JP5120258B2

JP5120258B2 - ワーク搬送装置

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Publication number: JP5120258B2
Application number: JP2008534291A
Authority: JP
Inventors: 貴宏前田; 道春田中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: TWI423377B; WO2008032591A1; TW200832599A; JPWO2008032591A1; KR101310003B1; KR20090050024A

Description

本発明は、支持部に対して片持ち支持されたアームを水平移動させることによってワーク把持装置に把持したワークを搬送するワーク搬送装置に関し、特に該アームの撓みによってずれた制御点位置を補正することができるワーク搬送装置に関する。

液晶用ガラス基板や半導体ウエハ等の基板等を加工処理する半導体製造システムにおいては、処理工程毎に処理部を配置し、これら処理部に対して順次基板を搬送することにより、基板に一連の処置を施すようにしている。
図７にワーク搬送装置の構成を示す。ここでは、一連の処理工程を終えた複数の基板を一時的に保管する基板収容カセット１００に、複数軸で構成されたロボット１０２がガラス基板１０７を挿入する様子を示す。ロボット１０２は制御装置１０４よりケーブル１０３を介してモータの駆動電力が供給され動作を行う。制御装置１０４はケーブル１０５を介して教示手段１０６に接続されている。教示手段１０６は複数のボタンを有し、各ボタンを押下することでケーブル１０５を介して制御装置１０４へ指示を出力する。制御装置１０４は前記指示に従い、ケーブル１０３を介してロボット１０２へモータの駆動電力を出力する。教示手段１０６は例えば汎用コンピュータやパーソナルコンピュータの場合もある。基板収容カセット１００はガラス基板１０７を保持又は支持するための支持ピン１０１を備えている。

図８はロボット１０２の構成を示す。第１アームリンク１０８は第１アーム軸１１４を介して旋回部１２９に支持される。第１アームリンク１０８の内部にはアーム軸モータ１１５を備え、アーム軸減速機１１６と連結されている。アーム軸モータ１１５が回転することでアーム軸減速機１１６に連結された第１アーム軸１１４を回転させようとするが、旋回部１２９に支持されているため、第１アームリンク１０８が第１アーム軸１１４を中心に旋回する。
第１アームリンク１０８の内部には第１リンクベルト１１７を備えており、アーム軸減速機１１６から第２アーム軸１１８に連結された第２アーム軸減速機１１９へ動力が伝達される。第２アーム軸減速機１１９はアーム軸減速機１１６と逆方向に回転する特性を持つ。すなわち、アーム軸モータ１１５が回転することで第１リンクベルト１１７が駆動され、第２アーム軸減速機１１９が回転し、連結された第２アーム軸１１８が回転し、第２アームリンク１０９は第２アーム軸１１８を中心に第１アーム軸１１４と逆方向へ旋回する。第２アームリンク１０９の内部には第２リンクベルト１２０を備えており、第２アーム軸減速機１１９からフランジ減速機１２１へ動力が伝達される。フランジ減速機１２１は第２アーム軸減速機１１９と逆方向に回転する特性を持つ。また、各減速機（アーム軸減速機１１６、第２アーム軸減速機１１９、フランジ減速機１２１）の減速比は第１アーム軸１１４の回転角度とフランジ１２２の回転角度が等しくなるように設けられている。また、第１アーム軸１１４の旋回中心から第２アーム軸１１８の旋回中心までの距離と、第２アーム軸１１８の旋回中心からフランジ１２２の旋回中心までの距離は等しくなるように設けられている。

以上の機構から、アーム軸モータ１１５が回転することで、アーム軸減速機１１６と連結された第１アーム軸１１４が回転すると同時に、アーム軸減速機１１６から第１リンクベルト１１７を介して動力が伝達され第２アーム軸減速機１１９が回転する。第２アーム軸減速機１１９が回転することで、連結された第２アーム軸１１８が第１アーム軸１１４と逆方向に回転すると同時に、第２アーム軸減速機１１９から第２リンクベルト１２０を介して動力が伝達されフランジ減速機１２１が回転する。フランジ減速機１２１が回転することで、連結されたフランジ１２２は第２アーム軸１１８と逆方向、即ち第１アーム軸１１４と同方向に旋回する。また、第１アーム軸１１４の回転角度とフランジ１２２の回転角度は等しく、第１アーム軸１１４の回転中心から第２アーム軸１１８の回転中心までの距離と、第２アーム軸１１８の回転中心からフランジ１２２の回転中心までの距離は等しいため、ワーク把持装置１１０、ワーク把持装置１１０で把持又は載置されたガラス基板１０７及び制御装置１０４がロボット１０２を動作する上で動作制御対象とする仮想点である制御点１２３はＸ軸方向に直線動作するようになっている。

