特開 2024-42320 ロボットの制御方法及び制御装置

(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】P2024042320

(43)【公開日】2024-03-28

(54)【発明の名称】ロボットの制御方法及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 9/10 20060101AFI20240321BHJP

   B25J 9/06 20060101ALI20240321BHJP

   H01L 21/677 20060101ALI20240321BHJP

【ＦＩ】

B25J9/10 A

B25J9/06 D

H01L21/68 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146956

(22)【出願日】2022-09-15

(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

3C707CV07

3C707CW07

3C707LT01

3C707LU05

3C707LW08

3C707NS13

5F131AA02

5F131AA03

5F131BA03

5F131BA04

5F131BA17

5F131BA23

5F131BA37

5F131CA37

5F131CA42

5F131CA49

5F131DA02

5F131DA22

5F131DA42

5F131DB02

5F131DB52

5F131DD03

5F131DD33

5F131DD52

5F131DD56

5F131DD57

5F131DD59

5F131DD62

(57)【要約】

【課題】冗長な自由度を有する水平多関節型のロボットを制御するときに、少ない演算量で、指定された目標位置に対してロボットを短時間で移動させる。
【解決手段】第１アーム１１が基台１０に対してジョイント点Ｊ０で接続し、第２アーム１２が第１アーム１１に対してジョイント点Ｊ１で接続し、第３アーム１３が第２アーム１２に対してジョイント点Ｊ２で接続し、ハンド１４が第３アーム１３に対してジョイント点Ｊ３で接続するとして、ジョイント点Ｊ３の目標位置を指定してロボット１を移動させるときに、ジョイント点Ｊ０を通る仮想走行軸Ｐの上にジョイント点Ｊ２が存在すると設定し、基準方向（Ｘ軸）と仮想走行軸Ｐとがなす角を仮想走行軸角ＴＷとして、仮想走行軸角ＴＷと目標位置とを用いて各軸のモータ２１～２４を駆動する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のステージの間でワークを搬送する水平多関節型のロボットを制御する制御方法であって、
前記ロボットは、基台と、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第３アームと、前記第３アームに回転自在に接続してワークを保持するハンド部と、を備え、
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、
前記第３ジョイント点の目標位置を指定して前記ロボットを移動させるときに、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、前記仮想走行軸角と前記目標位置とを用いて各軸のモータを駆動して前記ロボットを実際に移動させる駆動工程を有する、制御方法。

【請求項2】

前記駆動工程を実施する前に、前記目標位置に対応した最適な前記仮想走行軸角を算出する最適値算出工程を実施する、請求項１に記載の制御方法。

【請求項3】

前記駆動工程においてポイント・ツー・ポイント動作により前記ロボットを動作させ、
前記最適値算出工程は、前記ロボットをポイント・ツー・ポイント動作によって動作させたときに前記目標位置に到達するまでの到達時間を前記仮想走行軸角を変えながら算出し、前記到達時間が最小となる前記仮想走行軸角に基づいて前記最適な仮想走行軸角を求める工程である、請求項２に記載の制御方法。

【請求項4】

前記駆動工程において直線補間動作により前記ロボットを動作させ、
前記最適値算出工程は、前記ロボットを直線補間動作により動作させて前記目標位置に到達させるときの最高速度を前記仮想走行軸角を変えながら算出し、前記最高速度が最大となる前記仮想走行軸角に基づいて前記最適な仮想走行軸角を求める工程である、請求項２に記載の制御方法。

【請求項5】

前記基準方向は、前記複数のカセットが並ぶ方向と平行に定められる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御方法。

【請求項6】

前記第１アームの有効長と前記第２アームの有効長が等しい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御方法。

【請求項7】

前記第１アーム、前記第２アーム、前記第３アーム及び前記ハンドが折り畳まれ、かつ、水平面内において前記原点を通り前記基準方向に直交する直線上に前記第１ジョイント点、前記第２ジョイント点及び前記第３ジョイント点が位置する姿勢を原点位置として、前記原点位置を初期位置として前記ロボットを順次移動させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御方法。

