JP4494760B2

JP4494760B2 - 移動体への給電装置

Info

Publication number: JP4494760B2
Application number: JP2003382859A
Authority: JP
Inventors: 優小宮山; 斉北野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: JP2005149808A

Description

本発明は、移動体の自動給電装置に関する。

従来から、搬送台車や移動ロボットなどの電池駆動の無人移動体がある。電池消耗時には、移動体が給電装置に立ち寄って、移動体に搭載の電池への自動給電が行われる。給電は、移動体の正負の受電端子と給電装置の正負の給電端子とを位置合せをしながら電気的に接触させて行われる。移動体への自動給電には、給電装置に対する移動体の容易な接近と離反、及び移動体が実現できる停止位置精度のもとでの端子間の確実な電気接触が必要である。そこで、アクチュエータ部を備えて突出が可能な給電端子（導電棒）を摺動可能かつ首振り可能に支持して、広幅の接触面を有する移動体の受電端子に接触させることで、移動体の停止精度の緩和を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、テーパ形状ガイド部による縦方向位置決めと、縦に配列した受電端子に対する横長の給電端子による横方向位置ずれの吸収を図ったものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−２０５３１３号公報特開２００２−１５８０６２号公報

しかしながら、上述した給電装置のような、正極及び負極の給電端子（又は受電端子）がそれぞれ突起状の単一端子からなり、これらの単一端子がそれぞれ平面状の正極及び負極の受電側端子（又は給電端子）に接触するという構造、すなわち各極性に対して１本づつの端子構造では、接触すべき相手端子の形状が平面でなく凹凸のある形状であった場合には、十分な接触面積を得ることができないという問題がある。また、自律的に移動する様々な外形形状の移動体に対して、移動体の停止位置精度や受電端子形状に対する制約の緩和に限界がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、受電端子形状や移動体の停止位置精度に対する制約の緩和を実現できる移動体への給電装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、移動体に設けた受電端子を介して移動体に搭載されている充電池に充電する、給電用電源に接続された正極・負極のそれぞれ複数の給電端子からなる給電装置であって、前記各給電端子は、給電状態時の受電端子と対向する対向面を有し、この対向面が揺動可能に給電装置本体に設置されたベース部と、前記ベース部の対向面に固定されたフレームと、給電用電源に電気的に接続され、前記フレームに嵌合されて給電状態時の受電端子方向に移動可能で、略平面状の受電端子と当接される棒状の給電ピンと、前記給電ピンが所定位置に復帰するための付勢手段と、を備え、前記ベース部は、前記移動体と給電装置との傾きのずれを許容するように揺動可能であり、前記ベース部は、前記各給電端子に共通であって、前記各給電端子の正極と負極とは前記給電ピンの前後移動量に加え該ベース部の揺動による位置調整機能によって互いに逆向きに前後に移動するように互いに離れて配置されており、前記フレームにそれぞれ嵌合されて給電状態時の受電端子方向に移動可能である２本の棒状の接触端子と、前記２本の接触端子と電気的に接続され、両接触端子に電圧を印加して両接触端子間に流れる電流を計測する金属接触検知装置と、を正極・負極の両方にそれぞれ備え、前記接触端子は前記複数の給電端子を構成する給電ピンを用いてなることを特徴とする給電装置である。

請求項１の発明によれば、給電状態時の受電端子と対向するとともに揺動可能なベース部に、正極・負極の給電端子をそれぞれ複数備え、各給電端子を構成する前後に移動可能な棒状の給電ピンを略平面状の受電端子と当接させて給電を行うので、移動体が傾いて停止した場合に対する停止位置精度の制約が、給電ピンの移動量に加え、ベース部の揺動によってさらに緩和される。前記複数の給電端子を構成する給電ピンを用いてなる接触端子と金属接触検知装置とを正極・負極の両方にそれぞれ備えるので、接触端子の先端が受電端子に接触して導通したかどうかを導通電流により調べて、その出力を給電装置の制御情報として用いることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る移動体用の給電装置について、図面を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）は、給電装置１と移動体２が相対して、給電動作を開始する状況を示す。給電装置１は、移動体２に設けた受電端子２１を介して移動体２に搭載されている充電池２２に充電（給電）する給電用電源ＰＳに接続された正極・負極のそれぞれ複数の給電端子４を備えている。各給電端子４は、給電装置本体３に固定されたフレーム４１と、給電用電源ＰＳに電気的に接続され、前記フレーム４１に嵌合されて給電状態時の受電端子２１方向に移動可能で、略平面状の受電端子２１と当接される棒状の給電ピン４２と、給電ピン４２が所定位置に復帰するための付勢手段４３と、を備えている。

