(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動の関節アームの端部に装着されたエンドエフェクタの形をした摩擦タイプの加工品ホルダによって加工品処理ツールを操作する方法であって、最終端点までの設定距離における平均速度を最大にしながらも前記エンドエフェクタとエンドエフェクタに支持されている加工品との間の摩擦力を越える加速の命令と制御不能な共振の生成とを回避することによって、前記ツールのモータ駆動の関節アームが最終端点までの設定距離を移動するために必要な時間を最小にする方法であって、
アーム移動の軌道を判別すると共に、加工品の水平加速度が加工品とエンドエフェクタとの間の静止摩擦係数に重力加速度が乗算されたものと等しくなるような加工品の加速度とアームでの共振の発生が最小となるようなジャークレートとからなる制約によって移動速度と加速度とを制限する行程と、
力学的状態から次の力学的状態に移動することによってアーム移動の軌道の点を見つけだすと共に、前記制約に違反せずに前記設定距離におけるアーム移動の平均速度を最大にする力学的状態をアーム移動の軌道上の点として選択する行程と、
からなることを特徴とする方法。
【請求項２】
アーム移動の軌道上の点を見つける行程は、
前記制約に違反しない最大加速度の値と前記制約に違反しない最大減速度の値を判別して記憶する行程と、
前記記憶された値を使用して、最大加速度が最大減速度よりも大なるか否かを判別することによって有効力学的状態に対するアーム移動の軌道上の点を評価し、最大加速度が最大減速度より大なる場合に最大加速度を前記点に適用して次の力学的状態を判別する行程と、
評価がなされた点が有効力学的状態を持たなければ、最大加速度が適用された最終点が見つけられるまで見つけられた状態にさかのぼると共に、替わりに最大減速度を適用して次の力学的状態を判別する行程と、
軌道の最終端点に到達したときに次の力学的状態の判別を中止せしめる行程とからなる行程によって、最大加速度と最大減速度との点を判別する行程とからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
任意の力学的状態のアームの端部の位置と速度と加速度との関係は、
【式１】
0003690811.tif 000003
となることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記軌道は開始端点を有し、軌道の点を見つける行程は、軌道を逆方向に、すなわち最終端点から開始端点に戻して解明することによって軌道の点の評価を最初に実行する行程と、次に軌道を順方向に向けて解明する行程と、逆方向の軌道を制約の表に追加する行程と、からなり、速度を最終端点にてゼロにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
利用可能なトルクが駆動モータによって前記関節アームに供給され、前記制約は、モータトルク制限をさらに有し、追従すべき軌道は、駆動モータから利用可能となるものよりも多くのトルクを必要としてはいけないことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
モータ駆動の関節アームの端部に装着されたエンドエフェクタの形を有する摩擦タイプの加工品ホルダによって加工品処理ツールを動かすとともに、最終端点までの設定距離に対する平均速度を最大にしながらもエンドエフェクタとエンドエフェクタに保持される加工品との間の摩擦力を越える加速度の命令と制御不能な共振の発生とを回避することによって、前記ツールのモータ駆動の前記関節アームが最終端点までの設定距離を移動するのに必要な時間を最小にする装置であって、
開始端点を含むアーム移動の軌道の点を判別しながらも、加工品での水平加速度がエンドエフェクタとの間の静止摩擦係数に重力加速度を乗算したものと等しくなるような加工品の加速度と、アームでの共振の発生を最小にするようなジャークレートとからなる制約によって移動速度と加速度とを制限する判別手段からなり、
前記判別手段は、力学的状態から次の力学的状態に移動することによって軌道点を見つけると共に、前記制約に違反せずに前記設定距離に対するアーム移動の平均速度を最大にする力学的状態を軌道上の点として選択する発見手段からなることを特徴とする装置。
【請求項７】
軌道の点を発見する前記発見手段は、
軌道上の点での加速度をプロットするプロット手段と、
前記制約に違反しない最大加速度と前記制約に違反しない最大減速度との値を判別して記憶する第１手段と、
