JP4657796B2 - 脚式移動ロボットの過電流防止装置 - Google Patents

Description

この発明はロボット、より具体的には脚式移動ロボットの過電流防止装置に関する。

ロボットにおいては、一般に、関節を駆動する電動モータに流れる電流を検知し、しきい値と比較して過電流を検出し、過電流が流れるとき、電流を抑制することで電動モータなどの電装システムを保護している。その従来技術としては、下記の特許文献１記載のものが知られている。特許文献１記載の技術にあっては、与えられたサーボ指令に基づいてサーボモータを駆動制御するものにおいて、しきい値をサーボ指令に応じて可変とし、高速時のサーボ性能を向上させると共に、低速時の電流異常検出精度を向上させている。
特開２００１−０２２４４６号公報

かかる構成においては、過電流が検出されたとき、通電を抑制すると、電装システムは保護されるものの、状況によってはロボット機能が停止したり、姿勢が不安定となる場合がある。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、過電流が検出されたとき、電装システムを保護しつつ、状況の如何に関わらず、脚式移動ロボットの機能停止あるいはその姿勢が不安定となるのを回避するようにした脚式移動ロボットの過電流防止装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、関節を介して連結される複数本のリンクを備えた脚部と、前記関節に配置される電動モータと、電圧源と、前記電動モータと電圧源を接続する電源回路に配置され、通電指令に応じて前記電動モータに通電して駆動させる駆動回路とを少なくとも備えてなる脚式移動ロボットにおいて、前記電源回路に介挿され、オフするとき、前記電源回路を遮断するスイッチング素子と、前記駆動回路を介して前記電動モータに通電される電流に応じた出力を生じる電流センサと、前記電流センサの出力をしきい値と比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超えるとき、第１の所定時間、前記スイッチング素子をオン／オフさせるスイッチング動作を実行して前記電源回路を断続的に遮断すると共に、前記第１の所定時間が経過した後、前記電流センサの出力を前記しきい値と比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超える場合、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断する過電流抑制手段とを備える如く構成した。

請求項２に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、前記過電流抑制手段は、前記電流センサの出力が前記しきい値を超えるとき、第２の所定時間が経過した後、前記第１の所定時間、前記スイッチング動作を実行すると共に、前記第１の所定時間が経過する前に出力が前記しきい値以下となる場合、前記スイッチング動作を終了する如く構成した。

請求項３に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、さらに、外気温を検出する温度センサを備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温に基づいて前記しきい値を変更する如く構成した。

請求項４に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、さらに、外気温を検出する温度センサを備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温に基づいて前記第１の所定時間を変更する如く構成した。

請求項５に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、前記過電流抑制手段は、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断するとき、異常警報信号を出力する如く構成した。

請求項１にあっては、電源回路に介挿され、オフするとき、電源回路を遮断するスイッチング素子と、駆動回路を介して電動モータに通電される電流に応じた出力を生じる電流センサと、電流センサの出力をしきい値と比較し、電流センサの出力がしきい値を超えるとき、第１の所定時間、スイッチング素子をオン／オフさせるスイッチング動作を実行して電源回路を断続的に遮断すると共に、第１の所定時間が経過した後、電流センサの出力をしきい値と比較し、電流センサの出力がしきい値を超える場合、スイッチング素子をオフさせて電源回路を遮断する過電流抑制手段とを備える如く構成したので、過電流が流れる間だけ電源回路を断続的に遮断して通電量を抑制することで、しきい値未満において通電量の低下を最小限度に止めることができ、電動モータなどの電装システムを保護しつつ、状況の如何に関わらず、ロボットの機能が停止する、あるいはその姿勢が不安定となるのを回避することができる。また、第１の所定時間が経過した後、電流センサの出力をしきい値と比較し、電流センサの出力がしきい値を超える場合、スイッチング素子をオフさせて電源回路を遮断、即ち、過電流が第１の所定時間流れたときに電源回路を遮断、換言すれば非常停止することで、電動モータなどの電装システムを保護しつつ、状況の如何に関わらず、ロボットの機能が停止する、あるいはロボットの姿勢が不安定となるのを回避することができる。即ち、脚式移動ロボットにあっては、移動（歩行）中に足部が路面の突起につまずくなどして電動モータに一時的に過電流が流れることがあるが、そのような場合も過電流が第１の所定時間流れたときに電源回路を遮断、即ち、非常停止することで、ロボットの姿勢制御への影響を最小限に止めることができるため、姿勢が不安定となるのを回避することができる。

請求項２に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、過電流抑制手段は、電流センサの出力がしきい値を超えるとき、第２の所定時間が経過した後、第１の所定時間、前記スイッチング動作を実行すると共に、第１の所定時間が経過する前に出力がしきい値以下となる場合、スイッチング動作を終了する如く構成したので、上記した効果に加え、ノイズなどの影響を排除しつつ、過電流を確実に検出することができる。

