KR20230012125A - 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템 - Google Patents

이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템 Download PDF

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KR20230012125A
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docking station
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김동성
박희구
정재헌
송현섭
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Abstract

본 개시의 일 측면에 따른 로봇 시스템은, 배터리에 저장된 전원에 기초하여 주행하는 이동 로봇, 및, 충전선을 통하여 전원을 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 도킹 스테이션을 포함하고, 상기 이동 로봇 및 상기 도킹 스테이션은, 각각 상기 충전선을 통하여 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 구비할 수 있다.

Description

이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템{MOVING ROBOT, DOCKING STATION AND ROBOT SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 개시는 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상호간에 통신하는 이동 로봇과 도킹 스테이션에 관한 것이다.
로봇은 산업용으로 개발되어 공장 자동화의 일 부분을 담당하여 왔다. 최근에는 로봇을 응용한 분야가 더욱 확대되어, 의료용 로봇, 우주 항공 로봇 등이 개발되고, 일반 가정에서 사용할 수 있는 가정용 로봇도 만들어지고 있다. 이러한 로봇 중에서 자력으로 주행이 가능한 것을 이동 로봇이라고 한다.
이동 로봇은 배터리에 저장되는 전원을 동력으로 사용하여 자율주행한다. 이동 로봇은 주행 후 도킹 스테이션로 복귀하여 배터리를 충전할 수 있다.
가정에서 사용되는 이동 로봇의 대표적인 예는 로봇 청소기로, 로봇 청소기는 일정 영역을 스스로 주행하면서, 주변의 먼지 또는 이물질을 흡입함으로써, 해당 영역을 청소하는 기기이다.
로봇 청소기는 집진된 먼지를 저장하는 먼지통의 용량이 작아 사용자가 매번 먼지통(140)을 비워야 하는 번거로움이 있었다. 또한, 먼지통(140)을 비우게 되는 경우 먼지가 비산하여 사용자의 건강상 해로운 영향을 주는 문제가 있었다. 또한, 먼지통의 잔존 먼지가 제거되지 않는 경우 청소기의 흡입력을 저하하고, 잔여물로 인한 악취가 발생하는 문제가 있었다.
이에 따라, 로봇 청소기가 도킹되면, 로봇 청소기의 먼지통에 집진된 먼지를 흡입할 수 있는 모터, 유로, 집진실 등을 구비하는 도킹 스테이션이 제안되었다.
예를 들어, 선행문헌 1(미국 공개특허 2017-0055796호(공개일 2017년 3월 2일)), 선행문헌 2(미국 공개특허 2018-0008111호(공개일 2018년 1월 11일))은 청소기 본체의 먼지를 저장하고, 저장된 먼지량 등의 정보를 무선 통신 수단으로 전송하는 스테이션에 관하여 개시하고 있다.
로봇 청소기는 고객의 편의성 제공을 위해 집진장치를 갖는 스테이션과 다양한 데이터 통신이 필요하다. 최근 청소기에 다양한 편의 기능을 부가함에 따라,스테이션의 먼지 비움 알림, 로봇의 먼지비움 알림, 스테이션의 동작 상황 등 다양한 기능, 정보를 고객에 전달하는 통신 구현이 필요하다. 하지만, 종래의 기기간 통신은, 별도의 RF 통신 모듈 또는 IR 송수신기을 설치하여 수행된다. 이에 따라, 재료비가 상승하거나 다양한 기능을 갖는 청소기 제품으로 고객 가치를 제공하는데 한계가 있었다.
본 개시는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 목적은 전력선 통신을 이용하여 양방향 통신이 가능한 이동 로봇과 도킹 스테이션을 제공함에 있다.
본 개시의 목적은 도킹 스테이션이 도킹된 이동 로봇과 통신함으로써, 이동 로봇과 연관된 다양한 서비스를 제공할 수 있는 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 제공함에 있다.
본 개시의 목적은 이동 로봇 및 도킹 스테이션에 관련된 정보를 이동 로봇을 통하여 사용자에게 제공할 수 있는 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 제공함에 있다.
본 개시의 목적은 저비용으로 안정적인 통신이 가능한 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 제공함에 있다.
본 개시의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 개시의 다른 목적 및 장점들은 본 개시의 실시 예에 따른 상세한 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템은, 전력선 통신을 이용하여 양방향 통신을 수행하고, 다양한 서비스를 제공할 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 이동 로봇은, 배터리를 수용하는 본체, 상기 배터리를 충전하는 스테이션으로 상기 본체를 이동시키는 주행부, 및, 상기 스테이션으로부터 충전선을 통하여 전원을 공급받아 상기 배터리를 충전시키는 충전부와 상기 충전선을 통하여 상기 스테이션과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 포함하는 전원부를 포함할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, 캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및, 상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부를 포함할 수 있다.
상기 믹서는, 3-상태(state) 버퍼(buffer)를 포함하고, 상기 믹서가 생성하는 송신 신호는, 상기 직렬 통신 신호가 로우(low)일 때만 상기 캐리어 신호가 출력되고, 상기 직렬 통신 신호가 하이(high)일 때 하이 임피던스(High-Z) 상태로 출력될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 이동 로봇은, 상기 캐리어 신호 및 상기 직렬 통신 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호를 출력하는 제1 단자와 상기 직렬 통신 신호를 출력하는 제2 단자가 상기 믹서에 연결되는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, 상기 프로세서의 제3 단자에 연결되는 연산증폭기(OP-AMP), 상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터, 상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및, 상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함할 수 있다.
상기 RC 필터는 수신 신호에 기초한 이동평균값을 출력하고, 상기 포락선 검파부는 상기 수신 신호에서 포락선을 검출한 포락선 검파 신호를 출력하며, 상기 연산증폭기는, 상기 이동평균값과 상기 포락선 검파 신호를 비교하여 반전 출력할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, OOK(On-Off Keying) 변조된 수신 신호를 복조하는 수신부를 포함할 수 있다.
상기 충전부는, 상기 배터리의 전단에 배치되는 LC 필터를 포함할 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 도킹 스테이션은, 이동 로봇의 단자에 전기적으로 연결되는 충전단자, 상기 이동 로봇의 배터리를 충전하는 전원을 충전선을 통하여 공급하는 충전부, 및, 상기 충전선을 통하여 상기 이동 로봇과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 포함할 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 도킹 스테이션은, 내부에 먼지를 수용하는 집진실과 상기 이동 로봇 먼지통 내부의 먼지를 집진실로 흡입하는 흡입모터를 포함하는 흡입부, 상기 집진실을 감지하는 센서를 포함하는 센서부를 더 포함하고, 상기 전력선 통신부를 통하여, 상기 센서에서 감지되는 데이터에 기초하여, 상기 집진실 먼지비움알림정보를 상기 이동 로봇으로 송신할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, 캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및, 상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부를 포함할 수 있다.
상기 믹서는, 3-상태(state) 버퍼(buffer)를 포함하고, 상기 믹서가 생성하는 송신 신호는, 상기 직렬 통신 신호가 로우(low)일 때만 상기 캐리어 신호가 출력되고, 상기 직렬 통신 신호가 하이(high)일 때 하이 임피던스(High-Z) 상태로 출력될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 도킹 스테이션은, 상기 캐리어 신호 및 상기 직렬 통신 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호를 출력하는 제1 단자와 상기 직렬 통신 신호를 출력하는 제2 단자가 상기 믹서에 연결되는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, 상기 프로세서의 제3 단자에 연결되는 연산증폭기(OP-AMP), 상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터, 상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및, 상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함할 수 있다.
상기 연산증폭기는, 상기 RC 필터에서 출력되는 이동평균값과 상기 포락선 검파부에서 출력되는 포락선 검파 신호를 비교하여 반전 출력할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, OOK(On-Off Keying) 변조된 수신 신호를 복조하는 수신부를 포함할 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 도킹 스테이션은, 상용 전원을 상기 배터리의 충전 전원으로 변환하는 전력변환부를 더 포함하고, 상기 충전부는, 상기 충전선과 상기 전력변환부 사이에 배치되는 LC 필터를 포함할 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 개시의 일 측면에 따른 로봇 시스템은, 배터리에 저장된 전원에 기초하여 주행하는 이동 로봇, 및, 충전선을 통하여 전원을 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 도킹 스테이션을 포함하고, 상기 이동 로봇 및 상기 도킹 스테이션은, 각각 상기 충전선을 통하여 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 구비할 수 있다.
상기 도킹 스테이션은 집진실 비움알림정보를 상기 전력선 통신으로 상기 이동 로봇에 송신하고, 상기 이동 로봇은 상기 집진실 비움알림정보를 소정 서버 또는 소정 이동단말기로 송신할 수 있다.
상기 전력선 통신부는, 캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및, 상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부, 및, 연산증폭기(OP-AMP), 상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터, 상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및, 상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 이동 로봇과 도킹 스테이션이 전력선 통신을 이용하여 양방향 통신이 가능하다. 이에 따라, 고객에게 다양한 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 도킹 스테이션이 도킹된 이동 로봇과 통신함으로써, 이동 로봇과 연관된 다양한 서비스를 제공할 수 있는 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 이동 로봇 및 도킹 스테이션에 관련된 정보를 이동 로봇을 통하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 저비용으로 안정적인 통신 구조를 구현할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 이동 로봇의 측면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇의 주요 구성들 간의 제어관계를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션이 도시된 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 도킹 스테이션에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 도킹 스테이션의 내부 블록도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션의 충전 및 통신 관련 주요 구성들 간의 제어관계를 도시한 블록도이다.
도 8과 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전력선 통신에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원부 회로를 도시한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션의 전원부 회로를 도시한 도면이다.
도 12는 송신 신호의 데이터 취득 조건에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 송신부 회로를 예시한 도면이다.
도 14와 도 15는 도 13의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면이다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 충전부 회로를 예시한 도면이다.
도 17은 도 16의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면이다.
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수신부 회로를 예시한 도면이다.
도 19와 도 20은 도 18의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면이다.
도 21은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수신부 회로를 예시한 도면이다.
도 22와 도 23은 도 21의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면이다.
도 24는 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 시스템의 통신에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 개시는 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 개시를 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
본 개시의 제어구성은 적어도 하나의 프로세서로 구성될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇을 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 이동 로봇의 측면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 이동 로봇(100)은 일정 영역을 스스로 주행할 수 있다. 이동 로봇(100)은 바닥을 청소하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서 말하는 바닥의 청소에는, 바닥의 먼지(이물질을 포함한다)를 흡입하거나 바닥을 걸레질하는 것이 포함된다.
