(57)【要約】【課題】移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボットの動作が不安定となる事象の発生を抑制する。【解決手段】移動ロボット１は、移動ロボット１に電力を供給する電源供給部（燃料電池１２及び蓄電式電源１３）と、アクチュエータ１１ａ乃至ｃに対する駆動指令値に基づいて、移動ロボット１の動作に必要な電力の大きさを評価するためのパラメータを算出する所要電流算出部１４１と、算出されたパラメータに基づいて、電源供給部から移動ロボット１に供給される電力を変更する給電状態切替部１４２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動ロボットに電力供給を行う給電システムであって、
前記移動ロボットに電力を供給する電源供給部と、
前記移動ロボットが有する駆動部に対する駆動指令値に基づいて、前記移動ロボットの動作に必要な電力の大きさを評価するためのパラメータを算出する算出部と、
算出された前記パラメータに基づいて、前記電源供給部から前記移動ロボットに供給される電力を変更する給電状態切替部と、
を備える給電システム。
【請求項２】
前記電源供給部は、第１電源及び第２電源を有し、
前記給電状態切替部は、前記パラメータに基づいて、前記移動ロボットに対して前記第１電源及び前記第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態と、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態との間で給電状態の切り替えを行う、請求項１に記載の給電システム。
【請求項３】
前記第２電源は、放電及び充電が可能な蓄電式電源であって、
前記給電状態切替部は、前記パラメータに基づいて、前記第１の給電状態、前記第２の給電状態、及び、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態との間で給電状態の切り替えを行う、請求項２に記載の給電システム。
【請求項４】
前記給電状態切替部は、
前記パラメータが第１の閾値より大きい場合に前記第１の給電状態を選択し、
前記パラメータが、前記第１の閾値より小さく、かつ、前記第１の閾値より小さい第２の閾値より大きい場合に前記第２の給電状態を選択し、
前記パラメータが、前記第２の閾値より小さい場合に前記第３の給電状態を選択する、請求項３に記載の給電システム。
【請求項５】
前記パラメータは、前記移動ロボットの動作に必要とされる所要電力、所要電流又は所要電力量である、請求項１乃至４のいずれかに記載の給電システム。
【請求項６】
前記第１電源は、発電式電源であり、
前記算出部により算出されるパラメータは、前記移動ロボットの動作に必要とされる所要電力、所要電流、又は所要電力量であって、
前記給電状態切替部は、前記パラメータが前記第１電源により供給可能な電力、電流又は電力量を下回る場合に前記第２又は第３の給電状態を選択する、請求項３に記載の給電システム。
【請求項７】
前記第１電源は燃料電池である、請求項１乃至６のいずれかに記載の給電システム。
【請求項８】
移動ロボットに電力供給を行う給電システムの制御方法であって、
前記移動ロボットが有する駆動部に対する駆動指令値に基づいて、前記駆動部の動作に必要な電力の大きさを評価するためのパラメータを算出し、
前記パラメータが第１の閾値より大きい場合に、前記移動ロボットに対して第１電源及び第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態を選択し、
前記パラメタータが前記第１の閾値より小さい場合に、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態を選択する、給電システムの制御方法。
【請求項９】
前記第２電源は、放電及び充電が可能な蓄電式電源であって、
前記パラメータが、前記第１の閾値より小さく、かつ、前記第１の閾値より小さい第２の閾値より大きい場合に前記第２の給電状態を選択し、
前記パラメータが、前記第２の閾値より小さい場合に前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態を選択する、請求項８に記載の給電システム。
【請求項１０】
駆動部と、
前記駆動部に対して駆動指令値を出力するロボット制御部と、
第１電源と、
第２電源と、
前記駆動指令値に基づいて、前記駆動部の動作に必要な電力の大きさを評価するためのパラメータを算出する算出部と、
算出された前記パラメータに基づいて、前記駆動部に対して前記第１電源及び前記第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態と、前記駆動部に対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態とを切り替える給電状態切替部と、
