特許 7064624 ロボットの位置補正方法およびロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-26

(45)【発行日】2022-05-10

(54)【発明の名称】ロボットの位置補正方法およびロボット

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/677 20060101AFI20220427BHJP

   B25J 9/06 20060101ALI20220427BHJP

【ＦＩ】

H01L21/68 A

B25J9/06 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020563166

(86)(22)【出願日】2019-12-19

(86)【国際出願番号】 JP2019049824

(87)【国際公開番号】W WO2020137800

(87)【国際公開日】2020-07-02

【審査請求日】2021-02-24

(31)【優先権主張番号】16/234,084

(32)【優先日】2018-12-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】517340611

【氏名又は名称】カワサキロボティクス（ユーエスエー），インク．

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 雅也

(72)【発明者】

【氏名】中原 一

(72)【発明者】

【氏名】山口 隆生

(72)【発明者】

【氏名】ヂョング， ダニエル

【審査官】中田 剛史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１６８５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８３４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１８９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１４５０８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１７８３００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１０３２９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２８４７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５０６５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１０８９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６７７

Ｂ２５Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットの位置補正方法であって、
前記ロボットが、
基台と、
２以上のリンクを連結することで構成され、前記基台に連結されるアームと、
前記アームに連結され、二股に分かれた第１先端部および第２先端部を有するハンドと、
検出光が前記第１先端部と前記第２先端部との間で伝播するよう構成され、ターゲットが当該検出光を遮ったか否かを検出するセンサと、
前記アームおよび前記ハンドの動作を制御する制御装置と、を備え、
複数の回転軸が複数の連結部それぞれにおいて互いに平行に向くよう設定され、前記複数の連結部には、前記基台と前記アームとの連結部、前記アームを成すリンクのうち隣接２リンクの連結部、および、前記アームと前記ハンドとの連結部が含まれ、
前記回転軸のうち３つについて、前記基台に近いものから順に第１軸、第２軸および第３軸とした場合に、前記方法は、
前記ハンドが予め定められた第１初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させるステップと、
前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出する、第１位置検出ステップと、
前記ハンドが前記第１初期姿勢とは異なる予め定められた第２初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させるステップと、
前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出する、第２位置検出ステップと、
前記第１初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角と、前記第２初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角との差に基づいて、前記第２軸および前記第３軸の回転角補正量を求める補正量演算ステップと、を備える、位置補正方法。

【請求項2】

前記第１位置検出ステップおよび前記第２位置検出ステップにおいて、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角から前記ターゲットの位置が求められ、
前記補正量演算ステップにおいて、求められた２つの位置の差に基づいて回転角補正量が求められる、請求項１に記載の位置補正方法。

【請求項3】

前記ターゲットが、第１ターゲットおよび第２ターゲットを含み、
前記第２軸および前記第３軸の回転角補正量が加味された状態で、前記第１ターゲットを用いて前記第１位置検出ステップおよび前記第２位置検出ステップのうちのいずれか一方を実行すると共に前記第２ターゲットを用いて前記第１位置検出ステップおよび前記第２位置検出ステップのうちのいずれか他方を実行し、
これら２つの位置検出ステップから取得された前記第１軸からターゲットまでの距離のデータおよび前記第１軸の回転角のデータに基づき、前記第１軸の回転角補正量が求められる、請求項１に記載のロボットの位置補正方法。

【請求項4】

基台と、
２以上のリンクを連結することで構成され、前記基台に連結されるアームと、
前記アームに連結され、二股に分かれた第１先端部および第２先端部を有するハンドと、
検出光が前記第１先端部と前記第２先端部との間で伝播するよう構成され、ターゲットが当該検出光を遮ったか否かを検出するセンサと、
前記アームおよび前記ハンドの動作を制御する制御装置と、を備え、
複数の回転軸が複数の連結部それぞれにおいて互いに平行に向くよう設定され、前記複数の連結部には、前記基台と前記アームとの連結部、前記アームを成すリンクのうち隣接
２リンクの連結部、および、前記アームと前記ハンドとの連結部が含まれ、
前記回転軸のうち３つについて、前記基台に近いものから順に第１軸、第２軸および第３軸とした場合に、前記制御装置は、
前記ハンドが予め定められた第１初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させ、
前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出し、
前記ハンドが前記第１初期姿勢とは異なる予め定められた第２初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させ、
前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出し、
前記第１初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角と、前記第２初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角との差に基づいて、前記第２軸および前記第３軸の回転角補正量を求めるように構成されている、ロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットの位置補正方法およびロボットに関する。位置補正には、ゼロイング補正、あるいは、教示位置補正が含まれる。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示されるように、基板搬送用のロボットには、ハンドの先端に取り付けられたセンサを備えたものがある。このようなロボットにおいて、教示精度の向上のため、ある定められた旋回軸の周りにハンドを揺動することで、センサの実際の位置とロボットによって認識される位置とのズレが修正される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第９７９６０８６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この技術によれば、ある単一の旋回軸で発生しているズレを修正できる。他方、一般にロボットは複数の回転軸を有する。そのため、ズレを修正する技術には、改善の余地がある可能性がある。