【請求項8】

基台と、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第３アームと、前記第３アームに回転自在に接続してワークを保持するハンド部と、を備え、複数のカセットの間で前記ワークを搬送する水平多関節型のロボットを制御する制御装置であって、
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、
前記第３ジョイント点の目標位置を指定して前記ロボットを移動させるときに、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、前記仮想走行軸角と前記目標位置とを用いて各軸のモータを駆動して前記ロボットを実際に移動させる制御装置。

【請求項9】

前記ロボットをポイント・ツー・ポイント動作によって動作させたときに前記目標位置に到達するまでの到達時間を前記仮想走行軸角を変えながら算出し、前記到達時間が最小となる前記仮想走行軸角を求める関数が実装されている、請求項８に記載の制御装置。

【請求項10】

前記仮想走行軸角が与えられたときに前記ロボットを直線補間動作により動作させて前記目標位置に到達させるときの最高速度を算出する関数が実装されている、請求項８に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークの搬送などに用いられる水平多関節型のロボットの制御方法及び制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ワークを格納するカセットや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やウエハに対して何らかの処理を行うワーク処理装置は、それぞれステージである。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、ロボットによりワークである半導体ウエハを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。そのために、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、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。

【0003】

特許文献１は、細長い長方形状の作業領域においてワークの搬送に用いられる水平多関節型のロボットの一例を示している。特許文献１に示されるロボットは、ワークを保持するハンドと、ハンドを回転可能に保持するアーム部と、アームの基端側におけるアーム関節部を回転可能に保持するとともにアーム関節部の移動軌跡が作業領域の長手方向とほぼ平行になるようにするリンク機構と、を備えている。リンク機構は、ロボットの基台に回転可能に保持された基台側リンクと、アーム側に位置するアーム側リンクとがリンク関節部によって連結された構造を有している。このロボットは、ワークのロード／アンロードを行うときには、作業領域内においてワークのロード／アンロードの対象となるステージに正対する位置にハンドを位置付けた上で、ステージの内部にハンドが真っ直ぐに進入するように制御される。

【0004】

特許文献１に記載されるロボットでは、ステージごとにワークの定位置が定められているとして、ワークのロードやアンロードのためにハンドがステージ内に入り込み、ハンドにおけるワークの搭載位置がそのステージでのワークの定位置に一致している状態を、ロボットがステージ位置にある、ということができる。また、作業領域内においてハンドがステージにアクセスするためにそのステージに正対する姿勢をとる位置をそのステージの待機位置と呼ぶこととする。ステージ位置ではハンドはステージ内にあるがアームはステージ外に位置する。待機位置では、ハンドやハンドに搭載されているワークはステージ外に位置する。このようにステージ位置と待機位置とを定めたとき、特許文献１に記載されたロボットでは、第１のステージの待機位置から第２のステージの待機位置までの区間ではロボットをＰＴＰ（ポイント・ツー・ポイント）動作によって移動させることができる。ＰＴＰ動作とは、ロボットのツールやハンドの先端の始点位置と終点位置とのみを指定してロボットを移動させる動作であり、ロボットの各軸を一斉に駆動させることで目標の座標に到達させる。この場合、ロボットの各軸のモータをその仕様上の最高速度で動作させることができるので、目標の座標まで短時間で到達することが可能であるが、ロボットの経路が具体的にどこを通るかは指定されない。多軸のロボットであれば、各軸のモータはその軸に割り当てられた移動量だけ回転する。また、ステージごとにその待機位置とステージ位置との間では、ロボットは、ハンドが直線に沿って動くことが保証される直線補間動作によって移動する。この場合、待機位置とステージ位置との間の適切な動作切替点を設定すれば、ハンドやワークがステージの側壁などと干渉することなく待機位置と動作切替点との間もＰＴＰ動作でロボットを移動させることができ、直線補間動作によりロボットを移動させる区間を動作切替点とステージ位置との間に限定することが可能である。

