特開 2024-108419 ロボットの制御方法及びロボット制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108419

(43)【公開日】2024-08-13

(54)【発明の名称】ロボットの制御方法及びロボット制御装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 13/00 20060101AFI20240805BHJP

   H01L 21/677 20060101ALI20240805BHJP

【ＦＩ】

B25J13/00 Z

H01L21/68 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023012774

(22)【出願日】2023-01-31

(71)【出願人】

【識別番号】000002233

【氏名又は名称】ニデックインスツルメンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】奥村 宏克

(72)【発明者】

【氏名】白木 隆裕

【テーマコード（参考）】

3C707

5F131

【Ｆターム（参考）】

3C707AS24

3C707BS15

3C707HS27

3C707LU01

3C707MT05

3C707NS13

5F131CA09

5F131CA19

5F131CA70

5F131DA32

5F131DA33

5F131DA42

5F131DB02

5F131DB52

5F131DB62

5F131DB76

5F131DD03

5F131DD29

5F131DD33

5F131DD67

5F131DD79

(57)【要約】

【課題】水平多関節型ロボットにおいて、各軸のモータによってロボットを駆動するときにロボットにおける共振の発生を抑制する。
【解決手段】ロボットの軸ごとに、ロボットの固有振動数などに基づいて共振回避速度範囲をあらかじめ定める。動作指令に基づいてロボットの動作計画を作成したら（ステップ１０１）、動作計画におけるモータの最大速度を取得し（ステップ１０２）、最大速度が共振回避速度範囲に含まれているかを判定し（ステップ１０３）、含まれている場合には、最大速度が共振回避速度範囲の下限速度以下となるように動作計画の再作成を行う（ステップ１０４）。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水平多関節型ロボットであるロボットに対する動作指令に基づいて前記ロボットの動作計画を作成して前記ロボットの各軸のモータを制御する制御方法であって、
前記ロボットにおいて前記モータによって駆動される少なくとも１つの軸に関し、前記動作計画での当該軸の最大速度が当該軸に関してあらかじめ求められている共振回避速度範囲に含まれる場合に前記最大速度が前記共振回避速度範囲の下限速度以下となるように前記動作計画の再作成を行う共振回避処理を実行する、制御方法。

【請求項2】

前記ロボットは、複数のアームが直列に連結された連結体と、前記連結体の一端において前記連結体が接続する基台と、前記連結体の他端に取り付けられたハンドとを有し、前記基台と前記連結体が接続する位置の前記軸に関して前記共振回避処理を実行する、請求項１に記載の制御方法。

【請求項3】

水平面内における前記連結体の自由度が２であり、前記動作計画の再作成を行うときに前記各軸の最高速度を低下させる、請求項２に記載の制御方法。

【請求項4】

前記動作計画は、前記ロボットの全ての前記軸において加速開始、加速終了、減速開始及び減速終了のタイミングが一致するポイント・ツー・ポイント動作による動作計画である、請求項２または３に記載の制御方法。

【請求項5】

水平面内における前記連結体の自由度が３以上であって、前記動作計画は直線補間動作による制御計画であり、前記動作計画を再作成するときに全体速度を維持した動作計画を作成する、請求項２に記載の制御方法。

【請求項6】

前記複数のアームは、前記基台に回転可能に接続する第１アームと、前記第１アームに回転自在に接続する第２アームと、前記第２アームに回転自在に接続するともに回転自在に前記ハンドを保持する第３アームとからなり、
前記第１アームが前記基台に接続する位置を原点とし、前記第２アームが前記第１アームに接続する位置を第１ジョイント点とし、前記第３アームが前記第２アームに接続する位置を第２ジョイント点とし、前記ハンドが前記第３アームに接続する位置を第３ジョイント点として、
水平面内において前記原点を通る仮想走行軸の上に前記第２ジョイント点が存在すると設定し、前記原点を通って水平に延びる基準方向と前記仮想走行軸とがなす角を仮想走行軸角として、
前記動作計画を再生成するときに、移動中に前記仮想走行軸角を変化させる動作計画を作成する、請求項５に記載の制御方法。

【請求項7】

水平多関節型ロボットであるロボットに対する動作指令に基づいて前記ロボットの動作計画を作成して前記ロボットの各軸のモータを制御するロボット制御装置であって、
前記ロボットにおいて前記モータによって駆動される少なくとも１つの軸に関し、前記動作計画での当該軸の最大速度が当該軸に関してあらかじめ求められている共振回避速度範囲に含まれる場合に前記最大速度が前記共振回避速度範囲の下限速度以下となるように前記動作計画の再作成を行う、ロボット制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットの動作を制御する制御方法と、そのような制御方法を実行するロボット制御装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

ワークの搬送や加工に用いられるロボットは、一般に、基台に対して複数のアーム（リンクとも呼ぶ）を直列に連結し、先端にハンドなどのエンドエフェクタを備えた構成を有し、指定した位置にそのエンドエフェクタを移動させるように制御される。エンドエフェクタの目標位置を指定してロボットを動作させるときには、ロボットの各軸を駆動するモータの定格速度などの範囲内でできるだけ短時間に目標位置に到達できることが好ましい。しかしながら複数のアームを直列に連結してその一端が基台に接続されているという構造上、ロボットの動作に伴ってロボットでは共振が発生することがある。共振が発生するとロボットの先端すなわちエンドエフェクタの位置も振動することとなるから、エンドエフェクタの正確な位置決めを行うことが難しくなる。すなわちロボットを正確に制御することが難しくなる。