前記記憶された値に応じて、最大加速度が最大減速度よりも大なる場合に軌道上の点が有効力学的状態を有するような基準を使用して軌道上の点を評価するとともに、前記評価の表示信号を生成する第２手段と、
前記評価表示信号に反応して、軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を有すれば第１信号を生成し、軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を持たなければ第２信号を生成する第３手段と、
前記第１信号に反応して、前記プロット手段に信号を送って評価がなされた前記点で最大加速度を適用すると共に、開始信号を生成して前記第２手段に次の力学的状態を評価せしめる第４手段と、
前記第２信号に反応して、前記プロット手段に信号を送って最大加速度が適用された最終点が見つかるまで見つかった状態にさかのぼり替わりに最大減速度を適用すると共に、開始信号を生成して前記第２手段に次の力学的状態を評価せしめる第５手段と、
力学的状態評価表示信号と前記プロット手段の点とに反応して、軌道の最終端点を通過していなければ前記第２手段に次の力学的状態の評価を許可するイネーブル信号を生成すると共に、前記最終端点に達したときに前記第２手段が次の力学的状態を評価しないようにするEND信号を生成する第６手段と
からなることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
軌道を評価する前記第２手段は、
軌道を逆方向、すなわち、最終端点から開始端点に向けて戻って解明することによって軌道の点の評価を最初に実行する手段と、
軌道を順方向に向けて解明して前記制約の表に解明した逆方向軌道を追加する手段と、からなり、速度を最終端点でゼロにすることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
前記関節アームを駆動するモータ手段をさらに有し、前記制約は、さらにモータトルク制限を有し、追従すべき軌道は、前記モータ手段から利用できるものよりも多くのトルクを必要としてはいけないことを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項１０】
モータ駆動の関節アームの端部に装着されたエンドエフェクタを有した摩擦タイプの基板ホルダで基板処理ツールを操作する方法であって、最終端点までの設定距離に対する平均速度を最大にしながらもアームの端部のエンドエフェクタとエンドエフェクタに保持される加工品との間の摩擦力を越える加速度の命令と制御不能な共振の発生とを回避することによって、前記ツールのモータ駆動の関節アームが開始端点から最終端点までの設定距離を移動するために必要な時間を最小にする方法であって、
アーム移動の軌道上の点を判別しながらも、基板での水平加速度が基板とエンドエフェクタとの間の静止摩擦係数に重力加速度を乗算したものと等しくなるような基板の加速度と、アームでの共振の発生を最小にするようなジャークレートとからなる制約によって移動速度と加速度とを制限する行程と、
力学的状態を判別することによって軌道上の点を見つける発見行程と、
からなり、
前記発見行程は、
ステップ１:前記制約に違反しない最大加速度と前記制約に違反しない最大減速度との値を判別して記憶する行程と、
ステップ２:前記記憶された値により、最大加速度が最大減速度よりも大なる場合に軌道上の点が有効力学的状態を有する基準を使用して軌道上の点を評価する行程と、
ステップ３:軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を有すれば、ステップ５に進む行程と、
ステップ４:軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を持たない場合、最大加速度が適用された最終点が見つかるまで見つかった状態にさかのぼって替わりに最大減速度を適用すると共に、ステップ６に進むことによって次の力学的状態を判別する行程と、
ステップ５:最大加速度を適用し、ステップ６に進むことによって次の力学的状態を判別する行程と、
ステップ６:軌道の最終端点を通過していない場合にステップ２に戻って次の力学的状態を判別し、軌道の最終端点に到達した場合はENDに進む行程とによって実行されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
任意の力学的状態のアームの端部の位置と速度と加速度と関係は、
【式２】
0003690811.tif 000004
となることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
軌道上の点を見つける前記発見行程は、軌道を逆方向に、すなわち最終端点から開始端点に向けて戻るように解明することによって軌道の点の評価を最初に実行する行程と、次に軌道を順方向に向けて解明する行程と、逆方向の軌道を制約の表に追加する行程とからなり、速度を最終端点にてゼロにすることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記制約は、さらにモータトルク制限を有し、追従すべき軌道は、利用可能なものよりも多いトルクを必要としてはならないことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
加工品処理ツールを操作して加工品のスループットを最大にする方法であって、摩擦タイプの加工品ホルダが前記ツールのモータ駆動の関節アームの端部に配置され、前記加工品ホルダが開始端点から最終端点までの設定距離を加工品を保持しながら移動するのに要する時間を最小にする方法であって、
１の力学的状態から次の力学的状態に移ることによって前記加工品ホルダの連続する力学的状態を評価することによってアーム移動の軌道上の点を判別する行程と、
前記加工品ホルダの最大速度を維持しながらも前記加工品と前記加工品ホルダとの間の摩擦力を越えないように保持されている加工品における水平加速度を制限する力学的状態を前記軌道の前記点として選択することによって、１の力学的状態から次の力学的状態に移動しながらアーム移動の前記軌道点を選択する行程と、
を有し、
選択された最終の力学的状態は、前記加工品ホルダが前記最大速度よりも遅い速度で前記開始端点及び前記最終端点の一方に位置することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記選択された最終の力学的状態は、前記加工品ホルダが静止していることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
任意の力学的状態での加工品ホルダの位置、速度、及び加速度の関係は、次式、すなわち
【式３】
0003690811.tif 000005
となることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
軌道上の点を判別する行程は、軌道を逆方向にすなわち最終端点から開始端点に向けて解くことによって軌道点の評価を最初に実行する行程と、次に軌道を順方向に解き、逆方向軌道を順方向軌道に加える行程とを有し、速度を最終端点でゼロにすることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
利用可能なトルクを前記関節アームに供給する駆動モータをさらに有し、前記モータはモータトルク限界を有し、追従すべき軌道は、駆動モータから利用可能となるトルクよりも多くのトルクを必要としてはいけないことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
加工品処理ツールを操作し、前記ツールのモータ駆動の関節アームの端部に摩擦タイプの加工品ホルダが配置され、前記加工品ホルダが開始端点から最終端点までの設定距離を加工品を保持しながら移動するのに要する時間を最小にすることによって加工品のスループットが最大となる装置であって、
前記加工品ホルダの１の力学的状態から次の力学的状態に移動せしめる手段と、
前記加工品ホルダの連続する力学的状態を評価することによってアーム移動の軌道上の点を判別する判別手段と、
を有し、
前記判別手段は、
前記加工品ホルダの最大速度を維持しながらも、前記加工品と前記加工品ホルダとの間の摩擦力を越えないように、保持されている加工品の水平加速度及び減速度を制限する力学的状態を、前記軌道上の前記点として選択する手段と、
前記加工品ホルダが前記最大速度よりも小さい速度で前記開始端点及び前記最終端点の一方にある最終力学的状態を選択する選択手段と
を有することを特徴とする装置。
【請求項２０】
前記選択手段は、前記加工品ホルダが静止している最終力学的状態を選択することを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
軌道上の点を判別する手段は、
軌道上の点での加速度をプロットするプロット手段と、
水平加速度の前記限界を越えない最大加速度の値と前記限界を越えない最大減速度の値とを判別して記憶する第１手段と、
