JP4225379B2 - Waste heat utilization mechanism in mobile robots - Google Patents
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Description
本発明は、自律制御や遠隔操作によって稼働し、移動機能を有する移動ロボットに関し、内部に搭載される制御用CPUやモータ制御回路等の発熱機器から発生する排熱を有効利用する構造に関するものである。 The present invention relates to a mobile robot that operates by autonomous control or remote operation and has a moving function, and relates to a structure that effectively uses exhaust heat generated from a heat generating device such as a control CPU and a motor control circuit mounted therein. is there.
脚部を備え歩行を行う人型ロボット等の移動ロボットにおいて、内部に搭載される制御用CPUやモータ制御回路等からは、その稼動中において常時熱が発生する。よく知られているように、CPUやモータ制御回路に使われている半導体デバイスは、熱に弱く、そのため上述した制御用CPUやモータ制御回路等から発生した熱は排熱する必要がある。 In a mobile robot such as a humanoid robot that has a leg and walks, heat is constantly generated during operation from a control CPU, a motor control circuit, and the like mounted therein. As is well known, semiconductor devices used in CPUs and motor control circuits are vulnerable to heat, and therefore heat generated from the control CPUs and motor control circuits described above must be exhausted.
移動ロボットにおける発熱の問題に対応する技術としては、例えば特許文献1に記載のように、排気ファンを設けて排熱を行う冷却構造が提案されている。
As a technique for dealing with the problem of heat generation in a mobile robot, for example, as disclosed in
ところで、上述した発熱の問題とは別に、ロボットの可動開始時において、装置本来の性能を出せずに可動効率が悪くなる問題がある。例えば、腕を動かそうとした場合に、スムーズな可動が行えず、腕を動かすためのモータに過負荷が加わってしまう場合がある。これは、可動初期においては、ギアボックス内の潤滑剤の粘度が高く、そのためにサーボモータへの負荷が増えるからである。この問題は、ロボットの稼働環境が低温な環境である場合に特に顕著になる。 By the way, apart from the above-described problem of heat generation, there is a problem that when the robot starts moving, the moving efficiency is deteriorated without achieving the original performance of the apparatus. For example, when trying to move an arm, smooth movement may not be possible, and an overload may be applied to a motor for moving the arm. This is because, in the initial stage of movement, the viscosity of the lubricant in the gear box is high, which increases the load on the servo motor. This problem becomes particularly noticeable when the operating environment of the robot is a low temperature environment.
また、移動ロボットには、関節駆動用モータや制御系電装機器等を作動させるための電力を供給するバッテリーが搭載されているが、低温時において、このバッテリー内の電極の反応性が低下し電池電圧が低下するため、放電容量が減少してしまうという問題があった。 In addition, the mobile robot is equipped with a battery that supplies power for operating the joint drive motor, the control system electrical equipment, etc., but at low temperatures, the reactivity of the electrodes in the battery decreases and the battery Since the voltage is lowered, there is a problem that the discharge capacity is reduced.
さらに、人型ロボット等の移動ロボットにおいては、一般に、画像認識処理を用いて動作の制御を行っているが、この視覚手段としてロボットの内部にCCDカメラ等の撮像機器を搭載している。このカメラの撮像方向(レンズ正面方向)には、レンズを保護し、かつ撮影視野角を得るための透明のアクリル樹脂等で形成された光学シールド(カバー部材)が配置されている。 Furthermore, in a mobile robot such as a humanoid robot, the operation is generally controlled using image recognition processing, and an imaging device such as a CCD camera is mounted inside the robot as the visual means. In the imaging direction (lens front direction) of the camera, an optical shield (cover member) formed of a transparent acrylic resin or the like for protecting the lens and obtaining a photographing viewing angle is disposed.
ロボットが降雨時や多湿環境、さらには粉塵等が浮遊する環境下において稼働する場合、光学シールドに水滴や粉塵が付着する。この結果、光学シールドを介して撮像した画像が歪んだり不鮮明になったりし、画像認識処理に悪影響を及ぼす場合があった。画像認識処理に悪影響が出ると、移動や物をつかむといった動作を正確に行えなくなる場合があった。このため、上述した光学シールドへの水滴や粉塵の付着の問題を解決することが望まれていた。 When the robot operates in rain, in a humid environment, or in an environment where dust or the like floats, water droplets and dust adhere to the optical shield. As a result, an image captured through the optical shield may be distorted or unclear, which may adversely affect the image recognition process. When the image recognition processing is adversely affected, there is a case where it is impossible to accurately perform movement or grabbing an object. For this reason, it has been desired to solve the above-described problem of adhesion of water droplets and dust to the optical shield.
歩行型ロボット等の移動ロボットは、建設作業現場での作業、重機の操作、災害復旧現場での作業、プラント等における保守点検作業、警備、介護作業といった用途への利用が期待されている。このような用途での稼働を考えた場合、野外や悪天候下、あるいは多湿な環境や粉塵が多く舞う環境での耐久性が問題となる。すなわち、内部での結露や塵の侵入によって、信頼性が低下してしまうことが懸念される。 Mobile robots such as walking robots are expected to be used for applications such as construction work sites, heavy machinery operations, disaster recovery site work, maintenance inspection work in plants, security, and care work. When considering operation in such applications, durability in the outdoors, in bad weather, or in humid environments or dusty environments becomes a problem. That is, there is a concern that reliability may be reduced due to internal condensation or dust penetration.
本発明は、上記課題を解決することを目的とする。特に、前述したロボットの排熱を有効に利用して上記の課題を効果的に解決することを目的とする。 The present invention aims to solve the above problems. In particular, it is an object of the present invention to effectively solve the above-mentioned problems by effectively using the exhaust heat of the robot described above.