【0003】

例えばワークを格納するカセットとワークに対して処理を行うワーク処理装置との間で半導体ウエハなどのワークを搬送するために、搬送用のロボットが使用される。以下の説明において、ロボットによるワークの取り出し（すなわちロード）と荷降ろし（すなわちアンロード）の対象となるものをステージと総称する。半導体製造工程においてウエハの格納に用いられるカセットと、ウエハに対して何らかの処理を行うワーク処理装置とは、いずれもステージである。半導体製造工程では、壁面によって画定された作業領域内に搬送用のロボットを配置するとともに作業領域を囲む壁面に複数のステージを配置し、ワークである半導体ウエハをロボットによりステージ間で搬送する。搬送用のロボットは、複数のステージに対してワークをロード／アンロードできることが求められるから、ロボットとして、複数のアームを互いに回転可能に連結するとともに、モータなどの回転力をアームに伝達して回転や伸縮等の動作をさせるようにした水平多関節型のロボットが用いられる。最先端のアームには、エンドエフェクタとして搬送時に実際にワークが搭載されるハンドが回転可能に取付けられる。このような搬送用の水平多関節型ロボットにおいて共振が発生するとハンドがふらつき、ステージ上の適切な位置にワークをアンロードすることができなくなったり、ワークのロードに失敗したり、移動中にワークを振り落としてしまったり、さらにはハンド上のワークがステージの壁面やロボットを囲む空間の壁面に衝突したりするなどの不具合が発生する。

【0004】

ロボットを動作させるときに共振の発生を抑制する技術として特許文献１は、ロボットに対する指令に基づいて各関節の目標位置情報を導出し、さらにロボットの動特性モデルとロボットに対する制御と各関節の目標位置情報とからロボット先端の振動を数値計算により求め、求めた振動が許容値を超えるときはロボットの速度を低下させることを開示している。また特許文献２は、ロボットに力覚センサを取り付けてロボットの動作中に力覚センサによって検出された振動から共振の発生の有無を判定し、共振を検出したときにロボットの固有振動数を求めるとともに、各軸のエンコーダの出力から各関節の振動周波数を求め、固有振動数と各関節の振動周波数とを比較して共振を発生させた関節を特定し、その関節に対応する軸のモータの回転数を変化させることを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１７／１７５３４０号公報

【特許文献2】特開２０１５－１９９１４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載された技術には、動特性モデルを用いて振動の大きさを算出するので、ロボットでの振動の発生を抑制するために必要な演算量が大きい、という課題がある。また特許文献２に記載された技術には、ロボットに力覚センサを設ける必要があり、力覚センサを備えないロボットには適用が難しい、という課題がある。また、特許文献１，２に記載された技術は、いずれも、垂直多関節型ロボットにおける共振の発生を抑制するものであるが、水平多関節型ロボットでは仰角方向でのリンクの動きがないので共振の振動形態（振動モード）も異なり、そのため、垂直多関節型ロボットにおける共振の抑制方法を適用して水平多関節型ロボットの制御を行なったとしても。必ずしも最適な制御とはならない。

【0007】

本発明の目的は、水平多関節型ロボットにおいて共振の発生を少ない演算量で抑制できるロボットの制御方法と、そのような制御方法を実行するロボット制御装置とを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によれば、制御方法は、水平多関節型ロボットであるロボットに対する動作指令に基づいてロボットの動作計画を作成してロボットの各軸のモータを制御する制御方法であって、ロボットにおいてモータによって駆動される少なくとも１つの軸に関し、動作計画でのその軸の最大速度がその軸に関してあらかじめ求められている共振回避速度範囲に含まれる場合に最大速度が共振回避速度範囲の下限速度以下となるように動作計画の再作成を行う共振回避処理を実行する。

【0009】

ロボットにおける共振は、モータが軸を駆動するときに発生する振動がロボットの固有振動数に近いときに発生する。モータが軸を駆動するときの振動の周波数はモータの回転速度に比例する。一態様の制御方法では、ロボットの固有振動数を含むような共振回避速度範囲を軸ごとにあらかじめ設定しておき、動作計画における軸の最高速度が共振回避速度範囲内にあるときに最高速度が共振回避速度範囲外となるように動作計画を再作成することによって、ロボットにおける共振の発生を少ない演算量で抑制することができる。

【0010】

一態様の制御方法において、ロボットは、複数のアームが直列に連結された連結体と、連結体の一端において連結体が接続する基台と、連結体の他端に取り付けられたハンドとを有し、基台と連結体が接続する位置の軸に関して共振回避処理を実行する。基台と連結体が接続する位置の軸に起因する共振は、一般に、他の軸に起因する共振よりも振幅が大きいから、基台と連結体が接続する位置の軸に関して共振回避処理を行うことにより、ロボットにおける共振の発生を効果的に抑制することができる。

【0011】

一態様の制御方法では、ロボットにおいて水平面内における連結体の自由度が例えば２であり、その場合、動作計画の再作成を行うときに各軸の最高速度を低下させるようにすることができる。このように動作計画の再作成を行うことによって、動作計画の再作成に要する演算量を小さくすることできる。またこの場合、動作計画は、ロボットの全ての軸において加速開始、加速終了、減速開始及び減速終了のタイミングが一致するポイント・ツー・ポイント動作による動作計画であってもよい。このような動作計画を用いることにより、共振の発生を抑制しつつポイント・ツー・ポイント動作によるロボットの制御を容易に行うことができるようになる。

【0012】

一態様の制御方法では、ロボットにおいて水平面内における連結体の自由度が例えば３以上であって、動作計画は直線補間動作による制御計画であり、動作計画を再作成するときに全体速度を維持した動作計画を作成することができる。水平面内で位置を特定するために必要な自由度は２であるので、自由度が３以上であることによる冗長な自由度を活用することによって、移動完了までの時間を延ばすことなく共振の発生を抑制することができる。一例として、複数のアームは、基台に回転可能に接続する第１アームと、第１アームに回転自在に接続する第２アームと、第２アームに回転自在に接続するともに回転自在にハンドを保持する第３アームとからなる。このとき、第１アームが基台に接続する位置を原点とし、第２アームが第１アームに接続する位置を第１ジョイント点とし、第３アームが第２アームに接続する位置を第２ジョイント点とし、ハンドが第３アームに接続する位置を第３ジョイント点として、水平面内において原点を通る仮想走行軸の上に第２ジョイント点が存在すると設定し、原点を通って水平に延びる基準方向と仮想走行軸とがなす角を仮想走行軸角とすることにより、動作計画を再生成するときに、移動中に仮想走行軸角を変化させる動作計画を作成することができる。仮想走行軸角の概念を導入することによって、ロボットの姿勢を制御するときの処理を簡素化でき、それにより、共振の発生をより少ない演算量で抑制することが可能になる。

