JP4505978B2 - 移動ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業ステーション間を走行してロボット作業を行なう移動ロボットに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来より、移動ロボットにおいては、内部に例えばバッテリからなる内部電源を備えており、移動ロボットが作業ステーション以外の部位に居る（走行しているときも含む）ときには、作業ステーション間で走行するための搬送装置やアームロボット等の負荷（例えばモータ）を、上記内部電源により駆動するようにしている。そして、移動ロボットが作業ステーションに至ったときには、移動ロボットは、この作業ステーションから例えば交流電源である外部電源を受電し、内部電源は使用しないようになっている。この場合、外部電源は整流回路で整流された状態で移動ロボットの負荷に供給されるようになっており、移動ロボットは、作業ステーションにおいては外部電源からの受電により予め決められた作業を行なうことができる。
【０００３】
ところで、移動ロボットが作業ステーションにおける作業が終了して他の作業ステーションに移動する際は、外部電源を遮断すると同時に内部電源接続スイッチにより内部電源を負荷に接続するようにしているものの、内部電源による直流電圧は外部電源を整流した直流電圧よりも大きいことから（出願人が製造する移動ロボットでは１１０Ｖ程度）、外部電源から内部電源に切替えた瞬間に内部電源から整流回路の整流コンデンサに大きな突入電流（数百Ａ）が流れてしまう。このため、通常の定格電流レベルに設定してある許容電流耐圧（数十Ａ）の低い内部電源接続スイッチが故障するという問題を生じる。特に、外部電源を遮断してから内部電源接続スイッチにより内部電源が接続するまでの時間が長い場合には、整流コンデンサの電圧が大きくドロップした状態で内部電源が整流コンデンサに接続されることになり、さらに大きな突入電流が流れることになる。
【０００４】
また、外部電源からの受電中に遮断したときは負荷の電源として内部電源を負荷に接続する構成の場合においても、内部電源を負荷に接続した瞬間に内部電源から整流コンデンサに大きな突入電流が流れ、同様な問題を生じる。
【０００５】
このような問題を解決する手段としては、内部電源接続スイッチとして耐突入電流の高いものを採用することが考えられるが、一般に耐電流の高いスイッチは電源オフ時の電流リークが多いことから、内蔵電源の自己放電を助長してしまい、採用するには不適である。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部電源を負荷に接続した際に、負荷への電流を整流する整流回路が有する整流コンデンサに大きな突入電流が流れてしまうことを防止できる移動ロボットを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、外部電源からの受電中に遮断を生じたときは移動ロボットの作業が停止してしまうことから、切替手段は、外部電源遮断検出手段が外部電源が遮断したことを検出したときは内部電源接続スイッチを動作させる。これにより、内部電源が負荷に接続されるので、移動ロボットによる作業を継続することができる。
【００１２】
このとき、突入電流抑制手段が内部電源から整流コンデンサに流れる突入電流を抑制するので、内部電源接続スイッチが突入電流により破壊されてしまうことを防止できる。
【００１３】
また、請求項１の発明によれば、突入電流抑制手段は、内部電源が負荷に接続されたときは、内部電源接続スイッチを間欠的に動作させる。すると、内部電源から整流コンデンサに間欠的に大きな突入電流が流れようとするものの、内部電源接続スイッチの出力側に設けられインダクタンス要素が電流を抑制するので、整流コンデンサに大きな突入電流が流れてしまうことを防止できる。
一方、突入電流抑制手段は、内部電源接続スイッチを間欠的に動作させる期間を徐々に長くするので、整流コンデンサの電圧を徐々に高めることができる。
【００１４】