ロボット１０２のアーム（第１アームリンクと第２アームリンク）が伸縮した状態を図９及び図１０に示す。図９及び図１０は図８記載のロボットをＺ軸正方向から見た図である。図中、ａは第１アーム軸１１４の旋回中心から第２アーム軸１１８の旋回中心までの距離を示す。ａは、第２アーム軸１１８の旋回中心からフランジ１２２の旋回中心までの距離に等しいことから、第１アーム軸１１４の旋回中心と第２アーム軸１１８の旋回中心とフランジ１２２の旋回中心を結ぶ線分が成す三角形は、図中に示す二等辺三角形となる。前記二等辺三角形の底辺ｒ１、ｒ２は第１アーム軸１１４の旋回中心からフランジ１２２の旋回中心までの距離（アームの伸縮長）である。例えば第１アーム軸１１４がα１回転したとき、第１アーム軸１１４から第２アーム軸１１８を結ぶ線分と第１アーム軸１１４からフランジ１２２を結ぶ線分が成す角度はβ１となるが、フランジ１２２はすでに述べた機構から第２アーム軸１１８と逆方向に第１アーム軸と同じ角度だけ旋回するので、ワーク把持装置１１０の向きは第２アーム軸１１８からフランジ１２２への延長線上から反時計方向に角度β１成す方向になる（図９参照）。また、例えば第１アーム軸１１４がα２旋回したときには、この角度はβ２となる（図１０参照）。従って、アームの伸縮動作を行うとき、ワーク把持装置１１０の向きを一定に保つことが出来る。アームの伸縮長ｒは式（１）によって求められる。
ｒ＝２ａｓｉｎ（α）・・・（１）

図８で、昇降軸モータ１２４は図示しない減速機と連結されており、下部昇降リンク１１２の内部に備えられた図示しないベルトによって、昇降据付部１２５と連結された図示しない減速機に駆動伝達されている。さらに、昇降軸モータ１２４に連結された図示しない減速機と昇降支持部１２６に連結された図示しない減速機は、上部昇降リンク１１１の内部に備えられた図示しないベルトによって駆動伝達されている。昇降据付部１２５に連結された図示しない減速機と昇降支持部１２６に連結された図示しない減速機は、昇降軸モータ１２４に連結された減速機と逆方向に回転する特性を持つ。また、昇降据付部１２５の旋回中心から昇降軸モータ１２４に連結された図示しない減速機の旋回中心までの距離と、昇降軸モータ１２４の旋回中心から昇降支持部１２６に連結された図示しない減速機の旋回中心までの距離は等しくなるように設けられている。
以上の構成から、昇降軸モータ１２４が回転することで、昇降軸モータ１２４と連結された図示しない減速機が回転し、下部昇降リンク１１２の内部と上部昇降リンク１１１の内部のそれぞれに備えられた図示しないベルトが駆動し、昇降据付部１２５に連結された図示しない減速機と、昇降支持部１２６に連結された減速機が昇降軸モータ１２４に連結された減速機と逆方向に回転し、昇降支持部１２６の動作に伴い、ワーク把持装置１１０、把持されたガラス基板１０７及び制御点１２３はＺ軸直線方向に動作する。

ロボット１０２の昇降について図１１にさらに詳しく示す。図中ｂは昇降軸モータ１２４の回転中心から昇降支持部１２６に連結された図示しない減速機の回転中心までの距離を示す。ｂは、昇降据付部１２５の回転中心から昇降軸モータ１２４に連結された図示しない減速機の回転中心までの距離に等しいことから、昇降支持部１２６の回転中心と昇降軸モータ１２４の回転中心と昇降据付部１２５の回転中心を結ぶ線分が成す三角形は二等辺三角形となる。前記二等辺三角形の底辺ｚは昇降据付部１２５の回転中心から昇降支持部１２６の回転中心までの距離である。例えば昇降軸モータ１２４が２γ回転したとき、下部昇降リンク１１２とＺ軸ゼロ基準１２７が成す角度と、Ｚ軸から上部昇降リンク１１１の延長線上に成す角度はγとなり、本体アーム支持部１１３のＺ軸に対する向きを保つ。昇降量ｚは式（２）によって求められる。
ｚ＝２ｂｓｉｎ（γ）・・・（２）

図８記載のロボット１０２をＺ軸正方向から見た様子を図１２に示す。旋回軸１３０は図示しない減速機と連結されている。該減速機は図８記載の旋回軸モータ１２８と連結されている。旋回軸１３０は旋回部１２９と連結されており、旋回部１２９は本体アーム支持部１１３と連結されている。旋回軸モータ１２８が回転することで連結された図示しない減速機が回転し、旋回軸１３０が回転する。旋回軸１３０が回転することで、連結された旋回部１２９は旋回正方向１３１、または旋回負方向１３２へ旋回する。

以上のロボット１０２を利用した基板搬送の一連の流れを図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は基板収容カセットへワーク把持装置を挿入するロボットをＺ軸正方向から見た様子を示す。基板収容カセット１００へワーク把持装置１１０を挿入する際、第１アーム軸１１４を回転させ、基板収容カセット１００へアームをＸ軸正方向へ動作させる。一般に支持ピン１０１は予め、ワーク把持装置１１０の櫛状の先端部が通過するのに充分な間隔で備えられているので、ワーク把持装置１１０を支持ピン１０１の合間へ挿入することが出来る。支持ピン１０１と同様の支持ピン１３４を複数備えた基板収容カセット１３３にワーク把持装置１１０を挿入する場合、基板収容カセット１３３へワーク把持装置１１０を挿入可能な状態に動作しなければならない。基板収容カセット１００へワーク把持装置１１０を挿入した状態で旋回部１３０を旋回させると、基板収容カセット１００とワーク把持装置１１０が干渉する為、まず、第１アーム軸１１４を回転させ、基板収容カセット１００とワーク把持装置１１０が干渉しない状態までアームをＸ軸負方向へ動作させる。次に、旋回軸モータ１２８を回転させることで旋回軸１３０を回転させ、旋回部１２９を旋回させる。第１アーム軸１１４は旋回部１２９に支持されているので、第１アーム軸１１４からワーク把持装置１１０にかけて連結された各部も共に旋回する。
図１４は前述の操作でアームを縮め、旋回部１２９を旋回させ、ワーク把持装置１１０を基板収容カセット１３３の方向にした図である。ここで第１アーム軸１１４を回転させ、ワーク把持装置１１０を旋回負方向１３２に旋回させ、基板収容カセット１３３へアームをＹ軸負方向へ動作させれば、基板収容カセット１３３へワーク把持装置１１０を挿入することが出来る。