【0013】

本発明の別の態様においてロボット制御装置は、水平多関節型ロボットであるロボットに対する動作指令に基づいてロボットの動作計画を作成してロボットの各軸のモータを制御するロボット制御装置であって、ロボットにおいてモータによって駆動される少なくとも１つの軸に関し、動作計画でのその軸の最大速度がその軸に関してあらかじめ求められている共振回避速度範囲に含まれる場合に最大速度が共振回避速度範囲の下限速度以下となるように動作計画の再作成を行う。

【0014】

このようなロボット制御装置では、動作計画における軸の最高速度が、ロボットの固有振動数に対応してあらかじめその軸に関して求められている共振回避速度範囲内にあるときに、最高速度が共振回避速度範囲外となるように動作計画が再作成されるので、ロボットにおける共振の発生を少ない演算量で抑制することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、水平多関節型ロボットにおいて共振の発生を容易に抑制できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】（ａ），（ｂ）は、それぞれロボットを示す平面図及び概略断面図である。

【図2】ロボットの制御方法を説明するフローチャートである。

【図3】ＰＴＰ動作における動作計画の再作成を説明する図である。

【図4】最大速度が共振回避速度範囲の外側にあるときの動作を説明する図である。

【図5】別の実施形態で用いるロボットを示す概略断面図である。

【図6】ＸＹ座標系における図５に示すロボットの姿勢を説明する図である。

【図7】仮想走行軸角ＴＷと最大速度との関係の一例を示すグラフである。

【図8】仮想走行軸角ＴＷを変化させることによる動作計画の再作成を説明する図である。

【図9】直線補間動作でのロボットの動きを示す概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態の制御方法が適用されるロボットを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線での断面図である。図に示されるロボット１は、水平多関節型のロボットであって作業領域５内に配置され、作業領域５を囲む壁面に設けられたステージの相互間で、例えば円板形状のワーク５０を搬送するために用いられる。以下の説明では、ワーク５０は半導体ウエハであるものとするが、ワーク５０は半導体ウエハに限定されるものではなく、また本発明が適用される水平多関節型ロボットは搬送用のロボットに限定されるものではない。

【0018】

作業領域５は、細長い長方形状の空間であり、その一方の長辺に沿う壁面には、ワーク５０であるウエハを収容する複数のカセット５１が、作業領域５の長手方向に沿って配置している。作業領域５の他方の長辺にはワーク５０に対する処理を実行するワーク処理装置５２が設けられ、ワーク処理装置５２には、ロボット１との間でワーク５０を受け渡すための複数のロードロック室５３が設けられている。これらのロードロック室５３も作業領域５を画定する壁面において、作業領域５の長手方向に沿って配置している。カセット５１もロードロック室５３も、ロボット１によるワーク５０のロード及びアンロードが行われる場所であり、上述したようにステージと総称される。作業領域５は、ワーク５０をステージ間で搬送する際にロボット１が壁面などと干渉することなくそのハンドやアームなどを動かすことができる空間である。

【0019】

次に、ロボット１の詳細な構成について説明する。ロボット１は、作業領域５の床面上に配置されて固定される基台１０と、基台１０に対して直列に連結された３本のアームすなわち第１アーム１１、第２アーム１２及び第３アーム１３と、第３アーム１３に取り付けられたハンド１４とを備えている。連結された３本のアーム１１～１３は連結体を構成する。基台１０は、昇降モータ（図示せず）によって駆動されて上下方向に昇降する昇降筒１５を備えている。各アーム１１～１３及びハンド１４はいずれも基端部と先端部とを有し、第１アーム１１の基端部が昇降筒１５に対して回転可能に連結することにより第１アーム１１は基台１０によって保持される。第１アーム１１は、昇降筒１５の昇降に伴って基台１０に対して昇降可能である。昇降筒１５の昇降によりアーム１１～１３及びハンド１４が一体的に昇降するが、本実施形態は水平多関節型のロボット１の水平面内での動きの制御を説明するものであり、昇降筒１５による高さ方向の動きは水平面内でのアーム１１～１３やハンド１４の動きに比べて小さいので、以下では、昇降筒１５による高さ方向でのロボット１の移動は無視できるものとしている。

【0020】

第１アーム１１は、昇降筒１５に内蔵されたモータ２１によって駆動されて水平面内を回転し、第１アーム１１の先端部には第２アーム１２の基端部が回転可能に連結されている。第１アーム１１には、モータ２１に接続した第１プーリ２１ａと、第２アーム１２に連結された第２プーリ２１ｂと、第１プーリ２１ａと第２プーリ２１ｂとの間で架け渡されたベルト２１ｃとが内蔵されている。第１プーリ２１ａと第２プーリ２１ｂとの径の比は２：１となっており、第１アーム１１が第１プーリ２１ａの回転中心を中心として回転したとき、第１プーリ２１ａと第２プーリ２１ｂとの回転角度比、すなわち第１アーム１１と第２アーム１２との回転角度比は１：２となるように構成されている。また、第１アーム１１と第２アーム１２の長さは等しい。このようにして図１に示すロボット１では、第１アーム１１の回転に伴って第２アーム１２も動くリンク機構１６が構成されたことになる。ここで基台１０に対する第１アーム１１の回転中心（すなわち第１プーリ２１ａの回転中心）の位置をジョイント点Ｊ０とし、第１アーム１１に対する第２アーム１２の回転中心の位置をジョイント点Ｊ１とする。

【0021】

第３アーム１３は、その基端部が第２アーム１２の先端部に回転可能に保持されており、第２アーム１２に内蔵されたモータ２３によって駆動されて水平面内を回転する。ハンド１４は、その基端部が第３アーム１３の先端部に回転可能に保持されており、第３アーム１３に内蔵されたモータ２４によって駆動されて水平面内を回転する。ハンド１４は、その上にワーク５０を載置することができるように、先端部側がフォーク状に分岐している。第２アーム１２に対する第３アーム１３の回転中心の位置をジョイント点Ｊ２とし、第３アーム１３に対するハンド１４の回転中心の位置をジョイント点Ｊ３とする。

