JP3810567B2 - Legged mobile robot - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、燃料電池を動力源とする脚式移動ロボットにおける、燃料電池の発電量制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、脚式移動ロボットの動力源としては、電線を介して接続した外部電源や、リチウム−イオンバッテリー等の2次電池が用いられている。しかし、外部電源を用いた場合は、電線を介して接続する必要があるため、ロボットの移動範囲が制限されるという致命的な欠点がある。
【0003】
また、リチウム−イオンバッテリー等の2次電池をロボットに搭載した場合には、ロボットの移動範囲の制限はなくなるが、重量制限の面から搭載可能な2次電池のエネルギー容量が制限される。そのため、ロボットの連続歩行時間が30分程度に制限されるとういう不都合があった。さらに、2次電池は充電時間が長いという不都合があった。
【0004】
また、ロボットにエンジン発電機を搭載することも考えられるが、この場合には、エンジンから排出される有害排気ガスやエンジンの騒音等の問題があるため、人間と共同作業を行うロボットには不適当である。
【0005】
そこで、重量に対するエネルギー容量がリチウム−イオンバッテリーよりも大きく、有害ガスや騒音を生じない燃料電池を、動力源としてロボットに搭載することが考えられる。しかし、燃料電池の出力電力は、燃料である水素の供給量に応じて変化する。
【0006】
そして、水素は改質器によりメタノール等の燃料から化学反応により生成されるが、改質器における水素生成量の増加は、改質器のヒータ温度を上げたり、改質器への空気供給量及び化石燃料の供給量を増加させて圧力を上げて、化学反応を促進させることで行われる。そのため、改質器に対して水素の生成量を増加させる指示を行ってから、実際に改質器からの水素の供給量が増加するまでには時間遅れを生じる。
【0007】
そのため、脚式ロボットの歩行開始時のように、モーター等の駆動系の負荷が急激に増大したときには、燃料電池から駆動系の負荷に見合った電力を得るべく、改質器に対して水素の供給量を増加させる処置を行っても、上述した時間遅れのため、燃料電池への水素の供給量が直ぐには増加せず、燃料電池から駆動系への供給電力が不足する場合が生じ得る。
【0008】
また、前記遅れ時間が生じることを防ぐため、改質器から燃料電池への燃料供給路にリザーブタンクを設けることも考えられるが、静止時と歩行時での消費電力の差が大きい脚式移動ロボットにおいては、歩行開始時の急激な負荷変動に応じた燃料電池への燃料供給を確保し得る大型のリザーブタンクが必要となる。そのため、リザーブタンクの設置スペースが拡大すると共に、重量も増加するという不都合があった。
【0009】
【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、大型のリザーブタンクを設けることなく、駆動系の負荷が急激に増大したときに、燃料電池からの供給電力が不足することを防止した脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、所定の行動計画に従って作動する行動計画機能を備えた脚式移動ロボットにおいて、該脚式ロボットの作動用電力を供給する燃料電池と、前記行動計画に従って脚式移動ロボットの作動を制御する作動制御手段と、該燃料電池の状態と前記行動計画の内容とを監視し、前記行動計画に応じて該燃料電池の発電量を調節する発電管理手段とを備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の脚式移動ロボットは、前記作動制御手段により、前記行動計画に従ってその作動が制御される。そして、前記発電管理手段は、前記燃料電池の状態と前記行動計画の内容とを監視し、前記行動計画に応じて前記燃料電池の発電量を調節する。そのため、前記行動計画の実行時に、前記燃料電池からの出力電力が不足しないように該燃料電池の発電量を制御して、重量あたりのエネルギー容量が大きい燃料電池を脚式移動ロボットの電源として用いることができる。
【0012】
また、前記燃料電池の燃料を生成する原料を保持する原料保持手段と、該原料保持手段から供給される原料から前記燃料電池の燃料を生成して該燃料電池に供給する改質器とを備え、前記発電管理手段は、前記燃料電池の燃料消費量に応じて、前記改質器に対して燃料の生成量の増減を指示し、また、前記行動計画の内容を該行動計画が実行される前に解析し、該行動計画において、前記燃料電池からの供給電力が所定レベル以上必要となる大負荷作動が実行されることを認識したときは、該大負荷作動が実行される前に、予め前記改質器に対して燃料生成量を増加させる指示をする先行処理を行うことを特徴とする。
【0013】
かかる本発明によれば、前記発電管理手段は、前記行動計画の解析により、前記大負荷作動が実行されることを認識したときは、予め前記改質器に対して燃料生成量を増加させる指示を行う。これにより、前記大負荷作動が実行される前にに、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量を増加させることができ、前記大負荷作動の実行時に前記燃料電池の出力電力が不足することを防止することができる。そしてこの場合、前記大負荷作動の実行に備えて、予め燃料を保持しておくための大型のリザーブタンクは不要である。
【0014】
また、前記改質器から出力される燃料を保持しながら前記燃料電池に供給するリザーブタンクを有し、前記発電管理手段は、前記リザーブタンク内の圧力が所定の上限圧を越えないように、前記先行処理を行うことを特徴とする。
【0015】
前記先行処理を行うと、前記改質器から出力される燃料によりリザーブタンク内の圧力は次第に上昇する。しかし、リザーブタンクで許容可能な圧力には上限(上限圧)があり、該上限圧を超えたときにはリザーブタンクが破損するおそれがある。そこで、リザーブタンク内の圧力がこのような上限圧を越えないように、前記先行処理を行うことで、前記リザーブタンクの破損を防止することができる。また、前記先行処理において、前記リザーブタンク内の圧力が前記上限圧を越えることがなくなるため、該上限圧に応じた必要最小限の大きさのリザーブタンクを用意すればよい。そのため、リザーブタンクに持たせる余裕分が少なくて済み、リザーブタンクの小型化、軽量化を図ることができる。
【0016】
また、前記発電管理手段は、前記先行処理として、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が前記大負荷作動に応じた必要供給量以上となるように前記改質器に対して燃料生成量の増加指示を行ってから、該必要供給量に応じて設定された目標生成量での燃料供給が実際になされるまでの想定時間である準備時間を、少なくとも前記改質器の反応遅れ特性によって決定し、該増加指示後、該準備時間が経過した時に、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示することを特徴とする。
【0017】
かかる本発明によれば、前記発電制御手段は、前記準備時間が経過した時、即ち、前記改質器による燃料生成量が前記目標生成量に達したと想定される時に、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示する。そのため、前記大負荷作動を実行するときに、前記燃料電池の出力電力が不足することを防止することができる。
【0018】
また、前記改質器による燃料生成量を把握する燃料供給量把握手段を設け、前記発電管理手段は、前記先行処理において、前記必要供給量での燃料供給がなされるように、少なくとも前記燃料生成量把握手段により把握された燃料生成量に応じて、前記改質器に対する増加指示の度合いを決定することを特徴とする。
【0019】
かかる本発明によれば、前記発電管理手段は、前記燃料生成量把握手段により把握された燃料の生成量に応じて、前記改質器への増加指示の度合いを補正することで、前記準備時間が経過するまでに、前記改質器による燃料生成量を前記目標生成量まで確実に増加させることができる。
【0020】
また、前記改質器による燃料生成量を把握する燃料生成量把握手段を設け、前記発電管理手段は、前記先行処理として、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が前記大負荷作動に応じた必要供給量以上となるように前記改質器に対して燃料生成量の増加指示を行い、該増加指示後、前記燃料生成量把握手段により把握された燃料生成量が、前記必要燃料供給量に応じて設定された目標生成量以上となった時に、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示することを特徴とする。
【0021】
かかる本発明によれば、前記発電管理手段は、前記先行処理において、前記燃料生成量把握手段により把握された燃料の生成量が、前記目標生成量以上となったときに、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示する。そのため、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が不十分な状態で、前記大負荷作動が開始されることを防止することができる。
【0022】
また、前記発電管理手段は、前記先行処理を行う際に、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が前記大負荷駆動に応じた必要供給量以上となるように前記改質器に対して燃料生成量の増加指示を行ってから、前記目標生成量での燃料生成が実際になされるまでの想定時間である準備時間を算出し、前記増加指示後、前記燃料生成量把握手段により把握された燃料生成量が前記目標生成量以上となった時、又は、前記準備時間が経過した時に、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示することを特徴とする。
【0023】
前記燃料生成量把握手段の作動に不良が発生すると、前記増加指示により、実際には前記改質器による燃料生成量が増加しても、前記燃料生成量把握手段により把握される燃料の生成量は増加せず、前記目標生成量に達しない場合が生じ得る。
【0024】
かかる場合、前記増加指示を行ってから前記準備時間が経過したときは、前記改質器による燃料生成量が前記目標生成量以上にまで増加していると想定される。そこで、前記発電量管理手段は、前記増加指示を行ってから前記準備時間が経過したときには、前記燃料生成量把握手段により把握される前記改質器の燃料生成量が前記目標生成量に達していなくても、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示する。これにより、前記燃料生成量把握手段の不良により脚式移動ロボットが作動不能となることを防止することができる。
【0025】
また、前記燃料生成量把握手段は、前記燃料電池の発電量と、前記改質器内の温度と、前記改質器からの燃料の供給圧力とを用いて、前記改質器による燃料生成量を把握することを特徴とする。
【0026】
