KR101487778B1 - 센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇 - Google Patents

센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇 Download PDF

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Abstract

광을 발생시키는 광원과, 광원에서 발생한 광을 확산시켜 면을 통해 방사하는 광 가이드와, 광 가이드에서 방사되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광센서를 포함하는 센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇에 관한 것으로, 광원에서 조사된 광이 광 가이드를 통해 넓은 면적으로 분산되어 방사되므로, 소수의 광원으로 넓은 영역에 광을 조사할 수 있게 된다.

Description

센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇{SENSING SYSTEM AND MOVING ROBOT HAVING THE SAME}
본 발명은 주위의 인접한 물체를 감지하는 센싱 시스템과 이러한 센싱 시스템을 갖춘 이동 로봇에 관한 것이다.
근래에는 청소 로봇과 같은 이동 로봇이 널리 보급되고 있는 추세인데, 이러한 이동 로봇은 이동 로봇이 이동하는 과정에서 벽이나 가구 등에 충돌하거나 바닥이 끝나는 지점에서 이동 로봇이 낙하하여 그 충격에 의해 손상될 수 있으므로 이동 로봇에는 이를 방지할 수 주위의 인접한 물체를 감지하는 센싱 시스템이 포함된다.
센싱 시스템은 광 센서를 포함한 것으로, 광 센서는 광원을 내장하여 광을 방사하는 발광부와, 발광부에서 발광되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광부를 포함하여, 발광부에서 조사된 광이 퍼지는 발광 영역과 수광부가 광을 수광할 수 있는 수광 영역이 겹쳐지는 부분이 광 센서가 물체를 감지할 수 있는 감지영역이 된다.
본 발명의 일 측면은 보다 넓은 영역으로 광을 방사할 수 있는 센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 센싱 시스템은 광을 발생시키는 광원과, 광원에서 발생한 광을 확산시켜 방사하는 광 가이드와, 광 가이드에서 방사되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광센서를 포함한다.
또한 광 가이드는 일 방향으로 연장 형성되며, 광원은 광 가이드의 양 단면 중 적어도 어느 하나에 설치된다.
또한 광 가이드의 일측면에는 광 가이드 내로 입사된 광을 타측면을 향하여 반사하는 반사면이 마련된다.
또한 본 발명의 일 측면에 따른 이동 로봇은 본체와, 본체 주변의 물체를 감지하는 센싱 시스템을 포함하며, 센싱 시스템은 광을 발생시키는 광원과, 광원에서 발생한 광을 전달받아 확산시켜 방사하는 광 가이드와, 광 가이드에서 방사되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광 센서를 포함한다.
또한 본체는 원반 형상으로 형성되며, 광 가이드는 본체와 대응하도록 원주 방향으로 연장되어 본체의 전면측에 배치된다.
또한 광원은 광 가이드의 양단 중 적어도 어느 하나에 설치되어 광 가이드의 양단면을 통해 광 가이드 내로 광을 입사한다.
또한 광 가이드의 후면에 마련되어 광 가이드 내로 입사된 광을 광 가이드의 전면측으로 반사하는 반사면을 포함한다.
또한 광 가이드의 후면에는 반사면 형성을 위해 복수의 반사홈이 마련된다.
또한 광 가이드의 후방측에 배치되어 광 가이드의 후방측으로 방사된 광을 전방측으로 반사하는 반사부재를 더 포함한다.
또한 수광 센서는 광 가이드의 상측에 배치되어 그 전방 하측으로부터의 광을 수광하여 장애물 감지 센서를 포함한다.
또한 수광센서는 광 가이드에서 하측으로 방사되었다가 바닥에 의해 반사된 광을 수광하는 바닥 감지센서를 더 포함한다.
또한 본체의 일측에 진퇴이동 가능하게 설치되며 광 가이드가 배치되는 범퍼를 더 포함하며, 수광 센서는 본체의 광 가이드 후방측에 배치되어 광 가이드의 후면으로부터 방사된 광을 수광하는 범퍼 감지센서를 포함한다.
또한 수광 센서는 광을 감지하는 감지부와, 감지부의 전방측에 배치되어 수광 센서의 수광영역을 결정하는 수광 렌즈를 포함한다.
또한 수광 렌즈는 상하 방향의 수광영역과 좌우 방향의 수광영역은 서로 독립적으로 결정되는 비대칭 렌즈를 포함한다.
또한 범퍼에는 광 가이드 및 장애물 센서와 대응하는 위치에 투명창이 마련된다.
상술한 바와 같이 광원에서 조사된 광이 광 가이드의 면을 통해 넓게 확산되어 방사되므로, 소수의 광원으로 넓은 영역에 광을 방사할 수 있다.