前記記憶された値に応じて、最大加速度が最大減速度よりも大なる場合は軌道上の点が有効力学的状態を有するという基準を使用してかかる軌道上の点を評価し、前記評価の表示信号を生成する第２手段と、
前記評価表示信号に反応して、軌道上で評価がなされた点が有効力学的状態を有する場合は第１信号を生成し、軌道上で評価がなされた点が有効力学的状態を持たない場合は第２信号を生成する第３手段と、
前記第１信号に反応して、信号を前記プロット手段に送って評価がなされた前記点に最大速度を適用するとともに、開始信号を生成して前記第２手段に次の力学的状態の評価を生ぜしむる第４手段と、
前記第２信号に反応して、前記プロット手段に信号を送って最大加速度が適用された最終点が見いだされるまで見いだされた状態に戻って代わりに最大減速度を適用し、開始信号を生成して前記第２手段に次の力学的状態の評価を生ぜしむる第５手段と、
力学的状態評価表示信号と前記プロット手段の点とに反応して、軌道の前記開始端点と前記最終端点とを通過していない場合に前記第２手段に次の力学的状態の評価を許容するイネーブル信号を生成するとともに、前記開始端点及び前記最終端点の一方に到達したときに前記第２手段による次の力学的状態の評価を防止するＥＮＤ信号を生成する第６手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
軌道上の点を評価する前記第２手段は、
軌道を逆方向にすなわち前記最終端点から前記開始点まで解くことによって軌道点の評価を最初に実行する手段と、
軌道を順方向に解くとともに解いた逆方向軌道を加える手段と、
を有し、速度を最終端点においてゼロにすることを特徴とする請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
モータトルク限界を有して前記関節アームを駆動するモータ手段をさらに有し、
軌道点を選択する手段は、前記モータトルク限界を越えるトルクを必要とする力学的状態の軌道点の選択を防止する手段をさらに有することを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２４】
基板処理ツールのモータ駆動関節アームの端部に摩擦タイプの基板ホルダが配置されて、前記ツールを最大の基板スループットで操作し、前記基板ホルダが開始端点から最終端点までの設定距離を基板を保持しながら移動するのに要する時間を最小とする方法であって、
アーム移動の軌道上の点の力学的状態を判別することによってアーム移動の軌道上の点を判別する判別行程を有し、
前記判別行程は、
前記基板と前記ホルダとの間の摩擦力を越えない最大加速度及び最大減速度の値を判別して記憶する第１行程と、
前記記憶された値に応じて、最大加速度が最大減速度よりも大なる場合は軌道上の点が有効力学的状態を有するという基準を使用して軌道上のかかる点を評価する第２行程と、
軌道上で評価がなされた点が有効力学的状態を有する場合に最大加速度が前記点に適用されるという第５行程に進む第３行程と、
軌道上で評価がなされた点が有効力学的状態を持たない場合は最大加速度が適用された最終点が見つかるまで見つかった状態に戻り、代わりに最大減速度を適用し、第６行程に進むことによって次の力学的状態を判別する第４行程と、
最大加速度を適用するとともに第６行程に進むことによって次の力学的状態を判別する第５行程と、
軌道の前記開始端点及び前記最終端点の一方を通過しない場合は第２行程に進むことによって次の力学的状態を判別し、前記一方を通過した場合は「ＥＮＤ」に進む第６行程と、
からなることを特徴とする方法。
【請求項２５】
第６行程の前記「ＥＮＤ」は、前記基板ホルダが前記開始端点及び前記最終端点の一方において静止しているという最終力学的状態を判別する行程を有することを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
任意の力学的状態におけるアームの端部の位置と速度と加速度との関係は、次式、すなわち
【式４】
0003690811.tif 000006
で表されることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
