JP4364634B2 - 二次元３自由度ロボットアームの軌道プラニング及び移動制御戦略 - Google Patents

Description

本発明はロボットマニピュレータに関し、特に、ロボットマニピュレータの移動のプラニング、最適化及び制御に関する。

半導体集積回路(IC)及びフラット・パネル・ディスプレイ(FPD)の製造技術にはシリコンウエハやガラスパネル等の基板の加工が含まれている。かかる製造技術は、例えば、ロードロックや加工モジュール等のロボットステーションを備えた円形真空チャンバ（circular vacuum chamber）からなるクラスタツール（cluster tool）を一般的に含んでいる。ロボットステーションは、チャンバの周囲に星型パターンとなるようにラジアル状に接続されている。クラスタツールにはチャンバの中心に位置するロボットによって基板が提供され、ロードロックから加工モジュールを経てロードロックに戻るように基板はサイクルする。この様な工程においては、ロボットアームは平面上で回転し、ラジアル状に伸び縮みする。

基板を操作平面上の所定位置に位置決めするために、ロボットアームは２自由度(2DOF)の二次元（planar）運動が可能であることを必要とする。ロボットステーションはチャンバにラジアル状に接続されているので、エンドエフェクタの姿勢はロボットアームの位置にかかわらずラジアル方向を保つ必要がある。

一般的なアーム設計には、たたみ込み式（telescoping）、スカラ型（scara）及びフロッグレッグ型（frogleg）機構がある。かかる実施例を含んだ一般的な搬送装置の例が、米国特許第4,730,976号、第4,715,921号、第5,180,276号、第5,404,894号、第5,647,724号及び第5,765,983号に開示されており、これらは本願の開示に組み入れられる。多くの適用例において、ロボットアームは垂直昇降駆動装置（vertical lift drive）に取付けられており、これにより異なる水平レベルにあるステーションへの基板の提供に必要な更なる自由度が与えられる。

ラジアル状星型パターンのツール設計の一般的な欠点は、比較的広い設置面積が必要であること、及び工場内の他の工程と連係させた場合に配置関係が不自由となることである。よって、非ラジアル状に配置したロボットステーションを備えたクラスタ装置が導入されている。一般例としては大気圧移送モジュール（atmospheric transfer module）がある。該モジュールは、外部移送装置によって基板が提供される標準化ロードポートと、一般的真空クラスタ装置のロードロックとの間のインターフェースを担う。非ラジアル状ステーションにアクセスするために、ロボットアームはエンドエフェクタを指定姿勢を伴った所定位置に位置決め可能なものでなければならない。すなわち、操作面上で３自由度を提供しなければならない。従来の2自由度（DOF）ロボットマニピュレータでは非ラジアル状ステーションにアクセスすることができない。

二次元３自由度(3DOF)ロボットアームでは、負荷を操作面上の所与の位置に指定された姿勢で位置決めすることが可能な機械装置が引き合いに出される。かかる機構の一般的な例に二次元３リンク（three-link）・マニピュレータ、すなわち上部アームと、前部アームと、エンドエフェクタとが互いに結合しており関節を介して作動するロボットアームがある。該関節は、各々、ショルダ結合部、エルボ結合部及びリスト結合部と呼ばれている。他の例としては、４リンク設計があり、米国特許第5,789,890号にその特徴が示されており、本願の開示に組み入れられる。

ロボットアームのエンドエフェクタを初期位置から所定目標位置まで動かすために、ロボットのエンドエフェクタが沿って動く経路が定められる。該経路の生成が軌道プラニングの目的である。軌道生成の例が米国特許第5,655,060号及び第6,216,058号に開示されており、それらは本願の開示に組み入れられる。軌道プラニングではロボットアームを駆動するロボットアクチュエータ（モータ）の移動プロフィールが計算され、これにより所望の経路に沿ったエンドエフェクタのスムーズな動きが実現する。移動プロフィールは、一般的に、ロボットアクチュエータの位置、速度及び加速度として生成され、ロボット移動コントローラに参照制御入力として供給される。一般的なピック・プレース型（pick-place）ロボットマニピュレータの経路プラニングは、ロボット作業空間の幾何学的位置及び実行される特定の作業に主に依存する。しかし、移動プロフィールは、例えば、ロボットアクチュエータの速度−トルク特性、負荷の滑りを防ぐためのエンドエフェクタの最大許容加速度、あるいは安全性の面からの最大許容速度の制限を受けることがある。

ロボットマニピュレータがマニュアル操作またはステーション教示モード（teaching mode）の際、エンドエフェクタを所望のアクセス経路に整列させながら基板をステーション入口の初期位置近傍に保つために、ロボットアームのリスト結合部に対するエンドエフェクタの回転運動が必要である。しかし、リスト結合部に対するエンドエフェクタの回転運動は、基板を作業ステーションの入口近傍の初期位置から動かしてしまうことがある。エンドエフェクタを所望のアクセス経路に整列させながら基板を作業ステーションの入口において初期位置近傍に保つにはロボットマニピュレータの繰返し直動を含んだ反復方法が必要である。かかる方法においては繰返し試行が必要であり、ロボットアームのエンドエフェクタを所望の位置と姿勢に動かすためにより多くの時間が必要となる。

軌道プラニングはロボットアームが移動可能となる前に完了していなければならない。従って、経路の決定及び移動プロフィールの生成を行なう計算が複雑になればなるほど、そして必要な計算量が増加すればするほど、ロボットアームを動かすのにより長い時間が必要になる。あるいは、より強力でより高価なコントローラを採用することになる。更に、各移動プロフィールは、ロボットマニピュレータの移動が開始する前に、等間隔の時刻で計算されるため、移動プロフィールに関する大量のデータをコントローラに保存しなければならない。その結果、大メモリ容量が必要となり、メモリ装置の出費がかさむことになる。

移動プロフィールが一旦生成すると、移動コントロールはロボットアクチュエータの指令トルクを決定し、これによりロボットアクチュエータは所望の移動プロフィールを追従する。一般的な中央制御構造は、アクチュエータをロボットアームに備えたロボットマニピュレータには不適切である。なぜならば、大量の長距離信号線をロボットアームのリンク、結合部及びスリップリングを介して供給しなければならず、これは装置組立ての高コスト化や信頼性に対するリスクにつながるからである。一般的な分散制御方法は、独立した結合部ベースのフィードバックループとして作動するか、または実行時間データを共有する高速通信ネットワークを使用する。前者はロボットマニピュレータのリンクと他の部材との間の動力学的な結合を考慮しないので、軌道追従性能は限られたものとなる。後者は騒音、通信帯域幅及び信頼性に関する理由により結合部にスリップリングを備えたロボットアームに採用するのは技術的に困難である。

本発明は、ロボットマニピュレータにより指定姿勢を伴った所定位置に基板を動かす方法の提供を目的としており、ロボットマニピュレータは複数の結合部アクチュエータ及び基板を保持するエンドエフェクタを有しており、エンドエフェクタはとどまっている前記ロボットマニピュレータに対して独立して回転自在である。実施例においては、かかる方法は、ロボットマニピュレータのリストからオフセットしている参照点であって、エンドエフェクタの位置を決定するエンドエフェクタの参照点を選択するステップと、ロボットアームのエンドエフェクタの参照点を指定姿勢を伴った所定位置に向って移動させる移動経路決定ステップとからなる。エンドエフェクタの参照点を移動経路に沿って直動させ、エンドエフェクタを参照点に対して回転させる移動プロフィールが生成される。移動プロフィールは結合部移動プロフィールに変換され、前記ロボットマニピュレータの前記結合部アクチュエータの各々が指定姿勢を伴った所定位置へのエンドエフェクタの移動を実行する。

本発明は、指定姿勢を伴った所定位置に基板を動かす装置の提供を目的としている。実施例においては、かかる装置は、複数の結合部アクチュエータと、ロボットマニピュレータの末端で基板を保持するエンドエフェクタとを有したロボットマニピュレータからなり、ロボットマニピュレータは独立３自由度を有している。ロボットマニピュレータにはコントローラが接続されており、エンドエフェクタの基板保持領域を所望の移動経路に沿って移動させる移動プロフィールが生成される。コントローラは、参照点の移動経路に沿った直動及びエンドエフェクタの参照点に対する実質同時回転の組合せからの移動プロフィールを形成するためにプログラムされる。エンドエフェクタの参照点はロボットマニピュレータのリストからオフセットしている。コントローラは、ロボットマニピュレータの結合部アクチュエータの各々の結合部移動プロフィールを決定し、エンドエフェクタを指定姿勢を伴った所定位置に移動する移動プロフィールを実行する。

本発明は、更に、ロボットマニピュレータによって基板を指定姿勢を伴った所定位置に移動する方法の提供を目的としている。実施例においては、かかる方法は、ロボットマニピュレータに複数の結合部アクチュエータ及び基板を保持するエンドエフェクタをロボットマニピュレータの末端に備えるステップからなる。所望の結合部移動プロフィール及び第１コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの指令トルクを決定する、ロボットマニピュレータと通信する第１コントローラを提供する。所望の結合部移動プロフィール及び第２コントローラに関連した結合部アクチュエータの指令トルクを決定する、ロボットマニピュレータと通信する第２コントローラを提供する。