이동 로봇(100)은 본체(110)를 포함한다. 본체(110)는 외관을 형성하는 케비닛을 포함한다. 이동 로봇(100)은, 본체(110)에 구비된 청소 유닛(130) 및 먼지통(140)을 포함할 수 있다. 이동 로봇(100)은 이동 로봇 주변의 환경과 관련된 정보를 감지하는 영상획득부(120)를 포함한다. 이동 로봇(100)은 상기 본체를 이동시키는 주행부(160)를 포함한다. 이동 로봇(100)은 이동 로봇(100)의 제어를 위한 제어부(150)를 포함한다. 제어부(150)는 본체(110)에 구비된다.
주행부(160)는 이동 로봇(100)의 주행을 위한 휠 유닛(111)을 포함한다. 휠 유닛(111)은 본체(110)에 구비된다. 휠 유닛(111)에 의해 이동 로봇(100)은 전후좌우로 이동되거나 회전될 수 있다. 제어부가 휠 유닛(111)의 구동을 제어함으로써, 이동 로봇(100)은 바닥을 자율 주행할 수 있다. 휠 유닛(111)은 메인 휠(111a) 및 서브 휠(111b)을 포함한다.
메인 휠(111a)은 본체(110)의 양측에 각각 구비되어, 제어부의 제어 신호에 따라 일 방향 또는 타 방향으로 회전 가능하게 구성된다. 각각의 메인 휠(111a)은 서로 독립적으로 구동 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 메인 휠(111a)은 서로 다른 모터에 의해서 구동될 수 있다.
서브 휠(111b)은 메인 휠(111a)과 함께 본체(110)를 지지하며, 메인 휠(111a)에 의한 이동 로봇(100)의 주행을 보조하도록 이루어진다. 이러한 서브 휠(111b)은 후술하는 청소 유닛(130)에도 구비될 수 있다.
청소 유닛(130)은 본체(110)의 전방(F)으로부터 돌출된 형태로 배치될 수 있다. 청소 유닛(130)은 먼지가 포함된 공기를 흡입하도록 구비될 수 있다.
청소 유닛(130)이 본체(110)의 전방에서 좌우 양측방으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 청소 유닛(130)의 전단부는 본체(110)의 일측으로부터 전방으로 이격된 위치에 배치될 수 있다. 청소 유닛(130)의 좌우 양단부는 본체(110)로부터 좌우 양측으로 각각 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본체(110)는 원형으로 형성되고, 청소 유닛(130)의 후단부 양측이 본체(110)로부터 좌우 양측으로 각각 돌출 형성됨에 따라, 본체(110)와 청소 유닛(130) 사이에는 빈 공간, 즉 틈이 형성될 수 있다. 상기 빈 공간은 본체(110)의 좌우 양단부와 청소 유닛(130)의 좌우 양단부 사이의 공간으로서, 이동 로봇(100)의 내측으로 함몰된 형태를 가진다.
청소 유닛(130)은 본체(110)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 청소 유닛(130)이 본체(110)로부터 분리되면, 분리된 청소 유닛(130)을 대체하여 걸레 모듈(미도시)이 본체(110)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
영상획득부(120)는 본체(110)에 배치될 수 있다. 영상획득부(120)는 본체(110)의 전방(F)에 배치될 수 있다. 영상획득부(120)는 본체(110)의 상하 방향으로 청소 유닛(130)과 오버랩(overlap)되도록 배치될 수 있다. 영상획득부(120)는 청소 유닛(130)의 상부에 배치될 수 있다.
영상획득부(120)는 이동 로봇(100) 주변의 장애물을 감지할 수 있다. 영상획득부(120)는 이동 로봇(100)의 가장 앞쪽에 위치하는 청소 유닛(130)이 장애물과 부딪히지 않도록 전방의 장애물이나 지형지물 등을 감지할 수 있다. 영상획득부(120)는 이러한 감지 기능 외의 후술할 다른 센싱 기능을 추가로 수행할 수 있다.
본체(110)에는 먼지통 수용부(미도시)가 구비될 수 있다. 먼지통 수용부에는 흡입된 공기 중의 먼지를 분리하여 집진하는 먼지통(140)이 착탈 가능하게 결합된다. 먼지통 수용부는 본체(110)의 후방(R)에 형성될 수 있다. 먼지통(140)의 일부는 먼지통 수용부에 수용되되, 먼지통(140)의 다른 일부는 본체(110)의 후방(R)을 향하여 돌출되게 형성될 수 있다.
먼지통(140)에는 먼지가 포함된 공기가 유입되는 입구(미도시)와 먼지가 분리된 공기가 배출되는 출구(미도시)가 형성된다. 먼지통 수용부에 먼지통(140)이 장착시 먼지통(140)의 상기 입구와 상기 출구는 먼지통 수용부의 내측벽에 형성된 제1 개구(미도시) 및 제2 개구(미도시)와 각각 연통되도록 구성된다.
청소 유닛(130)의 흡입구부터 상기 제1 개구까지 공기를 안내하는 흡입 유로(미도시)가 구비된다. 상기 제2 개구부터 외부를 향해 열린 배기구(미도시)까지 공기를 안내하는 배기 유로(미도시)가 구비된다.
청소 유닛(130)을 통하여 유입된 먼지가 포함된 공기는 본체(110) 내부의 상기 흡기유로를 거쳐, 먼지통(140)으로 유입되고, 먼지통(140)의 필터 내지는 사이클론을 거치면서 공기와 먼지가 상호 분리된다. 먼지는 먼지통(140)에 집진되며, 공기는 먼지통(140)에서 배출된 후 본체(110) 내부의 상기 배기유로를 거쳐 최종적으로 상기 배기구를 통하여 외부로 배출된다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇의 주요 구성들 간의 제어관계를 도시한 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 이동 로봇(100)은, 본체(110)와, 본체(110) 주변의 영상을 획득하는 영상획득부(120)를 포함한다.
이동 로봇(100)은 본체(110)를 이동시키는 주행부(160)를 포함한다. 주행부(160)는 본체(110)를 이동시키는 적어도 하나의 휠 유닛(111)을 포함한다. 주행부(160)는 휠 유닛(111)에 연결되어 휠 유닛(111)을 회전시키는 구동 모터(미도시)를 포함한다.
영상획득부(120)는 주행구역을 촬영하는 것으로, 카메라 모듈을 포함할 수 있다. 상기 카메라 모듈은 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 디지털 카메라는 적어도 하나의 광학렌즈와, 광학렌즈를 통과한 광에 의해 상이 맺히는 다수개의 광다이오드(photodiode, 예를 들어, pixel)를 포함하여 구성된 이미지센서(예를 들어, CMOS image sensor)와, 광다이오드들로부터 출력된 신호를 바탕으로 영상을 구성하는 디지털 신호 처리기(DSP: Digital Signal Processor)를 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리기는 정지영상은 물론이고, 정지영상으로 구성된 프레임들로 이루어진 동영상을 생성하는 것도 가능하다.
이러한 카메라는 촬영 효율을 위해 각 부위별로 여러 개가 설치될 수도 있다. 카메라에 의해 촬상된 영상은 해당 공간에 존재하는 먼지, 머리카락, 바닥 등과 같은 물질의 종류 인식, 청소 여부, 또는 청소 시점을 확인하는데 사용할 수 있다.
카메라는 이동 로봇(100)의 주행 방향 전면에 존재하는 장애물 또는 청소 영역의 상황을 촬영할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 영상획득부(120)는 본체(110) 주변을 연속적으로 촬영하여 복수의 영상을 획득할 수 있고, 획득된 복수의 영상은 메모리(105)에 저장될 수 있다.
이동 로봇(100)은 복수의 영상을 이용하여 공간 인식, 위치 인식, 장애물 인식의 정확성을 높이거나, 복수의 영상 중 하나 이상의 영상을 선택하여 효과적인 데이터를 사용함으로써 공간 인식, 위치 인식, 장애물 인식의 정확성을 높일 수 있다.
또한, 이동 로봇(100)은 이동 로봇(100)의 동작, 상태와 관련된 각종 데이터를 센싱하는 센서들을 포함하는 센서부(170)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서부(170)는 전방의 장애물을 감지하는 장애물 감지 센서를 포함할 수 있다. 또한, 상기 센서부(170)는 주행구역 내 바닥에 낭떠러지의 존재 여부를 감지하는 낭떠러지 감지센서와, 바닥의 영상을 획득하는 하부 카메라 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 장애물 감지 센서는, 적외선 센서, 초음파 센서, RF 센서, 지자기 센서, PSD(Position Sensitive Device) 센서 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 장애물 감지 센서에 포함되는 센서의 위치와 종류는 이동 로봇의 기종에 따라 달라질 수 있고, 상기 장애물 감지 센서는 더 다양한 센서를 포함할 수 있다.
한편, 상기 센서부(170)는 본체(110)의 구동에 따른 이동 로봇(100)의 동작을 감지하고 동작 정보를 출력하는 동작 감지 센서를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 감지 센서로는, 자이로 센서(Gyro Sensor), 휠 센서(Wheel Sensor), 가속도 센서(Acceleration Sensor) 등을 사용할 수 있다.
자이로 센서는, 이동 로봇(100)이 운전 모드에 따라 움직일 때 회전 방향을 감지하고 회전각을 검출한다. 자이로 센서는, 이동 로봇(100)의 각속도를 검출하여 각속도에 비례하는 전압 값을 출력한다. 제어부(150)는 자이로 센서로부터 출력되는 전압 값을 이용하여 회전 방향 및 회전각을 산출한다.
휠 센서는, 휠 유닛(111)에 연결되어 바퀴의 회전수를 감지한다. 여기서, 휠 센서는 로터리 엔코더(Rotary Encoder)일 수 있다.
가속도 센서는, 이동 로봇(100)의 속도 변화, 예를 들어, 출발, 정지, 방향 전환, 물체와의 충돌 등에 따른 이동 로봇(100)의 변화를 감지한다.
또한, 가속도 센서는 제어부(150)에 내장되어 이동 로봇(100)의 속도 변화를 감지할 수 있다.
