JP2008172906A - 産業機械の動力制御装置及び動力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】産業機械の動力制御装置に関し、特に、エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、出力指示に応じてそのエネルギーを制御する産業機械の動力制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】産業機械１０は、産業機械の動力を制御する動力制御装置４０と、産業機械に加わる様々な負荷情報や環境情報を検出するセンサを有する負荷検出コントローラ２０と、外部からの作業指示を受け付ける指示受付部１７と、複数のモータ１６と、二次電池１１と、電気二重層コンデンサ１２と、燃料電池１３と、を含んでいる。また、動力制御装置４０は、制御コントローラ１５と、各種動力源の動力を配分する動力分配変換器１４と、記憶手段に記憶された消費・供給特性情報１９及び動力配分アルゴリズム１８と、を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械の動力制御装置に関し、特に、エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、出力指示に応じてそのエネルギーを制御する産業機械の動力制御装置に関する。

近年、エネルギー使用効率を高める技術が開発され、様々なエネルギー源が実用化されている。特に、自動車等の輸送用機械では、内燃機関にモータと二次電池とを付加したハイブリッド自動車や、二次電池や燃料電池を利用した電気自動車が開発されている。

また、エネルギー源として、燃料電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の他に、補助電源として電気二重層コンデンサ（例えば、スーパキャパシタ（登録商標））等も利用されている。

このように、ハイブリッド自動車等の輸送機械は、エンジンに接続した発電機、ニッケル水素電池、及びリチウムイオン電池等のような複数のエネルギー源を搭載することが可能である。しかし、自動車と比較して小さいロボット等では、搭載スペースが限られることから自動車のような複数の動力源を配置するには無理があった。

近年、ロボット技術のめざましい発展により、例えば、二つの車輪により走行し、床占有面積の小さな倒立振子型の台車ロボットが開発された。また、特許文献１には、倒立振子型台車ロボットに重量物を把持する機能を持たせ、台車ロボットによって重量物の運搬等を行わせるロボットが開示されている。このロボットは、二つの車輪により倒立姿勢で走行し、重量物を把持するための２本のアームを有し、各アームの関節部には複数のモータを内蔵している。

しかし、このような重量物の運搬を行うロボットにおいて、長時間の連続運転を行わせるためには高電圧、大容量の二次電池を搭載しなければならず、ロボットの大型化を招き、倒立振子型ロボットのメリットを生かすことができないという問題がある。

また、倒立振子型ロボットの特性として、転倒しそうな時や、段差を乗り越える時などは、車輪を動かすモータに瞬間的に大きなエネルギーを供給する必要がある。このため、大型化による重量増は更なるエネルギー消費となり、連続運転時間を延ばすことは困難であった。

このようなエネルギーの効率利用を実現する技術として、運動エネルギーを必要しているモータに、他のモータの回生エネルギーを融通する技術が特許文献２に開示されている。

特開２００４−３４５０３０号公報 特開２００１−３７０８０号公報

しかし、上述したロボットに特許文献２の技術を用いても、限られたモータからの回生エネルギーだけではその効果が薄く、十分なエネルギーを融通することは困難である。

また、従来より長時間の連続運転が可能で、重量物の持ち上げ時や転倒しそうな時に瞬間的なエネルギー供給を効率的に行う動力源、及び、動力源の最適な使用方法等は開発されていなかった。

そこで、本発明の目的は、産業機械の動力制御装置に関し、特に、エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、出力指示に応じてそのエネルギーを制御する産業機械の動力制御装置及び制御方法を提供することである。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る産業機械の動力制御装置は、エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、与えられた出力指示に応じてそのエネルギーを制御する産業機械の動力制御装置において、産業機械の負荷状況を検出する複数の負荷検出手段と、動力供給源のエネルギー供給特性である供給特性情報と動力機関のエネルギー消費特性である消費特性情報とを記憶する記憶部と、負荷検出手段によって得られた負荷情報と、記憶部に記憶された消費特性情報、供給特性、及び、与えられた出力指示と、に基づいて動力配分を算出する配分算出手段と、算出された動力配分を複数の動力供給源へそれぞれ指示する配分指示手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る産業機械の動力制御装置において、配分算出手段は、負荷検出手段から得た負荷状況と、記憶部に記憶された供給特性情報及び消費特性情報と、に基づいて余裕度を算出し、余裕度を含む動力配分を算出することを特徴とする。

