JP6984711B1 - ロボット位置校正システム、ロボット位置校正方法およびロボット位置校正プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、ロボットの組立て誤差あるいは据付け誤差に起因して、ロボット座標系が設計値からズレた状態で、ロボットが作業空間内に設置されることがある。よって、教示作業には、ロボット座標系ひいては教示点を校正する校正作業が付帯する。校正作業は、ロボットの作業空間への新規納入時だけでなく、ロボットのメンテナンス作業後にも生じ得る。従来、校正作業を自動化し、教示作業の省力化を図る技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
そこで本発明は、簡単なロボットの操作で簡単なシステム構成で、ロボットの位置を校正可能なシステム、方法およびプログラムを提供することを目的としている。
すなわち、制御器によるアームの駆動制御により、センサが2つの計測対象物に対して相対的に移動すると、その過程で計測対象物がセンサで計測される。計測されたときのアームの2つの位置から、基準面内での計測対象物間の距離が計測される。この計測距離は、同じ基準面内での実距離と比較される。上記のとおり、Zr軸がZ軸と一致するようにロボットが設置されていれば、制御器が基準面内での距離を計測することも、基準面内での実距離を予め把握しておくことも、どちらも容易である。
制御器は、センサを計測対象物に対して相対的に移動させる際に、アームを基準面内で一方向に直線的に移動させてもよい。
センサは、超音波または光の計測媒体を射出し、計測媒体の計測対象物での反射に基づいて計測対象物を計測してもよい。制御器は、センサを計測対象物に対して相対的に移動させる際に、計測媒体の射出方向がアームの移動方向と基準面内で直交するようにアームを移動させてもよい。
制御器は、計測された角度ズレ量が相殺されるようにロボット座標系を補正し、補正後のロボット座標系におけるアームの位置を制御しながらアームを駆動することで、センサを2つの計測対象物に対して相対的に移動させ、センサが2つの計測対象物のいずれかを計測したときのアームの位置を取得し、取得された位置と当該計測対象物の実位置とに基づいてロボットの基準面内における位置ズレ量を計測してもよい。
制御器は、アームを駆動することで、センサを2つの計測対象物に対して基準面の法線方向に相対的に移動させ、センサが計測対象物のいずれかを計測したときのアームの位置を取得し、取得された位置と当該計測対象物の実位置とに基づいて、ロボットの法線方向における位置ズレ量を計測してもよい。
センサがアームに取り付けられ、2つの計測対象物が作業空間内に設けられており、2つの計測対象物が作業空間内に設置されている装置の構成部品であってもよい。
上記構成によれば、別途専用の計測治具を設けなくても、ロボットの位置を校正することができる。システム構成を簡素化することができる。
上記方法およびプログラムは、前述したロボット位置校正システムと対応する技術的特徴を具備しており、前述したロボット位置校正システムと同様の作用効果を奏する。
(ロボット)
図1および図2は、本発明の実施形態に係るロボット位置校正システム100が適用される半導体製造設備1を示す。半導体製造設備1では、クリーン環境に保たれた作業空間2が形成され、円盤状の半導体ウェハWが作業空間2内で搬送および製造される。半導体製造設備1は、1以上のロボット3および複数の載置部4(図は1つのみ示す)を備えており、これらが作業空間2内に配置されている。
アーム11は、基台10に対して伸縮する昇降軸12、昇降軸12から順次に連結された複数のリンク13a,13b、および、これらリンク13a,13bの先端部に取り付けられたハンド14を有する。ハンド14は、半導体ウェハWを解放可能に保持する。
ロボット3は、一例として、2リンク式の水平多関節ロボットである。アーム11は、第1リンク13aおよび第2リンク13bを有している。第1リンク13aの基端部は、昇降軸12の上端部に対して第1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の先端部に対して第2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(リンク群の全体としての先端部)に対して第3回転軸A3周りに回転可能に連結されている。
ロボット3は、昇降軸12を伸縮させる昇降アクチュエータ20、第1リンク13aを第1回転軸A1周りに回転させる第1回転アクチュエータ21、第2リンク13bを第2回転軸A2周りに回転させる第2回転アクチュエータ22、および、ハンド14を第3回転軸A3周りに回転させる第3回転アクチュエータ23を備えている。昇降アクチュエータ20が動作すると、昇降軸12の伸縮動作に応じてハンド14が鉛直方向に変位する。回転アクチュエータ21〜23が動作すると、リンク13a,13bおよびハンド14の回転動作に応じてハンド14が水平面内で変位する。