エンドエフェクタの移動経路に沿った直動及び回転の移動プロフィールのノード点を第１コントローラにおいて生成し、ノード点は第１コントローラから第２コントローラに送信される。第１コントローラ及び第２コントローラにおいて生成したノード点に基づいて、第１コントローラ及び第２コントローラにおいて移動プロフィールの同期化実行時間計算が開始される。第１コントローラ及び第２コントローラでの実行時間計算は互いに別々に実行される。

本発明は、ロボットマニピュレータによって基板を指定姿勢を伴った所定位置に移動する装置の提供を目的としている。実施例において、かかる装置は、ロボットマニピュレータの末端において基板を保持するエンドエフェクタからなり、ロボットマニピュレータは複数の結合部アクチュエータを有している。第１コントローラはロボットマニピュレータと通信し、第１コントローラに関連した結合部アクチュエータの所望位置を決定し、第２コントローラはロボットマニピュレータと通信し、第２コントローラに関連した結合部アクチュエータの所望位置を決定する。

第１コントローラは、エンドエフェクタの移動経路に沿った直動及び回転の移動プロフィールのノード点を第１コントローラにおいて生成し、ノード点を第１コントローラから第２コントローラに送信する。ノード点を第１コントローラから第２コントローラに送信するために、通信線が第１コントローラと第２コントローラとを接続する。第１コントローラ及び第２コントローラは、第１コントローラ及び第２コントローラにおいて生成したノード点に基づき別々に移動プロフィールの実行時間計算を行なう。実行時間計算は同期化して開始される。

本発明は更に、分散制御システム、ロボットアームを運動させる複数の結合部アクチュエータ、及び基板を取外し自在に保持するエンドエフェクタ、を有したロボットアームによって基板を２点間で移動する方法の提供を目的としている。実施例においては、かかる方法は、ロボットアームに結合した主コントローラによって移動プロフィールを生成し、主コントローラに関連した複数の結合部アクチュエータの少なくとも１つを制御するステップと、ロボットアームに結合した遠隔コントローラによって移動プロフィールを生成し、エンドエフェクタに関連した複数結合部アクチュエータの少なくとも他の１つを制御するステップと、からなる。主コントローラ及び遠隔コントローラにおける移動プロフィールは、互いに別々に実行され、その実行は同期化して開始する。

本発明は、更に、分散制御システムとエンドエフェクタとを備え、基板を２点間で移動するロボットアームの提供を目的としている。実施例においては、かかるロボットアームは、ロボットアームに結合され、ロボットアームの位置及び姿勢を制御する結合部アクチュエータからなる。少なくとも１つの結合部アクチュエータを制御する移動プロフィールを生成する主コントローラが、ロボットアームに結合した結合部アクチュエータに対して主コントローラに関連する。少なくとも１つの他の結合部アクチュエータを制御する移動プロフィールを生成する遠隔コントローラが、ロボットアームに結合した結合部アクチュエータに対してエンドエフェクタに関連し、基板がエンドエフェクタに取外し自在に装着されている。主コントローラ及び遠隔コントローラが、各々、互いに別々に自らの移動プロフィールを実行し、その実行は同期化して開始される。

図1を参照すると、本発明の特徴を有するシステム10の概略図が示されている。図面に示された単一の実施例を参照しながら、以下に本発明の説明を行なうが、本発明には他の多くの代替実施例が存在することを理解すべきである。更に、いかなる好適な構成要素の大きさ、形状、型式や材質を使用しても良い。

図1に示されるように、システム10は、大概、３リンク機構を有した二次元３自由度(3DOF)ロボットアーム11の軌道プラニングと移動制御戦略とからなる。これは、図1に概略図として示されている。軌道プラニング戦略とは、軌道を決定するステップのシーケンスのことであり、これによりロボットのエンドエフェクタ16を初期位置から所定の目標位置まで移動させる。軌道とは、一般的に、移動プロフィールを伴った移動（あるいは移送）経路のことである。該移動プロフィールとは、エンドエフェクタ16の移動経路に沿った移動(直動及び回転)のことを示す。

軌道プラニング戦略には、移動経路の生成が含まれ、該経路ではエンドエフェクタの直動とエンドエフェクタの選択参照点周りの回転とが同時に行なわれる。移動（すなわち移送）経路は空間内の直線若しくは曲線であり、これに沿ってエンドエフェクタの参照点が移動する。軌道プラニング戦略では、また、ロボットマニピュレータの移動経路を生成することが可能であり、これにより経由点（via point）を用いて非ラジアル状ツールのステーションにアクセスする。

更に、軌道プラニング戦略はロボットマニピュレータの部材を作動させるロボットアクチュエータの移動プロフィールを計算することが可能であり、これにより所望の移動経路に沿ったエンドエフェクタの参照点のスムーズで連続した動きが実現する。移動プロフィールは、位置、速度及び加速度の一組の値として表わされ、エンドエフェクタ16の移動経路に沿った移動(直動及び回転)が時間の関数として示される。

軌道プラニング戦略によって生成される移動プロフィールは、ロボットアクチュエータに必要なトルクを決定する移動制御方法を採用しており、これによりロボットアクチュエータは所望の移動プロフィールを追従する。１実施例においては、ロボットマニピュレータは主コントローラと遠隔コントローラとを有し、これによりロボットマニピュレータを動かすのに用いられる独立アクチュエータを制御する。主コントローラと遠隔コントローラとを示したが、本発明はそれに限定されない。なぜならば、本発明の権利範囲から離脱することがない限り、図4に示されるように、軌道プラニング戦略は、単一コントローラを採用することも可能だからである。

システム10は上部アーム12と、前部アーム14と、エンドエフェクタ16とを含み、それらは関節結合部18、20及び22によって結合されている。エンドエフェクタ16は、円形基板24等の負荷24を移送することが可能である。関節結合部18、20及び22は、各々、ショルダ結合部18、エルボ結合部20及びリスト結合部22と呼ばれる。エンドエフェクタ16はロボットマニピュレータ11の上部アーム12及び前部アーム14に対して独立に回転自在である。エンドエフェクタ16は選択参照点26を有することが可能である。本ケースにおいては、参照点26は円形負荷24の中心に一致するように選択される。上部アーム12と前部アーム14とは一般に同等の長さとなるように設計され、これにより、リスト結合部22がショルダ結合部18上を移動することが可能となる。上部アーム12及び前部アーム14の姿勢角は、各々、θ₁及びθ₂と示されている。エンドエフェクタ16の操作面上の位置は参照点26のx、y軸座標及び姿勢角θ₃で定義される。

図2、3及び4に示されるように、上部アーム212、前部アーム214及びエンドエフェクタ216は、３つの独立アクチュエータ228、230及び232、すなわちモータMによって駆動される。独立アクチュエータ232の３つの位置が検討されている。 図2は、独立アクチュエータ232がリスト結合部222に直接設置されているロボットマニピュレータ211を示す。図3は、独立アクチュエータ232が上部アーム212内に設置されているロボットマニピュレータ311を示す。図4は、独立アクチュエータ232がロボットのベース234に設置されているロボットマニピュレータ411を示す。

引き続き図2、3及び4を参照すると、分散制御構造は、ロボットマニピュレータ211の数個のコントローラ236、240がロボットマニピュレータ211内に分散している構造を有しており、よってコントローラ236、240が制御するモータ228、230、232の近傍にコントローラ236、240が位置することになる。図4に示されるように、中央制御構造は、ロボットマニピュレータ211の全てのモータ228、230及び232が単一の中央コントローラ240によって制御される構造を有している。もし、モータ228、230及び232のいずれかが、複雑なベルトドライブを避けるためにロボットアーム211内に設置された場合、多くのエンコーダ及びモータ信号の供給がロボットアーム211のリンク212、214及び結合部218、220を介して必要となる。図2及び3に示されるような、独立アクチュエータ232に接続されている遠隔コントローラ236はオプションであり、これにより主コントローラ240からロボットアーム211、311の結合部218、220を介して出ている信号線236の数量が低減する。

図2及び3を参照すると、軌道プラニング戦略は分散方式の移動制御システムによって補完されている。一般的に、移動制御は以下に説明するようにロボットアクチュエータ228、230及び232のための指令トルクを決定し、これにより、ロボットアクチュエータ228、230及び232は軌道プラニング方法によって生成される所望の移動プロフィールを追従する。図2及び3に示されるように、移動制御戦略には分散方式が好適に採用される。分散方式では、制御システム244、344は一対のコントローラ236、240を有している。該一対のコントローラは主コントローラ240及び遠隔コントローラ236と呼ばれる。

