JP2016101632A - ロボット装置、ロボット制御装置、ロボット制御方法及びロボット手先効果器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部カメラを用いることなく作業対象物に対する手先効果器の移動を制御すること。【解決手段】ロボット装置は、複数の関節部を有するロボットアーム機構１０を有する。ロボットアーム機構には、作業対象物に対して作業を行なうための手先効果器３が支持される。手先効果器には撮像部６が設けられる。手先効果器にはさらに撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう少なくとも一つの接触センサ７，８，９が設けられる。制御装置３０は、撮像部で撮像された画像を用いて撮像方向に略直交する方向に関して手先効果器を移動し、接触センサの接触出力による作業対象物に手先効果器が接触する位置を基準として撮像方向に略平行な方向に関して手先効果器を移動するようロボットアーム機構を制御する。【選択図】 図８

Description

本発明の実施形態はロボット装置、ロボット制御装置、ロボット制御方法及びロボット手先効果器に関する。

従来の垂直多関節部アーム機構には位置に関して３自由度（ｘ，ｙ，ｚ）、姿勢に関して３自由度（φ，θ，ψ）が要求され、一般的には根元３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と手首３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６とからそれを実現している。例えば関節部Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６にはねじり関節部、関節部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５には曲げ関節部が適用される。アーム先端には手先効果器（エンドエフェクタ）が装備される。その手先の位置姿勢制御はパラメータ（関節角、伸縮長、リンク長等）を用いた同次変換行列により実現している。この種の垂直多関節アーム機構を用いて搬送等の作業を行なうに際して、多くの場合、作業対象物（ワーク）を典型的には２系統の外部カメラの画像で撮像してそれら画像から作業対象物の座標を計算し、その座標に従って作業対象物に対して手先効果器の移動を制御する。

目的は、外部カメラを用いることなく作業対象物（ワーク）に対する手先効果器の移動を制御することを実現することにある。

本実施形態に係るロボット装置は、複数の関節部を有するロボットアーム機構を有する。ロボットアーム機構には、作業対象物に対して作業を行なうための手先効果器が支持される。手先効果器には撮像部が設けられる。手先効果器にはさらに撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう少なくとも一つの接触センサが設けられる。制御部は、撮像部で撮像された画像を用いて撮像方向に略直交する方向に関して手先効果器を移動し、接触センサの接触出力による作業対象物に手先効果器が接触する位置を基準として撮像方向に略平行な方向に関して手先効果器を移動するようロボットアーム機構を制御する。

図１は、本実施形態に係るロボット装置のロボットアーム機構とその先端に装備される手先効果器及びカメラ・センサユニットの外観斜視図である。 図２は、図１の手先効果器とカメラ・センサユニットの平面図及び側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。 図４は、図１の変形例を示す図である。 図５は、図４の手先効果器とカメラ・センサユニットの平面図及び側面図である。 図６は、図１のカメラの撮像方向と接触センサの感度方向とを示す図である。 図７は、本実施形態に係るロボット装置のブロック図である。 図８は、本実施形態による搬送作業の処理工程を示すフローチャートである。 図９は、図８の工程Ｓ１０、Ｓ１１の補足図である。 図１０は、図８の工程Ｓ１３の補足図である。 図１１は、図８の工程Ｓ１４の補足図である。 図１２は、図８の工程Ｓ１５の補足図である。 図１３は、図８の工程Ｓ１８の補足図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボット装置を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るロボット装置の主構造物としてのロボットアーム機構の外観斜視図である。図２は図１の手先効果器とセンサユニットを示している。図３は図１のロボットアーム機構を図記号表現により示している。ロボットアーム機構１０は、略円筒形状の基部１と基部１に接続するアーム部２０とを有する。ロボットアーム部２０の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器３が取り付けられる。手先効果器３としては作業対象物（ワーク）としてのここでは半導体基板（単に基板という）を静電方式により吸着する吸着部を図示している。手先効果器３としては吸着部に限定されず、作業対象物を把持するハンド部、さらに他のツールであってもよい。ロボットアーム部２０の先端には任意の種類の手先効果器３に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。