【0005】

特許文献１に記載されたロボットでは、通常、ハンドの延びる方向は、リンク機構によるアーム関節部の移動軌跡と直交する方向とされるので、高さ方向（昇降方向）への自由度を除けば自由度は２であり、ステージごとに待機位置におけるロボットの姿勢は一意に定まる。しかしながらこのロボットでは、軸ごとの回転可能な角度範囲の制約もあって、作業領域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。このような課題を解決するためには、ロボットにおいて自由度を１だけ増やすことが考えられ、特許文献１に示す水平多関節型のロボットであれば、リンク機構を用いる代わりに基台側リンクとアーム側リンクの間の角度もモータによって任意に変えられるようにして自由度を１だけ増やすことが考えられる。そのように自由度を増やした水平多関節型のロボットの例が、特許文献２－４に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５１９９１１７号公報

【特許文献2】特表２０００－５０６７８９号公報

【特許文献3】特許第４７５０２３１号公報

【特許文献4】特許第４３６４６３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に示した水平多関節型のロボットでは、ワークが搭載されるハンドの向きが定まっているとすれば、水平面内でのロボットの自由度は２であり、ロボットの位置に応じてロボットの各軸での角度は一意に定まる。しかしながら特許文献２－４に記載されるように独立して制御可能なアームを増やしてロボットの自由度を大きくした場合、ロボットの位置が与えられたときにその位置を実現するためのロボットの姿勢（すなわち各軸の角度）は一意に定まらない。そのような状況において始点位置と目標位置（終点位置）とを指定してロボットを移動させるとき、目標位置におけるロボットの姿勢に応じて移動時間に大きな差が生じたり、移動中にロボットのアームが周囲の物体（例えば作業領域の壁面など）と干渉したりすることがある。始点位置と始点位置での姿勢と目標位置とを与えて目標位置での最適な姿勢を求める問題は非線型最適化問題であり、厳密解を得るためには多大な演算量を必要とする。

【0008】

本発明の目的は、冗長な自由度を有する水平多関節型のロボットを制御する制御方法及び制御装置であって、少ない演算量で、指定された目標位置に対してロボットを短時間で移動させることができる制御方法及び制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様に基づく制御方法は、複数のステージの間でワークを搬送する水平多関節型のロボットを制御する制御方法であって、ロボットは、基台と、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第３アームと、第３アームに回転自在に接続してワークを保持するハンド部と、を備え、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、第３ジョイント点の目標位置を指定してロボットを移動させるときに、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して、仮想走行軸角と目標位置とを用いて各軸のモータを駆動してロボットを実際に移動させる駆動工程を有する。

【0010】

一態様の制御方法では、冗長な自由度を有する水平多関節型のロボットを制御するときに、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いう拘束条件を設定し、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、仮想走行軸角と目標位置とによってロボットの姿勢を実質的に一意に決定できる。また、目標位置に到達するための最適な仮想走行軸角を少ない演算量で容易に算出することができる。これにより、少ない演算量で、指定された目標位置に対してロボットを短時間で移動させることができるようになる。