主コントローラ240は軌道プラニング全体を担い、上部アーム212及び前部アーム214のフィードバック制御を実行する。遠隔コントローラ236はロボットマニピュレータ211、311の内部に設置され、エンドエフェクタ216に関連するアクチュエータ232を制御する。これによりロボットアーム211、311のリンク212、214及び結合部218、220を介して供給される信号線238の本数が減少し、アクチュエータ232と、アクチュエータ232を制御するコントローラとの間(コントローラ236対240)の信号線の長さが減少する。ソフトウェアモジュール241が主コントローラ240内に導入され、他のソフトウェアモジュール239が遠隔コントローラ236内に導入されており、これにより軌道プラニング及び移動制御アルゴリズムを実行する。軌道は参照点26の直動と、ほぼ同時に行なわれるエンドエフェクタ216の参照点26に対する回転との組合せから形成され、これによりエンドエフェクタ216を所定の姿勢を伴った所定の位置まで動かす。

２つのコントローラ236、240は通信線238を介して接続され、該通信線は軌道情報の送信に用いられる。通信線238は実行時間データの送信に使用することができない。なぜならば、通信線238の通信速度に限界があり、更に信頼性に関係する理由が存在するからである。移動制御戦略はロボットマニピュレータ211の部材212、214及び216間の動力学的結合を考慮し、２つのコントローラ236、240間の同期化問題を取扱う。これは、実行時間データを２つのコントローラ236、240間で共有することなくトリガ信号を介して行なわれる。一般的な分散制御方法には、例えば独立した結合部ベースのフィードバックループ等があり、これは動力学的結合を考慮しないで、個々のコントローラの正確な同期化を実行しないか、または、高速通信ネットワークを使用して実行時間データを共有する。

図2、3及び24を参照すると、ロボットマニピュレータ211、311の分散方式制御システム2444の実施例、及び移動制御戦略の導入が示されている。移動制御戦略は、ロボットマニピュレータ211、311の部材212、214及び216間の動力結合を考慮し、２つのコントローラ236、240、2436、2440間の実行時間情報の通信が欠如しているにもかかわらず、２つのコントローラ236、240、2436、2440の同期化運転を行なう。ステップ2450においては、主コントローラ240、2440はエンドエフェクタ216の直動及び回転用移動プロフィールのノード点（nodal points）を生成し、ステップ2452においては、局所使用のため該ノード点を保存する。ノード点は図14で参考として記載されている。ステップ2454においては、主コントローラ240、2440はノード点を暗号化データ形式で遠隔コントローラ236、2436に送信する。暗号化データ形式は主コントローラ240、2440と遠隔コントローラ236、2436との間の迅速なデータ送信を可能にする。これは、送信されるノード点データの量を圧縮することによるものである。ステップ2456においては、遠隔コントローラ236、2436は暗号化データを予め処理し、ノード点を再構築する。

引き続き図2、3及び24を参照すると、ステップ2458においては、遠隔コントローラ236、2436はトリガ信号を主コントローラ240、2440に送信し、ステップ2460及び2462においては、移動プロフィールの実行時間計算をコントローラ236、240、2436、2440の各々において同時に開始する。実行時間計算の間、コントローラ236、240、2436、2440の各々は、別々に、所望の軌道点を決定する。該軌道点にはロボットマニピュレータ211の逆運動学方程式によるアクチュエータ228、230、232、2428、2430、2432全ての位置、速度及び加速度が含まれている。

図2、3及び24を参照すると、ステップ2464、2466においては、軌道点はフィードバック移動コントローラ2446、2448に供給される。該コントローラは修正計算トルク方法（modified computed-torque method）に基づいて作動し、ロボットマニピュレータ211の部材212、214及び216の間の動力学的結合を考慮する。関連する情報については、クレイグ・J.J.（Craig, J.J.）の「ロボットの紹介−構造及び制御（Introduction to Robotics - Mechanics and Control）」(Addison-Wesley 1986)及びフー・K.S.ら（Fu, K.S. et al.）の「ロボット−制御、知覚、視覚及び知能（Robotics: Control、 Sensing、 Vision、 and Intelligence）」(McGraw-Hill 1987)が参照され、それらは本願の開示に組み入れられる。フィードバック移動コントローラ2446、2448はロボットアクチュエータ228、230、232、2428、2430、2432への指令を提供し、よってロボットマニピュレータ211、311の上部アーム212、前部アーム214及びエンドエフェクタ216を駆動する。

計算トルク方法においては、制御法則は２つの基本的な部分から認識することが可能である。すなわち、誤差駆動補償器（error-driven compensator）によって補完されるモデルベース部分である。モデルベース部分は、後述するように、ロボットマニピュレータ211、311の動力学モデルを採用しており、よってロボット211、311の剛体動力学（rigid-body dynamics）を線型化し非干渉化（decouple）し、これにより、制御されるモータ228、230、 232、2428、2430、2432に関連した一対の独立単位慣性モーメントとして表現することが可能である。制御法則の誤差駆動部分は、各モータ228、230、232、2428、2430、2432のためのPID等の標準フィードバック補償器からなる。通常の計算トルク方法においては、制御トルクは以下の式によって算出される。

ここで、[u] = [u₁ u₂ u₃]^Tであり、u_iはフィードバック補償器の組合せ出力を表わしており、モータi（i = 1、2、3）に関連する結合部の指令加速度である。位置依存の行列[M]及び[h]は式17乃至22に定義されている。

通常の計算トルク方法と対照に、本戦略においては実行時間データが２つのコントローラ236、240、2436、2440によって共有されていないため、式（0）のエンドエフェクタ216の実際の位置及び速度は主コントローラ240、2440の指令値によって置き換えられ、上部アーム212及び前部アーム214の実際の位置及び速度は遠隔コントローラ236、2436の指令値によって代用される。ロボットアーム211、311を駆動するモータ228、230、232、2428、2430、2432の指令トルクは結合部トルク[τ]から変換により得ることが可能であり、該トルクは考慮中の特定の機械設計の実際のモータ配置を反映することが必要である(図2及び3参照)。

図1を参照すると、図１のx軸、y軸及びθ₃座標は、操作面上のエンドエフェクタ16の位置をただ１つ定義する。しかし、図5及び6に示されるように、エンドエフェクタ516、616のいかなる所与の位置であっても上部アーム512、612及び前部アーム514、614の２つの異なる形態によって実現することが可能である。すなわち、図5に示されるような左手モードか、図6に示されるような右手モードである。左手及び右手の用語は、図5及び6に示すように、エンドエフェクタ516、616がショルダ結合部518、618に対して半径方向を指し示す際に特に便利であり直観的である。図5を参照すると、左手形態においては、ロボットアーム511をエンドエフェクタ516の方向にみた場合、エルボ結合部520はショルダ結合部518及びリスト結合部522を接続する線542の左側に位置している。図6を参照すると、右手形態においては、エルボ結合部620は同様な構成の線642の右側に位置している。

簡潔のため、ロボットアーム511の主要形態は左手形態であると仮定する。すなわち、図5に示されるように、ロボットは常に上部アーム512及び前部アーム514が左手配置として収まるようにホーム位置に戻って縮む。更に、図7に示されるように、ロボットアーム711の縮んだ位置は、リスト結合部722がショルダ結合部718を越えて縮まっており、エンドエフェクタ716がショルダ結合部718の上で半径方向を指し示しているとして定義される。

表１の以下の用語及び概念が軌道プラニング及び移動制御戦略、更に関連する式の説明において使用される。

図1を参照すると、ロボット結合部18、20、22の動きとエンドエフェクタ16の動きとの間の関係は軌道プラニングの目的にとって本質的なものである。ロボット結合部18、20及び22における角度位置、速度及び加速度のエンドエフェクタ座標への変換に直接運動学（direct kinematics）を使用することが可能である。ロボットマニピュレータ11の直接運動学は以下の式で表わすことが可能である。

ここで、

である。
上記式において、lは上部アーム12と前部アーム14との長さを表わし、l₃はエンドエフェクタ16の長さを表わし、記号「^・」及び「¨」は各々１次導関数及び２次導関数を示す。

３リンク・ロボットマニピュレータ11の逆運動学は、エンドエフェクタ座標で表現した位置、速度及び加速度のロボット結合部18、20における角度位置、速度及び加速度への変換を含む。３リンク・ロボットマニピュレータ711の逆運動学は以下の式で表わされる。

ここで、

である。

図1を参照すると、式8乃至14によれば、リスト結合部22が非ラジアル状方向においてショルダ結合部18に接近した場合、上部アーム12及び前部アーム14の角速度及び加速度は無限大となる。なぜならば、リスト結合部22とショルダ結合部18との間の距離がゼロに近づくからである。かかるロボットマニピュレータ11の配置、すなわち、リスト結合部22がショルダ結合部18に並んだ状態は、特異点と定義される。

図2、3及び4に示されるように、選択されたアクチュエータ配置を有しているロボットマニピュレータ211、311、411の種々の実施例を参照すると、上部アーム212、前部アーム214及びエンドエフェクタ216を駆動するアクチュエータ228、230、232の角度位置、速度及び加速度が結合部の値から座標変換により得られる。該座標変換は各ロボットマニピュレータ211、311、411のアクチュエータ及び機械的配置を反映している。