請求項３に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、過電流抑制手段は検出された外気温に基づいてしきい値を変更する如く構成したので、上記した効果に加え、例えば外気温が高いときはしきい値を下げて過電流が検出され易くするなど、外気温に応じてしきい値を最適に設定することができる。

請求項４に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、過電流抑制手段は、検出された外気温に基づいて第１の所定時間を変更する如く構成したので、上記した効果に加え、例えば電圧源付近の温度が高いとき、第１の所定時間を短縮して早期に通電を停止するなど、外気温に応じて第１の所定時間を最適に設定することができる。

請求項５に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置にあっては、過電流抑制手段は、スイッチング素子をオフさせて電源回路を遮断、即ち、非常停止するとき、異常警報信号を出力する如く構成したので、上記した効果に加え、ユーザ（操作者）は過電流が流れる異常が発生したことを認識することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置を実施するための最良の形態について説明する。

以下、添付図面を参照してこの発明の第１実施例に係る脚式移動ロボットの過電流防止装置を説明する。

図１は第１実施例に係る過電流防止装置が対象とするロボットの正面図、図２はその側面図である。尚、ロボットとしては、脚式移動ロボット、より具体的には２個の脚部と２個の腕部を備えたヒューマノイド型（人間型）の脚式移動ロボットを例にとる。

図１に示すように、ロボット（より具体的には脚式移動ロボット）１は、複数個（本）、より具体的には２個（本）の脚部２を備えると共に、その上方には基体（上体）３が設けられる。基体３のさらに上方には頭部４が形成されると共に、基体３の両側には２個（本）の腕部５が連結される。また、図２に示すように、基体３の背部には格納部６が設けられる。基体３の内部にはバッテリ（電圧源）７が格納されると共に、格納部６の内部には後述する電子制御ユニットなどが収容される。尚、図１および図２に示すロボット１は、内部構造を保護するためのカバーで被覆される。

図３はロボット１をスケルトンで示す説明図である。同図を参照してその内部構造を関節を中心に説明すると、図示の如く、ロボット１は、左右それぞれの脚部２および腕部５に、１１個の電動モータで動力化された６個の関節を備える。

即ち、ロボット１は、腰部（股部）の股関節に、脚部２を鉛直軸（Ｚ軸あるいは鉛直軸）まわりに回転させる関節を駆動する電動モータ１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。左右対称であることから、以下Ｒ，Ｌの表記を省略する）と、脚部２をピッチ（進行）方向（Ｙ軸まわり）に揺動させる関節を駆動する電動モータ１２と、脚部２をロール（左右）方向（Ｘ軸まわり）に回転させる関節を駆動する電動モータ１４を備えると共に、膝部に脚部２の下部をピッチ方向（Ｙ軸まわり）に回転させる膝関節を駆動する電動モータ１６を備え、さらに足首に脚部２の先端側をピッチ方向（Ｙ軸まわり）に回転させる足（足首）関節を駆動する電動モータ１８とロール方向（Ｘ軸まわり）に回転させる足（足首）関節を駆動する電動モータ２０を備える。

上記したように、図３において、関節はそれを駆動する電動モータ（あるいは電動モータに接続されてその動力を伝動するプーリなどの伝動要素）の回転軸線で示す。尚、脚部２の先端には足部（足平）２２が取着される。

このように、脚部２の股関節には電動モータ１０，１２，１４がそれらの回転軸線が直交するように配置されると共に、足関節（足首関節）には電動モータ１８，２０がそれらの回転軸線が直交するように配置される。尚、股関節と膝関節は大腿リンク２４で、膝関節と足関節は下腿リンク２６で連結される。

脚部２は股関節を介して基体３に連結されるが、図３では基体３を基体リンク２８として簡略的に示す。前記したように、基体３には腕部５が連結される。

腕部５も、脚部２と同様に構成される。即ち、ロボット１は、肩部の肩関節に、腕部５をピッチ方向に回転させる関節を駆動する電動モータ３０とロール方向に回転させる関節を駆動する電動モータ３２を備えると共に、その自由端側を回転させる関節を駆動する電動モータ３４と、肘部にそれ以降の部位を回転させる関節を駆動する電動モータ３６を備え、さらにその先端側にそれを回転させる手首関節を駆動する電動モータ３８を備える。手首の先にはハンド（エンドエフェクタ）４０が取着される。

即ち、腕部５の肩関節には電動モータ３０，３２，３４がそれらの回転軸線が直交するように配置される。尚、肩関節と肘関節とは上腕リンク４２で、肘関節と手首関節とは下腕リンク４４で連結される。