軌道上の点を判別する行程は、軌道を逆方向、すなわち最終端点から開始端点まで戻って解くことによって軌道点の評価を最初に実行する行程と、次に軌道を順方向に解き、逆方向軌道を加える工程とを有し、加速度及び減速度は、最終端点においてゼロであることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記アームは、モータトルク限界を有するモータによって駆動され、前記モータトルク限界を超えるトルクを必要とする最大加速度が適用される軌道点は無いことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、クラスタツールロボットなどの関節アーム移送装置に関し、特に摩擦保持基板によるロボット動作の間の移送時間を短縮する方法及び手段に関する。
【解決課題】
【０００３】
材料操作ロボット、例えばクラスタツールロボットは、処理中の半導体ウエハやフラットパネルディスプレイなどの製品を処理するために大気中や真空中のチャンバにおいて広く使用されている。これらのツールは、複数の伸長自在且つ収縮自在のアームが回転自在且つ移動自在に装着されたものからなり、各々が、アームの操作中に製品を支持するエンドエフェクタ（end effector）を有する。かかる装置の例が、米国特許第4,666,366号、第4,730,976号、第4,909,701号、第5,180,276号に開示されている。
【０００４】
保持され且つ操作される時にペイロードを固定する手段を提供する従来の産業ロボットとは異なり、クラスタツールロボットなどの基板操作ロボットは、大抵ロード、すなわち基板とエンドエフェクタとの間の摩擦を利用して基板をエフェクタに保持している。これは、上部または端部に機械的クランプによってペイロードを固定するという事実により、通常は、障害となり得る粒子の発生やコンタミネーションとなり、また基板の傷となる。大気ロボットにペイロードを固定する真空留め金を使用すると、上記問題を回避することはできるが、加速度が後述するように瞬間的に変化する場合は、他の制御問題が生じる。摩擦保持用途での問題は、ロードでの加速力がそれを保持する摩擦力を越えれば基板が摺動することであり、故に、ロボットの作業軌道におけるロボットアームの動作や移動時間が、この摩擦力の大きさによって制限される。従って、ロボットの移動時間を短縮することによって基板処理スループットを増大せしめることを試みるとき、エンドエフェクタでの基板の摺動を生成せしめずに、プロセスツールによる材料の移動に必要な複数の動作の間に、ロボットの速度をどれだけ増大せしめたりまたは最適化されるかを評価する時、問題が現れる。
【０００５】
大抵の既存の基板処理ロボットにおいては、「台形速度プロフィール（trapezoidal velocity profile）」として周知の方法が使用されて、その動作を確定する。この方法による問題は次の通りである。
１）  加速度及び速度は、運動に対して一定であるから、残りのプロフィールが最適ではないという事実にも拘わらず、プロフィールの任意の点で制約に違反することを防止するために加速度及び速度を下げる必要がある。
２）  加速度の突然の変化（速度の変更点）は、加速度を制限するシステムでの振動を誘起する。何となれば、基板が搬送されるとき、命令速度及び加速度は、振動により追加される加速度を考慮して低下させる必要があり、さらに基板が搬送されないときでも、命令された加速は、振動を制御するために使用される無駄なトルクを考慮して下げる必要がある。
【０００６】
「台形」アプローチの変形として、加速度の突然の変化を制御する「S字曲線軌道」アプローチがあり、これにより振動が減少する。しかし、「S字曲線軌道」アプローチは、「台形」アプローチと同様に、動作に対して最適な速度を維持せず、最終的に、時間をロスする。
【０００７】
移動時間を最小にする最適プロフィールに比較した「台形速度プロフィール」と「S字プロフィール」との例を図１に示す。図１は、ロボットアーム駆動モータでの命令速度に対する時間曲線の速度を示す。対応する時間に対する加速度の曲線を、基板での加速として図２に示す。変化点において、すなわち、速度傾斜変化において、過剰の振動が、突然の加速度変化により「台形」アプローチにおいて生じ得ることがわかる。これらの振動は、エンドエフェクタでの基板の位置を乱して、あるプロセスツールにおける基板配置誤差と基板損傷とを生ぜしむる。閉じた台形形状、すなわち、「Sカーブ」アルゴリズムは、変化の影響と振動とがほぼ無い状態で軌道を生成するが、S曲線軌道は、変化点での加速度の低下を生成し、これは、速度にロスを生じ、開始端点での開始から最終端点での停止までにおける全移動時間が最適でなくなる。
【０００８】
トルクが制限された産業ロボットに対する時間最適軌道を見つけるために使用されるアルゴリズムアプローチは、周知であり、本発明に引例として取り込まれているIEEEの論文の以下のシリーズに記載されている。