本発明は、移動ロボット内で発生する熱を利用する機構であって、発熱機器と、前記発熱機器からの発熱を利用した温風を導く温風移送手段と、前記温風移送手段から供給される温風によって加熱、乾燥またはクリーニングの少なくとも一つの処理が施される装置とを備え、前記温風移送手段は温風が流れるダクトを備え、前記ダクトは、温風の流量を制御するバルブを備えていることを特徴とする。
The present invention is a mechanism that uses heat generated in a mobile robot, and is supplied from a heat generating device, hot air transfer means that guides hot air using heat generated from the heat generating device, and the hot air transfer means. heated by that hot air, and a device for drying or a process also less cleaning is performed, the hot air transfer means comprises a duct through which hot air, said duct for controlling the flow rate of hot air It is provided with a valve .
上記発明の適用対象となる移動ロボットとしては、脚部を備えて歩行を行う人型ロボット、あるいは脚部の変わりに車輪や無限軌道による移動手段を備えたロボットを挙げることができる。本発明における移動ロボットは、電源および動作制御のための機器を内蔵し、自律制御あるいは操作信号を外部から受けての制御が行われる形態のものが好ましい。したがって、生産ライン等で用いられている溶接ロボットや塗装ロボットのように、電源や制御機器の一部あるいは全部がロボットの外部に外付けであるような構成のロボットは、本発明の適用対象として適当ではない。 Examples of the mobile robot to which the invention is applied include a humanoid robot that walks with legs, or a robot that has moving means using wheels or an endless track instead of the legs. The mobile robot according to the present invention preferably has a power supply and a device for operation control, and is capable of autonomous control or control by receiving an operation signal from the outside. Therefore, a robot having a configuration in which part or all of the power supply and control equipment are externally attached to the outside of the robot, such as a welding robot and a painting robot used in a production line or the like, is an application target of the present invention. Not appropriate.
本発明における発熱機器としては、ロボットの動作を制御する制御用CPUおよびその周辺回路、ロボットの動作の動力となるモータを制御する制御回路、さらには電圧の調整等を行う電源回路等が挙げられる。 Examples of the heat generating device in the present invention include a control CPU for controlling the operation of the robot and its peripheral circuits, a control circuit for controlling the motor that is the power for the operation of the robot, and a power supply circuit for adjusting the voltage. .
ロボットの動作制御は極めて複雑な電子制御が必要とされるものであり、そのために高速演算処理機能を有する制御用CPUを多数必要としている。この制御用CPUの動作時における発熱量は多く、効果的な冷却あるいは排熱を行わなくてはならない。このことは、演算速度の上がったコンピュータ機器の例からも良く理解されることである。 Robot operation control requires extremely complicated electronic control, and for this purpose, a large number of control CPUs having high-speed arithmetic processing functions are required. The amount of heat generated during operation of the control CPU is large, and effective cooling or exhaust heat must be performed. This is well understood from the example of computer equipment with increased computation speed.
また、モータ制御用回路には、モータに流れるアンペア単位以上の大電流をスイッチングする半導体スイッチ(例えば大電流対応のスイッチング用FET等)が用いられるが、このような半導体スイッチは発熱量が大きい。特に人型ロボットの場合は多数のサーボモータを各関節等に配置する必要があり、その制御のための回路もモータの数の分だけ必要となる。このことから、全体として見ればモータ制御用回路からの発熱はかなりのものとなる。 The motor control circuit uses a semiconductor switch (for example, a switching FET corresponding to a large current) that switches a large current exceeding the ampere unit flowing through the motor. Such a semiconductor switch generates a large amount of heat. In particular, in the case of a humanoid robot, it is necessary to arrange a large number of servomotors at each joint and the like, and a circuit for controlling the servomotors is required for the number of motors. For this reason, the heat generation from the motor control circuit is considerable as a whole.
発熱機器からの発熱を利用した温風を導く温風移送手段としては、温風の流れを作るファンやコンプレッサー等の送風装置を挙げることができる。送風装置は、発熱機器に向かって空気の流れを送るように1つまたは複数を配置しても良いし、発熱機器の付近から空気を吸引するように1つまたは複数を配置してもよいし、その両方を組み合わせても良い。 Examples of the hot air transfer means for guiding the hot air using the heat generated from the heat generating device include a blower such as a fan or a compressor that creates a flow of the hot air. One or a plurality of blowing devices may be arranged so as to send an air flow toward the heat generating device, or one or a plurality of air blowing devices may be arranged so as to suck air from the vicinity of the heat generating device. , You may combine both.
また、温風移送手段には、温風を所定の場所に導くダクト構造を含めても良い。ダクト構造は、独立したダクト構造を備えるものでもよいし、ロボットを構成する構造体を利用してダクトとして機能する空気の流れを導く流路を構成するものでもよい。また両者を組み合わせた構造とするものでもよい。また、ダクト構造としてフレキシブルホースのような空気の流れを導く手段を利用してもよい。 The hot air transfer means may include a duct structure that guides the hot air to a predetermined place. The duct structure may be provided with an independent duct structure, or may be a flow path that guides the flow of air functioning as a duct using a structure constituting the robot. Moreover, you may make it the structure which combined both. Moreover, you may utilize the means which guide | induces the flow of air like a flexible hose as a duct structure.
温風移送手段から供給される温風によって加熱、乾燥またはクリーニングの少なくも一つの処理が施される装置としては、ロボットが備える各種部位が含まれる。例えば、この装置として、関節機構、モータ、信号の伝送系、空圧系、油圧系、各種の電子機器、アクチュエータ、バッテリー、ロボットの外殻を構成する部材、ロボットの骨格構造を構成する部材、補強部材、各種の装置を保持あるいは保護するための補助的な部材等を挙げることができる。 Various devices included in the robot are included as an apparatus in which at least one process of heating, drying, or cleaning is performed by the hot air supplied from the hot air transfer means. For example, as this device, a joint mechanism, a motor, a signal transmission system, a pneumatic system, a hydraulic system, various electronic devices, actuators, batteries, members constituting the outer shell of the robot, members constituting the skeleton structure of the robot, Examples thereof include a reinforcing member and an auxiliary member for holding or protecting various devices.