図1を参照すると、ロボットマニピュレータ11の動力学モデルを移動制御目的のために決定することが可能である。周知のラグランジュの方法を採用することにより、ロボットマニピュレータ11の動力学モデルが以下のように得られる。

ここで、

である。

ベクトル[τ]はトルクから構成され、これはロボットマニピュレータ11の３つのリンク12、14及び16を駆動する(一般的に結合部トルクと称される)。行列[M]及び[h]の要素は以下のように定義される。

ここで、I_i、m_i及びl_gi（i = 1、2、3）は、表1に定義されるようにロボットマニピュレータ11の３つのリンク12、14及び16の動力学特性を表わし、c_ij = cos (θ_i - θ_j)、s_ij = sin (θ_i - θ_j)である。

図2、3及び4を参照すると、ロボットマニピュレータ211、311及び411を駆動するアクチュエータ228、230及び232のトルクは結合部トルクτ_i（i = 1、2、3）から変換により得ることが可能である。該変換はロボットマニピュレータ211、311及び411の特有の機械的設計におけるアクチュエータ配置を反映している。

図2、3及び4を参照すると、軌道プラニングの方法により生成された移動プロフィールは、ロボットアクチュエータ228、230及び232の位置、速度及び加速度に変換されて生成されることが可能であり、参照制御入力としてロボット移動コントローラ240において使用することが可能である。ピック・プレース型ロボットマニピュレータ211、311及び411の経路プラニング及び移動プロフィールは、図7に概略で示すクラスタ装置702等のロボット作業空間の幾何学形状に主に依存する。ロボットマニピュレータ211、311及び411の経路プラニング及び移動プロフィールは、実施される特定の作業にも依存する。移動プロフィールに追加される制限としては、例えば、ロボットアクチュエータ228、230及び232の速度−トルク特性、負荷の滑りを避けるためのエンドエフェクタ216の最大許容加速度、あるいは安全に関する要件を満たすためのロボットマニピュレータ228、230及び232の最大許容速度が含まれる。

図8、9及び10を参照すると、本発明の１実施例においては、二次元3DOFロボットマニピュレータ811の軌道が、エンドエフェクタ816に付随する参照点826の直動と該参照点826に対するエンドエフェクタ816の同期化回転との組合せとして合成される。直動移動は、直線の１区間すなわちレッグ804のシーケンスに分けられ、それらが統合してスムーズな連続した移動経路806となっている(統合した様子は図8、9及び10に図示されていない)。移動経路806は点線で示され、該点線はエンドエフェクタ816の参照点826の初期位置と、経由点813と、ステーション808の目標点825とを接続している。移動経路806のレッグ804は移動経路806の直線部分である。レッグ804に沿った移動プロフィールは移動の直動及び回転要素に課される制約の組によって制御される。該制約には、例えば、最大許容直動及び回転の速度、加速度、ジャーク及びジャーク率がある。

移動プロフィールは、いかなる制約に違反することなく、直動及び回転要素が同時に開始・終了することによって同期化されるように生成される。対応する結合部移動プロフィールは、ロボットマニピュレータ811の機械的配置に逆運動学方程式を適用することによって得られる。結合部移動プロフィールは制御目的のために、そしてロボットマニピュレータ811の移動を行なうために必要である。

引き続き図8、9及び10を参照すると、一般的に所与の操作面上のエンドエフェクタ816のいかなる動きであっても、エンドエフェクタ816の選択参照点 826の直動と該参照点826に対するエンドエフェクタ816の付随する同期化回転として見ることができる。軌道生成の問題を、参照点826の好適経路806の合成、及び選択経路806に沿った移動の直動及び回転要素の移動プロフィールの計算として減じることができる。

半導体製造への適用においては、参照点826を、例えば、円形シリコンウエハ824等の基板824の中心に一致するように選択すると都合が良く、ロボットマニピュレータによる操作における課題として典型例といえる。その結果、図9に示されるように、エンドエフェクタ816に姿勢を変える指令が発せられた場合はいつでも、エンドエフェクタ816は基板の中心824である参照点826に対して回転する。エンドエフェクタ816がロボットマニピュレータ811のリスト結合部822周りを回転して基板824の回転及び直動を共に生じるのではなく、基板824は、基板の中心826周りに回転し、静止位置にとどまる。

参照点826を基板824の中心に選択することは、ロボットマニピュレータ811がマニュアル操作される際またはステーション教示モードの際に操作性が向上するという点において更なる利点を提供する。例えば、図8に示されるように、直交方向の作業ステーション808に接近する際、オペレータはロボットマニピュレータ811を作業ステーション808の入口810に向って半径方向に伸びるように指令することが可能である。図9に示されるように、その後ロボットマニピュレータ811は、例えば、エンドエフェクタ816を所望のアクセス方向に整列させることによって、エンドエフェクタ816の姿勢を変えることが可能である。一方、基板824の中心826は作業ステーション808の入口810の同じ位置にとどまっている。図10に示されるように、エンドエフェクタ816は参照点826を直線経路806に沿って伸長することが可能であり、これにより基板824を作業ステーション808内に置く。

図8、9及び10を参照すると、軌道プラニング方法は、ロボットマニピュレータ811がマニュアル操作またはステーション教示モードの際に、非ラジアル状作業ステーションへのアクセスに必要なロボットアームの動きの数を減少する。対照的に、従来の方法では、リスト結合部822に対するエンドエフェクタ816の回転運動は基板824を作業ステーション 808の入口810近傍の初期位置から動かすことがある。ロボットマニピュレータ811の繰返し直動を含んだ反復方法が、エンドエフェクタ816を所望のアクセス経路806に整列させながら、基板824を作業ステーション808の入口810の初期位置近傍にとどめるために必要である。

図11、12及び13を参照すると、参照点1126の経路1106は直線部分1104すなわちレッグ1104のシーケンスとして合成することが可能であり、これは半導体及びフラット・パネル・ディスプレイ(FPD)製造に適用される一般的なピック・プレース型操作に用いられる。例えば、図11に示されるように、ロボットマニピュレータ1111は作業ステーション1108の円形基板1124を拾い上げ、基板1124を直線レッグ1104aに沿って動かし、エンドエフェクタ1116の参照点1126の変化する位置として示されるように作業ステーション1108の外へ出す。図12を参照すると、ロボットマニピュレータ1111は円形基板1124を作業ステーション1109の前まで直線レッグ1104bに沿って参照点1126に対して動かす。図13に示されるように、円形基板1124は直線レッグ1104cに沿ってエンドエフェクタ1116の参照点1126に対して動かされ、作業ステーション1109内に置かれる。

経路1106の直線部分1104a、1104b及び1104c、すなわちレッグ1104a、1104B及び1104cは、所定の時間における、連続したレッグ対1104a、1104b及び1104cに関連した移動プロフィールを重ね合せて統合することによりスムーズな連続した軌道となることが可能である。この方法により、個々のレッグ1104a、1104b及び1104c間の不必要な停止が避けられ、その結果エンドエフェクタ1116の参照点1126の全体としてのより早い動きが得られ、全体として移動時間が改善する。特許番号第6,216,058号は出願人の出願によるものであり、軌道部分を統合する形式に関する情報を含んでおり、本願の開示に組み入れられる。

図11及び14を参照すると、参照点1126の経路1106の個々のレッグ1104a、1104b及び1104Cが定められた後、各レッグ1104a、1104b及び1104cの移動の直動及び回転要素の移動プロフィールが生成される。移動プロフィールはエンドエフェクタ1116の移動の直動及び回転要素の位置、速度及び加速度曲線を含んでいる。移動プロフィールは移動の直動及び回転要素に独立して課せられる制約の組の制限を受け得る。該要素には、例えば最大許容直動及び回転の速度、加速度、ジャーク及びジャーク率がある。一般的に、異なる制約の組がレッグ1104a、1104b及び1104cの各々に考慮される。

各レッグ1104a、1104b及び1104cに沿った直動及び回転要素の位置、速度及び加速度プロフィールが、制約の各組に応じて独立に生成され得る。出願人の米国特許第6,216,058号に開示されている、２自由度ロボットマニピュレータ用の予め定められた時間最適形状（pre-defined time-optimum shapes）を用いた方法を参照されたい。本方法の主要な考え方は、考え得る全ての制約の組合せを網羅する予め定められた基本的軌道形状の組から適切なプロフィールを選択することである。基本的形状は包括的形状の簡素化版として認識され、それは全ての制約がアクティブである場合に対応している。また、所望の直動及び角度位置、速度及び加速度が、正規化された、例えば単位当たりの、移動距離のために生成された単一移動プロフィールに倍率をかけることによって得られる。これに関しては、後ほど本記載の中で既述する。

図11及び14を参照すると、包括形状の加速度プロフィール1410が示されており、これは例えば直線レッグ1104a、1104b及び1104c等の、直線及び回転運動に適用される。予め定められた形状の各々は一組の条件に関連し、該条件は形状が移動距離及び制約の特定の組合せに使用可能か否かを決定する。図14においては、符号v_max、a_max、j_max及びd_maxは最大一般化(すなわち直動または角度)速度、加速度、ジャーク及びジャーク率を、各々、示している。レッグ1104の加速度プロフィール1410はセグメント1414からなり、ここにおいて単一の制約がアクティブである。セグメント1414及びそれぞれの制約が表2にまとめられている。


