハンド部の位置及び姿勢の制御を行う制御部と、を具備し、前記関節のうち少なくとも２つが互いに平行な軸回りの回転自由度を有し、前記ハンド部を他の装置や壁面等の障害物が近くに存在する状態で直線的に動作させる制御を含む多関節ロボットであって、前記制御部が、前記ハンド部の位置又は姿勢を制御するための前記アクチュエータへの制御指令値である基準指令値をその少なくとも一部が直交座標系となる直交座標系基準指令値として得る直交座標系基準指令設定部と、当該直交座標系基準指令設定部により得られる前記直交座標系基準指令値に対して所定の入力整形を行って直交座標系整形指令値を生成する直交座標系整形指令生成部と、前記直交座標系整形指令生成部より得られる前記直交座標系整形指令値が、これを関節座標系に変換する場合に無限個数の解が得られる冗長姿勢位置を含む一定の冗長領域内に対応するものであるか否かを判定する冗長領域判定部と、を備えており、前記冗長領域判定部において前記直交座標系整形指令値が前記冗長領域外に対応するものと判定した場合には、前記直交座標系整形指令値を各関節に対応する関節座標系に変換した関節座標系変換指令値を生成して、当該関節座標系変換指令値を基に各アクチュエータの制御を行い、前記冗長領域判定部において前記直交座標系整形指令値が前記冗長領域内に対応するものと判定した場合には、冗長領域外に対応する直交座標系整形指令値を基に関節座標系補間指令値を生成して、当該関節座標系補間指令値を基に各アクチュエータの制御を行うように構成されていることを特徴とする。

このように構成すると、直交座標系にて得た制御指令値を基にして所定の入力整形を行った後に関節座標系に変換することで、入力整形による効果と軌道の正確性とを両立させることが可能となる上に、特定の冗長領域において座標変換の影響により位置制御が不安定となることを抑制しつつ入力整形の効果を維持させることができるため、よりアーム要素の軌道の正確性を高めることが可能となる。

また、冗長領域内にあるか否かを簡単な演算処理により判断しつつ制御を行うことを可能とするためには、前記冗長領域判定部が、前記直交座標系整形指令生成部より得られる前記直交座標系整形指令値を基にして関節の相対距離を算出し、当該相対距離が予め定めた所定値未満である場合に、当該直交座標系整形指令値が前記冗長領域内に対応するものとして判定するように構成することが好適である。

また、ハンド部の位置制御を高速で且つ高精度に行うことを可能とするためには、関節座標系補間指令値をより簡単な手法で高速に演算させることが効果的であるため、前記冗長領域に入る直前に対応する直交座標系整形指令値と、前記冗長領域より出た直後に対応する直交座標系整形指令値とを基にして、前記冗長領域内で各アクチュエータが等速運動を行うように前記関節座標系補間指令値を生成するよう構成することが好適である。

また、上記冗長領域の判定をより具体的な簡便な手法により行うためには、関節同士が重なり合う位置、又は、関節とハンド部の基準位置とが重なり合う位置を中心としてアーム要素が所定の範囲内にある姿勢を前記冗長姿勢とするように構成することが好適である。

また、ハンド部の位置精度をより一層高めるとともに、残留振動を抑制することで高速化を可能とするためには、前記直交座標系整形指令生成部にて行う所定の入力整形が、前記ハンド部の振動を抑制するためのインプットシェーピング制御としてのフィルタ処理とするように構成することが好適である。

また、本願発明の半導体ウェハ装置は、上記の多関節ロボットを備えるとともに、当該多関節ロボットを水平多関節型ロボットとして構成し、前記ハンド部上に半導体ウェハを載置させつつ、当該半導体ウェハの搬送を行うように構成したものであり、このように構成することで、精密な動作を要する半導体ウェハ搬送装置を効果的に実現することが可能となる。

以上説明した本発明によれば、アクチュエータを動作させるための基準指令値に対して入力整形を行うことで生じるハンド部の軌道のずれを抑制し、入力整形による効果を得つつも軌道を正確に保つことが可能な多関節ロボット及び半導体ウェハ搬送装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る多関節ロボット及びこれを備えた半導体ウェハ搬送装置の平面図。 同多関節ロボットを模式的に示す構成図。 同多関節ロボットにおけるアーム要素の構成を模式的に示す平面図。 同多関節ロボットにおける各関節の駆動手段を模式的に示す構成図。 同多関節ロボットにおける各関節の座標の定義を示す説明図。 各関節を駆動するモータに与える指令値を決定するためのブロック線図。 冗長領域における制御指令値の変化の一例を示す説明図。 冗長領域として関節座標系補間指令値を作成する区間の一例を示す説明図。 同多関節ロボットによるハンド部のＸＹ平面内軌道の一例を本発明適用前後で比較して示す説明図。 図９に係る動作を行わせた際の残留振動を本発明適用前後で比較して示す説明図。 本発明との比較例として関節座標系の軌道データを基に生成した制御指令値により動作させた際のＸＹ平面内軌道の一例を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態における多関節ロボット１を中心として、これを備えた半導体ウェハ搬送装置ＴＤとして構成したものである。多関節ロボット１はフレームＦｒを介して、ロードポートＬＰ１〜ＬＰ４と接続されており、このロードポートＬＰ１〜ＬＰ４内に収容するウェハ（半導体ウェハ）Ｗの入替作業を行うことができるようになっている。