ハンド14の形状も保持の形式も、特に限定されない。図1および図2に例示されるように、ハンド14は、薄板材で構成され、平面視でU字状あるいはY字状に形成される。ハンド14は、基端部16と、基端部16から延びる一対の先端部17とを有する。ハンド14は、平面視でハンド中心線C14を基準に線対称に形成されている。基端部16は、リンク群の先端部に回転可能に連結される。
ロボット座標系CSrは、ロボット3に原点が置かれた座標系である。ロボット座標系CSrは、三次元直交座標系および三次元極座標系の両方を含むが、本書では特段断らない限り、三次元直交座標系として説明する。原点は、アーム11の動作に関わらず不動の基台10に設定されている。ロボット座標系CSrは、互いに直交するXr軸、Yr軸およびZr軸で構成されている。
ロボット座標系CSrのXr軸およびYr軸は基準面RSを形成し、Zr軸は基準面RSの法線に沿って延びる。回転軸A1〜A3は、Zr軸に平行である。前述したとおり、スペーサ15を利用した据付けにより、基準面RSが水平面を成してZr軸が鉛直に延びる姿勢で、ロボット3は設置される。本実施形態では、Zr軸がZ軸と平行である。
図3〜図5は、本実施形態に係るロボット位置校正システム100を示す。ロボット位置校正システム100は、上記のような半導体製造設備1に好適に適用され、ロボット座標系CSrの装置座標系CS1に対する(あるいは設計値に対する)ズレ量Δx,Δy,ΔΘ,Δz(図7、図16を参照)を計測する。この計測は、ロボット3の作業空間2への新規納入時やロボット3のメンテナンス作業後など、ロボット3の実稼働の前にロボット座標系CSrを校正するために実行される。
センサ45は、ロボット3のアーム11、より詳しくはハンド14に設けられている。本実施形態では、ハンド14が半導体ウェハWをその下面で保持する。センサ45は、その反対側である上面に着脱可能に取り付けられている。センサ45は、実稼働時にも利用されてもよいし、本実施形態のように実稼働時には取り外されてもよい(図1を参照)。
入出力インタフェース33は、アクチュエータ20〜24、エンコーダ40〜43およびセンサ45と接続されている。エンコーダ40〜43は、アクチュエータ20〜23に対応して設けられており、対応するアクチュエータ20〜23の動作位置(例えば、電気モータの回転位置)を検出する。
メモリ32は、少なくともロボット位置校正プログラム35での参照のため、装置設計データ36を記憶している。装置設計データ36は、作業空間2内に設置された様々な装置の位置あるいは寸法を示す。
図6は、本発明の実施形態に係るロボット位置校正方法を示す。ロボット位置校正方法は、基準面校正処理S10および法線校正処理S40を備えている。基準面校正処理S10は、角度校正処理S20および位置校正処理S30を備えている。基準面校正処理S10および法線校正処理S40は、どちらが先に実行されてもよい。角度校正処理S20は、位置校正処理S30より先に実行される。
図7は、ロボット座標系CSrの基準面RS内における装置座標系CS1に対するズレを示す。ここで、点Pの装置座標系CS1での座標を(x,y)とし、ロボット座標系CSrでの座標を(xr,yr)とする。
ロボット座標系CSrが設計どおりに配置された場合(二点鎖線を参照)、本実施形態では設計値Θ0が0度であり、Xr軸およびYr軸がX軸およびY軸とそれぞれ平行であり、ロボット座標系CSrの原点が、装置座標系CS1の原点から、Xr方向に設計値ax0だけ離れ、Yr方向に設計値ay0だけ離れる。ロボット座標系CSrと装置座標系CS1との間の位置関係は、xr=x+ax0、yr=y+ay0の理想状態を満たす。
図8は、基準面校正処理S10の手順を示す。図9〜図13は、基準面校正処理S10の説明図である。基準面校正処理S10は、角度校正処理S20および位置校正処理S30の順で進む。なお、以降に説明するアクチュエータ20〜23の動作、ハンド14の位置は、制御器30によって制御される。
角度校正処理S20では、まず、ハンド14が初期位置に移動する(S21)。具体的には、図4を参照して、計測媒体Lが計測対象物51,52で反射できるように、昇降アクチュエータ20の動作を通じてハンド14の高さが調整される。図9(A)を参照して、ハンド14が2つの計測対象物51,52に対してXr方向の一側(図9(A)の紙面左側)に若干離れるように、回転アクチュエータ21〜23の動作を通じてハンド14のXr方向の位置が調整される。ハンド14が計測対象物51,52(あるいは載置部4)からYr方向に若干離れるように、回転アクチュエータ21〜23の動作を通じてハンド14のYr方向の位置が調整される。ハンド中心線C14および計測媒体Lの射出方向がYr方向となるように、回転アクチュエータ21〜23の動作を通じてハンド14の基準面RS内での姿勢が調整される。なお、制御器30はこの時点でYr軸のY軸に対する角度ズレを認識していないから、Yr方向はY方向に対して傾斜している。