【0005】

そこで本発明は、ロボットの位置制御精度を改善することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一形態に係るロボットの位置補正方法は、前記ロボットが、基台と、２以上のリンクを連結することで構成され、前記基台に連結されるアームと、前記アームに連結され、二股に分かれた第１先端部および第２先端部を有するハンドと、検出光が前記第１先端部と前記第２先端部との間で伝播するよう構成され、ターゲットが当該検出光を遮ったか否かを検出するセンサと、前記アームおよび前記ハンドの動作を制御する制御装置と、を備え、複数の回転軸が複数の連結部それぞれにおいて互いに平行に向くよう設定され、前記複数の連結部には、前記基台と前記アームとの連結部、前記アームを成すリンクのうち隣接２リンクの連結部、および、前記アームと前記ハンドとの連結部が含まれ、前記回転軸のうち３つについて、前記基台に近いものから順に第１軸、第２軸および第３軸とした場合に、前記方法は、前記ハンドが予め定められた第１初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させるステップと、前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出する、第１位置検出ステップと、前記ハンドが前記第１初期姿勢とは異なる予め定められた第２初期姿勢となるよう前記ハンドを移動させることにより、前記ハンドをターゲットと対向させるステップと、前記ハンドを揺動し、前記ターゲットが前記検出光を遮ったときの前記回転軸の回転角を検出する、第２位置検出ステップと、前記第１初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角と、前記第２初期姿勢で取得された前記回転軸の回転角との差に基づいて、前記第２軸および前記第３軸の回転角補正量を求める補正量演算ステップと、を備える。

【0007】

前記構成によれば、第３軸だけでなく第２軸の位置も修正でき、ロボットの位置制御精度が改善される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係るロボットを示す概念図である。

【図2】図２は、実施形態に係るハンドを示す平面図である。

【図3】図３は、実施形態に係るロボットの制御系を示すブロック図である。

【図4】図４は、実施形態に係るロボットの位置補正方法を示すフローチャートである。

【図5】図５Ａは、理想状態でのハンドとターゲットの位置関係を示す図、図５Ｂは現実に起こり得るハンドとターゲットの位置関係を示す図、図５Ｃは第２軸の補正量を説明する図、図５Ｄは第３軸の補正量を説明する図である。

【図6】図６は、第２実施形態に係る位置補正方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。全図を通じて同一または対応の要素には同一の符号を付して重複説明を省略する。

【0010】

図１はロボット１を示す。ロボット１は、半導体素子を製造する半導体処理設備において、基板Ｓを搬送するために利用され得る。基板Ｓは、ウェハと呼ばれる半導体素子の材料であり、円盤状に形成されている。半導体処理設備には、熱処理、不純物導入処理、薄膜形成処理、リソグラフィー処理、洗浄処理、あるいは平坦化処理といった様々な処理を基板Ｓに施すため、複数の処理装置が設置されている。

【0011】

ロボット１は、例えばカセット２に収納された基板Ｓを処理装置へ搬送する。カセット２は、例えば正面開口式一体型ポッド (FOUP) である。なお、単一のカセット２が図示されているが、半導体処理設備には、複数（例えば、２又は３）のカセット２を集約的に備えたEFEM (Equipment Front End Module) が設置されていてもよい。この場合、好ましくは、ロボット１は、走行装置なしで各カセット２内にアクセス可能に構成される。

【0012】

ロボット１は、基台１０、アーム１２、ハンド１４、センサ１７および制御装置２０を備えている。

【0013】

基台１０は、半導体処理設備の適所（例えば、水平な床面）に固定される（あるいは、走行装置を介して設備床面に支持されてもよい）。以降では、基台１０が水平な床面に適正に設置されているものとして、方向を説明する。