次に加熱、乾燥またはクリーニングについて説明する。ここで加熱というのは、温風を当てることで、被加熱対象物に熱を供給することをいう。乾燥は、温風を当てることで、温風を当てた対象から水分を飛ばし乾燥させることをいう。例えば、水に濡れたり、結露による水滴が付着したりした部分を乾燥させることをいう。また、湿気がこもった部分を乾燥させることをいう。クリーニングは、温風の風圧により、温風を当てた部分の塵を吹き飛ばすことをいう。 Next, heating, drying or cleaning will be described. Here, heating refers to supplying heat to the object to be heated by applying hot air. Drying refers to drying by blowing water from a target to which hot air is applied by applying hot air. For example, it means drying a portion wetted by water or a portion where water droplets are attached due to condensation. In addition, it means drying a portion where moisture is accumulated. Cleaning refers to blowing off dust in a portion where hot air is applied by the wind pressure of the hot air.
本発明において、発熱機器は、集中配置されていることは好ましい。すなわち、ロボットの内部において、発熱機器が集中配置されている構造であることは好ましい。 In the present invention, it is preferable that the heat generating devices are arranged in a concentrated manner. That is, it is preferable that the heat generating devices are arranged in a concentrated manner inside the robot.
発熱機器が集中配置されていると、その排熱を集めて有効に利用することができる。発熱機器が分散していると、温風移送手段もまた分散して配置しなくてはならず、構成が複雑化し、ロボット全体の小型化および軽量化を図る観点から見て好ましくない。 If the heat generating devices are centrally arranged, the exhaust heat can be collected and used effectively. If the heat generating devices are dispersed, the hot air transferring means must also be dispersedly arranged, which is not preferable from the viewpoint of complicating the configuration and reducing the size and weight of the entire robot.
本発明において、発熱機器からの発熱を外部に排気する排熱用送風装置と、温風移送手段内の温風供給用送風装置と、温風が送られる装置に備えたセンサとをさらに備え、このセンサからの検出信号に応答して前記温風供給用送風装置のONまたはOFFを制御する構造とすることは好ましい。 In the present invention, further comprising: a blower for exhaust heat that exhausts heat generated from the heat generating device to the outside; a blower for supplying hot air in the hot air transfer means; and a sensor provided in the device to which the hot air is sent, It is preferable to use a structure that controls ON or OFF of the blower for supplying hot air in response to a detection signal from the sensor.
この態様によれば、温風が当てられる装置に温度センサを配置し、その温度センサから出力される温度情報に基づいて温風の送風状態を制御することができる。これにより、当該装置が所定の第1の温度以下に低下した場合に温風の送風により加熱が行われ、さらに当該装置の温度が所定の第2の温度以上に上昇した場合に温風の送風を停止する制御を行うことができる。これにより、温風が当てられる装置を、所定の温度範囲内の温度に維持することができる。 According to this aspect, a temperature sensor can be arrange | positioned to the apparatus to which hot air is applied, and the ventilation state of warm air can be controlled based on the temperature information output from the temperature sensor. Thereby, when the apparatus falls below a predetermined first temperature, heating is performed by blowing hot air, and when the temperature of the apparatus rises above a predetermined second temperature, blowing hot air is performed. Can be controlled. Thereby, the apparatus to which hot air is applied can be maintained at a temperature within a predetermined temperature range.
また、センサとして湿度センサを採用すれば、温風が当てられる装置が所定の範囲の湿度に保たれるように制御することができる。この技術を利用することで、例えばロボット内部の結露を防止する構成を実現することができる。 Moreover, if a humidity sensor is employed as the sensor, it is possible to control so that the device to which the hot air is applied is maintained in a predetermined range of humidity. By using this technology, for example, a configuration that prevents condensation inside the robot can be realized.
本発明において、移動もしくは可動のための関節軸を備え、前記関節軸の軸内を前記温風が流れるダクトとして利用する構造とすることは好ましい。 In the present invention, it is preferable to provide a structure that includes a joint shaft for movement or movement, and uses the joint shaft as a duct through which the hot air flows.
この態様によれば、例えば首や腰を揺動させる関節軸の軸内を利用して温風を流すためのダクトが構成される。関節軸である首や腰といった揺動機構を備える部分は、揺動時に揺動軸以外の部分が相対的に動くことになるため、温風の流路の確保が困難になる。フレキシブルなパイプによる流路の確保も考えられるが、軸の内部に流路を確保することで、余計なスペースを必要とせず、しかもある程度の断面積も確保できる優位性が得られる。 According to this aspect, for example, a duct for flowing warm air is configured using the inside of the joint shaft that swings the neck and waist. The portion provided with the swinging mechanism such as the neck and the waist which are the joint shafts relatively moves other than the swinging shaft at the time of swinging, so that it is difficult to secure a warm air flow path. Although it is conceivable to secure a flow path by a flexible pipe, securing a flow path inside the shaft does not require an extra space and can provide an advantage of securing a certain cross-sectional area.
また、このダクト構造において、温風の流量を制御するバルブを備えることは好ましい。例えば、センサとバルブを連動させ、センサが捕らえた温度情報や湿度情報に基づいてバルブを調整し、それによりダクト内を流れる流量を制御し、温風による加熱作用や乾燥作用を調整することができる。 In this duct structure, it is preferable to include a valve for controlling the flow rate of the hot air. For example, the sensor and valve can be linked and the valve adjusted based on temperature and humidity information captured by the sensor, thereby controlling the flow rate in the duct and adjusting the heating action and drying action by hot air. it can.
本発明における温風が当てられる装置として、ギアボックスが選択されることは好ましい。この態様によれば、ギアボックス内の潤滑剤が温風で暖められ、低温環境下における可動部分の始動をスムーズに行わせることができる。 The gearbox is preferably selected as the device to which the hot air is applied in the present invention. According to this aspect, the lubricant in the gear box is warmed by the hot air, and the movable part can be smoothly started in the low temperature environment.
本発明における温風が当てられる装置として、バッテリーが選択されることは好ましい。バッテリーは低温になると放電容量が低下するので、排熱を利用した温風によって暖めることで、放電容量の低下を抑制することができる。この態様では、バッテリーを別途ヒータで加熱するわけではないので、低消費電力を追求する点で有利となる。 It is preferable that a battery is selected as an apparatus to which hot air is applied in the present invention. Since the discharge capacity of the battery decreases when the temperature becomes low, the discharge capacity can be prevented from decreasing by warming with warm air using exhaust heat. In this aspect, the battery is not heated by a separate heater, which is advantageous in pursuing low power consumption.
