(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該燃料電池と着脱可能に接続されて該燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料電池の出力から第１の充電用電流を生成し、該第１の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た脚式移動ロボットにおいて、
第２の充電用電流を生成する外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される該第２の充電用電流により前記蓄電手段を充電する補助充電手段を設けたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
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、該燃料電池と着脱可能に接続されて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た脚式移動ロボットにおいて、
外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される電力により、前記充電手段を作動させて前記充電用電流を生成させる補助電源供給手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記蓄電手段の出力電力により起動されることを特徴とする請求項１または２記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
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、該燃料電池と着脱可能に接続されて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た脚式移動ロボットにおいて、
外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される電力により、前記燃料電池を作動させる補助電源供給手段を設けたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、燃料電池を搭載し、該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】
従来、脚式移動ロボットに搭載される作動用電源としては、ニッカド電池やリチウムイオン電池等の二次電池が一般的であるが、作動用電源の軽量化や脚式移動ロボットの作動可能時間の延長を図るため、二次電池よりも重量あたりのエネルギー密度が大きい燃料電池を脚式移動ロボットの作動用電源に用いることが考えられる。
【０００３】
しかし、燃料電池の瞬時最大出力は低いため、例えば早足歩行の開始時のように、脚式移動ロボットの消費電力が急激に増加したときには、燃料電池から脚式移動ロボットに供給される電圧が不足するおそれがある。そこで、燃料電池の出力により、瞬時最大出力が燃料電池よりも高い二次電池やコンデンサ等の蓄電手段を充電し、該蓄電手段から脚式移動ロボットの作動用電力を取り出すようにすることが考えられる。
【０００４】
このように、脚式移動ロボットの作動用電源として燃料電池を使用する場合、脚式移動ロボットには燃料電池に燃料を供給する燃料ボンベが備えられるが、該燃料ボンベの残量が少なくなったときには、該燃料ボンベを交換する必要がある。そして、燃料ボンベの交換中は燃料電池の作動が停止するため、燃料電池の出力によって蓄電手段を充電することができない。
【０００５】
このように、蓄電手段を充電することができない状態で、脚式移動ロボットの作動を継続すると、作動中に蓄電手段の残充電量が減少して該蓄電手段から脚式移動ロボットへの出力電圧が低下し、脚式移動ロボットの作動が異常に中断されるおそれがある。そのため、燃料ボンベの交換中は蓄電手段からの電源供給を停止して、脚式移動ロボットの作動を停止しなければならない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、燃料電池を作動用電源とする脚式移動ロボットにおいて、該脚式移動ロボットの作動を停止することなく、該燃料電池の燃料ボンベを交換することができる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】
本発明の第１の実施の態様は、上記目的を達成するため、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、該燃料電池と着脱可能に接続されて該燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料電池の出力から第１の充電用電流を生成し、該第１の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た脚式移動ロボットにおいて、第２の充電用電流を生成する外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される該第２の充電用電流により前記蓄電手段を充電する補助充電手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
