JP2008181177A - 充電池搭載移動体の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電池を搭載した移動体が、充電器に自走して到達し、充電する構成を実現することをもくてきとする。
【解決手段】充電器１８から発射される赤外線の線束の左右の限界を移動体１に搭載した左信号受信部１２、右信号受信部１３によって検出し、線束の中心に向かって進行し、再度線束の中心を検出することを繰り返す。また、移動体１の充電用接点１１の左右には左ガイド１６、右ガイド１７が設置され、充電器１８側に摺動可能に設けられた電力供給用接点２３と充電用接点１１が嵌合するのを助ける構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電池を搭載した、例えば自走して室内を清掃するとともに、清掃が終了すれば、分離して設置された充電器に自走して帰還する掃除ロボットのような移動体の充電装置に関するものである。

従来、この種の充電池を搭載した移動体にあっては、移動により充電池の容量が低下したことを検知するか、一定時間動作したことを検出した後に、充電器へ戻る何らかの手段を有していた。

図９の移動ロボットの誘導装置では、指向性を持つ放射源１０１の放射波をロボット本体１０２の設置された二つの受波面１０３で受け、受波面１０３の受波強度が同じになる方向に４つの車輪１０４を制御することによって受電部１０５を所定のコンセントなどに導く構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２-１０５２０７号公報

しかしながら、上記構成においては、左右の受波面で強度が等しくなるように制御しようとしても、正確にロボット本体１０２を所定の位置に導くことは難しく、受電部１０５をコンセントに正確に結合できない課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、移動体に搭載されている充電池を確実に充電することを目的としたものである。

前記従来の課題を解決するため、回転力を作り出す駆動部、移動動作を制御する制御部へ電力を供給する充電池、この充電池への充電用接点、前記充電池の電力で駆動部からの回転力を受けて自走を可能とする駆動輪、および位置特定信号を受ける信号受信部を搭載した移動体と、前記移動体の信号受信部に位置特定信号を送信する信号送信部、移動体の充電用接点と嵌合し、摺動および回動する電力供給用接点を有する充電器とからなる構成としたものである。

これによって、充電器の設置位置が不確定であっても、移動体は、自らの判断で、充電器の位置を特定し、充電器にたどり着き、多少の位置ずれがあっても修正して充電用接点の結合を行い、充電池の充電を行うことが可能となる。

第１の発明は、回転力を作り出す駆動部、移動動作を制御する制御部へ電力を供給する充電池、この充電池への充電用接点、前記充電池の電力で前記駆動部からの回転力を受けて自走を可能とする駆動輪、および位置特定信号を受ける信号受信部を搭載した移動体と、前記移動体の信号受信部に位置特定信号を送信する信号送信部、前記移動体の充電用接点と嵌合し、摺動および回動する電力供給用接点を有する充電器とを具備したもので、充電器の設置位置が不確定であっても、移動体は、自らの判断で、充電器の位置を特定し、充電器にたどり着き、充電用接点の結合を行い、充電池の充電を行うことが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、信号受信部は、赤外線の収束用の鞘管を有する赤外線受光素子を左右に一対、一定の距離を保って設置したもので、一対の受光素子で、赤外線の線束を見ることによって、充電器の方向を正確に検出することが可能となる。

第３の発明は、特に第１の発明において、信号受信部は、受光した赤外線の強さに応じてディジタルの二値出力を制御部のマイクロコンピュータのＡ／Ｄ入力端子へ出力するもので、信号の処理がたやすくあるとともに、境界の判別も正確にできる。

第４の発明は、特に第３の発明において、信号受信部からマイクロコンピュータのＡ／Ｄ入力端子へ入力した信号を一定間隔毎に一定個数積算し、その積算値から受光赤外線の強度を判定するようにしたもので、２値で出力される信号を積算することによって、連続的に変化する信号と認識し、受光ビームの大きさを確実に捉えることができる。

第５の発明は、特に第１の発明において、信号送信部は、変調をかけて駆動した一個の赤外線発光素子からの赤外線を、赤外線束収束用の鞘管内から送信するもので、所定の収束した赤外線線束を売ることができ、充電器の位置を確実に特定することが可能となる。

