(57)【要約】      （修正有）【課題】搭載する２次バッテリ電池が消耗しても、わざわざ充電するために充電ステーションに戻る必要もなく、充電ステーションが不要になるとともに、充電時間にロボットが使用できないといった問題も軽減され、長時間の無充電稼動できる個人利用向けロボットを提供する。【解決手段】ロボット内蔵の充放電可能な２次バッテリ電池と共に、前記２次電池に対して充電が可能な燃料電池、および充電回路をロボット本体内に補助バッテリとして有することで燃料電池の発電作用が保持されて前記２次電池への充電が維持できるように構成して、２次電池と燃料電池を併用して利用するよう構成した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵するアクチュエータ及びロボットコントローラの駆動用電源となる充放電可能な２次電池と、この２次電池への充電が可能で液体燃料が収納されたタンクを有する燃料電池と、この燃料電池から前記２次電池への充電を行う充電回路とを有し、前記燃料電池に対する充電指令ＯＮ状態では、前記２次電池に対して過充電検知信号が作用するまで、随時、前記燃料電池から前記２次電池に充電が行われ、且つ前記タンク内の前記液体燃料の容量を検出する手段を有し、前記容量が少なくなれば、それを通知すると共に、前記液体燃料を適宜、補充・追加することで前記燃料電池の発電作用が保持されて前記２次電池への充電が維持できるように構成した事を特徴とするバッテリ搭載ロボット。
【請求項２】
前記２次電池が、少なくともその出力電圧値及び／又はバッテリ温度を検出する手段を有し、バッテリ残量に相当する検出した前記出力電圧値が所定レベル以下に下がると動作する過放電検知信号が作用した場合、前記燃料電池に対する充電指令ＯＦＦ状態であっても前記燃料電池から前記２次電池に、過充電検知信号が作用するまで充電が行われる様に前記充電回路が動作することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ搭載ロボット。
【請求項３】
前記バッテリ搭載ロボットは、個人利用向けロボットであり、移動動作や人へのサービス提供機能などロボット実働稼働状態にあるか、あるいは必要最小限のコントローラのみ働かせた待機スリープ状態にあるかを監視する手段を有し、稼働状態から待機スリープ状態に移って一定時間以上たつと前記燃料電池から前記２次電池側へ過充電検知信号が作用するまで充電が自動的に行われるように充電回路を含めて２次電池と燃料電池を併用するよう構成したことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ搭載ロボット。
【請求項４】
前記個人利用向けロボットおいて、内蔵した充放電可能な２次バッテリ電池に対して、バッテリ容量減少時や、あるいは稼働待機時には、前記２次電池への充電が可能な充電ステーションに自律的に戻るか、人が戻してやることで、接続プラグを介し接続することで充電が行えるよう充電回路を含めて構成すると共に、一方で、前記２次電池へ充電用としてモジュール的に前記接続プラグを利用して燃料電池をロボットに装着することで、その装着を検出する検知部からの信号により、前記燃料電池装着時には前記充電ステーションを利用しなくても、前記燃料電池から前記２次電池に過充電検知信号が作用するまで充電が自動的に行われるよう構成した充電回路をロボット本体内に有して、充電ステーションと燃料電池の併用を可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ搭載ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭内あるいは公共施設内において、一般ユーザーに各種サービスを提供する機能を持つ個人利用向けロボットに係り、特に、ロボットに内蔵搭載した２次電池への充電手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここ近年は、オフィスや病院等の一般公共施設内、さらには家庭内にも個人利用用途でロボットが入るようになってきた。一般家庭内に入ったロボットの代表としては、ソニー株式会社が開発したペットを模擬したペットロボットＡＩＢＯ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐ．ａｉｂｏ．ｃｏｍ／）や、家庭用パーソナルコンピュータ同様に電子メールやインターネット情報の検索、家電製品のリモコン操作などの機能を有したロボット（例えば、日本電気株式会社のＰａＰｅＲｏ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｃｘ．ｎｅｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｏｂｏｔ／））、あるいは家庭内の巡回監視の機能を持つ移動ロボットなど各種開発され発表されている。この場合、これらロボットの駆動用電源としては、一般に充放電が可能な２次バッテリ電池を内蔵して利用するものが多く、搭載するバッテリが消耗したり、あるいは作業等を行わない待機時には、この２次バッテリ電池への充電を目的とした充電ステーションに、何らかの方法で戻るか、人がセットしてやることで、接続プラグを介して充電ステーション側に装着して充電を行うことが行われていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１２５６４１公報
【特許文献２】
特開２００２−３２５７０７公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの場合、ロボットがユーザから与えられた指示で作業中であっても搭載する２次バッテリ電池の容量が消耗したときは作業続行が不可能となり、搭載する２次電池を充電するために専用の充電ステーションに何らかの方法によって戻り、ドッキング装着して充電を行う必要があった。あるいはまた、作業等を行わない待機時間中には、次の稼働に備えて、常に搭載したバッテリの容量を満たすため充電ステーションに戻す必要もあった。これは一定時間毎に室内を巡回監視するようプログラム指示した場合にも、必ず一旦は充電ステーションに戻ってバッテリに充電することとなり、
その時間帯は監視が出来ないなど稼働効率の点からもよいとは言えず、不便であった。
【０００５】
また、ロボット搭載の機能を利用するためロボットを屋外に持ち出したりした場合には、充電ステーションも一緒に持っていく必要があったり、場合によっては屋外では充電ステーションが使用できないことも充分に想定され、ロボットが利用できなくなったり、あるいは取り替えようの２次バッテリ電池を別途用意しておくなど利用上も不便であった。このことは、停電時や何かの災害が発生して一般家庭内のコンセントから電気が使用できないときにも当てはまることである。
この発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、搭載する２次バッテリ電池が消耗しても、わざわざ充電するために充電ステーションに戻る必要もなく、充電ステーションが不要になるとともに、充電時間にロボットが使用できないといった問題も軽減され、長時間の無充電稼働できる個人利用向けロボットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明によれば、前記ロボット内蔵の充放電可能な２次バッテリ電池と共に、前記２次電池に対して充電が可能な燃料電池、および充電回路をロボット本体内に補助バッテリとして有し、前記燃料電池に対する充電指令ＯＮ状態では、前記２次電池に対して過充電検知信号が作用するまで、随時、前記燃料電池から前記２次電池に充電が行われ、さらには前記燃料電池には燃料となるメタノール等のタンク内容量を検出する手段を有し、容量が少なくなれば、それを通知すると共に燃料を適宜、補充することで燃料電池の発電作用が保たれて前記２次電池への充電が維持できるように構成して、２次電池と燃料電池を併用可能とした手段を有する。
【０００７】
また、この発明によれば、前記２次バッテリ電池において、その出力電圧値やバッテリ温度などバッテリ状態検出手段を有し、バッテリ残量に相当する検出した出力電圧値が一定レベル以下に下がると働く過放電検知信号が作用すれば、前記燃料電池に対する充電指令ＯＦＦ状態であっても自動的に前記燃料電池から前記２次電池側に、過充電検知信号が作用するまで充電が行われるよう充電回路を含めて２次電池と燃料電池を併用する手段を有する。
【０００８】
また、この発明によれば、前記個人利用向けロボットおいて、移動動作や人へのサービス提供機能などロボット実働稼働状態にあるか、あるいは必要最小限のコントローラのみ働かせた待機スリープ状態にあるかを監視する手段を有し、稼働状態から待機スリープ状態に移って一定時間以上たつと前記燃料電池から前記２次電池側へ過充電検知信号が作用するまで充電が自動的に行われるように充電回路を含めて２次電池と燃料電池を併用するよう構成した手段を有する。
【０００９】