本発明における温風が当てられる装置として、撮像光学系に配置される光学シールドが選択されることは好ましい。この態様によれば、温風が当てられることで、撮像装置(例えばCCDカメラ)の前に配置される光学シールドの表面への水滴や塵の付着が防止される。また、水滴が付着したとしても、温風による乾燥が行われ、水滴の除去が行われる。また、付着した塵の除去が行われる。また、シールドの内側に温風が供給されるようにすることで、シールドの曇りが防止される。 As an apparatus to which hot air is applied in the present invention, it is preferable to select an optical shield arranged in the imaging optical system. According to this aspect, the application of warm air prevents water droplets and dust from adhering to the surface of the optical shield disposed in front of the imaging device (for example, a CCD camera). Moreover, even if a water droplet adheres, drying by a warm air is performed and a water droplet is removed. Moreover, the attached dust is removed. Further, the hot air is supplied to the inside of the shield, thereby preventing the shield from being fogged.
この態様によれば、シールドの汚れや曇りによる画像解析結果への悪影響を排除することができる。このことは、ロボットの野外での稼働、降雨時における稼働、粉塵等が存在する環境での稼働において有効となる。 According to this aspect, it is possible to eliminate an adverse effect on the image analysis result due to dirt or cloudiness of the shield. This is effective in the outdoor operation of the robot, the operation during rain, and the operation in an environment where dust is present.
特にシールドの外側表面に温風を流して、シールドの表面にエアーカーテンを形成することで、シールドへの水滴や塵の付着を防止する機能を与えることができる。 In particular, by supplying warm air to the outer surface of the shield and forming an air curtain on the surface of the shield, a function of preventing water droplets and dust from adhering to the shield can be provided.
温風の供給対象は、ロボットの外殻内部の任意の場所であってもよい。ロボットを野外で稼働させる場合、ロボット内部(つまり外殻の内部)に結露が発生すること、あるいは関節部分の隙間等から水分が進入し、内部に水滴が残存するような状況が危惧される。 The supply target of the warm air may be an arbitrary place inside the outer shell of the robot. When the robot is operated outdoors, there is a concern that condensation may occur inside the robot (that is, inside the outer shell), or water may enter from gaps in the joints and water droplets may remain inside.
発熱機器の排熱を利用した温風をロボットの外殻内部の任意の場所に供給することで、結露や水分の進入があっても、それを温風によって乾燥させることができる。人間に代わって各種の作業を行わせることを目的とする人型ロボットのように、多くの可動部分や関節を有しているロボットは、完全防水は困難であるので、上述した排熱利用の強制乾燥は、有効な手段となる。 By supplying hot air using the exhaust heat of the heat generating device to any location inside the outer shell of the robot, it is possible to dry it with hot air even if there is condensation or moisture entering. Robots with many movable parts and joints, such as humanoid robots that are intended to perform various tasks on behalf of humans, are difficult to completely waterproof. Forced drying is an effective means.
本発明において、温風移送手段は、外気を取り入れる外気取り入れ用送風装置を備え、この外気取り入れ用送風装置から取り入れる風量を調整することで、温風の熱量を制御する構造とすることは好ましい。 In the present invention, it is preferable that the hot air transfer means includes a blower for taking in outside air and takes in the outside air and adjusts the amount of air taken in from the blower for taking in outside air, thereby controlling the amount of heat of the hot air.
前述のギアボックス等は、ある程度以上の温度に加温されることは好ましくない。これは、ある程度以上の温度になると、潤滑剤が耐熱限界を超えて酸化劣化してしまうからである。また、バッテリーもある程度以上の温度になると、反応材料の膨張といった別の問題が発生するので、ある程度の温度管理が行われることが好ましい。 It is not preferable that the above-described gearbox or the like is heated to a temperature higher than a certain level. This is because when the temperature reaches a certain level or more, the lubricant exceeds the heat resistance limit and is oxidatively deteriorated. Further, when the temperature of the battery reaches a certain level or more, another problem such as expansion of the reaction material occurs. Therefore, it is preferable that a certain degree of temperature management is performed.
上記の外気を取り入れる態様によれば、発熱機器からの発熱を利用した温風の温度を外気との混合により制御することができるので、上述したギアボックスやバッテリーの暖めすぎを防止し、適度の加温を行うことができる。例えば、ギアボックスやバッテリーに温度センサを装着し、この温度センサの出力を利用して、外気取り入れ用送風装置から取り入れる風量を調整し、温風の熱量を調整する。これにより、適度な加温を行うことができる。 According to the aspect of taking in the outside air, since the temperature of the hot air using the heat generated from the heat generating device can be controlled by mixing with the outside air, the above-described gear box and battery are prevented from being overheated, Heating can be performed. For example, a temperature sensor is attached to a gear box or a battery, and the amount of air taken in from an outside air intake blower is adjusted using the output of the temperature sensor, and the amount of heat of the hot air is adjusted. Thereby, moderate heating can be performed.
本発明によれば、モータの制御系や制御CPUからの排熱を利用して、低温になっては都合が悪い部分を加熱することができ、ロボット全体の性能および信頼性を高めることができる。 According to the present invention, by using the exhaust heat from the motor control system and the control CPU, it is possible to heat a portion that is inconvenient at a low temperature, and to improve the performance and reliability of the entire robot. .
すなわち、排熱を有効に利用して、低温時にギアボックス内の潤滑剤の粘度が高くなってしまう問題、低温時にバッテリーの放電容量が低下してしまう問題、および撮像系のカバー部材に水滴や粉塵が付着してしまう問題を解決することができる。 That is, by effectively utilizing exhaust heat, the viscosity of the lubricant in the gearbox increases at low temperatures, the problem that the discharge capacity of the battery decreases at low temperatures, and drops of water on the cover member of the imaging system. The problem that dust adheres can be solved.