【0014】

アーム１２は、昇降軸１１を介して基台１０に連結されている。昇降軸１１は基台１０に対して上下方向（Ｚ方向）に動作でき、それによりアーム１２およびハンド１４を上下方向に移動させる。アーム１２は、２以上のリンクを連結することによって構成されている。ハンド１４は、アーム１２に連結される。ロボット１あるいはアーム１２は、いわゆる水平多関節型である。ロボット１には、複数の回転軸Ａ１，Ａ２…が、複数の連結部それぞれにおいて互いに平行に向くよう設定されている。いずれの回転軸Ａ１，Ａ２…も上下方向（Ｚ方向）に向けられる。

【0015】

「複数の連結部」には、基台１０とアーム１２との連結部、アーム１２を構成するリンクのうち隣接する２リンク同士の連結部、および、アーム１２とハンド１４との連結部が含まれる。ロボット１における回転軸の個数は、基台１０からハンド１４までに設けられた連結部の個数と対応する。例えば、本実施形態では、アーム１２が第１リンク１３ａおよび第２リンク１３ｂの２リンクを有し、ロボット１に３つの連結部および３つの回転軸が設定されている。（リンク本数が３以上であれば、ロボット１に４以上の回転軸が設定されることになる。）

【0016】

第１リンク１３ａの基端部は、基台１０に回転軸Ａ１周りに回転可能に連結されている。第２リンク１３ｂの基端部は、第１リンク１３ａの先端部に回転軸Ａ２周りに回転可能に連結されている。ハンド１４は、第２リンク１３ｂの先端部に回転軸Ａ３周りに回転可能に連結されている。リンク１３ａ，１３ｂおよびハンド１４は、水平面（ＸＹ平面）内で揺動できる。ハンド１４は、アーム１２の姿勢（各回転軸Ａ１～Ａ３周りの回転角）に応じて水平面内で任意の軌跡（直線及び曲線を含む）に沿って移動できる。

【0017】

３つの回転軸Ａ１～Ａ３を基台１０に近いものから順に、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２および第３軸Ａ３と呼ぶ。第１軸Ａ１周りの回転角を第１回転角φ１、第２軸Ａ２周りの回転角を第２回転角φ２、第３軸Ａ３周りの回転角を第３回転角φ３と呼ぶ。中央の第２軸Ａ２が設定されている連結部（２リンク式の本実施形態では、第１リンク１３ａと第２リンク１３ｂとの連結部）について、説明の便宜上「肘関節Ｊｅ」と呼ぶ場合がある。

【0018】

図２はハンド１４を示す。ハンド１４は、薄板状である。ハンド１４は、アーム１２の先端部から水平に延びている。ハンド１４は、円盤状の基板Ｓをその上面で保持でき、それにより基板Ｓは概ね水平な姿勢に保たれる。保持のための構成は、特に限定されず、エッジグリップ式あるいは吸引式を採用できる。ハンド１４が基板Ｓを保持する状態でアーム１２およびハンド１４が昇降および／または揺動することによって、ロボット１は、Ｘ、Ｙおよび／またはＺ方向に任意の軌跡に沿って基板Ｓを水平姿勢に保ちながら搬送できる。

【0019】

ハンド１４は、平面視でＵ状に形成されている。ハンド１４は、単一の基端部１５、および、基端部１５から二股状に分かれて延びる第１先端部１６ａおよび第２先端部１６ｂを有する。ハンド１４は、平面視で中心線Ｃに対して左右対称である。回転軸Ａ３が中心線Ｃ上に位置するようにして、ハンド１４の基端部１５はアーム１２に連結されている。

【0020】

センサ１７は、ハンド１４の第１先端部１６ａと第２先端部１６ｂとの間の空間を伝播する検出光Ｌを形成する、光学センサである。検出光Ｌは、ビーム状であり、空間内で直線的に形成される。センサ１７は、物体が検出光Ｌを遮ったか否か、換言すると、前記空間内に物体が存在するか否かを検出する。本実施形態では、センサ１７を透過型で構成しているが、反射型で構成してもよい。センサ１７は、発光素子１８ａおよび受光素子１８ｂを有する。発光素子１８ａは、制御装置２０により駆動されて検出光Ｌを発生し、検出光Ｌは、光ファイバ１９ａを介して第１先端部１６ａに導かれて第１先端部１６ａから前記空間に出射される。前記空間に物体がなければ、検出光Ｌは、前記空間内を直線的に進んで第２先端部１６ｂに入射し、光ファイバ１９ｂを介して受光素子１８ｂに導かれる。受光素子１８ｂは、受光量に応じた信号を制御装置２０に出力する。物体が検出光Ｌを遮っているか否かによって、センサ１７から出力される信号の特性が変わる。制御装置２０は、この信号特性の違いに基づいて、検出光Ｌが遮られたか否かを判断できる。

