(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚式移動ロボットの作動を制御する作動制御手段と、該脚式移動ロボットの作動用電源として使用され充放電可能な蓄電手段と、燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料電池を起動させる燃料電池起動手段と、該燃料電池の出力から充電用電流を生成し、該充電用電流により前記蓄電手段を充電する充電手段とを備え、
前記燃料電池起動手段は、前記蓄電手段の出力電力により前記燃料電池を起動させ、前記作動制御手段は、前記燃料電池の作動を停止して前記脚式移動ロボットの作動を終了する際に、前記充電手段により、前記蓄電手段が該蓄電手段の最大定格電圧付近に設定された基準電圧まで充電された後に、該蓄電手段から前記脚式移動ロボットへの作動用電力の供給を停止することを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記蓄電手段はコンデンサであることを特徴とする請求項１記載の脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、燃料電池の出力により充電される蓄電手段を作動用電源とする脚式移動ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤とする燃料電池を起動させるためには、該燃料電池に空気を供給するためのコンプレッサや、該燃料電池の作動を制御するコントローラ等を作動させるための電力が必要となる。そのため、燃料電池を脚式移動ロボットの作動用電源として使用するときには、燃料電池を起動させるための電力を供給する補助電源を設ける必要がある。
【０００３】
そして、脚式移動ロボットに安定した電力供給を行うために、燃料電池の出力によりリチウムイオン電池等の２次電池や、コンデンサなどの蓄電手段を充電し、該蓄電手段から脚式移動ロボットへの電源供給を行うようにしたときには、該蓄電手段を前記補助電源に流用し、該蓄電手段の出力電力によって、コンプレッサやコントローラを作動させて燃料電池を起動させることが考えられる。
【０００４】
しかし、蓄電手段の残充電量は、脚式移動ロボットの作動状況に応じて変化する。そのため、早足歩行のような消費電力の大きい作動を行った直後に、脚式移動ロボットの作動を終了し、それに応じて燃料電池の作動が停止されたときには、蓄電手段の残充電量が少ない状態となる。
【０００５】
そして、蓄電手段の残充電量は自然放電によっても徐々に減少する。そのため、蓄電手段を燃料電池起動用の補助電源に流用したときには、脚式移動ロボットの作動を再開するときに、蓄電手段からコンプレッサやコントローラに供給される電力が不足して、燃料電池を再起動することができない場合があるという不都合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解消し、燃料電池の再起動が不能となることを防止して、該燃料電池の出力電力により充電される蓄電手段を該燃料電池の起動用の補助電源とした脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、脚式移動ロボットの作動を制御する作動制御手段と、該脚式移動ロボットの作動用電源として使用され充放電可能な蓄電手段と、燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料電池を起動させる燃料電池起動手段と、該燃料電池の出力から充電用電流を生成し、該充電用電流により前記蓄電手段を充電する充電手段とを備え、前記燃料電池起動手段は、前記蓄電手段の出力電力により前記燃料電池を起動させ、前記作動制御手段は、前記燃料電池の作動を停止して前記脚式移動ロボットの作動を終了する際に、前記充電手段により、前記蓄電手段が該蓄電手段の最大定格電圧付近に設定された基準電圧まで充電された後に、該蓄電手段から前記脚式移動ロボットへの作動用電力の供給を停止することを特徴とする。
【０００８】
かかる本発明によれば、前記作動制御手段は、前記蓄電手段が該蓄電手段の最大定格電圧付近に設定した前記基準電圧まで充電されてから、該蓄電手段から前記脚式移動ロボットへの作動用電力の供給を停止する。これにより、前記燃料電池の作動を停止したときには、前記蓄電手段は満充電状態となる。そのため、前記燃料電池を再起動するまでに、自然放電によって前記蓄電手段の残充電量が減少し、前記蓄電手段から前記燃料電池起動手段への電力供給が不足して、前記燃料電池の再起動が不能となることを防止することができる。
【０００９】
また、前記蓄電手段はコンデンサであることを特徴とする。リチウムイオン電池等の二次電池と比較すると、コンデンサは自然放電速度が速い。そのため、本発明の適用が特に有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例を、図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明の脚式移動ロボットの制御ブロック図。図２は図１に示した燃料電池ユニットの構成図。図３は図１に示した電気二重層コンデンサの出力電圧の推移説明図である。
【００１１】