前記改質器から前記燃料電池へは、燃料だけではなく、燃料の生成に伴って発生した水蒸気等の他の気体も供給される。そのため、燃料の供給量を直接検出することは難しい。そこで、本発明においては、前記燃料生成量把握手段は、前記燃料電池の発電量と、前記改質器内の温度と、前記改質器からの燃料の供給圧力とを用いて、前記改質器による燃料生成量を間接的に推定している。これにより、前記改質器による燃料生成量を容易に把握することができる。
【0027】
また、前記燃料電池の出力電力により充電される蓄電手段を設け、該蓄電手段から作動用電力を得るようにしたことを特徴とする請求項1から8のうちいずれか1項記載の脚式移動ロボット。
【0028】
一般に、燃料電池は瞬時最大出力電力が小さいため、前記大負荷作動に応じた十分な電力供給が得られない場合がある。そこで、本発明においては、前記燃料電池の出力電力により充電された蓄電手段から脚式ロボットに作動用電力を供給する。この場合、蓄電手段の瞬時最大出力電力を燃料電池の瞬時最大出力電力よりも大きくすることができるため、前記大負荷作動に応じた電力供給を行うことができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図1〜図11を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態における制御ブロック図、図2は燃料電池の作動説明図、図3は目標圧設定手段の構成図、図4,図5はリザーブタンク圧力の推移説明図、図6はシーケンスマネージャの動作フローチャート、図7,図8は発電管理手段のタイムチャート、図9は本発明の第2の実施の形態における制御ブロック図、図10オブザーバーの構成図、図11は本発明の第3の実施の形態における制御ブロック図である。
【0030】
先ず、図1〜図8を参照して、本発明の第1の実施の形態について説明する。図1を参照して、本実施の形態の脚式移動ロボット1は2足歩行ロボットであり、モーター等の駆動手段の作動を制御する作動制御手段2と、ロボット1に定電流充電回路3と電気二重層コンデンサ4(本発明の蓄電手段に相当する)を介して作動用電力を供給する燃料電池5と、燃料電池5に燃料である水素を供給する水素供給手段6と、水素供給手段6から燃料電池5への水素供給量を調節して燃料電池5の発電量を制御する発電管理手段7とを備える。
【0031】
燃料電池5の負極側には燃料として水素が供給され、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5の正負極ではそれぞれ、
負極: H2 → 2H+ +2e- ・・・・・(A)
正極: 1/2O2 +2H+ +2e- → H2 O ・・・・・(B)
という化学反応が生じて、燃料電池5から定電流充電回路3に電力が供給され、これにより、電気二重層コンデンサ4が充電される。
【0032】
このように、電気二重層コンデンサ4からロボット1の作動電力を供給することで、瞬時最大出力電力が小さいという燃料電池5の不都合点を補い、ロボット1の消費電力に応じた電力供給が得られるようにようにしている。
【0033】
水素供給手段6は、水素の原料であるメタノールを保持する原料タンク8(本発明の原料保持手段に相当)、原料タンク8から供給されたメタノールを触媒により水素と二酸化炭素に分解して、燃料電池5の燃料である水素を生成する改質器9と、原料タンク8から改質器9へのメタノール供給量を調節する可変弁10と、改質器9から燃料電池5への水素の供給圧力を一定(例えば0.3気圧)に降圧するレギュレータ11と、改質器9から燃料電池5への水素の供給量を余裕をもって確保するためのリザーブタンク12とからなる。
【0034】
ここで、前記式(A)より、燃料電池5の出力電力は燃料電池5での水素の反応量(水素の消費量)に応じて増減する。そのため、電気二重層コンデンサ4からロボット1への電力供給量(電気二重層コンデンサ4の放電量)の増減に応じて、それに見合った量の水素を燃料電池5に供給する必要がある。
【0035】
そして、燃料電池5での水素消費量が増加して、改質器9からの水素供給量よりも多くなると、リザーブタンク12内の水素量が減少するため、リザーブタンク12内の圧力が低下する。逆に、燃料電池での水素消費量が改質器9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12内の水素量が増加するため、リザーブタンク12内の圧力が上昇する。したがって、リザーブタンク12内の圧力を検出することで、燃料電池5に対する水素供給量の過不足を認識することができる。
【0036】
発電管理手段7は、作動制御手段2から受け取った行動計画を解析して、該行動計画の実行に必要となる改質器9の水素生成量(以下、必要水素生成量という)を算出する必要水素生成量算出手段23と、該必要水素生成量と前記行動計画とリザーブタンク12の検出圧力とを入力して、作動制御手段2に対してENABLE(作動許可)/INHIBIT(作動禁止)を出力し、また、改質器9の水素生成量を変更するタイミングを決定するシーケンスマネージャ24と、シーケンスマネージャ24からの指示により、改質器9に対して水素生成量の変更指示を行う改質器生成量指示手段25と、改質器生成量指示手段25による水素生成量の指示値と水素消費量換算手段29により算出された燃料電池5の水素消費量とに応じて、リザーブタンク12内の目標圧を設定する目標圧設定手段26とを備える。
【0037】
発電管理手段7は、リザーブタンク12内の圧力を、目標圧設定手段26により設定された目標圧(例えば1気圧)に保つ制御を行う。尚、後述するように、この目標圧は一定とは限らない。そして、発電管理手段7は、図示しない圧力センサにより検出されるリザーブタンク12内の圧力が前記目標圧と一致するように、改質器9での水素の生成量を調節するフィードバック制御を行い、燃料電池5への燃料供給量が不足しないようにしている。具体的には、発電管理手段7は、加え合せ点20で前記目標圧からリザーブタンク12内の検出圧力を減算し、減算結果が0となるように演算部21で水素生成量の指示値を決定する。そして、発電管理手段7は、決定した水素生成量の指示値に応じて、改質器9に対して空気の供給量と改質温度の調節指示を行い、また、可変弁10に対してメタノールの供給量の調節指示を行う。
【0038】
作動制御手段2は、ロボット1の行動計画機能を実現するためのものである。即ち、作動制御手段2は、ロボット1が一連の作動、例えば一定距離の歩行等を行う際に、該作動に応じてモーター等の駆動系の作動手順を定めた行動計画を作成し、該行動計画に従ってロボット1の駆動系の作動を制御する。
【0039】
ところで、2足歩行ロボットにおいては、歩行時の消費電力は、停止時の消費電力の2倍以上にまで増加する場合がある。このような場合、燃料電池5は、ロボット1の歩行開始時に、急激に発電量を増加させる必要がある。しかし、改質器9は、上述したように、メタノールと酸素を化学反応させて水素を生成するものであるため、発電管理手段7が、ロボット1の歩行開始時に前記フィードバック制御により改質器9による水素生成量を増加させる指示を行っても、実際に歩行に必要な電力に応じた量の水素が生成されるまでには時間遅れを生じる。
【0040】
図2に示したグラフ(a),(b)は、このような時間遅れが生じる様子を示したものあり、縦軸が改質器9による水素生成量又は改質器9に対する水素生成量の指示値、横軸が時間である。図2において、A0 はロボット1が停止状態にあるときに必要な改質器9による水素生成量(=改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の指示値)、A1 はロボット1が歩行(本発明の大負荷作動に相当する)状態にあるときに必要な改質器9による水素生成量(=改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の指示値)、t1 は歩行開始時刻、t2 は歩行終了時刻である。
【0041】
グラフ(a)を参照して、発電管理手段7が、上述したフィードバック制御により、ロボット1の歩行開始(時刻t1 )に応じて、改質器9及び可変弁10に対して水素生成量の指示値をA0 からA1 に増加させても、実際に改質器9による水素生成量がA1 に到達するまでには、グラフ(b)に示すように時間遅れTd を生じる。そのため、この場合には、ロボット1の歩行開始時に作動用電力が不足し、作動制御手段2による行動計画の実行が正常に行われないおそれがある。
【0042】
そこで、図1を参照して、発電管理手段7は、歩行開始前に改質器9及び可変弁10に対して水素生成量の増加を指示する先行処理を行う。22がこの先行処理に対応したフィードフォワード部であり、発電管理手段7は、作動制御手段2により作成された行動計画の内容を解析し、該行動計画において、燃料電池5からの供給電力が所定レベル以上必要となる大負荷作動が発生するか否かを監視する。
【0043】
発電管理手段7は、前記大負荷作動が発生することを認識したときは、作動制御手段2に対してINHIBIT信号を送信して、作動制御手段2による前記大負荷作動の実行を禁止する。次に、必要水素生成量算出手段23は、前記大負荷作動に必要な電力に応じた水素の生成量である必要水素生成量Sn (本発明の必要供給量に相当、図2においてはA1 がSn に相当する)を、予め実験により求めたデータテーブルや関係式等から算出する。
【0044】
そして、発電管理手段7に備えられたシーケンスマネージャ24は、準備時間TS を算出し、現在時刻と比較判定して以降の作動シーケンスを作動制御手段2と改質器生成量指示手段25に指示する。この指示を受けて、改質器生成量指示手段25は、改質器9による水素生成量をA1 とするための指示値を算出する。該指示値は、加え合せ点27で演算器21の出力に加算され、改質器9と可変弁10に対して、改質器9での水素生成量がA1 となるような増加指示がなされる。尚、このとき、スイッチ28を切り替えて、加え合せ点20と演算部21とによる上述したフィードバック制御を中断して、フィードフォワード部22による先行処理のみを行うことで、改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の増加指示が、該フィードバック制御により制限されることを防ぐようにしてもよい。
【0045】
または、目標圧設定手段26から、改質器生成量指示手段25の出力のみを直接水素生成量指示値として水素を生成したときの圧力推移の推定値を出力させることにより、等価的に加え合わせ点20と演算器21とによるフィードバック制御の動作をキャンセルさせる(即ち、演算器21の出力をほぼ0にさせる)ことで、該フィードバック制御により改質器9の水素生成量の増加が制限されることを防止するようにしてもよい。
【0046】
図3は、目標圧設定手段26の説明図であり、改質器生成量指示手段25からの指示値と、後述する水素消費量換算手段29により算出された水素消費量とを入力し、リザーブタンクモデル30により推定される圧力変動分と、1気圧前後の所定のリザーブタンク圧力設定値との和をリザーブタンク圧力目標値として出力するものである。リザーブタンクモデル30は、後述する図10のオブザーバに用いられているものと同様のものでもよい。または、改質器生成量指示手段25から加え合わせ点27への加算出力を前記圧力変動分と等価になるように等価変換してもよい。