ロードポートＬＰ１〜ＬＰ４は多関節ロボット１に対向しつつ、一列に並んで配置されており、多関節ロボット１の位置は、ロードポートＬＰ１とＬＰ２の中間となるように設定されている。

ここで、本発明においては、ロードポートＬＰ１〜ＬＰ４を配置する方向、すなわち図中の右方向をＸ方向として定義し、これに直交する方向、すなわち図中の上方向をＹ方向として定義する。そして、鉛直上方向、すなわち紙面手前方向をＺ方向として定義する。さらに、平面視においてＸ軸を基準に反時計回りの方向をφ方向と定義する。

図中においてウェハＷの内部に記載している黒丸印は、このウェハＷの中心位置であり、多関節ロボット１の制御を行う際の基準位置Ｐｗとなる。そして、各ロードポートＬＰ１〜ＬＰ４において記載した黒丸印は、ウェハＷの搬送先を示すものであり、これらの位置に上記の基準位置Ｐｗを合致させるように行わせる。

この多関節ロボット１の構成を図２に示す。多関節ロボット１は大きく分けて機械装置部２と制御部３とから構成されており、制御部３から与えられる制御指令値に基づいて、機械装置部２が動作するようになっている。

まずは、この機械装置部２の構成について図３を基に説明する。機械装置部２は、ベース４より順次関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を介して接続された第１アーム要素１１、第２アーム要素１２及び第３アーム要素１３を備える水平多関節型に構成されており、各アーム要素１１〜１３が、ＸＹ平面に平行で且つＺ方向にずれた平面内で回動可能となっている。

具体的には、第１アーム要素１１はベース４上の所定位置に回転軸ＳＴを中心とする回転自由度を有する第１関節Ｊ１を介して回動可能となるように設けられている。また、この第１アーム要素１１の先端には、回転軸ＳＲを中心とする回転自由度を有する第２関節Ｊ２を介して、第２アーム要素１２が回動可能に設けられている。さらに、この第２アーム要素１２の先端には、回転軸ＳＨを中心とする回転自由度を有する第３関節Ｊ３を介して第３アーム要素１３が回動可能に設けられている。上記回転軸ＳＴ，ＳＲ，ＳＨは、互いに平行となるように設定されており、こうすることで第１〜第３アーム要素１１〜１３は、互いに平行な平面内を回動するようになっている。また、それぞれＺ方向にずれた位置に設けられているため、第１〜第３アーム要素１１〜１３および第１〜第３関節Ｊ１〜Ｊ３は相互に干渉することが無く、互いに回動を妨げることがないようになっている。

末端となる第３アーム１３の先端にはＵ字型のハンド部Ｈが、先端側を開放する向きに設けられており、第３アーム１３と一体化して動作するようになっている。このハンド部Ｈ上に、ワークとしてのウェハＷを保持することが可能となっており、Ｕ字型の中心近傍に上述の基準位置Ｐｗが設定されている。

機構上は、第１関節Ｊ１の中心となる回転軸ＳＴより第２関節Ｊ２の中心となる回転軸ＳＲまでが第１リンク１１Ｌを構成し、第２関節Ｊ２の中心となる回転軸ＳＲより第３関節Ｊ３の中心となる回転軸ＳＨまでが第２リンク１２Ｌを構成することになる。同様に、第３関節Ｊ３の中心となる回転軸ＳＨより上記基準位置Ｐｗまでを第３リンク１３Ｌとして考える。

第１〜第３関節Ｊ１〜Ｊ３には、それぞれ対応するサーボモータＭ１〜Ｍ３が組み込まれている。第１サーボモータＭ１は、固定部がベース４に取り付けられて回転部が第１アーム要素１１に取り付けられているため、制御指令値を通じてベース４に対する第１アーム要素１１の回転角度を規制することになる。第２サーボモータＭ２は、固定部が第１アーム要素１１に取り付けられて回転部が第２アーム要素１２に取り付けられているため、制御指令値を通じて第１アーム要素１１に対する第２アーム要素１２の回転角度を規制することになる。第３サーボモータＭ３は、固定部が第２アーム要素１２に取り付けられて回転部が第３アーム要素１３に取り付けられているため、制御指令値を通じて第２アーム要素１２に対する第３アーム要素１３の回転角度を規制することになる。

サーボモータＭ１〜Ｍ３には、図４に示すように、制御部３よりサンプリング周期ごとで適宜制御指令値が与えられて駆動がなされる。制御指令値は、角速度指令としてサーボドライバＤ１〜Ｄ３に与えられ、サーボドライバＤ１〜Ｄ３では適宜モータＭ１〜Ｍ３に適した形式で動力が与えられる。モータＭ１〜Ｍ３と関節Ｊ１〜Ｊ３の間には減速機を設けることも好適である。本実施形態では、制御指令値として角速度指令を使用したが、角速度指令に代えて角度指令を用いるように構成することも可能であり、サーボドライバによる設定の容易性等を考慮して適宜変更することが適切である。