かかる本発明によれば、前記外部電源を前記補助充電手段と接続することで、前記第２充電用電流により前記蓄電手段を充電することが可能となる。そのため、この状態で前記燃料供給手段を交換するために前記燃料電池の作動を停止しても、前記蓄電手段は前記第２充電用電流により継続して充電される。したがって、脚式移動ロボットの作動を停止することなく、前記燃料供給手段を交換することができる。
【０００９】
また、本発明の第２の実施の態様は、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、該燃料電池と着脱可能に接続されて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た脚式移動ロボットにおいて、外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される電力により、前記充電手段を作動させて前記充電用電流を生成させる補助電源供給手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記外部電源を前記補助電源供給手段と接続することで、該外部電源から供給される電力により、前記充電手段を作動させることができる。そのため、この状態で前記燃料供給手段を交換するために前記燃料電池の作動を停止しても、前記蓄電手段は前記充電手段により継続して充電される。したがって、脚式移動ロボットの作動を停止することなく、前記燃料供給手段を交換することができる。
【００１１】
また、前記第１の実施の態様、及び前記第２の実施の態様における前記燃料電池は、前記蓄電手段の出力電力により起動されることを特徴とする。上述したように、前記蓄電手段は、前記燃料供給手段の交換時にも継続して前記充電手段により充電される。そのため、前記燃料供給手段の交換後、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ることができる。これにより、前記燃料電池を起動するために外部電源を別個に接続することや、前記燃料電池を起動するための専用電源を脚式移動ロボットに設けることが不要となる。
【００１２】
また、本発明の第３の実施の態様は、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、該燃料電池と着脱可能に接続されて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た脚式移動ロボットにおいて、外部電源と着脱可能に接続され、該外部電源から供給される電力により、前記燃料電池を作動させる補助電源供給手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明によれば、前記補助電源供給手段を外部電源に接続することで、前記燃料供給手段を交換する際に、前記燃料電池内に残留した燃料により前記燃料電池を継続して作動させることができる。また、前記燃料供給手段を交換する際に、前記燃料電池内に残留した燃料が全て消費されたときには、前記補助電源供給手段から供給される電力によって前記充電手段を作動させることで、前記蓄電手段の充電を継続することができる。そのため、脚式移動ロボットの作動を停止することなく、前記燃料供給手段を交換することができる。そして、前記燃料供給手段の交換終了時には、前記補助電源供給手段から供給される電力により前記燃料電池を再起動させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について、図１，図２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電源供給部の制御ブロック図、図２は図１に示した燃料電池ユニットの構成図である。
【００１５】
図１を参照して、本発明の脚式移動ロボット１は、燃料電池を有する燃料電池ユニット２と、燃料電池ユニット２の出力から第１の充電用電流Ｉ1 を生成する充電回路３（本発明の充電手段に相当する）と、電気二重層コンデンサ４（本発明の蓄電手段に相当する）と、電気二重層コンデンサ４の出力電圧ＶC を検出する電圧センサ５と、燃料電池ユニット２に燃料電池の起動用電力を供給する起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、燃料電池ユニット２と着脱可能に接続された燃料ボンベ８（本発明の燃料供給手段に相当する）と、外部電源９と着脱可能に接続されて電気二重層コンデンサ４に第２の充電用電流Ｉ2 を供給する補助充電手段１０とを備える。
【００１６】
図２を参照して、燃料電池ユニット２は、燃料電池２０と、燃料電池２０の作動を制御する燃料電池コントローラ２１と、燃料電池コントローラ２１からの制御信号により作動して燃料電池２０に酸化剤として空気を供給するコンプレッサ２２と、燃料電池コントローラ２１からの制御信号により開閉して燃料ボンベ８からの燃料（水素）の供給と供給停止とを切り替える第１開閉弁２３と、燃料電池２０への燃料の供給圧力を一定に保つレギュレータ２４と、燃料ボンベ８と接続するためのコネクタ２５と、燃料電池コントローラ２１からの制御信号により作動して燃料電池２０を冷却する冷却ファン２６と、燃料ボンベ８の交換時に作業者によって開閉操作される第２開閉弁２７とを備える。尚、第１開閉弁２３の代わりに比例制御弁を用いてもよい。