【0047】
図3を参照して目標圧設定手段26の動作を詳説すると、目標圧設定手段26は、先ず、改質器生成量指示手段25から受け取った時系列の生成量指示から、改質器水素生成量推定算出器31により時系列の水素生成量を算出する。次に、加え合せ点32で、算出した該水素生成量から、水素消費量換算手段29により算出された燃料電池5による水素消費量の実時間値を減算し、減算結果からリザーブタンクモデル30によりリザーブタンク12内の圧力変動分を推定する。
【0048】
これにより、改質器生成量指示手段25によるフィードフォワード制御に起因するリザーブタンク圧の圧力変動分をリザーブタンク圧目標値(指示値)に上のせすることができ、このリザーブタンク圧目標値に基づくフィードバック制御を行うことで、上述したフィードフォワード制御がフィードバック制御の影響を受けないようにすることができる。
【0049】
発電管理手段7は、改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の増加指示を行ってから準備時間Ts が経過した時に、作動制御手段2に対して歩行許可(ENABLE)信号を送信する(本発明の大負荷作動の実行開始の指示に相当する)。ここで、図2のグラフ(c)を参照して、▲1▼の領域が余剰の水素発生量となり、同じ面積の▲2▼の領域がこの余剰分を消費することになる。即ち、準備時間TS 後には、ロボット1の歩行を開始させることができる。また、グラフ(c)のh(t)は改質器9による水素の実生成量、g(t)は燃料電池5による水素の実消費量である。そして、このようにロボット1の歩行を開始する前に改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の増加指示を行うことで、リザーブタンク12の圧力の変化は図2のグラフ(d)に示すように小さくなる。そのため、リザーブタンク12を小型化することができる。
【0050】
しかし、図2のグラフ(b)における実遅延時間Td を正確に求めることは難しいため、本実施の形態では、改質器9を時定数τ(τは実験により予め決定する)の1次遅れ要素と想定して、準備時間Ts 算出する。以下、図2のグラフ(c)を参照して、準備時間Ts の算出方法について説明する。尚、説明の便宜上、ロボット1が停止状態にあるときの水素生成量A0 を0とし、また、水素生成量をA1 とする増加指示を行う時刻t0 を0とする。また、改質器9による水素生成量の立ち上がりと立ち下がりの変化は同様と想定する。
【0051】
グラフ(c)は、以下に示す関数g(t)とh(t)とを重ねて示したものである。
【0052】
【数1】
【0053】
【数2】
【0054】
g(t)は時刻t1 から時刻t2 までの歩行(大負荷作動)を行うときの理想的な水素生成量の推移を示し、h(t)は時刻t1 の予測遅れ時間Ts 前の時刻t0 からtw (tw −t0 =t2 −t1 =歩行時間)まで、水素供給量をA1 とする指示を与えたときに、1次遅れ要素と想定した改質器9による水素生成量の推移を示している。グラフ(c)の▲1▼と、▲2▼の部分の面積は、それぞれ、
【0055】
【数3】
【0056】
【数4】
【0057】
となる。改質器9による水素の生成量と、燃料電池5による水素の消費量とのバランスから、▲1▼=▲2▼とおいて、t1 を求めると、
【0058】
【数5】
【0059】
となる。ここでtw ≫τと想定できるので、
【0060】
【数6】
t1 ≒τ ・・・・・(6)
となる。
【0061】
そこで、発電管理手段7は、時定数τを準備時間Ts とする。即ち、図2のグラフ(e)を参照して、時刻t0 で増加指示を行ってから準備時間Ts が経過した時刻t1 で、作動制御手段2に対して前記ENABLE信号を送信する。このとき、1次遅れ要素と想定した改質器9の水素生成量は点線で示したように推移し、時刻t1 での水素生成量は、A0 +(A1 −A0 )×63.2%(本発明の目標生成量に相当する)となる。この結果、図2のグラフ(c)の▲1▼の領域が余剰の水素発生量となり、同じ面積の▲2▼の領域がこの余剰分を使うこととなり、ロボット1の歩行には支障はない。
【0062】
そして、発電管理手段7は、歩行終了時刻t2 の準備時間Ts 前の時刻であるtw で水素生成量の指示値をA1 からA0 に低下させる。これにより、図2のグラフ(d)を参照して、歩行停止後にリザーブタンク12の圧力が上がり過ぎることを防止することができる。
【0063】
尚、改質器9の遅れ時間が大きいときには、図2のグラフ(f)に示したように、A1 を越えるA2 まで、水素生成量を増加させる指示を与えることで、改質器9による水素生成量が前記目標水素生成量Sa まで増加するのに要する時間を短縮するようにしてもよい。
【0064】
次に、図4,図5を参照して、上述した発電管理手段7により、準備時間Ts を算出して改質器9による水素生成量を制御したときの、リザーブタンク12内の圧力変化を低減する効果について説明する。図4のグラフ(a),(b),(c)は従来の手法によりロボット1の歩行を行ったときのリザーブタンク12内の圧力変化、グラフ(d),(e),(f)は準備時間Ts を前記時定数τとしたとしてロボット1の歩行を行ったときのリザーブタンク12内の圧力変化、図5のグラフ(g),(h),(i)は準備時間TS を前記時定数τよりも短くしてロボット1の歩行を行ったときのリザーブタンク12内の圧力変化をそれぞれ説明するものである。
【0065】
従来の手法においては、図4を参照して、グラフ(a)における水素生成量を増加させる時刻t0 と、グラフ(b)におけるロボット1が歩行を開始する時刻t1 とは同じである。その結果、歩行開始後しばらくは、グラフ(a)に示した改質器9による水素生成量の実際値よりも、グラフ(b)に示した燃料電池5の水素消費量のほうが多くなり、グラフ(c)に示したようにリザーブタンク12内の圧力が大きく下がって、ロボット1の動作に最低限必要なリザーブタンク12の圧力である最低動作圧力を下回る。この場合は、燃料電池5に対する水素供給量が減少して発電量不足の原因となる。
【0066】
また、歩行停止時には、グラフ(a)に示した水素生成量の実際値がグラフ(b)に示した水素消費量を上回るため、グラフ(c)に示したように、リザーブタンク12内の圧力がリザーブタンク12の仕様から定める限界最高圧力を越える場合が生じて好ましくない。そして、これらの問題を回避するために、リザーブタンク12の容量を増やしたときは、リザーブタンク12の大型化、重量増加を伴うという不都合を生じる。
【0067】
そこで、図4に示した例においては、グラフ(d)の時刻t0 で水素の生成量を増加させる指示を行ってから、グラフ(e)に示したように、準備時間TS が経過した時刻t1 でロボット1の歩行を開始する。尚、準備時間TS は上述したように、改質器9を1次遅れ要素とみなしたときの時定数τに設定される。このようにロボット1の歩行開始タイミングを遅らせることで、グラフ(f)に示したように、リザーブタンク12の圧力変動を上述した従来例のグラフ(c)に比べて低減することができる。そのため、リザーブタンク12の小型化、軽量化が可能である。
【0068】
また、図5において、グラフ(h)は、グラフ(g)に示した準備時間TS を上述した時定数τよりも短い時間に設定する。その結果、グラフ(i)に示したように、リザーブタンク12の圧力変化を図4のグラフ(f)に示した前記第1の圧力変動低減手法による場合よりもさらに小さくすることができる。そのため、リザーブタンク12のより小型化、軽量化が可能である。この場合、準備時間TS は、
TS =時定数(τ)×定数(1以下)
で表され、歩行開始時と歩行停止時のそれぞれに対して適用される。準備時間TS は、さらに必要に応じて精密に設定することも可能であり、
TS =f(現在圧力,目標生成変化量,目標圧設定値,圧力上限値,圧力下限値,時定数)
により、リザーブタンク12内の圧力が圧力上限値(本発明の所定の上限圧に相当する)を越えないように算出してもよい。ここで、現在圧力はリザーブタンク12の現在の圧力、目標圧設定値はリザーブタンク12の圧力の目標値であり、目標生成変化量と共に、入力変数である。それら以外はパラメータであり、時定数は図2で説明した改質器9を1次遅れとみなしたときの時定数である。例えば、現在圧力が高い場合には、リザーブタンク12内の水素量は十分であるので、準備時間TS をより短い時間に設定してもかまわない。尚、準備時間TS をこのように関係式から算出する他、予め実験で求めたデータテーブル等により算出するようにしてもよい。
【0069】
続いて、本発明の第1の実施の形態における発電管理手段7(図1参照)の具体的な動作について、シーケンスマネージャ24の動作を中心として、図1に示した全体構成図を参照しつつ、図6に示したフローチャートと図7,図8に示したタイムチャートにより説明する。尚、図7,図8において、グラフ(a)はシーケンスマネージャ24の作動状態の遷移、グラフ(b)は作動制御手段2から指示される行動計画(ここでは歩行計画)の内容、グラフ(c)は燃料電池5の水素消費量(ロボット1の消費電力に対応する)の推移、グラフ(d)は改質器9の水素生成量の推移、グラフ(e)は作動制御手段2に対する制御信号(ENABLE/INHIBIT)の出力の変化をそれぞれ表している。
【0070】
図6のフローチャートを参照して、シーケンスマネージャ24は、STEP1〜STEP6のルーチンを繰り返し実行する。STEP1〜STEP6のルーチンにおいては、シーケンスマネージャの作動状態は、作動制御手段2からの歩行計画の指示を待っている状態である「歩行計画変更待ち状態」、作動制御手段2からの歩行計画の指示を受け取ってから、改質器生成量指示手段25を介して改質器9に対する水素生成量の変更指示を行うタイミングを待っている状態である「改質生成指示待ち状態」、及び改質器9に対して水素生成量の変更指示を行ってから、前記準備時間TS が経過するのを待っている状態である「改質生成先行状態」の3種類の状態のいずれかとなる。
【0071】
「歩行計画変更待ち状態」にあるときは、シーケンスマネージャ24は、STEP2からSTEP10に分岐し、STEP10で作動制御手段2から歩行計画の変更リクエストがあったときは、STEP11に進んで、作動制御手段2から歩行計画の内容(歩行開始、歩行停止等の指示)を受け取り、「改質生成指示待ち状態」に移行する。一方、STEP10で作動制御手段2から歩行計画の変更リクエストがなかったときには、「歩行計画変更待ち状態」が維持される。
【0072】
「改質生成指示待ち状態」にあるときは、シーケンスマネージャ24は、STEP3からSTEP20に分岐し、STEP20で前記準備時間TS を算出する。そして、STEP21で現在時刻tが歩行計画開始の指示時刻tP のTS 時間前になったとき(t≧tP −TS )にSTEP22に進んで、改質器生成量指示手段25により改質器9に対する水素の生成量を計算して改質器9に指示する。そして、続くSTEP23でシーケンスマネージャ24は、作動制御手段2に対してINHIBIT信号を出力して作動制御手段2の動作変更を禁止して、「改質生成先行状態」に移行する。
【0073】