を備える移動ロボット。
【請求項１１】
前記第２電源は、放電及び充電が可能な蓄電式電源であって、
前記給電状態切替部は、前記パラメータに基づいて、前記第１の給電状態、前記第２の給電状態、及び、前記駆動部に対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態の間で給電状態の切替を行う、請求項１０に記載の移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットに電力供給を行う給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動ロボットの高機能化が進展するとともに、移動ロボットに搭載される電子デバイスの数が増加している。また、移動ロボットに対する高速移動への要求が高まるにつれて、移動ロボットに搭載されるモータ等の駆動部の出力（仕事量）が増大している。これらにともなって、移動ロボットの消費電力は増大する傾向にある。その一方で、移動ロボットを長時間駆動させることも要求されている。このため、移動ロボットに対する電力供給源となる動作電源には、瞬間的な高出力（高電力）と、長時間の電力供給（高容量）の２つの性能を満足することが求められる。このため、移動ロボットの動作電源としては、リチウムイオン電池などの二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電式の電源だけでなく、燃料電池等の発電式の電源が用いられることが多い。例えば、特許文献１には、動作電源に燃料電池を用いた脚式移動ロボットが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３２０４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
小型の燃料電池を移動ロボットの動作電源とする場合、移動ロボットの消費電力が急激に増大した場合に、電源電圧の電圧降下が生じ、移動ロボットの動作が不安定になる可能性がある。なお、移動ロボットの消費電力の急激な変化によって移動ロボットの動作が不安定となる事象は、燃料電池を動作電源とする場合に限らず発生し得る。
【０００４】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、移動ロボットの消費電力の急激な変化によって移動ロボットの動作が不安定となることを抑制可能な給電システム、給電システムの制御方法、及び移動ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、移動ロボットに電力供給を行う給電システムである。当該給電システムは、前記移動ロボットに電力を供給する電源供給部と、前記移動ロボットが有する駆動部に対する駆動指令値に基づいて、前記移動ロボットの動作に必要な電力の大きさを評価するためのパラメータを算出する算出部と、算出された前記パラメータに基づいて、前記電源供給部から前記移動ロボットに供給される電力を変更する給電状態切替部とを有する。ここで、前記パラメータは、前記移動ロボットの動作に必要とされる所要電力、所要電流又は所要電力量等である。
【０００６】
このように、本発明の第１の態様にかかる給電システムは、移動ロボットの駆動部に対して出力される駆動指令値をもとに、移動ロボットの動作に必要とされる電力の大きさを評価し、その評価結果に応じて移動ロボットに対する供給電力を変更するものである。このため、モータ等の駆動部の出力、動作電源の出力電圧、又は出力電流の監視結果に応じて動作電源による供給電力を制御する場合に比べて、より早いタイミングにおいて移動ロボットの消費電力の増大を予測し、移動ロボットの消費電力の増大にいち早く対応して動作電源の供給電力を制御できる。したがって、移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボットの動作が不安定となる事象の発生を抑制することができる。
【０００７】
本発明の第２の態様にかかる給電システムは、上述した本発明の第１の態様にかかる給電システムにおいて、前記電源供給部が第１電源及び第２電源を有するよう構成され、前記給電状態切替部が、前記パラメータに基づいて、前記移動ロボットに対して前記第１電源及び前記第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態と、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態との間で給電状態の切り替えを行うよう構成されたものである。これにより、所要電流などのパラメータによる移動ロボットの負荷状態の予測結果に応じて、移動ロボット１に対する供給電力を速やかに切り替えることができる。
【０００８】