また本発明を利用することで、ロボット内部における結露の防止を行うことができる。このことは、全天候型での使用が要求されるロボットにとって極めて有用となる。 Further, by utilizing the present invention, it is possible to prevent condensation within the robot. This is extremely useful for a robot that is required to be used in an all-weather type.
また、本発明のロボット内部の機器からの排熱を利用する構成は、熱供給のためのヒータ等の加熱手段を別に設ける訳ではないので、バッテリーの負担を大きく増やすものではない。このことは、バッテリーへの充電を行わずにできるだけ長時間の稼働を行わせる能力が要求される人型ロボット等にとっては極めて有意なこととなる。 Further, the configuration using the exhaust heat from the equipment inside the robot according to the present invention does not provide a heating means such as a heater for supplying heat, so that the burden on the battery is not greatly increased. This is extremely significant for a humanoid robot or the like that requires the ability to operate for as long a time as possible without charging the battery.
以下、本発明の排熱利用機構を利用した移動ロボットの一例について、図面を参照して説明する。本実施形態において説明する移動ロボットは、自律制御型の2足歩行可能なロボットである。このロボットは、工事現場等における作業や介護作業といった人間がこれまで行ってきた作業を行うことを目的としているロボットの一例である。 Hereinafter, an example of a mobile robot using the exhaust heat utilization mechanism of the present invention will be described with reference to the drawings. The mobile robot described in the present embodiment is an autonomous control type biped walking robot. This robot is an example of a robot whose purpose is to perform work that has been performed by humans, such as work on construction sites and nursing care work.
(実施形態の概要)
図1は、本実施形態のロボットの全体を示す正面図(図1(A))および側面図(図1(B))である。図1に示すロボット101は、胴体を構成する上胴体部102および下胴体部103を備えている。上胴体部102と下胴体部103とは、腰連結部111を介して連結されており、下胴体部103に対する上胴体部102の相対的に捻り回転、および上胴体部の前後への傾き動作を行えるようになっている。上胴体部102の上部には、頭部104が首連結部112を介して連結され、上胴体部102の左右には左右両方の腕部105が肩連結部113を介して連結され、下胴体部103の下部には、左右両方の脚部106が股関節部114を介して連結されている。
(Outline of the embodiment)
FIG. 1 is a front view (FIG. 1 (A)) and a side view (FIG. 1 (B)) showing the entire robot of the present embodiment. A
各構成部材は、外側が合成樹脂板やアルミニウム鋳造品によって構成される外殻によって覆われている。この外殻は、人間でいうところの皮膚に相当するもので、ロボット101内部の各種装置を塵、水分あるいは衝撃等から保護する機能、意匠性を与える機能、人間協調・共存型ロボットとしての対人親和性を確保する機能を有している。
Each component is covered with an outer shell whose outer side is made of a synthetic resin plate or an aluminum casting. This outer shell corresponds to the skin in human terms. It functions to protect various devices inside the
上胴体部102には、腕部105等の各種可動部を動かすためのモータ制御回路、このモータ制御回路その他を制御するための演算を行う制御CPUを含む演算回路、電源回路その他が収められている。また、上胴体部102には、発熱するモータ制御回路および演算回路を冷却するための外気を取り入れるための吸気口121および122が前面に、吸気口124が後部側面にそれぞれ設けられ、また温められた空気を外部に排気するための排気口123が、背面に設けられている。つまり、吸気口121および122ならびに124から外気がロボット101内に取り入れられ、内部の発熱機器の発生した熱を奪って、排気口123から外部に排出される。こうして、ロボット101内の温度上昇が抑制される。また、下胴体部103には、ロボット101の稼働に必要な電力を供給するためのバッテリーが納められている。
The
頭部104には、ロボット101の行動を制御する際に利用される画像を撮像する撮像装置(例えばCCDカメラ)が備えられている。撮像は、アクリル等の光透過性材料から構成される光学シールド125を介して行われる。
The
(第1の実施形態)
以下、モータ制御回路および演算回路からの発熱を利用した排熱利用機構の一例について説明する。図2は、ロボット101の上半身の内部構造の概略を説明するための透視図である。図2(A)は、上方から見た透視図であり、図2(B)は側面方向から見た透視図である。
(First embodiment)
Hereinafter, an example of the exhaust heat utilization mechanism using heat generated from the motor control circuit and the arithmetic circuit will be described. FIG. 2 is a perspective view for explaining the outline of the internal structure of the upper body of the
図2には、上部胴体102内における熱源201が示されている。この例では、熱源201として、モータ制御回路と制御CPUを備えた演算回路が示されている。以下、熱源201の詳細について説明する。図3は、熱源201となるモータ制御回路と制御CPUを備えた演算回路を説明するためのもので、ロボット101の上半身の内部構造の概略を説明するための透視図である。
FIG. 2 shows a
図3には、図2に示す熱源201として、演算回路ボード群301、電源ボード304およびドライバ回路ボード群303が示されている。演算回路ボード群301は、ロボットを動かすために必要な演算処理を行う回路のボードを複数備えている。この回路は、制御CPUその他必要な半導体チップ等を備えている。電源ボード304は、ロボット内で必要とされる電力を供給するための電源回路であり、DC−DCコンバータ類を備えている。ドライバ回路ボード群303は、ロボットを動かすための各種モータを駆動するドライバ回路を備えたボードが配置されている。
FIG. 3 shows an arithmetic