「改質生成先行状態」にあるときは、シーケンスマネージャ24は、STEP4で、「改質生成先行状態」に移行してから前記準備時間TS が経過した時に、STEP5に進んで作動制御手段2にENABLE信号を送信する。このENABLE信号の受信により、作動制御手段2は要求があった歩行計画を実行する。そして、シーケンスマネージャ24は、「歩行計画変更待ち状態」に移行する。
【0074】
尚、ENABLE信号とは、作動制御手段2によるロボット1の動作の変更制御を許可する意味を持つ信号であり、歩行そのものを許可する意味を持つものではない。即ち、シーケンスマネージャ24から作動制御手段2にENABLE信号が出力されているときは、ロボット1の動作の変更が許可され、作動制御手段2は、例えば歩行中のロボット1を停止させる制御を行うことができる。一方、ENABLE信号が出力されていないときには、ロボット1の動作変更が禁止され、例えばロボット1が歩行中であれば、ロボット1は歩行を継続する。
【0075】
以上説明した図6のフローチャートにより、脚式移動ロボット1を作動させる具体例を図7,図8のタイムチャートを参照して説明する。
【0076】
図7は、シーケンスマネージャ24が作動制御手段2から歩行計画を受け取ってから、実際に脚式移動ロボット1の歩行を開始するまでに待ち時間がある場合の例である。図7を参照して、シーケンスマネージャ24は「歩行計画変更待ち状態」((a)のST11)であるときに、作動制御手段2から時刻tP 1 で歩行を開始する歩行計画の指示((b)の▲1▼))を受け取ると((c)の▲2▼)、歩行開始時刻tP 1 の準備時間TS 前の時刻であるtC 1 までの間(Tw 1 )、「改質生成指示待ち状態」((a)のST12)となる。
【0077】
そして、時刻tC 1 で、シーケンスマネージャ24は、改質器生成量指示手段25を介して、改質器9に対する水素生成量の指示値を増加させる((d)の▲3▼)。これにより、(d)に示したように、改質器9の水素生成量が増加する。それと共に、シーケンスマネージャ24は作動制御手段2にINHIBIT信号を送信して、作動制御手段2の作動を禁止し、「改質生成先行状態」((a)のST13)に移行する。
【0078】
歩行開始時刻tP 1 になると、シーケンスマネージャ24は、作動制御手段2にENABLE信号を出力して作動禁止を解除することで、歩行開始指示((d)の▲5▼)を行う。これにより、作動制御手段2の制御により脚式移動ロボット1が歩行を開始し、シーケンスマネージャ24は「歩行計画変更待ち状態」((a)のST21)に移行する。
【0079】
そして、シーケンスマネージャ24は、作動制御手段2から歩行を停止する作動計画の指示((b)の▲6▼)を受け取ると((c)の▲7▼)、歩行停止時刻tP 2 の準備時間TS 2 前の時刻であるtC 2 までの間(Tw 1 )、「改質生成指示待ち状態」((a)のST22)となる。
【0080】
時刻tC 2 で、シーケンスマネージャ24は、改質器生成量指示手段25を介して、改質器9に対する水素生成量の指示値を減少させて((d)の▲8▼)、「改質生成先行状態」((a)のST23)に移行する。これにより、(d)に示したように、改質器9の水素生成量が徐々に減少する。そして、シーケンスマネージャ24は、歩行停止時刻tP 2 で作動制御手段2にENABLE信号を出力することで、歩行停止指示((d)の▲9▼)を行う。この歩行停止指示を受け取ることで、作動制御手段2の制御により脚式移動ロボット1は歩行を停止する。
【0081】
このように、作動制御手段2からシーケンスマネージャ24に脚式移動ロボット1の歩行停止指示がなされてから、実際にロボット1が歩行を停止するまでに、準備時間TS 2 の遅れ時間を持たせることで、歩行停止時に改質器9から燃料電池5への水素供給量が過剰となり、リザーブタンク12内の圧力が異常に上昇することを防止している。
【0082】
次に、図8は、シーケンスマネージャ24が作動制御手段2から歩行計画を受け取ると同時又は短時間内に、脚式移動ロボット1の歩行を開始する場合の例である。図8を参照して、シーケンスマネージャ24は「歩行計画変更待ち状態」((a)のST11)であるときに、作動停止手段2から直ちに歩行を開始する作動計画の指示((b)の▲1▼)を受け取ると((c)の▲2▼)、直ちに改質器生成量指示手段25を介して、改質器9に対する水素生成量の指示値を増加させる((d)の▲3▼)。それと共に、シーケンスマネージャ24は作動制御手段2にINHIBIT信号を出力し、作動制御手段2の作動を禁止して「改質生成先行状態」((a)のST13))に移行する。即ち、図7で説明した「改質生成指示待ち状態」(図7(a)のST12)にはならない。
【0083】
これにより、(d)に示したように改質器9の水素生成量が徐々に増加する。そして、シーケンスマネージャ23は、「改質生成先行状態」に移行してから準備時間tS 1 が経過した時刻tq 1 で作動制御手段2にENABLE信号を出力して歩行開始指示を行う((d)の▲5▼)。即ち、作動制御手段2から脚式移動ロボット1の歩行開始指示がなされてから、実際に脚式移動ロボット1が歩行を開始するまでに、準備時間TS 1 の遅れ時間を生じさせることで、歩行開始時に改質器9から燃料電池5への水素供給量が不足して、燃料電池の発電量不足が生じることを防止している。
【0084】
そして、シーケンスマネージャ24は、作動制御手段2から歩行を停止する行動計画の指示((b)の▲6▼)を受け取ると((c)の▲7▼)、直ちに改質生成量指示手段25を介して、改質器9に対する水素生成量の指示値を減少させて((d)の▲8▼)、「改質生成先行状態」((a)のST23)に移行する。即ち、歩行開始時と同様に、「改質生成指示待ち状態」になることがない。
【0085】
これにより、(d)に示したように改質器9の水素生成量は徐々に減少し、シーケンスマネージャ24は、「改質生成先行状態」((a)のST23)となってから、準備時間TS 2 が経過した時刻であるTq 2 で、作動制御手段2に対してENABLE信号を出力して歩行停止指示((d)の▲9▼)を行う。これにより、図7に示した例と同様、歩行停止時に改質器9から燃料電池5への水素供給量が過剰となり、リザーブタンク12内の圧力が異常に上昇することを防止している。
【0086】
次に本発明の第2の実施の形態について、図9,図10を参照して説明する。尚、図1と同じ構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。上記第1の実施の形態では、準備時間Ts により作動制御手段2に対してENABLE信号を送信(歩行開始の指示)するタイミングを決定したが、準備時間Ts は改質器9を1次遅れ要素と想定して算出したものであるため、実際の改質器9の遅れ時間に対する誤差が大きくなることが考えられる。
【0087】
そこで、図9を参照して、本発明の第2の実施の形態における発電管理手段7は、改質器9による水素生成量を把握するオブザーバー40(本発明の燃料生成量把握手段に相当する)を備える。図10を参照して、オブザーバー40は、燃料電池5の発電量から水素消費量換算手段29により算出された燃料電池5の水素消費量と、温度センサ41により検出される改質器9内の温度と、圧力センサ42により検出されるリザーブタンク12内の圧力とを入力して、改質器9による水素生成量を推定する。
【0088】
即ち、図9を参照して、水素消費量換算手段29は、燃料電池5の発電量を水素消費量変換率で除して燃料電池5の水素消費量を算出する。そして、図10を参照して、オブザーバ40は、水素消費量換算手段29により算出された燃料電池5の水素消費量と、オブザーバ40自身の水素発生推定量の前回値との差を入力として、44でリザーブタンク12の容積に対応したリザーブタンク12内の圧力を求め、45でリザーブタンク12内の温度を考慮した補正を行う。そして、補正した値と圧力センサ42によるリザーブタンク12内の検出圧力との差を46で求めて、伝達関数Hに入力し、伝達関数Hの出力を改質器9による今回の水素生成量と推定する。
【0089】
尚、伝達関数Hは、応答性を重視するか推定精度を重視するかに応じて、複数種類を使い分けるようにしてもよい。また、上記の水素消費量換算率は、1/(燃料電池の発電効率)とみなしてもよい。
【0090】
図9を参照して、発電制御手段7は、加え合せ点41でリザーブタンク12の検出圧力と目標圧設定手段26により設定された圧力目標値(1気圧付近)との差をとり、該差が0となるように演算部42で指示値を算出する。そして加え合せ点43では、演算部42からの指示値と、改質器生成量指示手段25からの改質器9による水素生成量を増加させる指示値とが加算され、水素消費量換算手段29により算出された燃料電池5の水素消費量が減算される。
【0091】
そして、加え合せ点44では、加え合せ点43からの指示値から、オブザーバー40により推定された改質器9による水素生成量が減算され、減算結果が0となるように、即ち、加え合せ点43からの指示値と、オブザーバー40により推定される改質器9による水素生成量とが一致するように、演算部45は改質器9と可変弁10に対する水素生成量の指示を行う。尚、応答速度を改善するためのフィードフォワード要素46を追加してもよい。また、47は図1のスイッチ28と同様、加え合わせ点41によるフィードバック制御を中断して、改質器9及び可変弁10に対する水素生成量の増加指示が該フィードバック制御により制限されることを防ぐためのスイッチである。
【0092】
このように、オブザーバー40により、改質器9による水素生成量を推定し、該推定値と水素生成量と水素生成量の指示値との差を求めることにより、水素生成量の増加指示に対する改質器9の実際の水素生成量の増加度合いが小さいときに、増加指示値をさらに増加させる制御が行われる。これにより、オブザーバ40を使用しない上述した本発明の第1の実施の形態に比べて、図9に示す本実施の形態では、改質器生成量指示手段25の出力である水素生成量指示値に対して、水素発生量オブザーバ40を含めて、ローカルフィードバックを形成しており、より応答性が高く、かつ精度の高い水素生成量の制御が期待できる。そのため、前記準備時間TS の経過時の、実際の水素発生量がより精度よく予測値に近づき、その結果としてロボット1への電力供給が不足する可能性を低減させることができる。
【0093】
次に、図11を参照して、本発明の第3の実施の形態について説明する。上述した第1、第2の実施の形態では、準備時間Ts を基準に作動制御手段2に対してENABLE信号を送信(歩行開始の指示)するタイミングを決定したが、本第3の実施の形態においては、前記必要水素生成量Sn に応じて判定基準水素生成量Sa を決定し、該Sa を基準として、作動制御手段2に対してENABLE信号を送信(歩行開始の指示)するタイミングを決定する。
【0094】
即ち、発電管理手段7は、必要水素生成量算出手段23により必要水素生成量Sn を算出し、Sn に応じて判定基準水素生成量Sa を例えばSn の70%に決定する。そして、Sa での水素の生成がなされるように改質器生成量指示手段25を介して改質器9に対する水素生成量の増加指示を行う。尚、加え合せ点43より先の制御処理は上記第2の実施の形態と同様である。
【0095】