図５は、上述した第１〜第３リンク１１Ｌ〜１３Ｌを模式的に示したものである。ここで、各リンク１１Ｌ〜１３Ｌの長さをそれぞれＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３とする。本実施形態では、第１リンク１１Ｌと第２リンク１２Ｌとは同一の長さ（Ｌ_１＝Ｌ_２）となるように設定しており、これらに対して第３リンク１３Ｌの長さＬ_３を８０％程度に設定し、ハンド部ＨにウェハＷ（図３参照）を保持させた場合のウェハＷの先端までの長さが、第１リンク１１Ｌ及び第２リンク１２Ｌと同等になるようにしている。こうすることで、ウェハＷを広い領域内で自由に動作させることが可能となっている。なお、Ｌ_１，Ｌ_２とＬ_３との関係は必須ではなく、ロボットの剛性確保や配置等によっては、Ｌ_１，Ｌ_２よりもＬ_３を大きく（Ｌ_３＞Ｌ_２，Ｌ_３＞Ｌ_１）するような設定も可能である。

ベース部４（図３参照）に対する第１リンク１１Ｌの相対角度θ_１、第１リンク１１Ｌに対する第２リンク１２Ｌの相対角度θ_２、第２リンク１２Ｌに対する第３リンク１３Ｌの相対角度θ_３を決定することで、ハンド部Ｈにおける基準位置Ｐｗの絶対的な位置を決定することができる。この基準位置ＰｗのＸＹ平面上における座標ｘ，ｙは、後述する運動学変換によって相対角度θ_１，θ_２，θ_３によって表すことが可能となる。同様に、ハンド部Ｈの姿勢としての第３リンク１３Ｌの絶対角度φも、相対角度θ_１，θ_２，θ_３によって決定することができる。

ここで、ハンド部Ｈの基準位置Ｐｗを示すＸＹ平面上での座標データ（ｘ，ｙ）及びハンド部Ｈの姿勢を示すＸＹ平面上での角度データ（φ）は、ハンド部Ｈの絶対的な位置及び姿勢を示すものであり、これらをまとめて、直交座標系位置データ（ｘ，ｙ，φ）と称し、これを時系列に従って変化させたデータを直交座標系軌道データ（ｘ，ｙ，φ）と称す。

このハンド部Ｈの位置及び姿勢は、上述したように、図５に示す各リンク１１Ｌ〜１３Ｌの回転角θ_１〜θ_３と長さＬ_１〜Ｌ_３によっても表すことができるが、各リンク１１Ｌ〜１３Ｌの長さＬ_１〜Ｌ_３は固定値となるために、結局のところ各リンク１１Ｌ〜１３Ｌの回転角θ_１〜θ_３、すなわち各関節Ｊ１〜Ｊ３におけるリンク１１Ｌ〜１３Ｌの相対回転角θ_１〜θ_３のみを変数として表すことが可能である。そこで、これらの回転角θ_１〜θ_３をまとめて、関節座標系位置データ（θ_１，θ_２，θ_３）と称し、これを時系列に従って変化させたデータを関節座標系軌道データ（θ_１，θ_２，θ_３）と称す。

次に、図２に戻って、制御部３の構成について説明を行う。

制御部３は、直交座標系基準指令設定部３１と、直交座標系整形指令生成部３２と、関節座標系変換指令生成部３３と、振動特性記憶部３４と、冗長領域設定記憶部３５と、冗長領域判定部３６と、関節座標系補間指令生成部３７とを備えている。これら各部は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、各種インターフェイス等を備えたパソコン等の情報処理装置において、予め記憶されている制御指令値生成ルーチンをＣＰＵが実行することで制御指令値を生成し、この制御指令値を、サーボドライバＤ１〜Ｄ３を介してモータＭ１〜Ｍ３（図３，図４参照）に与えるまでの動作をソフトウェア及びハードウェアが協働して実現するものである。

直交座標系基準指令設定部３１では、具体的な制御指令値を決定するための基準となる基準指令値として、ハンド部Ｈの位置を時系列で表した直交座標系軌道データ（ｘ，ｙ，φ）を基に、直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）を設定する。直交座標系軌道データ（ｘ，ｙ，φ）は、外部より直接与えることも、内部に記憶しておくように構成することも可能である。また、他のデータを基にして演算によって求めるようにすることも可能であり、本実施形態においては、データの共有化を図るために、各関節の角速度目標値（Ω_１，Ω_２，Ω_３）を記憶しておき、これを基に直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）を演算によって導出して設定するようにしている。

具体的には、まず、各関節の角速度目標値（Ω_１，Ω_２，Ω_３）を積分することによって各関節の角度目標値（θ_１，θ_２，θ_３）を導出する。そして、この角度目標値（θ_１，θ_２，θ_３）を基に、次のような順運動学変換式を用いて直交座標系軌道データ（ｘ，ｙ，φ）を導出する。

さらに、こうして得られた直交座標系軌道データ（ｘ，ｙ，φ）より、サンプリング時間Δｔによる変化量、すなわち直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）を次のような式を用いて導出する。

上記のようにして得られた直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）は、直交座標系基準指令設定部３１において、具体的な制御指令値を決定するための基準となる直交座標系基準指令値として設定される。