図示は省略するが、ハンド４０は５本のフィンガ（指）４０ａの駆動機構を備え、フィンガ４０ａで物を把持するなどの作業ができるように構成される。

また、頭部４は、鉛直軸まわりの電動モータ（首関節を構成）４６と、それと直交する軸まわりに頭部４を回転させる頭部揺動機構４８を介して基体３に連結される。図３に示す如く、頭部４の内部には２個のＣＣＤカメラ５０がステレオ視自在に配置されると共に、音声入出力装置５２が配置される。

上記の構成により、脚部２は左右の足について６個の関節を備えて合計１２の自由度を与えられ、６個の関節を適宜な角度で駆動（関節変位）することで、脚部２に所望の動きを与えることができ、ロボット１を任意に３次元空間において歩行させることができる。また、腕部５も左右の腕について５個の関節を備えて合計１０の自由度を与えられ、５個の関節を適宜な角度で駆動（関節変位）することで所望の作業を行わせることができる。さらに、頭部４は２つの自由度からなる関節あるいは揺動機構を与えられ、これらを適宜な角度で駆動することにより所望の方向に頭部４を向けることができる。

電動モータ１０などのそれぞれにはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、電動モータの回転軸の回転を通じて対応する関節の角度、角速度、および角加速度の少なくともいずれかを示す信号を出力する。尚、電動モータ１０などは具体的には、ＤＣサーボモータからなる。

足部２２には公知の６軸力センサ（以下「力センサ」という）５６が取着され、ロボットに作用する外力の内、接地面からロボット１に作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを示す信号を出力する。

手首関節とハンド４０の間には同種の力センサ（６軸力センサ）５８が取着され、ロボット１に作用する床反力以外の外力、具体的にはハンド４０に対象物から作用する外力（対象物反力）の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを示す信号を出力する。

基体３には傾斜センサ６０が設置され、鉛直軸に対する基体３の傾き（傾斜角度）とその角速度の少なくともいずれか、即ち、ロボット１の基体３の傾斜（姿勢）などの状態量を示す信号を出力する。

これら力センサ５６などの出力群は、格納部６に収容されたマイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electric Control Unit 。以下「ＥＣＵ」という）７０に送られる（図示の便宜のためロボット１の右側についてのみ、入出力を図示する）。ＥＣＵ７０はＣＰＵ、メモリおよび入出力インターフェースなどからなるマイクロコンピュータを備え、ロボット１が安定な姿勢で移動できるように、関節角変位指令を算出して各関節を構成する電動モータ１０などの駆動を制御する。

先に述べたように基体３にはバッテリ（電圧源）７が格納されると共に、格納部６にはバッテリ７の出力電圧（直流電圧）を変成するＤＣ／ＤＣコンバータ（図示省略）と電動モータ１０などの駆動回路（モータドライバ）７２からなる電源ボックス７４が格納されると共に、無線系７６も収容される。

ＥＣＵ７０は、無線系７６を介して同様にマイクロコンピュータからなる操作用ＥＣＵ７８と通信自在に接続される。操作用ＥＣＵ７８は操作用ユーザＩ／Ｆ７８ａを備え、ユーザ（操作者）が操作用ユーザＩ／Ｆ７８ａから入力した緊急停止などのコマンドは、無線系７６を通じてＥＣＵ７０に送られる。

図４は、ＥＣＵ７０の構成を電装システムを中心に示すブロック図である。

図示の如く、ＥＣＵ７０はＣＰＵ７０ａと、Ｉ／Ｏ７０ｂとを備える。また、電動モータ１０などにはモータ２個当たり１個の駆動回路７２が、駆動回路１、駆動回路２などと接続される（脚部２の右側などについて部分的に示すが、基体３あるいは頭部４ならびに腕部５についても同様である）。

駆動回路７２は、バッテリ（電圧源）７と電動モータを接続する電源回路７ａに配置される（電動モータ１０Ｒについてのみ示す）。力センサ５６はＡ／Ｄ変換回路５６ａに接続される。駆動回路７２のそれぞれとＡ／Ｄ変換回路５６ａなどは、Ｉ／Ｏ７０ｂを介してＣＰＵ７０ａに接続される。尚、電源回路７ａには過電流防止回路８０が介挿されるが、それについては後述する。

図５は、図４に示す、ＣＰＵ７０ａの動作を、過電流防止装置としてのそれも含めて機能的に示すブロック図である。

図示の如く、ＣＰＵ７０ａは、脚制御部７０ａ１と、腕制御部７０ａ２と、頭制御部７０ａ３を備える。脚制御部７０ａ１は、予め生成されてメモリ（図示せず）に格納された歩容パラメータに基づき、力センサ５６と傾斜センサ６０からＩ／Ｏ７０ｂを介して送られるセンサ出力に応じて歩容を生成し、生成された歩容に基づいて関節角指令値（通電指令値）を決定し、ロータリエンコーダの出力（図示せず）から検出された関節角との偏差が解消するように駆動回路７２を介して電動モータ１０などを駆動する。このように、駆動回路７２のそれぞれは、通電指令に応じて対応する電動モータに通電して駆動する。