【0022】

図１に示すロボット１では、リンク機構１６が設けられていることによって、第２アーム１２と第３アーム１３とを回転可能に連結する連結軸の中心点すなわちジョイント点Ｊ２の移動軌跡は、所定の直線上に規制されることになる。図では、この所定の直線を直線Ｑで示している。ロボット１は、細長い長方形である作業領域５の長手方向に沿って直線Ｑが延びるように、作業領域５内に配置される。またこのロボット１では、モータ２１，２３，２４を駆動することによって、アーム１１～１３及びハンド１４は水平面内を回転する。そこで、ロボット１の動作を説明するために、水平面内にＸＹ座標を設定する。Ｘ軸方向は、ロボット１の動作の基準となる方向であり、Ｙ軸方向はＸ軸方向に直交する。図示した例では、Ｘ軸方向は、作業領域５の長手方向であり、作業領域５を囲む壁面に配置されたステージが並んでいる方向と一致する。したがって直線ＱはＸ方向に延びている。また図示するようにロボット１にはロボット１の制御を行なうロボット制御装置３０が接続しており、ロボット制御装置３０には、ロボット１のティーチングのために、ケーブル３１を介してペンダント３２を接続することができる。ロボット制御装置３０は、外部から入力する動作指令やペンダント３２を用いたティーチングによる指令に基づいて、ロボット１内の各モータ（例えばモータ２１，２３，２４及び昇降用モータ（不図示））を駆動し制御することができる。

【0023】

次に、本実施形態におけるロボット１の制御について説明する。ロボット１はステージ間でワーク５０を搬送するものであるから、ロボット１を動作させるためにロボット制御装置３０に入力する動作指令は、ロボット１の位置、特にハンド１４の位置（あるいは後述するようにジョイント点Ｊ３の位置）を指定してロボット１を動作させる指令である。ロボット制御装置３０は、動作指令に基づいて移動前と移動後のロボット１の位置から、ロボット１を動作させるときにロボット軌道を含む動作計画を作成し、この動作計画に基づいてロボット１のモータ２１，２３，２４を駆動する。このとき、目標位置を指定してロボット１を動作させるときに動作形態として、よく知られているように、ＰＴＰ（ポイント－ツー－ポイント；point-to-point））動作とＣＰ（連続経路；continuous path）動作とがある。ＰＴＰ動作は、一般に、ロボットに取り付けたツールやハンドの先端がとるべき軌道の始点と終点のみを指定してツールやハンドを移動させる動作であり、ＣＰ動作は、一般的には３次元空間での直線（場合によっては曲線）である経路を指定してその経路に沿ってツールやハンドの先端を動かす動作である。ＰＴＰ動作では、始点と終点とは指定されるが始点と終点との間でのロボットの経路は指定されず、特に２以上の軸を有するロボットでは、軸ごとに始点と終点との間でその軸がどれだけ動くべきかを決定した後は、軸ごとの移動量によって各軸が独立に動かされる。これに対しＣＰ動作は、指定された経路からずれないように各瞬間ごとに各軸の制御を行うものであり、例えば、教示データで示される教示点間の動きを直線で補間する際に使用される。ＰＴＰ動作の方がＣＰ動作よりも高速でロボットを移動させることができるが、ロボットの経路が指定されないので、ＰＴＰ動作ではロボット周囲の壁面などの干渉が起こりやすい。これに対してＣＰ動作では、ロボットの経路を指定できるので、ＰＴＰ動作に比べて低速ではあるが、壁面などとの干渉を確実に防ぐことができる。

【0024】

カセット５１あるいはロードロック室５３であるステージごとに作業領域５においてそのステージに正対してそのステージの内部に対してロボット１がそのハンド１４によりアクセスする位置（待機位置と呼ぶ）が定められているとする。そして、ロボット１によりステージ間でワーク５０を搬送するときは、ステージ内部とそのステージに対応する待機位置との間の移動にはＣＰ動作の１つである直線補間動作を使用し、作業領域５内で待機位置間で移動するときにはＰＴＰ動作を用いることによって、壁面などへの衝突を防ぎつつより短時間でワーク５０を搬送することが可能になる。

【0025】

ロボット１を高速で動作させたとき、各軸のモータを駆動することによってロボット１に発生する振動の周波数がロボット１の固有振動数に近いときにロボット１が共振して大きく振動することがある。例えば、ある軸のモータを駆動することによって発生する振動の周波数が、その軸を振動の節とするロボット１の固有振動数に近ければロボット１が共振する。したがって、振動の節となる軸ごとにロボット１の固有振動数が存在することになる。厳密にはロボット１の姿勢によっても固有振動数は変化し得るが、本実施形態ではロボット１は水平多関節型のロボットであり、姿勢の変化による固有振動数の変化は小さいと考えてよい。モータを駆動することによって発生する振動は、例えばモータに付属する減速機における角度伝達誤差に起因するものであって、その周波数はモータの回転速度に比例する。