図１を参照して、本発明の脚式移動ロボットは、燃料電池ユニット１、燃料電池ユニット１に備えた燃料電池の出力電力から充電用電流を生成する充電回路２（本発明の充電手段に相当する）、脚式移動ロボットの作動用電源であり、該充電用電流により充電される電気二重層コンデンサ３（本発明の蓄電手段に相当する）、電気二重層コンデンサ３の出力電力により作動する本体コントローラ４（本発明の作動制御手段に相当する）、電気二重層コンデンサ３の出力電力により作動するアクチュエータ５（モータ等）、及び電気二重層コンデンサ３の出力電圧を検出する電圧センサ６を備える。
【００１２】
充電回路２は、電圧センサ６によって検出される電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC が、所定の充電基準電圧Ｖa （例えば１３６Ｖ）と一致するように、電気二重層コンデンサ３に供給する充電用電流の大きさを制御する。
【００１３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８（本発明の燃料電池起動手段に相当する）は、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC を燃料電池ユニット１の作動用電圧ＶE （例えば１８Ｖ）に降圧して燃料電池ユニット１に供給し、燃料ボンベ９（本発明の燃料供給手段に相当する）は、燃料電池１の燃料である水素を保持して燃料電池１に供給する。
【００１４】
次に、図１に示した制御ブロックの作動手順について説明する。脚式移動ロボットは、メインスイッチ１０が閉操作されることで作動を開始する。メインスイッチ１０が導通することで、電気二重層コンデンサ３からＤＣ／ＤＣコンバータ８への電力供給が開始されて燃料電池ユニット１が作動を開始する。燃料電池ユニット１に備えられた燃料電池コントローラ１１は、燃料電池ユニット１の出力が最大定格の例えば２０％程度まで上昇したときに、第１サブスイッチ１２を閉成して本体コントローラ４を作動させ、燃料電池の出力が最大定格の例えば６０％程度まで上昇したときに、第２サブスイッチ１３を閉成じてアクチュエータ５への電力供給を開始する。
【００１５】
本体コントローラ４は、アクチュエータ５の作動を制御することで、脚式移動ロボットの歩行動作等を実行する。また、本体コントローラ４と燃料電池コントローラ１１とは、互いに通信可能に接続され、燃料電池コントローラ１１から本体コントローラ４には、燃料電池１の作動状況信号等が送信され、本体コントローラ４から燃料電池コントローラ１１には、燃料電池１に対する作動制御信号等が送信される。
【００１６】
次に、図２を参照して、燃料電池ユニット１は、水素と空気中の酸素との化学反応により電力を発生させる燃料電池２０と、燃料電池コントローラ１１からの制御信号により作動が制御されて燃料電池２０に空気を供給するコンプレッサ２１と、燃料電池２０への水素の供給圧を一定に保つ定圧レギュレータ２２と、燃料電池コントローラ１１からの制御信号により開閉制御される第１開閉弁２３と、燃料電池コントローラ１１からの制御信号により作動が制御されて化学反応に伴って燃料電池２０で発生する熱を冷却する冷却ファン２４とを備える。
【００１７】
第２開閉弁２５は燃料ボンベ９の交換用に設けられた手動開閉弁であり、第１開閉弁２３が閉弁されているときに、交換作業者が第２開閉弁２５を閉弁してコネクタ２６を外すことで、容易に使用済みの燃料ボンベ９を燃料ユニット１から取り外すことができる。
【００１８】
燃料電池ユニット１は、燃料電池コントローラ１１によりその作動が制御される。燃料電池コントローラ１１は、電気二重層コンデンサ３からＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して供給される電力により作動を開始すると、コンプレッサ２１を起動して燃料電池２０への空気の供給を開始し、また、第１開閉弁２３を開弁して燃料電池２０への水素の供給を開始して、燃料電池２０での化学反応を開始させる。
【００１９】
このように、燃料電池２０での化学反応を開始させて燃料電池２０を起動させるためには、燃料電池コントローラ１１と、コンプレッサ２１と、第１開閉弁２３とが正常動作できるレベルの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ８から供給されるように、電気二重層コンデンサ３からＤＣ／ＤＣコンバータ８への供給電圧を一定レベル（以下、最低起動電圧Ｖmin という）以上に確保する必要がある。
【００２０】
尚、燃料電池２０の作動の停止は、図１を参照して、本体コントローラ４から燃料電池コントローラ１１への作動停止信号の送信により行われる。燃料電池コントローラ１１は、本体コントローラ４から作動停止信号を受信すると、図２を参照して、コンプレッサ２１の作動を停止し、第１開閉弁２３を閉弁して燃料電池２０の作動を停止する。そして、燃料電池の出力が所定レベルまで低下した時に、燃料電池コントローラ１１は本体コントローラ４に、燃料電池２０が停止状態となったことを知らせる燃料電池停止信号を送信する。
【００２１】
本体コントローラ４は、この燃料電池停止信号の受信に応じて、メインスイッチ１０を開成する。これにより、電気二重層コンデンサ３からＤＣ／ＤＣコンバータ８への出力電圧が遮断され、ＤＣ／ＤＣコンバータ８から燃料電池ユニット１への電力供給も遮断される。そのため、燃料電池コントローラ１１が作動を停止し、該停止に応じて第１サブスイッチ１２と第２サブスイッチ１３とが開成されて、本体コントローラ４とアクチュエータ５への電源供給も遮断され、脚式移動ロボット全体の作動が停止する。