また、腕制御部７０ａ２と頭制御部７０ａ３も、生成された歩容と力センサ５６などの出力に基づいて関節角指令値を算出し、駆動回路７２を介して該当する電動モータ３０などを駆動する。さらに、腕制御部７０ａ２は作業内容に従って腕部５を駆動制御すると共に、頭制御部７０ａ３は画像認識系の指示に従って電動モータ４６あるいは頭部揺動機構４８を駆動制御する。

図示の構成において、電源回路７ａには、上記した過電流防止回路８０が介挿される。

図６はその過電流防止回路８０の構成を具体的に示すブロック図である。

図示の如く、過電流防止回路８０は、電源回路７ａに介挿され、オフするとき、電源回路７ａを遮断する、ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ。スイッチング素子）８０ａと、駆動回路７２のそれぞれを介して電動モータ１０などに通電される電流に応じた出力を生じる１個の電流センサ８０ｂと、電流センサ８０ｂの出力（値Ｖ１で示す）をしきい値（値Ｖａで示す）と比較し、電流センサ８０ｂの出力がしきい値を超えるとき、第１の所定時間、スイッチング素子８０ａを動作させて電源回路７ａを断続的に遮断するスイッチング動作を実行させる過電流抑制手段とを備える。

過電流抑制手段は具体的には、電流センサ８０ｂの出力が＋入力端子に入力されると共に、−入力端子に所定電圧がしきい値（値Ｖａで示す）として入力されるコンパレータ（比較器）８０ｃと、コンパレータ８０ｃの出力（値Ｖ２で示す）を入力して所定時間Ｔ１（例えば１０から２０ｍｓｅｃ）だけ遅延させる第１の遅延回路８０ｄと、第１の遅延回路８０ｄの出力（値Ｖ３で示す）を入力して所定時間Ｔ２（第１の所定時間。例えば１００から２００ｍｓｅｃ）だけ遅延させる第２の遅延回路８０ｅと、第１の遅延回路の出力と第２の遅延回路の出力（値Ｖ４で示す）が入力されるＥＸ−ＯＲ（イクスクルーシブＯＲ）回路８０ｆと、同様にそれらの出力が平行して入力されるＡＮＤ回路８０ｇとを備える。ＡＮＤ回路８０ｇの出力はインバータ８０ｇ１を介して出力され、ＮＡＮＤ回路となっている（従って、以下「ＮＡＮＤ回路８０ｇ」という）。ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆとＮＡＮＤ回路８０ｇの出力を値Ｖ５，Ｖ６で示す。

図７（ａ）は、第１の遅延回路８０ｄの詳細を示すブロック図、図７（ｂ）はその特性を示すグラフである。同図（ａ）において、抵抗Ｒ１はＲ２より極めて大きな値に設定されるとき、同図（ｂ）に示す如く、Ｖ３は、立ち上がりに比して立下りが急峻となる。図示は省略するが、第２の遅延回路８０ｅも、遅延時間Ｔ２が第１の遅延回路８０ｄに比して１０倍程度に延長されるように抵抗などの値が変更される点を除くと、その構成は異ならない。

図６の説明に戻ると、さらに、過電流抑制手段は、発振器８０ｈと、発振器８０ｈに接続されてそのパルス出力が入力されるバッファ８０ｉと、ＮＡＮＤ回路８０ｇとＥＣＵ７０に接続され、それらの出力を入力するＡＮＤ回路８０ｊと、ＡＮＤ回路８０ｊに抵抗を介して接続されると共に、バッファ８０ｉに接続される絶縁ゲートドライバ８０ｋとを備える。絶縁ゲートドライバ８０ｋは、抵抗を介してＦＥＴ８０ａに接続される。尚、ＮＡＮＤ回路８０ｇの出力Ｖ６は、ラッチ回路８０ｌでラッチされ、ＥＣＵ７０により解除される。

バッファ８０ｉはＥＸ−ＯＲ回路８０ｆに接続され、ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆの出力がＨレベルのとき、発振器８０ｈのパルス出力をそのまま出力すると共に、ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆの出力がＬレベルのとき、ハイインピーダンス状態となる（出力を生じない）。

図８および図９は、図６に示す過電流防止回路８０の動作を示すタイム・チャートである。尚、図８は過電流状態（過負荷状態）がＴ１＋Ｔ２以上続いた場合、図９はそれ未満で終わった場合を示す。

図８を参照して図６に示す過電流防止回路８０の動作を説明すると、時刻ｔ１において電流センサ８０ｂの出力がしきい値Ｖａを超えたとすると、コンパレータ８０ｃの出力Ｖ２は、Ｈレベルとなるが、第１の遅延回路８０ｄによってその出力Ｖ３はＴ１だけ遅延させられる。これは、ノイズなどによる誤動作を排除するためである。