【００１７】
図１を参照して、外部電源９は燃料ボンベ８を交換するときにのみ電源接続コネクタ１１を介して補助充電手段１０と接続される。外部電源９が接続されていないときに、燃料電池ユニット２を起動するときには、電気二重層コンデンサ４の出力が起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に入力され、起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７で降圧された起動用電圧ＶE が燃料電池ユニット２に印加される。
【００１８】
燃料電池ユニット２に起動用電圧ＶE が印加されると、図２を参照して、燃料電池コントローラ２１が作動を開始する。そして、燃料電池コントローラ２１は、コンプレッサ２２を作動させて燃料電池２０への空気の供給を開始すると共に、第１開閉弁を開弁させて燃料電池２０への燃料（水素）の供給を開始する。燃料である水素と酸化剤である空気が供給されることで、燃料電池２０で化学反応が開始され、燃料電池２０から充電回路３への電力供給が開始される。
【００１９】
さらに、燃料電池コントローラ２１は、冷却ファン２６を作動させ、また、脚式移動ロボット１の本体コントローラ（図示しない）に、燃料電池２０の出力状態を送信する。また、図１を参照して、燃料電池ユニット２の出力は、ダイオード１２を介して燃料電池ユニット２に供給され、燃料電池ユニット２の作動用電力としても使用される。
【００２０】
充電回路３は、燃料電池ユニット２から供給される電力から、電気二重層コンデンサ４を充電するための第１充電用電流Ｉ1 を生成する。そして、電圧センサ５で検出される電気二重層コンデンサ４の出力電圧ＶC が充電基準電圧Ｖa （例えば１３６Ｖ）と一致するように、電気二重層コンデンサ４に供給する第１充電用電流Ｉ1 の大きさを調節する。これにより電気二重層コンデンサ５の出力電圧ＶC が充電基準電圧Ｖa に保たれ、メインスイッチ１３が閉操作されることで、脚式移動ロボット１の運動制御用コンピュータ、アクチュエータ及びセンサなどの駆動が開始される。また、充電回路３は電流制限機能を備え、電気二重層コンデンサ４の出力電圧ＶC が低いときに、充電回路３から電気二重層コンデンサ４に高電圧が出力され、電気二重層コンデンサ４に過剰な充電電流が供給されることを防止している。
【００２１】
次に、燃料ボンベ８の交換手順について説明する。燃料ボンベ８の交換を行うときは、図２を参照して、先ず第１開閉弁２３と第２開閉弁２７を閉弁することで燃料ボンベ８から燃料電池２０への水素の供給を停止した後、コネクタ２５を外して燃料ボンベ８を燃料電池ユニット２から取り外す。そして、新しい燃料ボンベ８をコネクタ２５を介して接続し、第１開閉弁２３と第２開閉弁２７を開弁することで、燃料ボンベ８から燃料電池２０への燃料供給が再開される。尚、第１開閉弁２３は本体コントローラからの指示に応じて燃料電池コントローラ２１から出力される制御信号によって開閉され、第２開閉弁２７は交換作業者の手動操作によって開閉される。
【００２２】
ここで、燃料ボンベ８の交換中は、燃料の供給停止により燃料電池２０の作動が停止するため、図１を参照して、燃料電池ユニット２から定電流充電回路３への電力供給が停止する。そのため、定電流充電回路３からの第１充電用電流Ｉ1 の出力も停止する。そこで、本第１の実施の形態においては、燃料ボンベ８を交換する前に、交換作業者は外部電源９を電源接続コネクタ１１を介して補助充電手段１０に接続し、外部電源９をＯＮにする。外部電源９は、定電流充電回路３と同様に、電圧センサ５により検出される電気二重層コンデンサ４の出力電圧ＶC を入力し、該出力電圧ＶC が充電基準電圧Ｖa と一致するように、電気二重層コンデンサ４に第２充電用電流Ｉ2 を供給する。
【００２３】
これにより、定電流充電回路３からの第１充電用電流Ｉ1 の供給が停止しても、補助充電手段１０から第２充電用電流Ｉ2 が供給されて、電気二重層コンデンサ４が充電される。そのため、脚式移動ロボット１への電力供給を停止することなく、燃料ボンベ８を交換することができる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。尚、上記第１の実施の形態で説明した図１と同じ構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２５】
上記第１の実施の形態では、電気二重層コンデンサ４に第２充電用電流Ｉ2 を供給する補助充電手段１０を設けたが、本第２の実施の形態では、充電回路３に作動用電力を供給する補助電源供給手段３０を設けている。補助電源供給手段３０は、燃料電池ユニット２の出力電圧（例えば２０〜３６Ｖ）と同程度の電圧を出力する外部電源３１と電源接続コネクタ３２を介して接続される。
【００２６】