そして、直交座標系整形指令生成部３２においては、上記のハンド部Ｈの直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）に対して、振動特性記憶部３４に記憶されている固有角周波数ｆ_ｉ及び減衰係数ξ_ｉを読み出しつつ、これらに基づいてインプットシェーピング制御に係るフィルタ処理としてのデータ処理を行うことで入力整形を行い、直交座標系整形指令値（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を生成する。

ここで、各記号に付した添え字の位置は数式に記載しているものが正しく、「＾」は、振動抑制のための入力整形後の指令であることを意味している。また、ｉは考慮する振動のモード数（ｉ＝１，２，…，ｎ）を指し、予めオフラインで行っておく振動測定結果より、機械装置部２における固有角周波数ｆ_ｉ及び減衰係数ξ_ｉの同定を行い、これらを振動特性として振動特性記憶部３４に記憶させておく。また、入力整形とは、制御に用いる入力信号の波形を異なる波形に整形するための処理を指し、デジタル信号、アナログ信号による処理の双方を含む概念で用いられる。

直交座標系整形指令値（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））の導出は、次の数７〜１１記載の式を繰り返し計算することによって行い、ｎ次モードまでの制振効果を付加する。ただし、ω_ｉ＝２πｆ_ｉである。

上記のようにして、直交座標系整形指令生成部３２では、直交座標系整形指令値として制振効果を付加した直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を得る。

関節座標系変換指令生成部３３では、上記直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を関節座標系に変換し、関節座標系変換指令値として、制振効果を付加した関節座標系速度データ（＾ω_１，＾ω_２，＾ω_３）を導出する。具体的には、まず、直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を積分することによって、制振効果を付加した直交座標系軌道データ（＾ｘ，＾ｙ，＾φ）を導出する。さらに、この制振効果を付加した直交座標系軌道データ（＾ｘ，＾ｙ，＾φ）を基にして、次のような逆運動学変換式を用いて制振効果を付加した関節座標系軌道データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）を導出する。なお、この逆運動学変換式は、Ｌ_１とＬ_２が同じ長さであるときのものである。

ここで、Ａ，Ｂは、図５に示した回転軸ＳＨのＸ，Ｙ座標を各々示すものであり、Ｌは、回転軸ＳＴと回転軸ＳＨとの相対距離を示すものである。

さらに、関節座標系変換指令生成部３３では、この関節座標系軌道データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）を基にして、次のような式を用いることで、関節座標系変換指令値として、制振効果を付加した関節座標系速度データ（＾ω_１，＾ω_２，＾ω_３）を導出する。

ここで、数１２〜２０記載の式、その中でも特に数１５記載の式より分かるように、回転軸ＳＨの座標（Ａ，Ｂ）が回転軸ＳＴ（０，０）の座標と同一になる場合には無限個数の解が得られ、両者が近づくことで関節座標系軌道データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）は大きく値が変化することになる。

これは実機においては、次のことを意味する。本実施形態のように、第１リンク１１Ｌと第２リンク１２Ｌの長さが同一である場合、第１関節Ｊ１と第３関節Ｊ３とが、より具体的には回転軸ＳＨと回転軸ＳＴとが重なり合う状態において、回転軸ＳＲの位置は無限に選択することができる。これは、回転軸ＳＨと回転軸ＳＴとが近接した状態となる姿勢において、関節Ｊ２の位置が不安定になることを示しており、こうした姿勢のことを冗長姿勢と称し、こうした姿勢を採る各アーム要素１１〜１３の位置を冗長姿勢位置と称する。本実施形態においては、この冗長姿勢位置を含む、位置制御が不安定となる可能性のある制御領域を冗長領域と称する。

具体的な例としては、図１に示す位置より多関節ロボット１を動作させて、ウェハＷの中心を示す基準位置ＰｗがＸ軸の負の方向（図中の右方向）にずれたロードポートＬＰ２のＹ方向手前の位置より、ロードポートＬＰ３のＹ方向手前の位置までＸ方向に平行移動させた場合に、図７のような関節角度の変化が生じる。何らの補正（補間）を行っていない場合には、図中白丸のプロット点に示すデータから分かるように、冗長姿勢となるポイントの前後で、大きく関節角度が変化することになる。こうした急激な関節角度の変化は、搬送中の振動を助長するものとなり好ましくない。

そこで、本実施形態においては、上記冗長領域より僅かにおおきな領域を各冗長領域に対応する補間領域として、その区間内で関節角度が滑らかに変化するようにしている。

この補間領域の判断基準として、本実施形態においては冗長領域設定記憶部３５において、図８に示すようなテーブルデータを備えている。以下、図１を参照しつつ図８の説明を行なう。

表中に記載した搬送開始点及び搬送終了点は、ロードポートＬＰ１〜ＬＰ４に対応する位置を示すものであり、ＬＰ１と記載している箇所は、ロードポートＬＰ１のＹ方向手前の位置、すなわち図１記載の状態よりウェハＷをＸ軸の負の方向（図中の左方向）に搬送させた位置を示している。そして、ＬＰ２（ＥＸ）と記載した位置は、ロードポートＬＰ２の内部（図中の黒丸の位置）にまでウェハＷを収容させるよう、アーム要素１１〜１３（図２参照）を伸張させた状態とすることを示している。