そして、時刻ｔ２において第１の遅延回路８０ｄの出力Ｖ３がＨレベルとなると、ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆの入力もＨレベルとなる。他方、第１の遅延回路８０ｄの出力Ｖ３は第２の遅延回路８０ｅによってＴ２だけ遅延させられる結果、その出力Ｖ４はＬレベルのままである。尚、第２の遅延回路８０ｅを設けてＴ２だけ遅延させるようにしたのは、過電流が一過性のものか否か確認するためである。その意図から、Ｔ２はＴ１の１０倍程度の値に設定される。

従って、時刻ｔ２においてＥＸ−ＯＲ回路８０ｆの出力Ｖ５はＨレベルとなる。他方、ＮＡＮＤ回路８０ｇへの入力Ｖ４はＬレベルであるが、インバータ８０ｇ１で出力が反転される結果、ＮＡＮＤ回路８０ｇの出力Ｖ６もＨレベルとなる。

ＮＡＮＤ回路８０ｇの出力Ｖ６はラッチ回路を通過してＡＮＤ回路８０ｊに送られる。ＡＮＤ回路８０ｊの他方にはＥＣＵ７０の出力が入力されるが、ＥＣＵ７０は通常ＯＮ信号（Ｈレベル信号）を出力するため、ＡＮＤ回路８０ｊの出力はＨレベルとなる。

その結果、絶縁ゲートドライバ８０ｋを介して発振器８０ｈのパルス出力がＦＥＴ８０ａのゲート端子に供給される。ＦＥＴ８０ａはパルス出力のＨレベル（ゲート電位）で導通して駆動回路７２に通電すると共に、Ｌレベルで非導通となって通電を停止する。このように、ＦＥＴ８０ａをオン／オフさせてスイッチング動作を実行させることにより、駆動回路７２が配置される電源回路７ａへの通電が断続的に遮断され、電力供給量、換言すれば過電流が抑制される。

次いで、過電流が検出され続ける限り、時刻ｔ３で第２の遅延回路８０ｅの出力Ｖ４もＨレベルとなることから、ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆの出力はＬレベルになると共に、ＮＡＮＤ回路８０ｇの出力もＬレベルとなる。従って、ＡＮＤ回路８０ｊの出力もＬレベルとなる。その結果、絶縁ゲートドライバ８０ｋの出力はＬレベルとなり、ＦＥＴ８０ａはオフさせられ（非導通となり）、それぞれの駆動回路７２への通電は全て遮断される。尚、バッファ８０ｉはＶ５がＬレベルのときにハイインピーダンス状態となることから、出力を生じない。

尚、図８に示す如く、時刻ｔ４で過電流が検出されなくなると、出力Ｖ２がＬレベルに反転する。尚、図７（ｂ）に示す如く、電流が低下（平常値に復帰）した場合、ほとんど遅延させないように構成したため、出力Ｖ３，Ｖ４もほとんど同時にＬレベルに反転する。

ＥＣＵ７０がＯＦＦ状態のラッチを解除するまで、ＦＥＴ８０ａはオフのままとなる。

ＥＣＵ７０によりラッチが解除されると、絶縁ゲートドライバ８０ｋの出力はＨレベルとなり、ＦＥＴ８０ａはオンさせられて（導通となって）駆動回路７２への通電が再開される。尚、バッファ８０ｉはＶ５がＬレベルのときにハイインピーダンス状態となることから、出力を生じない。

尚、図９に示す場合、時刻ｔ３で電流センサ８０ｂの出力がしきい値Ｖａ以下となり、過電流が検出されなくなったことから、値Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５は全てＬレベルとなる。その結果、スイッチング動作が実行された後、駆動回路７２への通電は、遮断されることなく、再開される。

図１０（ａ）はこの実施例の動作による電流と電圧の推移を示す説明グラフであり、図１０（ｂ）は過電流が流れた場合に単に過電流保護を行った場合を示す説明グラフである。同図（ｂ）に示す如く、過電流保護機能がないと大電流が流れるが、過電流保護機能がある場合、以後、電流が急減することから、ロボット１において機能停止や姿勢の不安定化を招く。

他方、同図（ａ）に示すこの実施例の場合、過電流が流れた間に限定してスイッチング動作を行なうことから、電圧低下は僅かなものとなる。即ち、電流の抑制を過電流が検出される間に限定することで、しきい値Ｖａ未満において通電量の低下を最小限度に止めることができる。

従って、ロボット１の運動アルゴリズムは意図する通りにはならないが、ロボット１の足部２２が路面の突起などにつまずいて電動モータ１８，２０などに過電流が流れた場合、その事象は、通例、数１００ｍｓｅｃ程度で回避できるため、通常動作に戻ってからの運動制御（関節角指令値による）によって姿勢を回復することが可能と考えられる。