上述の給電用電源ＰＳは、給電装置１に備えることもでき、または、給電装置１と独立の他の装置することもできる。また、給電の対象となる移動体２は、例えば、記憶した地図（内部地図）と自己位置を認識する手段とを有し、充電池２２を駆動源にして車輪２２を駆動して自律的に移動できる移動体である。

図２は、１個の給電端子４の詳細を示す。前述したように、給電ピン４２が、給電装置本体３に固定されたフレーム４１に、電気絶縁して嵌合・挿通されている。給電ピン４２は、軸方向に移動することができ、図２（ｂ）に示すように、給電ピン４２の先端（図の左端）に、受電端子（不図示）からの力Ｐが加わると右方に移動する。給電ピン４２は、付勢手段４３により、受電端子の位置に追随して、適正な押圧力をもって給電時の受電端子に接触することができる。

図３は、給電装置１による移動体２への給電の状況を示す。給電装置１が、正負の各極における給電用の複数の給電端子を有しており、また、各給電端子は前後に移動可能な給電ピンにより構成されているので、図に示すような曲面を有する受電端子２１に対しても、個々の給電ピンを総合して十分な接触圧と接触面積を確保した状態で給電を行うことができる。

次に、他の実施形態に係る給電装置について説明する。図４は、給電装置１１を示す。この給電装置１１において、給電端子４のフレーム４１が、揺動可能に給電装置本体３に設置されたベース部３１に固定されている。フレーム４１が固定されているベース部３１の面は、給電状態時に受電端子と対向する対向面である。給電装置１１は、前述の給電装置１における構成と配置で、給電装置本体３の代わりに揺動可能なベース部３１に給電端子４を配置したものである。ベース部３１は、図示しないアクチュエータに給電アーム３１ａを介して接続されており、移動体の受電端子と給電端子４間の位置調整を行わせることができる。

この給電装置１１は、給電ピンの前後移動量に加え、ベース部の揺動による位置調整機能により、移動体の停止位置精度の制約が、前記の給電装置１におけるよりもさらに緩和されたものになっている。給電対象の移動体が、前述の給電装置１で対応できないほど傾いて給電位置に停止した場合でも、この給電装置１１で対応可能である。

次に、給電装置として給電装置１１を想定して、給電装置の用いられる移動体システム、及び自動給電の手順を説明する。なお、装置構成が一部異なるが、前出の図１乃至図４を参照する。移動体システムは、充電可能な充電池２２を備えて自由に移動できる移動体２と、移動体２の充電のための給電装置１１の設けられた給電ステーションからなる。移動体２が給電ステーションに来て、移動体２と給電装置１１のそれぞれが持つ受電端子２１と給電端子２が接続されることによって給電が可能になり、給電が開始され、充電池２２に充電される。

受電端子２１と給電端子４を接続させる際には、受電端子２１と給電端子４の少なくともどちらか一方の端子を、アクチュエータで位置調整させてもう一方に結合させるか、又は、移動体２の持つ移動機能で端子部を位置調整させて結合させる。以下の例は、給電装置１１の、パンタグラフ構造のアクチュエータ（ベース部３１）に備えられた給電端子４が、近接して停止した移動体２の受電端子２１に接続される場合を示す。

移動体２は、自らのバッテリ（充電池）２２の残量を知ることができ、バッテリ残量が一定値以下となったときには給電ステーションの前に停止する。給電ステーションの前に停止した移動体は、給電装置１１との間でそれぞれ図示されていない通信手段により通信を行い、信号を受け取った給電装置１１は、ベース部３１の給電アーム３１ａを伸ばすなどして移動体２の受電端子２１と給電装置１１の給電端子４を結合させる。