すなわち、搬送開始点ＬＰ１、搬送終了点ＬＰ２とするものは、ロードポートＬＰ１のＹ方向手前の位置より、ウェハＷをＸ軸に平行な向き（図中の右方向）に移動させ、ロードポートＬＰ２のＹ方向手前に位置させ、さらにアーム要素１１〜１３を伸張させることで、Ｙ方向（図中上方向）にウェハＷを搬送させて、ロードポートＬＰ２内に収容することを意味している。この場合においては、冗長領域を通過することがないために、補間は不要である。

同様に、ロードポートＬＰ２のＹ方向手前からロードポートＬＰ１の内部までの搬送経路、ロードポートＬＰ３のＹ方向手前からロードポートＬＰ４の内部までの搬送経路、及び、ロードポートＬＰ４のＹ方向手前からロードポートＬＰ３の内部までの搬送経路においては、冗長領域を通過しないために補間は必要としない。これは、本実施形態における機械装置部２は、ロードポートＬＰ２とＬＰ３との間に設けられているために、この中心位置を跨ぐことで回転軸ＳＴと回転軸ＳＨ（図５参照）とは近接して冗長姿勢をとることになるが、中心位置を跨ぐことが無い限り回転軸ＳＴと回転軸ＳＨとは一定以上に近接することが無く、冗長姿勢とならないためである。

そのため、この中心位置を跨ぐ搬送経路、例えば、ロードポートＬＰ１のＹ方向手前からロードポートＬＰ３の内部までの搬送経路においては、冗長領域を通過するために補間を必要とする。表中で記載した補間区間（ＬＰ１，２側）、及び、補間区間（ＬＰ３，４側）との部分は、当該搬送経路中で冗長領域として判断するための基準となる関節Ｊ１と関節Ｊ３の相対距離、すなわち回転軸ＳＴと回転軸ＳＨ間の相対距離であり、この範囲内にある限り冗長領域に対応する補間領域にあると判断する。

以上のような補間区間は装置特有の所定値として各搬送経路に対応させ個別に設定しているが、これを全ての搬送路で共通のものとすることも、さらに細かい数値データとして記憶させておくことも可能である。

なお、冗長領域としての判断基準として、回転軸の相対距離以外のものを使用することも可能である。例えば、本実施形態の多関節ロボット１ではＬ_１とＬ_２の長さが同じであるため、冗長領域の判断をθ_１とθ_２の相対角度を基に行うこともできる。この場合、所定の角度Δαを設定して、π−Δα＜θ_２−θ_１＜π＋Δαを満たす範囲を冗長領域とすることができる。

図２に記載した冗長領域判定部３６は、上記冗長領域設定記憶部３５に記憶された補間区間データを読み出しつつ、指令値に対応する回転軸ＳＴと回転軸ＳＨの位置が、冗長領域に対応するものであるか否かを判定する。この判定に当たっては、上述した直行座標系整形指令生成部３２より得られる直交座標系整形指令値としての直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を基に、これを積分して直交座標系軌道データ（＾ｘ，＾ｙ，＾φ）を導出した上で、上述の数１２〜１４記載の式を用いて、回転軸ＳＴと回転軸ＳＨとの間の距離Ｌを導出する。

この回転軸ＳＴと回転軸ＳＨとの間の相対距離Ｌを導出する過程は、上記関節座標系変換指令生成部３３における機能と同一であるため、演算の一部を共有するものとして両者を構成することも可能である。

冗長領域判定部３６は、搬送経路の設定に応じて、導出した回転軸ＳＴと回転軸ＳＨとの間の相対距離Ｌが、冗長領域設定記憶部３５に記憶された補間区間データの範囲内にあるものか否かを判定し、当該データの範囲にある場合には冗長領域に対応した補間領域にあるものとする。

そして、補間領域にある場合には、上記関節座標系変換指令部３３に指令を行い、対応するデータを使用禁止とさせる。こうすることで、補間領域内では、制御上の発散が生じて不安定となる恐れのある関節座標系速度データ（＾ω_１，＾ω_２，＾ω_３）を使用しないことになる。

また一方で、冗長領域判定部３６は、補間領域にある場合に、関節座標系補間指令生成部３７に対して指令を与えて、上記使用禁止とした関節座標系速度データ（＾ω_１，＾ω_２，＾ω_３）に代わる関節座標系補間指令値を作成させる。

関節座標系補間指令生成部３７では、その指令を受けて、次のようにして関節座標系補間指令値を作成する。

まず、直交座標系整形指令生成部３２より得られる直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘｎ（ｔ），＾ｖ_ｙｎ（ｔ），＾ｖ_φｎ（ｔ））を基に、上記搬送経路の中で、補間領域に入る直前と補間領域より出た直後の各関節の角度位置データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）を得る。すなわち、関節ごとに、図７に示す補間領域直前の関節角度Ｄｔ１と、補間領域直後の関節角度Ｄｔ２とを求める。

そして、これら関節角度Ｄｔ１と関節角度Ｄｔ２とを直線Ｌｉで結び、この直線をサンプリング周期Δｔによって、分割した点における関節角度を個々の位置における関節座標系補間指令値として設定する。すなわち、関節角度の変化曲線Ｌｒのうち、急激な変化を示す冗長領域に対応する部分が直線Ｌｉによって滑らかに補間される。これは、関節角度Ｄｔ１より関節角度Ｄｔ２に至るまで、等角速度で補間したことになる。