演算回路ボード群301は、多数のCPUを初め、発熱を伴う多数の半導体デバイスを備えており、発熱量は多い。電源ボード304は、多数のモータを駆動する電力を供給する回路であり、電圧を制御する回路であるので、やはり発熱量は多い。ドライバ回路ボード群303は、多数のモータを駆動する大電力スイッチング素子を備えており、やはり発熱量は多い。特に本実施形態で示すロボットは、人間に代わって各種の作業を行うことを目的としているため、腕部等を駆動するモータは、かなりの出力を発揮する必要があり、そのため電流消費が大きいモータを採用する必要がある。また、熱源201には、姿勢センサ302が配置されている。姿勢センサ302にはスイッチング素子が備えられており、発熱量は多い。このように、電源ボード304およびドライバ回路ボード群303、そして姿勢センサ302の発熱はかなり大きいものとなる。
The arithmetic
図2に示すように、上胴体部102の胸部分の吸気口121の背後には、外気を吸引するための外気吸気ファン202が配置されている。この外気吸気ファン202の機能によって、外気が上胴体部102の外殻内に吸引される。吸引された外気は、熱源201に導かれ、さらに熱源201から熱を奪う。熱源201から熱を奪った空気は、排気ファン205および排熱供給用ファン203によって吸引される。
As shown in FIG. 2, an outside
排気ファン205は、熱源201によって暖められた空気を吸い込み、それを背面の排気口123から外殻の外部に排気する。他方、排熱供給用ファン203は、排気ファン205と同様に、熱源201によって暖められた空気を吸い込み、その吸い込んだ空気を温風としてダクト204に供給する。
The
ダクト204は、排熱供給用ファン203からの温風を、上胴体部102の背面(背中の部分)から上胴体部102の両側(人間でいうと肩の後ろの部分から脇部分)付近を通って、肩連結部113を構成するユニットである肩部ギアボックス221に供給する。
The
肩部ギアボックス221は、腕部105の前後方向への振れ動作を行わすための出力軸222を駆動するためのギア機構が収められているユニットである。
The
肩部ギアボックス221を温めた温風は、上胴体部102内を循環し、排気ファン205の機能によって排気口123から外殻の外部に排出される。また、この温風は、関節部分の隙間その他から外殻外に排出される。なお、肩部ギアボックス221を温めた温風によって、上胴体部102内の温度上昇を防ぐために、肩部ギアボックス221を温めた温風を外殻外に逃がす排気口を設けても良い。
The warm air that warms the
以下、排熱供給用ファン203と排気ファン205とに対して行われる制御の一例を説明する。まず、ロボット101の起動時(動作立ち上げ時)においては、演算回路ボード群301およびドライバ回路ボード群303に電力が供給され、制御ソフトウェアの起動、各種駆動部分の起動が行われる。
Hereinafter, an example of control performed on the exhaust
ロボット101が起動されると、目に見える動作を行っていなくても、演算回路ボード群301は、各種の情報処理やバランスを維持するための各種の演算を絶え間なく行っており、電力を消費している。また、ドライバ回路ボード群303は、各種のモータが動いていなくてもアイドリング電流が流れ、また直立状態等であれば、絶え間なくサーボ制御が行われるので、ドライバ回路群303でも電力が消費される。また、この状態においては、演算回路ボード群301およびドライバ回路ボード群303において電力が消費されるので、電源ボード304も動作している。
When the
したがって、ロボット101が起動されると、目に見える動作を行っていなくても、熱源201は発熱する。
Therefore, when the
本実施形態においては、この熱源201の発熱を利用して、肩部ギアボックス221の加熱を行う。すなわち、ロボット101の起動が行われると、吸気ファン202、排気ファン205および排熱供給用ファン203の動作が開始される。そして、熱源201において発生した熱によって暖められた空気は、一部が排気ファン205から外部に排気され、他の一部は排熱供給用ファン203からダクト204内に取り込まれ、肩部ギアボックス221に温風として供給される。
In the present embodiment, the
ダクト204によって導かれる温風が当てられることによって、肩部ギアボックス221は温められ、内部のギア機構に塗られている潤滑剤の粘度が低下する。こうして、起動直後において、肩部ギアボックス221内の潤滑剤の粘度を低下させるための予備加熱動作が行われ、起動処理終了後における肩部ギアボックス221のスムーズな動作状態が確保される。
When the warm air guided by the
肩部ギアボックス221には、温度センサ223が取り付けられており、肩部ギアボックス221の温度をモニタするようになっている。肩部ギアボックス221の温度が所定の温度を超えた場合、排熱供給用ファン203は停止する。こうすることで、肩部ギアボックス221の過剰な加熱が防止される。
A
このファンの動作制御は、ロボット101の稼動中においても行われる。これにより、例えば寒冷な環境におけるロボット101の稼働中において、ある程度の時間、腕部105を動かす機会がなく、その間に肩部ギアボックス221が冷えてしまい、内部の潤滑剤の粘度が上昇してしまう不都合が回避される。
This fan operation control is performed even while the
このように、ロボットの外部への排気を行う排気ファンとロボット内部の所定の装置に排熱を送るための排熱供給用ファンの動作を制御することで、必要な排熱を行いつつ、同時に必要とする箇所への加熱を適宜行うことができる。 In this way, by controlling the operation of the exhaust fan that exhausts the outside of the robot and the exhaust heat supply fan that sends the exhaust heat to a predetermined device inside the robot, Heating to the required part can be performed appropriately.
肩部ギアボックス221に供給される熱量を制御する方法としては、排熱供給用ファン203のON/OFFによって行う、排熱供給用ファン203の回転数を制御し、送風能力を調整する、ダクト204等の適当な部分にバルブを配置し、バルブの開閉あるいは開閉具合を調整する、ダクト204にロボット外部への温風の逃げ道となる開閉自在な開口部を設け、この開口部の開口状態を調整する、ダクト204に外気を取り入れるための送風ファンを設け、この送風ファンからダクト内に送られる外気の流量を調整する、これら方法の複数を組み合わせる、といった方法を採用することができる。
As a method for controlling the amount of heat supplied to the
(第2の実施形態)
次にロボットが備えたバッテリーの予備加熱に熱源の排熱を利用する場合の一例を説明する。図4は、ロボットの内部構造の概略を説明するための透視図である。図4は(A)は正面から見た透視図であり、図4(B)側面から見た透視図である。
(Second Embodiment)
Next, an example in the case where the exhaust heat of the heat source is used for preheating the battery provided in the robot will be described. FIG. 4 is a perspective view for explaining the outline of the internal structure of the robot. 4A is a perspective view seen from the front, and is a perspective view seen from the side of FIG. 4B.