ロボットアーム部２０は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３軸ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６は手首３軸と呼ばれる。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つは直動関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動関節、特に伸縮距離の比較的長い直動伸縮機構を採用している。第１関節部Ｊ１は基台面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的に伸縮する関節である。第４関節部Ｊ４は、第３移動軸ＲＡ３に一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節であり、第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

第１関節部Ｊ１のねじり回転によりアーム部２０が吸着部３とともに旋回する。第２関節部Ｊ２の曲げ回転によりアーム部２０が吸着部３とともに第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２を中心に起伏動をする。基部１を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１支持体１１ａはアーム部２０の旋回とともに軸回転する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２０が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。アーム部２０の直動関節部を構成する第３関節部Ｊ３の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

第１関節部Ｊ１は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において図示しない基台に固定される。回転部には第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとが取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１、第２、第３支持体１１ａ、１１ｂ、１１ｃが第１回転軸ＲＡ１を中心としてアーム部２０と吸着部３と共に旋回する。

第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動すると、アーム部２０が吸着部３とともに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。

第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮アーム機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮距離の長さは、図示しないが、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とを有する。第１連結コマ列２１は、同一の断面コ字形状を有し、ピンにより背面箇所において列状に連結される複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ２３の断面形状及びピンによる連結位置により第１連結コマ列２１はその背面方向に屈曲可能であるが逆に表面方向には屈曲不可な性質を備える。第２連結コマ列２０は、第１連結コマと略等価な幅を有する略平板形状を有し、背面方向と表面方向とともに屈曲可能な状態でピンにより列状に連結される複数の第２連結コマ２２からなる。第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０と先端部おいて結合コマにより結合される。結合コマは、第１連結コマ２３と第２連結コマ２２とが一体的になった形状を有している。結合コマが始端となって、第３支持部ｃから第２連結コマ列２０が第１連結コマ列２１とともに送り出されるときには、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは互いに接合される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは先端部おいて結合コマにより結合され、それぞれ後部において第３支持体１１ｃの内部で堅持され引き抜き防止されることにより接合状態が保持される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とが接合状態が保持されたとき、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０の屈曲は制限され、それにより第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とにより一定の剛性を備えた柱状体が構成される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とが互いに離反するとき、屈曲制限を解除され、それぞれが屈曲可能状態に復帰する。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持体１１ｃの開口付近で接合され、送り出される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持体１１ｃの内部で離反され、それぞれが屈曲可能状態となる。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは個々に屈曲され、第１支持体１１ａの内部に別体として収容される。

吸着部３は、アーム部２０の先端に装備されている。吸着部３は、第１、第２、第３関節部Ｊ１．Ｊ２．Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。第４関節部Ｊ４は、アーム部２０の伸縮方向に沿ったアーム部２０の中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に典型的には一致する回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、第４関節部Ｊ４から先端にかけて吸着部３が回転軸ＲＡ４を中心に回転する。第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の移動軸ＲＡ４に対して直交する回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけて吸着部３とともに上下に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に垂直な回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転すると吸着部３が左右に旋回する。

図３には図１のロボットアーム機構１０を図記号表現により示している。ロボットアーム機構１０は、根元３軸を構成する第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３、さらに手首３軸を構成する第４関節部Ｊ４と第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とにより３つの位置自由度と３つの姿勢自由度を実現する。第１関節部Ｊ１は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとの間に配設されており、回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節として構成されている。回転軸ＲＡ１は第１関節部Ｊ１の固定部が設置される基台の基準面ＢＰに垂直に配置される。回転軸ＲＡ１に平行にＺ軸を規定する。説明の便宜上、Ｚ軸を中心とした直交３軸の空間座標系（ＸＹＺ）を規定する。

