特許 7554671 平面多関節ロボットアームシステム

(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】2024-09-11

(45)【発行日】2024-09-20

(54)【発明の名称】平面多関節ロボットアームシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 9/06 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

B25J9/06 D

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020531523

(86)(22)【出願日】2018-12-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 NL2018050818

(87)【国際公開番号】W WO2019112432

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2021-11-22

(31)【優先権主張番号】2020044

(32)【優先日】2017-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL

(73)【特許権者】

【識別番号】520147360

【氏名又は名称】ブイディーエル イネーブリング テクノロジーズ グループ ビー．ブイ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】シュタイヤルト、ハンス アルフォンシオス マリア

(72)【発明者】

【氏名】ボーレブーム、 ロバート コルネリス ヘンリカス

【審査官】稲垣 浩司

(56)【参考文献】

【文献】特開平７－３１４３７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手方向ｚ軸と、第１中心線および第２中心線によって形成されるｘｙ平面であって前記長手方向ｚ軸に垂直なｘｙ平面と、を有するベースプラットフォームと、
前記ベースプラットフォームの前記長手方向ｚ軸に垂直かつ前記第１中心線に垂直な長手方向軸を有する製品マニピュレータと、
第１クランクコンロッドリンクおよび第２クランクコンロッドリンクからなるダブルクランクコンロッド機構であって、前記第１クランクコンロッドリンクおよび前記第２クランクコンロッドリンクの両方が前記ベースプラットフォームに接続されるクランク端部と前記製品マニピュレータに接続されるコンロッド端部とを有するとともに、前記第１クランクコンロッドリンクおよび前記第２クランクコンロッドリンクの両方のクランクコンロッド関節を連結するリンク要素を有するダブルクランクコンロッド機構と、
前記ダブルクランクコンロッド機構の前記第１クランクコンロッドリンクの前記クランク端部を回転させるために配置される第１駆動ユニットと、
前記ベースプラットフォームに接続される第１アーム端部と前記製品マニピュレータに接続される第２アーム端部とを有する多関節アームと、
前記多関節アームの前記第１アーム端部を回転させるために配置される第２駆動ユニットと、
を備え、
前記多関節アームの前記第１アーム端部は、ｘｙ平面視で、前記製品マニピュレータの前記長手方向軸の一方側である第１の側に配置され、
前記第２クランクコンロッドリンクの前記クランク端部および前記多関節アームの前記第１アーム端部は、前記ベースプラットフォームの第１中心線の同じ側で、かつ、前記第１中心線から異なる距離に配置され、
前記第１中心線は前記ベースプラットフォームの前記長手方向ｚ軸に対して垂直である平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項2】

前記ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部は、いずれも、ｘｙ平面視で、前記製品マニピュレータの前記長手方向軸の他方側であって前記第１の側とは反対側の第２の側に配置される請求項１に記載の平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項3】

前記ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部は前記ベースプラットフォームの第１中心線の互いに反対側に配置される請求項２に記載の平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項4】

長手方向ｚ軸と、第１中心線および第２中心線によって形成されるｘｙ平面であって前記長手方向ｚ軸に垂直なｘｙ平面と、を有するベースプラットフォームと、
前記ベースプラットフォームの前記長手方向ｚ軸に垂直かつ前記第１中心線に垂直な長手方向軸を有する製品マニピュレータと、
第１クランクコンロッドリンクおよび第２クランクコンロッドリンクからなるダブルクランクコンロッド機構であって、前記第１クランクコンロッドリンクおよび前記第２クランクコンロッドリンクの両方が前記ベースプラットフォームに接続されるクランク端部と前記製品マニピュレータに接続されるコンロッド端部とを有するとともに、前記第１クランクコンロッドリンクおよび前記第２クランクコンロッドリンクの両方のクランクコンロッド関節を連結するリンク要素を有するダブルクランクコンロッド機構と、
前記ダブルクランクコンロッド機構の前記第１クランクコンロッドリンクの前記クランク端部を回転させるために配置される第１駆動ユニットと、
前記ベースプラットフォームに接続される第１アーム端部と前記製品マニピュレータに接続される第２アーム端部とを有する多関節アームと、
前記多関節アームの前記第１アーム端部を回転させるために配置される第２駆動ユニットと、
を備え、
前記ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部は、いずれも、ｘｙ平面視で、前記製品マニピュレータの長手方向軸の一方側に配置され、
前記ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部は前記ベースプラットフォームの第１中心線の互いに反対側に配置され、第１中心線は前記ベースプラットフォームの前記長手方向ｚ軸に対して垂直である平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項5】