表2:図14の移動プロフィールのセグメント制約
セグメント 制約 セグメント 制約 セグメント 制約
0-1 j = +j_max 4-5 j = -j_max 8-9 d = +d_max
1-2 d = -d_max 5-6 v = v_max 9-10 a = -a_max
2-3 a = +a_max 6-7 v = v_max 10-11 d = +d_max
3-4 d = -d_max 7-8 j = -j_max 11-12 j = +j_max


表2に示されるように、レッグ1104の各セグメント1414において、常に１つの量(速度、加速度、ジャークまたはジャーク率)が一定に保たれている。従って、ロボットマニピュレータ1111の長さや動きの間隔にかかわらず、レッグ1104の全ての移動プロフィールが13（またはそれ未満）のノード点の組によって完全に定義される。該ノード点(ノード)は時間、位置、速度、加速度、ジャーク及びジャーク率情報を含んでいる。どの時間においても、エンドエフェクタ1116の参照点1126の対応する位置、速度及び加速度が以下の式を用いてノード点から得られる。

ここでnは図14の包括移動プロフィールの11に等しい。上部アーム1112及び前部アーム1114の対応する角度位置、速度及び加速度を、逆運動学式8乃至14によってエンドエフェクタ1116の移動の直動及び回転要素から得ることが可能である。

図11及び12を参照すると、エンドエフェクタ1116の移動の直動及び回転要素は同期化することが可能であり、つまり、該移動の要素が同時に開始し終了する。同期化によりロボットマニピュレータ1111がとることのできない形態を結果的に生じる軌道を生成するリスクを減少することが可能である。例えば、エンドエフェクタ1116の回転がエンドエフェクタ1116の直動の前に終了する軌道は、リスト結合部1122が上部アーム1112及び前部アーム1114に届かないこととなり、これは機械的に不可能である。同期化は、修正制約に基づき直動及び回転移動プロフィールを生成することにより実現し、これは以下の式から求められる。

ここで、s_{trn max}及びs_{ang max}は、各々、直動及び回転移動距離を表わしており、v_{trn max}、v_{ang max}、a_{trn max}、a_{ang max}、j_{trn max}、j_{ang max}、d_{trn max}及びd _{ang max}は表1に従って定義された修正制約を表わしている。エンドエフェクタの直動及び回転運動に課せられている元の制約のいずれにも背かないようにして制約を修正することを避けることができない。例えば、修正速度制約は以下のようにして定められる。

ここでv_{trn lim}及びv_{ang lim}は、各々、元の最大許容直動及び角速度を表わしている。修正制約は元の制約に背いていない。

式27及び表2を考慮すると、式23乃至26から得られる移動の直動及び回転要素の位置、速度及び加速度プロフィールは比例していることが認められる。従って、該要素は正規化した、すなわち単位当たりの、移動距離として生成された単一移動プロフィールに倍率をかけることによって簡便に計算され得る。正規化移動プロフィールの制約には以下のものがある。

ここでv_max、a_max、j_max及びd_maxは、各々、最大正規化速度、加速度、ジャーク及びジャーク率である。実際の移動の直動及び回転要素は以下の表現を用いた正規化移動プロフィールから得ることが可能である。

ここでs、v及びaは、式23乃至26に従って計算された正規化位置、速度及び加速度を表わしている。

引き続き図11及び12を参照すると、追加制約が上部アーム1112及び前部アーム1114の最大許容角速度として提供されている。これらの追加制約は、ロボットマニピュレータ1111が特異点の近傍を動く際、上部アーム1112及び前部アーム1114が過分な角速度になることを避けるためのものである。上記にて定義したように、特異点はリスト結合部がショルダ結合部に整列したの際のアームの配置をいう。特異点における上部アーム1112及び前部アーム1114の過度の角速度は、３リンク・ロボットマニピュレータ1111のリスト結合部1122がショルダ結合部1118の近傍を非ラジアル方向に動いた際に起こり得る。この場合は、リスト結合部1122とショルダ結合部1118との間の距離がゼロに近づくので、上部アーム1112及び前部アーム1114の角速度は無限大となる。

図11、12、15及び16を参照すると、軌道生成工程は以下のようにして修正され得る。

エンドエフェクタ1116の同期化した回転を伴った直線運動の軌道が生成される。軌道は、例えば、単位当たりの移動距離等の正規化形式に計算され得る。

正規化軌道は選択された格子点で評価され得るものであり、前部アーム1114及び上部アーム1112の最大許容角速度に背いているか否か検査される。この目的のため、最大角速度制約は正規化速度(式44、45及び46参照)としての位置依存制限に変換され得る。この形式においては、正規化軌道は角速度制約に対して直接検査することが可能である。すなわち、ロボットマニピュレータ1111の逆運動学を含むことがない。

制約に背いた場合、違反した間隔での最大許容正規化速度の最小値を定めることが可能である。この値は、参考としてv_newmaxで表わされ、新規正規化速度制約として採用することが可能であり、軌道を再生成することが可能である。

平均速度を最大化するため、２つの追加移動プロフィールを新規軌道の各末端において重ね合せることが可能である(詳細は以下を参照)。本実施例においては、新規軌道の加速度、ジャーク及び速度制約を半分に減少することが必要であり、速度制約は元の制限v_maxの半分または新規値v_{new max}のいずれか小さい方に定められる。

上述したように、２つの移動プロフィールを新規軌道の各末端で重ね合せることが可能で、これにより速度プロフィールがゾーン内で最適化される。該ゾーンでは新規速度制約v_{new max}が不必要に低い。これら追加プロフィールの制約は、重ね合せの後に元の制限がまとめられるように半分に減少されることが可能である。追加プロフィールの長さは、角速度制約に関連する位置依存速度制限に到達する時の点にまで最大化することが可能である。

最大部材1112、1114角速度制約を正規化速度としての位置依存制限に変換するために、３リンク・ロボットマニピュレータ1111の逆運動学式を再度取上げる。

ここでv_x及びv_yは、各々、エンドエフェクタ1116の直動速度のx−及びy−成分である。エンドエフェクタ1116の直動及び回転の同期化を実現するために、エンドエフェクタ1116の角速度と同様に、これらx−及びy−成分を正規化速度プロフィールに対して比例にする。

これらの関係を式37及び38に代入すると、以下の上部アーム1112及び前部アーム1114角速度の表現が得られる。

上部アーム1112及び前部アーム1114の角速度は最大許容値であるθ(dot)_1max及びθ(dot)_2max未満にするべきである。

最大許容正規化速度の式42及び43を解くと、以下の表現となる。

ここでv₁はθ(dot)_1maxに関連した最大許容正規化速度を表わし、v₂はθ(dot)_2maxによる最大許容正規化速度を示し、v_limはθ(dot)_1max及びθ(dot)_2max を共に考慮した場合の最大許容正規化速度である。

この方法の１実施例が図15及び16に示されている。l = 0.18415 mかつl₃ = 0.33020 mの３リンク・ロボットマニピュレータを考慮した。エンドエフェクタの最大許容直動及び回転速度、加速度、ジャーク及びジャーク率は以下のように選択されている。すなわち、v_{trn lim} = 1×10⁹ m/s、a_{trn lim} = 10 m/s²、j_{trn lim} = 50 m/s³、d_{trn lim} = 1×10⁹ m/s⁴、v_{ang lim} = 1×10⁹ rad/s、a_{ang lim} = 1×10⁹ rad/s²、j_{ang lim} = 100 rad/s³及びd_{ang lim} = 1×10⁹ rad/s⁴である。更に、上部アーム及び前部アームの角速度がθ(dot)_1max = θ(dot)_1max =5.5 rad/sによって制限されている。アームは初期位置[x_ini、y_ini、θ_3ini] = [-0.25m、0.30m、110度]から目標位置[x_dst、y_dst、θ_3des] =[0.25 m、0.30 m、70度]まで動くように指令される。

図15及び16は移動プロフィール1550、1552及び1554の３つの例を示している。上部アーム及び前部アームの制限のない角速度を有した元の移動プロフィール1550が生成され、それは点線で示されている。上部アーム1112及び前部アーム1114の角速度に課せられた追加制約に従うように調整された速度制限を有した減速速度移動プロフィール1552が生成され、それは細線で示されている。第３例は、２つの追加移動プロフィールの軌道の各末端での重ね合せによって得られる最適化移動プロフィール1554であり、これによりエンドエフェクタの平均速度が最大化され、これは太線で示されている。

