(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、該燃料電池から出力される電力から充電用電流を生成して前記蓄電手段を充電する充電手段と、前記蓄電手段の出力電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により検出される前記蓄電手段の出力電圧が所定電圧と一致するように、前記充電手段により生成される前記充電用電流の大きさを制御する充電用電流制御手段と、前記蓄電手段の出力電力を検出する電力検出手段と、該電力検出手段により検出された前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記充電用電流制御手段に対して前記充電用電流の大きさを補正する指示を与える充電用電流補正手段とを備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記燃料電池の燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質器と、前記燃料電池の燃料消費量に応じて該改質器による燃料生成量を制御する燃料生成量制御手段と、前記電力検出手段により検出された前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記燃料生成量制御手段に対して燃料生成量を補正する指示を与える燃料生成量補正手段とを備えた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、燃料電池の出力電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し、特に該蓄電手段の充電制御に関する。
【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、リチウムイオン電池等の二次電池が一般的に採用されている。そして、脚式移動ロボットの歩行性能を向上させるためには、脚式移動ロボットに搭載する二次電池の重量を極力軽くすることが望ましい。また、脚式移動ロボットの作動可能時間を長くするためには、充電容量の大きい二次電池を搭載することが望ましい。
【０００３】
しかし、二次電池の重量は充電容量が大きくなるほど重くなるため、脚式移動ロボットの歩行性能の低下を考慮すると、搭載する二次電池の充電容量を無制限に増加させることはできず、搭載可能な二次電池の充電容量は制限される。そのため、二次電池を作動用電源として搭載した脚式移動ロボットの作動可能時間は、短時間（例えば３０分）にならざるを得ない。
【０００４】
そこで、リチウムイオン電池等の二次電池よりも重量当たりのエネルギー容量（充電容量に相当）が大きい燃料電池を脚式移動ロボットの作動用電源として採用し、該燃料電池を脚式移動ロボットに搭載することが考えられる。しかし、燃料電池の瞬時最大出力はリチウムイオン電池等の二次電池の瞬時最大出力よりも低いため、燃料電池の出力で直接脚式移動ロボットを作動させることは困難であるという不都合があった。
【０００５】
【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、作動用電源として、燃料電池の出力から瞬時最大出力時にも安定した出力を供給できる脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の脚式移動ロボットは、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、該燃料電池から出力される電力から充電用電流を生成して前記蓄電手段を充電する充電手段と、前記蓄電手段の出力電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段により検出される前記蓄電手段の出力電圧が所定電圧と一致するように、前記充電手段により生成される前記充電用電流の大きさを制御する充電用電流制御手段と、前記蓄電手段の出力電力を検出する電力検出手段と、該電力検出手段により検出された前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記充電用電流制御手段に対して前記充電用電流の大きさを補正する指示を与える充電用電流補正手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記充電手段により、燃料電池の出力電力から前記充電用電流を生成し、前記電圧検出手段により検出される前記蓄電手段の出力電圧が前記所定電圧と一致するように、前記充電用電流制御手段により前記充電用電流の大きさを制御することで、基本的には前記蓄電手段の出力電圧を前記所定電圧に保つことができる。
【０００８】