制御器30は、第1計測対象物51がセンサ45で計測されたときのハンド14のXr方向の位置xr1を取得する(S23)。また、制御器30は、第2計測対象物52がセンサ45で計測されたときのハンド14のXr方向の位置xr2を取得する(S24)。以下、ここで取得された2つの位置を「第1計測位置xr1」および「第2計測位置xr2」と称する。2つの計測位置xr1,xr2は、エンコーダ41〜43の検出結果から導出される。
3つのピン6のうちの2つが計測対象物51,52として兼用されており、ハンド14の移動中には、計測対象物51,52として用いられないピン6がセンサ45によって検出される(二点鎖線を参照)。この場合において、計測対象物51,52は、Xr方向に離れた2つのピン6が選択される。できるだけXr方向に離れた2つを用いることで、ズレ量の計測精度が向上する。
2つの計測位置xr1,xr2の差分をとると、X方向の位置ズレ量Δxが相殺される。また、Yr方向の位置ズレ量Δyは考慮しなくてもよい。実距離は、既知の値である。よって、X方向の位置ズレ量ΔxおよびY方向の位置ズレ量Δyを認識していない状況でも、角度ズレ量ΔΘを上記の式に従って導出することができる。
このように、本実施形態によれば、簡単なロボット3の操作で簡単なシステム構成で、角度ズレ量ΔΘを計測することができる。
これにより、角度校正処理S20が終了し、位置校正処理S30が開始する。制御器30は、計測された角度ズレ量ΔΘが相殺されるようにロボット座標系CSrを補正する(S29)。図12を参照して、ロボット座標系CSrは、角度ズレ量ΔΘを相殺する補正量(−ΔΘ)だけZr軸周りに回転するように補正される。参照符号「CSrc」は、この補正後のロボット座標系であり、「Xrc軸」および「Yrc軸」は、補正後のロボット座標系CSrcにおいて基準面RCを形成する2軸である。Xrc軸は、Xr軸を−ΔΘの補正量だけ回転させることで得られ、Yrc軸は、Yr軸を−ΔΘの補正量だけ回転させることで得られる。これにより、ロボット座標系CSrcの装置座標系CS1に対するZr軸周りの角度が設計値Θ0となる(本実施形態では0度)。
次に、ステップS23と同様にして、制御器30は、第1計測対象物51がセンサ45で計測されたときのハンド14のXrc方向の位置xrc1を取得する(S33)。この計測位置xrc1も、エンコーダ41〜43の検出結果から導出される。角度校正処理S20では、2つの計測対象物51,52が計測されたが、位置校正処理S30では、1つの計測対象物が計測されればよい。本実施形態では、第1計測対象物51が計測されるとしたが、第2計測対象物52が計測されてもよい。
図14は、法線校正処理S40の手順を示す。図15〜図17は、法線校正処理S40の説明図である。法線校正処理S40では、まず、ハンド14が初期位置に移動する(S41)。具体的には、図15および図16を参照して、計測媒体Lが基台5の側面で反射するように(基台5の上面よりも下方で射出されるように)、昇降アクチュエータ20の動作を通じてハンド14の高さが調整され、かつ、回転アクチュエータ21〜23の動作を通じてハンド14のXr方向およびYr方向の位置が調整される。図では計測媒体LがXr方向に射出されているが、これは図示の便宜のためであり、ハンド14の基準面RS内での姿勢は特に限定されない。
図16および図17を参照して、ステップS44では、計測位置zr1と計測対象物のZ方向の実位置z1とに基づいて、位置ズレ量Δzが計測される。2つの位置zr1,z1の差分は、現在のロボット座標系CSrの原点から装置座標系CS1の原点までのZ方向(これと平行なZr方向)の距離azである。この距離azは、設計値az0と位置ズレ量Δzとの和である。制御器30は、距離azから、メモリ32に装置設計データ36の一部として予め記憶されている設計値az0を減算することで、位置ズレ量Δzを計測する。
以上に説明したとおり、本実施形態によれば、簡易なロボット3の操作で簡易なシステム100の構成で、ロボット座標系CSrの装置座標系CS1に対するズレ量Δx,Δy,ΔΘ,Δzを計測することができ、ロボット座標系CSrを校正することができる。したがって、実稼働時のロボット3の精密な位置制御を支援することができる。
これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更、追加および/または削除することができる。