そして、シーケンスマネージャ24は、判定基準水素生成量Sa とオブザーバー40により推定した改質器9による水素生成量Sp とを比較し、Sp がSa 以上となったときに、作動制御手段2に対して前記ENABLE信号を出力する。これにより、前記第1,第2の実施の形態と同様、ロボット1の歩行開始時(時刻t1 )までに、改質器9による水素の生成量を歩行に必要な量まで増加させることができ、歩行開始時に燃料電池5からの電力供給量が不足することを防止することができる。また、リザーブタンク12の残有圧力に従って判定基準水素生成量Sa を増減させてもよい。
【0096】
このように、上記第1,第2の実施の形態では準備時間Ts をENABLE信号出力の判断基準としたのに対して、本実施の形態では水素生成量の推定値をENABLE信号出力の判断基準としているため、より精度の高いENABLE信号出力の判断が可能となり、その結果として、ロボット1への電力供給が不足する可能性を著しく低減させることができる。
【0097】
尚、図10を参照して、温度センサ41の不良等により、オブザーバー40が正常に機能しなくなると、発電管理手段7から改質器9と可変弁10に対して水素生成量の増加指示がなされ、実際には改質器9による水素生成量が前記判定基準水素生成量Sa まで増加している場合であっても、オブザーバー30により推定される改質器9の水素生成量が前記判定基準水素生成量Sa 以上とならない場合がある。この場合、作動制御手段2に対してENABLE信号が送信されないため、ロボット1が作動不能となる。
【0098】
そこで、このような作動不能が生じることを防止するため、以下の処理を行うようにしてもよい。即ち、シーケンスマネージャ24は、前記増加指示をする際に、前記第1,第2の実施の形態と同様に前記準備時間Ts を算出する。そして、前記増加指示を行ってから準備時間Ts が経過したときは、改質器9による水素生成量が前記判定基準水素生成量Sa 以上となっていると想定される。
【0099】
そのため、シーケンスマネージャ24は、改質器9及び可変弁10に対して前記増加指示を行ってから前記準備時間Ts が経過したときには、燃料生成量把握手段30により推定される改質器9の水素生成量が前記判定基準水素生成量Sa に達していなくても、作動制御手段2に対してENABLE信号を送信する。これにより、上述したロボット1の作動不能が生じることを防止することができる。
【0100】
また、前記第1〜第3の実施の形態では、本発明の蓄電手段として、電気二重層コンデンサを用いたが、電気二重層以外のコンデンサや、リチウム−イオンバッテリー等の二次電池を用いてもよい。
【0101】
また、前記第1〜第3の実施の形態では、電気二重層コンデンサ4からロボット1に作動用電力を供給するようにしたが、ロボット1の消費電力が小さく、燃料電池5からの供給電力でロボット1を作動させることができる場合には、電気二重層コンデンサ4及び定電流充電回路3を設けずに、燃料電池5から直接ロボット1に作動用電力を供給するようにしてもよい。
【0102】
また、前記第1〜第3の実施の形態では、改質器としてメタノールを原料とするものを用いたが、他の方式の改質器を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態における制御ブロック図。
【図2】燃料電池の作動説明図。
【図3】目標圧設定手段の構成図。
【図4】リザーブタンク圧力の推移説明図。
【図5】リザーブタンク圧力の推移説明図。
【図6】シーケンスマネージャの動作フローチャート。
【図7】発電管理手段のタイムチャート。
【図8】発電管理手段のタイムチャート。
【図9】第2の実施の形態における制御ブロック図。
【図10】オブザーバーの構成図。
【図11】第3の実施の形態における制御ブロック図。
【符号の説明】
1…2足歩行ロボット、2…作動制御手段、3…定電流充電回路、4…電気二重層コンデンサ、5…燃料電池、6…水素供給手段、7…発電管理手段、8…原料タンク、9…改質器、10…可変弁、11…レギュレータ、12…リザーブタンク、23…必要水素生成量算出手段、24…シーケンスマネージャ、25…改質器生成量指示手段、26…目標圧設定手段、29…水素消費量換算手段、40…オブザーバー[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a power generation amount control of a fuel cell in a legged mobile robot using a fuel cell as a power source.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a power source for a legged mobile robot, an external power source connected via an electric wire or a secondary battery such as a lithium-ion battery has been used. However, when an external power source is used, since it is necessary to connect via an electric wire, there is a fatal defect that the movement range of the robot is limited.
[0003]
In addition, when a secondary battery such as a lithium-ion battery is mounted on the robot, the movement range of the robot is not limited, but the energy capacity of the secondary battery that can be mounted is limited in terms of weight limitation. Therefore, there is a disadvantage that the continuous walking time of the robot is limited to about 30 minutes. Further, the secondary battery has a disadvantage that the charging time is long.
[0004]
It is also conceivable to install an engine generator on the robot. In this case, however, there are problems such as harmful exhaust gas emitted from the engine and engine noise, which is inconvenient for robots collaborating with humans. Is appropriate.
[0005]
Therefore, it is conceivable to install a fuel cell having a larger energy capacity with respect to weight than a lithium-ion battery and generating no harmful gas or noise as a power source in a robot. However, the output power of the fuel cell changes according to the supply amount of hydrogen as a fuel.
[0006]
Hydrogen is generated from a fuel such as methanol by a reformer by a chemical reaction. Increasing the amount of hydrogen generated in the reformer increases the heater temperature of the reformer or the amount of air supplied to the reformer. And by increasing the supply amount of fossil fuel and increasing the pressure, the chemical reaction is promoted. For this reason, there is a time delay from when the instruction to increase the amount of hydrogen generation is given to the reformer until the amount of hydrogen supplied from the reformer actually increases.
[0007]
Therefore, when the load on the drive system such as a motor suddenly increases, such as when a legged robot starts to walk, hydrogen is supplied to the reformer in order to obtain electric power corresponding to the load on the drive system from the fuel cell. Even if a measure for increasing the supply amount is performed, the supply amount of hydrogen to the fuel cell does not increase immediately due to the time delay described above, and there may be a case where the power supplied from the fuel cell to the drive system is insufficient.
[0008]