【0011】

一態様の制御方法においては、駆動工程を実施する前に、目標位置に対応した最適な仮想走行軸角を算出する最適値算出工程を実施することができる。例えばティーチングにより目標位置を決めるときに最適値算出工程も実施しておけば、それ以降は、ティーチングによって得られた目標位置と最適な仮想走行軸角とに基づいて、ロボットを最適に動作させることが可能になる。駆動工程においてポイント・ツー・ポイント（ＰＴＰ）動作によりロボットを動作させる場合には、最適値算出工程を、ロボットをＰＴＰ動作によって動作させたときに目標位置に到達するまでの到達時間を仮想走行軸角を変えながら算出し、到達時間が最小となる仮想走行軸角に基づいて最適な仮想走行軸角を求める工程とすることができる。この場合、到達時間の算出は小さな演算量で実施できるので、最適な仮想走行軸角の算出も小さな演算量で行うことができる。一方、駆動工程において直線補間動作によりロボットを動作させる場合には、単純な計算では到達時間を算出することはできないので、最適値算出工程を、ロボットを直線補間動作により動作させて目標位置に到達させるときの最高速度を仮想走行軸角を変えながら算出し、最高速度が最大となる仮想走行軸角に基づいて最適な仮想走行軸角を求める工程とすることができる。仮想走行軸角ごとの最高速度の算出は簡単に行えるので、この場合も最適な仮想走行軸角の算出を小さな演算量で行うことができる。

【0012】

一態様の制御方法において、複数のカセットが並ぶ方向と平行に基準方向を定めることができる。このように基準方向を定めることによって、アームやハンドの移動量を小さくしつつカセット間でのワークの搬送を行うことができ、搬送時間を短縮できる。また、第１アームの有効長と第２アームの有効長とが等しいことが好ましい。第１アームの有効長と第２アームの有効長とを等しくすることによって、最適な仮想走行軸角の算出のための演算量を削減することができる。

【0013】

一態様の制御方法においては、第１アーム、第２アーム、第３アーム及びハンドが折り畳まれ、かつ、水平面内において原点を通り基準方向に直交する直線上に第１ジョイント点、第２ジョイント点及び第３ジョイント点が位置する姿勢を原点位置として、原点位置を初期位置としてロボットを順次移動させることが好ましい。このように構成することにより、目標位置と仮想走行軸角とが与えられたときに後述する左手系及び右手系の２通りの姿勢が可能であったとしてもロボットの姿勢を常に一意に決めることができる。

【0014】

本発明の一態様の制御装置は、基台と、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第３アームと、第３アームに回転自在に接続してワークを保持するハンド部と、を備え、複数のカセットの間でワークを搬送する水平多関節型のロボットを制御する制御装置であって、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、第３ジョイント点の目標位置を指定してロボットを移動させるときに、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して、仮想走行軸角と目標位置とを用いて各軸のモータを駆動してロボットを実際に移動させる。

【0015】

一態様の制御装置では、冗長な自由度を有する水平多関節型のロボットを制御するときに、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いう拘束条件を設定し、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、仮想走行軸角と目標位置とによってロボットの姿勢を実質的に一意に決定できて、冗長な自由度に影響されることなく、ロボットを安定して制御することができる。また、目標位置に到達するための最適な仮想走行軸角を少ない演算量で容易に算出することができるから、ティーチングなども容易に行うことができる。これらにより、少ない演算量で、指定された目標位置に対してロボットを短時間で移動させることができるようになる。

【0016】

一態様の制御装置では、ロボットをポイント・ツー・ポイント動作によって動作させたときに目標位置に到達するまでの到達時間を仮想走行軸角を変えながら算出し、前到達時間が最小となる仮想走行軸角を求める関数が実装されていることが好ましい。このような関数が実装されていれば、小さな演算量で到達時間を算出できるので、最適な仮想走行軸角の算出も小さな演算量で行うことができる。また制御装置では、仮想走行軸角が与えられたときにロボットを直線補間動作により動作させて目標位置に到達させるときの最高速度を算出する関数が実装されていることも好ましい。このような関数が実装されていれば、最高速度が最大となる仮想走行軸角に基づいて最適な仮想走行軸角を求めることができ、仮想走行軸角ごとの最高速度の算出は簡単に行えるので、この場合も最適な仮想走行軸角の算出を小さな演算量で行うことができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、冗長な自由度を有する水平多関節型のロボットを制御するときに、少ない演算量で、指定された目標位置に対してロボットを短時間で移動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】ロボットを示す平面図である。