第６の発明は、特に第１の発明において、駆動部は制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器からの赤外線束の左右方向の限界を検出するものであり、赤外線の線束の広がりを、移動体自身の回転により捉えるものである。

第７の発明は、特に第６の発明において、駆動部は制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、左回転時に左側に設置された受光素子の出力が一定値よりも小さくなった時、左限界と判断し、右回転時に右側に設置された受光素子の出力が一定値よりも小さくなった時、右限界と判断する光束の判定手段を有するものであり、左右の赤外線受光部でそれぞれ外側の受光部で判定することで、より正確に、限界を判定することができる。

第８の発明は、特に第６の発明において、駆動部は制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器から放射される赤外線束の左右方向の限界を検出するとともに、左右方向の限界角度の半分である中心角を演算、中心角の方向に本体を回転設置し、一定距離、充電器の方向に移動するものであり、常に左右の限界の半分の方向を向いて進んでいくことから、充電器の方向に、移動体を進めることが可能となる。

第９の発明は、特に第６の発明において、駆動部は制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器から放射される赤外線束の左右方向の限界を検出するとともに、左右方向の限界角度の半分である中心角を演算、中心角の方向に本体を回転して設置し、一定距離、充電器の方向に移動左右方向の限界を検出する左右の回転方向を、交互変えて行うものであり、回転の方向を交互に切換えることにより、誤差の累積を防ぎ、精度の向上を図るものである。

第１０の発明は、特に第１の発明において、移動体の充電用接点の周縁には充電器の電力供給用接点との嵌合へと導くためのガイド壁を設置したもので、ガイド壁によって接合部に滑らかに導かれ、正確な接触を得ることが可能となる。

第１１の発明は、回転力を作り出す駆動部および移動動作を制御する制御部へ電力を供給する充電池と充電池への充電用接点と前記充電池の電力で駆動部からの回転力を受けて自走を可能とする駆動輪と位置特定信号を受ける信号受信部が搭載された移動体と、移動体の信号受信部に位置特定信号を送信する信号送信部と移動体の充電用接点と嵌合し、摺動および回動する電力供給用接点を有する充電器において、移動体の充電用接点と電力供
給用接点との嵌合を検出して移動体の駆動部の動作を停止するものであり、正確な嵌合、動作の停止を行うものである。

第１２の発明は、特に第１１の発明において、移動体停止手段は、充電用接点とともに移動体に設置された接合検出手段よりなるもので、接合時に接点が開放されることによって、接合が完了したことを検出するものである。

第１３の発明は、特に第１１の発明において、移動体停止手段は、充電器に移動体が接近検出手段と、充電器からの位置特定信号の放射停止手段により、位置特定信号の放射が停止されたことを移動体が判断し、制御部から駆動部を停止命令を発令することによって行うもので、移動体の移動体の制御部による制御で自身を停止させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、移動体１には、両横に取り付けられた駆動輪２、３を駆動するモータ４、５や、これらモータ４、５の回転角度を検出するエンコーダ６、７が設置され、マイクロコンピュータ８によって前記モータ４、５を制御することによってその回転、前進を制御している。

制御系の電源、モータ４、５の回転のための電力は、ニッケル水素イオン電池やリチウムイオン電池など構成された充電池９から供給されるようにしてある。

移動体１の底壁１０−１の下には、前輪１０−２の他、前記充電池９への電力供給の入り口となる充電用接点１１が設置されている。

また、移動体１の位置を特定するための赤外線信号を受信する左信号受信部１２、および右信号受信部１３が設置されている。これら左信号受信部１２、右信号受信部１３はともに正面からの赤外線だけを受光するために鞘部１４で覆われ、移動体１の正面に一定の水平距離を保って設置されており、鞘部１４の穴１５から左信号受信部１２、右信号受信部１３に赤外線が到達するようにしてある。充電用接点１１の左右には、左ガイド１６、右ガイド１７が設置されている。

一方充電器１８には、移動体１へ信号を送信する赤外線発光ダイオード１９、発振回路２０からなる信号送信部２１が設けられている。

前記発信回路２０では赤外線発光ダイオード１９の赤外線発光に変調をかけるようにしている。その理由は、移動体１側の左信号受信部１２、右信号受信部１３の受信感度が周波数特性を有するためである。受信感度が最良になる変調周波数は２０〜３０ｋＨｚ程度である。

