JP2006304544A - 自律移動ロボットの電池充電システム。 - Google Patents

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誠 山田
Jiro Onishi
二朗 大西
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Abstract

【課題】 副電池をロボットに内蔵させることによって、ロボットが充電ステーションで電池充電中であっても、副電池によって走行機能以外のロボット機能を中断することなく働かせておくことのできるロボットの電池充電システムを低コストで提供する。
【解決手段】 制御部3によってコントロールされる自走機構を備えたロボットAであって、前記制御部1の電源となる主電池5と、充電器Bによる主電池5の充電時において制御部1に電力を供給する副電池6と、これら主電池5並びに副電池6と制御部1との制御部電源回路、及び、主電池5並びに副電池6と充電器Bとの電池充電回路を切り替える回路切替手段とからなる構成とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、充電式電池を用いて空間内を自律移動するロボットの電池充電システムに関するもので、殊に、自律移動中に電池の残存容量が低下すると充電ステーションに立ち寄って充電する方式の電池システムに関するものである。
産業や生産分野において、製造工場におけるメンテナンス作業、部品の搬送作業、組み立作業、店舗や工場内の清掃作業等、各種作業を行う自律移動ロボットがある。これらロボットは、電池を動力源とする自走機能を備え、自立的に作業空間内を走行する。従って一定時間の走行によって電池の残存容量が低下すると電池への充電が必要となる。そこで、ロボットの電池残存容量が設定値まで低下すると、ロボットがこれを検知して所定の位置に置かれた充電ステーションまで自走し、自動的に充電するようにした技術が知られている(特許文献1〜4参照)。
特開平07−8428号公報 特開2000−47728号公報 特開2001−92529号公報 特開2003−186539号公報
自律走行型ロボットには様々な電子機器が搭載されており、これら電子機器には、たとえ充電ステーションで電池充電中であっても中断することなく機能を働かせておく必要のあるものがある。このような場合、例えば、ロボットが充電ステーションで停止中に、充電ステーションから電池の充電とロボットへの駆動電力供給とを同時にまかなうようにすればよいが、充電ステーションの電気容量が大きなものになるとともに、充電を制御する手段とロボットへの駆動電力供給手段とが個別に必要となるため充電ステーションのサイズ並びに重量が大きくなり、且つ、コスト高となって問題であった。
また、充電ステーションで電池充電中に別の電源でロボット機能を維持させる場合に、電源切替時に制御部への電力供給に舜断が生じたり、或いはスイッチ接点が切り替わった直後に信号がON/OFFを繰り返すようなチャタリング現象が生じて制御部のCPUに悪影響を及ぼすおそれがあった。
そこで本発明は、副電池をロボットに内蔵させることによって、ロボットが充電ステーションで電池充電中であっても、副電池によって走行機能以外のロボット機能を中断することなく働かせておくことのできるロボットの電池充電システムを、できるだけ低コストで提供することを主たる目的とするものである。
更に本発明の次なる目的は、制御部の電源となる電池切替時において、制御部への電力供給の舜断をなくして、チャタリングやハングアップ等の発生を阻止し、制御部のCPUへ悪影響を及ぼすことを未然に防止することができる電池充電システムを提供することにある。
上記目的を達成する為に本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明に係る自律移動ロボットの電池充電システムは、制御部によってコントロールされる自走機構を備えたロボットと、ロボットに搭載され前記制御部の電源となる主電池および充電器による主電池の充電時に制御部に電力を供給する副電池と、これら主電池並びに副電池と制御部とを接続する制御部電源回路、及び、主電池並びに副電池と充電器とを接続する電池充電回路を切り替える回路切替手段とからなる構成とした。
従って、本発明によれば、ロボットの主電池が充電中であっても、副電池により制御部の電源が確保され、ロボットの必要な機能を作動させておくことができるものでありながら、副電池と充電器との電池充電回路を切り替える回路切替手段によって、主電池の充電後は副電池も充電することができるとともに、副電池充電時には主電池により制御部の電源が確保されてロボットの機能を作動させておくことができる。また、副電池は主電池の充電時にのみ補助電源として使用できる程度の小さな電気容量のものでよいから、小型、低コストのものが利用できる。また、主電池と副電池とは、同時に充電することがなく、制御部を駆動する電力はいずれかの電池から供給されるので、結局、1つの電池(主電池または副電池)を充電するのに必要となる定格の充電器を用いればよい。そのため、充電器、即ち充電ステーションとして、汎用的なものが利用でき、これによりトータルコストを軽減することができる、といった顕著な効果がある。