【０００９】
１）  K.G. シン（K.G. SHIN）等の「トルクの制約のある産業ロボットの最小時間軌道計画」IEEEトランザクション・自動制御、第AC３１巻、第６号、第４１２乃至第４１７頁、１９８６年６月
２）  F. フェイファー（F. PFEIFFER）等の「マニピュレータ軌道計画の概念」IEEEロボット及び自動化誌、第RA３巻、第３号、第１１５頁乃至第１２３頁、１９８７年４月
３）  J-J.E. スロッティン（J-J.E.SLOTINE）等の「時間最適パス追従アルゴリズムの効率の改善」IEEEトランザクション・ロボット及び自動制御、第５巻、第１号、第１１８乃至第１２４頁、１９８９年２月
４）  Z. シラー（Z. SHILLER）等の「パス制約時間最適動作のロボットの計算」IEEEトランザクション・ロボット及び自動制御、第１４４頁乃至第１４９頁、１９９０年
しかし、未変更のこのアルゴリズムアプローチを適用すると、命令加速度が突然変化するときに、ロボットアームの共振を生ぜしむることがあり、ペイロードや基板の加速を抑制せず、故に、基板処理ロボットに適用される場合、基板の摺動が生じる。基板に生じる加速度の成分は、制御不能な共振の発生及び命令された加速度に分けられるが、かかるアルゴリズムは、摺動を防止するための共振の制御方法に関する提案は行っていない。
【目的】
【００１０】
本発明の目的は、ロボットの移動時間を短縮することによって、クラスタツールロボットなどの基板処理ツールのスループットを増大せしめる方法及び手段を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、基板処理ツールのスループットを増やすために時間最適ロボットアーム軌道を作成する方法及び手段を提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、ペイロードや基板の支持に対する摺動を防止する基板処理ツールのスループットを増大せしめる時間最適ロボットアーム軌道を作成する方法及び手段を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、ロボットアームの振動を最小にして基板の有無に拘わらず時間を最小にする方法及び手段を提供することである。
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、トルクが制限された産業ロボットの時間最適軌道を見つけるために使用される上述の従来のアルゴリズムアプローチの適用を含み、２つのさらなる制約、すなわちロードにおける加速度とジャーク（加速度の変化の割合）との追加により適用アルゴリズムを変更することによって、改良された状態のクラスタツールロボットなどの基板処理ツールの動作を得る。クラスタツールロボットは、関節アームの端部に処理すべき基板を摩擦のみによって保持するエンドエフェクタを有するので、過剰の加速度は問題がある。本発明によって、制御不能な共振の発生を最小にすると共に摩擦力を越える加速の命令を回避することによって、移動時間を最小にするロボットアームの軌道を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ロボットアームの駆動モータでの命令速度の時間に対する速度曲線形式における移動時間を最小にする最適プロフィールと比較したときの「台形速度プロフィール」と「Sカーブプロフィール」とを示す図である。
【図２】図１の曲線に対応した基板の加速度の時間に対する加速度のプロフィールを示す
図である。
【図３】半導体ウェハを処理する時に６ステップ動作を伴うクラスタツールロボットの一実施例を示す図であり、このロボットのタイプに本発明が適用される。
【図４】本発明に応じてロボットアームを操作する軌道を見いだすために使用されるアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図５】１組の操作要素を示す構成図であり、これらは、本発明を実施するためにハードウェアまたはソフトウェアの形で実行されるものである。
【好ましい実施例の詳細な説明】
【００１６】
本発明は、有効な方法でクラスタツールロボットなどの基板処理ツールを操作する方法、すなわちアルゴリズムとその装置とを含む。本発明は、設定距離に対する平均速度を最大しながらも、エンドエフェクタとエフェクタに支持される基板との間の摩擦力を越える加速の命令と制御不能な共振の発生とを防止することによって、モータ駆動の関節アームがかかる距離を移動するのに要する時間を最小にするものである。
【００１７】