【0021】

図３はロボット１の制御系を示している。制御装置２０は、アーム１２およびハンド１４の動作を制御する。制御装置２０は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータを備えたロボットコントローラであり、単一の装置とは限らず複数の装置で構成されていてもよい。

【0022】

制御装置２０は、演算部２１、記憶部２２およびサーボ制御部２３を備える。記憶部２２は、制御装置２０の基本プログラム、ロボット１の動作プログラム、および、動作プログラムの実行中に取得されるデータ等の情報を記憶する。動作プログラムには、ロボット１が半導体処理設備で実用されて基板Ｓの搬送作業を自動的に行うための作業プログラムだけでなく、ロボット１の加工誤差、組付誤差および／または据付誤差等の誤差に起因した位置ずれを作業前に補正するためのプログラムも含まれる。この「位置ずれ」とは、制御装置２０が認識しているアーム１２あるいはハンド１４の位置、姿勢あるいは座標（以下、ソフトウェア値と呼ぶことがある）と、誤差によって生じた実際のアーム１２あるいはハンド１４の位置、姿勢あるいは座標（以下、実際値と呼ぶことがある）との差である。この補正のためのプログラムを実行することで、実施形態に係る位置補正方法が実行される。

【0023】

演算部２１は、ロボット制御のための演算処理を実行し、ロボット１の制御指令を生成する。サーボ制御部２３は、演算部２１により生成された制御指令に基づいて、ロボット１の駆動装置２６を制御するように構成されている。この駆動装置２６には、例えば、昇降軸１１を昇降させる昇降アクチュエータ２７ａ（例えば、エアシリンダ）、回転軸Ａ１～Ａ３それぞれに対応する複数の回転アクチュエータ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ（例えば、電気モータ）が含まれる。駆動装置２６は、制御装置２０からの制御指令に従って、ハンド１４を移動させる。以下の説明において、アーム１２およびハンド１４の姿勢あるいは位置の変化は、制御装置２０により実行される制御を通じて実現される。

【0024】

以下、制御装置２０によるプログラムの実行、それに伴うロボット１の動作によって実現される位置補正方法について説明する。位置補正方法を実施する前提として、ターゲット４０が、ロボット１の可動範囲内に（ハンド１４がアクセス可能な位置に）設置される。ターゲット４０は、作業者によって半導体処理設備で取外し可能に設置されてもよいし、カセット２の内部あるいは外面に予め設置されてもよい。

【0025】

なお、ターゲット４０の形状、設置時姿勢および設置先は任意である。一例として、ターゲット４０は円柱状に形成されてもよく、「ピン」と呼ばれるものであってもよい。この場合、ターゲット４０の水平断面は円となる。他の例として、ターゲット４０はその水平断面の一部のみが円弧とされてもよい。一例として、ターゲット４０は上下方向に延びる姿勢で設置される。ターゲット４０は、カセット２の内部または外面に設置されてもよいし、ウェハを模した治具に設置されてもよい。治具はカセット２内に収納された状態であってもよい。以下の説明において、ターゲット４０の中心とは、ターゲット４０の水平断面の円または円弧の中心であるとする。

【0026】

位置補正方法では、まず、アーム１２が第１初期姿勢となる状態でハンド１４をターゲット４０に対向させる（Ｓ１）。次に、ハンド１４を揺動して複数の回転軸周りの回転角に基づいてターゲット４０の中心の位置を検出する（Ｓ２）。この検出では、上述した特許文献１で教示された技術を好適に適用でき、当該文献に教示される技術をここに援用する。概要を述べると、ハンド１４の揺動のため、第３軸Ａ３周りにハンド１４を回転させる。位置の検出のため、センサ１７の出力を監視してターゲット４０が検出光Ｌを遮ったか否かを判断し、遮ったときの第１軸Ａ１、第２軸Ａ２および第３軸Ａ３の回転角を取得する。そして、第１初期姿勢とは異なる第２初期姿勢でハンド１４をターゲット４０に対向させる（Ｓ３）。先と同様、ハンド１４を揺動して複数の回転軸周りの回転角に基づいてターゲット４０の中心の位置を検出する（Ｓ４）。

