JP2006304544A

JP2006304544A - 自律移動ロボットの電池充電システム。

Info

Publication number: JP2006304544A
Application number: JP2005125303A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yamada; 誠山田; Jiro Onishi; 二朗大西; Yasuhiro Asai; 康広浅井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02

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_０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_１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_１から時間が経過して時刻Ｔ_２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_３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Ｔ_２’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Ｔ_２”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_３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_３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、Ｔ_２”からＴ_３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_４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

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。
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。
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。