In order to prevent the delay time from occurring, it is conceivable to provide a reserve tank in the fuel supply path from the reformer to the fuel cell, but the legged movement has a large difference in power consumption between stationary and walking. In the robot, a large reserve tank that can secure the fuel supply to the fuel cell in response to a sudden load change at the start of walking is required. As a result, the installation space for the reserve tank is increased and the weight is increased.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a legged mobile robot that solves the above inconveniences and prevents a shortage of power supplied from the fuel cell when the load on the drive system increases rapidly without providing a large reserve tank. The purpose is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a legged mobile robot having an action plan function that operates according to a predetermined action plan, a fuel cell that supplies electric power for operating the legged robot, and a leg according to the action plan. Control means for controlling the operation of the mobile robot, and power generation management means for monitoring the state of the fuel cell and the content of the action plan and adjusting the power generation amount of the fuel cell in accordance with the action plan. It is characterized by that.
[0011]
The operation of the legged mobile robot of the present invention is controlled by the operation control means according to the action plan. The power generation management unit monitors the state of the fuel cell and the content of the action plan, and adjusts the power generation amount of the fuel cell according to the action plan. Therefore, when the action plan is executed, the power generation amount of the fuel cell is controlled so that the output power from the fuel cell is not insufficient, and the fuel cell having a large energy capacity per weight is used as the power source of the legged mobile robot. be able to.
[0012]
Also provided is a raw material holding means for holding a raw material for generating fuel for the fuel cell, and a reformer for generating fuel for the fuel cell from the raw material supplied from the raw material holding means and supplying the fuel cell to the fuel cell. The power generation management means instructs the reformer to increase or decrease the amount of fuel generated according to the fuel consumption of the fuel cell, and the action plan is executed based on the contents of the action plan. When analyzing in advance and recognizing in the action plan that a large load operation that requires the power supplied from the fuel cell to exceed a predetermined level is executed, before the large load operation is executed, A preceding process for instructing the reformer to increase the fuel generation amount is performed.
[0013]
According to the present invention, when the power generation management means recognizes that the heavy load operation is executed by analyzing the action plan, the power generation management means instructs the reformer to increase the fuel generation amount in advance. I do. Accordingly, the amount of fuel supplied from the reformer to the fuel cell can be increased before the large load operation is executed, and the output power of the fuel cell is insufficient when the large load operation is executed. Can be prevented. In this case, a large reserve tank for holding fuel in advance in preparation for the execution of the heavy load operation is unnecessary.
[0014]
In addition, a reserve tank that supplies the fuel cell while holding the fuel output from the reformer, and the power generation management means, so that the pressure in the reserve tank does not exceed a predetermined upper limit pressure, The preceding process is performed.
[0015]
When the preceding process is performed, the pressure in the reserve tank gradually increases due to the fuel output from the reformer. However, the pressure allowable in the reserve tank has an upper limit (upper limit pressure), and if the upper limit pressure is exceeded, the reserve tank may be damaged. Therefore, by performing the preceding process so that the pressure in the reserve tank does not exceed such an upper limit pressure, it is possible to prevent the reserve tank from being damaged. In the preceding process, since the pressure in the reserve tank does not exceed the upper limit pressure, a reserve tank having a minimum necessary size corresponding to the upper limit pressure may be prepared. For this reason, the reserve tank has a small margin, and the reserve tank can be reduced in size and weight.
[0016]
In addition, the power generation management means, as the preceding process, supplies fuel to the reformer so that the amount of fuel supplied from the reformer to the fuel cell becomes equal to or greater than the required supply amount according to the heavy load operation. The preparation time, which is an estimated time from when the increase in the production amount is instructed until the fuel is actually supplied at the target production amount set according to the required supply amount, is at least the reaction delay of the reformer. It is determined by characteristics, and when the preparation time has elapsed after the increase instruction, the operation control means is instructed to start execution of the heavy load operation.