特別な説明として、図３は、半導体ウエハを処理するときに６ステップを伴うクラスタツールロボットの一例を示す。このロボットは、本発明が適用されるタイプのものである。ステップIにおいて、２はアームロボット１０は、プロセスモジュール１２で処理されるウエハAの設置を済ませたものであり、入力カセット１４から、一方のアームのエンドエフェクタ１０aにウエハBを得る。次に、ステップIIに示すように、ロボット１０は９０°回転して空のエンドエフェクタ１０bの向きをプロセスモジュール１２に対向させる。ステップIIIにおいて、ロボットは、プロセスモジュール１２から処理済みのウエハAをエンドエフェクタ１０bに移動させる。次に、ロボット１０は、１８０°回転され、プロセスモジュール１２と対向してウエハBを配置する。次に、ロボット１０は、処理のためにウエハBをプロセスモジュールに挿入し、続いて入力カセット１４に処理済みのウエハAを戻す位置に向けて９０°回転されて、１サイクルの動作を終了する。
【００１８】
操作サイクルでの運動は、駆動システム２０によって制御される。駆動システム２０は、ディジタル信号プロセッサと、本発明による時間最適軌道ソフトウェアとを有している。ソフトウェアは、特に、後述するように、特定の制約に従って軌道でロボットのアームセットを移動せしめる操作アルゴリズムを提供する。
【００１９】
ロボットアームはモータによって駆動される。なお、任意の時刻において、ロボットモータは、ある位置、速度、加速度、すなわち「力学的状態」にあることを理解すべきである。次の式は、任意の力学的状態のモータの位置、速度、加速度の適切な関係を定義する。
【式５】
0003690811.tif 000002
この式から、位置と、速度と、加速度と、時間とが互いに依存していることが明らかである。また、モータに関心が集まっているが、モータとロボットアームとの関係は、ロボットの分野において周知のように、運動方程式と逆運動方程式（inverse kinematic equation）とによって直接定義されるものである。モータ、そしてロボットアームがある距離を移動するために必要な時間は、この距離に対する平均速度を最大にすることによって最小になる。しかし、ロードすなわち基板での摩擦の必要条件を満たすために、速度及び加速度は、以下の制約によって制限されるべきである。
【００２０】
１．  ロードでの加速度−エンドエフェクタでサンプルや基板の摺動を生ぜしむるために必要な水平加速度は、エンドエフェクタと基板との間の静止摩擦係数に重力加速度を乗算したものに等しいことを示すことができる。
【００２１】
２．  ジャークレート、すなわち加速度の変化の割合−ジャークの制限は、ロボットアームセットにおける共振の発生の防止に役立つ。
【００２２】
さらに以下の制約を考慮しなければならない。
【００２３】
３．  モータトルク制限、すなわち、追従すべき軌道は、利用可能なトルクよりも多くのトルクを要求してはならない。
【００２４】
加速度の制約は、複雑且つ非線形であり、故に、アーム軌道に対する閉じた形態の解は、不可能でなくとも極端に難しい。しかし、力学的プログラミング法を使用し、試行錯誤や発見的学習法を使用することによって、時間最適軌道を見つけることができる。この方法は、軌道パスに沿った各箇所での速度を最大にすることによって、移動時間を最小にする。
【アルゴリズム】
【００２５】
改良された方法は、最初に軌道を逆方向に解明すること、すなわち最終位置や最終端点で始まって開始位置や開始端点に戻るパスにおいて解明するシステム及びアルゴリズムを含む。軌道パスは、記したように、基板の加速度と、ジャークレートと、モータのトルク制限とによって制約を受ける。しかし、これらの制約は、軌道の終了点、すなわち開始位置で速度をゼロにしない。
【００２６】
ひとたび逆方向の軌道が解明されると、軌道は順方向に解明される。次に、制約の表に逆方向の軌道を加えることによって、速度は、移動の終了点、すなわち最終位置でゼロにする。
【００２７】
図４のフローチャートに示すように、次のステップが軌道を見つけるために使用される。
【００２８】
ステップ１：制約に違反しない最大加速度の値（accMAX）と、制約に違反しない最大減速度の値（decMAX）とを判別して保存する。
【００２９】
ステップ２：保存した値に応じて、最大加速度が最大減速度よりも大きい場合、軌道上の点が有効な力学的状態にあるという基準を使用して、軌道上の点を評価する。
【００３０】
ステップ３：評価がなされた軌道上の点が有効力学的状態にあれば、ステップ５に進む。
【００３１】