これらの関節座標系補間指令値は、関節座標系変換指令生成部３３によって生成した関節座標系速度データ（＾ω_１，＾ω_２，＾ω_３）に代わるものとして使用される。この場合において、関節角度が滑らかに変化しているために、冗長領域でも制御上の発散を生じず、安定した制御が可能となる。また、関節座標系補間指令値を生成する基礎となる関節角度Ｄｔ１、Ｄｔ２とは、制振効果を付加した角度位置データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）であるために、関節座標系補間指令値においても制振効果が発揮され、他の領域と同様、振動の低減を図ることが可能となっている。

上記のように構成された制御部３では、上述のように各機能ブロックが働くことで、結果として図６に記載したような流れで制御指令値を生成し、サーボドライバＤ１〜Ｄ３に与えることができるようになっている。以下、図２を参照しつつ図６を用いて説明する。

まず、直交座標基準指令設定部３１において、直交座標系の動作経路として直交座標基準指令値（ｘ，ｙ，φ）を生成または記憶部より読み込み（ＢＬ１）、さらに、その差分を計算することで直交座標系速度データ（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_φ）を生成する（ＢＬ２）。

そして、直交座標系整形指令生成部３２において、インプットシェーピング制御に係るフィルタ処理を行うことで、振動抑制指令として、制振効果を付加した直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘ，＾ｖ_ｙ，＾ｖ_φ）を生成する（ＢＬ３）。

さらに、関節座標系変換指令生成部３３において、直交座標系速度データ（＾ｖ_ｘ，＾ｖ_ｙ，＾ｖ_φ）を積算、すなわち積分することで、直交座標系軌道データ（＾ｘ，＾ｙ，＾φ）を得て（ＢＬ４）、これを逆運動学変換することにより関節座標系軌道データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）を得る（ＢＬ５）。

さらに、冗長領域判定部３６によって、搬送経路中に冗長姿勢となる領域が含まれると判定した場合には、当該領域の周辺を補間領域として、関節座標系軌道データ（＾θ_１，＾θ_２，＾θ_３）の一部を関節座標系補間指令値に置き換えた関節座標系補間軌道データ（＾θ_１’，＾θ_２’，＾θ_３’）を生成する。

関節座標系補間軌道データ（＾θ_１’，＾θ_２’，＾θ_３’）からは、差分が計算され、関節座標系補間速度データ（＾ω_１’，＾ω_２’，＾ω_３’）が生成され、これが制御指令値としてサーボドライバＤ１〜Ｄ３に与えられる。なお、サーボドライバＤ１〜Ｄ３のタイプによっては、直接関節座標系補間軌道データ（＾θ_１’，＾θ_２’，＾θ_３’）を与えることでも制御を行うことが可能となる。

上記のように構成した多関節ロボット１を用いて動作を行わせた一例を図９及び図１０に示す。図１及び図２を参照しつつ説明を行う。この動作例においては、ウェハＷをロードポートＬＰ２のＹ方向手前から、ロードポートＬＰ４のＹ方向手前にまでＸ方向に移動させた後に、ロードポートＬＰ４の内部にまで収容させた搬送経路としている。ロードポートＬＰ４のＹ方向手前から内部に収容されるまでの間は、壁面に衝突させることが無いよう真っ直ぐにウェハＷを搬送させるために、直線状に目標の軌道を設定している。

図９は、こうした目標の軌道に沿って動作させたインプットシェーピング制御適用前の軌道と、本発明手法の構成を適用した場合の軌道を示すものである。この図から分かるように、両者の軌道にほとんど変化は見られず、本発明手法の構成を適用したものであっても、回転軸ＳＴ，ＳＨ間が近接するＸ＝０の近傍位置において制御は安定しており、極端な位置変動や振動は生じていない。すなわち、直交座標系から関節座標系へのデータ変換を逆運動学変換によって行い、指令を生成しているにかかわらず冗長領域による影響は見られない。

さらに、ロードポートＬＰ４のＹ方向手前から、内部に収容するまでの軌道についても、ほぼ直線を維持しており、軌道のずれはほとんど見ることができない。

これに対して比較例として、関節座標系のままで、各関節に対応する角速度指令にインプットシェーピング制御に係るフィルタ処理を施した結果を、図１１に示す。なお、この比較例においては、ロードポートＬＰ１のＹ方向手前より、ロードポートＬＰ２のＹ方向手前までＸ方向に移動させた後、ロードポートＬＰ２の内部に直線状に収容させる搬送経路を採ったものである。この場合には、逆運動学変換を行わないために、当然制御上の発散は生じず安定して搬送を行うことができる。ただし、ロードポートＬＰ２の内部に収容するための直線状の動作経路は、大きくＸ方向に膨らんでしまい、インプットシェーピング制御適用による軌道のずれが大きく生じていることが分かる。

他方、図９を用いて上述したように、本発明手法による構成を採用した場合には、正確に直線状の軌道を確保することが可能となる。これは、直交座標系によりインプットシェーピング制御に係るフィルタ処理を行った後に関節座標系に変換して制御指令値を生成した効果といえる。