또한, 센싱 시스템의 감지 영역이 수광 센서의 수광 영역이 대응하는 넓이로 대폭 증가되므로 인접한 물체를 감지할 수 없는 사각 영역을 대폭 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에 적용된 센싱 시스템의 사시도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에 적용된 센싱 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇에 적용된 수광 렌즈의 개략도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 센싱 시스템 및 이를 갖춘 이동 로봇을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에서는 이동 로봇(100)은 본체(10)와, 본체(10)의 하면에 배치되어 본체(10)가 이동할 수 있도록 하는 바퀴(11, 12: 도 3 참조)와, 본체(10)의 전방측에 배치되는 범퍼(13) 등의 구성을 포함한다.
본체(10)는 대략 원반 형상으로 형성되며, 바퀴(11, 12)는 본체(10)의 하부 양측에 나란히 배치된 한 쌍의 이동 바퀴(11)와, 본체(10)의 하부 전방측에 배치된 캐스터 바퀴(12)를 포함한다. 범퍼(13)는 본체(10)의 전방측에 전후 방향으로 진퇴이동 가능하게 설치되며, 탄성부재(미도시)를 통해 본체(10)에 탄성지지되어 이동 로봇(100)이 벽이나 가구 등과 같은 장애물과 불가피하게 충돌하게 되더라도 본체(10)에 전달되는 충격을 감소시킬 수 있도록 되어 있다.
또한 이동 로봇(100)은 도 2, 3에 도시한 바와 같이 이동 로봇(100)이 이동하는 과정에서 본체(10) 주변의 벽이나 가구 또는 바닥 등의 주변 물체를 감지하여, 이동 로봇(100)이 충돌 또는 낙하하는 것을 방지하기 위한 센싱 시스템(20)을 포함한다.
센싱 시스템(20)은 광을 발생시키는 광원(21)과, 광원에서 발생한 광을 전달받으며 전달된 광을 확산시켜 그 면을 통해 넓게 방사하는 광 가이드(22)와, 광 가이드(22)에서 방사되었다가 이동 로봇(100)에 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광 센서(23A, 23B, 23C)를 포함한다.
이와 같이 광이 광 가이드(22)의 면을 통해 방사되도록 하면, 소수의 광원(21)을 사용하여 넓은 영영에 광을 방사할 수 있게 되며, 그에 따라 설계자가 수광 센서(23A, 23B, 23C)의 위치를 다양하게 선정하여 설치할 수 있게 있다. 즉, 광 가이드(22) 내로 입사된 광은 광 가이드(22) 내부를 그 길이 방향으로 따라 이동하면서 점진적으로 분산되어 광 가이드(22)로부터 방사되는데, 이때 광은 광원(21)이 설치되어 있는 광 가이드(22)의 양단면을 제외한 나머지 면을 통해 전체적으로 방사된다.
이와 같이 광원(21)에서 발생한 광이 광 가이드(22)를 주위로 전체적으로 분산되어 방사되도록 하면, 센싱 시스템(20)을 통해 인접 물체를 감지할 수 있는 감지 영역은 수광 센서(23A, 23B, 23C)가 광을 수광할 수 있는 수광 영역과 거의 대응하는 수준으로 넓어지게 되므로, 센싱 시스템의 감지 영역을 벗어나 이동 로봇(100)과 인접한 물체를 감지할 수 없는 사각 영역을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 적은 수의 수광 센서(23A, 23B, 23C)를 통해서 이동 로봇(100) 인접 물체들을 효율적으로 감지할 수 있다.
광 가이드(22)는 일정 길이를 갖도록 일 방향으로 연장되며 그 양단에 광원(21)이 설치된다. 이러한 광 가이드(22)는 광을 안내할 수 있도록 투명 재질로 형성되는데, 광 가이드(22)를 형성하는 투명 재질로는 폴리 카보네이트(Poly Carbonate), 아크릴, 유리나 광섬유 등과 같이 투명하면서도 공기에 비해 상대적으로 밀도가 높은 여러 종류의 재질이 사용되어질 수 있다.
따라서 광원(21)에서 발생한 광은 광 가이드(22)의 양단면을 통해 광 가이드(22) 내로 입사되고 광 가이드(22) 내로 입사된 광은 광 가이드(22)의 길이 방향으로 안내된다. 광 가이드(22)를 따라 이동하는 광은 광 가이드(22)와 공기의 경계면에서의 광의 입사각이나 광 가이드(22)와 공기의 밀도차 등의 여러 조건에 의해 일부분씩 점진적으로 광 가이드(22)로부터 출사되므로 이를 통해 광은 분산되어 광 가이드(22)의 전면, 후면 및 상, 하면을 통해 전체적으로 방사된다.