即ち、この実施例においては、配線の短絡などシステムの異常によって生じる過電流と、歩行中に足部２２が突起につまずくなどして短期間負荷が過大となって生じる過電流とを、遅延時間Ｔ２を設けることで区別すると共に、過電流が流れる間だけ電源回路７ａを断続的に遮断するようにした。それにより、電動モータ１８，２０などの電装システムを保護しつつ、状況の如何に関わらず、ロボット１の機能停止や姿勢が不安定となるのを回避することができる。特に、この実施例においてロボット１は脚式移動ロボットであることから、姿勢が不安定となるのを回避できるのは有益である。

さらに、過電流防止回路８０をディスクリートな回路から構成するようにしたので、構成としても簡易となる。

さらに、過電流防止回路８０にあっては、電流センサ８０ｂの出力Ｖ１がしきい値Ｖａを超えるとき、Ｔ１（第２の所定時間）が経過した後、Ｔ２（第１の所定時間）の間、スイッチング動作を実行させる如く構成したので、上記した効果に加え、ノイズなどの影響を排除しつつ、過電流を確実に検出することができる。

図１１はこの発明の第２実施例に係る過電流防止装置を示す、図５と同様のブロック図である。

第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例においては、温度センサ９０を設けて外気温ＴＡを検出し、検出値に応じてしきい値Ｖａと所定時間Ｔ２（第１の所定時間）を変更すると共に、ＥＣＵ７０（より正確にはＣＰＵ７０ａ）がソフトウエア手法を用いて過電流防止動作を行なう過電流防止部７０ａ４を備えるようにした。

温度センサ９０は具体的には、図２に想像線で示す如く、第２実施例においては格納部６において外部を臨む適宜位置に配置され、ロボット１の周囲の外気温ＴＡを示す信号を出力する。尚、第１実施例と同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。

図１２は、そのＣＰＵ７０ａの過電流防止動作を示すフロー・チャートである。

以下説明すると、Ｓ１０において温度センサ９０を介して検出された外気温ＴＡを読み出し、Ｓ１２に進んで、読み出された外気温ＴＡから図１３（ａ）に示す特性を検索してしきい値Ｖａを選択すると共に、図１３（ｂ）に示す特性を検索して所定時間Ｔ２（第１の所定時間）を選択する。

しきい値Ｖａは、外気温ＴＡが増加するほど、減少するように設定される。これは、外気温ＴＡが高いときは電動モータ１８，２０など、およびそれらの駆動回路７２が昇温することが予測され、従って過電流が検出され易くするためである。所定時間Ｔ２も、外気温ＴＡが増加するほど、減少するように設定される。これも同様の理由から、スイッチング動作時間を短縮して駆動回路７２への通電を早めるためである。

次いでＳ１４に進み、検出された電流センサ８０ｂの出力Ｖ１がしきい値Ｖａ、より正確にはＳ１２で選択された値を超えるか否か判断する。Ｓ１４で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはＳ１６に進みタイマカウンタＴＣ１の値を１つインクリメントし、Ｓ１８に進み、タイマカウンタＴＣ１の値が前記したＴ１を超えるか否か判断する。Ｓ１８で否定されるときはＳ１６に戻る。

他方、Ｓ１８で肯定されるとＳ２０に進み、第１実施例で述べたＦＥＴ８０ａのスイッチング動作を開始する。

次いでＳ２２に進み、第２のタイマカウンタＴＣ２の値を１つインクリメントし、Ｓ２４に進み、タイマカウンタＴＣ２の値が選択されたＴ２を超えるか否か判断する。Ｓ２４で否定されるときはＳ２０に戻る。これにより、Ｔ２の間、電源回路７ａが断続的に遮断される。

Ｓ２４で肯定されるときはＳ２６に進み、検出された電流センサ８０ｂの出力Ｖ１がしきい値Ｖａを超えるか否か再び判断する。Ｓ２６で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはＳ２８に進み、ＦＥＴ８０ａをオフして電源回路７ａを遮断すると共に、無線系７６と操作用ＥＣＵ７８を介して異常警報を出力する。この結果、過電流が検出される間、電源回路７ａは遮断される。

第２実施例に係るロボットの過電流防止装置は上記の如く構成したので、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

さらに、外気温ＴＡを検出し、検出された外気温ＴＡに応じてしきい値Ｖａと所定時間Ｔ２を変更する如く構成したので、上記した効果に加え、電動モータ１８，２０などが昇温傾向にあるときは、しきい値を下げることで過電流を早期に検出できると共に、所定時間Ｔ２も短縮することで駆動回路７２の通電を早期に遮断することができ、よって駆動回路７２などを一層良く保護することができる。

さらに、ＦＥＴ８０ａをオフさせて電源回路７ａを遮断するとき、異常警報信号を出力する如く構成したので、上記した効果に加え、ユーザ（操作者）は過電流が流れる異常が発生したことを認識することができる。