【0026】

そこで本実施形態では、ロボット１の軸ごとにモータの速度に関し、その軸において共振が発生しやすいと考えられる速度範囲をあらかじめ求めてそれを共振回避速度範囲とする。共振回避速度範囲の上限となる速度（上限速度）をＵＬと表し、下限となる速度（下限速度）をＬＬと表す。そして、ロボット１に対する動作指令に基づいて作成された当初の動作計画においてある軸のモータの最大速度がその軸の共振回避速度範囲内にあるときは、その最大速度が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下となるように動作計画の再作成を行う。すなわち当初の動作計画における最大速度をＶ０とし、再作成された動作計画での最大速度をＶ１とすれば、ＬＬ≦Ｖ０≦ＵＬであるときに、Ｖ１≦ＬＬとなるように動作計画の再作成を行う。実際には当初の動作計画においてＶ０＝ＬＬであるときは最大速度をそのままとすることができるから、動作計画における最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にあるかどうかの判定を行うときは、ＬＬ＜Ｖ０≦ＵＬを満たすかどうかを判定すればよい。また、上限速度ＵＬに関しても、Ｖ０＝ＵＬのときは共振回避速度範囲外と判定してもよい。共振回避速度範囲は、実際にモータの速度を変えながらロボット１を動作させてロボット１に発生する振動の振幅を求め、振幅が大きいときのモータの速度に基づいて定めてもよいし、ロボット１の慣性モーメントと各軸におけるばね成分の値とに基づいてシミュレーションにより固有振動数を求めてこの固有振動数に基づいて定めてもよい。なおロボット１における共振はモータの回転方向とは無関係に発生すると考えられるから、共振回避速度範囲を規定する速度（上限速度ＵＬ及び下限速度ＬＬ）は、モータの回転方向によらずに絶対値での速度として表されており、したがって、動作計画における最高速度も絶対値での速度として表される。

【0027】

図２は、動作指令に基づいてロボット１を駆動するときにロボット１における共振の発生を抑制するためにロボット制御装置３０が実行する制御を説明するフローチャートである。まず、ステップ１０１においてロボット制御装置３０は、入力した動作指令に基づいて、ロボットの軌道などを規定した動作指令を作成する。特に動作指令は、移動前の位置から目標位置に移動するときに各軸のモータの速度をどのように変化させるのかについての情報を含んでいる。動作指令の作成後、ロボット制御装置３０は、ステップ１０２において、動作計画におけるモータ速度の最大速度Ｖ０を取得し、ステップ１０３において、最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にあるかどうかを判定する。最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にあるときは、ロボット制御装置３０は、ステップ１０４において、最大速度Ｖ１が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下となるように動作計画を再作成し、ステップ１０５において、再作成された動作計画に基づいてロボット１を駆動する。一方、ステップ１０３において最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲の外側にあると判定したときは、ロボット制御装置３０は、そのままステップ１０５を実行して、ステップ１０１で作成したままの動作計画に基づいてロボット１を駆動する。

【0028】

共振回避処理すなわち図２に示されるステップ１０２～１０４の処理は、ロボット１においてモータによって駆動される軸の少なくとも１つに対して行われる。複数の軸を有するロボットに対して共振回避処理を実行した場合、動作計画の再作成前は動作計画での最大速度が共振回避速度範囲外であったにも関わらず再作成後の動作計画において最大速度が共振回避速度範囲内となる軸が出てくる可能性がある。動作計画の再作成では各軸の最大速度を低くする方向で動作計画が再作成され、その分、ロボット１での共振による悪影響が出にくくなっているので、動作計画の再作成の結果、最大速度が振回避速度範囲内となる軸が新たに出てきた場合においては、重ねて動作計画を再作成しなくてもよい。

【0029】

ロボット１の複数の軸のうちの一部の軸にしか共振回避処理を実行しない場合は、ハンド１４の先端すなわち手先の振動の振幅を小さくするという観点から、基台１０に相対的に近い方の軸に関して共振回避処理を実行することが好ましい。特にジョイント点Ｊ０で表される軸、すなわちモータ２１によって駆動される軸では、ロボット１におけるその軸の周りでの慣性モーメントが大きく、比較的低い振動周波数において振幅の大きな共振が発生しがちであるから、ロボット１の複数の軸のうちの１つの軸だけで共振回避処理を実行するのであれば、モータ２１によって駆動される軸、すなわちジョイント点Ｊ０に軸について共振回避処理を実行することが好ましい。

【0030】

以下、本実施形態の制御方法に基づく共振回避処理の実例を説明する。ここではロボット１をＰＴＰ動作で動作させるものとし、このとき動作計画もＰＴＰ動作のものとして作成される。上述したようにＰＴＰ動作では、軸ごとに始点と終点との間でその軸がどれだけ動くべきかを決定した後は、軸ごとの移動量によって各軸が独立に動かされる。したがって、最も速く移動を完了させさせるためには、許容される最大加速度でモータを加速し、許容される最大速度に達した後、その速度を維持し（すなわち等速区間）、許容される最大減速度でモータを減速して停止すればよいことになる。このとき、時間に対して速度は台形状に変化する。必要な移動量によっては許容される最大速度まで到達する前に減速を開始することもあり、この場合は、時間に対して速度は三角形状に変化する。実際には複数の軸を有するロボット１ではＰＴＰ動作を行なう場合、全ての軸が同時に動き出して加速を開始し、加速の終了と減速の開始も全ての軸で同時に起こり、全ての軸が同時に停止（すなわち減速終了）するような動作計画が作成される。このように作成された動作計画において、注目する軸の最大速度がその軸の共振回避速度範囲内にある場合には動作計画が再作成されるが、再作成された動作計画においても、加速の開始及び終了が全ての軸で同時に起こり、減速の開始及び終了も全ての軸で同時に起こるようにされる。

【0031】

図３は、ＰＴＰ動作における動作計画の再作成を説明するための図であって、ＰＴＰ動作を行なうときに作成された動作計画におけるある軸のモータ速度の時間変化の例を示している。図３において（ａ）は等速区間がある場合を示しており、上段のグラフは動作指令に基づいて生成された動作計画を表している。グラフにおいて平坦となっている部分は等速区間であり、この等速区間においてモータ速度は動作計画における最大速度Ｖ０となっている。この例では、Ｖ０は共振回避速度範囲内にあるので、共振回避処理が実行されて動作計画が再作成される。再作成された動作計画におけるモータ速度の時間変化は下段のグラフに示されている。再作成された動作計画では、最大速度Ｖ１は共振回避速度範囲の下限速度ＬＬとされている。最大速度が低下した分、移動完了までに要する時間が長くなる。具体的には、当初の動作計画における最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にあるときには、当初の動作計画における全ての軸における最大速度をＬＬ／Ｖ０倍した上で、加減速や停止のタイミングが全ての軸で一致するように、動作計画は再生成される。図３において（ｂ）は等速区間がない場合を示している。ここでも上段のグラフに示すように動作計画でのモータの最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にある場合、最大速度Ｖ１が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下となるように動作計画の再作成が行われている。