본 실시예에서 광 가이드(22)는 본체(10)의 전면 형상과 대응하도록 원주 방향으로 연장되며 범퍼(13)에 배치되어 범퍼(13)와 함께 진퇴이동하도록 되어 있다. 범퍼(13)에는 광 가이드(22)와 대응하는 위치에 광이 통과할 수 있도록 투명창(13a)이 마련되어 있다.
광 가이드(22)의 후면에는 광 가이드(22) 내로 입사된 광을 전방측으로 반사할 수 있도록 하는 복수의 반사홈(22a)이 형성되어 반사홈(22a)이 마련된 광 가이드(22)의 후면이 광을 반사하는 반사면으로 작용한다. 본 실시예에서 반사홈(22a)들은 광 가이드(22) 내를 이동하는 광에 대하여 직각인 상하 방향으로 형성되어 광을 전방측으로 반사할 수 있다. 이때, 광 가이드(22)에는 그 후면에 반사홈(22a)이 형성되어 있으므로 광 가이드(22) 내로 입사된 광의 상당 부분은 광 가이드의 전방측으로 안내되나, 상술한 바와 같이 광 가이드는(22)는 투명 재질로 형성되어 있으므로 광 가이드(22) 내로 입사된 광은 광 가이드(22)의 후면에 마련된 복수의 반사홈(22a)들에 의해 반사되어 광 가이드(22)에서 방사된 광의 상당 부분은 광 가이드(22)의 전면을 통해 출사되어 장애물 감지를 위해 사용되며, 그 나머지는 광 가이드(22)의 하면이나 후면을 통해 하측이나 후방측으로 방사되어 바닥 감지나 범퍼 감지를 위해 사용된다.
수광 센서(23A, 23B, 23C)는 도 5에 도시한 바와 같이 광을 감지하는 감지부(231)와, 감지부(231)의 전방측에 배치되어 수광 센서(23A, 23B, 23C)의 수광영역을 결정하는 수광 렌즈(232)를 포함한다. 본 실시예에서 수광 렌즈(232)는 상하 방향의 수광영역과 좌우 방향의 수광영역이 서로 독립적으로 결정되는 비대칭 렌즈로 이루어져 있는데, 이는 수광 센서(23A, 23B, 23C)가 설치되는 위치 및 수광 센서(23A, 23B, 23C)의 역할에 따라 감지해야 하는 상하 방향 수광 영역과 좌우 방향 수광 영역이 서로 상이하므로 이에 대응하기 위한 것이다.
또한 수광 센서(23A, 23B, 23C)는 도 3에 도시한 바와 같이 본체(10)의 전방측에 벽이나 가구 등과 같은 물체가 존재하는지의 여부를 감지하는 장애물 감지센서(23A)와, 이동 로봇(100)이 놓여진 곳의 바닥을 감지하는 바닥 감지센서(23B)와, 범퍼(13)의 위치를 감지하는 범퍼 감지센서(23C) 등을 포함한다.
장애물 감지센서(23A)는 이동 로봇(100)의 전방측에 장애물이 존재하는지의 여부를 감지한다. 장애물 감지센서(23A)는 광 가이드(22)의 상측에 전방 하측을 향하여 경사지게 배치되어 전방 하측으로부터의 광을 수광하도록 되어 있는데, 이는 태양광이나 실내 조명에서 방사된 광이 장애물 감지센서(23A)에 수광되어 이동 로봇(100)이 오작동하는 것을 방지하기 위한 것이다. 본 실시예에서 장애물 감지센서(23A)는 도 2에 도시한 바와 같이 복수개가 구비되어 광 가이드(22)의 상측에 광 가이드(22)를 따라 원주 방향으로 서로 이격 배치된다. 이때, 장애물 감지센서(23A)들은 장애물을 감지하지 못하는 사각 영역을 최소화하기 위해 그 좌우 방향 수광 영역의 양측이 이웃한 장애물 감지센서(23A)들의 수광 영역과 각각 교차될 수 있도록 배치된다.
이러한 장애물 감지센서(23A)에 적용된 수광 렌즈(232)의 상하 방향의 수광 영역은 이동 로봇(100)의 높이에 대응하는 높이를 갖도록 되어 있으며, 그 좌우 방향의 수광 영역은 상술한 바와 같이 이웃한 장애물 감지센서(23A)의 좌우 방향 수광 영역과 교차되도록 넓게 형성된다. 따라서, 장애물 감지센서(23A)에 적용된 수광 렌즈(232)는 장애물 감지센서(23A)의 좌우 방향 수광 영역이 상하 방향 수광 영역에 비해 상대적으로 넓게 형성되도록 한다.