尚、上記においてＦＥＴ８０ａの温度に対する耐性に余裕があるときは、検出された外気温ＴＡに応じて所定時間Ｔ１を延長しても良い。これにより、ノイズなどによる影響を一層良く排除することができる。

また、温度センサを追加してバッテリ７あるいは駆動回路７２の温度を検出し、それに応じてしきい値Ｖａおよび／またはＴ２を変更しても良い。さらには、電圧センサを設けて同様にバッテリ７あるいは駆動回路７２の電圧を検出し、それに応じてしきい値Ｖａおよび／またはＴ２を変更しても良い。さらにはロボットの歩行条件などを勘案してしきい値Ｖａおよび／またはＴ２を変更しても良い。

図１４はこの発明の第３実施例に係る過電流防止装置を示す、図６と同様のブロック図である。

第１、第２実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第３実施例においては、第２実施例に類似する構成を第１実施例の構成で実現するようにした。即ち、ＥＣＵ７０と別に、ワンチップマイクロコンピュータからなる第２のＥＣＵ（ＥＣＵ２）９２を温度センサ９０の付近に設けて適宜なケーブル（図示せず）などで接続し、第２のＥＣＵ９２が温度センサ９０の出力ＴＡを入力し、第２のＥＣＵ９２がその入力値に基づいて比較器８０ｃの−入力端子に入力されるしきい値Ｖａ相当値を変更させるようにした。

より具体的には、第２のＥＣＵ９２が温度センサ９０の出力ＴＡをＡ／Ｄ変換して入力し、図１３に示す特性に従って適切な電圧値Ｖａを決定してＤ／Ａ変換し、その出力（電圧値Ｖａ）を比較器８０ｃの−入力端子に入力するようにした。尚、第２のＥＣＵ９２を比較器８０ｃに接続する接続路は分岐され、バッテリ７にプルアップ抵抗９４を介して接続される。尚、残余の構成は第１実施例と異ならない。

第３実施例においては、上記のように構成することで、検出された外気温ＴＡに応じてＴ２を変更できない点を除くと、第２実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、温度センサ９０の出力は比較的ノイズに影響されやすいアナログ出力であるが、ＥＣＵ７０と別に第２のＥＣＵ９２を設けたので、第２のＥＣＵ９２を温度センサ９０の近傍に設置して接続ケーブルの長さを短縮することができ、誤動作を回避することができる。

上記した如く、第１から第３実施例にあっては、関節を介して連結される複数本のリンク（例えば大腿リンク２４と下腿リンク２６）を備えた脚部２と、前記関節に配置される電動モータ（例えば電動モータ１６）と、電圧源（バッテリ）７と、前記電動モータと電圧源を接続する電源回路７ａに配置され、通電指令に応じて前記電動モータに通電して駆動させる駆動回路７２とを少なくとも備えてなる脚式移動ロボット１において、前記電源回路に介挿され、オフするとき、前記電源回路を遮断するＦＥＴ（スイッチング素子）８０ａと、前記駆動回路を介して前記電動モータに通電される電流に応じた出力を生じる電流センサ８０ｂと、前記電流センサの出力Ｖ１をしきい値Ｖａと比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超えるとき、第１の所定時間（Ｔ２）、前記スイッチング素子をオン／オフさせるスイッチング動作を実行して前記電源回路を断続的に遮断すると共に、前記第１の所定時間（Ｔ２）が経過した後、前記電流センサの出力Ｖ１を前記しきい値Ｖａと比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超える場合、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断する過電流抑制手段（コンパレータ８０ｃ、第１の遅延回路８０ｄ、第２の遅延回路８０ｅ、ＥＸ−ＯＲ回路８０ｆ、ＮＡＮＤ回路８０ｇ、発振器８０ｈ、バッファ８０ｉ，ＡＮＤ回路８０ｊ、絶縁ゲートドライバ８０ｋ、ラッチ回路８０ｌ，ＥＣＵ（ＣＰＵ７０ａ）、過電流防止部７０ａ４，Ｓ１０からＳ２８）とを備える如く構成した。

また、前記過電流抑制手段は、前記電流センサの出力が前記しきい値を超えるとき、第２の所定時間（Ｔ１）が経過した後、前記第１の所定時間（Ｔ２）、前記スイッチング動作を実行すると共に、前記第１の所定時間（Ｔ２）が経過する前に出力が前記しきい値以下となる場合、前記スイッチング動作を終了する（図９の時刻ｔ３，Ｓ１０からＳ２２）如く構成した。

さらに、外気温ＴＡを検出する温度センサ９０を備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温ＴＡに基づいて前記しきい値Ｖａを変更する（Ｓ１２、第２のＥＣＵ９２）如く構成した。

また、外気温ＴＡを検出する温度センサ９０を備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温ＴＡに基づいて前記第１の所定時間（Ｔ２）を変更する（Ｓ１２）如く構成した。