【００２２】
ここで、図１を参照して、電気二重層コンデンサ３の出力電圧は、上述したように、充電制御手段６により、基本的には充電基準電圧Ｖa （１３６Ｖ）に保たれる。しかし、早足歩行時にように、脚式移動ロボットの消費電力が大きい動作を行ったときには、定電流充電回路２から電気二重層コンデンサ３への充電用電流よりも、電気二重層コンデンサ３からアクチュエータ５への供給電流のほうが大きくなることがある。
【００２３】
この場合には、電気二重コンデンサ３に充電されていた電荷がアクチュエータ５に放電されるため、電気二重層コンデンサ３の出力電圧が低下する。図３はこのように電気二重層コンデンサの出力電圧が変動する様子を示したものである。図３（ａ），（ｂ）を参照して、時刻ｔ0 〜ｔ1 においては、消費電力がＬ1 と小さいため、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC は、充電基準電圧ＶB に保たれる。しかし、時刻ｔ1 で消費電力がＬ1 からＬ2 に増加すると、電気二重層コンデンサ３に充電されていた電荷が放電されて、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC が低下する。
【００２４】
時刻ｔ2 で消費電力Ｌ2 の動作を終了すると、電気二重層コンデンサ３は再びその出力電圧ＶC が充電基準電圧ＶB となるまで充電されるが、その後、時刻ｔ3 〜ｔ4 までの消費電力Ｌ2 での動作により、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC が低下する。そして、時刻ｔ4 で脚式移動ロボットの作動を停止して、燃料電池ユニット１の作動も停止すると、充電回路２による電気二重層コンデンサ３の充電が停止するため、その後、自然放電により電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC が徐々に低下する。
【００２５】
そのため、図３（ｂ）の時刻ｔ5 で脚式移動ロボットの作動を開始しようとした作業者がメインスイッチ１０を閉操作した場合、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC は、前記最低起動電圧Ｖmin 未満となっているため、燃料電池ユニット１を起動させることができない。
【００２６】
そこで、本体コントローラ４は、図３（ｃ）に示した制御を行う。即ち、時刻ｔ4 で消費電力Ｌ2 での動作を終了した時に、直ちに燃料電池コントローラ１１に対して、前記燃料電池停止信号を送信せず、時刻ｔF で、充電回路２により電気二重層コンデンサ３の出力電圧が充電基準電圧Ｖa （ここでは本発明の基準電圧に相当する）まで回復してから、前記燃料電池停止信号を送信する。
【００２７】
尚、燃料電池２０への燃料供給を停止しても、燃料電池２０内に残留した燃料が全て消費されるまでは、燃料電池２０からの出力電力により電気二重層コンデンサ３の充電が可能であるため、電気二重層コンデンサ３の出力電圧が充電基準電圧Ｖa に達する少し前に前記燃料電池停止信号を送信するようにしてもよい。
【００２８】
このように、電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC が充電基準電圧Ｖa まで回復してから、燃料電池ユニット１の停止を指示することで、時刻ｔ5 での電気二重層コンデンサ３の出力電圧ＶC を最低起動電圧Ｖmin 以上とすることができる。これにより、電気二重層コンデンサ３の出力電圧不足により、燃料電池ユニット１の再起動が不能となることを防止することができる。
【００２９】
尚、本実施の形態では、本発明の蓄電手段として電気二重層コンデンサを用いたが、他の種類のコンデンサであってもよい。
【００３０】
また、本発明の蓄電手段として自然放電速度が速いコンデンサを用いたときに、本発明の効果が特に大きいが、ニッカド電池やリチウムイオン電池などの二次電池を本発明の蓄電手段に用いたときにも、本発明の効果を得ることができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、本発明の充電基準電圧を前記充電基準電圧Ｖa と同一に設定しているが、電気二重層コンデンサ３の最大定格を越えない範囲で、本発明の充電基準電圧を前記充電基準電圧Ｖa よりも高く設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】脚式移動ロボットの電源制御ブロック図。
【図２】図１に示した燃料電池ユニットの構成図。
【図３】図１に示したコンデンサの出力電圧の推移説明図。
【符号の説明】
１…燃料電池ユニット、２…充電回路、３…電気二重層コンデンサ、４…本体コントローラ、５…アクチュエータ、６…電圧センサ、８…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９…燃料ボンベ、１０…メインスイッチ、１１…燃料電池コントローラ、１２…第１サブスイッチ、１３…第２サブスイッチ、２０…燃料電池、２１…コンプレッサ、２２…定圧レギュレータ、２３…第１開閉弁、２４…冷却ファン、２５…第２開閉弁、２６…コネクタ
【図１】
0003810562.tif 000002
【図２】
0003810562.tif 000003
【図３】
0003810562.tif 000004