このように、単に赤外線の線束を発射するだけでなく、変調をかけた信号を発信することにより、最大感度を得ることができるとともに、変調信号の中に、固有の識別信号を重畳させて送信することによって、他の機器の赤外線リモコン装置などとの相互干渉を防ぐことが出来、信頼性の高いシステムを実現することができる。

変調をかけられた赤外線は、鞘管２２の穴から移動体１に向けて発射されるようにしてあるため、線束が絞られ、充電器１８の位置を特定するために鋭い指向性が付与される。

また、充電器１８には、移動体１の充電用接点１１と嵌合する電力供給用接点２３が取り付けられている。ここで、電力供給用接点２３は充電器１８の台２４に切られた溝２５の中を摺動する。

以上のような構成で移動体１の充電池９の電圧が低下した時、移動体１は充電器１８で充電を行う。

充電器１８の赤外線発光ダイオード１９からの線束は、左信号受信部１２、および右信号受信部１３によって捉えられる。そして、移動体１は赤外線の来る方向が充電器１８の方向であることを知る。

左信号受信部１２、右信号受信部１３が赤外線信号を受信できないときは、移動体１は３６０°回転することによってその方向を探る。赤外線の線束には幅があるので、探り当てた方向にそのまま進んでも充電用接点１１と電力供給用接点２３を嵌合させることはむずかしい。そこで移動体は、それ自体が左右に振ることで、線束の見通し角の大きさを認識する。

図２は赤外線信号受信部の出力の模式で、受信赤外線が強いほどＬＯＷ期間の幅が広く、弱いほどＨＩＧＨ期間の幅が広くなる。

図２は時間経過に従って赤外線が次第に強くなり、そしてまた再び弱くなっていったことを示している。

ここで左信号受信部１２、及び右信号受信部１３は図２に示すような受光した赤外線の強さに応じたディジタルの二値出力を制御部のマイクロコンピュータ８のＡ／Ｄ入力端子へ出力する構成としてある。

図３は赤外線強度の積算方式を示すタイムチャートであり、（ａ）は受光部の出力、（ｂ）は２ミリ秒毎のデータの過去１０個分の積分値である。

マイクロコンピュータ８は入力信号を受け取った時には、２ミリ秒毎にバッファーに収納し、過去１０個分のデータを加算して、赤外線の強度を判定する。連続して、赤外線入力があれば、積算値は小さくなり、連続して、赤外線入力がなければ、積算値は大きくなる。このように連続したデータを積算すれば、二値出力データであっても中間的な赤外線レベルも測定でき、赤外線の強度分布も知ることが出来る。

駆動輪２，３はマイクロコンピュータ８からの信号を受けて移動体１を水平面で回転させる。左回転時には、左側に設置された左信号受信部１２の出力が一定値（例えば１０個の積算値が８）よりも大きくなった時、左限界と判断する。また、右回転時には右側に設置された右信号受信部１３の出力が一定値よりも大きくなった時、右限界と判断する。

さらに、２以下であれば、赤外線束のほぼ中心であると判断できる。当然積分する時間だけ、実際の線束の中心とのずれを生じるが、その時間はせいぜい１０ミリ秒程度であり、移動体本体の回転角度のずれは無視できるものである。

このようにディジタルの二値信号の連続した積算値で赤外線強度を判定することによって、線束の境界の判定が容易になる。即ち、左回転している時に、左信号受信部１２で赤外線を検知しなくなった時点を左限界、右回転している時に、右信号受信部１３で赤外線を検知しなくなった時点を右限界と認識する。

図４は移動体１の進行方向を決める動作を示し、充電器１８から発射される赤外線束に対して移動体１は右回転時に右信号受信部１３の信号より右限界を知り、停止する。

次に、左回転時に左信号受信部１２の信号より左限界を知り停止する。その後、右限界と左限界を見込む角φの半分、φ／２だけ右回転して停止、その角度を保ったまま一定距離前進して充電器１８に近づく。