図4には、上胴体部102と下胴体部103とを連結する腰連結部111の概略の構造について記載されている。腰連結部111は、上胴体部102の下胴体部103に対する前後方向の傾き動作を行わせるための揺動軸部401、上胴体部102の下胴体部103に対する左右方向の揺動(上半身の左右へのひねり回転に相当)を行わせるための揺動軸部402を備えている。各揺動軸の中心は、空洞になっており、そこが温風を移送するダクトとして機能するようになっている。なお、熱源201の構成は、図3に示すものと同じである。
FIG. 4 shows a schematic structure of a
揺動軸部402には、排熱供給用ファン403が配置されている。排熱供給用ファン403は、熱源201からの排熱を揺動軸部401、揺動軸部402を介して、ダクト404に送り込む機能を有する。ダクト404は、揺動軸部403から送り出される温風をバッテリー405に供給する機能を有する。
An exhaust
バッテリー405は、ニッケル−水素電池であり、またバッテリー405には温度センサ406が取り付けられている。また、排熱供給用ファン403の送風先側にはバルブ407が配置されており、温度センサ406が検出した温度によって、バルブ407の開閉状態が調整されるようになっている。
The
この構成においては、例えば以下に例示するような制御が行われる。例えば、ロボット101の稼働中は、常に排熱供給用ファン403が動作しており、温度センサ406が検出する温度情報に基づいてバルブ407の開閉が制御される。
In this configuration, for example, the following control is performed. For example, during operation of the
この場合、バッテリー405の温度が所定の設定温度を下回った場合、バルブ407が全開となり排熱供給用ファン403の能力が最大限発揮されてバッテリー405への熱量の供給が行われる。また、バッテリー405の温度が所定の第2の設定温度を上回った場合、バルブ407が閉鎖され、熱源201を利用したバッテリー405への熱量の供給を停止し、バッテリー405の温度がそれ以上上昇しないようにする。
In this case, when the temperature of the
こうすることで、低温環境下におけるロボットの稼働において、低温に起因するバッテリー405の放電容量の低下を熱源201からの発熱を利用して補償することができる。すなわち、バッテリー405の低温状態が検出された場合に、バッテリー405を熱源201の排熱を利用して適宜加熱し、その放電容量が低下することを防止することができる。
By doing so, it is possible to compensate for the decrease in the discharge capacity of the
なお、バッテリー405を暖めた温風は、図示しない股関節の隙間や図示しない排気口から排出される。
In addition, the warm air which warmed the
また、排熱供給用ファン403の後流側に温風をロボット101の外部に導くために流路をさらに設け、温度センサ406からの温度情報に基づいて、排熱供給用ファン403からの温風を適宜外部に排出するようにしてもよい。この場合、バッテリー405を加熱したくない場合は、排熱供給用ファン403からの温風がロボット101の外部に排出される。
Further, a flow path is further provided on the downstream side of the exhaust
この構成では、排熱供給用ファン403による熱源201からの温風の吸い込み能力が常に発揮されるので、バッテリー405の加熱状態によって、熱源201の冷却効果が影響を受けない構成を実現できる。
In this configuration, the ability to suck in warm air from the
その他、排熱供給用ファン403を利用した温風のバッテリー405への供給制御の方法は、第1の実施形態において説明した内容と同じである。
In addition, the method for controlling the supply of warm air to the
(第3の実施形態)
次にロボットの頭部に備えた光学シールドの汚れ防止およびクリーニングに熱源の排熱を利用する場合の例を説明する。図5は、ロボットの上半身の内部構造の概略を説明するための透視図である。図6は、頭部の構造の詳細を示す分解斜視図である
(Third embodiment)
Next, an example in which exhaust heat from a heat source is used for preventing contamination and cleaning of an optical shield provided in the head of the robot will be described. FIG. 5 is a perspective view for explaining the outline of the internal structure of the upper body of the robot. FIG. 6 is an exploded perspective view showing details of the structure of the head.
本実施形態においては、頭部104の左右方向への揺動(首の捻り回転)を可能にする揺動軸を利用して構成されているダクト501によって、熱源201において発生した温風をファン502によって頭部104内に吸い上げる。そして、その温風はチューブ503を介して噴出しノズル504に送られ、光学シールド125の前面に沿って流される。
In this embodiment, hot air generated in the
すなわち、図6(C)に示すようにノズル504が光学シールドの形状に合わせて、光学シールド表面の前面に面状に温風を流すノズル構造を有している。このため、光学シールド125の前面に温風によるエアーカーテンが形成される。なお図6は、頭部を縦に割った状態を示しているので、ノズル504も半分の部分が示されている。実際の構造では、ノズル504は光学シールド125の曲面に沿った半円形状を有している。
That is, as shown in FIG. 6C, the
図5の空間505には、光学シールド125を介して、撮像を行うためのCCDカメラ(図示省略)が配置される。このCCDカメラによって撮像した画像を利用することで、例えば歩行時における障害物を認識する、手で物を掴む際の位置関係を認識するといった処理が行われる。
In the
上述のエアーカーテンによって、光学シールド125の表面に水滴や塵が付着することが防止される。また、光学シールド125の表面に水滴や塵が付着しても、温風によって強制乾燥および強制クリーニングが行われる。
The above air curtain prevents water droplets and dust from adhering to the surface of the
これにより、光学シールド125の光透過性が低下する不都合が防止され、空間505に配置されるCCDカメラによる撮像画像の忠実度が低下することを抑えることができる。そして、光学シールド125の汚れによって、ロボット101の動作に支障がでることが抑制される。
Thereby, the inconvenience that the optical transparency of the
(第4の実施形態)
本実施形態では、ロボット内の熱源からの発熱を利用した温風によって、ロボット内部における結露を防止する構成の一例について説明する。例えば、図2に示す構成における肩部ギアボックス221に結露検出センサを装着し、この結露検出センサが結露を検出した際に、排熱供給用ファン203が動作し、ダクト204を介して肩部ギアボックス221に温風を供給するようにする。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, an example of a configuration that prevents dew condensation in the robot with warm air using heat generated from a heat source in the robot will be described. For example, when a dew condensation detection sensor is attached to the
こうすると、肩部ギアボックス221における結露を防止することができる。ロボットには金属部品を使わざるを得ない部分もあり、また野外での稼動、湿度の高い環境での稼働、温度変化の激しい環境での稼働を考えた場合、ロボットの内部構造における結露が問題になる。ロボット内部を外気から完全にシールする構造も考えられるが、放熱や多くの関節構造を考えると、それは困難である。
In this way, condensation in the
本実施形態を採用した場合、ロボットの内部に結露が生じるような環境であっても、温風を送り、強制的に乾燥させることができ、結露の発生を防止することができる。さらに、結露が発生してもそれを強制乾燥により除去することができる。そして、この温風の熱源としてCPUからの発熱やモータ制御回路からの発熱を利用するので、上述した好ましい仕組みを消費電力の上昇を招かずに実現することができる。 When this embodiment is adopted, even in an environment where condensation occurs inside the robot, it is possible to send hot air and force it to dry, thereby preventing the occurrence of condensation. Furthermore, even if condensation occurs, it can be removed by forced drying. Since the heat generated from the CPU and the heat generated from the motor control circuit are used as the heat source of the warm air, the above-described preferred mechanism can be realized without causing an increase in power consumption.