(その他の課題を解決するための手段及び効果)
上記発明において、前記した回路切替手段は、主電池並びに副電池の残存容量を個別に検出して検出信号を出力する第一残量検出回路並びに第二残量検出回路と、これら残量検出回路によって個別に検出された主電池並びに副電池の残存容量検出信号に応答して第一スイッチをON、OFF動作する電池切替回路と、ロボットが充電器に接続されたときに充電器と主電池との回路をONに切り替え主電池が既定値まで充電されたときにOFFになる第二スイッチと、主電池が規定値まで充電されると副電池充填のために充電器と副電池との回路をONに切り替える第三スイッチとを備えており、更に、主電池が既定値まで充電されて制御部への放電開始後に若干のタイムラグをあけて前記第三スイッチがONになって副電池の充電が開始するように形成されている構成とするのがよい。
これにより、制御部の電源となる電池切替時において、制御部への電力供給の舜断をなくして、チャタリングやハングアップ等の発生を阻止し、制御部のCPUへ悪影響を及ぼすことを未然に防止することができるといった効果がある。
上記発明において、主電池が副電池よりも充電可能な電気容量を大きくするのが好ましい。
これにより、ロボットに搭載する副電池を小型にすることにより、ロボット重量を軽減でき、自律移動の際の負荷を少しでも小さくすることができるので、消費される電気量を減らすことができる。
以下において、本発明にかかる自律移動ロボットの電池充電システムを図面に基づき説明する。
図1は本発明の電池充電システムの電気回路図であり、図2はそのタイムチャートを示すものであり、図3は各部の動作説明図である。
図1において、符号Aは本発明にかかるロボットを示し、符号Bは実質的な充電ステーションとなる充電器を示すものであって、両者はコネクタ1,2により電気的に接続できる構造となっている。
ロボットAは、制御部3によってコントロールされて車輪4により走行する自走機構と、制御部3によってコントロールされる通信装置等の各種電子機器(図示外)と、制御部3の電源となる充電可能な主電池5並びに副電池6と、これら主電池5並びに副電池6と制御部1とを接続する制御部電源回路、並びに、充電器Bの接続時における主電池5及び副電池6と充電器Bとを接続する電池充電回路を切り替える回路切替手段と、ロボット起動時に主電池5と制御部3を結ぶ制御部電源回路をONにする第四スイッチ7とを備えている。前記副電池6は、主電池5の充電時にのみ補助電源として使用できる程度の小さな電気容量のものが使用される。
回路切替手段は、主電池5の残存容量を検出して電池切替回路13並びに後記の第三スイッチ12のスイッチ切替回路12aに検出信号を出力する第一残量検出回路8と、副電池6の残存容量を検出して電池切替回路13に検出信号を出力する第二残量検出回路9と、これら検出信号によってON、OFF動作する第一スイッチ10と、ロボットAが充電器Bに接続されたときに充電器Bと主電池5との回路をONに切り替えるとともに主電池5が既定値まで充電されたときにOFFになる第二スイッチ11と、主電池5が規定値まで充電されると充電器Bと副電池6との回路をONに切り替える第三スイッチ12とから構成されている。
また、ロボットAを充電するための充電器Bは、AC電源からの交流電圧を直流電圧に変換するAC−DCコンバータと充電制御機能を内蔵する市販タイプのものであり、本実施例では交流100V電圧を直流24V電圧に変換するものが用いられている。
図1において、ロボットAが充電器Bに接続されていない状態を示す。この状態ではロボットAは、主電池5と制御部1とを結ぶ回路にある第四スイッチ7がONになっており、副電池6と制御部3とを結ぶ回路にある第一スイッチ10がOFFになっている。従って主電池5は放電状態にあって制御部3に電力が供給され、副電池6は休止状態におかれている。
前記第四スイッチ7は、図2のタイムチャートに示すように、時刻TでロボットAを起動したときにONになるように設定されており、この起動と同時にリセット信号RESを発生させて時刻Tまでの時間に各部をリセットするように設定されている。
時刻Tから時間が経過して時刻Tの時点で、ロボットAの主電池5の残存容量が所定の値まで低下すると、第一残量検出回路8がこれを検出して検出信号B1を電池切替回路13に送信し、該切替回路13により第一スイッチ10をONに切り替える。これにより副電池6と制御部3とがつながって副電池6の電力が制御部3に供給される。この場合主電池5も制御部3に接続されているが、回路中に設けた逆流防止用のダイオード14によって互いに干渉されることなく残存容量の多い電池、即ち副電池6からの電力が電源として制御部3に加えられる。尚、前記電池切替回路13は、第一残量検出回路8からの検出信号B1を受信したときに第一スイッチ10をONに切り替え、第二残量検出回路9からの検出信号B2を受信したときにOFFに切り替わるように例えば周知のFF回路(フリップフロップ)等によって設定されている。
時刻Tにおいて、副電池6の残存容量が所定の値まで低下すると、第二残量検出回路9がこれを検出して検出信号B2を電池切替回路13に送信し、該電池切替回路13により第一スイッチ10をOFFに切り替える。