さらに、この発明によれば、前記個人利用向けロボットおいて、内蔵した充放電可能な２次バッテリ電池に対して、バッテリ容量減少時や、あるいは稼働待機時には、前記２次電池への充電が可能な充電ステーションに自律的に戻るか、人が戻してやることで、接続プラグを介し接続することで充電が行えるよう充電回路を含めて構成すると共に、一方で、前記２次電池へ充電用としてモジュール的に前記接続プラグを利用して燃料電池をロボットに装着することで、その装着を検出する検知部からの信号により、前記燃料電池装着時には前記充電ステーションを利用しなくても、前記燃料電池から前記２次電池に過充電検知信号が作用するまで充電が自動的に行われるよう構成した充電回路をロボット本体内に有して、充電ステーションと燃料電池との併用を可能にする手段を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るバッテリ搭載ロボットにおける実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るバッテリ搭載ロボットの本体外観イメージ図の一例である。本ロボットの基本構成は、頭部にカメラ１、スピーカー２、マイク３を装備した雲台４を持ち、胴体部にアーム５やディスプレイ６、通信装置１２を装備し、その内部に制御装置７、駆動用主電源の２次バッテリ電池８、および補助バッテリとして燃料電池９を搭載したロボット本体１０、および本体下部に設けられた移動機構１１を備えた形態となっている。
【００１２】
図２は、本発明に係るバッテリ搭載ロボット本体内部の制御装置７、バッテリ電池８、９の全体構成を示すブロック図である。同図において、制御装置７は、ロボット全体を管理・運動制御を行うＣＰＵボードからなる演算処理装置１３、スピーカ２、マイク３はじめ、装備した機構部からのセンサ入出力を行うインタフェースボード１４、搭載したアーム５及び移動機構１１を駆動させるサーボモータ１６およびそのモータドライバ１５、さらに電源管理用マイコンボード１７から構成される。この制御装置７に所定の電圧を供給する主電源として、充放電が可能な２次バッテリ電池８がＤＣ−ＤＣコンバータを介し利用される。２次バッテリ電池８には、例えば、モータ駆動など高出力にも対応出来るリチウムイオン電池が用いられ、過充電や過放電に対処した保護回路およびその出力電圧値やバッテリ温度など状態監視回路２１が設けられて、状態監視信号２５が制御装置内の電源管理用マイコン１７で制御される。この２次電池８に対し、補助バッテリとして燃料電池９が充電制御回路１９を介して接続される。燃料電池９には、例えば、高濃度メタノールを燃料電池の濃度として最適な３〜６％に希釈して循環させるシステムを組み込み小形化した、メタノール型燃料電池が用いられ、燃料であるメタノールを注入する容量検出通知機能を持ったタンク２２、この燃料を利用して化学反応で発電作用を行わせる発電装置部２４、およびその状態を監視制御する回路部２３から構成され、電源管理用マイコン１７で発電動作の制御や状態監視２７が行われる。
【００１３】
ロボットでは、移動動作やＣＰＵへの負荷が多くかかる作業を行う場合に、大電流が必要となるが、小さな電流しか必要としない時間も多くある。大電流がかかると燃料電池９の電圧レベルが低下する性質を使うことで、大電流必要時はメインの２次バッテリ電池８が使用され、燃料電池９は常に２次バッテリ側に瞬時の電気容量は少なくても充電制御回路１９を介して充電供給し続けて、メインの２次バッテリ容量の消費を補うことで併用が可能となる。これにより、充電動作制御信号２６により充電指令ＯＮ状態では、２次バッテリ電池８に対して過充電検知信号２５が作用するまで、随時、燃料電池から２次電池に充電が行われる。充電制御回路１９は、定電流定電圧充電が行えるよう回路構成されており、場合によっては昇圧回路２０も含んでいる。
【００１４】
図３は、２次バッテリ電池８に燃料電池９から充電制御回路９を介して充電動作を行わせる処理手順の一例を示したものである。同図において、２次電池はバッテリ容量監視が行われており、バッテリ残量に相当する出力電圧値が設定レベル以下になれば、過放電検知信号２５が働き、充電動作制御信号が作用して充電指令ＯＦＦ状態にあっても燃料電池９から充電動作が開始されて、２次電池側の過充電検知信号２５が働くまで充電が行われる。この際に、燃料電池側では燃料の残量チェックが行われ、少なくなると補充通知信号が働く。
【００１５】