さらに、本発明に係る産業機械の動力制御装置において、動力供給源は、燃料電池と、充電可能な二次電池及び電気二重層コンデンサと、を含み、動力機関は、電動機と発電機との機能を有する回転電機であり、配分算出手段は、動力機関の回生エネルギーを動力供給源に配分することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る産業機械の動力制御装置において、配分算出手段は、負荷検出手段により検出した環境温度が低温である場合、環境温度に基づいた充放電動作を含む動力配分を算出し、配分指示手段は、算出された動力配分を動力供給源に指示し、動力供給源の自己温度を上昇させる自己昇温手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係る産業機械の動力制御方法は、エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、与えられた出力指示に応じてエネルギーを制御する産業機械の動力制御方法において、産業機械の負荷状況を検出する複数の負荷検出工程と、動力供給源のエネルギー供給特性である供給特性情報と動力機関のエネルギー消費特性である消費特性情報とを記憶部に記憶する記憶工程と、負荷検出工程によって得られた負荷情報と、記憶工程で記憶された消費特性情報、供給特性、及び、与えられた出力指示に基づいて動力配分を算出する配分算出工程と、算出された動力配分を複数の動力供給源へそれぞれ指示する配分指示工程と、を含むことを特徴とする。

さらに、本発明に係る産業機械の動力制御方法において、配分算出工程は、負荷検出工程から得た負荷状況と、記憶部に記憶された供給特性情報及び消費特性情報と、に基づいて余裕度を算出し、余裕度を含む動力配分を算出することを特徴とする。

本発明を用いると、複数の動力源やモータを有する産業機械において、数時間連続して運転可能で、重量物の持ち上げ時や転倒しそうな時に瞬間的なエネルギー供給を効率的に行う動力源、及び、動力源の最適な使用方法を実現することが可能となり、限られたモータからの回生エネルギーであっても有効に供給することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る産業機械１０の動力制御装置４０の概要構成を示している。産業機械１０は、産業機械の動力を制御する動力制御装置４０と、産業機械に加わる様々な負荷情報や環境情報を検出するセンサを有する負荷検出コントローラ２０と、外部からの作業指示を受け付ける指示受付部１７と、複数のモータ１６と、二次電池１１と、電気二重層コンデンサ１２と、燃料電池１３と、太陽電池２８と、を含んでいる。

産業機械の動力を制御する動力制御装置４０は、制御コントローラ１５と、各種動力源の動力を配分する動力配分変換器１４と、記憶手段に記憶された消費・供給特性情報１９及び動力配分アルゴリズム１８と、を含んでいる。また、負荷検出コントローラ２０は、視覚センサ２１と、臭覚センサ２２と、姿勢センサ２３と、温度センサ２４と、トルクセンサ２５と、荷重センサ２６と、を含んでいる。

次に、情報の流れについて説明する。外部からの作業指示を指示受付部１７が受信すると、その指示は制御コントローラ１５に送られる。制御コントローラ１５は、負荷検出コントローラ２０からの負荷情報を取得すると共に、複数のモータそれぞれのエネルギー消費特性と、動力源それぞれのエネルギー供給特性と、に基づいて動力配分変換器１４に動力の制御指令を送る。

動力配分変換器１４は、制御コントローラ１５からの指示に基づいて、二次電池１１、電気二重層コンデンサ１２、及び、燃料電池１３に対してエネルギーの出力を指示し、そのエネルギーをモータ１６に出力する。また、動力配分変換器１４は、モータ１６からの回生エネルギーを受け取り、電気二重層コンデンサ１２へ出力する処理や、燃料電池１３が発電したエネルギーを二次電池１１に蓄える等のエネルギー交換も内蔵する昇降圧インバータ（図示せず）により実行する。なお、太陽電池２８は、その特性上、光量に応じて発電するため、太陽電池２８に対してはエネルギー出力指示を行っていない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図２と図３を用いて述べる。図２は、第２の実施形態に係る倒立振子型台車ロボット１００の正面図を示し、図３は倒立振子型台車ロボット１００（以下、台車ロボットと略す。）の側面図を示している。なお、本実施形態は、第１の実施形態の動力制御装置１０を台車ロボット１００に用いた一例である。

台車ロボット１００は大きく分けて台車部と、動力部と、胴体部と、上体部と、を有している。また、台車部は右車輪３６と左車輪３７とそれぞれの車輪を駆動するモータ１６とを有し、動力部は動力源となる二次電池１１と、電気二重層コンデンサ１２と、燃料電池１３と、太陽電池２８と、を有している。なお、太陽電池２８は、その特性上、光の当たる台車ロボット１００の肩部に配置されている。