結露検出センサとしては、半導体表面や導体表面の電気抵抗を検出する測温抵抗体タイプのものを用いることができる。このタイプの結露検出センサは、結露による半導体表面等の電気抵抗の変化を検出することで、結露が検出される。 As the dew condensation detection sensor, a resistance temperature detector type sensor that detects the electrical resistance of the semiconductor surface or the conductor surface can be used. This type of dew condensation detection sensor detects dew condensation by detecting a change in electrical resistance of a semiconductor surface or the like due to dew condensation.
ここでは、肩部ギアボックスにおける結露を防止する例を説明したが、乾燥対象となる部位は、どこであってもよい。例えば、図5および図6に示す光学シールド125の内面に温風を吹き付けることで、光学シールド125の内面が水蒸気で曇ってしまうことを防止する構成としてもよい。
Although the example which prevents dew condensation in a shoulder gearbox was demonstrated here, the site | part used as drying object may be anywhere. For example, it is good also as a structure which prevents that the inner surface of the
本発明は、2足歩行型のロボット等の移動ロボットに利用することができる。特に本発明は、野外環境、寒冷な環境、多湿な環境といった場所で人間に代わって作業を行う移動ロボット、あるいは人間の作業を補助する移動ロボットに利用することに適している。 The present invention can be used for a mobile robot such as a biped robot. In particular, the present invention is suitable for use in mobile robots that perform work on behalf of humans in places such as outdoor environments, cold environments, and humid environments, or mobile robots that assist human tasks.
101…ロボット、102…上胴体部、103…下胴体部、104…頭部、105…腕部、106…脚部、111…腰連結部、112…首連結部、113…肩連結部、114…股関節部、121…吸気口、122…吸気口、123…排気口、124…吸気口、125…光学シールド、201…熱源、202…外気吸気ファン、203…排熱供給用ファン、204…ダクト、205…排気ファン、221…肩部ギアボックス、222…出力軸、223…温度センサ、301…演算回路ボード群、302…姿勢センサ、303…ドライバ回路ボード群、304…電源ボード、401…揺動軸部、402…揺動軸部、403…排熱供給用ファン、404…ダクト、405…バッテリー、406…温度センサ、407…バルブ、501…ダクト、502…ファン、503…チューブ、504…ノズル、505…CCDカメラが配置される空間。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
発熱機器と、
前記発熱機器からの発熱を利用した温風を導く温風移送手段と、
前記温風移送手段から供給される温風によって加熱、乾燥またはクリーニングの少なくとも一つの処理が施される装置と
を備え、
前記温風移送手段は温風が流れるダクトを備え、
前記ダクトは、温風の流量を制御するバルブを備えていることを特徴とする移動ロボットにおける排熱利用機構。 A mechanism that uses heat generated in a mobile robot,
Heating equipment,
Hot air transfer means for guiding hot air using heat generated from the heat generating device;
Heated by hot air supplied from the hot air transfer means, also equipped with a device and one of the process is performed with less drying or cleaning,
The warm air transfer means includes a duct through which warm air flows,
The exhaust heat utilization mechanism in a mobile robot , wherein the duct includes a valve for controlling a flow rate of hot air .
前記温風移送手段内の温風供給用送風装置と、
前記処理が施される装置に備えたセンサと
をさらに備え、
前記センサからの検出信号に応答して前記温風供給用送風装置のONまたはOFFを制御することを特徴とする請求項1または2に記載の移動ロボットにおける排熱利用機構。 A heat exhaust fan for exhausting heat generated by the heat generating device to the outside;
A blower for supplying hot air in the hot air transfer means;
A sensor provided in a device to be subjected to the processing,
The exhaust heat utilization mechanism in the mobile robot according to claim 1 or 2, wherein the hot air supply blower is turned on or off in response to a detection signal from the sensor.
前記ギアボックスは、前記温風移送手段から供給される温風により加熱されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の移動ロボットにおける排熱利用機構。 The device on which the treatment is performed is a gearbox,
The gearbox, exhaust heat utilization system in a mobile robot according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is heated by hot air supplied from the hot air transfer means.
前記バッテリーは、前記温風移送手段から供給される温風により加熱されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の移動ロボットにおける排熱利用機構。 The device to be treated is a battery,
The battery, waste heat utilization system in a mobile robot according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is heated by hot air supplied from the hot air transfer means.
前記外気取り入れ用送風装置から取り入れる風量を調整することで、温風の熱量を制御することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の移動ロボットにおける排熱利用機構。
The warm air transfer means comprises a blower device for taking in outside air, taking in outside air,
Wherein by adjusting the air volume for taking the outside air intake for the blower, heat utilization system in a mobile robot according to any one of claims 1 to 6, characterized in that for controlling the heat of hot air.
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