さらに、請求項１の発明によれば、突入電流抑制手段は、外部電源からの受電状態で内部電源接続スイッチを動作させることにより外部電源及び内部電源を同時に負荷に接続したオーバーラップ動作を実行するので、整流コンデンサの電圧がドロップすることなく内部電源を負荷に接続することができる。これにより、内部電源と整流コンデンサとの電圧差が大きくなることを防止でき、内部電源から整流コンデンサへの突入電流を効果的に抑制することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、突入電流抑制手段は、オーバーラップ動作を実行するときは、整流コンデンサの電圧が所定電圧まで上昇したときに内部電源を負荷に接続するので、負荷の電源を切替える際には内部電源と整流コンデンサとの電圧差が十分に小さくなり、内部電源から整流コンデンサへ突入電流が発生するにしても、内部電源接続スイッチの耐突入電流レベル以下に抑制することができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、突入電流抑制手段は、内部電源接続スイッチをバイパスする抵抗要素を有効化するので、内部電源から整流コンデンサに流れる突入電流を抑制することができる。
【００１７】
続いて、突入電流抑制手段は、内部電源接続スイッチを動作させる。このとき、内部電源と整流コンデンサとの電圧差は小さくなっているので、突入電流が発生するにしてもその値は小さく、内部電源接続スイッチが破壊されてしまうことを防止できる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、負荷の動作状態で外部電源が遮断されたときに負荷としてのモータに停止力を作用させたときは、モータから整流コンデンサに回生電流が流れるので、整流コンデンサの電圧が高くなる。これにより、内部電源と整流コンデンサとの電圧差が小さくなり、内部電源から整流コンデンサに大きな突入電流が流れてしまうことを防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。
図１は、移動ロボット１と作業ステーションに設置された電源装置２との電気的構成を示している。電源装置２は例えば三相２００Ｖの商用交流電源（外部電源に相当）３と、これに接続された給電カプラ４とを備えた構成となっている。移動ロボット１側には、当該移動ロボット１が作業ステーションに停止した状態で給電カプラ４と接続される受電カプラ５が設けられており、以下、この移動ロボット１の内部構成について説明する。
【００２０】
上記受電カプラ５には、三相の主電源線６を介してトライアック７の一端が接続され、このトライアック７の他端は整流ユニット８が接続されている。この整流ユニット８は全波整流回路からなり、その出力端子には、この整流ユニット８と共に整流回路をなす整流コンデンサ９が接続され、さらにその整流コンデンサ９に負荷１０が接続されている。この負荷１０は、例えば、作業ステーション間で走行するための搬送装置やアームロボット等の駆動モータである。また、上記負荷１０の入力端子間には、例えば二次電池からなるバッテリ（内部電源に相当）１１とＩＧＢＴ（内部電源接続スイッチに相当）１２とコイル（突入電流抑制手段、インダクタンス要素に相当）１３からなる直列回路が接続されている。
【００２１】
さらに、前記受電カプラ５の主電源線６には、電源遮断検出回路（外部電源遮断検出手段に相当）１４が接続されている。この電源遮断検出回路１４は、商用交流電源３を整流する整流回路１５と、これの整流出力を平滑する平滑コンデンサ１６と、平滑された電圧を分圧する分圧回路１７と、基準電圧発生回路１８と、基準電圧発生回路１８とこの分圧回路１７の分圧電圧とを比較するコンパレータ１９とを備えて構成されている。上記分圧回路１７の分圧電圧は、商用交流電源３の電源電圧に比例した電圧を示すものであり、これはコンパレータ１９の非反転入力端子に与えられる。前記基準電圧発生回路１８の基準電圧はコンパレータ１９の反転入力端子に与えられ、このコンパレータ１９は、通常時には出力が「Ｈ」レベルであり、商用交流電源３に停電及びこれ相当の電力遮断が発生したときに、その出力が「Ｌ」レベルに変化するようになっている。
【００２２】