제어부(150)는 동작 감지 센서로부터 출력된 동작 정보에 기초하여 이동 로봇(100)의 위치 변화를 산출할 수 있다. 이러한 위치는 영상 정보를 이용한 절대 위치에 대응하여 상대 위치가 된다. 이동 로봇(100)은 이러한 상대 위치 인식을 통해 영상 정보와 장애물 정보를 이용한 위치 인식의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 이동 로봇(100)은 충전 가능한 배터리(210)를 구비하여 이동 로봇 내로 전원을 공급하는 전원부(200)를 포함할 수 있다.
상기 전원부(200)는 이동 로봇(100)의 각 구성 요소들에 구동 전원과, 동작 전원을 공급하며, 전원 잔량이 부족하면 도킹 스테이션(40)에서 전원을 공급받아 충전될 수 있다.
이동 로봇(100)은 배터리(210)의 충전 상태를 감지하고, 감지 결과를 제어부(150)에 전송하는 배터리 감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 배터(210)리는 배터리 감지부와 연결되어 배터리 잔량 및 충전 상태가 제어부(150)에 전달된다. 배터리 잔량은 출력부(180)의 디스플레이(182)에 표시될 수 있다.
또한, 이동 로봇(100)은 온/오프(On/Off) 또는 각종 명령을 입력할 수 있는 입력부(125)를 포함한다. 입력부(125)는 버튼이나 다이얼, 터치 스크린 등을 포함할 수 있다. 입력부(125)는 사용자의 음성 지시를 입력 받기 위한 마이크를 포함할 수 있다. 입력부(125)를 통해 이동 로봇(100)의 작동 전반에 필요한 각종 제어명령을 입력받을 수 있다.
또한, 이동 로봇(100)은 출력부(180)를 포함하여, 예약 정보, 배터리 상태, 동작모드, 동작상태, 에러상태 등을 이미지로 표시하거나 음향으로 출력할 수 있다.
출력부(180)는 오디오 신호를 출력하는 음향 출력부(181)를 포함할 수 있다. 음향 출력부(181)는 제어부(150)의 제어에 따라 경고음, 동작모드, 동작상태, 에러상태 등의 알림 메시지 등을 음향으로 출력할 수 있다. 음향 출력부(181)는, 제어부(150)로부터의 전기 신호를 오디오 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 스피커 등을 구비할 수 있다.
또한, 출력부(180)는 예약 정보, 배터리 상태, 동작모드, 동작상태, 에러상태 등을 이미지로 표시하는 디스플레이(182)를 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 이동 로봇(100)은 현재 위치를 인식하는 등 각종 정보를 처리하고 판단하는 제어부(150), 및 각종 데이터를 저장하는 메모리(105)를 포함한다. 또한, 이동 로봇(100)은 외부 단말기와 데이터를 송수신하는 통신부(190)를 더 포함할 수 있다.
외부 단말기는 이동 로봇(100)을 제어하기 위한 애플리케이션을 구비하고, 애플리케이션의 실행을 통해 이동 로봇(100)이 청소할 주행구역에 대한 맵을 표시하고, 맵 상에 특정 영역을 청소하도록 영역을 지정할 수 있다. 외부 단말기는 맵 설정을 위한 애플리케이션(application)이 탑재된 리모콘, PDA, 랩탑(laptop), 스마트 폰, 태블릿 등을 예로 들 수 있다.
외부 단말기는 이동 로봇(100)과 통신하여, 맵과 함께 이동 로봇의 현재 위치를 표시할 수 있으며, 복수의 영역에 대한 정보가 표시될 수 있다. 또한, 외부 단말기는 이동 로봇의 주행에 따라 그 위치를 갱신하여 표시한다.
제어부(150)는 이동 로봇(100)를 구성하는 영상획득부(120), 입력부(125), 주행부(160), 청소 유닛(130) 등을 제어하여, 이동 로봇(100)의 동작 전반을 제어한다.
제어부(150)는 입력부(125)의 마이크를 통해 수신되는 사용자의 음성 입력 신호를 처리하고 음성 인식 과정을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라서, 이동 로봇(100)은 제어부(150) 내부 또는 외부에 음성 인식을 수행하는 음성 인식 모듈을 구비할 수 있다.
실시 예에 따라서, 간단한 음성 인식은 이동 로봇(100)이 자체적으로 수행하고, 자연어 처리 등 고차원의 음성 인식은 서버(2420)에서 수행될 수 있다.
메모리(105)는 이동 로봇(100)의 제어에 필요한 각종 정보들을 기록하는 것으로, 휘발성 또는 비휘발성 기록 매체를 포함할 수 있다. 기록 매체는 마이크로 프로세서(micro processor)에 의해 읽힐 수 있는 데이터를 저장한 것이다.
또한, 메모리(105)에는 주행구역에 대한 맵(Map)이 저장될 수 있다. 맵은 이동 로봇(100)과 유선 또는 무선 통신을 통해 정보를 교환할 수 있는 외부 단말기, 서버 등에 의해 입력된 것일 수도 있고, 이동 로봇(100)이 스스로 학습을 하여 생성한 것일 수도 있다.
맵에는 주행구역 내의 방들의 위치가 표시될 수 있다. 또한, 이동 로봇(100)의 현재 위치가 맵 상에 표시될 수 있으며, 맵 상에서의 이동 로봇(100)의 현재의 위치는 주행 과정에서 갱신될 수 있다. 외부 단말기는 메모리(105)에 저장된 맵과 동일한 맵을 저장한다.
상기 메모리(105)는 청소 이력 정보를 저장할 수 있다. 이러한 청소 이력 정보는 청소를 수행할 때마다 생성될 수 있다.
상기 메모리(105)에 저장되는 주행구역에 대한 맵은, 청소 중 주행에 사용되는 내비게이션 맵(Navigation map), 위치 인식에 사용되는 SLAM(Simultaneous localization and mapping) 맵, 장애물 등에 부딪히면 해당 정보를 저장하여 학습 청소시 사용하는 학습 맵, 전역 위치 인식에 사용되는 전역 위치 맵, 인식된 장애물에 관한 정보가 기록되는 장애물 인식 맵 등일 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 용도별로 상기 메모리(105)에 맵들을 구분하여 저장, 관리할 수 있지만, 맵이 용도별로 명확히 구분되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 적어도 2 이상의 용도로 사용할 수 있도록 하나의 맵에 복수의 정보를 저장할 수도 있다.
제어부(150)는 주행제어모듈(151), 지도생성모듈(152), 위치인식모듈(153) 및 장애물인식모듈(154)을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 주행제어모듈(151)은 이동 로봇(100)의 주행을 제어하는 것으로, 주행 설정에 따라 주행부(160)의 구동을 제어한다. 또한, 주행제어모듈(151)은 주행부(160)의 동작을 바탕으로 이동 로봇(100)의 주행경로를 파악할 수 있다. 예를 들어, 주행제어모듈(151)은 휠 유닛(111)의 회전속도를 바탕으로 이동 로봇(100)의 현재 또는 과거의 이동속도, 주행한 거리 등을 파악할 수 있으며, 이렇게 파악된 이동 로봇(100)의 주행 정보를 바탕으로, 맵 상에서 이동 로봇(100)의 위치가 갱신될 수 있다.
지도생성모듈(152)은 주행구역의 맵을 생성할 수 있다. 지도생성모듈(152)은 영상획득부(120)를 통해 획득한 영상을 처리하여 맵을 작성할 수 있다. 즉, 청소 영역과 대응되는 청소 맵을 작성할 수 있다.
또한, 지도생성모듈(152)은 각 위치에서 영상획득부(120)를 통해 획득한 영상을 처리하여 맵과 연계시켜 전역위치를 인식할 수 있다.
위치인식모듈(153)은 현재 위치를 추정하여 인식한다. 위치인식모듈(153)은 영상획득부(120)의 영상 정보를 이용하여 지도생성모듈(152)과 연계하여 위치를 파악함으로써, 이동 로봇(100)의 위치가 갑자기 변경되는 경우에도 현재 위치를 추정하여 인식할 수 있다.
또한, 위치인식모듈(153)은 현재 위치하는 영역의 속성을 인식할 수 있다, 즉, 위치인식모듈(153)는 공간을 인식할 수 있다.
이동 로봇(100)은 위치인식모듈(153)을 통해 연속적인 주행 중에 위치 인식이 가능하고 또한, 위치인식모듈(153) 없이 지도생성모듈(152) 및 장애물인식모듈(154)을 통해, 맵을 학습하고 현재 위치 등을 추정할 수 있다.
이동 로봇(100)이 주행하는 중에, 영상획득부(120)는 이동 로봇(100) 주변의 영상들을 획득한다. 이하, 영상획득부(120)에 의해 획득된 영상을 '획득영상'이라고 정의한다.
획득영상에는 천장에 위치하는 조명들, 경계(edge), 코너(corner), 얼룩(blob), 굴곡(ridge) 등의 여러가지 특징(feature)들이 포함된다.
지도생성모듈(152)은 획득영상들 각각으로부터 특징을 검출하고, 각 특징점을 근거로 디스크립터를 산출한다.
지도생성모듈(152)은 각 위치의 획득영상을 통해 얻은 디스크립터 정보를 바탕으로, 획득영상마다 적어도 하나의 디스크립터를 소정 하위 분류규칙에 따라 복수의 군으로 분류하고, 소정 하위 대표규칙에 따라 같은 군에 포함된 디스크립터들을 각각 하위 대표 디스크립터로 변환할 수 있다.
다른 예로, 실(room)과 같이 소정 구역내의 획득영상들로부터 모인 모든 디스크립터를 소정 하위 분류규칙에 따라 복수의 군으로 분류하여 상기 소정 하위 대표규칙에 따라 같은 군에 포함된 디스크립터들을 각각 하위 대표 디스크립터로 변환할 수도 있다.
지도생성모듈(152)은 이 같은 과정을 거쳐, 각 위치의 특징분포를 구할 수 있다. 각 위치 특징분포는 히스토그램 또는 n차원 벡터로 표현될 수 있다. 또 다른 예로, 지도생성모듈(152)은 소정 하위 분류규칙 및 소정 하위 대표규칙을 거치지 않고, 각 특징점으로부터 산출된 디스크립터를 바탕으로 미지의 현재위치를 추정할 수 있다.
또한, 위치 도약 등의 이유로 이동 로봇(100)의 현재 위치가 미지의 상태가 된 경우에, 기 저장된 디스크립터 또는 하위 대표 디스크립터 등의 데이터를 근거로 현재 위치를 추정할 수 있다.