図１５乃至１６はロボット１０２が複数重ねられた基板収容カセット１００の任意の基板収容カセット１００にガラス基板１０７を搬送し挿入するときの様子を示す。多くの場合、限られた面積の中により多くのガラス基板１０７を収容する為、基板収容カセット１００は複数重ねられている。重ねられた基板収容カセット１００を、下方から１段、２段・・・ｎ段・・・と数えるとすれば、ｎ段目基板収容カセット１３５より上方に基板収容カセットを例えば２段目の基板収容カセットはｎ＋２段目基板収容カセット１３６となる。図１５では、ロボット１０２はアームを伸ばす動作を行うことでｎ段目基板収容カセット１３５へワーク把持装置１１０を挿入することが出来る状態にある。これより、ｎ＋２段目基板収容カセット１３６にワーク把持装置１１０を挿入する場合、昇降軸モータ１２４を回転し、昇降据付部１２５と昇降支持部１２６を回転させ、ｎ＋２段目基板収容カセット１３６にワーク把持装置１１０を挿入可能なＺ軸方向位置まで動作する（図１６参照）。Ｚ軸正方向動作後、第１アーム軸１１４を回転させアームを伸ばしワーク把持装置１１０をｎ＋２段目基板収容カセット１３６に挿入する。図１６は図１５の状態からロボットが複数重ねられた基板収容カセットに対してＮ＋２段目の基板収容カセットにガラス基板を搬送し挿入した後の様子を示す。

前述のような構成のロボット１０２では、本体アーム支持部１１３に対してアーム（第１アームリンク１０８、第２アームリンク１０９）が片持ち支持されているため、アームの自重並びにワーク把持装置１１０及びガラス基板１０７の重量の影響で、アームが重力方向に撓んでしまう。近年のガラス基板の大型化に伴い、ガラス基板の重量並びにこれに対応するワーク把持装置及びアームの大型化のため、この撓みは増大しており、基板収容カセットに納められたガラス基板の間にロボットのワーク把持装置を正確にかつ早く挿入すること及びワーク把持装置に把持されたガラス基板を他に干渉無くアームを伸縮するために、アームの伸縮量（水平移動量）に対応づけて、撓みと反対の鉛直方向に補正を行う技術が開示されている（特許文献１参照）。
このように、従来のワーク搬送装置は、ガラス基板並びにアーム及びワーク把持装置の重力による撓みを補正するものである。
特開２０００−１８３１２８号公報

特許文献１に記載の従来のワーク搬送装置は、基板及びアームの重力による静的な撓みを補正するものであった。しかし、多くのロボットは、アームの伸縮動作のときに受ける慣性力により生じる力のモーメントによって、静的な撓みよりも大きな撓みが生じる。
アーム伸縮動作のときに慣性力により生じる力のモーメントが発生する様子を図１７及び図１８を用いて説明する。図１７はロボットがワーク把持装置にガラス基板を把持したときの重心の様子を示す。Ｍはワーク把持装置１１０とガラス基板１０７を含めた重心を示し、重量はｍ［ｋｇ］とする。Ｘｇはアーム軸モータ１１５から重心ＭまでのＸ軸方向距離を示し、Ｚｇはアーム軸モータ１１５から重心ＭまでのＺ軸方向距離を示す。図１８は図１７のアーム軸モータ１１５から重心Ｍの関係を単純なモデルとして示す。アーム軸モータ１１５が回転することで、アームがＸ軸正方向へ加速度α［ｍ／ｓ２］で伸びる動作するとき、並進力Ｆ１［Ｎ］が発生する。Ｆ１は式（３）によって求められ、
Ｆ１＝ｍ・α ・・・（３）
となる。Ｆ２はＦ１によって重心が受ける反作用による並進力を示す。Ｆ１とＦ２は式（４）の関係にある。
Ｆ１＝Ｆ２・・・（４）
アーム軸モータ軸中心位置１３７はアーム軸モータ１１５の中心位置を示し、ＮはＦ２によってアーム軸モータ軸中心位置１３７回りに発生する慣性力により生じる力のモーメントＮ［Ｎｍ］を示し、式（５）によって求められる。
Ｎ＝Ｆ２・Ｚｇ・・・（５）

ロボットのアーム各部及びワーク把持装置は完全な剛体に近いことが理想的であるが、多くの場合、負荷の軽減及び、コストの低減をする為、部材の強度が低減されており、ある程度の剛性は備えているが完全な剛体に近い場合は少ない。完全な剛体に近い場合を除き、前記慣性力により生じる力のモーメントＮによってアーム各部及びワーク把持装置に撓みが生じる。
図１９はアームをＸ軸正方向へ伸展動作させるときのアーム各部とワーク把持装置の撓みを示す。図１８を用いて説明したように、慣性力により生じる力のモーメントは第１アーム軸１１４を中心に図中反時計回りに掛かる。第１アームリンク１０８は慣性力により生じる力のモーメントによって図中反時計回りに撓む。第２アーム軸１１８は完全な剛体である場合の位置から第１アーム軸１１４を中心に図中反時計回りにずれる。第２アームリンク１０９は慣性力により生じる力のモーメントによって第２アーム軸１１８を中心に図中反時計回りに撓む。フランジ１２２は完全な剛体である場合の位置から第２アーム軸１１８を中心に図中反時計回りにずれる。ワーク把持装置１１０は慣性力により生じる力のモーメントによってフランジ１２２を中心に図中反時計回りに撓む。理想的な制御点１３９はアームが完全な剛体である場合の制御点位置を示すが、以上の慣性力により生じる力のモーメントの影響によって、重心位置が撓み、その結果制御点もずれた制御点１３８が示す位置になり、Ｚ軸方向ずれ量はΔＺ１となる。