前記多関節アームの前記第１アーム端部は前記製品マニピュレータの前記長手方向軸の反対側に配置される請求項４に記載の平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項6】

前記第２クランクコンロッドリンクの前記クランク端部および前記多関節アームの前記第１アーム端部は、前記第１中心線の同じ側で、かつ、前記第１中心線から異なる距離に配置される請求項５に記載の平面多関節ロボットアームシステム。

【請求項7】

前記ベースプラットフォームをその長手方向ｚ軸を中心に回転させるために配置される第３駆動ユニットをさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の平面多関節ロボットアームシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、平面多関節ロボットアームシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

このような平面多関節ロボットアームシステムは、一般に知られている組立ロボットの概念です。一般に、このようなタイプの平面多関節ロボットアームシステムは、選択的コンプライアンス多関節ロボットアーム（ＳＣＡＲＡ）とも呼ばれる。スカラロボットアームは一般に、同等の直交ロボットシステムよりも高速でクリーンである。それらの単一の台座マウントは、小さなフットプリントを必要とし、簡単で邪魔にならない形態のマウントを提供する。

【0003】

特に、平面多関節ロボットアームシステムは、回転運動を並進運動に変換できるため、１つの特定の運動を繰り返し実行するロボット製造や建設環境において汎用性がある。特に、その構造上、製品マニピュレータはＺ軸方向に剛性があり、ＸＹ平面内で柔軟性があるため、ＸＹ平面内での正確な運動を、一般的には８００万～１０００万回の繰り返しで実行できる。

【0004】

平面多関節ロボットアームシステムは、その正確さと反復性により、例えば、半導体製造産業におけるウエハ基板処理のために真空制御環境で実装される。

【0005】

現在知られている平面多関節ロボットアームシステムの欠点は、製品マニピュレータの不均衡な構造、および多関節の製品マニピュレータの高い質量と慣性により、寿命が最大８００万～１０００万回の運動に制限されていることである。これにより、システムのヒンジ部品間の結合部に望ましくない高負荷がかかる。また、質量が高いと、駆動ユニットに高いモータ性能を必要とし、駆動ユニットとそれに使用するコントローラーのコストが高くなる。このように、過度に制約の多いシステム設計は、時間の経過とともに、信頼性の問題、過度の位置依存性のある傾きによる製品マニピュレータの動作中の不正確さ、そして最終的には予定外の停止につながる。これらはすべて、システムの信頼性を低下させることになり、ウエハ基板処理のような高精度プロセスでは望ましくない。

【0006】

本発明の目的は、上記で特定された構造上の欠点に悩まされない設計を実施する平面多関節ロボットアームシステムを提供することである。

【0007】

本発明による平面多関節ロボットアームシステムの例は、
長手方向軸を有するベースプラットフォームと、
ベースプラットフォームの長手方向軸に垂直な長手方向軸を有する製品マニピュレータと、
第１クランクコンロッドリンクおよび第２クランクコンロッドリンクからなるダブルクランクコンロッド機構であって、第１クランクコンロッドリンクおよび第２クランクコンロッドリンクの両方がベースプラットフォームに接続されるクランク端部と製品マニピュレータに接続されるコンロッド端部とを有するとともに、第１クランクコンロッドリンクおよび第２クランクコンロッドリンクの両方のクランクコンロッド関節を連結するリンク要素を有するダブルクランクコンロッド機構と、
ダブルクランクコンロッド機構の第１クランクコンロッドリンクのクランク端部を回転させるために配置される第１駆動ユニットと、
ベースプラットフォームに接続される第１アーム端部と製品マニピュレータに接続される第２アーム端部とを有する多関節アームと、
多関節アームの第１アーム端部を回転させるために配置される第２駆動ユニットと、
を含む。

【0008】

このように、製品マニピュレータとダブルクランクコンロッド機構の構造は、よりバランスのとれた設計となっており、構造全体の質量と慣性が大幅に減少する。製品マニピュレータのペイロードは、１つまたは２つではなく３つの位置でベースプラットフォームで支持されているので、結果として得られる構造では、その関節における摩擦力および重力は低くなる。同様に、質量と慣性の減少は、外乱に起因するＸＹ平面内の移動中の振幅を小さくする。半導体製造業界におけるウエハ基板処理のために真空制御環境で実装されると、ウエハの損傷や汚染のリスクがさらに減少し、製品マニピュレータの操作精度がさらに向上する。