また、こうした動作を行わせた場合に生じる残留振動を図１０に示す。これから分かるように、インプットシェーピング制御適用前のものに比べて、残留振動が小さく、目標となる振動レベル以下にまで、素早く減衰することが分かる。このため、高速な動作と、高い位置精度とを好適に両立させることが可能となっている。

以上のように、本実施形態における多関節ロボット１は、複数の関節Ｊ１〜Ｊ３により順次接続されるアーム要素１１〜１３と、各関節Ｊ１〜Ｊ３に接続されるアーム要素１１〜１３の相対位置又は姿勢を変更するモータＭ１〜Ｍ３と、モータＭ１〜Ｍ３の制御を行うことで末端のアーム要素１３に設けられたハンド部Ｈの位置及び姿勢の制御を行う制御部３と、を具備し、関節Ｊ１〜Ｊ３が互いに平行な軸回りの回転自由度を有し、ハンド部Ｈを他の装置や壁面等の障害物が近くに存在する状態で直線的に動作させる制御を含む多関節ロボット１であって、制御部３が、ハンド部Ｈの位置又は姿勢を制御するためのモータＭ１〜Ｍ３への制御指令値である基準指令値をその少なくとも一部が直交座標系となる直交座標系基準指令値として得る直交座標系基準指令設定部３１と、直交座標系基準指令設定部３１により得られる直交座標系基準指令値に対して所定の入力整形を行って直交座標系整形指令値を生成する直交座標系整形指令生成部３２と、直交座標系整形指令生成部３２より得られる直交座標系整形指令値が、これを関節座標系に変換する場合に無限個数の解が得られる冗長姿勢位置を含む一定の冗長領域内に対応するものであるか否かを判定する冗長領域判定部３６と、を備えており、冗長領域判定部３６において直交座標系整形指令値が冗長領域外に対応するものと判定した場合には、直交座標系整形指令値を各関節Ｊ１〜Ｊ３に対応する関節座標系に変換した関節座標系変換指令値を生成して、関節座標系変換指令値を基に各モータＭ１〜Ｍ３の制御を行い、冗長領域判定部３６において直交座標系整形指令値が冗長領域内に対応するものと判定した場合には、冗長領域外に対応する直交座標系整形指令値を基に関節座標系補間指令値を生成して、関節座標系補間指令値を基に各モータＭ１〜Ｍ３の制御を行うように構成したものである。

このように構成しているため、直交座標系にて得た指令値を基にして所定の入力整形を行った後に関節座標系に変換することで、入力整形による効果と軌道の正確性とを両立させることが可能となる上に、冗長領域内の指令値は冗長領域外の指令値を基にして生成することで、各アーム要素１１〜１３の制御の発散を防止してよりハンド部Ｈの位置安定性を高めることが可能となる。

また、冗長領域判定部３６が、直交座標系整形指令生成部３２より得られる直交座標系整形指令値を基にして関節Ｊ１，Ｊ３の相対距離Ｌを算出し、この相対距離Ｌが予め定めた所定値未満である場合に、直交座標系整形指令値が冗長領域内に対応するものとして判定するように構成されているため、関節Ｊ１〜Ｊ３間の相対距離Ｌを基準として、冗長領域にあるか否かを判定することが可能となり、簡単な演算処理でアーム要素１１〜１３の制御を実現することができる。

また、冗長領域に入る直前に対応する直交座標系整形指令値と、冗長領域より出た直後に対応する直交座標系整形指令値とを基にして、冗長領域内で各モータＭ１〜Ｍ３が等速運動を行うように関節座標系補間指令値を生成するよう構成しているため、関節座標系補間指令値を簡単な演算処理で決定して制御に用いることが可能となるため、制御遅れを生じること無く、適切にハンド部Ｈの位置制御を行うことが可能となる。

また、関節Ｊ１，Ｊ３同士が重なり合う位置を中心としてアーム要素１１〜１３が所定の範囲内にある姿勢を冗長姿勢としているため、より簡便に冗長領域の判定が可能となっている。

また、直交座標系整形指令生成部３２にて行う所定の入力整形が、ハンド部Ｈの振動を抑制するためのインプットシェーピング制御としてのフィルタ処理であるように構成しているため、振動抑制とハンド部Ｈの軌道ずれの抑制とを両立させたより位置精度の高い動作が可能となるとともに、残留振動を低減して高速化を図ることも可能となる。

また、本実施形態の半導体ウェハ装置ＴＤは、上記のように水平多関節型ロボットとして構成した多関節ロボット１を備え、前記ハンド部Ｈ上に半導体ウェハＷを載置させつつ、半導体ウェハＷの搬送を行うようにしているため、上述した効果を生かして、精密な動作を要する半導体ウェハ搬送装置ＴＤとして効果的に実現することができ、半導体ウェハＷの高精度な加工に利用することが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態における多関節ロボット１は、全ての関節Ｊ１〜Ｊ３が回転自由度を有する３リンク方式のものとなっていたが、本願発明の効果は、回転自由度を３個有するもののみに限られず、回転自由度が２個のみのものにおいても同様に得られる。例えば、本願実施形態の構成より第３の関節Ｊ３が無くし、各リンクの長さを同一とした構成を考えた場合、関節Ｊ１（回転軸ＳＴ）とウェハＷの基準位置Ｐｗとが重なる位置は、上記と同様に冗長姿勢になるといえる。この場合にも上記と同様の本願発明手法を適用することができる。すなわち、本願発明は、互いに平行な軸回りの回転自由度を有する複数のアーム要素を備えており、これらの関節が重なり合う位置を採りうるものであれば適用でき、アーム要素や関節の個数が多いものであっても上述の効果を得ることが可能といえる。

