JPH09509559A - 自己内蔵型移動ロボット用電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 外部電源を有し高周波発生装置と誘導コイルとから成る固定ステーション、並びに装置上または装置内に、ピックアップコイル、ろ波・整流装置、再充電可能なバッテリー、及びマイクロプロセッサ制御型トラッキング装置を有する自己内蔵型移動装置用の電力再供給装置。マイクロプロセッサは、装置の駆動制御装置に接続され、そしてバッテリーの充電レベルが予定のレベル以下に落ちた時に固定ステーションに駆動アルゴリズムを適用し、上記アルゴリズムは、上記高周波発生装置から受信した高周波信号の強度の勾配（グラジェント）の測定値に基いている。

Description

【発明の詳細な説明】 自己内蔵型移動ロボット用電力供給装置 背景技術 本発明は、自己内蔵型移動ロボット用の配置、位置決め及びエネルギー供給装 置に関するものである。 移動ロボットを完全に自律化するためには、外部から干渉せずにエネルギー源 からロボットへ供給できるようにする必要がある。この問題の解決法としては、 ロボットが屋外作動式のものである場合に利用できるだけであるが、装置の照射 表面に光電池を配置して電気に変換される周囲光線を使用することにある。この ようにして発生された電気は直ちに使用されるかまたは充電可能なバッテリーに 充電され得る。これによりロボットはエネルギー供給源から拘束されない。 光電池装置では、ロボットの使用は、電力消費の小さい操作及び日光の状況に 依存した野外の使用に限定される。 他の幾つかの解決法は、内燃機関装置用の燃料タンクを自動的に再充填するこ とに関して考えられてきた。電動機を備えた装置のバッテリーを再充電するため に電気回路網に自動的に接続する試みもなされてきた。 これらの解決法は、ロボットを正確に位置決めすること並びに再充電及び再燃 料充填装置に物理的に接続することを必要とする。 またロボットを再供給位置へ位置決めするには、相対的に複雑な案内装置、例 えば電線が必要である。 本発明の目的は、これらの困難性及び欠点を解決することにある。 本発明によれば、再供給源に物理的に接続する必要なく、正確に位置決めせず にしかもエネルギーの再供給用の位置決め及び案内装置の一部として再供給源自 体を用いてエネルギーを再供給できる自己内蔵型移動ロボットが提供される。 通常の動作では、ロボットは動作区域内を動き、この動作区域の範囲は、例え ば障害物や金属線で決められ、そしてロボット上またはロボット内に設けられた 適当なセンサーによって周知の方法で検出される。 本発明によれば、可搬及び自律式ロボットには、コンピュータ及びエネルギー 源自体によって発生した振動場の強度を測定する回路が設けられる。強度の測定 値は特定のアルゴリズムを実施するコンピュータに送られ、装置の動きを制御す る中枢部に必要な指令を供給する。通路に沿った強度の変動に基いて、本発明に よるロボットは、電力の再充電が必要な際に供給源へ自体で導くことができる。 供給装置は、交流発電機を備えた固定または本質的に固定のステーションを有 しており、この発電機の一側は電流源例えば220Vの送電線網または再充電可能な バッテリーに接続された光電パネルから成るユニットに接続され、そして他側は 地面上または地面内に設けた誘導コイルに接続される。この発電機は、例えば金 属体の形状の誘導電流源が付近になければ、非常に僅かな損失で不変的に作動し 得る。周波数は５〜100KHz、好ましくは10〜30KHz例えば20KHzの範囲で変化し得 る。誘導コイルの直径は５〜100cmの範囲で、より典型的なものでは10〜20cmの 範囲で変動する。 この他、ロボットは、固定供給装置の交流の周波数に同調されたピックアップ コイルを備えている。 ロボットには、誘導電流ろ波装置（フィルター装置）及び整流装置が設けられ る。誘導電流はピックアップコイルから発生され、バッテリーを再充電させる。 これらの装置は周知である。 再充電操作が終了すると、再充電可能なバッテリーが新たに消耗したことを検 出するまで、ロボットに特定の仕事を行わせるアルゴリズムを実施し続ける。 本発明による装置は幾つかの仕方で適用され得る。 第１の実施例によれば、誘導コイルの平面は装置の運動平面に対して垂直であ る。 ピックアップコイルは、移動装置の前部に設けられる。コイルの軸線は装置の 運動軸線上に配置される。 本装置は、特に、再充電可能なバッテリー例えば12V、２A/hのNi／Cdバッテリ ーの充電パラメータのレベルを分析するコンピュータを有している。バッテリー が再給電されなければならない場合、例えば充電が公称値の30％（600mA/h以下 ）となった時、特定のアルゴリズムにより装置の動きを制御する。 このアルゴリズムによれば、装置はそれ自体360°回転動作する。