이동 로봇(100)은, 미지의 현재 위치에서 영상획득부(120)를 통해 획득영상을 획득한다. 영상을 통해 천장에 위치하는 조명들, 경계(edge), 코너(corner), 얼룩(blob), 굴곡(ridge) 등의 여러가지 특징(feature)들이 확인된다.
위치인식모듈(153)은 획득영상으로부터 특징들을 검출하고, 디스크립터를 산출한다.
위치인식모듈(153)은 미지의 현재 위치의 획득영상을 통해 얻은 적어도 하나의 디스크립터 정보를 근거로, 소정 하위 변환규칙에 따라 비교대상이 되는 위치 정보(예를 들면, 각 위치의 특징분포)와 비교 가능한 정보(하위 인식 특징분포)로 변환한다.
소정 하위 비교규칙에 따라, 각각의 위치 특징분포를 각각의 인식 특징분포와 비교하여 각각의 유사도를 산출할 수 있다. 각각의 위치에 해당하는 상기 위치 별로 유사도(확률)를 산출하고, 그 중 가장 큰 확률이 산출되는 위치를 현재위치로 결정할 수 있다.
이와 같이, 제어부(150)는 주행구역을 구분하고 복수의 영역으로 구성된 맵을 생성하거나, 기저장된 맵을 바탕으로 본체(110)의 현재 위치를 인식할 수 있다.
제어부(150)는 맵이 생성되면, 생성된 맵을 통신부(190)를 통해 외부 단말기, 서버 등으로 전송할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 앞서 설명한 바와 같이, 외부 단말기, 서버 등으로부터 맵이 수신되면, 메모리(105)에 저장할 수 있다.
이때, 맵은 청소 영역을 복수의 영역으로 구분되고, 복수의 영역을 연결하는 연결통로가 포함하며, 영역 내의 장애물에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어부(150)는 청소명령이 입력되면, 맵 상의 위치와 이동 로봇의 현재위치가 일치하는지 여부를 판단한다. 청소명령은 리모컨, 입력부 또는 외부 단말기로부터 입력될 수 있다.
제어부(150)는 현재 위치가 맵 상의 위치와 일치하지 않는 경우, 또는 현재 위치를 확인할 수 없는 경우, 현재 위치를 인식하여 이동 로봇(100)의 현재 위치를 복구한 한 후, 현재 위치를 바탕으로 지정영역으로 이동하도록 주행부(160)를 제어할 수 있다.
현재 위치가 맵 상의 위치와 일치하지 않는 경우 또는 현재 위치를 확인 할 수 없는 경우, 위치인식모듈(153)은 영상획득부(120)로부터 입력되는 획득영상을 분석하여 맵을 바탕으로 현재 위치를 추정할 수 있다. 또한, 장애물인식모듈(154) 또는 지도생성모듈(152) 또한, 같은 방식으로 현재 위치를 인식할 수 있다.
위치를 인식하여 이동 로봇(100)의 현재 위치를 복구한 후, 주행제어모듈(151)은 현재 위치로부터 지정영역으로 주행경로를 산출하고 주행부(160)를 제어하여 지정영역으로 이동한다.
서버로부터 청소 패턴 정보를 수신하는 경우, 주행제어모듈(151)은 수신한 청소 패턴 정보에 따라, 전체 주행구역을 복수의 영역으로 나누고, 하나 이상의 영역을 지정영역으로 설정할 수 있다.
또한, 주행제어모듈(151)은 수신한 청소 패턴 정보에 따라 주행경로를 산출하고, 주행경로를 따라 주행하며, 청소를 수행할 수 있다.
제어부(150)는 설정된 지정영역에 대한 청소가 완료되면, 청소기록을 메모리(105)에 저장할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 통신부(190)를 통해 이동 로봇(100)의 동작상태 또는 청소상태를 소정 주기로 외부 단말기, 서버로 전송할 수 있다.
그에 따라 외부 단말기는 수신되는 데이터를 바탕으로, 실행중인 애플리케이션의 화면상에 맵과 함께 이동 로봇의 위치를 표시하고, 또한 청소 상태에 대한 정보를 출력한다.
본 개시의 실시 예에 따른 이동 로봇(100)은 일방향으로 장애물이나 벽면이 감지될 때까지 이동하다가, 장애물인식모듈(154)이 장애물을 인식하면, 인식된 장애물의 속성에 따라 직진, 회전 등 주행 패턴을 결정할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 인식된 장애물의 속성에 기초하여 다른 패턴으로 회피주행을 수행하도록 제어할 수 있다. 제어부(150)는 비위험 장애물(일반 장애물), 위험 장애물, 이동 가능한 장애물 등 장애물의 속성에 따라 다른 패턴으로 회피 주행하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(150)는 위험 장애물은 더 긴 거리의 안전 거리를 확보한 상태에서 우회하여 회피하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 이동 가능한 장애물의 경우에 소정 대기 시간 후에도 장애물이 이동하지 않으면, 일반 장애물에 대응하는 회피 주행 또는 위험 장애물에 대응하는 회피 주행을 수행하도록 제어할 수 있다. 또는, 제어부(150)는 이동 가능한 장애물에 대응하는 회피 주행 패턴이 별도로 설정된 경우에는 이에 따라 주행하도록 제어할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 이동 로봇(100)은, 머신 러닝(machine learning) 기반의 장애물 인식 및 회피를 수행할 수 있다.
상기 제어부(150)는, 입력 영상에서 머신 러닝(machine learning)으로 기학습된 장애물을 인식하는 장애물인식모듈(154)과 상기 인식된 장애물의 속성에 기초하여, 상기 주행부(160)의 구동을 제어하는 주행제어모듈(151)을 포함할 수 있다.
한편, 도 3에서는 복수의 모듈(151, 152, 153, 154)이 제어부(160) 내에 별도로 구비되는 예를 도시하였으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 위치인식모듈(153)과 장애물인식모듈(154)은 하나의 인식기로써 통합되어 하나의 인식모듈(155)로 구성될 수 있다. 이 경우에, 머신 러닝 등의 학습 기법을 이용하여 인식기를 학습시키고, 학습된 인식기는 이후에 입력되는 데이터를 분류하여 영역, 사물 등의 속성을 인식할 수 있다.
실시 예에 따라서, 지도생성모듈(152), 위치인식모듈(153), 및, 장애물인식모듈(154)이 하나의 통합모듈로 구성될 수도 있다.
이하에서는, 위치인식모듈(153)과 장애물인식모듈(154)은 하나의 인식기로써 통합되어 하나의 인식모듈(155)로 구성되는 실시 예를 중심으로 설명하지만, 위치인식모듈(153)과 장애물인식모듈(154)이 각각 구비되는 경우에도 동일한 방식으로 동작할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 이동 로봇(100)은, 머신 러닝으로 사물, 공간의 속성이 학습된 인식모듈(155)을 포함할 수 있다.
머신 러닝은 컴퓨터에게 사람이 직접 로직(Logic)을 지시하지 않아도 데이터를 통해 컴퓨터가 학습을 하고 이를 통해 컴퓨터가 알아서 문제를 해결하게 하는 것을 의미한다.
딥러닝(Deep Learning)은. 인공지능(artificial intelligence)을 구성하기 위한 인공신경망(Artificial Neural Networks: ANN)에 기반으로 해 컴퓨터에게 사람의 사고방식을 가르치는 방법으로 사람이 가르치지 않아도 컴퓨터가 스스로 사람처럼 학습할 수 있는 인공지능 기술이다.
상기 인공신경망(ANN)은 소프트웨어 형태로 구현되거나 칩(chip) 등 하드웨어 형태로 구현될 수 있다.
인식모듈(155)은 공간의 속성, 장애물 등 사물의 속성이 학습된 소프트웨어 또는 하드웨어 형태의 인공신경망(ANN)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 인식모듈(155)은 딥러닝(Deep Learning)으로 학습된 CNN(Convolutional Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network), DBN(Deep Belief Network) 등 심층신경망(Deep Neural Network: DNN)을 포함할 수 있다.
인식모듈(155)은 상기 심층신경망(DNN)에 포함된 노드들 사이의 가중치(weight)들에 기초하여 입력되는 영상 데이터에 포함되는 공간, 사물의 속성을 판별할 수 있다.
한편, 상기 주행제어모듈(151)은 상기 인식된 공간, 장애물의 속성에 기초하여 상기 주행부(160)의 구동을 제어할 수 있다.
한편, 인식모듈(155)은, 머신 러닝(machine learning)으로 기학습된 데이터에 기초하여 상기 선택된 특정 시점 영상에 포함되는 공간, 장애물의 속성을 인식할 수 있다.
한편, 메모리(105)에는 공간, 사물 속성 판별을 위한 입력 데이터, 상기 심층신경망(DNN)을 학습하기 위한 데이터가 저장될 수 있다.
메모리(105)에는 영상획득부(120)가 획득한 원본 영상과 소정 영역이 추출된 추출 영상들이 저장될 수 있다.
또한, 실시 예에 따라서는, 메모리(105)에는 상기 심층신경망(DNN) 구조를 이루는 웨이트(weight), 바이어스(bias)들이 저장될 수 있다.
또는, 실시 예에 따라서는, 상기 심층신경망 구조를 이루는 웨이트(weight), 바이어스(bias)들은 인식모듈(155)의 임베디드 메모리(embedded memory)에 저장될 수 있다.
한편, 상기 인식모듈(155)은 상기 영상획득부(120)가 영상을 획득하거나 영상의 일부 영역을 추출할 때마다 소정 영상을 트레이닝(training) 데이터로 사용하여 학습 과정을 수행하거나, 소정 개수 이상의 영상이 획득된 후 학습 과정을 수행할 수 있다.
또는, 이동 로봇(100)은 통신부(190)를 통하여 상기 소정 서버로부터 머신 러닝과 관련된 데이터를 수신할 수 있다.
이 경우에, 이동 로봇(100)은, 상기 소정 서버로부터 수신된 머신 러닝과 관련된 데이터에 기초하여 인식모듈(155)을 업데이트(update)할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션이 도시된 사시도이다.
이동 로봇(100)은, 주행 후 도킹 스테이션(40)에 도킹될 수 있다.
도킹 스테이션(40)은, 상용 전원과 전기적으로 연결된다. 실시 예에 따라서, 도킹 스테이션(40)은, 상용 전원을 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전시키기 위한 전원으로 변환할 수 있다.