本第２の実施の形態においては、燃料ボンベ８を交換するときには、作業者は先ず補助電源供給手段３０に電源接続コネクタ３２を介して外部電源３１を接続し、外部電源９をＯＮにする。これにより、補助電源供給手段３０から充電回路３に作動用電力が供給される。そのため、上述したように、図２を参照して、燃料ボンベ８の交換時に、コンプレッサ２２の作動を停止し、第１開閉弁２３を閉弁することで燃料電池２０の作動が停止することで、燃料電池ユニット２から充電回路３への電力供給が停止しても、補助電源供給手段３０からの供給電力によって、充電回路３は継続して作動することができる。
【００２７】
したがって、燃料ボンベ８の交換時にも、充電回路３から電気二重層コンデンサ４に充電用電流ＩC （前記第１の充電用電流に相当する）を供給することができ、前記第１の実施の形態と同様、脚式移動ロボット１への電力供給を停止することなく、燃料ボンベ８を交換することができる。
【００２８】
尚、上記第１，第２の実施の形態においては、電気二重層コンデンサ４の出力電力が起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に供給される。そして、燃料ボンベ８の交換中も電気二重層コンデンサ４の出力電圧ＶC は前記充電基準電圧Ｖa に保たれるため、起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７は燃料ボンベ８の交換終了時に、燃料電池ユニット２に再起動用電力を供給することができる。したがって、燃料ボンベ８の交換終了時に燃料電池ユニット２を再起動させるために、専用の補助電源を設けたり、外部から電力を供給する必要がない。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。尚、上記第１，第２の実施の形態で説明した図１，図３と同じ構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
上記第２の実施の形態では、充電回路３に作動用電力を供給する補助電源供給手段３０を設けたが、本第３の実施の形態では、燃料電池ユニット２に作動用電力を供給して燃料電池２を作動させる補助電源供給手段４０を設けている。補助電源供給手段４０は、起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧と同程度の電圧を出力する外部電源４１と電源接続コネクタ３２を介して接続される。
【００３１】
本第３の実施の形態においては、燃料ボンベ８を交換するときには、作業者は先ず補助電源供給手段４０に、電源接続コネクタ３２を介して外部電源４１を接続する。これにより、補助電源供給手段４０から燃料電池ユニット２に作動用電力が供給され、燃料電池コントローラ２１，コンプレッサ２２，及び冷却ファン２６は作動を継続することができる。
【００３２】
そして、図２を参照して、燃料ボンベ８を取り外すために第１開閉弁２３を閉弁して燃料電池２０への燃料供給を停止しても、燃料電池２０内には燃料が残存している。そのため、燃料電池２０内に残存した燃料が全て消費されるまでは、燃料電池ユニット２から充電回路３への電力供給が継続される。また、燃料電池２０内に残存した燃料が全て消費されて燃料電池の出力が停止したときには、補助電源供給手段４０から供給される電力をそのまま、或いは変圧等して充電回路３に供給することで、充電回路３による電気二重層コンデンサ４の充電を継続することができる。
【００３３】
これにより、前記第１，第２の実施の形態と同様、脚式移動ロボット１への電力供給を停止することなく、燃料ボンベ８を交換することができる。そして、燃料ボンベ８の交換終了時には、補助電源供給手段４０から燃料電池ユニット２に供給される作動用電力によって、燃料電池２を再起動させることができる。
【００３４】
尚、前記第１〜第３の実施の形態においては、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を用いてもよい。
【００３５】
さらに、自然放電速度が速いコンデンサを本発明の蓄電手段として用いたときに、特に本発明の効果が大きいが、ニッカド電池やリチウムイオン電池などの二次電池を用いたときにも本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の脚式移動ロボットの電源供給部の制御ブロック図。
【図２】図１に示した燃料電池ユニットの構成図。
【図３】本発明の脚式移動ロボットの電源供給部の制御ブロック図。
【図４】本発明の脚式移動ロボットの電源供給部の制御ブロック図。
【符号の説明】
１…脚式移動ロボット、２…燃料電池ユニット、３…充電回路、４…電気二重層コンデンサ、５…電圧センサ、７…起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ、８…燃料ボンベ、９…外部電源、１０…補助充電手段、１１…電源接続コネクタ、１３…メインスイッチ、２０…燃料電池、２１…燃料電池コントローラ、２２…コンプレッサ、２３…第１開閉弁、２４…レギュレータ、２５…コネクタ、２６…冷却ファン、２７…第２開閉弁、３０…補助電源供給手段、３１…外部電源、３２…電源接続コネクタ、４０…補助電源供給手段、４１…外部電源
【図１】
0003810563.tif 000002
【図２】
0003810563.tif 000003
【図３】
0003810563.tif 000004
【図４】
0003810563.tif 000005