ピックアッ プコイルの電圧は、装置の軸線及びコイルの軸線が誘導発電機に向かう方向にな ると、最大値を超える。 装置はこの軸線に従って源の方向かまたは反対の方向へランダムに動く。反対 方向へ動く場合には、検出される勾配（グラジェント）は負であり、そしてアル ゴリズムは180°回転を予知し、装置を正しい軌道へ必ず導き、エネルギー供給 源である放出源へ近づくようにする。 ピックアップコイルからの信号は、装置に設けたコンピュータによって不変的 に分析され、放出された信号の勾配（グラジェント）に基いて発電機に向かって 装置を導くように駆動車輸を制御する。受信信号がバッテリーを再充電させるの に充分である際には装置は停止する。 本発明の第２の実施例によれば、誘導コイルの平面は装置の運動平面に平行で ある。誘導コイルは地面上に設けられ得るかまたは運動平面の下側、好ましくは 装置の運動平面上に存在し得る障害物から離れた位置に設けられ得る。 ピックアップコイルは運動平面において移動装置の下側に、好ましくは地面の 可及的に近く（数cm）に配置される。装置が発電機の方向へ動いている時には、 機械は垂直な放射の等電位線を切り、場が増大し、機械がさらに発電機に近づく ようにしている。装置の方向が等電位線に垂直でない場合には、勾配（グラジェ ント）は所定の時間に必然的に減少する。 装置が等強度線に平行に動く際には、場は実際には一定であり、強度の生じ得 る小さな変動はバックグランド信号より小さい。コンピュータは場の絶対値及び 装置の前進に関しての勾配（グラジェント）を分析する。コンピュータは装置を 発電機へ向かわせ、場の強度か最大となったところで装置を停止させ得る。 こうして、所定の時間間隔で測定した場が実際に一定（予定の値より小さな勾 配（グラジェント））である時に装置は動き続け、アルゴリズムにより装置を一 側または他側に向かって90°回転させる。測定した勾配（グラジェント）が負で ある時には、装置は180°の第２の回転動作する。こうして勾配（グラジェント ）は、発電機の配置されている予定の最大値まで、または力線に接している時に は最小値（一定値）まで正となる。この第２のケースは、場の測定精度が悪いた め及び程度は低いが行われる回転及び通路の追従の精度が悪いため比較的しばし ば起る。この場合、90°新たに回転され、そして新しい予定の値が現れるまで再 び サイクルが開始され得る。実際に、装置は連続した近似により再供給ステーショ ンに到達する。 上記の実施例では、アルゴリズムは、上記の単純化したアルゴリズムにおいて 優先順位をもつ制限等の信号のような他のファクタを考慮する。 本発明の特に有利な変形によれば、装置はエネルギー源の影響区域内に常に配 置されない。この影響区域はほとんどの場合、実際に10〜30ｍの距離、代表的に は約20ｍに制限される。作業領域すなわち区域は有利にはさらに拡大され得る。 装置がエネルギー源によって放出された場の影響区域の外側に位置している時、 すなわち動作領域の範囲が影響区域の外側に位置している時には、再充電動作が 必要な場合には専用のアルゴリズムが実施される。装置の動きに厳格に必要であ るレベルに消費を可能な限り制限しながら、装置は影響区域を検索してランダム に動く。このようにして、芝刈り機の場合には装置は、エネルギー源の影響区域 内に入るまで動作区域を走行し、エネルギー源の影響区域内に入ると上述のよう なアプローチのアルゴリズムを開始させる。 影響区域の検索段階中では切断動作用のモータは作動せず、エネルギーを節約 しそしてこのようにして装置の最適自律化を保証する。ランダム検索アルゴリズ ムによる検索操作を開始する充電の最小レベルは、統計的に装置がエネルギー源 の再充電可能なバッテリーが完全に消耗する前にエネルギー源の影響区域を検出 するように選ばれる。確度は装置のなすべき仕事の形態に応じて制御され得る。 検索工程中、放出コイルとピックアップコイルとの間の電力の最適伝送を達成 するために、誘導供給系に対する移動装置の正確な位置決めは次の二つの測定値 に基づいている、すなわち −長距離（数十ｍ）に渡って信号を測定でき、供給回路の発振周波数に向けて集 中するように構成された高利得の選択性回路によってなされる、ピックアップコ イルにおける誘導場の測定値（誘導場の測定値の平方根）A1、 −ピックアップコイルによって供給された充電電流の測定値A2。 充電電流は、単に両方のコイルが非常に接近している時、すなわち一方のコイ ルに対する他方のコイルの不整合がそれらの直径を越えない時にのみ測定できる 。 装置のコンピュータは、場の絶対値Ａ＝A1＋A2を評価するためA1とA2の組み合 わせを考慮する。 両方の値の組み合わせにより、両方のコイルを重なり合わせるための正確な位 置決めと共に長距離検出が可能となる。 