【0009】

さらに、その簡素化された設計により、寸法の大きな駆動ユニットなどの複雑で高価なシステム部品が不要になり、機械的な故障をさらに制限することができる。

【0010】

さらなる例では、平面多関節ロボットアームシステムは、ベースプラットフォームをその長手方向軸を中心に回転させるために配置される第３駆動ユニットをさらに含む。

【0011】

特に、ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部は、いずれも製品マニピュレータの長手方向軸の一方側に配置され、さらなる例では、ダブルクランクコンロッド機構の両方のクランク端部はベースプラットフォームの第１中心線の反対側に配置され、第１中心線はベースプラットフォームの長手方向軸に対して垂直である。

【0012】

これらの設計ソリューションは、質量と慣性が低減された、製品マニピュレータのよりバランスがとれた設計を提供する。傾きによる製品マニピュレータの動作中の不正確さが大幅に減少するため、製品マニピュレータの動作中の過度の位置依存性のある傾きが低減され、システムの信頼性がさらに向上する。

【0013】

さらに別の例では、多関節アームの第１アーム端部は、製品マニピュレータの長手方向軸の反対側に配置される。

【0014】

平面多関節ロボットアームシステムのさらに別の有利な例では、第２クランクコンロッドリンクのクランク端部および多関節アームの第１アーム端部は、第１中心線の同じ側で、かつ、第１中心線から異なる距離に配置される。

【0015】

添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明による平面多関節ロボットアームシステムの概略図である。

【図2】本発明による平面多関節ロボットアームシステムの概略図である。

【図3】本発明による平面多関節ロボットアームシステムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明のより良い理解のために、図面中の同様の部分は、同様の参照番号で示される。

【0018】

図１～３において、参照符号１００は、本発明による平面多関節ロボットアームシステムの例を示す。平面多関節ロボットアームシステムは、３つの主要な要素部品、すなわち、ベースプラットフォーム１１０、ダブルクランクコンロッド機構１３０および製品マニピュレータ１２０からなる。ダブルクランクコンロッド機構１３０は、プラットフォーム台座１１１の一部であるベースプラットフォーム１１０に取り付けられる。同様に、製品マニピュレータ１２０は、その製品マニピュレータマウント１２１とともに、ダブルクランクコンロッド機構１３０に取り付けられる。製品マニピュレータ１２０は、例えば半導体製造業において集積回路がその上に製造されるウエハ基板１９０などの製品を取り扱う働きをする。

【0019】

台座１１１内には、第１駆動ユニット１８１が、ダブルクランクコンロッド機構１３０の関節の１つを回転駆動するために配置される。この回転運動は、プラットフォーム台座１１１／ベースプラットフォーム１１０の長手方向軸１１０ｚに垂直なＸＹ平面におけるダブルクランクコンロッド機構１３０の並進運動に変換される。同様に、ＸＹ平面におけるダブルクランクコンロッド機構１３０の並進運動は、製品マニピュレータ１２０に伝達される。

【0020】

製品マニピュレータ１２０の並進運動における回転運動のこの変換により、平面多関節ロボットアームシステム１００は、特定の動きを反復的に実行するロボット製造または建設環境において汎用性がある。この比喩的な説明でさらに説明するように、平面多関節ロボットアームシステムの構造により、製品マニピュレータ１２０はＺ軸方向（長手方向軸１１０ｚに沿った方向）には剛性があるが、設定軸１１０ｚに垂直なＸＹ平面には柔軟性がある。これにより、平面多関節ロボットアームシステムは、ＸＹ平面内で反復的に正確な動作、すなわち製品マニピュレータ１２０の並進動作を実行できる。その正確さと反復性のために、本発明による平面多関節ロボットアームシステムは、例えば、半導体製造産業における製品マニピュレータ１２０によるウエハ基板１９０の処理のための真空制御環境における実装に非常に適している。

【0021】

ダブルクランクコンロッド機構１３０は、第１クランクコンロッドリンク１４０および第２クランクコンロッドリンク１５０から構成される。第１および第２クランクコンロッドリンク１４０－１５０の両方は、クランク１４１－１５１およびコンロッド１４２－１５２の２つの要素から構成される。さらに、各コンロッド端部１４４（１５４）は、製品マニピュレータマウント１２１とヒンジ接続されている。