図２０は図１７に示すアーム軸モータ１１５から重心Ｍの関係を単純なモデルとし、Ｘ軸負方向へ加速度α［ｍ／ｓ２］で縮む動作するとき、並進力Ｆ３［Ｎ］が発生した様子を示す。並進力Ｆ３は式（３）と同様に式（６）によって求められ、
Ｆ３＝ｍ・α ・・・（６）
となる。Ｆ４はＦ３によって重心が受ける反作用による並進力を示す。Ｆ３とＦ４は式（７）の関係にある。
Ｆ３＝Ｆ４・・・（７）
アーム軸モータ軸中心位置１３７はアーム軸モータ１１５の中心位置を示し、ＮはＦ４によってアーム軸モータ軸中心位置１３７回りに発生する慣性力により生じる力のモーメントＮ［Ｎｍ］を示し、式（８）によって求められる。
Ｎ＝Ｆ４・Ｚｇ・・・（８）

図２１はアームをＸ軸負方向へ縮む動作させるときのアーム各部とワーク把持装置の撓みを示す。図２０を用いて説明したように慣性力により生じる力のモーメントは第１アーム軸１１４を中心に図中時計回りに掛かる。第１アームリンク１０８は慣性力により生じる力のモーメントによって図中時計回りに撓む。第２アーム軸１１８は完全な剛体である場合の位置から第１アーム軸１１４を中心に図中時計回りにずれる。第２アームリンク１０９は慣性力により生じる力のモーメントによって第２アーム軸１１８を中心に図中時計回りに撓む。フランジ１２２は完全な剛体である場合の位置から第２アーム軸１１８を中心に図中時計回りにずれる。ワーク把持装置１１０は慣性力により生じる力のモーメントによってフランジ１２２を中心に図中時計回りに撓む。理想的な制御点１３９はアームが完全な剛体である場合の制御点位置を示すが、以上の慣性力により生じる力のモーメントの影響によって、重心位置が撓み、その結果制御点もずれた制御点１４０が示す位置になり、Ｚ軸方向ずれ量はΔＺ２となる。

図２２はロボットがアームをＸ軸正方向へ動作させるときのアーム軸モータの速度及び制御点位置の撓み量と時間の関係を示す。横軸ｔは時間を示し、縦軸ｖは速度を示し、縦軸Ｚは制御点位置のＺ軸方向撓み量を示す。ロボットがアームをＸ軸正方向へ動作させるとき、アーム軸モータはアーム軸モータ速度１４３が示す速度波形になる。アームがＸ軸正方向へ加速するとき、アーム軸モータ１１５はアーム軸モータ速度１４３が示すように加速し、前述したように慣性力により生じる力のモーメントが発生し、制御点はＺ軸正方向へずれる。この時のずれ量の時間的推移を加速時の制御点位置の撓み量１４４に示す。アームがＸ軸正方向へ定常速度から減速動作するとき、アーム軸モータ１１５はアーム軸モータ速度１４３が示すように定常速度から減速し、前述したように慣性力により生じる力のモーメントが発生し、制御点はＺ軸負方向へずれる。この時のずれ量の時間的推移を減速時の制御点位置の撓み量１４５に示す。

以上の理由から発生するアーム伸縮時の撓みによって、基板収容カセットに納められた基板の間にロボットのワーク把持装置の出し入れ及びワーク把持装置に把持された基板の出し入れ、並びに基板の処理部への出し入れの時に各部に干渉が生じ、基板等が破損してしまうおそれがある。この対策として、基板収容カセットの収容基板の間隔を広くすることや慣性力により生じる力のモーメントを小さくするためにアームの伸縮動作の加減速度を下げることが考えられるが、それぞれ、基板収容カセットの収容枚数の減少や基板搬送の時間がのびる等の弊害がある。また、予めアーム伸縮時の撓みによって基板収容カセットや基板の処理部に干渉しないようにロボットの動作を細かく制御する動作プログラムを作成し、ロボットを動作させることも考えられるが、アーム伸縮時の撓みはワーク把持装置や把持したガラス基板の重量、重心位置によって異なるため、ワーク把持装置や把持するガラス基板が変更された場合に作成した動作プログラムを全て作成し直さなければならない。近年、ガラス基板はより大型化し、液晶やプラズマディスプレイの需要が高まりつつあることを背景に、生産はより早く求められ、この撓みは増大する傾向にある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、アームの伸縮動作の加減速度を低下させることなく、基板収容カセット、並びに基板の処理部へのガラス基板の出し入れを他に干渉なく可能としたロボット装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、ワークを把持又は載置するワーク把持装置を先端に備えたアーム、前記アームを水平方向に伸縮するアーム軸モータ及び前記アームを昇降する昇降軸モータを備えたロボットと、前記ロボットの前記アーム軸モータ及び前記昇降軸モータを駆動制御する制御装置と、を具備するワーク搬送装置において、前記アーム軸モータの駆動で前記アームの伸縮をする時の、ワーク重心の水平方向移動加減速度に基づく並進力を求め、前記並進力と前記ワーク重心の鉛直方向位置とから慣性力により生じる力のモーメントを求め、前記アームから前記ワーク把持装置にかけての剛性値によって、前記慣性力により生じる力のモーメントを除することで前記ロボットの制御点位置の鉛直方向の撓み量を求め、前記撓み量を前記昇降軸モータを駆動して前記ロボットの鉛直方向に補正する処理を所定の制御周期ごとに行う補正手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記制御装置は格納手段を備え、予め前記ロボットのロボット情報と、前記ワーク把持装置のワーク把持装置情報と、前記ワークのワーク情報と、その他の諸パラメータを登録し、前記諸パラメータを参照して前記撓み量を求めることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、数の前記ワーク把持装置に対し、各々把持装置識別子を割り当てられ該把持装置識別子に関連付けて前記ワーク把持装置情報が登録され、前記撓み量を求めるときには前記把持装置識別子により検索される前記ワーク把持装置情報を参照して前記撓み量を求めることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、複数の前記ワークに対し、各々ワーク識別子を割り当てられ該ワーク識別子に関連付けて前記ワーク情報が登録され、前記撓み量を求めるときには前記ワーク識別子により検索される前記ワーク情報を参照して前記撓み量を求めることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、前記ロボットは液晶ガラス基板搬送用水平多関節ロボットであることを特徴とするものである。