本発明の第３の態様にかかる給電システムは、上述した本発明の第２の態様にかかる給電システムにおいて、前記第２電源が放電及び充電が可能な蓄電式電源として構成され、前記給電状態切替部が、前記パラメータに基づいて、前記第１の給電状態、前記第２の給電状態、及び、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態との間で給電状態の切り替えを行うよう構成されたものである。これにより、所要電流などのパラメータによる移動ロボットの負荷状態の予測結果に応じて、蓄電式電源である第２電源を効率良く充電することができる。
【０００９】
本発明の第４の態様にかかる給電システムは、上述した本発明の第３の態様にかかる給電システムにおいて、前記給電状態切替部は、前記パラメータが第１の閾値より大きい場合に前記第１の給電状態を選択し、前記パラメータが、前記第１の閾値より小さく、かつ、前記第１の閾値より小さい第２の閾値より大きい場合に前記第２の給電状態を選択し、前記パラメータが、前記第２の閾値より小さい場合に前記第３の給電状態を選択するよう構成してもよい。このような構成により、簡便な閾値判定の結果に応じて、第１乃至第３の給電状態を切り替えることができる。
【００１０】
本発明の第５の態様にかかる方法は、移動ロボットに電力供給を行う給電システムの制御方法である。当該方法は、前記移動ロボットが有する駆動部に対する駆動指令値に基づいて、前記駆動部の動作に必要とされる電力の大きさを評価するためのパラメータを算出し、前記パラメータが第１の閾値より大きい場合に、前記移動ロボットに対して第１電源及び第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態を選択し、前記パラメタータが前記第１の閾値より小さい場合に、前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態を選択する。
【００１１】
このような方法により、モータ等の駆動部の出力、動作電源の出力電圧、又は出力電流の監視結果に応じて動作電源による供給電力を制御する場合に比べて、より早いタイミングにおいて移動ロボットの消費電力の増大を予測し、移動ロボットの消費電力の増大にいち早く対応して動作電源の供給電力を制御できる。したがって、移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボットの動作が不安定となる事象の発生を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様にかかる方法は、上述した本発明の第５の態様にかかる方法において、前記第２電源が放電及び充電が可能な蓄電式電源としたうえ、前記パラメータが、前記第１の閾値より小さく、かつ、前記第１の閾値より小さい第２の閾値より大きい場合に前記第２の給電状態を選択し、前記所要電力量又は前記所要電流量が、前記第２の閾値より小さい場合に前記移動ロボットに対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態を選択するものである。このような構成により、簡便な閾値判定の結果に応じて、第１乃至第３の給電状態を切り替えることができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる移動ロボットは、駆動部と、前記駆動部に対して駆動指令値を出力するロボット制御部と、第１電源と、第２電源と、前記駆動指令値に基づいて、前記駆動部の動作に必要とされる電力の大きさを評価するためのパラメータを算出する算出部と、算出された前記パラメータに基づいて、前記駆動部に対して前記第１電源及び前記第２の電源の両方により給電が行われる第１の給電状態と、前記駆動部に対して前記第１電源により電力供給するとともに前記第２電源を待機させる第２の給電状態とを切り替える給電状態切替部とを有する。
【００１４】
このような構成により、モータ等の駆動部の出力、動作電源の出力電圧、又は出力電流の監視結果に応じて動作電源による供給電力を制御する場合に比べて、より早いタイミングにおいて移動ロボットの消費電力の増大を予測し、移動ロボットの消費電力の増大にいち早く対応して動作電源の供給電力を制御できる。したがって、移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボットの動作が不安定となる事象の発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明の第８の態様にかかる移動ロボットは、上述した本発明の第７の態様にかかる移動ロボットにおいて、前記第２電源を、放電及び充電が可能な蓄電式電源としたうえ、前記給電状態切替部は、前記パラメータに基づいて、前記第１の給電状態、前記第２の給電状態、及び、前記駆動部に対して前記第１電源により電力供給が行行われるとともに、前記第１電源の供給電流によって前記第２電源が充電される第３の給電状態の間で給電状態の切替を行うよう構成される。