しかし、詳細は後述するが、このように前記蓄電手段の出力電圧に基づいて前記充電用電流の大きさを制御したときには、例えば前記脚式移動ロボットの歩行開始時のように、脚式移動ロボットの消費電力が急激に増加したときに、それに応じて前記蓄電手段の出力電圧が低下するまでには時間遅れがある。そのため、前記充電用電流制御手段による前記充電用電流を増加させる制御処理が遅れる場合があり、この場合には、前記蓄電手段の放電量が前記充電用電流による充電量を上回って、前記蓄電手段の出力電圧が前記所定電圧よりも低下する。
【０００９】
そこで、本発明では、前記充電用電流補正手段により、前記電力検出手段により検出された前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記充電用電流補正手段に対して前記充電用電流の大きさを補正する指示を与える。これにより、脚式移動ロボットの消費電力が増加し、それに応じて前記蓄電手段からの出力電力が増加したときに、直ちに前記充電用電流を増加させる補正が行われる。そのため、脚式移動ロボットの消費電力が急激に増加したときに、前記蓄電手段の出力電圧が前記所定電圧未満となることを抑制することができる。
【００１０】
また、前記燃料電池の燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質器と、前記燃料電池の燃料消費量に応じて該改質器による燃料生成量を制御する燃料生成量制御手段と、前記電力検出手段により検出された前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記燃料生成量制御手段に対して燃料生成量を補正する指示を与える燃料生成量補正手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記蓄電手段の出力電力が増加すると、前記充電用電流補正手段により前記充電手段からの充電用電流を増加させる処理がなされ、この処理によって前記燃料電池の出力電力が増加して該燃料電池の燃料消費量が増加する。そのため、前記蓄電手段の出力電力が増加してから、この増加に応じて前記燃料電池の燃料消費量が増加するまでには時間遅れを生じる。
【００１２】
そのため、前記燃料生成量制御手段により、前記燃料電池の燃料消費量に応じて前記改質器による燃料生成量を制御したときには、前記時間遅れのため、前記蓄電手段の出力電力が増加してから、前記改質器に対して燃料生成量を増加させる指示がなされるまでに、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が不足するおそれがある。そして、このように前記燃料電池への燃料供給量が不足すると、前記充電手段から前記蓄電手段への充電用電流が不十分となって前記蓄電手段の出力電圧が低下してしまう。
【００１３】
そこで、本発明の前記燃料生成量補正手段は、前記電力検出手段により検出される前記蓄電手段の出力電力に応じて、前記燃料生成量制御手段に対して前記改質器による燃料生成量を補正する指示を与える。これにより、前記蓄電手段の出力電力が増加した時に、直ちに前記燃料生成量制御手段により前記改質器の燃料生成量を増加させる制御がなされるため、前記蓄電手段の出力電圧が増加してから前記改質器による燃料生成量が増加するまでの遅れ時間を短縮し、前記蓄電手段の出力電圧が低下することを抑制することができる。
【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における充電部の制御ブロック図、図２は図１に示した充電部の制御動作の説明図である。
【００１５】
図１を参照して、本発明の脚式移動ロボット１は、電気二重層コンデンサ２（本発明の蓄電手段に相当する）と、燃料電池３と、定電流充電回路４（本発明の充電手段に相当する）と、電気二重層コンデンサ２の出力電圧を検出する電圧センサ５（本発明の電圧検出手段に相当する）と、電気二重層コンデンサ２の出力電流を検出する電流センサ６と、燃料電池３に燃料である水素を供給する燃料ボンベ７と、定電流充電回路４から電気二重層コンデンサ２に供給される充電用電流の大きさを制御する充電制御部８とを備える。
【００１６】
燃料電池３の負極側には燃料ボンベ７から水素が供給され、正極側には酸化剤として空気が供給されて発電が行われる。即ち、燃料電池３の正負極ではそれぞれ、
正極：    Ｈ2 →  ２Ｈ+ ＋２ｅ-       ・・・・・（Ａ）
負極：    １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ →Ｈ2 ９  ・・・・・（Ｂ）
という化学反応が生じて燃料電池３から定電流充電回路４に電力が供給される。
【００１７】
定電流充電回路４は、ＤＣ／ＤＣコンバータと定電流回路（図示しない）を備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池３の出力電圧を昇圧して電気二重層コンデンサ２に印加する。そして、定電流充電回路４に備えられた前記定電流回路は、定電流充電回路４から電気二重層コンデンサ２に供給される充電用電流の大きさを充電制御手段８からの指示値に保つように作動する。