以上の構成により本発明の制御装置は、アームと昇降軸を有するロボットがアームの伸縮動作をするとき、慣性力により生じる力のモーメントによるアームの撓みを計算し、その撓みによる制御点位置のずれ量を昇降軸がＺ軸方向に動作し補正することで、制御点の鉛直方向軌跡を一定に保つことが出来る。

本発明フローチャートアームをＸ軸正方向へ動作した場合の撓み角度φ１アームをＸ軸負方向へ動作した場合の撓み角度φ２アームをＸ軸正方向へ動作させるときのアーム軸モータの速度と制御点の位置と補正量と時間の関係アームをＸ軸正方向へ加速動作させたときの撓み量ΔＺを補正する様子アームをＸ軸負方向へ加速動作させたときの撓み量ΔＺを補正する様子ワーク搬送装置の構成図ロボットの構成図ロボットのアームが伸びた状態図ロボットのアームが縮んだ状態図ロボットの昇降する状態図ロボットの上面から見た構成図Ｘ方向基板収容カセットへ伸縮動作するロボットとの位置関係図Ｙ方向基板収容カセットへ伸縮動作するロボットとの位置関係図複数の基板収容カセットのｎ段目に対してワーク把持装置を挿入する前の図複数の基板収容カセットのｎ＋２壇目に対してワーク把持装置を挿入した図ワーク把持装置にガラス基板を把持したときの重心の模式図アームをＸ軸正方向へ動作させたときの慣性力により生じる力のモーメントのモデルアームをＸ軸正方向へ動作させたときの撓みの図アームをＸ軸負方向へ動作させたときの慣性力により生じる力のモーメントのモデルアームをＸ軸負方向へ動作させたときの撓みの図アームをＸ軸正方向へ動作させるときのアーム軸モータの速度及び制御点位置撓み量と時間の関係図

符号の説明

１３アームをＸ軸正方向へ加速した場合の補正量の時間的推移
１４アームをＸ軸正方向へ減速した場合の補正量の時間的推移
１５アームをＸ軸正方向へ加速した場合の補正した制御点
１６アームをＸ軸正方向へ減速した場合の補正した制御点
１００基板収容カセット
１０１支持ピン
１０２ロボット
１０３ケーブル
１０４制御装置
１０５ケーブル
１０６教示手段
１０７ガラス基板
１０８第１アームリンク
１０９第２アームリンク
１１０ワーク把持装置
１１１上部昇降リンク
１１２下部昇降リンク
１１３本体アーム支持部
１１４第１アーム軸
１１５アーム軸モータ
１１６アーム軸減速機
１１７第１リンクベルト
１１８第２アーム軸
１１９第２アーム軸減速機
１２０第２リンクベルト
１２１フランジ減速機
１２２フランジ
１２３制御点
１２４昇降軸モータ
１２５昇降据付部
１２６昇降支持部
１２７Ｚ軸ゼロ基準
１２８旋回軸モータ
１２９旋回部
１３０旋回軸
１３１旋回正方向
１３２旋回負方向
１３３基板収容カセット
１３４支持ピン
１３５ｎ段目基板収容カセット
１３６ｎ＋２段目基板収容カセット
１３７アーム軸モータ軸中心位置
１３８ずれた制御点（アームがＸ軸正方向へ加速した場合）
１３９理想的な制御点
１４０ずれた制御点（アームがＸ軸負方向へ加速した場合）
１４１理想的な重心位置
１４２ずれた重心位置
１４３アーム軸モータ速度
１４４加速時の制御点位置の撓み量
１４５減速時の制御点位置の撓み量