[0017]
According to the present invention, when the preparation time has elapsed, that is, when it is assumed that the amount of fuel generated by the reformer has reached the target generation amount, the power generation control unit is provided with the operation control unit. The start of execution of the heavy load operation is instructed. Therefore, it is possible to prevent the output power of the fuel cell from becoming insufficient when the large load operation is executed.
[0018]
In addition, a fuel supply amount grasping means for grasping the amount of fuel produced by the reformer is provided, and the power generation management means at least generates the fuel so that fuel is supplied at the necessary supply amount in the preceding process. The degree of increase instruction to the reformer is determined in accordance with the fuel generation amount grasped by the amount grasping means.
[0019]
According to the present invention, the power generation management unit corrects the degree of increase instruction to the reformer according to the fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping unit. By the time elapses, the amount of fuel produced by the reformer can be reliably increased to the target production amount.
[0020]
In addition, a fuel generation amount grasping means for grasping the fuel generation amount by the reformer is provided, and the power generation management means is configured such that the fuel supply amount from the reformer to the fuel cell is the large load operation as the preceding process. Instructing the reformer to increase the amount of fuel generated so that the required supply amount is greater than or equal to the required supply amount. After the increase instruction, the fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping means is the required fuel amount. When the amount exceeds a target generation amount set according to the supply amount, the operation control means is instructed to start executing the heavy load operation.
[0021]
According to the present invention, the power generation management means provides the operation control means when the fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping means becomes equal to or more than the target production amount in the preceding process. The start of execution of the heavy load operation is instructed. Therefore, it is possible to prevent the large load operation from being started in a state where the amount of fuel supplied from the reformer to the fuel cell is insufficient.
[0022]
Further, the power generation management means, when performing the preceding process, supplies the reformer with a fuel supply amount from the reformer to the fuel cell so as to be equal to or greater than a necessary supply amount according to the large load drive. A preparation time, which is an estimated time from when the fuel generation amount is instructed to increase to the actual generation of fuel at the target generation amount, is calculated. After the increase instruction, the fuel generation amount grasping means When the grasped fuel generation amount becomes equal to or greater than the target generation amount, or when the preparation time has elapsed, the operation control means is instructed to start execution of the heavy load operation.
[0023]
When a malfunction occurs in the operation of the fuel generation amount grasping means, the fuel generation amount grasped by the fuel generation amount grasping means even if the fuel generation amount by the reformer actually increases due to the increase instruction. May not increase and the target generation amount may not be reached.
[0024]
In this case, when the preparation time elapses after the increase instruction is given, it is assumed that the amount of fuel produced by the reformer has increased to the target production amount or more. Therefore, when the preparation time elapses after the increase instruction, the power generation amount management unit has reached the target generation amount of the reformer fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping unit. Even if not, the operation control means is instructed to start execution of the heavy load operation. Thereby, it is possible to prevent the legged mobile robot from becoming inoperable due to a defect in the fuel generation amount grasping means.
[0025]
The fuel generation amount grasping means uses the power generation amount of the fuel cell, the temperature in the reformer, and the supply pressure of fuel from the reformer to generate the fuel generation amount by the reformer. It is characterized by grasping.
[0026]
From the reformer to the fuel cell, not only fuel but also other gas such as water vapor generated with the generation of fuel is supplied. For this reason, it is difficult to directly detect the fuel supply amount. Therefore, in the present invention, the fuel generation amount grasping means uses the power generation amount of the fuel cell, the temperature in the reformer, and the supply pressure of the fuel from the reformer, The amount of fuel produced by the vessel is estimated indirectly. Thereby, the amount of fuel produced by the reformer can be easily grasped.
[0027]
The legged movement according to any one of
[0028]
In general, since a fuel cell has a small instantaneous maximum output power, there is a case where a sufficient power supply according to the large load operation cannot be obtained. Therefore, in the present invention, operating power is supplied to the legged robot from the power storage means charged with the output power of the fuel cell. In this case, since the instantaneous maximum output power of the power storage means can be made larger than the instantaneous maximum output power of the fuel cell, it is possible to supply power according to the large load operation.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a control block diagram according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an operation explanatory diagram of a fuel cell, FIG. 3 is a configuration diagram of target pressure setting means, and FIGS. 4 and 5 are transition descriptions of reserve tank pressure. FIG. 6, FIG. 6 is an operation flowchart of the sequence manager, FIG. 7 and FIG. 8 are time charts of the power generation management means, FIG. 9 is a control block diagram according to the second embodiment of the present invention, FIG. These are the control block diagrams in the 3rd Embodiment of this invention.
[0030]
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Referring to FIG. 1, a legged
[0031]
Hydrogen is supplied as a fuel to the negative electrode side of the
Negative electrode: H 2 → 2H + + 2e - (A)
Positive electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O (B)
A chemical reaction occurs, and electric power is supplied from the
[0032]
Thus, by supplying the operating power of the
[0033]
A hydrogen supply means 6 is a raw material tank 8 for holding methanol, which is a raw material of hydrogen (corresponding to the raw material holding means of the present invention), and methanol supplied from the raw material tank 8 is decomposed into hydrogen and carbon dioxide by a catalyst, A
[0034]
Here, from the above formula (A), the output power of the
[0035]
When the amount of hydrogen consumed in the
[0036]
The power generation management unit 7 needs to analyze the action plan received from the
[0037]
The power generation management means 7 performs control to keep the pressure in the
[0038]
The operation control means 2 is for realizing the action planning function of the
[0039]
By the way, in a biped robot, the power consumption during walking may increase to more than twice the power consumption during stoppage. In such a case, the
[0040]
The graphs (a) and (b) shown in FIG. 2 show how such a time delay occurs, and the vertical axis indicates the amount of hydrogen produced by the
[0041]
With reference to the graph (a), the power generation management means 7 starts walking (time t) of the
[0042]
Therefore, referring to FIG. 1, the power generation management means 7 performs a preceding process for instructing the
[0043]
When the power generation management unit 7 recognizes that the large load operation occurs, the power generation management unit 7 transmits an INHIBIT signal to the
[0044]
The
[0045]
Alternatively, the target pressure setting means 26 outputs the estimated value of the pressure transition when hydrogen is generated using only the output of the reformer generation amount instruction means 25 as the direct hydrogen generation amount instruction value, thereby equivalently adding them together. By canceling the feedback control operation by the
[0046]
FIG. 3 is an explanatory diagram of the target pressure setting means 26. An instruction value from the reformer generation amount instruction means 25 and a hydrogen consumption amount calculated by a hydrogen consumption conversion means 29 described later are input and reserved. The sum of the pressure fluctuation estimated by the
[0047]
The operation of the target
[0048]
As a result, the pressure fluctuation of the reserve tank pressure caused by the feedforward control by the reformer generation amount instruction means 25 can be added to the reserve tank pressure target value (indicated value). By performing the feedback control based on the above, it is possible to prevent the above-described feedforward control from being affected by the feedback control.
[0049]
The power generation management means 7 gives a preparation time T after instructing the
[0050]
However, the actual delay time T in the graph (b) of FIG. d Therefore, in this embodiment, the
[0051]
The graph (c) shows the functions g (t) and h (t) shown below superimposed.
[0052]
[Expression 1]
[0053]
[Expression 2]
[0054]
g (t) is time t 1 To time t 2 Shows the transition of the ideal hydrogen generation amount when walking up to (the heavy load operation), h (t) is the time t 1 Predicted delay time T s Previous time t 0 To t w (T w -T 0 = T 2 -T 1 = Amount of hydrogen supply until A) 1 When the instruction is given, the transition of the hydrogen generation amount by the
[0055]
[Equation 3]
[0056]
[Expression 4]
[0057]
It becomes. From the balance between the amount of hydrogen produced by the
[0058]
[Equation 5]
[0059]
It becomes. Where t w >> Since τ can be assumed,
[0060]
[Formula 6]
t 1 ≒ τ (6)
It becomes.