【００１８】
充電制御部８は、充電用電流制御手段９と、充電用電流補正手段１０と、電力検出手段１１と、電流指示リミッタ１２とを備える。充電用電流制御手段９は、加え合わせ点１３で、電圧センサ５により検出された電気二重層コンデンサ２の出力電圧を、電気二重層コンデンサ２の定格に応じて決定した所定電圧（例えば１４４Ｖ）から減算し、演算部１４で該減算の結果が零となるように充電用電流の指示値を決定して、定電流充電回路４に出力する。尚、演算部１４は通常ＰＩＤ制御演算を行う。また、電流指示リミッタ１２は、充電用電流の指示値の上限を設定し、定電流充電回路４から電気二重層コンデンサ２に過大な電流が供給されることを防止するためのものである。
【００１９】
このように、充電用電流制御手段９により、電気二重層コンデンサ２に対する充電用電流の大きさを制御することで、基本的には電気二重層コンデンサ２の出力電圧を所定電圧（１４４Ｖ）に保つことができ、燃料電池３の出力電圧（例えば３６Ｖ）から高電圧（１４４Ｖ）を取り出すことができる。しかし、例えば脚式移動ロボット１が歩行を開始したときのように、脚式移動ロボット１の消費電力が急激に増加したときには、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下する場合がある。図２のグラフ（ｂ）はこのように電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下する様子を示したものである。
【００２０】
図２を参照して、グラフ（ａ）に示すように、時刻ｔ1 で脚式移動ロボット１の消費電力がＬ0 からＬ1 まで急激に増加した場合、それまでバランスが取れていた電気二重層コンデンサ２の放電量と充電量との関係が崩れ、電気二重層コンデンサ２の放電量が充電量を上回って電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下する。そして、図１を参照して、電気二重層コンデンサ２の出力電圧の低下に応じて、充電用電流制御手段９は、定電流充電回路４に対して電気二重層コンデンサ２に供給する充電用電流の指示値を増加させるが、該指示値の増加度合いは電気二重層コンデンサ２の出力電圧と前記所定電圧（１４４Ｖ）との差の大きさに依存する。
【００２１】
したがって、ある程度電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下してからでないと、脚式移動ロボット１の消費電力に見合うまで充電用電流の指示値は増加せず、図２のグラフ（ｂ）に示すように、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が大きく低下すると共に、低下した電気二重層コンデンサ２の出力電力が所定電圧Ｖe まで回復するまでに時間を要する。そして、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が回復するまでは、電気二重層コンデンサ２の出力電圧と脚式移動ロボット１の最低保証電圧Ｖb との差が小さくなり、脚式移動ロボット１の作動内容によっては、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が所定の最低保証電圧Ｖb 未満となって、作動が不安定となることが生じ得る。
【００２２】
そこで、このような電気二重層コンデンサ２の出力電圧の低下を抑制するため、充電制御手段８に備えられた充電用電流補正手段１０は、電力検出手段１１により検出された電気二重層コンデンサ２の出力電力を倍率器１５で増幅して充電用電流制御手段９に出力する（本発明の充電用電流の大きさを補正する指示に相当する）。そして、充電用電流制御手段９は、充電用電流補正手段１０からの出力を加え合せ点１６で演算部１４からの充電用電流の指示値に加算する。これにより、脚式移動ロボット１の消費電力（＝電気二重層コンデンサ２の出力電力）が増加すると、該消費電力の増加量に応じて、充電用電流制御手段９からの充電用電流の指示値を増加させる処理がなされる。
【００２３】
そのため、図２のグラフ（ａ）に示すように、時刻ｔ1 においてロボット１の消費電力がＬ0 からＬ1 に急激に増加したときに、コンデンサ２の出力電圧が大きく低下する前に、直ちに充電用電流の指示値を増加させる処理がなされ、グラフ（ｃ）に示すように、コンデンサ２の出力電圧が大きく低下することを抑制することができる。
【００２４】
また、本実施の形態では演算部１４のフィードバツクゲインを高めなくてもコンデンサ２の出力電圧の変動を小さくできるので、フィードバックゲインが高すぎることによって生じる発振を防ぐことができる。