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明を図７及び図８に示される構成を備えた、垂直昇降軸を備える水平多関節ロボットに適用するワーク搬送装置について説明する。
制御装置１０４に備わる図示しない格納手段に、予めロボット１０２のパラメータを入力しておく。前記格納手段に、図８に示す第１アーム軸１１４から第２アーム軸１１８までの距離［ｍ］、第２アーム軸１１８からフランジ１２２までの距離［ｍ］、アーム軸モータ１１５からフランジ１２２までのＺ軸方向距離［ｍ］、昇降据付部１２５から昇降軸モータ１２４までの距離［ｍ］、及び昇降軸モータ１２４から昇降支持部１２６までの距離［ｍ］であるロボット情報と、ワーク把持装置の重量［ｋｇ］、ワーク把持装置のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］、ワーク把持装置のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］、ワーク把持装置のフランジ１２２から制御点までのＸ軸方向距離［ｍ］、ワーク把持装置のフランジ１２２から制御点までのＹ軸方向距離［ｍ］、及びワーク把持装置のフランジ１２２から制御点までのＺ軸方向距離［ｍ］であるワーク把持装置情報と、把持するワークの重量［ｋｇ］、把持するワークの制御点のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］、及び把持するワークの制御点のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］であるワーク情報と、アームとワーク把持装置にかけての剛性値Ｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］と、制御装置が動作指令を各モータへ出力する制御周期の指令周期時間［ｓ］の諸パラメータを登録する。

ワーク把持装置またはワークが複数種存在するときは、それぞれに固有の番号などの識別子（把持装置識別子、ワーク識別子）が割り当てられ、各々の識別子について前述のパラメータが登録される。これらのパラメータは動作時に計算に用いるが、識別子で探索される。
諸パラメータは教示手段１０６に備わるボタンを押下して入力するか、図示しない外部記憶装置より通信手段などを介して制御装置１０４の格納手段に格納される。
尚、ワーク搬送装置として所望の動作及び制御のためには他のパラメータも必要であるが、本発明に関連しないので省略する。

ロボット１０２は、予め格納手段に格納された動作プログラムに従って、または教示手段１０６が備えた複数のボタンを押下して動作指令をケーブル１０５を介して制御装置１０４に入力し、ケーブル１０３を介して各モータへ与えて動作する。

本発明が適用された複数軸で構成されるロボットの動作を図１のフローチャートを用いて説明する。
動作プログラムには、動作時に備えているワーク把持装置の番号（識別子）と、把持しているワークの番号（識別子）とが記述されている。まず、指定された動作プログラムを再生する動作に備えて該作業プログラムが選択され、作業プログラムに含まれる識別子で参照されるパラメータが検索され読み込まれる。
一方、教示手段の操作でロボット１０２の動作を行なう教示モードでは、教示手段１０６の備わるボタンを押下して動作指令をケーブル１０５を介して制御装置１０４に入力するとき、備わっているワーク把持装置の識別子（番号）と、動作時に把持しているワークの識別子（番号）とが伝達される。

フランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］とＺ軸方向距離［ｍ］は、動作時に備えているワーク把持装置のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］と、動作時に備えているワーク把持装置のフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］と、動作時に把持しているワークのフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］と、動作時に把持しているワークのフランジ１２２からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］を用いて求めることが出来る。
制御装置から各モータへ所定の制御周期１周期分の動作指令を与えた後の第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離は、予め格納手段に格納した第１アーム軸１１４から第２アーム軸１１８までの距離［ｍ］と、第２アーム軸１１８からフランジ１２２までの距離［ｍ］を用いて幾何学的に求めることが出来る。例えば図８、図９及び図１０に示す機構を備えたアームの場合、第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離はすでに述べたように式（１）によって求められる。また、第１アーム軸１１４とアーム軸モータ１１５はＸ軸方向に同一の位置に配置されているので、第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離［ｍ］は、アーム軸モータ１１５からフランジ１２２までのＸ軸方向距離［ｍ］に等しい。

（ステップ１）フランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］とアーム軸モータ１１５からフランジ１２２までのＸ軸方向距離［ｍ］を加算し、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後のアーム軸モータ１１５からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］と、フランジ１２２からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］と予め格納手段に格納したアーム軸モータ１１５からフランジ１２２までのＺ軸方向距離［ｍ］を加算し、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後のアーム軸モータ１１５からワーク重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］を求める。

（ステップ２）制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与える前の第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離は、予め格納手段に格納した第１アーム軸１１４から第２アーム軸１１８までの距離［ｍ］と、第２アーム軸１１８からフランジ１２２までの距離［ｍ］を用いて幾何学的に求めることが出来る。例えば図８、図９及び図１０に示す機構を備えたアームの場合、第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離はすでに述べたように式（１）によって求められる。
以上より、フランジ１２２からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］とアーム軸モータ１１５からフランジ１２２までのＸ軸方向距離［ｍ］を加算し、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与える前のアーム軸モータ１１５からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離［ｍ］を求める。

（ステップ３）ステップ１とステップ２で求めたアーム軸モータ１１５からワーク重心ＭまでのＸ軸方向距離の差分を計算する。すなわち、ワーク重心のＸ軸方向移動距離を求める。

（ステップ４）ステップ３で求めた重心のＸ軸方向移動距離を、予め格納手段に格納した制御装置が動作指令を各モータへ出力する周期時間［ｓ］の二乗で除算することで加減速度α［ｍ／ｓ^２］を計算する。

（ステップ５）前記制御装置に登録されている動作時に備えているワーク把持装置の重量［ｋｇ］と、動作時に把持しているワークの重量［ｋｇ］を加算し、フランジ１２２より先端部の総重量を求め、ステップ４で求めた加減速度α［ｍ／ｓ^２］によって、並進力Ｆ［Ｎ］を式（９）によって求める。
Ｆ＝ｍ・α ・・・（９）

（ステップ６）ステップ１で求めた制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後のアーム軸モータ１１５から重心ＭまでのＺ軸方向距離［ｍ］と、ステップ５で求めた並進力Ｆ［Ｎ］の反作用力（値は並進力Ｆに等しい）を用いて、慣性力により生じる力のモーメントＮ［Ｎｍ］を式（１０）によって求める。
Ｎ＝Ｆ・Ｚｇ・・・（１０）