【0022】

図１および２に示されるように、さらに、第１および第２クランクコンロッドリンク１４０（１５０）の両方のクランク１４１（１５１）のクランク端部１４３（１５３）は、プラットフォーム台座１１１のベースプラットフォーム１１０に取り付けられる。参照符号１６０は、第１および第２クランクコンロッドリンク１４０－１５０のクランク部分とコンロッド部分との間の両方の関節１４５－１５５を相互接続するリンク要素またはストリップ状要素またはバーを示す。したがって、第１および第２クランクコンロッドリンク１４０－１５０の両方は、相互接続されたリンクのフレーム（平行四辺形）を形成する。第１および第２クランクコンロッドリンク１４０－１５０のクランク１４１（１５１）の両方のクランク端部１４３（１５３）は、ベースプラットフォーム１１０に回転可能に取り付けられる。回転可能に取り付けられたクランク端部１４３は、長手方向軸１１０ｚに平行で、第１駆動ユニット１８１によって回転駆動される回転軸の周りを回転可能である。駆動ユニット１８１は、好ましくは電気モーターである。

【0023】

クランク端部１４３がベースプラットフォーム１１０に接続されている枢着部１４３を中心に第１駆動ユニット１８１によってクランク１４１を回転させると、ベースプラットフォーム１１０に対するクランク１４１の回転運動が生じ、その回転運動は、製品マニピュレータ１２０のダブルクランクコンロッド機構１３０を介して、枢着部１４３を中心とした回転軸に対して垂直に配向されたＸＹ平面での並進運動に変換される。製品マニピュレータが移動するＸＹ平面は、プラットフォーム台座１１１の長手方向軸１１０Ｚに対して垂直に配向される。

【0024】

本発明によれば、バランスの観点から平面多関節ロボットアームシステムの設計を改善し、質量および慣性を低減するために、ダブルクランクコンロッド機構は、参照符号１７０で示される多関節アームをさらに備える。多関節アーム１７０は、参照番号１７１および１７２で示される２つのアームリンクから構成される。第１アームリンク１７１および第２アームリンク１７２の両方は、中間ヒンジ関節１７５によって互いに結合される。次に、第２アームリンクの他端部１７４は、製品マニピュレータマウント１２１に接続される。

【0025】

第１アームリンク１７１のアーム端部１７３は、ベースプラットフォーム１１０に回転可能に取り付けられる。参照符号１８２は、第１アームリンク１７１をその枢着部１７３を中心に回転駆動するためにプラットフォーム台座１１１に取り付けられた第２駆動ユニットを示す。第２駆動ユニット１８２は、好ましくは電気モータである。第１駆動ユニット１８１の駆動作用とともに、ダブルクランク制御機構１３０および多関節アーム１７０の両方が、それぞれの第１および第２駆動ユニット１８１－１８２によってベースプラットフォーム１１０に対して駆動され、長手方向の設定軸１１０ｚに垂直なＸＹ平面内に製品マニピュレータの並進運動を生成する。

【0026】

参照符号１８３は、ベースプラットフォーム１１０全体をその長手方向Ｚ軸１１０ｚを中心に回転駆動するためにプラットフォーム台座１１１内に取り付けられる第３駆動ユニットを示し、これにより、ダブルクランクコンロッド機構１３０／多関節アーム１７０／製品マニピュレータ１２０がベースプラットフォーム１１０に対してＸＹ平面内に形成される構成となっている。第３駆動ユニット１８３は、好ましくは電気モータである。

【0027】

図２および３に見られるようにプラットフォーム台座１１１／ベースプラットフォーム１１０は第１および第２中心線１１０ｘ－１１０ｙを有し、第１および第２中心線１１０ｘ－１１０ｙは製品マニピュレータ１２０の長手方向軸１２０ｚとともにＸＹ平面を形成し、製品マニピュレータ１２０は第１および第２駆動ユニット１８１－１８２によるダブルクランクコンロッド機構１３０および多関節アーム１７０の回転運動の結果としてＸＹ平面において並進運動を実行する。なお、ダブルクランクコンロッド機構１３０の第１および第２クランクコンロッドリンク１４０－１５０の両方のクランク１４１－１５１は、それぞれのクランク端部１４３－１５３が製品マニピュレータ１２０の長手方向軸１２０ｚの一方側にある状態で、ベースプラットフォーム１１０に取り付けられる。長手方向軸１２０ｚの反対側には、第１アームリンク１７１のアーム端部１７３によってベースプラットフォーム１１０に取り付けられた多関節アーム１７０がある。