【００２５】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。本第２の実施の形態は、図１に示した燃料ボンベ７の代わりに燃料生成手段３０を備えたものである。燃料生成手段３０は、燃料電池３の燃料である水素を生成するための原料（メタノール）を保持する原料タンク３１と、原料タンク３１から供給されるメタノールと空気中の酸素との化学反応により水素を生成する改質器３２と、原料タンク３１から改質器３２へのメタノールの供給量を調節する可変弁３３と、改質器３２から燃料電池３への供給圧力を一定（例えば０．３気圧）に降圧するレギュレータ３４と、改質器３２から燃料電池３への水素の供給圧力の変動を抑制するためのリザーブタンク３５とからなる。
【００２６】
前記式（Ａ）より、燃料電池３の出力電力に応じて燃料電池３での水素の反応量（＝水素の消費量）が増減する。そして、燃料電池３の水素消費量が増加して、改質器３２からの水素供給量よりも多くなると、リザーブタンク３５内の水素の量が減少するため、リザーブタンク３５内の圧力が低下する。逆に、燃料電池３の水素消費量が改質器３２からの水素供給量よりも少ないときには、リザーブタンク３５内の圧力が上昇する。したがって、リザーブタンク３５内の圧力を検出することで、燃料電池３に対する水素供給量の過不足を認識することができる。
【００２７】
そこで、燃料生成制御部３６に備えられた燃料生成量制御手段３７は、図示しない圧力センサにより検出されたリザーブタンク３５内の圧力を加え合わせ点３８で設定圧力（例えば１気圧）から減算し、演算部３９で該減算の結果が零となるように、燃料生成手段３０に対する水素生成量の指示値を決定して出力する。そして、この水素生成量の指示値に応じて、燃料生成手段３０は、可変弁３３により改質器３２へのメタノール供給量を調節し、また、改質器３２への空気供給量や改質器３２内の温度を調節する処理を行う。これにより、燃料電池３の燃料消費量に応じて、改質器３２から燃料電池３への水素の供給量が調節される。
【００２８】
しかし、図２のグラフ（ａ）に示したように、時刻ｔ1 で脚式移動ロボット１の消費電力がＬ0 からＬ1 に急激に増加したときには、燃料電池３での燃料消費量の増加によりリザーブタンク３５内の圧力が低下してから、燃料生成手段３０により改質器３２に対して水素生成量を増加させる指示を与えたのでは、燃料電池３での燃料消費量の増加に対して、燃料電池３への水素供給量の増加させる処理が遅れ、燃料電池３から定電流充電回路４への出力電力が不足するおそれがある。
【００２９】
そして、定電流充電回路４への出力電力が不足すると、図１を参照して、充電用電流制御手段９からの指示値に応じた充電用電流を、定電流充電回路４から電気二重層コンデンサ２に供給することができないため、電気二重層コンデンサ２の放電量が充電量を上回り、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下してしまう。
【００３０】
そこで、燃料生成制御部３６に備えられた燃料生成量補正手段４０は、電力検出手段１１により検出された電気二重層コンデンサ２の出力電力を倍率器４１で増幅して燃料生成量制御手段３７に出力する（本発明の燃料生成量を補正する指示に相当する）。そして、燃料生成量制御手段３７は、燃料生成量補正手段からの出力を、加え合せ点４２で演算部３９からの水素生成量の指示値に加算して燃料生成手段３０に出力する。
【００３１】
これにより、脚式移動ロボット１の消費電力が増加したときに、燃料生成量制御手段３７から水素生成手段３０に対して直ちに水素生成量を増加させる指示がなされるので、上述したように燃料電池３に対する水素の供給量の不足により、電気二重層コンデンサ２の出力電圧が低下することを抑制することができる。
【００３２】
尚、本実施の形態では、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や、ニッカド電池，リチウムイオン電池等の二次電池を用いてもよい。
【００３３】
また、本実施の形態では、メタノールを原料として水素を生成するものを示したが、原料はメタノールに限られず他の種類の原料から水素を取り出す改質器を用いて、燃料電池に水素を供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】脚式移動ロボットの充電部の制御ブロック図。
【図２】充電制御の説明図。
【図３】脚式移動ロボットの燃料生成部の制御ブロック図。
【符号の説明】
１…脚式移動ロボット、２…電気二重層コンデンサ、３…燃料電池、４…定電流充電回路、５…電圧センサ、６…電流センサ、７…燃料ボンベ、８…充電制御部、９…充電用電流制御手段、１０…充電用電流補正手段、１１…電力検出手段、１２…電流指示リミッタ、３０…燃料生成手段、３１…原料タンク、３２…改質器、３３…可変弁、３４…レギュレータ、３５…リザーブタンク、３６…燃料生成制御部、３７…燃料生成量制御手段、４０…燃料生成量補正手段
【図１】
0003810558.tif 000002
【図２】
0003810558.tif 000003
【図３】
0003810558.tif 000004