図15は３例の各々について正規化速度対正規化位置のプロットを示している。斜線部1556はθ(dot)_1maxまたはθ(dot)_2maxの違反を示し、すなわち、禁止ゾーン1556である。点線で示される元のプロフィール1550が禁止ゾーン1556に入っていることが認められる。この浸入は上部アーム1112及び前部アーム1114の最大許容角速度が違反していることを示す。細線で示される減速速度プロフィール1552は禁止ゾーン1556の下側にとどまっている。しかし、速度は全軌道に亘って不必要に低く保たれており、これは時間のロス意味し、好ましくない。対照的に、太線で示される最適化ケース1554の速度プロフィールは、上部アーム1112及び前部アーム1114の角速度に課せられた制約に関連した位置依存制限に接近して追従している。この結果の時間節約が図16に示されており、正規化速度対時間のグラフが３つの移動プロフィール1650、1652及び1654において比較されている。

図17を参照すると、従来の2DOFロボットマニピュレータと比較して、二次元3DOFロボットマニピュレータ1711の特徴的部分は、クラスタ装置1702の中心点1712に対して半径方向に配置されていない作業ステーション1708、1709にアクセスすることが可能なことである。非ラジアル状に配置された作業ステーションは、作業ステーション1708及び作業ステーション1709を含む。非ラジアル状ステーション1708、1709にアクセスするため、経由点1713を導入することが可能であり、これにより作業ステーション1709に直線経路に沿ってアクセスすることが可能である。経由点1713はエンドエフェクタ1716の参照点1726のx、y座標と、エンドエフェクタ1716の姿勢角θ₃とによって指定される。

引き続き図17を参照すると、エンドエフェクタの姿勢が非ラジアル状の状態にあって、３リンク・ロボットマニピュレータ1711が半径上の縮んだ位置から経由点1713に動いた場合であり、更に、ロボットマニピュレータ1711のショルダ結合部1712から経由点1713までの距離がロボットマニピュレータ1711のリスト結合部1722から参照点1726までの距離よりも長い場合は、１レッグまたは２レッグ経路1706の選択が可能である。

図19を参照すると、１レッグ経路1806を選択することが可能であり、ここにおいては、リスト結合部1822はショルダ 結合部1818周りを動く。図19に示されるように、参照点1826は直線に沿って経由点1813に向って動き、一方、エンドエフェクタ1816の姿勢は直線経路1806の開始点から徐々に変化している。この場合においては、リスト結合部1822はショルダ結合部1818周りを移動し、エンドエフェクタ1816の参照点1826は初期位置に対して反対の形態により経由点1813に到達する。例えば、ロボットマニピュレータ1811が、図6に示されるような右手形態から開始する場合、ロボットマニピュレータは、図5に示されるような左手形態で終了する。また、その逆もまた同様である。

図18は、ステーション1809に関連した経由点1813に向けたロボットマニピュレータ1811の回転を示している。図19は経由点1813への１レッグの動きを示している。図20は経由点1813からステーション1809の目標点1815までの追加レッグ1805を示している。

他の実施例においては、図21を参照すると、２レッグ経路2106を選択することが可能であり、これはリスト結合部2122のショルダ結合部2118上の移動を含んでいる。エンドエフェクタ2116の参照点2126は直線経路2106に沿って経由点2113に向って動き始め、その際エンドエフェクタ2116の姿勢の変化はない。エンドエフェクタ2116の姿勢は、ロボットマニピュレータ2111のリスト結合部2122がショルダ結合部2118を越えて所定の距離に到達するまで半径方向を保っている。図22に示されるように、エンドエフェクタ2116の姿勢は、経由点2113において所定の値を実現するために変化を開始する。リスト結合部2122がショルダ結合部2118を越えるので、ロボットアーム2111は初期の形態を保っている。すなわち、左手または右手形態のままである。

２レッグ経路2106の例が図21、22及び23に示されている。図21及び22は、ロボットマニピュレータ2111の縮んだ位置から経由点2113までの２レッグの動きを示している。図23は経由点2113からステーション2109の目標点2115までの追加レッグ2105を示している。

図18、21及び22を参照すると、１レッグまたは２レッグ経路1806、2106は、障害物回避及び処理能力の最適化に簡便なツールであると考えることができる。処理能力の点について考慮すると、経由点2113におけるエンドエフェクタ2116の所望の姿勢が半径方向に近い状況では、図21及び22に示されるような２レッグ経路方法が好ましい。図18を参照すると、経由点1813におけるエンドエフェクタ1816の所望の姿勢が半径方向からかなり離れている場合は、１レッグ経路1806が好ましい。

経由点2113におけるエンドエフェクタ1216の所望の姿勢が半径方向に近いときは、図21及び22に示されるような２レッグオプションがより好ましい。図18を参照すると、１レッグの方法は、上部アーム1812及び前部アーム1814を一方の側から他方の側に強制的に揺動させながら、リスト結合部1822をショルダ結合部1818の近傍に動かすものであって、好ましくない。上部アーム1812、2112及び前部アーム1814、2114の回転速度が使用できるモータトルクによって制限されることを考慮すると、この場合は図21及び22に示されるような２レッグオプションがより適切である。なぜならば、エンドエフェクタの姿勢のわずかな調整だけで良いからである。

図18、21及び22を参照すると、経由点2113におけるエンドエフェクタ2116の所望の姿勢が半径方向からかなり離れている場合は、図21及び22に示されるような２レッグ経路2106は、エンドエフェクタ2116、前部アーム2114及び上部アーム2112のかなりの回転が第２レッグに沿って必要である。経由点1813のかかる状況においては図18に示されるような１レッグの方法がより適切である。

引き続き図18乃至23を参照すると、２つの方法のうちの１つを選択するオプションは、衝突回避の目的において、更なる重要な役割を担っている。エルボ結合部1820、2120の経路1807、2107は１レッグ方法と２レッグ方法とではかなり異なっており、よって結果的に、ロボットマニピュレータ1811、2111は反対の形態(右手対左手)をとっている。２つの方法のうち１つを選択することはロボット作業空間1802、2102内の障害物との衝突を回避するために使用することが可能であり、さもなければ、ロボットマニピュレータ1811、2111のエルボ結合部1820、2120の経路1807、2107に干渉する。

他の実施例として、図25には２つの多関節エンドエフェクタ2516、2517を備えた二次元ロボットマニピュレータ2511の概略図が示されており、軌道プラニング戦略及び移動制御戦略の実施例が適用され得る。ロボットマニピュレータは上部アーム2512、前部アーム2514及び２つのエンドエフェクタ2516、2517を含んでおり、それらは関節結合部2518、2520及び2522によって結合されている。ロボットマニピュレータ2511の部材2512、2514、2516及び2517の各々は独立のモータ(図示せず)によって駆動される。

図25のロボットマニピュレータ2511の動きは、一方のエンドエフェクタ2516、すなわちリード（leading）エンドエフェクタ2516の直動及び回転と、他のエンドエフェクタ2517、すなわち後続（trailing）エンドエフェクタ2517の回転として簡便にプラニングされ得る。ロボットマニピュレータ2511の操作の間、エンドエフェクタ2516、2517は位置及び役割を変えることが可能である。２つのエンドエフェクタ2516、2517の同期化移動を実現するため、リードエンドエフェクタ2516の移動の直動及び回転要素、及び後続エンドエフェクタ2517の移動の回転要素は、単一正規化移動プロフィールの倍率版によって簡易に得ることが可能である。正規化移動プロフィールを生成するため、２つのエンドエフェクタ2516、2517に課せられる速度、加速度、ジャーク及びジャーク率制約を正規化形式に変換することが必要である。

ここで、Aはリードエンドエフェクタ2516の制約を表わし、Bは後続エンドエフェクタ2517の制約を表わしている。リードエンドエフェク2516の実際の移動の直動及び回転要素、及び後続エンドエフェクタ2517の実際の移動の回転要素が以下の式を使用した正規化移動プロフィールから計算される。

上部アーム2512及び前部アーム2514の位置、速度及び加速度は、一般的にサーボ制御目的に用いられるものであり、リードエンドエフェクタ2516の移動プロフィールから既述の番号8乃至14の逆運動学式を介して得ることが可能である。

引き続き図25を参照すると、ロボットマニピュレータ2511の２つのエンドエフェクタ2516、2517が図2及び3に示される単一の遠隔コントローラ236によって制御され得ると仮定すると、多エンドエフェクタ2516、2517を備えたロボットマニピュレータに既述の移動制御戦略を直接適用することが可能である。ロボットマニピュレータ2511の動力学モデルを両コントローラ236、240の計算トルク制御ループに使用することが可能である。ロボットマニピュレータ2511の動力学モデルは以下の形式を有している。

ここで、

記号[τ]はトルクのベクトルを表わしており、これはロボットマニピュレータ2511の部材2512、2514、2516及び2517を駆動し、一般的に結合部トルクと呼ばれている。図2、3、4及び25を参照すると、対応するモータ228、230、232(及び図示しない第２エンドエフェクタの第４モータ)のトルクの決定は、単一エンドエフェクタ216を備えたロボットマニピュレータ211に実施される変換と同様である。対応するモータ228、230、232のトルクは、この追加変換を介して結合部トルクから得ることが可能である。この変換は実際のモータ228、230、232の機械的配置を反映している。行列[M]及び[h]の要素はM_ij及びh_ij（i、j = 1、2、A、B）で表わされ、以下の様に定義される。