（ステップ７）動作時に把持しているワーク把持装置にかけての剛性値Ｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］と、ステップ６で求めた慣性力により生じる力のモーメントＮ［Ｎｍ］を用いて、式（１１）によって撓み角度φ［ｒａｄ］を求める。
φ＝Ｎ／Ｋ・・・（１１）
ここで求められる撓み角度φは図２及び図３によって図示される。図２はアームをＸ軸正方向へ動作した場合の撓み角度φ１を示す。図３はアームをＸ軸負方向へ動作した場合の撓み角度φ２を示す。第１アーム軸１１４の旋回中心線と、アームの各部とワーク把持装置１１０が完全な剛体であった場合の制御点を通りワーク把持装置１１０に平行な直線との交点を点Ｐとすると、撓み角度はそれぞれ、点Ｐと制御点とを通る直線と、アームの各部とワーク把持装置１１０が撓むことによりずれた制御点１３８と点Ｐを結ぶ直線が成す角度である。
撓み角度φはまた、アームの各部とワーク把持装置１１０が完全な剛体であった場合の重心位置を通りワーク把持装置１１０に平行な直線との交点を点Ｐとすると、点Ｐと重心位置１４１とを通る直線と、アームの各部とワーク把持装置１１０が撓むことによりずれた重心位置１４２と点Ｐを結ぶ直線が成す角度に等しい。

（ステップ８）予め格納手段に格納した第１アーム軸１１４から第２アーム軸１１８までの距離［ｍ］と、第２アーム軸１１８からフランジ１２２までの距離［ｍ］と、アーム軸モータ１１５の角度を用いて、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後の第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離（アーム伸縮長）を幾何学的に求める。例えば図８及び図９及び図１０に示す機構を備えたアームの場合、第１アーム軸１１４からフランジ１２２までのＸ軸方向距離はすでに述べたように式（１）によって求められる。

（ステップ９）ステップ８で求めたアーム伸縮長と、ワーク把持装置のフランジ１２２から制御点までのＸ軸方向距離［ｍ］を加算し第１アーム軸１１４から制御点までの距離Ｒ［ｍ］を求め、ステップ７で求めた撓み角度φ［ｒａｄ］を用いて、撓み量ΔＺ［ｍ］を求める。撓み量ΔＺ［ｍ］は式（１２）によって求められる。
ΔＺ＝Ｒｓｉｎ（φ）・・・（１２）

（ステップ１０）アームの各部が完全な剛体であるとして、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後の昇降軸の昇降量［ｍ］を幾何学的に求め、ワーク把持装置のフランジ１２２から制御点までのＺ軸方向距離［ｍ］と前記昇降量［ｍ］を加算し、制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後の制御点のＺ軸方向位置［ｍ］を計算し、ステップ９で求めた撓み量ΔＺ［ｍ］を減算し、これを補正した目標制御点Ｚ軸方向位置Ｚｃ［ｍ］とする。

（ステップ１１）制御装置から各モータへ１周期分の動作指令を与えた後、予め格納手段に格納した昇降据付部１２５から昇降軸モータ１２４までの距離［ｍ］と、昇降軸モータ１２４から昇降支持部１２６までの距離［ｍ］を用いて、ステップ１０で求めた補正した目標制御点Ｚ軸方向位置［ｍ］へ昇降軸だけで動作する為の昇降軸の各モータ角度を幾何学的に求める。例えば図１１に示す機構を備えた昇降軸の場合、予め格納手段に格納した昇降据付部１２５から昇降軸モータ１２４までの距離［ｍ］と、昇降軸モータ１２４から昇降支持部１２６までの距離［ｍ］は等しく、これをｂとすれば、補正した目標制御点Ｚ軸方向位置Ｚｃ［ｍ］へ動作する為昇降軸の昇降軸モータ角度γは式（２）を変形した式（１３）によって求められる。
γ＝ａｓｉｎ（Ｚｃ／２ｂ）・・・（１３）

（ステップ１２）ステップ１１によって求められた昇降軸モータ角度γに相当する動作指令を新たに昇降軸モータへの動作指令として、ケーブル１０３を介してロボット１０２の各軸モータへ出力する。

以上の処理経過を辿って各モータに出力される動作指令は補正を加味したものとなり、結果、目標制御点位置は補正される。図４は図２２に示したロボットがアームをＸ軸正方向へ動作させるときのアーム軸モータの速度１４３と、制御点の位置と時間の関係と、補正量を示す。横軸ｔは時間を示し、縦軸ｖは速度を示し、縦軸Ｚは制御点位置のＺ軸方向撓み量１４４、１４５を示す。補正量はステップ９で求めた撓み量ΔＺの符号を反転したものに等しく、アームがＸ軸正方向へ加速するときの補正量は加速時の補正１３となり、アームがＸ軸正方向へ減速するときの補正量は減速時の補正１４となる。

図５はロボットがアームをＸ軸正方向へ加速動作させたとき、撓み量ΔＺを補正する様子を示す。撓み量ΔＺと補正量の加算値はゼロとなるので、補正した制御点１５と理想的な制御点１３８のＺ軸方向位置は等しくなり、制御点のＺ軸方向位置は一定に保たれる。また、図６はロボットがアームをＸ軸負方向へ加速動作させたとき、撓み量ΔＺを補正する様子を示す。撓み量ΔＺと補正量の加算値はゼロとなるので、補正した制御点１６と理想的な制御点１３９のＺ軸方向位置は等しくなり、制御点のＺ軸方向位置は一定に保たれる。