このコンパレータ１９の出力は、制御部２０に与えられるようになっており、この制御部２０とコイル１３とにより突入電流抑制手段が構成されているもので、制御部２０は切替手段の機能も併せ持っている。上記制御部２０は、ＣＰＵを主体として構成されており、上記ＩＧＢＴ１２及びトライアック７のオンオフ制御による負荷１０に対する給電制御、或は負荷１０の制御の他、給電カプラ４に対する受電カプラ５の接続を制御するようになっており、さらに、整流コンデンサ９の電圧を検出可能となっている。
【００２３】
次に上記構成の作用について説明する。
移動ロボット１が作業ステーション以外の部位に居るとき（走行しているときも含む）には、電源遮断検出回路１４の整流回路１５に交流電圧が入力されていないことからコンパレータ１９の出力が「Ｌ」レベル状態にあり、これに基づいて、制御部２０は、受電カプラ５側のトライアック７をオフし、バッテリ１１側のＩＧＢＴ１２をオンしている。これにより、負荷１０の電源としてバッテリ１１が使用される。
【００２４】
次に、移動ロボット１が作業ステーションに停止して受電カプラ５が給電カプラ４に接続されると、電源遮断検出回路１４の整流回路１５に交流電圧が入力されることから、コンパレータ１９の出力が「Ｈ」レベルに変化する。制御部２０は、この「Ｈ」レベルの変化に基づいて、受電カプラ５側のトライアック７をオンし且つバッテリ１１側のＩＧＢＴ１２をオフする。これにて、移動ロボット１が商用交流電源３を受電するようになり、負荷１０の電源として商用交流電源３が使用されることになる。
【００２５】
そして、作業ステーションでの移動ロボット１による作業が終了したときは、ＩＧＢＴ１２をオンする。これにより、バッテリ１１が負荷に接続されるので、バッテリ１１を負荷１０の電源として使用することができる。
【００２６】
ところで、バッテリ１１からの直流電圧は商用交流電源３が整流回路で整流された直流電圧よりも大きいことから（出願人が製造する移動ロボットでは１１０Ｖ程度１１０Ｖ）、バッテリ１１からＩＧＢＴ１２を通じて整流コンデンサ９に大きな突入電流（数百Ａ）が流れようとする。そこで、本実施の形態では、次のようにして突入電流の発生を防止するようにした。
【００２７】
即ち、制御部２０は、負荷１０の電源として商用交流電源３からバッテリ１１に切替える際は、ＩＧＢＴ１２をオンすることにより商用交流電源３とバッテリ１１との両方が負荷１０に接続したオーバーラップ動作を実行する。このようなオーバーラップ動作を実行することにより、整流コンデンサ９の電圧が大きくドロップしてしまうことを防止した状態でバッテリ１１を負荷に接続することができる。
【００２８】
しかるに、制御部２０は、バッテリ１１を負荷１０に接続する際は、ＩＧＢＴ１２を間欠的にオンすると共に、その動作時間を徐々に長くするというソフトスタート動作を実行する（図２（ｃ）参照）。このようなソフトスタートの実行により、同図（ｂ）に示すようにバッテリ１１からＩＧＢＴ１２を通じて整流コンデンサ９に流れようとする大きな突入電流を抑制しながら、同図（ａ）に示すように整流コンデンサ９の電圧を徐々に高めることができる。
【００２９】
ここで、制御部２０は、整流コンデンサ９の電圧を監視しており、その電圧が所定電圧まで上昇したときは、トライアック７をオフして商用交流電源３を遮断することによりバッテリ１１のみを負荷１０と接続する。この場合、トライアック７をオフする際の所定電圧とは、バッテリ１１と整流コンデンサ９との電圧差による突入電流がＩＧＢＴ１２の耐突入電流レベル以下となるような電圧のことである。
【００３０】
以上のような動作の結果、負荷１０の電源を商用交流電源３からバッテリ１１に切替える際に、バッテリ１１から整流コンデンサ９に大きな突入電流が発生することを抑制することができるので、ＩＧＢＴ１２が突入電流により破壊されてしまうことを確実に防止することができる。
【００３１】
また、負荷１０の電源を商用交流電源３からバッテリ１１に切替える際は、商用交流電源３とバッテリ１１とが同時に負荷１０に接続されたオーバーラップ動作を実行するようにしたので、商用交流電源３が遮断されてからバッテリ１１を負荷１０に接続する構成のものに比較して、整流コンデンサ９の電圧がドロップしてしまうことを防止することができる。これにより、バッテリ１１が負荷１０に接続した際におけるバッテリ１１と整流コンデンサ９との電圧差を小さくできるので、バッテリ１１から整流コンデンサ９に流れる突入電流を効果的に抑制することができる。
【００３２】