【図2】図１のII－II線に沿ったロボットの概略断面図である。

【図3】ＸＹ座標系におけるロボットの姿勢を説明する図である。

【図4】直線補間動作での仮想走行軸角ＴＷの決定方法を説明するグラフである。

【図5】ＰＴＰ動作でのロボットの動きを示す概略平面図である。

【図6】ＰＴＰ動作でのＸＹ位置及び速度の変化を示すグラフである。

【図7】ＰＴＰ動作でのジョイントの角及び速度の変化を示すグラフである。

【図8】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。

【図9】直線補間動作でのＸＹ位置及び速度の変化を示すグラフである。

【図10】直線補間動作でのジョイント角及び速度の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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す平面図であり、図２は、図１におけるII－II線での断面図である。このロボット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い。

【0020】

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。カセット５１やロードロック室５３は作業領域５を囲むように作業領域５の壁面に形成された開口として設けられているので、ロボット１によりステージに対してワーク５０のロードやアンロードを行うときの方向は、一般に、作業領域５の壁面に垂直な方向である。ただし、ステージの構造によっては、作業領域５の壁面に垂直な方向から傾いた方向でそのステージに対するワーク５０のロード／アンロードが行うことがある。

【0021】

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。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、本発明は水平多関節型のロボット１の水平面内での動きの最適化に関するものであり、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。

【0022】

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する。第２アーム１２の基端部が第１アーム１１の先端部に回転可能に連結されており、第２アーム１２は、第１アーム１１によって保持されるとともに第１アーム１１に内蔵されたモータ２２によって駆動されて水平面内を回転する。同様に第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。

【0023】

上述したようにロボット１は、水平多関節型のロボットであり、アーム１１～１３及びハンド１４は、それぞれモータ２１～２４によって駆動されて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、細長い長方形である作業領域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。また、基台１０に対する第１アーム１１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とし、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。ジョイント点Ｊ０からＪ１までの長さを第１アーム１１の有効長Ｌ１とし、ジョイント点Ｊ１からＪ２までの長さを第２アーム１２の有効長Ｌ２とし、ジョイント点Ｊ２からＪ３までの長さを第３アーム１３の有効長Ｌ３とし、ジョイント点Ｊ３からハンド１４の先端までの長さをハンド１４の有効長Ｌ４とする。ここで示す例では、第１アーム１１の有効長Ｌ１と第２アーム１２の有効長Ｌ２とは等しい。

【0024】

なお、図２に示すように、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、モータ２１～２４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。

【0025】

図３は、ＸＹ座標系におけるロボットの姿勢を説明する図である。図３を用いて本発明に基づく制御方法を説明する。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３（ａ）はロボット１の原点位置を示す平面図である。ロボット１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と重なっており、ジョイント点Ｊ１のＸＹ座標値は（０，－Ｌ１）であり、ジョイント点Ｊ３のＸＹ座標値は（０，－Ｌ３）である。ジョイント点Ｊ１は第３アーム１３によって隠されているので、図には示されていない。

【0026】

図３（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Ｓとする。原点位置では角度ＴＨ１～ＴＨ３，Ｓ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１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３（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Ｓとしているが、このような角度Ｓは、ジョイント座標で表されたものである。

【0027】

ロボット１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１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。そこで本実施形態では、ジョイント点Ｊ３の位置を目標位置としてロボット１を移動させるときに冗長な自由度のために制御のための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１の移動の制御を行なう。ロボット１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１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１の移動を１通りに制御できることになる。特許文献１に記載されるロボットは、本実施形態におけるロボット１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に相当する。

【0028】

図３（ｃ）及び図３（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３（ｃ）は左手系、図３（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３（ｃ）及び図３（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。このような角度Ｓは、直交座標系で表されたものである。

【0029】

図３（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３（ｅ）に示されている。図３（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３（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３（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３（ｆ）に示されており、図３（ｄ）と図３（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。