図18は、変形例に係るロボット座標系の装置座標系に対するズレを示す。上記実施形態では、ロボット座標系CSr0の装置座標系CS1に対するZr軸周りの角度の設計値Θ0が0度であったが、設計値Θ0は0度以外の角度でもよい。この場合、角度校正処理を実行することで、現在のロボット座標系CSrの装置座標系CS1に対する角度が測定される。この角度は、設計値Θ0と角度ズレ量ΔΘとの和である。よって、この変形例においても、角度ズレ量ΔΘを導出することができる。
センサ45は、ハンド14の他、ロボット3のアーム11を構成する他の部位に設けられていてもよい。ただし、ハンド14に設けていればセンサ45の姿勢の制御が簡易であるため、計測媒体Lの射出方向の制御が簡易となる。
2 作業空間
3 ロボット
4 載置部
6 ピン
11 アーム
14 ハンド
30 制御器
45 センサ
51,52 計測対象物
100 ロボット位置校正システム
Claims (7)
- ロボットのアームと前記ロボットが設置された作業空間とのいずれか一方に設けられ、基準面内で互いに離れた2つの計測対象物と、
前記アームと前記作業空間との他方に設けられ、前記2つの計測対象物を計測するセンサと、
前記ロボットの前記アームを駆動制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、
前記アームを駆動することで、前記センサを前記2つの計測対象物に対して前記基準面内で一方向に相対的に直線的に移動させ、
前記センサが前記2つの計測対象物をそれぞれ計測したときの前記一方向における前記アームの2つの位置を取得し、
取得された前記2つの位置から得られる前記2つの計測対象物間の前記基準面内での前記一方向における計測距離と、前記2つの計測対象物間の前記基準面内での実距離とに基づいて、前記ロボットの前記基準面内での角度ズレ量を計測する、
ロボット位置校正システム。 - 前記センサは、超音波または光の計測媒体を射出し、前記計測媒体の前記計測対象物での反射に基づいて前記計測対象物を計測し、
前記制御器は、前記センサを前記計測対象物に対して相対的に移動させる際に、前記計測媒体の射出方向が前記アームの移動方向と前記基準面内で直交するように前記アームを移動させる、
請求項1に記載のロボット位置校正システム。 - 前記制御器は、
計測された前記角度ズレ量が相殺されるようにロボット座標系を補正し、
補正後の前記ロボット座標系における前記アームの位置を制御しながら前記アームを駆動することで、前記センサを前記2つの計測対象物に対して相対的に移動させ、
前記センサが前記2つの計測対象物のいずれかを計測したときの前記アームの位置を取得し、
取得された前記位置と、当該計測対象物の実位置とに基づいて、前記ロボットの前記基準面内における位置ズレ量を計測する、
請求項1または2に記載のロボット位置校正システム。 - 前記制御器は、
前記アームを駆動することで、前記センサを前記2つの計測対象物に対して前記基準面の法線方向に相対的に移動させ、
前記センサが前記計測対象物のいずれかを計測したときの前記アームの位置を取得し、
取得された前記位置と、当該計測対象物の実位置とに基づいて、前記ロボットの前記法線方向における位置ズレ量を計測する、
請求項1から3のいずれか1項に記載のロボット位置校正システム。 - 前記センサが前記アームに取り付けられ、前記2つの計測対象物が前記作業空間内に設けられており、
前記2つの計測対象物が前記作業空間内に設置されている装置の構成部品である、
請求項1から4のいずれか1項に記載のロボット位置校正システム。 - ロボットのアームと、前記ロボットが設置された作業空間とのいずれか一方に設けられ、基準面内で互いに離れた2つの計測対象物と、
前記アームと前記作業空間との他方に設けられ、前記2つの計測対象物を計測するセンサと、を備えるロボット位置校正システムにおいて用いられるロボット位置校正方法であって、
前記アームを駆動することで、前記センサを前記2つの計測対象物に対して前記基準面内で一方向に相対的に直線的に移動させることと、
前記センサが前記2つの計測対象物をそれぞれ計測したときの前記一方向における前記アームの2つの位置を取得することと、
取得された前記2つの位置から得られる前記2つの計測対象物間の前記基準面内での前記一方向における計測距離と、前記2つの計測対象物間の前記基準面内での実距離とに基づいて、前記ロボットの前記基準面内での角度ズレ量を計測することと、
を備えるロボット位置校正方法。 - 請求項6に記載のロボット位置校正方法をコンピュータに実行させる、
ロボット位置校正プログラム。
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