このような構成により、簡便な閾値判定の結果に応じて、第１乃至第３の給電状態を切り替えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボットの動作が不安定となる事象の発生を抑制することが可能な給電システム、給電システムの制御方法、及び移動ロボットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態にかかる移動ロボット１の給電系を含む主要部分の構成を示している。図１において、ロボット制御部１０は、動作計画データに基づいて移動ロボット１が有するアクチュエータ１１ａ乃至ｃを駆動するための駆動指令値を算出し、算出した駆動指令値をアクチュエータ１１ａ乃至ｃに出力する。ここで、動作計画データは、移動ロボット１の目標ＺＭＰ（Zero-Moment Point）位置、目標重心位置、並びに、移動ロボット１が有するリンクの目標位置及び目標姿勢などを含む。動作計画データは、移動ロボット１に予め与えられるものでもよいし、移動ロボット１が有する視覚センサ（不図示）等による計測情報をもとに移動ロボット１において生成されるものでもよい。
【００１９】
より具体的に述べると、ロボット制御部１０は、入力された動作計画データを用いた逆運動学演算によってロボット１の各関節の目標関節角度を算出する。さらに、ロボット制御部１０は、算出された目標関節角度とエンコーダ（不図示）によって計測された現在の関節角度をもとに各関節を駆動するアクチュエータ１１ａ乃至ｃに対する駆動指令値を算出する。ロボット制御部１０によって算出された駆動指令値に従ってアクチュエータ１１ａ乃至ｃが動作することにより、移動ロボット１の歩行等の動作が行われる。
【００２０】
ロボット制御部１０により算出される駆動指令値は、移動ロボット１において採用される制御方式に応じて定めればよい。つまり、ロボット制御部１０により算出される駆動指令値は、例えば、トルク指令値、速度指令値、位置指令値等である。また、図１では、説明の簡略化のために３つのアクチュエータ１１ａ乃至ｃのみを示しているが、現実の移動ロボット１においては、より多くのアクチュエータが存在することはもちろんである。
【００２１】
燃料電池１２は、移動ロボット１が有するロボット制御部１０、アクチュエータ１１ａ乃至ｃ等に対して動作用の電力を供給する発電式の電源である。一方、蓄電式電源１３は、放電及び充電が可能な蓄電式の電源ある。蓄電式電源１３には例えば、リチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層キャパシタを利用可能である。
【００２２】
電源制御部１４は、ロボット制御部１０により算出される駆動指令値をもとに移動ロボットの負荷状態を推定し、この負荷状態の推定の結果に応じて燃料電池１２及び蓄電式電源１３による電力供給状態を切り替える。より具体的に述べると、本実施の形態にかかる電源制御部１４は、所要電流算出部１４１及び給電状態切替部１４２を有する。所要電流算出部１４１は、ロボット制御部１０により算出される駆動指令値をもとに、移動ロボットの動作に必要とされる所要電流Ｉｅを算出する。なお、所要電流Ｉｅの算出は、アクチュエータ１１ａ乃至ｃの移動ロボット１内での配置を考慮し、ロボット制御部１０により算出される駆動指令値がどのアクチュエータに対する駆動指令値であるかに応じて、電流値の演算に重み付けを行うとよい。例えば、移動ロボット１が脚式移動ロボットである場合は、脚部の各関節のピッチ軸を駆動するアクチュエータが特に高負荷になり、大きな動作電流を必要とする。このため、所要電流算出部１４１は、これらのピッチ軸を駆動するアクチュエータに対する駆動指令値に対して大きな重み係数を乗算して所要電流Ｉｅを算出すればよい。
【００２３】
給電状態切替部１４２は、所要電流算出部１４１により算出された所要電流Ｉｅの大きさに応じて、燃料電池１２及び蓄電式電源１３による電力供給状態を切り替える。具体的には、所要電流Ｉｅを２つの閾値Ｔｈ１及びＴｈ２（Ｔｈ１＞Ｔｈ２とする）と比較し、その比較結果に応じて、図２に示すように、３つの給電状態の間で切り替えを行う。
【００２４】
図２に示す３つの給電状態のうち第１給電状態は、所要電流Ｉｅの大きさが閾値Ｔｈ１以上である場合に選択される状態である。つまり、第１給電状態は、移動ロボット１の動作に必要とされる電力が燃料電池１２の供給可能な電力より大きく、移動ロボット１が高負荷状態と推定される場合に選択される。このような第１給電状態では、燃料電池１２及び蓄電式電源１３の両方から移動ロボット１内の各ユニットへの給電が行われ、ロボット制御部１０及びアクチュエータ１１ａ乃至ｃなどの各ユニットは、燃料電池１２及び蓄電式電源１３の両方から供給される電流によって動作する。
【００２５】