場の勾配（グラジェント）すなわちある一定の距離における変動は移動装置と 供給源との間の距離の二乗に逆比例している。 一様な分析を行うために機関と供給源との距離がどうであっても、場の測定は 、装置と供給源とを分離する距離に比例した長さの距離間隔で行われる。 例えば、 Ａ＝10 の場合 ｄ＝１ｍ（約10ｍ 供給源から離れている） Ａ＝100の場合 ｄ＝10cm（約１ｍ 供給源に近い） Ａ＝350の場合 ｄ＝３cm（両コイルは部分的に重なり合うが、ずれている） 上記の装置は有利に、自律化ロボット芝刈り機に応用され得る。再充電機構と 関連してない全ての案内要素は国際特許出願PCT/BE91/00068に開示されたものと 同一であってもよく、上記国際出願は特に太陽光利用の芝刈り機に向けられてお り、この明細書においてはその内容を引用する。限界検出装置に用いた周波数は 誘導再充電に用いるものと十分に異なっている。 有利には、限界検出装置は、一度ある一定のレベルの誘導場が測定されると、 すなわち一度装置が再充電装置からある一定の距離内にくると、非作動状態とな る。 芝刈り機の場合、固定ステーションに対して芝の境界の複雑な形状に適応させ るためにアルゴリズムを設計することは十分に理解される。従って、ロボットは 、認定された作業領域の部分を構成しない区域によって固定ステーションから分 離されることが理解され得る。限界検出装置は固定ステーションへ向かう近接過 程に対して優先権をもっている。この場合、ロボットは、限界に従って、固定ス テーションへの通路が作業領域の境界によって断れない瞬間に達するまで、規則 的な間隔で位置決め試験を行うようにされ得る。 なお、芝刈り機の場合には、水平ピックアップコイルは、再充電操作中放出コ イルにできるだけ近付けるため、切断ディスクの下側に配置することができ、そ れによりこの操作の効率を改善することができる。 本発明は、同じ有利な仕方で、種々の家庭用または工業用ロボット、例えば真 空掃除機ロボット、監視ロボットまたは操作ロボットに応用され得る。 ロボットによる監視装置は例えば煙検出器及び（または）音響センサーから成 り得る。 ある状況のもとでは、例えば工業的な環境では、装置の特殊な位置決めのため に赤外線送信機・受信機を用いた位置決め装置を付加的に設けるのが有利であり 得る。これは、地面が誘導場に対して余りにも干渉し合う場合、例えば鋼アーマ チュアが存在する場合にそうであり得る。このようにして再充電ステーションに またはその近くには、例えば50ｍまでの範囲の適当な出力の多指向性IR送信機が 設けられ得、対応した受信機は装置に装着される。これらの組み合さった送信機 と受信機は周知である。 本発明による装置により、数ワットから数キロワットの範囲で自律化装置を自 動的に再充電させることができる。 本発明は単に例として挙げた添付図面を参照してより良く理解される。 図面の簡単な説明 第１図は固定供給ステーションの回路及び移動装置の相補回路を示す。 第２図は第１図の装置により使用したもののような発振回路・送信機を示す概 略電子回路線図である。 第３図は本発明による第２の実施例において使用した位置決めアルゴリズムを 示す。 第１図は、一方では固定ステーション１を、他方では自律化ロボット６を示す 概略平面図である。固定ステーション１は整流器２を備え、この整流器２は220V の給電線３に接続されている。20KHzの発振回路４には連続した電流が供給され 、発振回路４は地面の下方数cmに設けられた誘導コイル５に接続されている。 自律化ロボット６はピックアップコイル７を有し、ピックアップ回路はそれ自 体がフィルタ装置８と、対数増幅器９と、アナログ・デジタル変換器10とを備え 、アナログ・デジタル変換器10はマイクロプロセッサ11に接続されている。マイ クロプロセッサはそれ自体が方向制御装置12に接続され、また供給制御装置13は 一方ではピックアップコイルに、また他方ではバッテリー15に接続され、バッテ リ ー15を再充電させるようにしている。 第２図は、第２の実施例による発振回路・送信機の一例を概略的に示している 。この特殊なケースでは、発振器の周波数は25KHzであり、コイルの直径は20cm であり、固定ステーションにおけるコイルの巻回数は70（線の直径は0.8mm）で あり、移動ステーションにおけるコイルの巻回数は14である。充電動作中のコイ ル間の距離は４cmである。充電電流は750mA（12Vのバッテリーの場合の平均再充 電時間である１〜２時間に相当する）である。従って充電電圧は13.5Ｖである。 第３図は、固定ステーションを接続するため、自律化ロボットが従うアルゴリ ズム及び等しい場強度の円を示す上面図である。この例では、ロボットは、追従 方向が供給の位置に通じる方向と反対である場合の、180°の二回の修正旋回を 含む三回の90°旋回した後、充電位置に到達する。