第２関節部Ｊ２は回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節として構成される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は空間座標系上のＸ軸に平行に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して垂直な向きに設けられる。さらに第２関節部Ｊ２は、第１関節部Ｊ１に対して、第１回転軸ＲＡ１の方向（Ｚ軸方向）と第１回転軸ＲＡ１に垂直なＹ軸方向との２方向に関してオフセットされる。第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２とのＺ軸方向に関する関節間距離（関節中心間距離、リンク長又はオフセット距離ともいう）はｄ１、第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２とのＹ軸方向に関する関節間距離はＬ１で与えられる。なお回転関節部の関節中心は回転面上の構造中心をいい、直動関節部の関節中心はもっとも収縮した状態での構造中心をいうものとする。

第２関節部Ｊ２が第１関節部Ｊ１に対して上記２方向にオフセットされるように、第２支持体１１ｂは第１支持体１１ａに取り付けられる。第１関節部Ｊ１に第２関節部Ｊ２を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が直角に曲がった２つの鈎形状体が組み合わされたクランク形状を有している。この仮想的なアームロッド部分は、中空構造を有する第１、第２支持体１１ａ、１１ｂにより構成される。

第３関節部Ｊ３は移動軸ＲＡ３を中心とした直動関節として構成される。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第２関節部Ｊ２の回転角がゼロ度、つまりアーム部２０の起伏角がゼロ度であってアーム部２０が水平な基準姿勢においては、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とともに第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１にも垂直な方向に設けられる。空間座標系上では、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３はＸ軸及びＺ軸に対して垂直なＹ軸に平行に設けられる。さらに、第３関節部Ｊ３は、第２関節部Ｊ２に対して、その回転軸ＲＡ２の方向（Ｙ軸方向）と、移動軸ＲＡ３に直交するＺ軸の方向との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とのＺ軸方向に関する関節間距離（オフセット距離）はｄ２、第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とのＹ軸方向に関する関節間距離はＬ２で与えられる。第３関節部Ｊ３が第２関節部Ｊ２に対して上記２方向にオフセットされるように、第３支持体１１ｃは第２支持体１１ｂに取り付けられる。第２関節部Ｊ２に第３関節部Ｊ３を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が垂直に曲がった鈎形状体を有している。この仮想的なアームロッド部分は、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃにより構成される。

上記第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２とのＹ軸方向に関する関節間距離Ｌ１と、第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とのＺ軸方向に関する関節間距離Ｌ２とは異なる値に設定される。第４関節部Ｊ４は回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節として構成される。第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に略一致するよう配置される。第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節として構成される。第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３及び第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ６を中心としたねじり関節として構成される。第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６は第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は手先効果器としての吸着部３を旋回するために設けられており、その回転軸ＲＡ６が第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交する曲げ関節として実装されていてもよい。

このように複数の関節部Ｊ１−Ｊ６の根元３軸のうちの一つの曲げ関節部を直動関節部に換装し、第１関節部Ｊ１に対して第２関節部Ｊ２を２方向にオフセットさせ、第２関節部Ｊ２に対して第３関節部Ｊ３を２方向にオフセットさせることにより、特異点姿勢を構造上解消することが実現される。

図２に示すように、ロボットアーム部２０の先端には手先効果器としての静電方式の吸着部３が取り付けられる。吸着部３は、電極層と絶縁層とから構成される吸着板５を有する。吸着板５は典型的には比較的薄い長方形の平板形状を有する。吸着板５はその背面及び側面がハウジング１２に覆われている。吸着板５の吸着面中心位置を「ＣＰ」と表記している。後述する吸着部ドライバは電圧を電極層に印加する。電極層とワーク、ここでは基板との間に絶縁層が介在する。電極に電圧を印加すると基板の表面（吸着面）には強い電界が形成され基板表面が分極する。それにより電極と基板との間に電位差が発生し、吸引するクーロン力が誘起され、基板が吸着される。リリースに際しては逆に電極への印加電圧を遮断すると、基板の表面分極を拘束する電極からの電界が消滅するため、基板表面の分極も瞬時に無くなり、電極面と基板表面との間に電位差が無くなり吸引力が消滅する。