다시 도 3을 참조하면 바닥 감지센서(23B)는 본체(10)의 하부에 배치되어 광 가이드(22)의 하면으로부터 방사되었다가 바닥에 의해 반사된 광을 수광하여 바닥이 일정 거리 내에 존재하는지를 감지함으로써 이동 로봇(100)의 낙하를 예방하기 위한 것이다.
범퍼 감지센서(23C)는 도 4에 도시한 바와 같이 광 가이드(22)의 후방측에 배치되어 광 가이드(22)의 후면으로부터 방사된 광을 수광하여 범퍼(13)의 위치 변동을 확인함으로써 범퍼(13)가 장애물에 충돌하였는지의 여부를 판단할 수 있도록 한다.
이때, 광 가이드(22)의 후면을 통해 후방측으로 방사된 광은 매우 넓은 영역으로 방사되는 반면, 범퍼 감지센서(23C)는 범퍼(13)의 위치만을 감지하기 위한 것이므로 좁은 영역의 광 만을 감지하여도 충분히 제기능을 수행할 수 있다.
따라서, 광의 낭비를 막기 위해 광 가이드(22)의 후방측에는 광 가이드(22)에서 후방측으로 방사된 광을 전방측으로 반사하는 반사부재(24)가 이격 배치된다. 반사부재(24)는 백색이나 은색의 판으로 이루어지며, 광 가이드(22)와 대응하도록 원주 방향으로 연장형성되어 있다. 또한, 반사부재(24)에는 범퍼 감지센서(23C)와 대응하는 위치에 광 가이드(22)에서 방사된 광이 관통하여 범퍼 감지센서(23C)로 진행할 수 있도록 하는 관통공(24a)이 마련된다.
다음은 이와 같이 구성된 이동 로봇(100)의 동작을 도 3과 도 4를 참조하여 설명한다.
광원(21)에서 광이 발생하면 광원(21)에서 발생한 광은 광 가이드(22)의 양 단면을 통해 광 가이드(22)로 입사되었다가, 광의 상당 부분은 광 가이드(22)의 후면에 마련된 반사홈(22a)에 의해 전방측으로 반사되어 광 가이드(22)의 전면을 통해 방사되며, 그 나머지는 광 가이드(22)의 상, 하면 및 후면을 통해 방사된다.
이동 로봇(100)이 이동하는 과정에서 광 가이드(22)의 전방측으로 방사된 광이 조사되고 있는 발광영역과 장애물 감지센서(23A)가 광을 수광할 수 있는 수광영역이 교차되는 영역에 형성되는 장애물 감지영역에 내에 벽이나 가구 같은 장애물이 진입할 경우, 광 가이드(22)에서 방사된 광은 장애물에 의해 반사되어 장애물 감지센서(23A)로 수광되므로, 이를 통해 장애물이 감지된다.
또한, 이동 로봇(100)이 바닥을 따라 이동하는 과정에서 이동 로봇(100)이 놓이진 바닥은 광 가이드(22)의 하측을 통해 방사된 광이 조사되고 있는 발광영역과 바닥 감지센서(23B)가 광을 수광할 수 있는 수광영역이 교차되는 바닥 감지영역 상에 존재하므로, 바닥은 지속적으로 감지된다.
이동 로봇(100)이 이동하여 바닥이 끝나는 위치에 도달하면 바닥 감지영역 내에 더이상 바닥이 존재하지 않아 바닥 감지센서(23B)에 수광되는 광량이 대폭 줄어들게 되므로, 이를 통해 바닥이 끝났다는 것이 감지된다.
또한, 이동 로봇(100)이 이동하는 과정에서 불가피하게 장애물에 부딪치게 될 경우, 충격 완화를 위해 범퍼(13)는 일시적으로 본체(10)를 향하여 후진하게 되는데, 광 가이드(22)는 범퍼(13)에 설치되어 있으므로 범퍼(13)와 함께 본체(10)를 향해 이동하고, 그에 따라 광 가이드(22)와 본체(10)에 배치되어 있는 범퍼 감지센서(23C)와의 거리는 줄어든다.
상술한 바와 같이 광 가이드(22)의 후면을 통해서는 지속적으로 광이 방사되고 있으므로, 광이 관통공(24a)을 통해 범퍼 감지센서(23C)에 전달되는데, 상기와 같이 광 가이드(22)와 범퍼 감지센서(23C) 사이의 거리가 가까워지면 범퍼 감지센서(23C)에 수광되는 광량은 증가하게 되므로 그에 따라 범퍼(13)가 후진하였다는 것이 감지된다.