【0030】

結局、本実施形態においては、移動前の位置から目標位置にロボット１を移動させるときに、ロボット１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１の各軸のモータ２１～２４の制御を行なう。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とは一般に異なり、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。移動後の仮想走行軸角ＴＷ自体は最適な値に設定される必要があるが、ロボット１では、その移動の目標位置はティーチングにより順次定められ、ティーイングにより目標位置を定めるたびに、その目標位置に対応した最適な仮想走行軸角ＴＷを決めることができる。ひとたび目標位置と最適な仮想走行軸角ＴＷが定まってしまえば、それ以降は、ロボット制御装置３０は、それらの目標位置と最適な仮想走行軸角ＴＷとに基づいてロボット１の移動の制御を行ない、ロボット１によるワーク５０の搬送を実行する。次に、角度ＴＷの決定方法について説明する。

【0031】

ロボット１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として、移動に要する時間も、軸ごとの許容最高速度から算出できる。移動前及び移動後の位置（Ｘ，Ｙ）と移動前の仮想走行軸角ＴＷとを入力として、移動後の仮想走行軸角ＴＷを少しずつ変えながら移動時間を算出することを繰り返すことにより、移動時間が最小となるような移動後の仮想走行軸角ＴＷを最適条件として求めることができる。ＰＴＰ動作においてアーム１１～１３やハンド１４が他の物体と干渉するかどうかを判定するアルゴリズムも公知であるから、移動後の仮想走行軸角ＴＷを変えながら移動時間を求めることを繰り返す際に、アーム１１～１３やハンド１４が他の物体と干渉するかどうかと軸ごと定められたジョイント角度の変化可能範囲を逸脱するかどうかとを判定し、干渉があったり角度範囲の逸脱があると判定されたときは、最適条件から除外する。実際にはロボット１によって一連の搬送操作を行わせるときは、初期位置として図３（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１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。そして原点位置から原点位置以外の位置に移動するときには最適な仮想走行軸角ＴＷを右手系であるか左手系であるかを含めて定めることができ、それ以降は、移動前の位置及び仮想走行軸角ＴＷが既知であるので、次の移動先の位置すなわち次の目標位置が与えられば、移動後の最適な仮想走行軸角ＴＷを求めることができる。上述した繰り返し演算により移動後の仮想走行軸角ＴＷを最適条件として求める関数ＱＴＷＯＰＴとして用意してこの関数ＱＴＷＯＰＴをロボット制御装置３０に実装しておけば、ティーチングを行って移動前と移動後のジョイント点Ｊ３の位置を指定することにより、ＰＴＰ動作によってロボット１を最適に動作させることができる。

【0032】

ロボット１を直線補間動作で移動させる場合、ハンド１４の直交座標系での角度Ｓは、アクセス対象のステージのアクセス方向と一致しており、ジョイント点Ｊ３の位置がステージのアクセス方向に沿って直線で移動するようにロボット１が制御される。ＰＴＰ動作の場合には各軸のモータ２１～２４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２１～２４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。そのため、軸ごとにモータ２１～２４の速度が許容最高速度を超えるかどうかの判定を行うことが必須となる。本実施形態では、直線補間動作に関し、移動前及び移動後の位置と、移動前及び移動後の仮想走行軸角ＴＷと、モータ２１～２４と共通に定められる加速時間及び減速時間（すなわち加減速条件）を入力として、各軸のモータ２１～２４の速度がそれぞれ許容最高速度以内であるという条件の下での直線補間動作の最高速度を算出する。そして移動後の仮想走行軸角ＴＷを少しずつ変えながら直線補間動作の最高速度を求めることを繰り返し、直線補間動作の最高速度が最大となる仮想走行軸角ＴＷを求める。このようにして求めた仮想走行軸角ＴＷを最適値とし、最適値である仮想走行軸角ＴＷを実際に直線補間動作によりロボット１を動作させるときに使用する移動後の仮想走行軸角ＴＷとする。このようにして移動後の仮想走行軸角ＴＷごとに直線補間動作の最高速度を求める関数をＱＣＰＯＰＴとして用意してこの関数ＱＣＰＯＰＴをロボット制御装置３０に実装しておけば、ティーチング時にこの関数を繰り返して実行することにより、直線補間動作によってロボット１を最適に動作させるための移動後の仮想走行軸角ＴＷを求めることができる。なお、ＰＴＰ動作であるか直線補間動作であるかを問わずロボット１が原点位置を初期位置として順次移動するときは、移動前の仮想走行軸角ＴＷを既知のものとすることができる。