胴体部は、台車ロボット１００を制御する制御コントローラ１５と上肢体制御コントローラ３２と動力配分変換器１４とモータドライバー３１と負荷検出コントローラ２０とを有し、ヘッド部３５を含む上肢体部は、重量物を把持するハンドと、多関節部を有する右アーム３４及び左アーム３３とを有している。さらに、ヘッド部３５は、カメラによる映像検出を行う視覚センサ２１と、対象物の重量を臭いで検知することのできる臭覚センサ２２と、超音波測定による距離センサ等（図示せず）、を有している。

図４は、台車ロボット１００が重量物を持ち上げる場合における処理の流れを示している。以下、図１と図４とを用いて台車ロボット１００の動力制御の流れを述べる。処理が開始されると負荷検出コントローラ２０は、ステップＳ１０において、複数のセンサが各々正常に作動しているかを判定し、各種センサからの入力により並列処理を実行する。なお、図４では、複数のセンサのうち視覚センサ２１と、台車部に設けられた荷重センサ２６と、の入力による処理を示している。

負荷検出コントローラ２０は、視覚センサ２１からの画像入力（ステップＳ１２）と、重量物を持ち上げる前に重量測定のための試行を行い、その時の荷重を荷重センサから入手（ステップＳ１４）する試行動作と、を行い、制御コントローラ１５へその情報を伝える。

次に、制御コントローラ１５は、視覚センサ２１から取得した画像形状と予め設定している様々な物体形状と比較して物体の重量を予測し、軽量であれば「軽：１」、中量であれば「中：２」、重量でれば「重：３」として負荷変数に記憶する（ステップＳ１６）。さらに、制御コントローラ１５は、荷重センサからの情報も同様に判定して軽作業であれば「１」、中作業であれば「２」、重作業であれば「３」として予測して負荷変数にそれぞれ記憶する（ステップＳ１８）。

制御コントローラ１５は、動力配分を算出するために、それぞれのセンサによって検出された負荷変数をそれぞれ比較して最大の負荷変数を求める（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において得られた負荷変数の最大値と、予め記憶された消費特性及び供給特性と、に基づいて動力配分を判定して、動力配分変換器１４に制御を指示する（ステップＳ２２）。

制御コントローラ１５は、負荷変数が「軽：１」の場合は安定的に発電している燃料電池１３のエネルギーを優先して使用すると判定し（ステップＳ２４）、負荷変数が「中：２」の場合は二次電池１１のエネルギーを優先して使用すると判定し（ステップＳ２６）、負荷変数が「重：３」の場合は二次電池１１と電気二重層コンデンサ１２と燃料電池１３等の全てのエネルギーを使用すると判定（ステップ２８）して動力変換器１４へ伝える。

動力配分変換器１４は、制御コントローラ１５からの指示と、二次電池１１及び電気二重層コンデンサ１２の充電状態と、燃料電池１３及び太陽電池２８の発電状態と、に基づいてどの程度のエネルギーを出力させるかの割合を決定し、モータ１６にエネルギーを供給する（ステップＳ２９）。以上の処理により、重量物を持ち上げる場合の動力配分が実行される。以降、太陽電池２８は燃料電池１３と同じ扱いとし、その説明を省略する。

図５は、急激な姿勢変化や段差を乗り越える場合における動力制御の処理の流れを示す。本処理において特徴的なことは、作業場所の段差を超えようとして瞬発的な動作が必要な場合や重量物を持ち上げる瞬間に姿勢を立て直す動作にも対応したことである。

まず、図５に示す処理が開始されると負荷検出コントローラ２０は、ステップＳ３０において、台車ロボット１００の胴体部に搭載された姿勢センサ２３を含む複数のセンサが各々正常に作動しているかを判定し、各種センサからの入力により並列処理を実行する。

次に、負荷検出コントローラ２０は、姿勢センサ２３からの姿勢入力（ステップＳ３２）と、その他のセンサからの情報を入手（ステップＳ３４）と、を行い、制御コントローラ１５へその情報を伝える。制御コントローラ１５は、姿勢センサ２３からの入力から緊急で姿勢を立て直す必要があるのか、あるいは、現状の動作継続後、姿勢を立て直す必要があるのか、さらには、これらを予見できるか否か等を判定する。

もし、その判定結果が緊急を要すもの（又は、予見できない場合）から順に緊急度「高：３」，緊急度「中：２」，緊急度「低：１」であると判定して負荷変数に記憶する（ステップＳ３６，Ｓ３８）。制御コントローラ１５は、動力配分を算出するために、それぞれのセンサからの負荷変数の最大値を求め（ステップＳ４０）、得られた負荷変数の最大値と、予め記憶された消費特性及び供給特性とに基づいて動力配分を判定し、動力配分変換器１４に制御を指示する（ステップＳ４２）。