【0032】

図４は、当初の動作計画におけるモータ速度の時間変化を示すことによって、動作計画の再生成が行われない場合を示している。図４において（ａ）は、動作計画におけるモータ速度の最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲の上限速度ＵＬよりも大きくて共振回避速度範囲の外側となっている場合を示している。この場合には動作計画の再作成は行われない。図４において（ｂ）は。動作計画におけるモータ速度の最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬよりも小さくて共振回避速度範囲の外側となっている場合を示している。この場合も動作計画の再作成は行われない。

【0033】

以上、ロボット１をＰＴＰ動作によって制御する場合の共振回避処理を説明したが、ロボット１をＣＰ動作、特に直線補間動作で動作させる場合においても、同様に共振回避処理を行うことができる。ＰＴＰ動作の場合には各軸のモータの速度の変化の形状は加減速期間を含めるといずれも台形状となるが、直線補間動作の場合には、各軸のモータの速度の変化の形状は必ずしも台形になるわけでなく、軸ごとに異なり、軸によっては複雑な形状となることがある。直線補間動作においても、ひとたび動作計画が作成されば、動作計画における最大速度Ｖ０を軸ごとに求めることができ、求められた最大速度Ｖ０と当該軸の共振回避速度範囲とを比較することによって、共振の発生を抑制するような動作計画を再作成することができる。例えば単純に、Ｖ０≧ＬＬであるときに動作計画における全ての軸の速度をＬＬ／Ｖ０倍とし、その代わりに速度曲線を時間軸に沿ってＶ０／ＬＬ倍するような動作計画を再作成することができる。ただし直線補間動作では、最大速度Ｖ１を共振回避速度範囲の下限速度ＬＬに一致させるように動作計画の再作成を行うときに、再作成のやり方によっては動作計画の作成とその最大速度の取得とを反復する必要がある場合がある。

【0034】

以上説明した実施形態によれば、ロボット１の少なくとも１つの軸に関して動作計画でのその軸の最大速度がその軸に関してあらかじめ求められている共振回避速度範囲に含まれる場合に、最大速度が共振回避速度範囲の下限速度以下となるように動作計画の再作成を行うことにより、複雑な演算などを行うことなく、ロボット１における共振の発生を容易に抑制できるようになる。

【0035】

ところでステージにアクセスする搬送用ロボットとしてロボット１を使用する場合、ハンド１４の向きはステージへのアクセス方向によって決まってしまうから、図１に示したロボット１は、実質的にはＸＹ座標系でのジョイント点Ｊ３の位置が制御されるロボットということになり、ジョイント点Ｊ３の位置は２つのモータ２１，２３の回転位置によって決まるから、冗長な自由度を有しないことになる。冗長な自由度がない場合は、軸ごとの回転可能な角度範囲の制約などのために、作業領域５内にアクセスできない領域すなわちデッドエリアが生じたり、作業領域５を囲む壁面との干渉を避けようとするとステージ間での移動経路が複雑なものになったりすることがある。そこで、自由度を１つ追加した水平多関節型ロボットを考えることができ、そのようなロボットに対しても本発明の一態様の制御方法を適用することができる。以下、本発明の別の実施形態として、追加の自由度すなわち冗長な自由度を有するロボットに対して本発明の一態様の制御方法を適用した場合を説明する。

【0036】

図５に示すロボット２は、追加の自由度を１つ有する水平多関節型ロボットである。ロボット２は、図１に示すロボット１において第１アーム１１内に設けられる第１プーリ２１ａ、第２プーリ２１ｂ及びベルト２１ｃを取り除き、その代わり、第２アーム１２を水平面内で回転させるためのモータ２２を第１アーム１１内に設けたものである。当然のことながら、モータ２２も他のモータ２１，２３，２４と同様にロボット制御装置３０によって駆動され制御される。ロボット２では、モータ２２を駆動することによって第１アーム１１に対する第２アーム１２の回転角を任意に制御できるので、ジョイント点Ｊ２の移動軌跡は、Ｘ方向に延びる直線Ｑに規制されない。

【0037】

図６は、ＸＹ座標系におけるロボット２の姿勢を説明する図である。ジョイント点Ｊ０（すなわち基台１０に対する第１アーム１１の回転中心）をＸＹ座標系の原点とする。図６（ａ）はロボット２の原点位置を示す平面図である。ロボット２では、その動作の基準となる姿勢である原点位置が定められている。原点位置では、各アーム１１～１３及びハンド１４が折り畳まれており、この折り畳まれたものがＹ軸方向に延びている。したがって、ジョイント点Ｊ２はＸＹ座標系の原点であるジョイント点Ｊ０と重なっている。

【0038】

図６（ｂ）は、ステージへのアクセスのためにアーム１１～１３及びハンド１４が開いた状態を示している。ジョイント点Ｊ０の周りでの原点姿勢からの第１アーム１１の回転角をＴＨ１とする。すなわち角度ＴＨ１は、Ｙ軸と第１アーム１１とがなすジョイント角である。同様にジョイント点Ｊ１の周りでの第１アーム１１と第２アーム１２とがなすジョイント角をＴＨ２とし、ジョイント点Ｊ２の周りでの第２アーム１２と第３アーム１３とがなすジョイント角をＴＨ３とし、ジョイント点Ｊ３の周りでの第３アーム１３とハンド１４とがなすジョイント角をＳｊとする。原点位置では角度ＴＨ１～ＴＨ３，Ｓｊはいずれも０である。ここでＸＹ座標系内でのハンド１４の向きは、一般に、ハンド１４がアクセスしようとするステージに対するアクセス方向（すなわち、ロード及びアンロードを行う方向）に一致するように制御される。そのため、ワーク５０の搬送のために作業領域５内でロボット２を移動させるときは、ジョイント点Ｊ３の位置のＸＹ座標値が制御目標となり、移動完了時のジョイント点Ｊ３の位置が目標位置となる。なお図６（ｂ）では第３アーム１３とハンド１４とがなす角度をハンド１４の角度Ｓｊとしているが、角度Ｓｊは、ジョイント座標で表されたジョイント角である。