吸着部３はその後端においてアーム部２０の手首部２５の先端に取り付けられる。吸着部３の先端にはセンサユニット４が取り付けられる。センサユニット４は例えばＣＣＤ形式のカメラ６と少なくとも３つの接触センサ７，８，９とが、吸着部３よりも小さいサイズの典型的には比較的薄い長方形の平板形状を有するハウジング１３に収容されてなる。ハウジング１３の略中心にはレンズ孔が空けられ、そのレンズ孔にカメラ６のレンズが位置合わせされる。吸着部３にセンサユニット４は固定されているので、吸着部３に対してカメラ６の位置は固定される。従って吸着部３の中心とカメラ６により撮像される画像の中心との位置関係は固定的である。

ハウジング１３内においてカメラ６の周囲には３つの接触センサ７，８，９が配置される。ハウジング１３の先方中央にはセンサ孔が空けられ、そのセンサ孔に接触センサ７の感度面が嵌め込まれる。ハウジング１３の後方両側に離間して２つのセンサ孔が空けられ、２つのセンサ孔に２つの接触センサ８，９の感度面がそれぞれ嵌め込まれる。なお、図４、図５に示すように、センサユニット４は吸着部３の中心に設けられてもよい。その場合、吸着部３の吸着板５はセンサユニット４を取り囲むように形成される。吸着部３は静電方式に限定されず、吸引方式であってもよい。またカメラ６は吸着部３との取り付け位置に近い手首部２５に取り付けられていてもよい。

図６に示すようにセンサユニット４のカメラ６は典型的にはその撮像視野中心線が吸着板５の吸着面に対して略垂直になる向きにハウジング１３に取り付けられる。もちろんカメラ６はその撮像視野中心線が吸着面に対して所定角で傾斜する向きにハウジング１３に取り付けられてもよい。吸着板５から所定距離にある吸着対象はカメラ６の撮像視野に含まれる。センサユニット４の接触センサ７，８，９はその感度方向が吸着板５の吸着面に略垂直になる向きにハウジング１３に取り付けられる。つまり接触センサ７，８，９はその感度方向がカメラ６の撮像視野中心線と略平行になり、カメラ６による撮像方向に関して感度を有する。

図７は本実施形態に係るロボット装置のブロック図を示している。アーム機構１０の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６にはそれぞれ例えばステッピングモータがアクチュエータとして設けられる。ステッピングモータにはモータドライバ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６がそれぞれ接続される。関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の関節角、伸縮距離は例えばそれぞれのステッピングモータの回転に設けられたエンコーダ１１１，１１，１１３，１１４，１１５，１１６の出力パルスの計数により測定される。カメラドライバ（カメラコンローラともいう）１２６はカメラ６に対する信号読み出し、増幅、アナログデジタル変換、同期信号混合などの各種処理を担う。