ここでI_i、m_i及びl_gi（i = 1、2、A、B）は、表１に定義しているように、ロボットマニピュレータ2511の４つの部材2512、2514、2516及び2517の動力学特性を示しており、c_ij = cos (θ_i - θ_j)、s_ij = sin (θ_i - θ_j)である。単一エンドエフェクタ216を備えたロボットマニピュレータ211に関して上述したように、実行時間データは２つのコントローラ236、240で共有されない。実行時間データを共有せずにロボットマニピュレータ2511の部材2512、2514、2516、2517間の動力学結合を考慮するために、２つのエンドエフェクタ2516、2517の実際の位置及び速度が主コントローラ240の制御ループの指令値に置き換えられ、上部アーム2512及び前部アーム2514の実際の位置及び速度が遠隔コントローラ236の制御ループの指令値で代用される。

本発明は、基板またはワークピースをより少ない軌道プラニング負担でラジアル状及び非ラジアル状ロボットステーション間で移動する方法を含むものである。これは、移動前に行なわれる計算量が少ないことによるものであり、移動前の全移動プロフィールの計算が避けられるため、移動前のデータの収納に必要なメモリ装置に関連したコストが低減する。本発明は、また、より少ない移動時間で非ラジアル状ステーション間の移動を可能にし、これは移動経路レッグのシーケンスが最適選択されることによる。本発明は、また、ロボットアームが作業空間にある障害物と干渉することを回避することが可能であり、これはロボットアームのリンクの異なる形態で基板またはワークピースの所望の移動を行なうオプションが提供されることによる。更に、本発明は、ロボットマニピュレータがマニュアル運転またはステーション教示モードの際、より良い操作性、及び反復操作のない非ラジアル状ステーションへのアクセスを提供することが可能である。

移動制御の分散方式のため、本発明は組立てコスト及び信頼性リスクを低減することが可能であり、これは、中央制御構造に比べてより少ない数の長距離信号線がロボットアームのリンク、結合部及びスリップリングを介して供給されているからである。本発明の移動制御は 、また、最新の分散構造コントローラに比べて軌道トラッキングの精度を向上することが可能である。該分散構造コントローラは独立して結合部ベースでフィードバックループを操作するものであって、ロボットマニピュレータのリンクと他の部材との間の動力学結合を考慮しない。更に、同期化運転を行なうため、ロボットマニピュレータのリンクと他の部材との間の動力学結合を考慮するために高速通信ネットワークを使用する最新の分散構造制御方法に比べて、本発明の移動制御は導入、コスト及び信頼性の点において改善することが可能である。これは、高速ネットワークを介して共有される実行時間データの使用を回避しているからである。

上記の説明は、本発明の単なる例示であることを理解すべきである。当業者は、本発明の趣旨から乖離することなく種々の変更例や変形例を案出し得る。従って、本発明は、添付した請求項の範囲内のかかる変更例、変形例及び改良例の全てを含んでいることを企図している。

本出願は、2001年7月13日出願の米国仮出願第60/305,177号に基づく優先権を主張するものであり、本願の開示に組み入れられる。

本発明の実施例が導入されているロボットマニピュレータの概略図である。 本発明のロボットマニピュレータのアクチュエータ及びコントローラを配置した実施例の配線図である。 本発明のロボットマニピュレータのアクチュエータ及びコントローラを配置した実施例の配線図である。 本発明のロボットマニピュレータのアクチュエータ及びコントローラを配置した実施例の配線図である。 ロボットマニピュレータの左側形態の略図である。 ロボットマニピュレータの右側形態の略図である。 作業ステーション及び本発明のロボットマニピュレータの実施例の略図である。 ロボットマニピュレータを非ラジアル状作業ステーションに動かす本発明の実施例の略図である。 ロボットマニピュレータを非ラジアル状作業ステーションに動かす本発明の実施例の略図である。 ロボットマニピュレータを非ラジアル状作業ステーションに動かす本発明の実施例の略図である。 ワークピースがロボットマニピュレータによってステーション間を移送される本発明の実施例の略図である。 ワークピースがロボットマニピュレータによってステーション間を移送される本発明の実施例の略図である。 ワークピースがロボットマニピュレータによってステーション間を移送される本発明の実施例の略図である。 実施例のロボットマニピュレータの一般的な加速度プロフィールの略図である。 正規化速度に対する正規化位置を示した本発明の移動プロフィールの実施例の略図である。 正規化速度に対する時間を示した本発明の移動プロフィールの実施例の略図である。 経由点を介した非ラジアル状作業ステーションへのアクセスを示した本発明の移動経路の略図である。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動経路の実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心周りを移動する。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動経路の実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心周りを移動する。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動経路の実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心周りを移動する。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動プロフィールの実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心を越えて移動する。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動プロフィールの実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心を越えて移動する。 非ラジアル状ステーションへのアクセスを示した本発明の移動プロフィールの実施例の略図であり、リスト結合部はロボットマニピュレータの中心を越えて移動する。 コントローラの構造を示した本発明の実施例のブロック線図である。 ２つのエンドエフェクタを有した本発明のロボットアームの実施例の略図である。

符号の説明

10 システム
11 ロボットアーム
12 上部アーム
14 前部アーム
16 エンドエフェクタ
18 ショルダ結合部
20 エルボ結合部
22 リスト結合部
24 円形負荷
26 参照点

Claims (27)