이동 로봇(100)은, 도킹 스테이션(40)의 충전 단자(410)와의 접촉을 통해 상용 전원과 전기적으로 연결되고, 배터리(210)의 충전이 이루어질 수 있다.
이동 로봇(100)을 구성하는 전장 부품들은 배터리(210)로부터 전원을 공급받을 수 있다, 따라서, 배터리(210)가 충전된 상태에서 이동 로봇(100)은 상용 전원과 전기적으로 분리된 상태에서도 자력 주행이 가능하다.
도킹 스테이션(40)은, 이동 로봇(100)의 배터리(210) 충전 기능을 제공하므로, 충전대로도 명명될 수 있다.
한편, 도 4에서 예시된 도킹 스테이션(40a)은, 도킹된 이동 로봇(100)의 배터리(210) 충전 기능을 제공한다.
실시 예에 따라서, 도킹 스테이션(40)은, 이동 로봇(100)의 먼지통(140)을 비우는 먼지통 비움 기능을 제공할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 도킹 스테이션에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 도 5의 (a)는 상용 전원에 연결되는 도킹 스테이션(40b(40))의 사시도, 도 5의 (b)는 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(40b(40))에 도킹된 상태, 도 5의 (c)는 도킹 스테이션(40b(40)) 디스플레이(display) 인디케이터(indicator)를 도시한 도면이다.
도 5에서 예시된 도킹 스테이션(40b)은, 도킹된 이동 로봇(100)의 배터리(210) 충전 기능, 이동 로봇(100)의 먼지통(140)을 비우는 먼지통 비움 기능 등을 제공한다.
도킹 스테이션(40b)은, 충전 단자(410)를 구비하고, 충전 단자(410)에 접촉한 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전할 수 있다. 또한, 도킹 스테이션(40b)은, 충전 단자(410), 및, 충전선(도 7 등의 600 참조)을 통하여 이동 로봇(100)과 전력선 통신을 수행할 수 있다.
상기 도킹 스테이션(40b)은, 집진실(420)과 흡입 모터를 구비하고, 도킹된 이동 로봇(100)의 먼지통에 있는 먼지를 상기 집진실(420)로 흡입하여 비울 수 있다. 또한, 도킹 스테이션(40b)은, 집진실(420) 유로 도어(Door)를 자동으로 개폐하는 도어 모터를 더 포함할 수 있다.
도킹 스테이션(40b)은, 흡입 모터 구동 상태, 도킹 상태, 충전 상태, 충전 레벨 중 적어도 하나를 나타내는 출력 수단을 포함할 수 있다. 흡입 모터 구동 상태, 도킹 상태, 충전 상태, 충전 레벨 중 적어도 하나는 디스플레이에 표시될 수 있다. 또는, 램프(lamp)의 점등, 점멸, 색상으로 흡입 모터 구동 상태, 도킹 상태, 충전 상태, 충전 레벨 중 적어도 하나를 표시할 수 있다.
도킹 스테이션(40b)은, 집진실(420)에 찬 먼지를 감지할 수 있는 압력 센서를 포함할 수 있다. 압력 센서는 적어도 집진실(420)의 먼지 가득찼는지 여부를 감지할 수 있다.
도킹 스테이션(40b)은, 이동 로봇(100)의 먼지통 비움 기능과 관련된 인디케이터(483)를 포함할 수 있다. 인디케이터(483)는 도킹 스테이션(40b)의 전면에 배치될 수 있다.
인디케이터(483)는, 집진실(420)의 먼지를 비울 것을 안내하는 먼지통 비움알림정보를 표시하는 제1 인디케이터(483a), 집진실(420) 흡입 유로 막힘을 표시하는 제2 인디케이터(483b)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 도킹 스테이션의 내부 블록도이다.
도 6을 참조하면, 도킹 스테이션(40)은, 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전시키는 전원부(500), 인디케이터(483) 등 상태 정보를 출력하는 출력부(480), 하나 이상의 센서를 포함하는 센서부(470), 및, 도킹 스테이션(40)의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(450)를 포함할 수 있다.
전원부(500)는 상용 전원에 연결되어, 도킹 스테이션(40)의 동작에 필요한 구동 전원, 배터리(210) 충전을 위한 전원을 공급할 수 있다.
제어부(450)는 도킹된 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전하도록 전원부(500)를 제어할 수 있다. 상기 제어부(450)는 인쇄회로기판과 상기 인쇄회로기판에 실장된 소자들로 구성될 수 있다.
센서부(470)는 도킹 스테이션(40)의 동작, 상태와 관련된 각종 데이터를 센싱하는 센서들을 포함할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 도킹 스테이션(40b)은, 이동 로봇(100)의 먼지통(140)을 비우는 흡입부(460)를 더 포함할 수 있다. 상기 흡입부(460)는, 내부에 먼지를 수용하는 집진실(420)과 상기 이동 로봇(100) 먼지통(140) 내부의 먼지를 상기 집진실(420)로 흡입하는 흡입 모터를 구비하고, 도킹된 이동 로봇(100) 내부 먼지통에 있는 먼지를 상기 집진실(420)로 흡입하여 비울 수 있다.
또한, 도킹 스테이션(40b)은, 집진실(420)로 연결되는 유로, 유로에 배치되는 도어(Door), 유로 도어를 자동으로 개폐하는 도어 모터를 더 포함할 수 있다.
제어부(450)는, 이동 로봇(100)이 도킹되었다고 판단되면 도어 모터를 작동시켜, 도킹 스테이션(40b)의 유로 도어를 개방시킬 수 있다.
제어부(450)는, 흡입 모터를 작동시켜 먼지통(140) 내부의 먼지를 흡입시킬 수 있다. 흡입된 먼지는 집진실(420)에 수용될 수 있다.
센서부(470)는 집진실(420)에 수용된 먼지를 감지하는 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(470)는 압력 센서를 구비하고 상기 압력 센서는 집진실(420)이 가득 찼는지 여부, 집진된 먼지량 등을 센싱할 수 있다.
제어부(450)는, 센서부(470)의 센싱 데이터에 기초하여, 집진실(420) 비움이 필요한 경우에, 제1 인디케이터(483a)가 집진실(420)의 먼지를 비울 것을 안내하는 먼지통 비움알림정보를 표시하도록 제어할 수 있다.
한편, 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)은, 충전선(600)을 통하여 전력선 통신을 수행할 수 있다. 이동 로봇(100)은 제어부(150)의 제어에 따라 전원부(200)가 전력선 통신을 수행할 수 있다. 도킹 스테이션(40)은 제어부(450)의 제어에 따라 전원부(500)가 전력선 통신을 수행할 수 있다. 상기 전원부(200, 500)는 전력선 통신으로 양방향 통신을 수행할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션의 충전 및 통신 관련 주요 구성들 간의 제어관계를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 이동 로봇(100)의 전원부(200, 이하 제1 전원부)는, 본체(110) 내부에 수용된 배터리(210), 및, 상기 배터리(210)와 전기적으로 연결되는 충전 단자(260, 이하 제1 충전 단자)를 포함한다. 또한, 상기 제1 전원부(200)는, 제1 충전 단자(260)에 연결되는 전력회로(205)를 포함할 수 있다.
도킹 스테이션(40)의 전원부(500, 이하 제2 전원부)는, 상기 제1 충전 단자(260)에 전기적으로 연결되는 충전 단자(410, 이하 제2 충전 단자), 및, 제2 충전 단자(410)에 전기적으로 연결되는 전력회로(505)를 포함할 수 있다.
주행부(160)는 배터리(210)를 내부에 수용한 본체(110)를 도킹 스테이션(40)으로 이동시킨다. 본체(100)에는 제1 충전 단자(260)가 구비된다. 이동 로봇(100)이 도킹 스테이션(40)에 도킹됨에 따라, 상기 이동 로봇(100)의 상기 제1 충전 단자(260)는 상기 도킹 스테이션(40)의 상기 제2 충전 단자(410)와 접촉하고, 이에 따라 상기 제1,2 전원부(200, 500)는 충전선(600)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 전원부(200)는, 스테이션(40)으로부터 충전선(600)을 통하여 전원을 공급받아 상기 배터리(210)를 충전시키는 충전부(220, 이하 제1 충전부)와 상기 충전선(600)을 통하여 상기 스테이션(40)과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부(230, 이하 제1 전력선 통신부)를 포함한다.
상기 제2 전원부(500)도, 상기 제1 전원부(200)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 상기 제2 전원부(500)는, 상기 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전하는 전원을 충전선(600)을 통하여 공급하는 충전부(520, 이하 제2 충전부), 및, 상기 충전선(600)을 통하여 상기 이동 로봇(100)과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부(530, 이하 제2 전력선 통신부)를 포함할 수 있다.
상기 도킹 스테이션(40)는, 상기 제2 전력선 통신부(530)를 통하여, 센서부(470)에서 감지되는 데이터에 기초하여, 집진실 먼지비움알림정보를 상기 이동 로봇(100)으로 송신할 수 있다.
상기 제2 전원부(500)는, 상용 전원을 이동 로봇(100)의 배터리(210)를 충전시키기 위한 전원으로 변환하는 전력 변환부(540)를 더 포함할 수 있다.
이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)은, 각각 프로세서(150a, 450a)의 제어에 따라 전력선 통신을 수행할 수 있다. 상기 프로세서(150a, 450a)는 상기 제어부(150, 450)의 일부 블록으로 구현될 수 있다. 또는, 상기 프로세서(150a, 450a)는 상기 제어부(150, 450)와는 별도로 상기 제1,2 전원부(200, 500)에 구비될 수 있다. 이 경우에, 상기 프로세서(150a, 450a)는 상기 제어부(150, 450)의 제어에 따라 전력선 통신을 수행할 수 있다.
전력선 통신에 의해 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40) 사이에 별도의 무선 통신을 위한 추가 구성 등을 필요로 하지 않을 수 있다. 즉, 전원부(200, 500)를 통해 배터리(210)로 전력이 공급되어 배터리(210)가 충전되고, 이동 로봇(100)이 동작될 수 있으며, 이러한 전력의 공급을 위한 전력선을 통해 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40) 사이의 통신이 구현될 수 있다. 전력선 통신은 DC 전원을 전달하는 라인에 데이터 신호를 특정한 신호(예를 들어 고주파 신호)로 변조하여 전송할 수 있다. 전력선 통신은 이미 확보되어 있는 전력선을 이용하여 특별한 부가적 통신 선로의 설치 없이 저비용으로 통신망을 구축할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
도 8과 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전력선 통신에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 도킹 스테이션(40)은 진폭 천이 변조(ASK : Amplitude Shift Keying)는 변조기(modulator)를 구비하여, 범용 비동기화 송수신기(UART : Universal asynchronous receiver/transmitter) 통신 신호를 캐리어 주파수에 혼합하여 충전선(600)으로 송신할 수 있다.