また、前記過電流抑制手段は、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断するとき、異常警報信号を出力する（Ｓ２８）如く構成した。

尚、上記において、電流センサ８０ｂを１箇所のみ設けたが、駆動回路７２ごとに設けても良い。

また、脚式移動ロボットとして２足ロボットを例示したが、それに限られるものではなく、３足以上のロボットであっても良い。

この発明の第１実施例に係る移動ロボットの過電流防止装置が対象とするロボット、具体的には脚式移動ロボットの正面図である。 図１に示すロボットの側面図である。 図１に示すロボットをスケルトンで示す説明図である。 図３に示す制御ユニットの構成を電装システムを中心に示すブロック図である。 図４に示すＣＰＵの動作を、過電流防止装置としてのそれも含めて機能的に示すブロック図である。 図５に示す過電流防止回路の構成を具体的に示すブロック図である。 （ａ）は、第１の遅延回路の詳細を示すブロック図、（ｂ）はその特性を示すグラフである。 図６に示す過電流防止回路の動作を示すタイム・チャートである。 同様に、図６に示す過電流防止回路の動作を示すタイム・チャートである。 （ａ）は図６に示す過電流防止回路の動作による電流と電圧の推移を示す説明グラフ、（ｂ）は過電流が流れた場合に単に過電流保護を行った場合を示す説明グラフである。 この発明の第２実施例に係る過電流防止装置を示す、図５と同様なブロック図である。 図１１に示す装置の動作を示すフロー・チャートである。 図１１の処理で使用される、外気温ＴＡに対するしきい値ＶａとＴ２（第１の所定時間）のテーブル特性を示すグラフである。 この発明の第３実施例に係る過電流防止装置を示す、図６と同様なブロック図である。

符号の説明

１ 脚式移動ロボット（ロボット）
２ 脚部
３ 基体
７ バッテリ（電圧源）
７ａ 電源回路
１０など 電動モータ
２２ 足部
２４ 大腿リンク（リンク）
２６ 下腿リンク（リンク）
７０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
７０ａ ＣＰＵ（過電流抑制手段）
７０ａ４ 過電流防止部（過電流抑制手段）
７２ 駆動回路
８０ 過電流防止回路
８０ａ スイッチング素子（ＦＥＴ）
８０ｂ 電流センサ
８０ｃ コンパレータ（過電流抑制手段）
８０ｄ 第１の遅延回路（過電流抑制手段）
８０ｅ 第２の遅延回路（過電流抑制手段）
８０ｆ ＥＸ−ＯＲ回路（過電流抑制手段）
８０ｇ ＮＡＮＤ回路（過電流抑制手段）
８０ｈ 発振器（過電流抑制手段）
８０ｉ バッファ（過電流抑制手段）
８０ｊ ＡＮＤ回路（過電流抑制手段）
８０ｋ 絶縁ゲートドライバ（過電流抑制手段）
９０ 温度センサ
９２ 第２のＥＣＵ（ＥＣＵ２）

Claims (5)

1. 関節を介して連結される複数本のリンクを備えた脚部と、前記関節に配置される電動モータと、電圧源と、前記電動モータと電圧源を接続する電源回路に配置され、通電指令に応じて前記電動モータに通電して駆動させる駆動回路とを少なくとも備えてなる脚式移動ロボットにおいて、前記電源回路に介挿され、オフするとき、前記電源回路を遮断するスイッチング素子と、前記駆動回路を介して前記電動モータに通電される電流に応じた出力を生じる電流センサと、前記電流センサの出力をしきい値と比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超えるとき、第１の所定時間、前記スイッチング素子をオン／オフさせるスイッチング動作を実行して前記電源回路を断続的に遮断すると共に、前記第１の所定時間が経過した後、前記電流センサの出力を前記しきい値と比較し、前記電流センサの出力が前記しきい値を超える場合、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断する過電流抑制手段とを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの過電流防止装置。
2. 前記過電流抑制手段は、出力が前記しきい値を超えるとき、第２の所定時間が経過した後、前記第１の所定時間、前記スイッチング動作を実行すると共に、前記第１の所定時間が経過する前に出力が前記しきい値以下となる場合、前記スイッチング動作を終了することを特徴とする請求項１記載の脚式移動ロボットの過電流防止装置。
3. さらに、外気温を検出する温度センサを備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温に基づいて前記しきい値を変更することを特徴とする請求項１または２記載の脚式移動ロボットの過電流防止装置。
4. さらに、外気温を検出する温度センサを備えると共に、前記過電流抑制手段は、前記検出された外気温に基づいて前記第１の所定時間を変更することを特徴とする請求項１または２記載の脚式移動ロボットの過電流防止装置。
5. 前記過電流抑制手段は、前記スイッチング素子をオフさせて前記電源回路を遮断するとき、異常警報信号を出力することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の脚式移動ロボットの過電流防止装置。

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