본 실시예에서는 광 가이드(22)의 후면에는 복수의 반사홈(22a)이 형성되어 반사홈(22a)을 통해 광 가이드(22)의 후면이 광을 반사하도록 되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 반사홈(22a)에 해당하는 구성없이 광을 반사할 수 있도록 백색으로 이루어진 시트를 광 가이드(22)의 후면에 부착하여 광 가이드(22)의 후면이 광을 전방측으로 반사하는 반사면으로 작용하도록 하는 것도 가능하다.
또한, 이외에도 반사홈(22a)에 해당하는 구성없이 광 가이드(22)의 후면에 백색이나 은색의 도료, 광을 확산시키는 광 확산 잉크 등을 도포하여 광 가이드(22)의 후면이 반사면으로 작용하게 하거나, 백색이나 은색의 토너를 광 가이드(22)의 후면에 인쇄하여 광 가이드(22)의 후면이 반사면으로 작용하도록 하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기에서 기재된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형할 수 있다는 점은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 본체 13: 범퍼
13a: 투명창 20: 센싱 시스템
21: 광원 22: 광 가이드
23A: 장애물 감지센서 23B: 바닥 감지센서
23C: 범퍼 감지센서 24: 반사부재

Claims (15)

  1. 광을 발생시키는 광원과,
    상기 광원에서 발생한 광을 확산시켜 방사하는 광 가이드와,
    상기 광 가이드에서 방사되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광센서를 포함하고,
    상기 광 가이드는 일 방향으로 연장 형성되며,
    상기 광원은 상기 광 가이드의 양 단면 중 적어도 어느 하나에 설치되고,
    상기 광원으로부터 방사된 광은 상기 광 가이드에 입사하여 상기 광 가이드의 양 단면을 연결하는 측면 중 하나의 면을 통해 방사되는 센싱 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드의 양 단면을 연결하는 측면 중 다른 하나의 면에는 상기 광 가이드 내로 입사된 광을 반사하는 반사면이 마련되는 센싱 시스템.
  4. 본체와,
    상기 본체 주변의 물체를 감지하는 센싱 시스템을 포함하며,
    상기 센싱 시스템은 광을 발생시키는 광원과, 상기 광원에서 발생한 광을 전달받아 확산시켜 방사하는 광 가이드와,
    상기 광 가이드에서 방사되었다가 인접한 물체에 의해 반사된 광을 수광하는 수광 센서를 포함하고,
    상기 본체는 원반 형상으로 형성되며,
    상기 광 가이드는 상기 본체와 대응하도록 원주 방향으로 연장되어 상기 본체의 전면측에 배치되는 이동 로봇.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 광 가이드의 양단 중 적어도 어느 하나에 설치되어 상기 광 가이드의 양단면을 통해 상기 광 가이드 내로 광을 입사하는 이동 로봇.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 가이드의 후면에 마련되어 상기 광 가이드 내로 입사된 광을 상기 광 가이드의 전면측으로 반사하는 반사면을 포함하는 이동 로봇.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 가이드의 후면에는 상기 반사면 형성을 위해 복수의 반사홈이 마련되는 이동 로봇.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 가이드의 후방측에 배치되어 상기 광 가이드의 후방측으로 방사된 광을 전방측으로 반사하는 반사부재를 더 포함하는 이동 로봇.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 수광 센서는 상기 광 가이드의 상측에 배치되어 그 전방 하측으로부터의 광을 수광하여 장애물 감지 센서를 포함하는 이동 로봇.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 수광센서는 상기 광 가이드에서 하측으로 방사되었다가 바닥에 의해 반사된 광을 수광하는 바닥 감지센서를 더 포함하는 이동 로봇.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 본체의 일측에 진퇴이동 가능하게 설치되며 상기 광 가이드가 배치되는 범퍼를 더 포함하며,
    상기 수광 센서는 상기 본체의 상기 광 가이드 후방측에 배치되어 상기 광 가이드의 후면으로부터 방사된 광을 수광하는 범퍼 감지센서를 포함하는 이동 로봇
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 수광 센서는 광을 감지하는 감지부와, 상기 감지부의 전방측에 배치되어 상기 수광 센서의 수광영역을 결정하는 수광 렌즈를 포함하는 이동 로봇.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수광 렌즈는 상하 방향의 수광영역과 좌우 방향의 수광영역은 서로 독립적으로 결정되는 비대칭 렌즈를 포함하는 이동 로봇.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 범퍼에는 상기 광 가이드와 대응하는 위치에 투명창이 마련되는 이동 로봇.
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