一方、上述の商用交流電源３の受電中に、商用交流電源３に停電事故が発生すると、電源遮断検出回路１４の整流回路１５への交流電圧の入力がなくなり、これによってコンパレータ１９の出力が「Ｌ」レベルに変化する。すると、制御部２０は、瞬時にバッテリ１１側のＩＧＢＴ１２をオンする。
【００３３】
このとき、制御部２０は、ＩＧＢＴ１２をオンすることによりバッテリ１１を負荷１０に接続するときは、上述した負荷１０の電源の切替えの場合と同様にしてソフトスタート動作を実行すると共に、整流コンデンサ９の電圧が所定電圧まで上昇したところで、受電カプラ５側のトライアック７をオフする。これにより、負荷１０に対する給電を継続しながら、バッテリ１１から整流コンデンサ９に流れる突入電流を抑制することができるので、ＩＧＢＴ１２が突入電流により破壊されてしまうことを防止できる。
【００３４】
そして、商用交流電源３の停電が復帰すると、電源遮断検出回路１４のコンパレータ１９の出力が「Ｈ」レベルに変化するから、制御部２０は、トライアック７をオンすると共にＩＧＢＴ１２をオフし、負荷１０の電源として商用交流電源３を使用する。
【００３５】
ところで、制御部２０は、負荷１０の電源として商用交流電源３からバッテリ１１に切替える際に負荷１０としてのアームロボットの駆動モータが動作中であったときは、ロボットアームに停止力を作用させる。すると、駆動モータに制動力が作用して発電機として機能するようになるから、回生電力が発生し、整流コンデンサ９は充電されるようになる。これにより、整流コンデンサ９の電圧が上昇してバッテリ１１と整流コンデンサ９との電圧差が小さくなるので、突入電流を効果的に抑制することができる。
【００３６】
尚、負荷１０の電源としてバッテリ１１から商用交流電源３に切替える場合にもバッテリ１１からの受電状態で商用交流電源３を負荷１０に同時に接続するオーバーラップ動作を実行するのが望ましい。これは、ＩＧＢＴに比較してトライアックの応答速度が遅いことから、負荷１０の電源としてバッテリ１１から商用交流電源３に切替える場合にバッテリ１１からの給電が断たれてから商用交流電源３が接続されるまでの電源停止を防止するためである。
【００３７】
このような本実施の形態によれば、移動ロボット１が作業ステーションから移動するためにＩＧＢＴ１２をオンすることにより内部電源であるバッテリ１１を負荷１０に接続する際、或は商用交流電源３からの受電中に遮断された場合にＩＧＢＴ１２をオンすることによりバッテリ１１を負荷１０に接続する際は、制御部２０によりソフトスタート動作を実行するようにしたので、バッテリ１１から整流コンデンサ９への突入電流を抑制してＩＧＢＴ１２が突入電流により破壊されてしまうことを防止できる。
また、耐突入電流の高いスイッチを使用する必要がないので、コストが上昇することなく実施することができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図３を参照して説明するに、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。この第２の実施の形態は、内部電源接続スイッチとしてのＩＧＢＴをバイパスするバイパス用ＩＧＢＴを設け、そのバイパス用ＩＧＢＴにより突入電流を抑制するようにしたことを特徴とする。
【００３９】
移動ロボット１の構成を概略的に示す図３において、バッテリ１１を負荷１０に接続するＩＧＢＴ１２にはバイパス用ＩＧＢＴ３１及び抵抗（抵抗要素に相当）３２からなる直列回路が並列接続されており、バイパス用ＩＧＢＴ３１は制御部２０の制御によりオンオフされるようになっている。
【００４０】
制御部２０は、移動ロボット１を作業ステーションから移動させるために負荷１０の電源として商用交流電源３に代えてバッテリ１１を使用する場合、或は商用交流電源３からの受電中に電源遮断検出回路１４の遮断を検出したことに伴ってバッテリ１１を負荷１０と接続する場合は、まず、バイパス用ＩＧＢＴ３１をオンする。これにより、バッテリ１１はバイパス用ＩＧＢＴ３１及び抵抗３２を介して負荷１０に接続されるので、バッテリ１１から整流コンデンサ９に流れる突入電流を抵抗３２により抑制することができる。従って、突入電流が発生するにしてもＩＧＢＴ１２が破損してしまうことを防止できる。
【００４１】