ロボット制御装置３０はシステム制御部３００を中心として制御／データバス３１５を解して各部が接続されてなる。ロボット制御装置３０には操作部インタフェース３０２を介して吸着部（手先効果器）３の移動や姿勢の変更をオペレータが手動操作するための操作部４０が接続される。吸着部ドライバ３１４は吸着板５の電極層に接続され、電極層に印加するための電圧を発生するとともに、システム制御部３００の制御に従って電圧を電極層に印加し、またそれを停止する。センサドライバ３１３はセンサユニット４の接触センサ７，８，９を駆動するとともに接触センサ７，８，９からの出力に基づいて接触センサ７，８，９の接触状態の有無を検出する。カメラドライバ１２６はカメラインタフェース３１２を介してロボット制御装置３０に接続される。カメラドライバ１２６で構成される画像データは図示しない画像記憶部に記憶され、またモニタ３１１に表示される。位置記憶部３０４は後述するティーチング等で指定された位置・姿勢を記憶する。基板領域抽出処理部３０８はカメラ６で撮像された画像から作業対象物としての基板の領域を閾値処理、パターン認識処理等任意の処理により抽出する。基板領域中心計算部３０９は、基板領域抽出処理部３０８で抽出された基板領域の画像座標系（Ｘi,Ｙi）上の基板中心位置を計算する（詳細は後述する）。ＸＹ位置計算処理部３１１は基板領域中心計算部３０９で計算された画像座標系上の基板中心位置を、ロボットアーム機構１０の基準座標系上での位置（Ｘ,Ｙ）に変換する。Ｚ位置計算処理部３０５は、1枚目の基板のＺ位置と基板厚とに基づいて２枚目以降の基板に関する基準座標系上でのＺ位置を計算する。位置・姿勢／関節角度・伸縮長変換処理部３０３は、ＸＹ位置計算処理部３１１及びＺ位置計算処理部３０５により計算された基板の基準座標系上での位置（ＸＹＺ）から、関節部Ｊ１−Ｊ６に係る逆運動学上の同次変換行列により関節角（θ1,θ2,θ4,θ5,θ6）及び直動伸縮関節部Ｊ３の伸縮長（ｄ3）を計算する。ドライバ制御部３０１は、位置・姿勢／関節角度・伸縮長変換処理部３０３で計算された関節角（θ1,θ2,θ4,θ5,θ6）及び伸縮長（ｄ3）を実現するためのモータドライバ１０１−１０６各々に対する指令値を計算し、それぞれ出力する。

図８は、本実施形態による搬送作業の処理工程を示すフローチャートである。工程Ｓ１０、Ｓ１１はロボット据付時等に実施されるアーム動作を教え込むいわゆるティーチング工程である。工程Ｓ１２は作業準備工程であり、作業開始直前に実施してもよいし、ティーチング段階で実施してもよい。工程Ｓ１３−Ｓ２１は搬送作業工程である。まず図９に示すように搬送元のテーブルＴ１、搬送先のテーブルＴ２、ロボットアーム機構１０が設計位置に据付られる。搬送元のテーブルＴ１、搬送先のテーブルＴ２、ロボットアーム機構１０の３者の位置関係は基本的には固定される。その状態で例えばロボットエンジニアや専属のオペレータ等によりティーチングがなされる（Ｓ１０、Ｓ１１）。工程Ｓ１０ではオペレータがカメラ６の画像をモニタ３１１で視認しながら操作部４０を操作して吸着部３をテーブルＴ１の上方の位置（降下基準位置という）に移動する。基準座標系上での降下基準位置（Ｘ10、Ｙ10、Ｚ10）が位置記憶部３０４に記憶される。例えばテーブルＴ１の表面には基板ガイドマークが描かれている。カメラ６の画像には基板ガイドマークの像が映る。モニタ３１１上の画像上の固定位置（Ｘi0、Ｙi0）には吸着部３の中心を示すマーカーが重ねられる。吸着部３に対してカメラ６の位置は固定されているので、吸着部３の中心に対応する画像上での位置（Ｘi0、Ｙi0）は既知である。オペレータはカメラ６の画像を見ながら吸着部３の中心を示すマーカーがカメラ６の画像には基板ガイドマークの像のほぼ中心に位置するよう吸着部３を移動操作して降下基準位置（Ｘ10、Ｙ10、Ｚ10）を決定する。次に工程Ｓ１１においてオペレータが操作部４０を操作して吸着部３を搬送先のテーブルＴ２上の適当な位置（リリース基準位置という）に下ろす。その位置に関する基準座標系上でのリリース基準位置（Ｘ20、Ｙ20、Ｚ20）が位置記憶部３０４に記憶される。以上でティーチングは完了である。

搬送作業にあたっては、搬送対象物である基板１枚あたりの厚さ（ｔ）と、搬送単位枚数（ｍ枚）とが入力される（Ｓ１２）。基板１枚あたりの厚さ（ｔ）のデータはＺ位置計算処理部３０５のメモリに記憶され、搬送単位枚数（ｍ枚）のデータはシステム制御部３００のメモリに記憶される。この工程Ｓ１２は最初の1回のみ必要とされ、搬送対象物の１枚あたりの厚さ（ｔ）が変更されたり、また搬送単位枚数（ｍ枚）を変更する必要があった場合に実施される。