[0061]
Therefore, the power generation management means 7 sets the time constant τ to the preparation time T s And That is, referring to the graph (e) in FIG. 0 Preparation time T after giving an increase instruction at s The time t when 1 Then, the ENABLE signal is transmitted to the operation control means 2. At this time, the hydrogen production amount of the
[0062]
And the power generation management means 7 is the walking end time t 2 Preparation time T s T which is the previous time w The indicated value of the hydrogen production amount is A 1 To A 0 To lower. Thereby, with reference to the graph (d) of FIG. 2, it can prevent that the pressure of the
[0063]
When the delay time of the
[0064]
Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5, the preparation time T is generated by the power generation management means 7 described above. s The effect of reducing the pressure change in the
[0065]
In the conventional method, referring to FIG. 4, time t at which the amount of hydrogen generation in graph (a) is increased. 0 And the time t when the
[0066]
In addition, when walking is stopped, the actual value of the hydrogen generation amount shown in the graph (a) exceeds the hydrogen consumption amount shown in the graph (b), so that the pressure in the
[0067]
Therefore, in the example shown in FIG. 4, the time t of the graph (d) 0 After instructing to increase the amount of hydrogen produced in step (b), as shown in the graph (e), the preparation time T S The time t when 1 The
[0068]
In FIG. 5, the graph (h) shows the preparation time T shown in the graph (g). S Is set to a time shorter than the time constant τ described above. As a result, as shown in the graph (i), the pressure change in the
T S = Time constant (τ) x Constant (1 or less)
This is applied to each of when walking starts and when walking stops. Preparation time T S Can be set as precisely as necessary.
T S = F (current pressure, target generation change, target pressure set value, pressure upper limit value, pressure lower limit value, time constant)
Therefore, the pressure in the
[0069]
Subsequently, with respect to the specific operation of the power generation management means 7 (see FIG. 1) in the first embodiment of the present invention, with reference to the overall configuration diagram shown in FIG. This will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 6 and the time charts shown in FIGS. 7 and 8, the graph (a) is the transition of the operation state of the
[0070]
With reference to the flowchart of FIG. 6, the
[0071]
When in the “Walking Plan Change Waiting State”, the
[0072]
When in the “reforming generation instruction waiting state”, the
[0073]
When in the “reformation generation preceding state”, the
[0074]
It should be noted that the ENABLE signal is a signal having a meaning of permitting the change control of the operation of the
[0075]
A specific example of operating the legged
[0076]
FIG. 7 shows an example in which there is a waiting time from when the
[0077]
And
[0078]
Walking start time t P When it becomes 1, the
[0079]
When the
[0080]
[0081]
Thus, the preparation time T from when the operation control means 2 instructs the
[0082]
Next, FIG. 8 shows an example in which walking of the legged
[0083]
Thereby, as shown in (d), the hydrogen production amount of the
[0084]
When the
[0085]
As a result, the hydrogen generation amount of the
[0086]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same component as FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. In the first embodiment, the preparation time T s The timing for transmitting the ENABLE signal (instruction to start walking) to the operation control means 2 is determined by s Is calculated assuming that the
[0087]
Therefore, referring to FIG. 9, the power generation management means 7 in the second embodiment of the present invention is an
[0088]
That is, referring to FIG. 9, the hydrogen consumption conversion means 29 calculates the hydrogen consumption of the
[0089]
A plurality of types of transfer functions H may be used depending on whether importance is attached to responsiveness or estimation accuracy. The hydrogen consumption conversion rate may be regarded as 1 / (power generation efficiency of the fuel cell).
[0090]
Referring to FIG. 9, the power generation control means 7 takes the difference between the detected pressure of the
[0091]
At the
[0092]
In this way, the
[0093]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first and second embodiments described above, the preparation time T s The timing for transmitting the ENABLE signal (instruction to start walking) to the operation control means 2 is determined based on the above, but in the third embodiment, the necessary hydrogen generation amount S is determined. n Depending on the criterion hydrogen production amount S a And S a Is used as a reference to determine the timing for transmitting the ENABLE signal to the operation control means 2 (instruction to start walking).
[0094]
That is, the power generation management means 7 uses the required hydrogen generation amount calculation means 23 to generate the required hydrogen generation amount S. n And calculate S n Depending on the criterion hydrogen production amount S a For example S n Of 70%. And S a The
[0095]
The
[0096]
Thus, in the first and second embodiments, the preparation time T s In this embodiment, the estimated value of the hydrogen generation amount is used as the determination criterion for the ENABLE signal output. Therefore, the ENABLE signal output can be determined with higher accuracy. As a result, the possibility that the power supply to the
[0097]
Referring to FIG. 10, when the
[0098]
Therefore, in order to prevent such inoperability, the following processing may be performed. That is, when the
[0099]
Therefore, the
[0100]
Moreover, in the said 1st-3rd embodiment, although the electrical double layer capacitor was used as an electrical storage means of this invention, using secondary batteries, such as capacitors other than an electrical double layer, and a lithium-ion battery. Also good.
[0101]
In the first to third embodiments, the electric power for operation is supplied from the electric double layer capacitor 4 to the
[0102]
In the first to third embodiments, a reformer using methanol as a raw material is used. However, other types of reformers may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram according to a first embodiment.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of a fuel cell.
FIG. 3 is a configuration diagram of target pressure setting means.
FIG. 4 is a transition explanatory diagram of reserve tank pressure.
FIG. 5 is an explanatory diagram of changes in reserve tank pressure.
FIG. 6 is an operation flowchart of the sequence manager.
FIG. 7 is a time chart of power generation management means.
FIG. 8 is a time chart of power generation management means.
FIG. 9 is a control block diagram according to the second embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram of an observer.
FIG. 11 is a control block diagram according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該脚式移動ロボットの作動用電力を供給する燃料電池と、前記行動計画に従って該脚式移動ロボットの作動を制御する作動制御手段と、該燃料電池の状態と前記行動計画の内容とを監視し、前記行動計画に応じて該燃料電池の発電量を調節する発電管理手段とを備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。In a legged mobile robot with an action plan function that operates according to a predetermined action plan,
A fuel cell for supplying electric power for operating the legged mobile robot; an operation control means for controlling the operation of the legged mobile robot according to the action plan; and the state of the fuel cell and the content of the action plan. A legged mobile robot comprising power generation management means for adjusting a power generation amount of the fuel cell according to the action plan.
前記発電管理手段は、前記燃料電池の燃料消費量に応じて、前記改質器に対して燃料の生成量の増減を指示し、また、前記行動計画の内容を該行動計画が実行される前に解析し、該行動計画において、前記燃料電池からの供給電力が所定レベル以上必要となる大負荷作動が実行されることを認識したときは、該大負荷作動が実行される前に、予め前記改質器に対して燃料生成量を増加させる指示をする先行処理を行うことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボット。A raw material holding means for holding a raw material for generating fuel for the fuel cell; and a reformer for generating fuel for the fuel cell from the raw material supplied from the raw material holding means and supplying the fuel cell to the fuel cell,
The power generation management means instructs the reformer to increase or decrease the amount of fuel generated according to the fuel consumption of the fuel cell, and the content of the action plan is executed before the action plan is executed. In the action plan, when it is recognized that a large load operation that requires a power supply from the fuel cell of a predetermined level or more is executed in the action plan, before the large load operation is executed, The legged mobile robot according to claim 1, wherein a preceding process for instructing the reformer to increase the amount of fuel generation is performed.
前記発電管理手段は、前記リザーブタンク内の圧力が所定の上限圧を越えないように、前記先行処理を行うことを特徴とする請求項2記載の脚式移動ロボット。A reserve tank that supplies the fuel cell while holding the fuel output from the reformer;
The legged mobile robot according to claim 2, wherein the power generation management means performs the preceding process so that the pressure in the reserve tank does not exceed a predetermined upper limit pressure.
前記発電管理手段は、前記先行処理において、前記必要供給量での燃料供給がなされるように、少なくとも前記燃料生成量把握手段により把握された燃料生成量に応じて、前記改質器に対する増加指示の度合いを決定することを特徴とする請求項2又は3記載の脚式移動ロボット。A fuel generation amount grasping means for grasping the fuel generation amount by the reformer is provided,
The power generation management means instructs to increase the reformer according to at least the fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping means so that fuel is supplied at the required supply amount in the preceding process. The legged mobile robot according to claim 2 or 3, wherein a degree of the movement is determined.
前記発電管理手段は、前記先行処理として、前記改質器から前記燃料電池への燃料供給量が前記大負荷作動に応じた必要供給量以上となるように前記改質器に対して燃料生成量の増加指示を行い、該増加指示後、前記燃料生成量把握手段により把握された燃料生成量が、前記必要燃料供給量に応じて設定された目標生成量以上となった時に、前記作動制御手段に対して前記大負荷作動の実行開始を指示することを特徴とする請求項2又は3記載の脚式移動ロボット。A fuel generation amount grasping means for grasping the fuel generation amount by the reformer is provided,
The power generation management means, as the preceding process, generates a fuel generation amount for the reformer so that a fuel supply amount from the reformer to the fuel cell is not less than a necessary supply amount corresponding to the large load operation. When the fuel generation amount grasped by the fuel production amount grasping means becomes equal to or larger than the target production amount set according to the required fuel supply amount after the increase instruction, the operation control means The legged mobile robot according to claim 2 or 3, wherein the start of execution of the heavy load operation is instructed.
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