続いて、制御部２０は、バイパス用ＩＧＢＴ３１をオフし且つＩＧＢＴ１２をオンし、さらにトライアック７をオフすることによりバッテリ１１を負荷１０に接続する。このとき、バッテリ１１と整流コンデンサ９との電圧差は十分に小さくなっているので、突入電流が発生するにしても、その値は小さくＩＧＢＴ１２が破壊してしまうことはない。
【００４２】
このような第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態のようなソフトスタート動作を実行することなく整流コンデンサ９への突入電流を抑制することができるので、制御部２０の負担を軽減することができる。
【００４３】
尚、突入電流が大きな場合は、異なる抵抗値の抵抗が接続されたバイパス用ＩＧＢＴを複数設け、バッテリ１１を負荷１０に接続する際は、抵抗の大きなバイパス用ＩＧＢＴから順にオンし、最終的にＩＧＢＴ１２をオンするようにしてもよい。
【００４４】
本発明は、上記各実施の形態に限定されることなく、トライアック７は、リレースイッチや他の半導体スイッチに変更しても良く、また、ＩＧＢＴ１２も、サイリスタや他の半導体スイッチに変更しても良い。さらに、外部電源遮断検出手段としては、上記実施例に限られず、例えば変流器を用いるようにしても良く、あるいは、外部電源が交流であることに着目して入力周波数の有無を検出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す電気回路図
【図２】ソフトスタート動作による整流コンデンサに流れる電流及び電圧を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図１相当図
【符号の説明】
１は移動ロボット、２は電源装置、３は商用交流電源（外部電源）、７はトライアック、８は整流ユニット（整流回路）、９は整流コンデンサ、１０は負荷、１１はバッテリ（内部電源）、１２はＩＧＢＴ（内部電源接続スイッチ）、１３はコイル（突入電流抑制手段）、１４は電源遮断検出回路（外部電源遮断検出手段）、２０は制御部（突入電流抑制手段）を示す。

Claims (4)

1. 作業ステーションでは外部電源を整流回路で整流した状態で負荷に接続し、作業ステーションから移動する際は内部電源を負荷に接続する内部電源接続スイッチを備えた移動ロボットにおいて、
   前記外部電源による受電中に遮断したことを検出する外部電源遮断検出手段と、
   この外部電源遮断検出手段が外部電源の遮断を検出したときは前記内部電源接続スイッチを動作させる切替手段と、
   前記内部電源接続スイッチの出力側にインダクタンス要素を有し、前記切替手段が前記内部電源接続スイッチの動作によって前記内部電源が前記負荷に接続するとき、前記内部電源接続スイッチを間欠的にオン動作させつつオン動作期間を徐々に長くすると共に、前記外部電源からの受電状態を維持したまま前記内部電源接続スイッチをオン動作して前記外部電源及び前記内部電源の双方を前記負荷に接続したオーバーラップ動作を実行する突入電流抑制手段と、を備え、
   前記突入電流制御手段は、前記切替手段による前記内部電源接続スイッチの動作に応じて前記内部電源が負荷に接続されたときは前記内部電源から前記整流回路が有する整流コンデンサに流れる突入電流を抑制することを特徴とする移動ロボット。
2. 前記突入電流抑制手段は、前記オーバーラップ動作において前記整流コンデンサの電圧が所定電圧まで上昇したときに前記外部電源を遮断することを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
3. 前記突入電流抑制手段は、前記内部電源接続スイッチをバイパスして前記内部電源を前記負荷に接続可能な抵抗要素を有し、前記抵抗要素を有効化してから前記内部電源接続スイッチを動作させることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
4. 前記突入電流抑制手段は、負荷としてのモータの動作状態で前記外部電源が遮断されたときは上記モータに停止力を作用させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の移動ロボット。

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