【0039】

ロボット２では、モータ２１～２３がそれぞれアーム１１～１３を駆動することによってジョイント点Ｊ３の位置すなわちＸＹ座標値を変えることができるが、ＸＹ座標値は２次元の値にあるのに対し、モータ２１～２３によりジョイント角である角度ＴＨ１～ＴＨ３をそれぞれ独立に変化させることができるから、ロボット２は冗長な自由度を１だけ有することになる。目標位置としてジョイント点Ｊ３の位置を与えたとしてそれを実現するためのアーム１１～１３の姿勢は無数に存在し、どの姿勢に移動するかによって移動時間に大きな差が生じたり、移動中にアーム１１～１３やハンド１４が周囲の物体と干渉したりすることがある。目標位置を与えてそのときの最適な姿勢を拘束条件なしで求めることは、多大な演算量を必要とする。そこでここでは、ジョイント点Ｊ３の位置を目標位置としてロボット２を移動させるときに冗長な自由度のために演算量が大きくなることを防ぐために、原点を通る直線である仮想走行軸Ｐを考え、第２アーム１２と第３アーム１３との連結点であるジョイント点Ｊ２が仮想走行軸Ｐ上にある、という条件を付加し、ロボット２の移動の制御を行なう。ロボット２の基準方向であるＸ軸に対して仮想走行軸Ｐがなす角度を仮想走行軸角ＴＷとする。仮想走行軸Ｐとジョイント点Ｊ３の位置とが与えられれば、言い換えれば仮想走行軸角ＴＷとジョイント点Ｊ３の位置とが与えられれば、以下に説明する左手系及び右手系の違いを除けばロボット２のアーム１１～１３の姿勢は一意に決まる。すなわち、目標位置であるジョイント点Ｊ３のＸＹ座標系での位置と移動終了時の仮想走行軸角ＴＷとを与えることによって、ロボット２の移動を１通りに制御できることになる。ロボットの取り得る姿勢という観点で言えば図１に示したロボット１は、ロボット２において仮想走行軸Ｐが基準方向であるＸ軸と常に一致している場合、すなわち仮想走行軸角ＴＷが０°に固定されている場合に相当する。

【0040】

図６（ｃ）及び図６（ｄ）は左手系と右手系の違いを示す図であって、ジョイント点Ｊ３の位置（ｘ，ｙ）が同じであるとして、図６（ｃ）は左手系、図６（ｃ）は右手系を示している。左手系と右手系が生じるのは、ジョイント点Ｊ３を中心とし、第３アーム１３の有効長Ｌ３を半径とする円が仮想走行軸Ｐと交わる点は一般に２つあるからである。ジョイント点Ｊ３から仮想走行軸Ｐに垂線を下し、ジョイント点Ｊ３の周りでのこの垂線と第３アーム１３とがなす角の角度Ｈを垂線側から測ったとき、Ｈ＜０であれば（すなわち垂線の足よりもジョイント点Ｊ２の方が右側にあれば）左手系であり、逆に、Ｈ≧０であれば右手系である。ＸＹ座標系でのハンド１４の向きは、第３アーム１３の向きによらずにステージに対するアクセス方向によって決まるので、図６（ｃ）及び図６（ｄ）では、ジョイント点Ｊ３の周りでＸ軸の正方向とハンド１４とがなす角をハンド１４の角度Ｓとしている。角度Ｓは、ＸＹ座標系で表されたジョイント角である。

【0041】

図６（ｃ）に示される姿勢において第１アーム１１及び第２アーム１２をそれぞれ仮想走行軸Ｐに関して対称となる位置に配置した姿勢が図６（ｅ）に示されている。図６（ｅ）に示す姿勢でもジョイント点Ｊ２が仮想走行軸Ｐ上にあるが、原点からジョイント点Ｊ３に向かって見たときにジョイント点Ｊ１が仮想走行軸Ｐの右側にあるか左側にあるかが相違する。このような相違は、左手系及び右手系の相違に分類されるのではなく、Ｘ軸方向と仮想走行軸Ｐとがなす仮想走行軸角ＴＷが図６（ｃ）に示すものと１８０°異なっていることによる相違として取り扱われる。このような相違を表現するために、仮想走行軸角ＴＷは、－１８０°＜ＴＷ≦１８０°の範囲内で定義される。同様に、図６（ｄ）に示される姿勢において第１アーム１１及び第２アーム１２をそれぞれ仮想走行軸Ｐに関して対称となる位置に配置した姿勢が図６（ｆ）に示されており、図６（ｄ）と図６（ｆ）とは仮想走行軸角ＴＷが１８０°だけ異なっているものとして扱われる。

【0042】

結局、ロボット２を移動前の位置から目標位置にロボット２を移動させるときに、ロボット２の位置としてジョイント点Ｊ３の位置（ｘ，ｙ）を使用し、移動前の仮想走行軸角ＴＷと移動後の仮想走行軸角ＴＷとを指定して、ロボット２の各軸のモータ２１～２４の制御を行なうことができる。なお移動前の仮想走行軸角ＴＷと移動終了後の仮想走行軸角ＴＷとは異なっていてもよく、移動前後で仮想走行軸角ＴＷが異なるときは、移動中に仮想走行軸角ＴＷは変化する。なお実際にロボット２によって一連の搬送操作を行うときは、初期位置として図６（ａ）に示した原点位置が与えられ、この初期位置からロボット２を順次動かしていく。原点位置ではジョイント点Ｊ０とジョイント点Ｊ２が重なるので仮想走行軸Ｐを一意に定めることができないが、原点位置の場合は、仮想走行軸角ＴＷは０°であると定義する。

【0043】

ロボット２をＰＴＰ動作で移動させる場合、移動前の位置と目標位置（ｘ，ｙ）と移動前及び移動後の仮想走行軸角ＴＷとが与えられば、モータ２１～２４にそれぞれ要求される回転量（移動量）が算出され、各軸のモータ２１～２４が同時に回転を始めて同時に回転を停止するものとして動作計画が作成される。そして少なくとも１つの軸に対して上述した共振回避処理を行い上述と同様に動作計画の再作成を行うことにより、ロボット２における共振の発生を抑制することができる。