ステップ４：評価がなされた軌道上の点が有効力学的状態でなければ、最大加速度が適用された最終点が見つかるまで見つかっている状態に戻る。次に、替わりに最大減速度を適用し、ステップ６に進むことによって次の力学的状態を判別する。
【００３２】
ステップ５：最大加速度を適用し、ステップ６に進むことによって次の力学的状態を判別する。
【００３３】
ステップ６：最大加速度または最大減速度が軌道に適用された後で、端点すなわち最終位置を通過していない場合、ステップ２に戻る。そうでなければ、ENDに進む。
【００３４】
このように、処理は、力学的状態から力学的状態に移動することによって軌道をプロットすることと、前述の制約に違反せずに平均速度を最大にする力学的状態を軌道の点として選択することとを含むことがわかる。加速度が、上記処理で使用されるが、速度に直接関係するので、速度への適切な変換は容易に行われる。
【システム】
【００３５】
１組の動作要素の構成を図５に示す。これらの動作要素は、ハードウェアやソフトウェアの形で実行され、さらに駆動システム２０に含まれている。第１要素２０１は、メモリを含み、上述の制約に違反しない最大加速度と、上述の制約に違反しない最大減速度とを判別して記憶するために使用される。第２要素２０２は、適切な論理回路を含み、記憶した値を使用して最大加速度が最大減速度よりも大なる場合に軌道の点が有効力学的状態を有するという基準を使用して、軌道のかかる点を評価し、評価の結果の表示信号を生成する。第３要素２０３は、論理回路を含み、評価表示信号に応答し、軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を有すれば第１信号を生成し、軌道上の評価がなされた点が有効力学的状態を持たなければ第２信号を生成する。第４要素２０４は、第１信号の生成に応答して、軌道プロット要素２０７に信号を送って評価がなされた点で最大加速度を適用し、さらに、開始信号を生成して第２信号２０２に次の力学的状態を評価せしめる。第５要素２０５は、要素２０７に信号を送り、第２信号の生成に応答して、最大加速度が適用された最終点が見つけられるまでに既に見つけられている状態にさかのぼり、替わりに最大減速度を適用し、開始信号を生成して第２要素２０２に次の力学的状態を評価させる。第６要素２０６は、カウンタを含み、力学的状態の評価を示す第２要素２０２の信号と要素２０７における点の値とに応答して、軌道の最終端点を通過していない場合に第２要素２０２に次の力学的状態の評価を許可するイネーブル信号を生成し、要素２０７において最終端点に到達したときに評価を回避するEND信号を生成する。適切な力学的状態の点を合成した結果は、ロボットアームのエンドエフェクタに保持された加工品や基板のロボットアームに対する移動を生ぜしむる加速を回避するロボットアームの時間最適軌道を提供する。
【００３６】
上記の加速問題の観点から、クラスタツールロボットなどの既存の基板処理ツールは、軌道の生成に対して、最適でない（sub-optimal）閉じた形状の台形またはS曲線アルゴリズムの使用を強いられていることが認められる。しかしながら、本発明は、発見的学習法または試行錯誤法によって時間最適軌道を生成することによって、この従来のロボット操作を改良するものである。これは、上述のIEEEの論文のアルゴリズムアプローチに対する改良である。何となれば、IEEEの論文のアルゴリズムアプローチは、ロードの加速やジャークを制限しないからである。これら追加制限の無い状態では、摩擦タイプの支持を使用して基板を扱うロボットにはうまく適用することができない。従って、基板処理、すなわちクラスタツールのスループットは、本発明を使用してロボットアームの移動時間を短縮することによって最大になる。
【００３７】
上記記載は、半導体ウエハの処理に関連するクラスタツールロボットの使用を含むが、他の加工品及び基板、例えばフラットパネルディスプレイを処理することもできる。また、クラスタツールロボットの他に、本発明は、例えばイオン注入装置などの他の処理ツールにも適用できる。本発明の実施は、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれか、またはその組み合わせの多くの形態を取り、ある用途に対する特定の形態は、上記記載に鑑みて当業者であれば容易に想到しうる範囲のものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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