【0033】

図４は、移動前及び移動後のジョイント点Ｊ３の位置と移動前の仮想走行軸角ＴＷと加減速条件とが与えられて移動後の仮想走行軸角ＴＷの値を変化させたときに、関数ＱＣＰＯＰＴの値、すなわち直線補間動作における最高速度がどのように変化するかの一例を示したグラフである。ここでは、加速時間及び減速時間がいずれも０．２ｓｅｃ、移動前のジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）が（７００，０）、移動前の仮想走行軸角ＴＷが０°、移動後のジョイントＪ３の位置（Ｘ，Ｙ）が（７００，－３５０）であるとして計算を行っている。関数ＱＣＰＯＰＴで得られる最大速度は近似値として算出されるものであるが、図から、仮想走行軸角ＴＷが－１７°付近であるときに直線補間動作の最高速度が最大になることが分かる。

【0034】

以下、ＰＴＰ動作と直線補間動作によるロボット１の動作の実例を説明する。図５は、原点位置にあってジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）が（０，－３８５）でありハンド１４の直交座標でのジョイント角Ｓが９０°である姿勢から、ジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）が（－３８５，０）でありジョイント角Ｓが２７０°である姿勢にロボット１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。この移動条件を与えて上述した関数ＱＴＷＯＰＴを実行すると最適な仮想走行軸角ＴＷとして２４，９３°が算出され、関数ＱＴＷＯＰＴには計算誤差が含まれることなども考慮して、本実施形態に基づいてＰＴＰ動作を行うときに用いる仮想走行軸角ＴＷを２５°とした。図５において（ａ）は、仮想走行軸角ＴＷを０°とした場合（すなわち特許文献１のロボット１と同等の動きをさせた場合）のＰＴＰ動作での動きを順を追って示し、（ｂ）は、本実施形態に基づいて移動後の仮想走行軸角ＴＷを２５°とした場合のＰＴＰ動作での動きを順を追って示している。図６は、図５に示すようにロボット１を動かしたときのジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）の変化とＸ軸方向及びＹ軸方向での速度の変化とを示すグラフである。図６において（ａ－１）及び（ａ－２）は、それぞれ、図５において（ａ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを０°としたときの位置の変化及び速度の変化を示し、（ｂ－１）及び（ｂ－２）は、それぞれ、図５において（ｂ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを２５°としたときの位置の変化及び速度の変化を示している。図７は、図５に示すようにロボット１を動かしたときのジョイント角ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３，Ｓの各々の変化とそれらの角速度の変化とを示すグラフである。図７において（ａ－１）及び（ａ－２）は、それぞれ、図５において（ａ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを０°としたときの各ジョイント角及び速度を示し、（ｂ－１）及び（ｂ－２）は、それぞれ、図５において（ｂ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを２５°としたときの各ジョイント角及び速度を示している。