このように左右の限界値を見極め、その中心へ進んでいくことで確実に移動体は、充電器１８へ進んでいくことが出来る。

図５は移動体１の進行方向を決める動作説明で、充電器１８に向かって前進した移動体１がその前の位置での限界の探索を左回転より始めたことを示している。

このように、線束の左右の限界の探索を充電器１８に近づきつつ左右交互に行うことによって誤差の累積を防ぎ、より確実に移動体１を受電器１８に導くことが可能となる。

移動体１の充電用接点１１の左右には充電器１８の電力供給用接点２３との滑らかな嵌合を実現するために、八字状に左ガイド１６、右ガイド１７が設けられており、移動体１が充電器１８に接近するとこれら左、右ガイド１６，１７が電力供給用接点２３を挟み込む。

従って、電力供給用接点２３は充電器１８の台２４に切られた溝２５の中を摺動し、充電用接点１１と電力供給用接点２３の滑らかな接続が図られる。このように、ガイドと接点の摺動構造という二つの構成が相まって、電力供給用の接点の接合という、充電における重要な機能を信頼性高く実現することが可能となる。

図６において、移動体１は充電用接点１１が充電器１８の電力供給用接点２３と接合すると台２４に設けられた穴２６に前輪１０−２を落とし込むようにしている。走行中の前輪１０−２はばね２７で移動体１の内部に設置されたマイクロスイッチ２８のレバー２９を押し、接点を閉じている。

しかし、穴２６にばね２７の付勢力で前輪１０−２が落ち込むと、マイクロスイッチ２８のレバー２９を押さなくなり、接点が開放される。接点の状態をマイクロコンピュータ８が監視することによって、走行を停止し、充電を始める。このように、走行の停止と充電の開始を前輪１０−２の動きで監視するようにしている。

図７は充電池を搭載した移動体の充電装置の他の例を示す。

移動体１の充電用接点の中央の接点端子３０は、絶縁部３１を挟んで、切り欠き端子３２で構成されている。一方充電器１８の電力供給用接点の中央の接点端子３３は先端にショートバー３４を持つ絶縁体３５で構成されている。

充電用接点と電力供給用接点の嵌合が完成すると、切り欠き端子３２はショートバー３４によって導通し、その情報をマイクロコンピュータ８が検出することによって走行を停止し、充電を始める。このように充電用接点の中央の接点で接合を判定することでより確実な走行、充電判定を行う事が可能となる。

図８は移動体の充電装置の他の例である。

移動体１は充電用接点１１が充電器１８の電力供給用接点２３と接合すると、台２４に
設けられた穴２６に前輪１０−２が落ち込む。前輪１０−２は穴２６の内部に設置されたマイクロスイッチ２８のレバー２９を押し、接点を閉じる。

接点の閉で信号送信部２１の動作が停止し、赤外線発光ダイオード１９の発光が止まり、受光素子に信号が来なくなることから、マイクロコンピュータ８が走行を停止し、充電を始める。

このように、走行の停止と充電の開始を前輪１０−２の動きで操作することが可能となる。

以上のように、移動体が充電器に向かって自走し、接合の位置がずれても修正するべく充電器の可動に設けられた接点と移動体の充電接点を結合した後、移動体本体に搭載されている充電池を充電することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる充電池を搭載した移動体の充電装置は、充電装置に限らず、遠隔地から目的地へ目指す移動体に応用することが可能である。

本発明第１の実施の形態における充電池搭載移動体の充電装置の構成図 本発明第１の実施の形態における赤外線信号受信部の出力のタイムチャート 本発明第１の実施の形態における赤外線強度の積算方式を示すタイムチャート 本発明第１の実施の形態における移動体の進行方向を決める動作を示す説明図 本発明の第１の実施の形態における移動体の進行方向を決める動作を示す他の説明図 本発明の第１の実施の形態における充電池を搭載した移動体の充電装置の構成図 本発明の第１の実施の形態における充電池を搭載した移動体の充電装置の他の構成図 本発明の第１の実施の形態における充電池を搭載した移動体の充電装置の他の構成図 従来の充電池搭載移動体の充電装置の構成図