今、時刻T2’において、ロボットAを充電器Bに接続すると、第二スイッチ11の切替回路11aが、シャント抵抗11b、および、基準電圧発生抵抗11cとによって第二スイッチ11をONにし、主電池5が充電器Bにつながって充電が開始される。また、第一残量検出回路8からのアクティブな検出信号B1によって第一スイッチ10がONになっており、これにより副電池6の電力が制御部3に供給される。また、この時点では充電器Bと副電池6とを結ぶ回路中に設けられた第三スイッチ12は、第一残量検出回路8からスイッチ切替回路12aに送信されるアクティブな検出信号B1によってOFFになっており、従って、副電池6は放電状態を維持してロボットの機能を働かせておくことができる。
この状態が継続して、時刻T2”で主電池5が規定値まで充電されると、第二スイッチ11がOFFになり、同時に主電池5の残量検出回路8からの検出信号B1がノンアクティブに反転して、切替回路12aに設けた遅延回路12dにより、若干のタイムラグをあけた時刻Tにおいて第三スイッチ12がONになり、充電器Bと副電池6とを結ぶ回路がつながって副電池6の充電が開始される。また電池切替回路13に設けた遅延回路13aにより若干のタイムラグをあけた時刻Tにおいて第一スイッチ10がOFFになり、これにより副電池6と制御部3との回路は切断される。また、第二残量検出回路9からはアクティブな検出信号B2が電池切替回路13に送信されているが、該信号はOFF指令であるので第一スイッチ10のOFF状態は変わらない。また副電池6の充電中は主電池5により制御部3の電源は確保される。尚、T2”からTまでのタイムラグを発生させるようにスイッチ切替回路12aと電池切替回路13に遅延回路を設けたことにより、制御部3に対する副電池から主電池への電源切替時における電力供給の舜断をなくして制御部のCPUへの悪影響を阻止することができている。
時刻Tにおいて、副電池6が既定値まで充電されると、第二残量検出回路9がこれを検出して、充電作業が終了する。この後ロボットAは、第二スイッチがOFFの状態のまま主電池5を電源として動作し、充電器Bから離れて作業を開始する。ロボットが離れることにより、切替回路12のシャント抵抗12bおよび基準電圧抵抗12cとによって第三スイッチもOFFとなる。
本発明において、前記回路切替手段における電池切替回路13並びに第二スイッチ11,第三スイッチ12のスイッチ切替回路11a、12aは、上記した実施例のものに限らず、当該実施例で示した動作を発揮する範囲内で、別の切替回路で形成することも可能である。また、充電アダプタによって変換される直流電気の電圧は、ロボットのサイズや使用電気量によって異なるものであり、例えば小型の玩具ロボット用の1.5Vから上記実施例で示した24Vまで、或いはそれ以上のものが適用される。
本発明は、車輪やキャタピラにより走行するロボットや、犬、猫のような4足歩行のペット型ロボット、或いは2足直立歩行の人間型ロボット等のバッテリーを電源とする種々のタイプの移動ロボットの電池システムに利用することができる。
本発明にかかる電池充電システムの一実施例を電気回路図と共に示す説明図。 上記電池充電システムのタイムチャート図。 本発明にかかる電池充電システムの各部の動作を示す説明図。
符号の説明
A ロボット
B 充電器
3 制御部
4 車輪
5 主電池
6 副電池
7 第一スイッチ
8 第一残量検出回路
9 第二残量検出回路
10 第一スイッチ
11 第二スイッチ
12 第三スイッチ
13 電池切替回路

Claims (3)

  1. 制御部によってコントロールされる自走機構を備えたロボットと、ロボットに搭載され前記制御部の電源となる主電池および充電器による主電池の充電時に制御部に電力を供給する副電池と、これら主電池並びに副電池と制御部とを接続する制御部電源回路、及び、主電池並びに副電池と充電器とを接続する電池充電回路を切り替える回路切替手段とからなる自律移動ロボットの電池充電システム。
  2. 前記回路切替手段は、主電池並びに副電池の残存容量を個別に検出して検出信号を出力する第一残量検出回路並びに第二残量検出回路と、第一残量検出回路並びに第二残量検出回路によって検出された主電池並びに副電池の残存容量検出信号に応答して第一スイッチをON、OFF動作する電池切替回路と、ロボットが充電器に接続されたときに充電器と主電池との回路をONに切り替えるとともに主電池が既定値まで充電されたときにOFFになる第二スイッチと、主電池が規定値まで充電されると副電池充填のために充電器と副電池との回路をONに切り替える第三スイッチとを備えており、更に、主電池が既定値まで充電されて制御部への放電開始後に若干のタイムラグをあけて前記第三スイッチがONになって副電池の充電が開始するように形成されている請求項1に記載の自律移動ロボットの電池充電システム。
  3. 主電池が副電池よりも充電可能な電気容量が大きいことを特徴とする請求項1に記載の自律移動ロボットの電池充電システム。
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