【0028】

さらに、第１および第２のクランクコンロッドリンク１４０－１５０のクランク１４１－１５１の両方のクランク端部１４３－１５３は、ベースプラットフォーム１１０の第１中心線１１０ｘの反対側に、好ましくは当該中心線から等しい距離に配置される。第１アームリンク１７１の駆動可能なアーム端部１７３および第２クランクコンロッドリンク１５０の非駆動のクランク端部１５３は、第２中心線１１０ｙおよび製品マニピュレータ１２０の長手方向軸１２０ｚの反対側に位置するが、第１クランクコンロッドリンク１４０のクランク１４１の駆動可能なクランク端部１４３がベースプラットフォーム１１０に取り付けられている側と反対の第１中心線１１０ｘに対して同じ側に配置される。なお、駆動可能なアーム端部１７３および非駆動のクランク端部１５３の両方は、第１中心線１１０ｘに対して異なる距離に配置される。

【0029】

これらの設計ソリューションはすべて、ベースプラットフォーム１１０／プラットフォーム台座１１１と比べて、質量と慣性が低減された製品マニピュレータのよりバランスのとれた設計を提供する。製品マニピュレータ１２０の移動中の不正確さが大幅に低減されるため、製品マニピュレータ１２０の移動中の過度の位置依存性のある傾きが低減され、システムの信頼性が大幅に向上する。

【0030】

先行技術では、いくつかのスカラ型平面多関節ロボットアームシステムは、製品マニピュレータ１２０がＸＹ平面内でその並進運動を実行することに基づいてアームを操作するために、プレストレス状態のスチールバンドまたは歯付きベルトを実装する。プレストレスまたはプレテンション状態でのスチールバンド（歯付きベルト）の使用および取り付けには、そのプレロードを受けることができるように、ロボットアームの堅牢な構造が必要となる。したがって、先行技術のシステムは重量が重く、寸法および駆動ユニットに関しても過度に制約されている。

【0031】

また、先行技術の平面多関節ロボットアームシステムは、ロボットアームを実装し、３自由度（Ｘ、ＹおよびＲｚ）を有するアームと製品マニピュレータとの間の結合は、その重量のために大きなコンプライアンスを示す。

【0032】

本発明では、このようなプレテンション状態のバンド駆動機構が使用されず、その結果、ロボットシステムのアームはより軽く構成される。これにより、質量と質量慣性が大幅に削減され、その結果、傾きによる製品のマニピュレーターの動作中の不正確さが大幅に減少するため、より信頼性の高い構造になります。さらに、ロボットアームと製品マニピュレータとの間の従来技術の結合のコンプライアンスは、プラットフォーム台座と結合されている３リンクロボットアーム自体のコンプライアンスによって置き換えられ、結果としてさらに軽量化される。

【符号の説明】

【0033】

１００ 平面多関節ロボットアームシステム
１１０ ベースプラットフォーム
１１０ｘ ベースプラットフォームの第１中心線
１１０ｙ ベースプラットフォームの第２中心線
１１０ｚ ベースプラットフォームの長手方向軸
１１１ プラットフォーム台座
１２０ 製品マニピュレータ
１２０ｚ 製品マニピュレータの長手方向軸
１２１ 製品マニピュレータマウント
１３０ ダブルクランクコンロッド機構
１４０ 第１クランクコンロッドリンク
１４１ 第１クランクコンロッドリンクのクランク
１４２ 第１クランクコンロッドリンクのコンロッド
１４３ 第１クランクコンロッドリンクのクランク端部
１４４ 第１クランクコンロッドリンクのコンロッド端部
１４５ 第１クランクコンロッドリンクの関節
１５０ 第２クランクコンロッドリンク
１５１ 第２クランクコンロッドリンクのクランク
１５２ 第２クランクコンロッドリンクのコンロッド
１５３ 第２クランクコンロッドリンクのクランク端部
１５４ 第２クランクコンロッドリンクのコンロッド端部
１５５ 第２クランクコンロッドリンクの関節
１６０ ダブルクランクコンロッドメカニズムのリンクエレメント
１７０ 多関節アーム
１７１ 第１アームリンク
１７２ 第２アームリンク
１７３ 多関節アームの第１アーム端部
１７４ 多関節アームの第２アーム端部
１７５ 多関節アームの第１アームリンクと第２アームリンクとの間の中間関節
１８１ 第１駆動ユニット
１８２ 第２駆動ユニット
１８３ 第３駆動ユニット
１９０ 製品（ウエハ）

【図1】

【図2】

【図3】