상기 이동 로봇(100)은 ASK 복조기(demodulator)를 구비하여, 충전선(600)을 통하여 수신되는 신호를 복조하여 데이터를 확인할 수 있다.
상기 이동 로봇(100)과 상기 도킹 스테이션(40) 사이 충전을 위한 전력선인 충전선(600)으로 신호를 송수신할 수 있다. 상기 이동 로봇(100)과 상기 도킹 스테이션(40)은 양방향 통신을 위해 UART신호를 ASK 변/복조하여 전력선(Power line)에 실어서 통신할 수 있다.
도 8에서는 상기 도킹 스테이션(40)이 ASK 변조를 수행하고, 상기 이동 로봇(100)이 ASK 복조를 수행하는 경우를 예시하였으나, 양방향 통신을 위해 상기 도킹 스테이션(40)과 상기 이동 로봇(100) 모두 ASK 변/복조를 수행할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1,2 전력선 통신부(230, 530)는 각각 믹서(mixer, 820)를 포함하여, UART 신호를 고주파 PWM 신호를 실어 ASK 신호를 생성할 수 있다. 상기 믹서(820)에서 출력된 ASK 신호는 커패시터(810)에서 AC 커플링(coupling)되고, 파워 인덕터(L)를 통과한 배터리 전압(V_BAT)과 충전선(600)으로 송신된다.
배터리 전압(V_BAT)에 변조된 신호의 전압이 합쳐진 전압(V)이 충전선(600)으로 송신될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 이동 로봇(100)은 먼지통(140)이 가득차면 전력선 통신으로 도킹 스테이션(40)에게 먼지통 비움을 요청할 수 있다.
또한, 도킹 스테이션(40)은 집진량 정보를 전력선 통신으로 이동 로봇(100)에게 전달하고, 이동 로봇(100)은 Wi-Fi 등 통신부(190)를 통해 도킹 스테이션(40)의 집진량 정보를 고객에게 알릴 수 있다.
또한, 이동 로봇(100)은, 통신부(190)를 통해 도킹 스테이션(40)을 위한 업데이트 파일을 수신하고, 전력선 통신을 통해 수신된 업데이트 파일을 도킹 스테이션(40)에 전달할 수 있다.
도킹 스테이션(40)이 제공하는 서비스는 이동 로봇(100)과 연관된 것이고, 도킹 스테이션(40)의 통신은 대부분 이동 로봇(100)과 데이터를 송수신하는 것이다. 따라서, 도킹 스테이션(40)은 와이파이 모듈 등 고가의 통신 모듈을 구비하지 않고, 배터리(210) 충전을 위해 필수적으로 구비되는 충전선(600)을 이용하여 저비용 통신 구조를 구현할 수 있다. 이에 따라, 도킹 스테이션(40)는 이동 로봇(100)과 양방향으로 통신할 수 있고, 외부 기기와의 통신은 이동 로봇(100)을 경유하여 수행할 수 있다.
이동 로봇(100)은, 전력선 통신을 통해, 상태 정보, 업데이트 파일, 먼지통 비움 요청 신호 중 적어도 하나를 도킹 스테이션(40)으로 송신할 수 있다.
도킹 스테이션(40)은, 전력선 통신을 통해, 집진실(420)의 집진량 정보 등 상태 정보, 이동 로봇(100)으로부터 수신된 요청에 대한 응답 중 적어도 하나를 이동 로봇(100)으로 송신할 수 있다.
일 실시 예에 따라 전력선 통신은 시분할 통신 방식으로 구현될 수 있다. 전력선 통신 신호가 동시에 전력선(2-Wire)을 점유하지 않고, 사전에 약속된 신호 송출 순서를 갖는 임의의 통신 규약을 갖고 있는 방식으로 전력선 통신이 구현될 수 있다. 이에 따라 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40) 사이의 전력선 통신 과정에서 송수신 신호는 상시 전력선을 점유하지는 않고 필요 시에만 간헐적으로 통신을 하는 데 이용될 수 있다.
일 실시 예에 따라 전력선 통신은 비동기식 통신 방식으로 구현될 수 있다. 일 실시 예에 따라 비동기식으로 수행되는 전력선 통신을 통해, 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40) 사이에는 신호의 송수신을 위한 시점을 동기화시키기 위한 클럭(clock) 신호를 공유하지 않아도 된다. 비동기식 통신 방식으로 구현됨에 따라 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)은 각각 작업 처리 단위를 동시에 맞출 필요가 없으므로 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)이 전력선 통신으로 송수신된 신호에 기초한 처리 시간이 일치하지 않아도 된다.
이와 같이, 고객 가치 제공을 위해 차별화된 다양한 기능을 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)에 적용할 수 있다. 이때 2가닥의 충전 전원선(600)에 비동기식 통신 신호를 실어 양방향 고속 데이터 통신을 수행함으로써, 재료비를 절감하고고객 가치 제공을 위한 차별화된 다양한 기능을 적용할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원부 회로를 도시한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이동 로봇 및 도킹 스테이션의 전원부 회로를 도시한 도면으로, 도 10의 회로를 각각 이동 로봇(100)과 도킹 스테이션(40)이 구비하는 예를 도시한 것이다.
도 10과 도 11을 참조하면, 제1,2 전원부(200, 500)는 각각 제1,2 충전부(220, 520)와 제1,2 전력선 통신부(230, 530)를 포함할 수 있다.
상기 제1,2 전력선 통신부(230, 530)는 송신부(800)와 수신부(900)를 포함할 수 있다.
상기 송신부(800)는, 캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer, 820), 및, 상기 믹서(820)와 상기 충전선(600) 사이에 배치되는 커패시터(810, C2)를 포함할 수 있다. 수신부(900)는 OOK(On-Off Keying) 변조된 수신 신호를 복조할 수 있다.
온-오프 변조(OOK : On-Off Keying)는, 데이터 신호와 함께 캐리어(carrier) 신호를 동시에 송신한다. 이때 캐리어(carrier) 신호의 유무로 데이터를 판별할 수 있다.
진폭 천이 변조(ASK : Amplitude Shift Keying)는 정보 데이터에 의해 캐리어 신호의 진폭을 결정한다. 온-오프 변조 방식은 캐리어(carrier) 신호의 유무로 디지털 데이터의 비트 정보를 표현하는 변조 방식으로서, 진폭의 변화를 통해 심볼을 표현하는 진폭 편이 변조(ASK) 방식 중 하나이다.
예를 들어, 온-오프 변조는, 신호 송신 시에, 데이터가 하이(high, 예를 들어, 1)이면 캐리어(carrier) 신호를 포함시키고, 데이터가 로우(low, 예를 들어, 0)이면 캐리어 신호를 제거하는 방식으로 변조할 수 있다. 복조 시에는 캐리어 신호가 기준값보다 높으면 데이터를 하이(high)로 판별하고, 캐리어 신호가 기준값보다 낮으면 데이터를 로우(low)로 판별할 수 있다.
또는, 온-오프 변조는, 신호 송신 시에, 데이터가 로우(low)이면 캐리어(carrier) 신호를 포함시키고, 데이터가 하이(high)이면 캐리어(carrier) 신호를 제거하는 방식으로 변조할 수 있다. 복조 시에는 캐리어 신호가 기준값보다 낮으면 데이터를 하이(high)로 판별하고, 캐리어 신호가 기준값보다 높으면 데이터를 로우(low)로 판별할 수 있다.
상기 믹서(820)는 고주파(예를 들어, 10MHz) 캐리어 신호에 송신 데이터를 혼합하여 변조하는 OOK 변조기(modulator)일 수 있다. 상기 믹서(820)는 캐리어 신호에 송신 데이터를 포함하는 직렬 통신 신호를 혼합하여 송신 신호를 생성할 수 있다.
상기 믹서(820)는 3-상태(state) 버퍼(buffer)를 포함할 수 있다. 3-상태 버퍼는 출력 레벨이 3개(High, Low, High Impedance(Hi-Z))인 버퍼이다. 하이 임피던스(High Impedance)는 외부 입력, 출력이 연결되지 않은 개방(open) 상태로, 하나의 선에 복수의 소자를 연결하는 버스 구조에서 회로의 충돌로 소자들이 소손되는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 믹서(820)가 생성하는 송신 신호는, 직렬 통신 신호가 로우(low)일 때만 캐리어 신호가 출력되고, 상기 직렬 통신 신호가 하이(high)일 때 하이 임피던스(High-Z) 상태로 출력될 수 있다.
한편, 이동 로봇(100)은 전력선 통신 데이터를 처리하는 제1 프로세서(150a)를 포함하고, 도킹 스테이션(20)은 전력선 통신 데이터를 처리하는 제2 프로세서(450a)를 포함할 수 있다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 전력선 통신 과정을 제어하는 마이컴 유닛(MCU)일 수 있다.
상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 전력선 통신을 위한 데이터를 생성하고, 수신되는 신호에서 데이터를 추출하고 판별할 수 있다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 상기 캐리어 신호 및 상기 직렬 통신 신호를 생성할 수 있다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 고주파 캐리어 신호 및 비동기식 직렬 통신 데이터를 생성할 수 있다.
상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 입/출력 단자들을 포함할 수 있다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 출력 단자(T1, T2)를 포함할 수 있다. 제1,2 단자(T1, T2)는 상기 믹서(820)에 연결된다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는, 상기 제1 단자(T1)를 통하여 상기 캐리어 신호를 상기 믹서(820)로 출력하고, 상기 제2 단자(T1)를 통하여 상기 직렬 통신 신호를 상기 믹서(820)로 출력할 수 있다.
상기 믹서(820)에서 출력된 송신 신호(OOK 변조 신호)는, 커패시터(810)에서 AC 커플링(coupling)되고, 충전선(600)에 실어 보내진다. 송싱부(800)는 UART 신호를 고주파 캐리어에 실는 OOK 변조와 전원선 커플링 회로 구조를 가질 수 있다.