この一連の処理の流れを制御装置の動作指令の出力周期に実行することで、常に慣性力により生じる力のモーメントによる撓みを鉛直方向に補正することが可能である。また、この撓み補正では、実施形態にあるように複雑な演算を使用しないため、ロボットの制御を行う制御装置に備わるマイクロコンピュータによる演算時間をより少なくすることができるので、ロボットの動作制御処理に影響を与えることがない。
また、複数の基板収容カセットに複数の重量が異なるガラス基板が混在している場合は、把持するワーク識別子（番号）の異なる動作プログラムを準備し、把持するガラス基板に合わせて動作プログラムを実行することで慣性力により生じる力のモーメントによる撓みがなくガラス基板を搬送することが可能である。

以上は、本発明を実施する１例であり、アームは、例えばモータとラック＆ピニオンやボールネジで構成された直動軸や、電磁弁制御による空気圧や油圧を動力とする直動軸や、第１アーム軸１１４と第２アーム軸１１８とフランジ１２２がそれぞれにモータを備え個別に旋回し、Ｘ軸方向へ補間動作が可能で、且つＹ軸方向及びＺ軸方向へ動作することが可能であっても良い。アームはガラス基板をＸ軸方向に直線補間動作することが出来る機構を備えていれば良い。
また、昇降軸は例えばラック＆ピニオンやボールネジで構成された直動軸や、電磁弁制御による空気圧や油圧を動力とする直動軸や、昇降軸モータ１２４以外に昇降据付部１２５と昇降支持部１２６にモータを備え個別に旋回し、Ｚ軸方向へ補間動作が可能で、且つＸ軸方向及びＹ軸方向へ動作することが可能であっても良い。昇降軸はＺ軸方向に直線補間動作することが出来る機構を備えていれば良い。図７及び図８及び図１２及び図１３及び図１４は一般的な装置を例に示しているが、旋回軸１３０は必ず備える必要は無い。
また、図７に記載の教示手段１０６は図示しない外部記憶装置を備えているが、教示手段１０６は例えば外部記憶装置を備えた汎用コンピュータやパソコンであっても良い。また、格納手段に予め動作プログラムが格納されている場合は、教示手段１０６を備えなくても良い。図７に記載のケーブル１０５は電気的に接続された有線の伝達手段として示しているが、これは例えば電波を用いた無線手段であっても良い。

本発明は、水平方向と鉛直方向に自由度を備えるロボットに対して適用出来るため、例えば多くの産業用ロボットで用いられている垂直６軸多関節ロボットに対しても適用することが出来る。例えばプレス間ハンドリング用途では、動作し続けるプレス機に高速且つ正確にワークを搬送しなければならない。プレス機のワーク搬入口はワークを搬入する最低限の大きさとなっている為、高速で搬送した際の慣性力により生じる力のモーメントによる撓みによって、ワークとプレス機が干渉する場合が考えられる。しかし、本発明を適用すれば、ワークの搬送の際に発生する撓み量を計算し、各部が完全な剛体であった場合の位置から撓みによって逸脱した方向に対し、前記計算した撓み量を６自由度を用いて直線補間動作することで直線的に撓み量を無くすことが出来る。

この発明は、高速度で長いストロークの動作のために、動的な撓みの発生が考えられるもので、特に一端を動作し他端でワークを搬送する用途に適用することができる。

Claims

ワークを把持又は載置するワーク把持装置を先端に備えたアーム、前記アームを水平方向に伸縮するアーム軸モータ及び前記アームを昇降する昇降軸モータを備えたロボットと、前記ロボットの前記アーム軸モータ及び前記昇降軸モータを駆動制御する制御装置と、を具備するワーク搬送装置において、
前記アーム軸モータの駆動で前記アームの伸縮をする時の、ワーク重心の水平方向移動加減速度に基づく並進力を求め、前記並進力と前記ワーク重心の鉛直方向位置とから慣性力により生じる力のモーメントを求め、
前記アームから前記ワーク把持装置にかけての剛性値によって、前記慣性力により生じる力のモーメントを除することで前記ロボットの制御点位置の鉛直方向の撓み量を求め、
前記撓み量を前記昇降軸モータを駆動して前記ロボットの鉛直方向に補正する処理を所定の制御周期ごとに行う補正手段を備えたことを特徴とするワーク搬送装置。
前記制御装置は格納手段を備え、予め前記ロボットのロボット情報と、前記ワーク把持装置のワーク把持装置情報と、前記ワークのワーク情報と、その他の諸パラメータを登録し、前記諸パラメータを参照して前記撓み量を求めることを特徴とする請求項１記載のワーク搬送装置。
複数の前記ワーク把持装置に対し、各々把持装置識別子を割り当てられ該把持装置識別子に関連付けて前記ワーク把持装置情報が登録され、前記撓み量を求めるときには前記把持装置識別子により検索される前記ワーク把持装置情報を参照して前記撓み量を求めることを特徴とする請求項１または２記載のワーク搬送装置。
複数の前記ワークに対し、各々ワーク識別子を割り当てられ該ワーク識別子に関連付けて前記ワーク情報が登録され、前記撓み量を求めるときには前記ワーク識別子により検索される前記ワーク情報を参照して前記撓み量を求めることを特徴とする請求項１または２記載のワーク搬送装置。
前記ロボットは液晶ガラス基板搬送用水平多関節ロボットであることを特徴とする請求項１記載のワーク搬送装置。