符号の説明

１ 移動体
２、３ 駆動輪
４、５ モータ（駆動部）
８ マイクロコンピュータ（制御部）
９ 充電池
１０−２ 前輪
１１ 充電用接点
１２ 左信号受信部
１３ 右信号受信部
１４ 鞘部
１６ 左ガイド
１７ 右ガイド
１８ 充電器
１９ 赤外線発光ダイオード
２０ 発信回路
２２ 鞘管
２３ 電力供給用接点
２４ 台
２５ 溝
２６ 穴
２８ マイクロスイッチ

Claims (13)

1. 回転力を作り出す駆動部、移動動作を制御する制御部へ電力を供給する充電池、この充電池への充電用接点、前記充電池の電力で前記駆動部からの回転力を受けて自走を可能とする駆動輪、および位置特定信号を受ける信号受信部を搭載した移動体と、前記移動体の信号受信部に位置特定信号を送信する信号送信部、前記移動体の充電用接点と嵌合し、摺動および回動する電力供給用接点を有する充電器とを具備した充電池搭載移動体の充電装置。
2. 信号受信部は、赤外線の収束用の鞘管を有する赤外線受光素子を左右に一対、一定の距離を保って設置した請求項１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
3. 信号受信部は、受光した赤外線の強さに応じてディジタルの二値出力を制御部のマイクロコンピュータのＡ／Ｄ入力端子へ出力する請求項１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
4. 信号受信部からマイクロコンピュータのＡ／Ｄ入力端子へ入力された信号を一定間隔毎に一定個数積算し、その積算値から受光赤外線の強度を判定する請求項３記載の充電池搭載移動体の充電装置。
5. 信号送信部は、変調をかけて駆動した一個の赤外線発光素子からの赤外線を、赤外線束収束用の鞘管内から送信する請求項１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
6. 駆動部は、制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器からの赤外線束の左右方向の限界を検出する請求項１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
7. 駆動部は、制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、左回転時に左側に設置された受光素子の出力が一定値よりも小さくなった時、左限界と判断し、右回転時に右側に設置された受光素子の出力が一定値よりも小さくなった時、右限界と判断する光束の判定手段を有する請求項６記載の充電池搭載移動体の充電装置。
8. 駆動部は、制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器から放射される赤外線束の左右方向の限界を検出するとともに、左右方向の限界角度の半分である中心角を演算、中心角の方向に本体を回転設置し、一定距離、充電器の方向に移動する請求項６記載の充電池搭載移動体の充電装置。
9. 駆動部は、制御部からの信号を受けて移動体本体を水平面で回転させ、受光部で充電器から放射される赤外線束の左右方向の限界を検出するとともに、左右方向の限界角度の半分である中心角を演算、中心角の方向に本体を回転して設置し、一定距離、充電器の方向に移動左右方向の限界を検出する左右の回転方向を、交互に変えて行う請求項６記載の充電池搭載移動体の充電装置。
10. 移動体の充電用接点の周縁には充電器の電力供給用接点との嵌合へと導くためのガイド壁を設置した請求項１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
11. 回転力を作り出す駆動部、移動動作を制御する制御部へ電力を供給する充電池、この充電池への充電用接点、前記充電池の電力で前記駆動部からの回転力を受けて自走を可能とする駆動輪、および位置特定信号を受ける信号受信部が搭載された移動体と、前記移動体の信号受信部に位置特定信号を送信する信号送信部、前記移動体の充電用接点と嵌合し、摺動および回動する電力供給用接点を有する充電器とを具備し、前記移動体の充電用接点と電力供給用接点との嵌合を検出して移動体の駆動部の動作を停止する移動体停止手段を有する充電池搭載移動体の充電装置。
12. 移動体停止手段は、充電用接点とともに移動体に設置された接合検出手段よりなる請求項
    １１記載の充電池搭載移動体の充電装置。
13. 移動体停止手段は、充電器に移動体が接近検出手段と、充電器からの位置特定信号の放射停止手段により、位置特定信号の放射が停止されたことを移動体が判断し、制御部から駆動部を停止命令を発令することによって行う請求項１１記載の充電池搭載移動体の充電装置。

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