給電端子４を構成する複数本の給電ピン４２は、前述のように全て軸方向に移動可能となっており、受電端子２１が斜めに押し込まれても、給電ピン４２の移動量が各々異なって、受電端子２１の表面位置の差を吸収することにより、全ての給電ピン４２が移動体２の受電端子２１と接触可能である。

また、正極と負極の給電端子４を配置したベース部３１の受電端子２１への対向面は、ベース部３１が揺動して給電装置本体３に対して角度を持つことが可能な構造となっているので、給電ピン４２の移動量のみでは許容することのできないような移動体２と給電装置１１との傾きのずれを許容することができる。

ここで、給電端子４と受電端子２１の接触確認について説明する。図５は、接触確認のための装置構成例を示し、図６は、接触確認の応用例を示す。なお図１乃至図４を継続して参照する。図５に示すように、ベース部３１（又は給電装置本体３）に設けられた給電端子４を構成する複数本の給電ピンのうち２本が、専用の接触端子５として用いられ、金属接触検知装置５１に電気接続される。金属接触検知装置５１は、接続された２本の接触端子５に電圧を印加して、その両先端が受電端子２１に接触して導通したかどうかを導通電流により調べる導通テスタであり、その出力は給電装置１１（又は給電装置１）の制御情報として用いられる。

金属接触検知装置５１に接続された２本の接触端子が受電端子に接触して電流が流れることで、給電端子４が受電端子２１に接触したと判断して、給電ピン４２に電池充電用の電流を流して、移動体２の充電池２２を充電する。また、図６に示すように、給電中に移動体２が動いてしまったなどの理由で接触端子５と受電端子２１が離れ、金属接触検知端子５１が、接触端子５に電流が流れていないことを検知すると、給電ピンに供給されていた電流を停止する。給電端子４が受電端子２１から離れる場合に、所定の許容範囲の中で、接触端子５が受電端子２１から離れるように、接触端子５の突出長さや感度の調整をしておく。

給電装置１１の内部には、バッテリの電圧を計測する装置が取り付けられており、給電中にもバッテリの電圧を常に計測して、所定の電圧値を達成すると同時に給電を終了し、バッテリの過充電が防止される。

バッテリ２２の充電が完了すると、パンタグラフ（ベース部３１）は給電装置１１内部に収納され、給電装置１１と移動体２の間では給電が完了した旨の通信が行われる。移動体２が通信を受信すると、移動体２は発進して作業を続けることができる。

次に、金属接触検知機能を持たせた給電端子について説明する。図７（ａ）（ｂ）は、金属接触検知機能付き給電端子を示す。図７（ａ）に示す給電端子４の給電ピン４２は、２つの導電性部材からなる導電性ピン４４ａ，４４ｂが長手方向に絶縁体４４を介して結合される３層構造になっている。両導電性ピン４４ａ，４４ｂには、両導電性ピン間に流れる電流を検知する金属接触検知装置５１が電気的に接合されている。また、図７（ｂ）に示す給電端子４の導電ピン４２は、２つの導電性部材からなる導電性ピン４５ａ，４５ｂが長手方向に絶縁体４５を介して結合される同心円状の３層構造になって、金属接触検知装置５１が電気的に接合されている。

上述の金属接触検知機能付き給電端子４を、給電装置１又は給電装置１１の各給電端子として用いると、給電端子４が移動体２の受電端子２１と接触する際、給電ピン４２の先で両導電性ピン４４ａ，４４ｂが短絡するため、金属接触検地装置５１に電流が流れる。そのため、各給電ピンが受電端子２１に接触しているかどうかを検知することができる。以下に述べる給電装置の給電端子は、この金属接触検知機能を備えたものとする。

次に、金属接触検知機能付き給電端子４を用いた給電装置の制御を、図８により説明する。給電装置１において、各給電端子４は全て金属接触検知機能付き給電端子４であり、金属接触検知装置５１が接続されている。また、給電装置１には、金属接触検知装置５１からの接触状態の情報を受けて、給電の制御を行う給電制御装置５２が備えられている。給電端子４の数本が受電端子２１接触していない場合、どの給電端子が受電端子に接触してないかを判別することができる。金属接触検知装置５１が接触の確認されていない給電ピンを検知すると、図８に示すように、給電制御装置５２が給電用電源ＰＳの電気的接続を無効にし、接触が確認された給電ピンのみに給電を行なうように制御が行われる。従って、受電端子２１に接触していない給電端子に電圧を印加することがなく、安全性が向上する。