【0027】

検出された２つのターゲット４０の中心の位置は、上述の誤差に起因して完全には一致せず、２つの位置の差が生じる。そして、その差を解消するための補正量が誤差を解消するための補正量となる。例えば、２つの位置の差に基づいて、誤差を解消するための補正量を演算する（Ｓ５）。補正量は第２軸Ａ２の回転角および第３軸Ａ３の回転角に関して求められる。具体的には、第１初期姿勢および第２初期姿勢それぞれから第２軸Ａ２周りに同じ補正量Δφ２だけ回転させ（図５Ｃ参照）、更に、第１初期姿勢および第２初期姿勢それぞれから第３軸Ａ３周りに同じ補正量Δφ３だけ回転させたときに（図５Ｄ参照）、ハンド１４の先端が同じ位置となるような補正量Δφ２，Δφ３が求められる。

【0028】

ソフトウェア値にこのように求められた補正量Δφ２，Δφ３が加味されることで、初期の誤差を吸収してロボット１の初期位置を校正でき、位置制御精度が向上する。

【0029】

図６に示すように、ターゲットが２つある場合、第１軸Ａ１の回転角についても補正可能となる。ここで、２つのターゲットを第１ターゲット４０ａ，第２ターゲット４０ｂと呼ぶこととする。理想的な配置では、第１軸Ａ１から第１ターゲット４０ａまでの距離と、第１軸Ａ１から第２ターゲット４０ｂまでの距離とが等しくなるようにして、２つのターゲット４０ａ，４０ｂが設置される。２以上のカセット２を有するEFEMでは、このようなターゲット４０ａ，４０ｂの配置が容易である。第１ターゲット４０ａがある一つのカセット２に設置され、第２ターゲット４０ｂが別のカセット２に設置される。しかし、上述の誤差に起因して、２つの距離は必ずしも等しくならない。第２軸Ａ２および第３軸Ａ３に関する矯正は上記の補正量演算ステップを通じてなされていることから、ここでは第１軸Ａ１に関するソフトウェア値に補正をかけることで、最終的な位置補正が行われる。

【0030】

具体的には、ハンド１４を第１ターゲット４０ａに向けて移動させ、センサ１７を監視して第１ターゲット４０ａに検出光Ｌを遮らせる。遮ったときの第１軸Ａ１から第１ターゲット４０ａまでの距離Ｂと、第１軸Ａ１の回転角φ１を取得する。これと同様にして、ハンド１４を第２ターゲット４０ｂに向けて移動させ、第１軸Ａ１から第２ターゲット４０ｂまでの距離Ｂ´と第１軸Ａ１の回転角φ１´を取得する。

【0031】

仮に現実に第１軸から第１ターゲットまでの距離と、第１軸から第２ターゲットまでの距離とが等しければ、取得された２つの距離が互いに等しく、また、第１姿勢で取得された第１回転角と、第２姿勢で取得された第２回転角とが等しくなる。異なる場合は、２つの距離および／または第１回転軸周りのアクチュエータの取付け等に誤差が存在することを意味する。そのため、距離が異なる場合は、距離を補正するための補正量を演算する。第１回転角の絶対値に差があれば、その差を解消するための補正量を演算する。

【0032】

このように本実施形態によれば、第２軸Ａ２および第３軸Ａ３だけでなく、第１軸Ａ１の回転角および２つのターゲット４０ａ，４０ｂまでの距離を補正でき、位置制御の精度を更に向上できる。

【0033】

これまで実施形態について説明したが、上記構成および方法は本発明の趣旨の範囲内で追加、変更および／または削除可能である。

【0034】

例えば、上述したように、３以上のリンクを有するアームでも同様にして適用可能である。３リンク式の場合には回転軸が４つとなる。その場合、上記方法を適用するに際しては、例えば、まず、ハンド１４側から順に３つの回転軸を第３軸、第２軸および第１軸とし、基台１０とアーム１２との連結部における回転軸については動作させないでおく。これにより、ここで定義された第１～第３軸の回転角について補正できる。次に、基台１０側から順に３つの回転軸を第１軸、第２軸および第３軸とし、ハンド１４とアーム１２との連結部における回転軸については動作させないでおく。これにより、４以上の回転軸が存在するロボットにおいても、補正精度を向上でき、位置制御精度が向上する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】