工程Ｓ１０−Ｓ１２の搬送作業準備工程が完了すると、工程Ｓ１３−Ｓ２１に係る搬送作業工程が開始される。この工程Ｓ１３−Ｓ２１に係る搬送作業はもちろんシステム制御部３００による自動作業である。テーブルＴ１上には例えば作業員により複数の基板が積み重ねられた基板スタックが置かれる。作業員は基板スタックをテーブルＴ１上の基板ガイドマークに従って置くものではあるが正確ではなく、多少のずれはあるし、複数の基板が必ずしも揃っているものでもない。

工程Ｓ１３では、図１０に示すように、吸着部３が降下基準位置（Ｘ10、Ｙ10、Ｚ10）から真下に水平姿勢を維持したまま降下され、つまり（Ｘ10、Ｙ10）は固定され、（Ｚ10）が減少するよう移動される。接触センサ７，８，９のいずれかが最上位の基板Ｗ１に接触すると、その位置で吸着部３の降下は停止される。この状態では吸着部３の吸着面中心は最上位の基板Ｗ１の中心とは多少ずれてはいるが、基板スタックがテーブルＴ１上の基板ガイドマークに従って置かれており、且つティーチング段階で吸着部中心が基板ガイドマーク中心にほぼ一致するように降下基準位置が調整され、しかも吸着面のサイズは基板とほぼ等価又はそれよりも大きさことから、吸着部３が基板Ｗ１を吸着できないという事態は生じない。吸着部３の降下停止により、このときの最上位の基板Ｗ１のＺ位置は基準座標系上で（Ｚ11）として与えられ、位置記憶部３０４に記憶される。

図１１に示すように吸着部３は基板Ｗ１を吸着した状態で、Ｚ位置計算処理部３０５によりリリース基準位置（Ｘ20、Ｙ20、Ｚ20）に基板１枚当りの厚さ（ｔ）をＺ座標に加算したリリース位置（Ｘ20、Ｙ20、Ｚ20＋ｔ）に移動され、その位置で吸着部ドライバ３１４はシステム制御部３００の制御により吸着部３の電極への電圧印加を停止する。それにより基板Ｗ１は吸着部３からリリースされ、搬送先テーブルＴ２上に置かれる（Ｓ１４）。以上で１枚目の基板搬送作業が終了する。

次の２枚目の基板Ｗ２の搬送作業が開始される。まず、図１２に示すように、吸着部３が降下基準位置（Ｘ10、Ｙ10、Ｚ10）に移動され、その位置でカメラ６により基板スタックが撮像され、基板スタックの画像が発生される（Ｓ１５）。この画像から基板領域抽出処理部３０８により２枚目の基板Ｗ２の領域が抽出され、基板領域中心計算部３０９により基板領域の画像座標系（ＸＹ）上の基板中心位置（Ｘi2，Ｙi2）が計算される（Ｓ１６）。また２枚目の基板Ｗ２のＺ位置（Ｚ12）がＺ位置計算処理部３０５により計算される（Ｓ１７）。具体的には、１枚目の基板Ｗ１のＺ位置（Ｚ11）は工程Ｓ１３において既知であり、２枚目の基板Ｗ２のＺ位置（Ｚ12）は１枚目の基板Ｗ１のＺ位置（Ｚ11）から基板厚ｔ（実際にはｔに応じた座標値であるが説明の便宜上単に“ｔ”とする）だけ下方にシフトした位置（Ｚ11−ｔ）として与えられる。