次に、金属接触検知装置５１の情報を移動体２の制御に用いる例を、図９により説明する。給電装置１は、給電装置本体３と移動体２との間でデータ通信を行う通信手段５４と、金属接触検知装置５１と、給電端子４（給電ピン）の接触状態から位置合わせのための情報を計算する演算部５３とを備えている。給電端子４の数本が接触していない場合、どの給電端子が受電端子と接触してないかが分かるため、移動体２がどれだけの距離を移動すれば全ての給電端子４が受電端子２１に接触することができるかを計算することができる。

そこで、演算部５３は、金属接触検知装置５１から給電端子４の接触状態の情報を得て、受電端子２１を給電端子４に位置合せするために移動体２が移動する方向及び移動量を計算する。計算で得られた情報は、通信手段５４により移動体２に送信される。移動体２は、送信された情報を、通信手段５４ａを介して受け取り、指示された方向ｘ１と移動量に従って移動することで、受電端子２１と給電端子４の位置合わせを行う。そして、全ての給電端子４が受電端子に接触するまで調整を繰り返し、全ての給電端子が受電端子と接触したことを検知すると給電（充電）を開始する。すなわち、給電装置側にアクチュエータを持つ必要がなく、本来、移動機能を有する移動体側に位置調整をさせるので、給電装置を小型化できる。

次に、金属接触検知装置５１の情報を給電装置自身が端子間の位置合わせに用いる例を、図１０により説明する。給電装置１１は、給電端子４の接触状態を検知する金属接触検知装置５１と、検知された接触状態をもとに、給電端子４の受電端子２１に対する位置ずれ量を計算する演算部５３と、給電端子４を位置ずれ補正方向へ移動させるアクチュエータ部５５と、を備えている。給電端子４の数本が接触していない場合、どの端子が受電端子２１と接触してないかが分かるため、給電端子４がどれだけの距離を移動すれば全ての給電端子４が受電端子２１に接触することができるかを計算することができる。

計算された位置ずれ量に基づき、アクチュエータ５５と、給電アーム３１ａとによってベース部３１をｘ２方向に移動させることにより、移動体２の停止位置ずれ量に応じて給電端子４の位置修正が自動的に行われる。全ての給電端子４が受電端子２１と接触したことが検知されると充電が開始される。すなわち、移動体の停止位置精度の制限を緩和しても、給電端子の確実な接触が可能であるので、移動体の停止精度に関わる装置を簡素化することができる。

次に、給電装置１が移動体２の保有する姿勢データを修正する例を、図１１及び図１２によって説明する。給電装置１の給電端子４は、前述のように、給電ピンがその軸方向に前後移動できる構造になっている。従って、給電ピンの前後移動量を計測することで、移動体１の受電端子２１の位置を知ることができる。給電装置１は、受電端子２１と給電端子４とが結合した際に移動する各給電ピンの移動量を計測するセンサ５６と、移動体２の形状データ及び前記計測された移動量から移動体２の姿勢データを求める姿勢演算手段５７とを備えている。また、給電装置１は、移動体２の通信手段５４ａとの間でデータ通信を行う通信手段５４を備えている。

上述の移動体２の姿勢データは、移動体２の形状データと給電ピンの移動量の計測値の分布から次のようにして計算することができる。例えば、移動体２の外形形状が直方体であり、受電端子２１が平面であったとする。移動体２が、図１１に示すように、自己の保有する姿勢データをもとにした自己位置認識により、給電装置１に対して傾きθをもって停止した場合、各給電ピンの移動量が一方から他方にかけて徐々に大きくなる。例えば、給電端子４の配列方向における位置ｘにある給電ピンの移動量計測値をｆ（ｘ）とすると、ｆ（ｘ）＝ｋ×（ｘ−ａ）、のように一次関数で表され（ａは定数）、傾きｋとｔａｎθを関連付けて傾きθを求めることができる。