制御コントローラ１５は、緊急度が「高：３」の場合は二次電池１１と電気二重層コンデンサ１２と燃料電池１３等の全てのエネルギーを使用し（ステップＳ４８）、緊急度が「中：２」の場合は二次電池１１と電気二重層コンデンサのエネルギーを優先して使用すると判定し（ステップＳ４６）、「低：１」の場合は二次電池１１と燃料電池１３のエネルギーを優先して使用する（ステップＳ４４）と判定して動力配分変換器１４へ伝える。

動力配分変換器１４は、制御コントローラ１５からの指示と、二次電池１１及び電気二重層コンデンサ１２の充電状態と、燃料電池１３の発電状態と、に基づいてどの程度のエネルギーを出力させるかの割合を決定し、モータ１６にエネルギーを供給する（ステップＳ４９）。以上で緊急時の動力配分が実行される。

図６は、回生エネルギーの融通処理の流れを示す。本処理において特徴的なことは、制御コントローラ１５が指示受付部１７から受け付けた指示を事前に分析し、重量物を降ろすようなエネルギー回生を含むかどうかを分析して動力配分を行うことである。

図６に示す処理が開始されると負荷検出コントローラ２０は、ステップＳ５０において、台車ロボット１００のアーム部に設けられたトルクセンサ２５を含む複数のセンサが各々正常に作動しているかを判定し、各種センサからの入力（ステップＳ５４）に対応して負荷を予測（ステップＳ５８）し並列処理を実行する。

次に、制御コントローラ１５は、上述した指示分析に基づいて、トルクセンサ２５の入力予想値を負荷検出コントローラ２０に事前に送る。負荷検出コントローラ２０は、トルクセンサ２５からのトルク入力（ステップＳ５２）により作業状態を検知し、制御コントローラ１５からのトルク入力予測値と比較して回生エネルギーを考慮した情報を制御コントローラ１５へ送る（ステップＳ５５）。

制御コントローラ１５は、負荷検出コントローラ２０からの情報に基づき、回生により作業負荷が軽減されるようであれば「軽：１」、中量であれば「中：２」、重い負荷であれば「重：３」として予想して負荷変数に記憶する（ステップＳ５６）。制御コントローラ１５は、動力配分を算出するために、それぞれのセンサからの負荷変数の最大値を求め（ステップＳ６０）、得られた負荷変数の最大値と消費特性及び供給特性とに基づいて動力配分を判定して、動力配分変換器１４に制御を指示する。

制御コントローラ１５は、動力配分の判定を行い（ステップＳ６２）、負荷変数が「軽：１」の場合は安定的に発電している燃料電池１３のエネルギーを優先して使用すると判定し（ステップＳ６４）、負荷変数が「中：２」の場合は二次電池１１のエネルギーを優先して使用すると判定し（ステップＳ６６）、負荷変数が「重：３」の場合は二次電池１１と電気二重層コンデンサ１２と燃料電池１３等との全てのエネルギーを使用すると判定する（ステップＳ６８）。次に、判定結果を各動力源に出力する（ステップＳ６９）。以上で、回生エネルギーの回収を含む動力配分処理が実行される。

図７は、低温環境下におけるウォーミングアップ処理の流れを示す。本処理において特徴的なことは、環境温度が低下している場合、温度センサ２４で測定した環境温度に基づいて、短時間サイクルの充放電を動力源に指示し、動力源及び各機器の温度上昇（ウォーミングアップ）を図ることである。

図７に示す処理が開始されると、センサのチェックを実行し（ステップＳ７０）、温度センサ２４から環境温度を取得し（ステップＳ７２）、台車ロボット１００の動力源の温度上昇となる動力配分を算出（ステップＳ７４）して、負荷変数に記憶する。

制御コントローラ１５は、動力配分の判定を行い（ステップＳ７６）、負荷変数が「１０Ｃ°以上：１」の場合は低温に弱い燃料電池１３のエネルギーを優先して使用して昇温すると判定し（ステップＳ７８）、負荷変数が「０Ｃ°±１０Ｃ°程度：２」の場合は二次電池１１のエネルギーを優先して使用して自己昇温と燃料電池１３を昇温すると判定し（ステップＳ８０）、負荷変数が「−１０Ｃ°以下：３」の場合は二次電池１１と電気二重層コンデンサ１２と燃料電池１３等の全てのエネルギーを使用して昇温させると判定（ステップ８２）して動力配分変換器１４へ制御を指示する。