次に、ＸＹ位置計算処理部３１１により２枚目の基板Ｗ２に関する画像座標系上の基板中心位置（Ｘi2，Ｙi2）が基準座標系上での位置（Ｘ12,Ｙ12）に変換される（Ｓ１８）。図１３に示すように、画像座標系上での吸着面中心（Ｘi0,Ｙi0）から基板領域中心（Ｘi2,Ｙi2）へのベクトル１が与えられ、そのベクトルを、基準座標系上での基準位置(Ｘ10,Ｙ10)から未知の基板の中心位置へのベクトル２に変換することで、２枚目の基板Ｗ２に関する基準座標系上での位置（Ｘ12,Ｙ12）が計算される。画像座標系はカメラ６の撮像面に規定されるものであり、撮像面からカメラレンズ中心面までの距離は焦点距離Δｆで与えられ、さらにカメラレンズ中心面から２枚目の基板Ｗ２までの距離は（Ｚ10−Ｚ12）、つまり（Ｚ10−Ｚ11）の実寸換算値“｜Ｚ10−Ｚ11｜”に基板厚ｔを加えた値で与えられる。従ってベクトル２は、ベクトル１を、（“｜Ｚ10−Ｚ11｜”＋ｔ）／Δｆによる幾何学的相似変換により簡単に計算され得る。画像座標系上での吸着面中心（Ｘi0,Ｙi0）に対応する基準座標系上の位置は降下基準位置（Ｘ10,Ｙ10）であり、降下基準位置（Ｘ10,Ｙ10）を基点としてベクトル２で与えられる位置が２枚目の基板の中心位置（Ｘ12,Ｙ12）として計算される。

このように２枚目の基板の中心位置（Ｘ12,Ｙ12,Ｚ12）が計算され得る。２枚目の基板の中心位置のＸＹ座標位置、降下基準位置のＺ座標位置で決まる位置（Ｘ12,Ｙ12,Ｚ10）を降下開始位置として、その降下開始位置に吸着部３を移動し、その位置からＺ軸に沿って２枚目の基板の中心位置（Ｘ12,Ｙ12,Ｚ12）まで降下し、２枚目の基板を吸着する（Ｓ１９）。それにより吸着部３の吸着面中心は基板Ｗ２の中心にほぼ一致するので、吸着部３により基板Ｗ２を安定して保持できる。

吸着後はリリース基準位置（Ｘ20,Ｙ20,Ｚ20）よりもＺ軸方向に２枚分の厚さ（２・ｔ）に応じた座標２・“ｔ”だけＺ（＋）をシフトした位置（Ｘ20,Ｙ20,Ｚ20＋２・“ｔ”）をリリース目標位置として計算され、その位置に吸着部３が移動され、吸着解除され、リリースされる（Ｓ２１）。吸着部３の中心が基板中心にほぼ一致した状態で基板を順次吸着し、搬送先では一定のＸＹ座標位置（Ｘ20,Ｙ20）でリリースするので、基板中心が相互にほぼ揃った状態で基板をスタックすることができる。３枚目以降も同様に基板中心位置を計算することができ、その位置に従って移動し、降下し、吸着し、搬送し、リリースすることができる。基板枚数計算部３０７では、１枚目のＺ座標（Ｚ11）から現在のｎ枚目の基板のＺ座標まで順次計算しているので、１枚目のＺ座標（Ｚ11）とｎ枚目の基板のＺ座標との間の実寸換算距離を基板厚ｔで除算することにより現在の搬送枚数ｎを簡単に計算することができる。システム制御部３００の制御下で工程Ｓ２１において現在の搬送枚数ｎが搬送単位枚数ｍに達するまで工程Ｓ１５−Ｓ２０がループされ、搬送枚数ｎが搬送単位枚数ｍに達した時点で単位搬送作業は終了する。

以上のとおり本実施形態によれば手先効果器に対して設けられたカメラと接触センサとを用いて、作業対象物のＸＹＺ座標を計算することができ、その位置に従って手先効果器を好適に移動することができる。本実施形態のように、外部カメラを用いる必要がないことは、外部カメラ座標系、ロボットアーム機構の座標系、作業空間座標系との間の変換行列を事前に求めるとの非常に面倒で時間を要する準備作業を不要にして、降下基準位置、リリース基準位置をティーチングするだけでよいので短時間のうちに作業を開始することができ、これは本実施形態による可搬性が高いロボット装置では非常に有益である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…アーム部、３…手先効果器（吸着部）、４…センサユニット、５…吸着板、６…カメラ、７，８，９…接触センサ、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２０…第２連結コマ列、２１…第１連結コマ列、２２…第２連結コマ、２３…第１連結コマ。