また、関節を駆動するためのアクチュエータは、モータＭ１〜Ｍ３に限らず回転駆動するものであれば同様の効果が得られる。

また、上述の実施形態においては、多関節ロボット１の先端に設けたハンド部Ｈを略Ｕ字形に形成し、その上面にワークとしてのウェハ（半導体ウェハ）Ｗを載置することでこれを保持するようにしていたが、ハンド部Ｈはこれに限らず様々な形状及び構成に変更することが可能である。

また、直交座標系基準指令値に対して所定の入力整形を行った後に、関節座標系に変換して関節座標系指令値を生成することによって、ハンド部Ｈの軌道のずれを抑制する効果は、インプットシェーピング制御に係るフィルタ処理のみでなく、ローパスフィルタやノッチフィルタなど他のフィルタ処理を用いる場合でも同様に得ることが可能であり、目標と合致した軌道で動作させることができる。また、こうした振動抑制を目的としたフィルタ処理以外にも、他の目的を有する様々な入力整形を用いることが可能である。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…多関節ロボット
２…機械装置部
３…制御部
１１…第１アーム要素
１２…第２アーム要素
１３…第３アーム要素
３１…直交座標系基準指令設定部
３２…直交座標系整形指令生成部
３３…関節座標系変換指令生成部
３６…冗長領域判定部
Ｈ…ハンド部
Ｊ１…第１関節
Ｊ２…第２関節
Ｊ３…第３関節
Ｍ１〜Ｍ３…モータ（アクチュエータ）
ＴＤ…半導体ウェハ搬送装置
Ｗ…半導体ウェハ（ワーク）

Claims (6)

1. 直動又は回動可能な複数の関節により順次接続されるアーム要素と、
   各関節に接続されるアーム要素の相対位置又は姿勢を変更するアクチュエータと、
   当該アクチュエータの制御を行うことで末端のアーム要素に設けられたハンド部の位置及び姿勢の制御を行う制御部と、を具備し、
   前記関節のうち少なくとも２つが互いに平行な軸回りの回転自由度を有し、前記ハンド部を他の装置や壁面等の障害物が近くに存在する状態で直線的に動作させる制御を含む多関節ロボットであって、
   前記制御部が、
   前記ハンド部の位置又は姿勢を制御するための前記アクチュエータへの制御指令値である基準指令値をその少なくとも一部が直交座標系となる直交座標系基準指令値として得る直交座標系基準指令設定部と、
   当該直交座標系基準指令設定部により得られる前記直交座標系基準指令値に対して所定の入力整形を行って直交座標系整形指令値を生成する直交座標系整形指令生成部と、
   前記直交座標系整形指令生成部より得られる前記直交座標系整形指令値が、これを関節座標系に変換する場合に無限個数の解が得られる冗長姿勢位置を含む一定の冗長領域内に対応するものであるか否かを判定する冗長領域判定部と、を備えており、
   前記冗長領域判定部において前記直交座標系整形指令値が前記冗長領域外に対応するものと判定した場合には、前記直交座標系整形指令値を各関節に対応する関節座標系に変換した関節座標系変換指令値を生成して、当該関節座標系変換指令値を基に各アクチュエータの制御を行い、
   前記冗長領域判定部において前記直交座標系整形指令値が前記冗長領域内に対応するものと判定した場合には、冗長領域外に対応する直交座標系整形指令値を基に関節座標系補間指令値を生成して、当該関節座標系補間指令値を基に各アクチュエータの制御を行うように構成されていることを特徴とする多関節ロボット。
2. 前記冗長領域判定部が、
   前記直交座標系整形指令生成部より得られる前記直交座標系整形指令値を基にして関節の相対距離を算出し、当該相対距離が予め定めた所定値未満である場合に、当該直交座標系整形指令値が前記冗長領域内に対応するものとして判定するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の多関節ロボット。
3. 前記冗長領域に入る直前に対応する直交座標系整形指令値と、前記冗長領域より出た直後に対応する直交座標系整形指令値とを基にして、前記冗長領域内で各アクチュエータが等速運動を行うように前記関節座標系補間指令値を生成するよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の多関節ロボット。
4. 関節同士が重なり合う位置、又は、関節とハンド部の基準位置とが重なり合う位置を中心としてアーム要素が所定の範囲内にある姿勢を前記冗長姿勢としていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多関節ロボット。
5. 前記直交座標系整形指令生成部にて行う所定の入力整形が、前記ハンド部の振動を抑制するためのインプットシェーピング制御としてのフィルタ処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多関節ロボット。
6. 請求項１〜５記載の多関節ロボットを備えるとともに、当該多関節ロボットを水平多関節型ロボットとして構成し、前記ハンド部上に半導体ウェハを載置させつつ、当該半導体ウェハの搬送を行うようにしたことを特徴とする半導体ウェハ搬送装置。

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