1. ロボットマニピュレータにより指定姿勢で所定位置に基板を動かす方法であって、
   ロボットマニピュレータは複数の結合部アクチュエータ、前記結合部アクチュエータに関係した複数のコントローラ、及び前記基板を保持するエンドエフェクタを有しており、前記エンドエフェクタは前記ロボットマニピュレータの他の部分に対して独立して回転自在であり、
   前記方法は、
   前記エンドエフェクタの位置を決めるために、前記ロボットマニピュレータのリストからオフセットし且つ前記エンドエフェクタ上にある参照点を選択するステップと、
   前記ロボットアームの前記エンドエフェクタの前記参照点を、前記指定姿勢で所定位置に向って移動させる移動経路を決定するステップと、
   前記エンドエフェクタの前記参照点を前記移動経路に沿って直動させ且つ前記エンドエフェクタを前記参照点に対して回転させる移動プロフィールを生成するステップと、
   前記複数のコントローラの間にトリガ信号を提供し、各コントローラにより前記移動プロフィールの同期化実行時間計算を開始するステップと、
   を含み、各コントローラは、前記ロボットマニピュレータの全ての前記結合部アクチュエータについての位置、速度、及び加速度を別々に決定し、前記指定姿勢で所定位置への前記エンドエフェクタの移動を実現することを特徴とする方法。
2. 前記移動経路を決定するステップは、前記エンドエフェクタの前記参照点が沿って移動するものであって、前記移動経路に沿った点の組を定義するステップからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記移動経路を決定するステップが、前記点の間の直線区間を生成し、よって実質的に連続した経路を生成するステップからなることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記移動プロフィールを生成するステップが、各区間の移動プロフィールを生成するステップを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記移動プロフィールを前記移動経路の前記直線区間に沿って生成するステップが、前記区間の各々の制約の組を指定するステップを含んでいることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 制約の組を指定するステップが、前記区間の各々の前記エンドエフェクタの直動及び回転運動の最大速度、加速度、ジャーク及びジャーク率を定義するステップを含んでいることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記移動経路の前記直線区間に沿った前記移動プロフィールを生成するステップが、
   各区間を各区間に対する前記参照点の直動に分解し、よって各区間の長さを決定するステップと、
   各区間で前記エンドエフェクタの前記参照点に対する前記回転を決定し、よって各区間の前記回転の角度増加を計算するステップと、を含んでいることを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 前記移動プロフィールを生成するステップは、各区間の前記直動及び回転要素を同期化するステップを含み、よって前記エンドエフェクタの移動の前記直動及び回転要素が同時に開始することを特徴とする請求項３記載の方法。
9. 前記移動プロフィールを生成するステップは、各区間の前記直動及び回転要素を同期化するステップを含み、よって前記エンドエフェクタの移動の前記直動及び回転要素が同時に終了することを特徴とする請求項３記載の方法。
10. 前記同期化するステップが各区間の前記制約を調整するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 各区間の前記移動プロフィールを生成するステップが、１区間を複数のサブ区間に分解するステップを含み、前記ロボットマニピュレータの前記リンクまたはアクチュエータに関連した制約が越えた場合に前記サブ区間が完全にまたは部分的に重複することを特徴とする請求項４記載の方法。
12. 前記参照点を選択する前記ステップが、前記エンドエフェクタの基板保持領域の中心を前記参照点として選択するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記移動経路を決定するステップは、前記所定位置が前記ロボットマニピュレータに対して非ラジアル方向か否かを決定するステップを含んでおり、もし非ラジアル方向であれば、直線区間を含んだ移動経路を生成することが可能な経由点を指定することを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記移動経路を生成するステップが、前記ロボットマニピュレータの障害物回避及び処理能力最適化のために少なくとも２つの異なる経路の１つを選択するステップからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 少なくとも２つの異なる経路の１つを選択するステップが、前記ロボットマニピュレータの縮んだ位置と経由点との間の前記選択経路の区間で１区間経路または２区間経路を選択するステップからなることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 少なくとも１つの基板を指定姿勢で所定位置へ移動させる装置であって、
    複数の結合部アクチュエータ及び少なくとも１つの基板を保持する少なくとも１つのエンドエフェクタを有したロボットマニピュレータであり、前記少なくとも１つのエンドエフェクタが前記ロボットマニピュレータの他の部分に対して独立して回転自在であるロボットマニピュレータと、
    第１のコントローラであり、前記ロボットマニピュレータに接続されて、前記エンドエフェクタの基板保持領域を所望の移動経路に沿って移動させる移動プロフィールを生成し、前記ロボットマニピュレータのリストからオフセットし且つ前記エンドエフェクタ上にある参照点の前記移動経路に沿った直動及び前記参照点に対する前記エンドエフェクタの回転の組み合わせから前記移動プロフィールが形成されるようにプログラムされている第１のコントローラと、
    １つ以上の第２のコントローラであり、前記第１のコントローラと協働し且つトリガ信号に応じて、前記移動プロフィールの実行時間計算を同期化して開始する第２のコントローラと、
    を含み、
    前記第１のコントローラ及び前記１つ以上の第２のコントローラの各々は、前記ロボットマニピュレータの全ての前記結合部アクチュエータについて位置、速度、加速度を別々に決定し、前記指定姿勢で所定位置への前記エンドエフェクタの移動のための前記移動プロフィールを実現することを特徴とする装置。
17. 前記ロボットマニピュレータが少なくとも２つのエンドエフェクタを含んでいることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. ロボットマニピュレータによって基板を指定姿勢で所定位置に移動させる方法であって、
    前記方法は、
    前記ロボットマニピュレータに複数の結合部アクチュエータ及び前記ロボットマニピュレータの末端に前記基板を保持するエンドエフェクタを提供するステップと、
    所望の結合部移動プロフィール及び第１コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの所望の指令トルクを決定し、前記ロボットマニピュレータと通信する第１コントローラを提供するステップと、
    前記所望の結合部移動プロフィール及び第２コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの所望の指令トルクを決定し、前記ロボットマニピュレータと通信する第２コントローラを提供するステップと、
    前記第１コントローラを使用し、前記エンドエフェクタの前記移動経路に沿った直動及び回転の移動プロファイルのノード点を前記第１のコントローラにおいて生成するステップと、
    前記ノード点を前記第１コントローラから前記第２コントローラに送信するステップと、
    前記第１コントローラと前記第２コントローラとの間のトリガ信号に応じ且つ前記第１コントローラ及び前記第２コントローラにおける生成された前記ノード点に基づいて、前記移動プロフィールの同期化実行時間計算を開始して前記第１コントローラにおいて前記ロボットマニピュレータの全ての前記結合部アクチュエータについての軌道点を決定し、且つ前記第２コントローラにおいて前記移動プロフィールの同期化実行時間計算を開始し、前記ロボットマニピュレータの全ての前記結合部アクチュエータについての軌道点を決定するステップと、
    を含む方法であって、
    前記第１コントローラ及び前記第２コントローラでの前記実行時間計算は互いに別々に実行されることを特徴とする方法。
19. 前記方法が、更に、前記第１コントローラから独立した前記第２コントローラにおいて、前記エンドエフェクタの直動及び回転の前記移動プロフィールの前記実行時間計算に従って、前記第２コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記結合部移動プロフィールを決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記方法が、更に、前記第２コントローラから独立した前記第１コントローラにおいて、前記エンドエフェクタの直動及び回転の前記移動プロフィールの前記実行時間計算に従って、前記第１コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記結合部移動プロフィールを決定するステップを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
21. 前記第１コントローラ及び前記第２コントローラに関連する前記結合部アクチュエータの前記所望の指令トルクを決定するステップが、前記第１コントローラと前記第２コントローラとの間で実行時間データを共有することなく前記ロボットマニピュレータの部材間の動力学結合を考慮することを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
22. ロボットマニピュレータによって基板を指定姿勢で所定位置に移動する装置であって、
    前記装置は、
    複数の結合部アクチュエータを有した前記ロボットマニピュレータの末端において前記基板を保持するエンドエフェクタと、
    第１コントローラであって、前記ロボットマニピュレータと通信して前記第１コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記所望位置を決定する第１コントローラと、
    第２コントローラであって、前記ロボットマニピュレータと通信して前記第２コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記所望位置を決定する第２コントローラと、
    を含み、
    前記第１コントローラは、前記エンドエフェクタの前記移動経路に沿った直動及び回転の前記移動プロフィールのノード点を前記第１コントローラにおいて生成し、前記ノード点を前記第１コントローラから前記第２コントローラに送信し、
    前記装置はさらに、
    前記第１コントローラと前記第２コントローラとを接続して前記第１コントローラから前記第２コントローラに前記ノード点を送信する通信線と、
    を含み、
    前記第１コントローラ及び前記第２コントローラは、前記第１コントローラ及び前記第２コントローラにおいて生成した前記ノード点に基づき、前記ロボットマニピュレータの全ての前記結合部アクチュエータについての前記移動プロフィールの実行時間計算を別々に行ない、前記実行時間計算は同期化して開始されることを特徴とする装置。
23. 前記第２コントローラが前記ロボットマニピュレータに結合されて前記エンドエフェクタを制御し、前記第２コントローラ及び前記エンドエフェクタに関連した前記結合部アクチュエータと前記第２コントローラとの間の前記信号線長さを最小化することを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. 前記第２コントローラが前記第２コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記位置を前記第２コントローラにおける前記移動プロフィールの前記実行時間計算に基づいて決定し、前記第１コントローラが前記第１コントローラに関連した前記結合部アクチュエータの前記位置を前記第１コントローラにおける前記移動プロフィールの前記実行時間計算に従って決定することを特徴とする請求項22記載の装置。
25. ロボットアームにより基板を２点間で移動させる方法であって、
    前記ロボットアームは、分散制御システム、前記ロボットアームを運動させる複数の結合部アクチュエータ、及び前記基板を取外し自在に保持するエンドエフェクタ、を有し、
    前記方法は、
    前記ロボットアームに結合した主コントローラによって、１組のノード点から前記複数の結合部アクチュエータについての移動プロフィールを生成し、前記主コントローラに関連した前記複数の結合部アクチュエータの少なくとも１つを制御するステップと、
    前記ロボットアームに結合した遠隔コントローラに前記ノード点を送信し、前記エンドエフェクタに関連した前記複数結合部アクチュエータの少なくとも他の１つを制御し、且つ前記遠隔コントローラにより前記１組のノード点から前記複数の結合部アクチュエータについての前記移動プロフィールを生成するステップと、
    を含み、
    前記遠隔コントローラはトリガ信号を前記主コントローラに送信し、前記主コントローラ及び前記遠隔コントローラにおける前記移動プロフィールの生成を同期化して起こさせ、
    前記方法はさらに、
    前記主コントローラにおける前記移動プロフィールと、前記遠隔コントローラにおける前記移動プロフィールとを互いに別々に実行するステップと、からなる方法であって、
    前記実行するステップが同期化して開始することを特徴とする方法。
26. 分散制御システムとエンドエフェクタとを備えて基板を２点間で移動するロボットアームであって、
    前記ロボットアームに結合され、前記ロボットアームの位置及び姿勢を制御する結合部アクチュエータと、
    主コントローラであって、前記主コントローラに関連した少なくとも１つの結合部アクチュエータを前記ロボットアームに結合した前記結合部アクチュエータに対して制御し、前記複数の結合部アクチュエータについての移動プロフィールを生成する主コントローラと、
    前記エンドエフェクタに関連した少なくとも１つの他の結合部アクチュエータを前記ロボットアームに結合した前記結合部アクチュエータに対して制御し、前記複数の結合部アクチュエータについての移動プロフィールを生成する遠隔コントローラと、
    からなるロボットアームであって、
    前記基板が前記エンドエフェクタに取外し自在に装着され、
    前記主コントローラ及び遠隔コントローラは、前記遠隔コントローラから前記主コントローラへの信号に応じて移動プロフィールを同期化してそれぞれ生成し、
    前記主コントローラ及び遠隔コントローラが、各々、互いに別々に自らの移動プロフィールを実行し、前記実行は同期化して開始されることを特徴とするロボットアーム。
27. 前記ロボットアームが、更に、前記主コントローラ及び前記遠隔コントローラに前記移動プロフィールを生成するソフトウェアモジュールを有し、前記移動プロフィールが２点間の参照点の直動及び前記エンドエフェクタの前記参照点に対する回転であり、前記参照点が前記エンドエフェクタ上に選択されて前記エンドエフェクタの前記位置を移動経路に沿って決定することを特徴とする請求２６記載のロボットアーム。

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