通路は、再充電ステーション Ｇに達する前に、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｅを通る通路に従う。 本発明は、上記の実施例に限定されず、細部及び構造において変更することが できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１月２４日 【補正内容】 補正書の翻訳文 請求の範囲 １．外部供給源（３）によって供給される本質的に固定されたステーション（１ ）を有し； 装置上または装置内に設けられた、再充電可能なバッテリー及びマイクロプロ セッサによって制御される位置決め装置を有し； バッテリーの充電レベルが予定のレベル以下に落ちた時に固定ステーションの 方向でマイクロプロセッサが装置の駆動制御装置に接続される自己内蔵型移動装 置（６）用の電力再供給装置において、 本質的に固定されたステーションが高周波発生装置（４）と誘導コイル（５） とを備え、ピックアップコイル（７）及び整流装置が装置上または装置内に設け られ、固定ステーション（１）の方向で装置の駆動制御装置（12）に接続された マイクロプロセッサ（11）が、前記高周波発生装置（４）から受信した高周波信 号の強度の勾配（グラジェント）の測定値に部分的または全体的に基いてアルゴ リズムを適用することを特徴とする自己内蔵型移動装置用の電力再供給装置。 ２．固定ステーション（１）のボビンの誘導コイル（５）及び受信ボビンの誘導 コイル（７）の両方が装置（６）の運動平面に対して垂直であることを特徴とす る請求の範囲１に記載の装置。 ３．固定ステーション（１）のボビンの誘導コイル（５）及び受信ボビンの誘導 コイル（７）の両方が装置（６）の運動平面に対して平行であることを特徴とす る請求の範囲１に記載の装置。 ４．送信コイル（５）が地面レベルにまたは地面より下方に配置されることを特 徴とする請求の範囲３に記載の装置。 ５．マイクロプロセッサ（11）は、駆動制御装置（12）によって、場勾配（グラ ジェント）が予定の値以下に落ちた時に90°回転を指示し、また場勾配（グラジ ェント）が負の時には180°回転を指示することを特徴とする請求の範囲３に記 載の装置。 ６．請求の範囲１〜５のいずれかに記載の電力再充電装置を備えた自律型ロボッ ト（６）。 ７．芝刈り機、表面清掃装置または操作装置であることを特徴とする請求の範囲 ６に記載の自律型ロボット（６）。 米国特許明細書第4,777,416号には、再充電可能なバッテリーのレベルが予定 の値以下に落ちた時、再供給ステーションに自動的に接続できる自律性移動ロボ ットが開示されている。しかしながら、自律性移動ロボットの位置は、常時監視 され、そして再充電ステーション方向への動きは予定の通路に従って行われる。 このような装置は構造が複雑であり、そしてしばしば位置修正を行う必要がある 。さらに、上記明細書のものでは、再充電動作のために特に収納式のアームを介 して物理的に接続する必要がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外部源によって供給され、高周波発生装置と誘導コイルとを備えた本質的に 固定されたステーションを有し； 装置上または装置内に設けられた、ピックアップコイル、整流装置、再充電可 能なバッテリー、及びマイクロプロセッサによって制御される位置決め装置を有 し； マイクロプロセッサは装置の駆動制御装置に接続され、そしてバッテリーの充 電レベルが予定のレベル以下に落ちた時に固定ステーションへの駆動アルゴリズ ムを提供することを特徴とする自己内蔵型移動装置用の電力再供給装置。 ２．前記アルゴリズムが、前記高周波発生装置から受信した高周波信号の強度の 勾配（グラジェント）の測定値に部分的または全体的に基いていることを特徴と する請求の範囲１に記載の装置。 ３．固定ステーションのコイルの誘導コイル及び受信コイルの誘導コイルの両方 が装置の運動平面に垂直であることを特徴とする請求の範囲１及び２のいずれか に記載の装置。 ４．固定ステーションのボビンの誘導コイル及び受信側のボビンの誘導コイルの 両方が装置の運動平面に平行であることを特徴とする請求の範囲１及び２のいず れかに記載の装置。 ５．送信コイルが地面レベルに又は地面より下方に配置されることを特徴とする 請求の範囲４記載の装置。 ６．マイクロプロセッサは、駆動制御装置によって、場勾配（グラジェント）が 予定の値以下に落ちた時に90°回転を指示し、また場勾配（グラジェント）が負 の時には180°回転を指示することを特徴とする請求の範囲４記載の装置。 ７．請求の範囲１〜６のいずれかに記載の電力再充電装置を備えていることを特 徴とする自律型ロボット。 ８．前記ロボットが、芝刈り機、表面清掃装置又は操作装置であることを特徴と する請求の範囲７記載の自律型ロボット。