図４はこの発明に係る、バッテリ搭載ロボットの稼働状態に対応して充電動作を行わせる処理手順の一例を示したフローチャートである。ロボットが移動動作中や人へサービス提供中など実働稼働状態にあるか、あるいは必要最小限に特定のセンサのみを働かせるなどの待機スリープ状態にあるかが検知出来るよう制御装置７内でプログラム構成されており、実稼働状態から待機スリープ状態に移行して一定設定時間以上たてば、燃料電池９から２次バッテリ電池８側へ充電動作制御信号が作用して充電指令ＯＦＦ状態にあっても充電動作が開始されて、２次電池側の過充電検知信号２５が働くまで充電が行われる。この際にも、燃料電池側では燃料の残量チェックが行われ、少なくなると補充通知信号が働く。
【００１６】
図５はこの発明に係る、第２の形態によるバッテリ搭載ロボットの制御装置、およびバッテリの全体構成を示すブロック図である。同図において、２次バッテリ電池８に対して、バッテリ容量減少時や稼働待機時に、２次電池への充電が可能な充電ステーション３２が用意されており、この充電ステーション利用可能環境化では、ロボットが充電ステーション３２に自律的に戻れるようプログラム制御されるか、あるいは、人が戻してセットしてやることで、接続プラグ３０を介して２次バッテリ電池８に充電が行えるよう充電制御回路１９’が構成される。さらに、充電ステーション３２の代わりに接続プラグ３０を利用してモジュール的に取付け可能な燃料電池９をロボットに装着すると、その装着を検出する検知部３１が働いて電源管理用マイコン１７からの制御で、充電制御回路１９’内で切り替えが行われ、燃料電池９側から２次バッテリ電池への充電が可能となる。このように、２次電池に対して必要に応じて充電ステーション３２と燃料電池９の併用が出来るよう構成される。
【００１７】
例えば、本発明に使用するメタノール型燃料電池の仕様の一例として、平均１２Ｗ、最大２０Ｗの出力で、燃料タンク容量１００ｍｌとすると、タンクに満充填した高濃度メタノールで約１０時間の動作が可能となる。この場合に、家庭内でロボットを１日３時間巡回監視など実稼働で使用したとして、作業時平均４０Ｗ、待ち受け待機時には数Ｗとすると、１８０ＷＨ／日（１２６０ＷＨ／週）程度の電源容量が必要になるが、トータルで１０００ｍｌの高濃度メタノールを用意すれば、１週間ロボットを使用できることとなる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のバッテリ搭載ロボットによれば、搭載する２次バッテリ電池が消耗しても、わざわざ充電するために充電ステーションに戻る必要もなく、充電ステーションが不要になるとともに、充電時間にロボットが使用できないといった問題も軽減され、長時間の無充電稼働できる個人利用向けロボットを提供することができる。また、ロボット搭載の機能を利用するためロボットを屋外に持ち出した場合や、停電時や何かの災害が発生して一般家庭内のコンセントから電気が使用できないときにも、充電ステーションの必要が無く長時間の利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る、バッテリ搭載ロボットの本体外観イメージ図。
【図２】この発明に係る、バッテリ搭載ロボットの制御装置、およびバッテリの全体構成を示すブロック図。
【図３】この発明に係る、バッテリ搭載ロボットの充電動作の処理手順の一例を示すフローチャート図。
【図４】この発明に係る、バッテリ搭載ロボットの稼働状態に対応した充電動作を示すフローチャート図。
【図５】この発明に係る、第２の形態によるバッテリ搭載ロボットの制御装置、およびバッテリの全体構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１・・・カメラ
２・・・スピーカー
３・・・マイク
４・・・雲台
５・・・アーム
６・・・ディスプレイ
７・・・制御装置
８・・・２次バッテリ電池
９・・・燃料電池
１０・・・ロボット本体
１１・・・移動機構
１２・・・通信装置
１３・・・演算処理装置
１４・・・センサ用インタフェースボード
１５・・・モータドライバ
１６・・・サーボモータ
１７・・・電源管理用マイコンボード
１８・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ
１９、１９’・・・充電制御回路
２０・・・昇圧回路
２１・・・保護回路・状態監視回路
２２・・・燃料タンク
２３・・・状態監視回路
２４・・・発電装置
２６・・・充電動作制御信号
２７・・・発電動作制御・状態モニタ信号
３０・・・接続プラグ
３１・・・装着検知部
３２・・・充電ステーション
【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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