【0044】

ロボット２を直線補間動作で移動させる場合も、ある軸に関し動作計画における最大速度Ｖ０を求めてその軸の共振回避速度範囲内にあるかどうかを判定し、Ｖ０が共振回避速度範囲内にあるときは最大速度Ｖ１が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下となるように動作計画を再生成する。ロボット２では冗長な自由度があるので、注目している軸において当初の動作計画における最大速度Ｖ０が共振回避速度範囲内にあったとしても、他の軸を動かすことによって、全軸の速度を一括して低下させなくても注目している軸の最大速度を共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下とするような動作計画を生成することができる。以下、共振の発生を抑制するためのこのような制御について説明する。

【0045】

図７は、ジョイント点Ｊ３を移動させるときの始点と終点とを固定し、また所定の加速時間及び減速時間と伴ってハンド１４の先端を所定の速度で動かすようにロボット２を駆動したときに、ジョイント点Ｊ０の軸を駆動するモータ２１の最大速度（角度ＴＨ１の変化の速度）が仮想走行軸角ＴＷによってどのように変化するかを示している。速度は、ロボット制御装置３０の内部で使用される単位で示されている。ここで共振回避速度範囲の下限速度ＬＬが１０００であるとする。すると、２．４°≦ＴＷ≦２８．９°とすることによって、全体速度を落とすことなくジョイント点Ｊ０の軸での最大速度を共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下とすることができることが分かる。全体速度とは、動作計画に基づいて目標位置に到達するときのロボット全体としての速度のことである。通常、ロボット制御装置３０では、与えられた動作計画での全体速度を１００％として、ティーチングなどに際してロボット全体を低速で動かすために、ロボットの全体速度を０～１００％の間で任意に設定する機能が設けられている。ロボットが冗長な自由度を有する場合には、同じ目標位置に達するときに軸の相互間で速度の分配を行うことができるから、全体速度を維持したまま軸相互間での速度の分配率を変えることによって、同じ目標位置に到達するときに特定の軸の速度を低下させることができる。

【0046】

図８は、図７と同じ条件でロボット２を駆動したときの、ジョイント点Ｊ０の軸の速度の時間変化を示している。仮想走行軸角ＴＷが０°のときは、全体速度を１００％としたときに、移動完了までの時間は５秒であるが、回転の正方向（すなわち速度に正負があるとして正の速度領域）において経過時間が３．４秒付近から４．０秒付近にかけて軸の速度が共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以上となっている。仮想走行軸角ＴＷを０°としたまま共振の発生を回避するためには、全体速度を７４％まで下げる必要があり、その場合、移動完了までの時間は６秒となって、全体速度が１００％のときよりも１秒長くなる。一方、仮想走行軸角ＴＷを２．４°とした場合には、全体速度を１００％としたままで、最大速度を共振回避速度範囲の下限速度ＬＬ以下とすることができ、移動完了までの時間も５秒のままである。

【0047】

仮想走行軸角ＴＷはロボット２の姿勢に依存するから、移動の開始時の仮想走行軸角ＴＷが全体速度を落とすことなく共振の発生を抑制するのに適した角度でないこともある（例えば図８に示す例でのＴＷ＝０°）が、そのような場合であってもロボット２の移動中に仮想走行軸角ＴＷを変化させるような制御を行なうことによって、全体速度を低下させることなく共振の発生を抑制することができるようになる。図９は、直線補間動作による移動中に仮想走行軸角ＴＷを変化させたときのロボット２の姿勢を説明する図である。図９では、移動前においてジョイント点Ｊ２がＸ軸上にあり（すなわちＴＷ＝０°）、ジョイント点Ｊ３もＸ軸上にある姿勢から、直線補間動作によってジョイント点Ｊ３の位置がある距離だけ－Ｙ方向に移動するようにロボット２を移動させたときのアーム１１～１３やハンド１４の動きを平面図として表している。移動に際し、ハンド１４のＸＹ座標系でのジョイント角である角度Ｓは－９０°のままで一定としている。図９において（ａ）は、仮想走行軸角ＴＷを０°とした場合（図１に示すロボット１と同等の動きをさせた場合）の直線補間動作での動きを順を追って示し、（ｂ）は、図６に示すロボット２において移動後の仮想走行軸角ＴＷを－１７°とした場合の直線補間動作での動きを順を追って示している。共振の発生の回避を行わない場合においても、（ａ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを０°に固定した場合に比べ、（ｂ）に示すように移動中に仮想走行軸角ＴＷを０°から変化させた方が移動完了までの時間が短い。共振回避処理を行うことを考えると、仮想走行軸角を固定した場合には全体速度を低下させることによって共振の発生を抑制する必要があって移動完了までの時間が増加するが、仮想走行軸角ＴＷを変化させることができる場合には、移動中に仮想走行軸角を変化させることによって、移動完了までの時間の増加を抑制しつつ共振の発生の抑制を行うことができる。したがって、仮想走行軸角ＴＷを変化させる制御を行なうことにより、仮想走行軸角ＴＷを固定した場合に比べ、共振の発生を抑制しつつ移動完了までの時間を短縮することも可能になる。

【0048】

このように実施形態では、ロボット２が有する冗長な自由度を利用することによって、移動完了までの時間の増加を抑制しつつ共振の発生の抑制を行うことができる。

【符号の説明】

【0049】

１，２…ロボット；５…作業領域；１０…基台；１１…第１アーム；１２…第２アーム；１３…第３アーム；１４…ハンド；１５…昇降筒；１６…リンク機構；２１～２４…モータ；２１Ａ…第１プーリ；２１Ｂ…第２プーリ；２１Ｃ…ベルト；３０…ロボット制御装置；３１…ケーブル；３２…ペンダント；５０…ワーク；５１…カセット；５２…ワーク処理装置；５３…ロードロック室。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】