動力配分変換器１４は、制御コントローラ１５からの指示と、二次電池１１及び電気二重層コンデンサの充電状態と、燃料電池１３及び太陽電池２８の発電状態と、に基づいてどの程度のエネルギーを出力させるかの割合を決定し、燃料電池１３の発電と、モータ１６にエネルギーを供給して放電をさせてウォーミングアップ処理が行われる（ステップＳ８４）。以上の処理により、ウォーミングアップの場合の動力配分が実行される。

以上、上述したように、本実施形態によると、重量物の持ち上げや転送しそうな時に瞬間的なエネルギー供給を行える共に、回生エネルギー回収及び低温時のウォーミングアップ等を効果的に制御することができるという効果がある。なお、本実施形態では、動力制御装置を倒立振子型台車ロボットに用いたが、これに限定するものではなく、エネルギー源を内蔵する小型の産業機械に適応できるのはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る産業機械の動力制御装置の構成を示した構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る倒立振子型台車ロボットの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る倒立振子型台車ロボットの側面図である。 第２の実施形態に係る動力制御の処理の流れを示すフローチャート図である。 第２の実施形態における姿勢維持における動力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 第２の実施形態における回生エネルギーの融通処理の流れを示すフローチャート図である。 第２の実施形態における低温環境下におけるウォーミングアップ処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１０ 産業機械、１１ 二次電池、１２ 電気二重層コンデンサ、１３ 燃料電池、１４ 動力配分変換器、１５ 制御コントローラ、１６ モータ、１７ 指示受付部、１８ 動力配分アルゴリズム、１９ 消費・供給特性情報、２０ 負荷検出コントローラ、２１ 視覚センサ、２２ 臭覚センサ、２３ 姿勢センサ、２４ 温度センサ、２５ トルクセンサ、２６ 荷重センサ、２８ 太陽電池、３１ モータドライバー、３２ 上肢体制御コントローラ、３３ 左アーム、３４ 右アーム、３５ ヘッド部、３６ 右車輪、３７ 左車輪、４０ 動力制御装置、１００ 倒立振子型台車ロボット。

Claims (6)

1. エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、与えられた出力指示に応じてそのエネルギーを制御する産業機械の動力制御装置において、
   産業機械の負荷状況を検出する複数の負荷検出手段と、
   動力供給源のエネルギー供給特性である供給特性情報と動力機関のエネルギー消費特性である消費特性情報とを記憶する記憶部と、
   負荷検出手段によって得られた負荷情報と、記憶部に記憶された消費特性情報、供給特性、及び、与えられた出力指示と、に基づいて動力配分を算出する配分算出手段と、
   算出された動力配分を複数の動力供給源へそれぞれ指示する配分指示手段と、
   を備えたことを特徴とする産業機械の動力制御装置。
2. 請求項１に記載の産業機械の動力制御装置において、
   配分算出手段は、
   負荷検出手段から得た負荷状況と、記憶部に記憶された供給特性情報及び消費特性情報と、に基づいて余裕度を算出し、余裕度を含む動力配分を算出することを特徴とする産業機械の動力制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の産業機械の動力制御装置において、
   動力供給源は、燃料電池と、充電可能な二次電池及び電気二重層コンデンサと、を含み、
   動力機関は、電動機と発電機との機能を有する回転電機であり、
   配分算出手段は、動力機関の回生エネルギーを動力供給源に配分することを特徴とする産業機械の動力制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の産業機械の動力制御装置において、
   配分算出手段は、負荷検出手段により検出した環境温度が低温である場合、環境温度に基づいた充放電動作を含む動力配分を算出し、
   配分指示手段は、算出された動力配分を動力供給源に指示し、動力供給源の自己温度を上昇させる自己昇温手段を有することを特徴とする産業機械の動力制御装置。
5. エネルギーを動力機関に供給する複数の動力供給源を有し、与えられた出力指示に応じてエネルギーを制御する産業機械の動力制御方法において、
   産業機械の負荷状況を検出する複数の負荷検出工程と、
   動力供給源のエネルギー供給特性である供給特性情報と動力機関のエネルギー消費特性である消費特性情報とを記憶部に記憶する記憶工程と、
   負荷検出工程によって得られた負荷情報と、記憶工程で記憶された消費特性情報、供給特性、及び、与えられた出力指示に基づいて動力配分を算出する配分算出工程と、
   算出された動力配分を複数の動力供給源へそれぞれ指示する配分指示工程と、
   を含むことを特徴とする産業機械の動力制御方法。
6. 請求項５に記載の産業機械の動力制御方法において、
   配分算出工程は、
   負荷検出工程から得た負荷状況と、記憶部に記憶された供給特性情報及び消費特性情報と、に基づいて余裕度を算出し、余裕度を含む動力配分を算出することを特徴とする産業機械の動力制御方法。

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