Claims (8)

1. 複数の関節部を有するロボットアーム機構と、
   前記ロボットアーム機構に支持され、作業対象物に対して作業を行なうための手先効果器と、
   前記手先効果器に対して設けられる撮像部と、
   前記撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう前記手先効果器に対して設けられる少なくとも一つの接触センサと、
   前記撮像部で撮像された画像を用いて前記撮像方向に略直交する方向に関して前記手先効果器を移動し、前記接触センサの接触出力による前記作業対象物に前記手先効果器が接触する位置を基準として前記撮像方向に略平行な方向に関して前記手先効果器を移動するよう前記ロボットアーム機構を制御する制御部とを具備することを特徴とするロボット装置。
2. 前記制御部は、前記撮像部で撮像された画像から前記作業対象物の領域を抽出し、前記画像内における前記作業対象物の領域の位置と前記撮像部に対する前記手先効果器の位置とに基づいて前記撮像方向に略直交する方向に関する前記手先効果器の移動を制御することを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
3. 前記作業対象物はスタックされた基板であり、前記基板は前記手先効果器により吸着されて1枚ずつ搬送されるものであり、
   前記制御部は、前記スタックされた基板のうち最上位の基板の高さを基準として前記基板の厚みを順次引き算した高さに従って２枚目以降の基板に対する前記撮像方向に関する前記手先効果器の移動を制御することを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
4. 前記制御部は、前記基板を搬送する搬送先の台上にリリースする際に前記搬送先の台に前記手先効果器が接触する位置を基準として前記基板の厚みを順次加算した高さに従って１枚目以降の基板に対する前記撮像方向に関する前記手先効果器の移動を制御することを特徴とする請求項３記載のロボット装置。
5. ロボットアーム機構に支持された手先効果器に対して設けられる撮像部と、
   前記撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう前記手先効果器に対して設けられる少なくとも一つの接触センサと、
   前記撮像部で撮像された画像を用いて前記撮像方向に略直交する方向に関して前記手先効果器を移動し、前記接触センサの接触出力による前記対象物に前記手先効果器が接触する位置を基準として前記撮像方向に略平行な方向に関して前記手先効果器を移動するよう前記ロボットアーム機構を制御する制御部とを具備することを特徴とするロボット制御装置。
6. ロボットアーム機構に支持された手先効果器に設けられた撮像部で作業対象物を含む視野で撮像された画像を入力し、
   前記撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう前記手先効果器に設けられた少なくとも一つの接触センサの出力を入力し、
   前記撮像部で撮像された画像を用いて前記撮像方向に略直交する方向に関して前記手先効果器を移動し、
   前記接触センサの出力による前記作業対象物に前記手先効果器が接触する位置を基準として前記撮像方向に略平行な方向に関して前記手先効果器を移動することを特徴とするロボット制御方法。
7. ロボットアームの先端に装備され、作業対象物に対して作業を行なうための手先効果器において、
   前記手先効果器に対して設けられる撮像部と、
   前記撮像部による撮像方向に関して感度を有するよう前記手先効果器に対して設けられる少なくとも一つの接触センサとを具備することを特徴とするロボットの手先効果器。
8. ロボットアームの手先効果器に対して設けられる撮像部で作業対象物スタックを含む視野で撮像された画像を用いて前記撮像部の撮像方向に直交する方向に関する前記作業対象物の位置を計算する第１位置計算部と、
   前記手先効果器対して設けられる接触センサの出力による前記作業対象物スタックの最上位の作業対象物に前記接触センサが接触する位置を基準として前記撮像方向に関する他の作業対象物の位置を計算する第２位置特定部とを具備する位置計算処理装置。