상기 제1,2 충전부(220, 520)는 적어도 하나의 파워 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 상기 제1,2 충전부(220, 520)는 LC 필터를 포함할 수 있다. 상기 제1,2 충전부(220, 520)는 적어도 하나의 인덕터(L) 및 적어도 하나의 캐패시터(C)를 포함하는 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. 상기 LC 필터는 OOK 변조신호가 배터리(210) 충전을 위한 라인으로 넘어가지 않도록 필터링할 수 있다.
상기 제1 충전부(220)는, 상기 배터리(210)의 전단에 LC 필터(L, C1)가 배치될 수있다. 상기 제2 충전부(520)는, 충전 단자(410)에 배터리 전압(V_BAT)이 입력되는 라인에 LC 필터(L, C1)가 배치될 수있다. 예를 들어, LC 필터(L, C1)가 상기 충전선(600)과 상기 전력변환부(540) 사이에 배치될 수 있다.
상기 충전선(600)은 DC 전원의 양극 라인과 음극 라인의 두 가닥(2-wire)으로 구성될 수 있다. 상기 음극 라인에는 그라운드(GND)가 연결될 수 있다. 상기 제1,2 충전부(220, 520) 및 상기 제1,2 전력선 통신부(230, 540)는 상기 충전선(600)의 두 가닥 라인에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 이동 로봇(100)과 상기 도킹 스테이션(40)은, 도킹시, 2라인 충전선(600)으로 유선 연결된다. 2라인 충전선(600)을 통하여, DC 전원과 OOK 변조신호가 혼합된 전원&통신 신호가 송수신되고, DC 전원 공급 및 신호 전송이 가능하다.
한편, 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)의 제3 단자(T3)에는 수신부(900)가 연결될 수 있다. 상기 수신부(900)는 상기 송싱부(800)와 상기 충전선(600)에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 수신부(900)는, 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)의 제3 단자(T3)에 연결되는 연산증폭기(OP-AMP, 920), 상기 연산증폭기(920)의 제1 단자(+)에 연결되는 RC 필터(930), 상기 연산증폭기(920)의 제2 단자(-)에 연결되는 포락선 검파부(Envelope detector, 940), 및, 상기 RC필터(930)와 상기 포락선 검파부(940)에 연결되는 커패시터(910, C3)를 포함할 수 있다.
상기 커패시터(910, C3)는 수신부(900)로 넘어오는 DC 전압을 블로킹(blocking)할 수 있다.
진폭 변조된 캐리어 신호의 포락선 변화는 데이터 신호의 파형과 동일하다. 따라서 포락선 검파부(940)를 이용하여 데이터 신호를 복원할 수 있다
상기 RC 필터(930)는 수신 신호에 기초한 이동평균값을 출력하고, 상기 포락선 검파부(940)는 상기 수신 신호에서 포락선을 검출한 포락선 검파 신호를 출력할 수 있다.
상기 연산증폭기(920)는, 입력되는 신호에서 데이터를 복원하는 데이터 슬라이서(Data slicer)로, 상기 포락선 검파 신호를 다른 값과 비교하고 그 결과를 출력함으로써, 데이터를 복원할 수 있다. 예를 들어, 상기 연산증폭기(920)는, 상기 이동평균값과 상기 포락선 검파 신호를 비교하여 그 결과에 따라 '1' 또는 '0'의 값을 출력하여 데이터를 복원할 수 있다. 상기 연산증폭기(920)는, 상기 이동평균값과 상기 포락선 검파 신호를 비교하여 반전 출력할 수 있다.
이동 평균값은 데이터의 변화가 큰 경우, 극심한 변화를 부드럽게 만들고 잡음을 없애는 장점이 있다. 상기 RC 필터(930)는 연속 입력되는 신호에서 소정값들을 N개씩 이동 평균해 가며, 출력하는 이동 평균 필터(Moving Average Filter)일 수 있다.
상기 RC 필터(930)는 이동평균 값 추출 후 상기 연산증폭기(920)의 제1 단자(+)에 입력할 수 있다. 상기 포락선 검파부(940)는 포락선 검파 후 상기 연산증폭기(920)의 제2 단자(-)에 입력할 수 있다. 상기 연산증폭기(920)는 입력들을 비교하여 반전 출력할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 도킹 스테이션(40)과 이동 로봇(100)간 2가닥의 충전선(600)으로 배터리(210) 충전 전원 공급과 양방향 데이터를 수행할 수 있다. 이에 따라, 도킹 스테이션(40)과 이동 로봇(100) 제품별 편차가 없고, 캘리브레이션이 필요없는 고신뢰성 통신 구현이 가능하다.
송신시, 제1,2 프로세서(150a, 450a)에서 나오는 UART 신호를 고주파 캐리어와 혼합하여 OOK 변조 송신신호를 만들고, OOK 변조 송신신호를 충전선(600)에 AC 커플링하여 실어 보낼 수 있다.
수신시, AC 커플링된 통신 신호를 포락선 검파와, 이동평균(RC 회로) 신호를 OP-AMP(920)에서 비교하여 UART 신호로 복조하고, 제1,2 프로세서(150a, 450a)에서 파싱하여 데이터를 추출할 수 있다.
UART는 일반적으로 컴퓨터나 주변 기기의 일종으로 병렬 데이터를 직렬화 하여 통신하는 개별 집적 회로이다. 비동기 통신이므로 동기 신호가 전달되지 않는다. 일반적으로 클럭 신호를 이용하여 시작 비트부터 카운팅하여 각 비트를 찾아낸다.
도 12는 송신 신호의 데이터 취득(샘플링) 조건에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 12의 (a)는 UART 프레임 구조를 예시한다. 스타트 비트(start bit)는 통신의 시작을 의미하며 한 비트 시간 길이만큼 유지한다. 데이터 비트(D)는 5 내지 8비트의 데이터를 포함한다. 패리티 비트(parity bit)는 오류 검증을 하기 위한 패리티 값으로, 경우에 따라 제거될 수 있다. 스탑 비트(stop bit)는 통신 종료를 나타낸다.,
도 12의 (b)는 송신 데이터 샘플링을 예시하는 것으로, 데이터 1비트당 16회 샘플링(sampling)을 수행할 수 있다. 도 12의 (c)는 송신 데이터 비트 샘플링을 예시하는 것으로 16회 샘플링 중 3개 연속 시 데이터를 취극할 수 있다.
즉, UART Rx data frame은 11bit로 구성되어지며, Bit당 샘플링 16회 중 중앙 3개 데이터가 연속할 경우 데이터를 취득함으로써, 더 정확한 데이터 취득이 가능하다.
고주파 OOK 변조방식은 전원선에 미소량을 실어 보내기가 편리하고, 포락선 검파 및 이동평균 신호 비교는 전원 전압이 급격히 흔들려도 안정된 통신을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이, 제1,2 전력선 통신부(230, 530)는 양방향 반이중 통신으로 다양한 신호를 주고 받을 수 있다. 2가닥 전원선 양방향 반이중 OOK변/복조 통신 방식은 단순한 변/복조 회로와 별도의 통신선이 없어 재료비가 절감되고, 고속 데이터 통신으로 다양한 통신과 펌웨어 업데이트 등 서비스 유지보수에도 장점이 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 송신부 회로를 예시한 도면이다. 도 14와 도 15는 도 13의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면으로, 도 14는 도 13의 제1 내지 제3 위치(P1 내지 P3)에서 측정된 신호 파형을 도시한 것이고, 도 15는 도 14의 일부 구간(1400)을 확대 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 믹서(820)에는 UART 송신(Tx) 데이터와 PWM 캐리어 신호가 입력된다. 믹서(820)의 입력단인 제1 위치(P1)에서는 UART 송신 데이터가 측정되고, 믹서(820)의 다른 입력단인 제2 위치(P2)에서는 캐리어 주파수가 측정된다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 믹서(820)의 출력단인 제3 위치(P3)에서는 UART 송신 데이터가 로우(Low)일 때만 캐리어 신호가 출력되며, 하이(high)일 때는 하이 임피던스(Hihg-Z) 상태로 출력된다. 이에 따라, OOK 변조된 신호의 캐리어 신호 포함 여부로 데이터를 식별할 수 있다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 충전부 회로를 예시한 도면이다. 도 17은 도 16의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면으로, 도 16의 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2)에서 측정된 신호 파형을 도시한 것이다.
도 16과 도 17에서 제1 위치(P1)는 배터리 충전 전압만 있는 DC 구간이고, 제2 위치(P2)는 배터리 충전 전압과 통신 신호가 있는 DC&통신 구간이다.
또한, 도 17에서는 도킹 스테이션(40)이 이동 로봇(100)에 보내려고하는 신호(1710), 제1 위치(P1)에서 측정된 신호(1720), 제2 위치(P2)에서 측정된 신호(1730), 이동 로봇에서 복조된 신호(1740)도 같이 도시한다.
도 17에서 도시된 신호들(1710 내지 1740)을 참조하면, 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2)에서는 데이터 유무에 따라 일정값 이상 차이가 있는 전압 파형이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 위치(P1)에서는 통신 신호에 의한 노이즈가 적어 통신을 하면서도 배터리(210)를 안정적으로 충전할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수신부 회로를 예시한 도면이다. 도 19와 도 20은 도 18의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면으로, 도 19는 도 18의 제2 내지 제4 위치(P2 내지 P4)에서 측정된 신호 파형을 도시한 것이고, 도 20은 도 19를 확대 도시한 것이다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 수신부는, 포락선 검파부(1810), 이동평균 RC 필터(1820), OP-AMP(920), 중간전압부(1830)를 포함할 수 있다.
제2 위치(P2)는 DC와 ASK 신호가 존재하는 DC&ASK 구간이고, 제3 위치(P3)는 ASK 신호가 존재하는 ASK 구간이고, 제4 위치(P4)는 UART 수신 데이터(RxD) 구간이다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 보내고자 하는 UART 송신 데이터(TxD, 1910)가 로우(low)일때만 제2 위치(P2)에서 측정된 신호(1920)와 제3 위치(P3)에서 측정된 신호(1930)를 통하여 ASK 변조 출력됨을 확인할 수 있다.
또한, 제4 위치(P4)에서 측정된 신호(1940)를 통하여ASK 신호가 UART Data로 정상복조됨을 확인할 수 있다.