【0035】

特許文献１のロボットに対応して仮想走行軸角ＴＷを０°とした場合、ＰＴＰ動作における一連の動きの中で、第１アーム１１及び第２アーム１２は動かず、ジョイント点Ｊ２もジョイント点Ｊ０に重なったままであり、第３アーム１３が第２アーム１２に対して開き、ハンド１４がジョイント点Ｊ３の周りで回転するだけである。図６及び図７において速度が０となるまでの時間として表されるように、ＰＴＰ動作による移動が終了するまでに要する時間は３４６０ｍｓｅｃであった。これに対し、本実施形態に制御方法に基づいて移動後の仮想走行軸角ＴＷを２５°としてＰＴＰ動作を実行させたときは、ジョイント点Ｊ２の位置がジョイント点Ｊ０からわずかにずれるとともに第１アーム１１及び第２アーム１２も移動し、その分、第３アーム１３の移動すべき量も小さくなって、ＰＴＰ動作による移動が完了するまでに要する時間が２７７２ｍｓｅｃまで短縮された。

【0036】

図８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の位置（Ｘ，Ｙ）が（７００，０）でありハンド１４の直交座標でのジョイント角Ｓが－９０°である姿勢から、直線補間動作によってジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）が（７００，－３５０）である姿勢にロボット１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。ハンド１４のジョイント角Ｓに変化はない。この移動の条件は図４を用いて説明した場合と同じであるので、上述した関数ＱＣＰＯＰＴを繰り返し実行して得られる最適な仮想走行軸角ＴＷは、上述したように－１７°である。そこで直線補間動作を行うときに用いる移動後の仮想走行軸角ＴＷを－１７°とした。図８において（ａ）は、仮想走行軸角ＴＷを０°とした場合（すなわち特許文献１のロボット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、本実施形態に基づ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。図９は、図８に示すようにロボット１を動かしたときのジョイント点Ｊ３の位置（Ｘ，Ｙ）の変化とＸ軸方向及びＹ軸方向での速度の変化とを示すグラフである。図９において（ａ－１）及び（ａ－２）は、それぞれ、図８において（ａ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを０°としたときの位置及び速度を示し、（ｂ－１）及び（ｂ－２）は、それぞれ、図８において（ｂ）に示すように仮想走行軸角ＴＷを－１７°としたときの位置及び速度を示している。図１０は、図８に示すようにロボット１を動かしたときのジョイント角ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３，Ｓの各々の変化とそれらの速度の変化とを示すグラフである。図１０において（ａ－１）及び（ａ－２）は、それぞれ、仮想走行軸角ＴＷを０°としたときの各ジョイント角及び速度を示し、（ｂ－１）及び（ｂ－２）は、それぞれ、仮想走行軸角ＴＷを－１７°としたときの各ジョイント角及び速度を示している。

【0037】

特許文献１のロボットに対応して仮想走行軸角ＴＷを０°に固定とした場合、ジョイント点Ｊ２はＸ軸上を動くだけである。図９及び図１０において速度が０となるまでの時間として表されるように、直線補間動作による移動が終了するまでに要する時間は６５５２ｍｓｅｃであった。これに対し、本実施形態に制御方法に基づいて移動後の仮想走行軸角ＴＷを－１７°として直線補間動作を実行させたときは、ジョイント点Ｊ２の位置が仮想走行軸Ｐの変化とともに－Ｙ方向に移動しており、その分、第２アーム１２に対して第３アーム１３が回転しなければならない量も減少し、全体としての動作の高速化が達成され、直線補間動作による移動が完了するまでに要する時間が１３８４ｍｓｅｃまで大幅に短縮された。

【0038】

以上説明したように本実施形態では、ジョイント点Ｊ０とジョイント点Ｊ２とを通る仮想走行軸Ｐを想定し仮想走行軸Ｐが基準方向であるＸ軸方向となす角度を仮想走行軸角ＴＷとして、移動後の仮想走行軸角ＴＷについての最適値を求め、移動後の位置（すなわち目標位置）と最適値である仮想走行軸角ＴＷとを実現するように各軸のモータを駆動する。これにより本実施形態では、ロボット１を目標位置に移動させるときに、最適な仮想走行軸角ＴＷの算出に要する演算量も含めて全体として小さな演算量で、目標位置に対してロボット１を短時間で移動させることができる。

【符号の説明】

【0039】

１…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；２１～２４…モータ；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】

【図10】