次に、図２に示す第２給電状態は、所要電流Ｉｅの大きさが閾値Ｔｈ１より小さく、かつ閾値Ｔｈ２以上である場合に選択される状態である。つまり、第２給電状態は、移動ロボット１の動作に必要とされる電力が燃料電池１２によって供給可能であり、移動ロボット１が通常負荷状態と推定される場合に選択される。第２給電状態では、燃料電池１２から移動ロボット１内の各ユニットへの給電が行われ、蓄電式電源１３はアクチュエータ１１ａ乃至ｃ等に電力供給を行わない待機状態となる。
【００２６】
さらに、図２に示す第３給電状態は、所要電流Ｉｅの大きさが閾値Ｔｈ２より小さい場合に選択される状態である。つまり、第３給電状態は、移動ロボット１の動作に必要とされる電力が燃料電池１２の供給可能な電力より十分に小さい低負荷状態であり、燃料電池１２から供給される電流によって移動ロボット１の動作及び蓄電式電源１３の充電が可能と推定される場合に選択される。第３給電状態では、燃料電池１２から移動ロボット１内の各ユニットへの給電が行われるとともに、燃料電池１２の供給電流により蓄電式電源１３が充電される。
【００２７】
続いて、電源制御部１４に行われる処理を図３のフローチャートを参照して詳細に説明する。まず、ステップＳ１０１では、ロボット制御部１０から出力される駆動指令値が所要電流算出部１４１に入力される。ステップＳ１０２では、所要電流算出部１４１により所要電流Ｉｅが算出される。ステップＳ１０３乃至Ｓ１０６では、所要電流Ｉｅと閾値Ｔｈ１及びＴｈ２との比較結果に応じて、第１乃至第３給電状態のいずれかが選択される。
【００２８】
なお、図２及び３において、所要電流Ｉｅと閾値Ｔｈ１が等しい場合に第１給電状態を選択することとしたが、第２給電状態を選択してもよい。また、所要電流Ｉｅと閾値Ｔｈ２が等しい場合に第２給電状態を選択することとしたが、第３給電状態を選択してもよい。
【００２９】
上述したように、本実施の形態にかかる移動ロボット１は、アクチュエータ１１ａ乃至ｃに対して出力される駆動指令値をもとに、移動ロボット１の動作に必要とされる所要電流Ｉｅを算出し、その算出結果に応じて移動ロボットに対する供給電力の大きさを切り替えることとした。このため、アクチュエータ１１ａ乃至ｃの出力の監視結果、燃料電池１２及び蓄電式電源１３の出力電圧又は出力電流の監視結果などに応じて、動作電源（燃料電池１２及び蓄電式電源１３）の供給電力を制御する場合に比べて、より早いタイミングにおいて移動ロボット１の消費電力の増大を予測できる。したがって、移動ロボット１の消費電力の増大にいち早く対応して動作電源（燃料電池１２及び蓄電式電源１３）の供給電力を制御でき、移動ロボットの消費電力の急激な変化により移動ロボット１の動作が不安定となることを抑制することができる。
【００３０】
なお、上述した本発明の実施の形態において、電源制御部１４により算出されるパラメータは所要電流値ではなく、所要電力、所要電力量など、又はこれらの組合せとしてもよい。つまり、電源制御部１４により算出されるパラメータは、移動ロボット１の動作に必要とされる電力の大きさを評価可能なパラメータであればよい。
【００３１】
また、上述した本発明の実施の形態では、移動ロボット１に電力を供給し、かつ蓄電式電源１３を充電する電流を供給するための第１の電源として燃料電池１２を利用している。しかしながら、燃料電池１２の代わりにガスタービン発電機など内燃機関を利用した他の発電式電源を第１の電源として用いてもよい。
【００３２】
上述した本発明の実施の形態にかかる移動ロボット１は、第２の電源として蓄電式電源１３を利用している。しかしながら、第２電源は充電が不要又は不可能な電源としてもよい。この場合、給電状態切替部１４２による第３給電状態への切り替えは行わなくてもよい。
【００３３】
上述した本発明の実施の形態にかかる移動ロボット１は、２つの電源（燃料電池１２及び蓄電式電源１３）を用いた給電状態の切り替えに限らず、３つ以上の電源の組合せによって給電状態の切り替えを行ってもよい。また、移動ロボット１は、１つの電源の供給電力を、駆動指令値を用いて算出した所要電流などのパラメータの大きさに応じて変更するよう構成してもよい。
【００３４】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる移動ロボットの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる移動ロボットにおける複数の給電状態の間の遷移条件を示す状態遷移図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる移動ロボットが有する電源制御部の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１  移動ロボット
１０  ロボット制御部
１１ａ〜ｃ  アクチュエータ
１２  燃料電池
１３  蓄電式電源
１４  電源制御部
１４１  所要電流算出部
１４２  給電状態切替部
【図１】
2008160994.tif 000003
【図２】
2008160994.tif 000004
【図３】
2008160994.tif 000005