한편, OP-AMP(920)는 히스테리시스 비교기일 수 있다. 예를 들어, 히스테리시스 값은 다음과 같은 수식에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00001
도 21은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수신부 회로를 예시한 도면이다. 도 22와 도 23은 도 21의 회로에서 출력되는 신호를 예시하는 도면으로, 도 22는 도 21의 제3 내지 제5 위치(P3 내지 P5)에서 측정된 신호 파형을 도시한 것이고, 도 23은 도 22를 확대 도시한 것이다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, 제3 위치(P3)는 OP-AMP(920)의 (-) 단자로 포락선 검파부(1810)에서 검출된 포락선 검파 신호(2330)이 입력된다.
제4 위치(P4)는 OP-AMP(920)의 (+) 단자로 RC 필터(1820)에서 평활된 평균 ref 신호(2320)가 입력된다. OP-AMP(920)에서는 단자들에 입력되는 신호(2320, 2330)을 비교하고 반전 출력한다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, UART 송신 데이터(TxD, 2310)가 로우(low)일때만 ASK 변조 신호(2320, 2330)에 캐리어 주파수가 나타남을 확인할 수 있고, 제4 위치(P5)에서 측정된 신호(2340)를 통하여ASK 신호가 UART Data로 정상복조됨을 확인할 수 있다.
도 24는 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 시스템의 통신에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 시스템은, 배터리(210)에 저장된 전원에 기초하여 주행하는 이동 로봇(100), 및, 충전선(600)을 통하여 전원을 공급하여 상기 배터리(210)를 충전시키는 도킹 스테이션(40)을 포함할 수 있다.
상기 이동 로봇(100) 및 상기 도킹 스테이션(40)은, 각각 상기 충전선(600)을 통하여 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부(230, 530)를 구비할 수 있다.
이에 따라, 상기 이동 로봇(100) 및 상기 도킹 스테이션(40)은, 2가닥의 충전선(600)으로 이동 로봇(100)의 배터리 충전과 양방향 데이터 통신이 가능하다.
상술한 것과 같이, 전력선 통신부(230, 530)는, 캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(820), 및, 상기 믹서(820)와 상기 충전선(600) 사이에 배치되는 커패시터(810)를 포함하는 송신부(800), 및, 연산증폭기(920), 상기 연산증폭기(920)의 제1 단자에 연결되는 RC 필터(930), 상기 연산증폭기(920)의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부(940), 및, 상기 RC필터(930)와 상기 포락선 검파부(940)에 연결되는 커패시터(910)를 포함하는 수신부(900)를 포함할 수 있다.
이동 로봇(100)은 전력선 통신 데이터를 처리하는 제1 프로세서(150a)를 포함하고, 도킹 스테이션(20)은 전력선 통신 데이터를 처리하는 제2 프로세서(450a)를 포함할 수 있다. 상기 제1,2 프로세서(150a, 450a)는 전력선 통신을 위한 데이터를 생성하고, 수신되는 신호에서 데이터를 추출하고 판별할 수 있다.
도킹 스테이션(40)는 이동 로봇(100)과 양방향으로 통신할 수 있고, 외부 기기와의 통신은 이동 로봇(100)을 경유하여 수행할 수 있다.
이동 로봇(100)은, 전력선 통신을 통해, 상태 정보, 업데이트 파일, 먼지통 비움 요청 신호 중 적어도 하나를 도킹 스테이션(40)으로 송신할 수 있다.
도킹 스테이션(40)은, 전력선 통신을 통해, 집진실(420)의 집진량 정보 등 상태 정보, 이동 로봇(100)으로부터 수신된 요청에 대한 응답 중 적어도 하나를 이동 로봇(100)으로 송신할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 도킹 스테이션(40)은 먼지통 비움알림정보 등 각종 정보를 상기 전력선 통신으로 상기 이동 로봇(100)에 송신하고, 상기 이동 로봇(100)은 상기 먼지통 비움알림정보 등 각종 정보를 소정 서버(2420) 또는 소정 이동단말기(2410)로 송신할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 도킹 스테이션(40)의 분해없이 펌웨어를 업데이트할 수 있다.
사용자는 이동단말기(2410)를 조작하여 펌웨어 업데이트를 요청할 수 있다. 서버(2420)는 이동 로봇(100)의 통신부(190)를 통하여 와이파이 등의 통신 방식으로 업데이트 파일을 송신할 수 있다. 이동 로봇(100)은 전력선 통신으로 도킹 스테이션(40)에 업데이트 파일을 전달할 수 있다.
도킹 스테이션(40)은 전달받은 업데이트 파일을 이용하여 펌웨어를 업데이트하고, 업데이트 완료 여부를 전력선 통신으로 이동 로봇(100)에 알릴 수 있다.
이동 로봇(100)은 통신부(190)를 통하여 서버(2420) 및/또는 이동단말기(2410)에 업데이트 완료 여부를 알릴 수 있다.
본 개시에 따른 이동 로봇, 도킹 스테이션, 및 이를 구비하는 로봇 시스템은 상기한 바와 같이 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다
이동 로봇: 100
도킹 스테이션: 40, 40a, 40b
메모리: 105
본체: 110
제어부: 150
주행부: 160
전원부: 200

Claims (20)

  1. 배터리를 수용하는 본체;
    상기 배터리를 충전하는 스테이션으로 상기 본체를 이동시키는 주행부; 및,
    상기 스테이션으로부터 충전선을 통하여 전원을 공급받아 상기 배터리를 충전시키는 충전부와 상기 충전선을 통하여 상기 스테이션과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 포함하는 전원부;를 포함하는 이동 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및,
    상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부를 포함하는 이동 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 믹서는, 3-상태(state) 버퍼(buffer)를 포함하고,
    상기 믹서가 생성하는 송신 신호는, 상기 직렬 통신 신호가 로우(low)일 때만 상기 캐리어 신호가 출력되고, 상기 직렬 통신 신호가 하이(high)일 때 하이 임피던스(High-Z) 상태로 출력되는 이동 로봇.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 캐리어 신호 및 상기 직렬 통신 신호를 생성하고,
    상기 캐리어 신호를 출력하는 제1 단자와 상기 직렬 통신 신호를 출력하는 제2 단자가 상기 믹서에 연결되는 프로세서;를 더 포함하는 이동 로봇.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    상기 프로세서의 제3 단자에 연결되는 연산증폭기(OP-AMP),
    상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터,
    상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및,
    상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함하는 이동 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 RC 필터는 수신 신호에 기초한 이동평균값을 출력하고,
    상기 포락선 검파부는 상기 수신 신호에서 포락선을 검출한 포락선 검파 신호를 출력하며,
    상기 연산증폭기는, 상기 이동평균값과 상기 포락선 검파 신호를 비교하여 반전 출력하는 이동 로봇.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    OOK(On-Off Keying) 변조된 수신 신호를 복조하는 수신부를 포함하는 이동 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충전부는, 상기 배터리의 전단에 배치되는 LC 필터를 포함하는 이동 로봇.
  9. 이동 로봇의 단자에 전기적으로 연결되는 충전단자;
    상기 이동 로봇의 배터리를 충전하는 전원을 충전선을 통하여 공급하는 충전부; 및,
    상기 충전선을 통하여 상기 이동 로봇과 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부;를 포함하는 도킹 스테이션.
  10. 제9항에 있어서,
    내부에 먼지를 수용하는 집진실과 상기 이동 로봇 먼지통 내부의 먼지를 상기 집진실로 흡입하는 흡입모터를 포함하는 흡입부;
    상기 집진실에 집진된 먼지량을 감지하는 센서를 포함하는 센서부;를 더 포함하고,
    상기 전력선 통신부를 통하여, 상기 센서에서 감지되는 데이터에 기초하여, 상기 집진실 먼지비움알림정보를 상기 이동 로봇으로 송신하는 도킹 스테이션.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및,
    상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부를 포함하는 도킹 스테이션.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 믹서는, 3-상태(state) 버퍼(buffer)를 포함하고,
    상기 믹서가 생성하는 송신 신호는, 상기 직렬 통신 신호가 로우(low)일 때만 상기 캐리어 신호가 출력되고, 상기 직렬 통신 신호가 하이(high)일 때 하이 임피던스(High-Z) 상태로 출력되는 도킹 스테이션.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 캐리어 신호 및 상기 직렬 통신 신호를 생성하고, 상기 캐리어 신호를 출력하는 제1 단자와 상기 직렬 통신 신호를 출력하는 제2 단자가 상기 믹서에 연결되는 프로세서;를 더 포함하는 도킹 스테이션.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    상기 프로세서의 제3 단자에 연결되는 연산증폭기(OP-AMP),
    상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터,
    상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및,
    상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함하는 도킹 스테이션.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연산증폭기는,
    상기 RC 필터에서 출력되는 이동평균값과 상기 포락선 검파부에서 출력되는 포락선 검파 신호를 비교하여 반전 출력하는 도킹 스테이션.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    OOK(On-Off Keying) 변조된 수신 신호를 복조하는 수신부를 포함하는 도킹 스테이션.
  17. 제9항에 있어서,
    상용 전원을 상기 배터리의 충전 전원으로 변환하는 전력변환부;를 더 포함하고,
    상기 충전부는,
    상기 충전선과 상기 전력변환부 사이에 배치되는 LC 필터를 포함하는 도킹 스테이션.
  18. 배터리에 저장된 전원에 기초하여 주행하는 이동 로봇; 및,
    충전선을 통하여 전원을 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 도킹 스테이션;을 포함하고,
    상기 이동 로봇 및 상기 도킹 스테이션은, 각각 상기 충전선을 통하여 전력선 통신을 수행하는 전력선 통신부를 구비하는 로봇 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 도킹 스테이션은 집진실 먼지비움알림정보를 상기 전력선 통신으로 상기 이동 로봇에 송신하고,
    상기 이동 로봇은 상기 집진실 먼지비움알림정보를 소정 서버 또는 소정 이동단말기로 송신하는 로봇 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는,
    캐리어(carrier) 신호에 직렬 통신 신호를 혼합하여 OOK(On-Off Keying) 변조된 송신 신호를 생성하는 믹서(mixer), 및, 상기 믹서와 상기 충전선 사이에 배치되는 커패시터를 포함하는 송신부, 및,
    연산증폭기(OP-AMP), 상기 연산증폭기의 제1 단자에 연결되는 RC 필터, 상기 연산증폭기의 제2 단자에 연결되는 포락선 검파부, 및, 상기 RC필터와 상기 포락선 검파부에 연결되는 커패시터를 포함하는 수신부를 포함하는 로봇 시스템.
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