上述の構成のもとで、移動体の姿勢評価と姿勢データ修正が、図１２のフローに従って行われる。センサ５６によって各給電端子４の給電ピンの移動量が計測される（Ｓ１）。次に、通信手段５４，５４ａによって、移動体２の形状データと移動体２が内部で保有する姿勢データＤ０が取得される（Ｓ２）。姿勢データＤ０は、給電装置１に対する移動体２の相対位置関係（位置座標と方位角）データ、又は、給電装置１と移動体２の共通の絶対座標に対する位置関係データである。続いて、姿勢演算手段５７によって、各給電ピンの移動量と移動体２の形状データとから、移動体の姿勢データＤ１が求められる（Ｓ３）。姿勢データＤ０は、例えば、移動体２が移動する際に、移動量を積算して得られた移動体２の現在位置及び現在方位のデータであり、誤差を含んでいる可能性がある。また、姿勢データＤ１は、地上に固定された給電装置１によって、現時点において実測された姿勢データである。

続いて、上述の姿勢データＤ０，Ｄ１が比較され、データの差異が許容範囲内にある場合には（Ｓ４でＹ）、移動体の姿勢評価は終了する。また、姿勢データＤ０，Ｄ１の差異が許容範囲内にない場合には（Ｓ４でＮ）、通信によって移動体２が持つ姿勢データＤ０を新しい姿勢データＤ１に置き換えて（Ｓ５）、姿勢データの修正が完了する。このように、移動体２が持つ姿勢データを修正することによって、移動体２の持つ姿勢データの誤差を修正し、移動体２が給電ステーションから発進後に、意図しない方向へ移動することを防ぐことができる。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る給電装置の使用状況を示す平面図、（ｂ）は同側面図。（ａ）（ｂ）は同上給電装置の給電端子の側面図。同上給電装置の給電状態における平面図。本発明の他の一実施形態に係る給電装置の平面図。本発明の給電装置の正負給電端子と接触端子の正面図。本発明の給電装置の給電時の状況を説明する平面図。（ａ１）は本発明の給電装置の他の実施形態に係る接触端子の側面図、（ａ２）は（ａ１）におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ１）は本発明の給電装置のさらに他の実施形態に係る接触端子の側面図、（ｂ２）は（ｂ１）におけるＢ−Ｂ断面図。本発明の給電装置の給電時の他の状況を説明する平面図。本発明の給電装置の給電時のさらに他の状況を説明する平面図。本発明の給電装置の給電時のさらに他の状況を説明する平面図。本発明の給電装置の給電時のさらに他の状況を説明する平面図。図１１に示した本発明の給電装置の給電時における処理のフロー図。

符号の説明

１給電装置
２移動体
３給電装置本体
４給電端子
４１フレーム
４２給電ピン
４３付勢手段
２１受電端子
２２充電池
３１ベース部
４４，４５絶縁体
４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ導電部材
５接触端子
５１金属接触検知装置
５２給電制御装置
５３演算部
５４，５４ａ通信手段
５５アクチュエータ
５６センサ
５７姿勢演算手段

Claims

移動体に設けた受電端子を介して移動体に搭載されている充電池に充電する、給電用電源に接続された正極・負極のそれぞれ複数の給電端子からなる給電装置であって、
前記各給電端子は、
給電状態時の受電端子と対向する対向面を有し、この対向面が揺動可能に給電装置本体に設置されたベース部と、
前記ベース部の対向面に固定されたフレームと、
給電用電源に電気的に接続され、前記フレームに嵌合されて給電状態時の受電端子方向に移動可能で、略平面状の受電端子と当接される棒状の給電ピンと、
前記給電ピンが所定位置に復帰するための付勢手段と、を備え、
前記ベース部は、前記移動体と給電装置との傾きのずれを許容するように揺動可能であり、前記ベース部は、前記各給電端子に共通であって、前記各給電端子の正極と負極とは前記給電ピンの前後移動量に加え該ベース部の揺動による位置調整機能によって互いに逆向きに前後に移動するように互いに離れて配置されており、
前記フレームにそれぞれ嵌合されて給電状態時の受電端子方向に移動可能である２本の棒状の接触端子と、
前記２本の接触端子と電気的に接続され、両接触端子に電圧を印加して両接触端子間に流れる電流を計測する金属接触検知装置と、を正極・負極の両方にそれぞれ備え、前記接触端子は前記複数の給電端子を構成する給電ピンを用いてなることを特徴とする給電装置。