KR100876696B1 - 능동 구동 청소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자의 조작움직임을 본체 특정지점에서의 속도(혹은 가속도) 또는 2이상의 특정지점의 상대속도(혹은 상대가속도)로 감지하여 청소기 본체를 제어하는 능동구동 방식 청소기에 관한 것으로, 적어도 하나의 회전중심을 갖는 본체; 상기 본체를 이동시키기 위한 바퀴; 상기 바퀴를 구동시키는 구동부; 상기 회전중심에서 떨어져서 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부; 상기 흡입호스 결합부의 움직임에 의한 상기 회전중심의 이동속도를 감지하는 적어도 하나의 감지부; 및 상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부가 포함된다.

상기 구성에 따른 본 발명의 청소기는 본체에 장착된 감지부가 사용자의 청소행위 및 이동행위를 적절히 구별하여, 내부에 장착된 구동모터로 스스로 이동함으로써 청소행위 외에 별도로 청소기 이동에 필요한 사용자의 노력을 절감시켜 준다. 또한 스스로 자세를 제어하므로 중심이 높은 불안정 상태로 본체를 설계할 수 있어 청소기의 기동성이 크게 상승하며, 그에 따른 self-balancing 움직임과 민첩한 능동추종 움직임을 우아하게 연출하므로 사용자의 심리적 만족감을 크게 높일 수 있다.

청소기, 자세, 구동, 제어

Description

능동 구동 청소기{An active type driving vacuum cleaner}

도 1은 하나의 회전축과 한 쌍의 바퀴를 가진 청소기가 청소 준비자세에 있을 때의 측면도.

도 2는 도 1의 준비자세에서 청소행위가 막 시작되었을 때의 측면도.

도 3은 도 1 또는 도 2의 자세에서 이동행위 중일 때의 측면도.

도 4는 도 1 ~ 도 3의 자세에서 반대방향으로 이동행위 중일 때의 측면도.

도 5 ~ 도 7은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심과 높은 무게중심을 갖는 본체의 측면도.

도 8 ~ 도 10은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심과 낮은 무게중심을 갖는 본체의 측면도.

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도 21은 하나의 회전축과 한 쌍의 바퀴를 가진 청소기구조를 구현하였을 경우의 측단면도.

도 22는 도 21에 도시된 청소기 구조의 정면도.

도 23은 도 21에 도시된 청소기 구조의 상면도.

도 24는 도 21에 도시된 청소기 구조의 외형 사시도.

[도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명]

10: 본체 11: 무게중심

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20: 바퀴 21: 바퀴회전축

30: 흡입호스결합부 31: 흡입호스결합부중심

40: 흡입모듈 41: 흡입노즐 42:흡입관 43:흡입관손잡이

50: 흡입호스 51: 흡입모듈결합부중심

61: 흡입모터 62: 먼지분리부

63: 흡입먼지통 64: 코드릴

70: 구동모터 71: 기어박스

72: 변압 정류모듈 80: 제어부

93: 제1감지부 94: 제2감지부

103: 제3감지부 104: 제4감지부

본 발명은 청소기 호스를 통해 입력되는 사용자의 조작의도를 감지하여 청소기 본체를 제어하는 능동구동 방식 청소기에 관한 것이다.

진공 청소기{이하 청소기로 통칭한다}는 본체 내부에 장착되는 팬에 의하여 발생되는 진공압을 이용하여, 청소면 근처의 공기를 흡입한 다음, 본체 내부에서 필터 등을 이용하여 흡입된 공기 속의 이물질을 걸러내는 장치이다.

일반적으로 청소기는 먼지 흡입구 역할을 하는 흡입노즐이 본체와는 별도로 구비되어 흡입관과 호스에 의해 연결되는 캐니스터 방식(Canister type)과, 흡입노즐이 본체와 일체로 형성되는 업라이트 방식(Upright type)으로 크게 나눌 수 있다.

근래에 들어 사용상의 편리함을 바탕으로 점차 보급이 확대되고 있는 청소기는 호텔 등 숙박업소 외에 각 가정에서도 카페트나 소파 등 단순한 쓸고 닦기로 청소하기 힘든 청소면이 늘어나고 있어 오늘날 전세계적으로 확고한 수요 기반을 가지고 있다.

상기 두 가지 방식의 청소기 중, 캐니스터 방식 청소기의 구조를 간단히 살펴보면, 내부에 진공압 발생용 모터와 먼지 포집구 및 이동용 바퀴 등이 구비되는 본체와 흡입모듈{이하 흡입노즐, 흡입관, 흡입관손잡이의 3부분을 합해서 흡입모듈로 정의한다} 및 상기 본체와 상기 흡입모듈을 연결하는 유연성 있는 호스(hose)로 나눌 수 있으며, 기본적인 동작 방식으로는 사용자가 청소면을 따라 상기 흡입모듈을 조작하면 호스로 연결된 본체가 사용자에 의해 끌려다니면서 장착된 모터로 흡입압력을 제공하고 호스를 통해 포집된 먼지를 본체 또는 흡입모듈에 장착된 캐니스터 내부에 저장하게 된다.

상기와 같은 캐니스터 방식 청소기는 보통 전원코드를 길게 뽑아내어 가정 내의 콘센트에 연결하여 모터에 전원을 공급하게 되나, 이 경우에 호스에 연결되어 위치 이동이 쉽지 않은 (무거운 모터를 탑재한)본체를 끌고 다녀야 하는 어려움이 있으며, 부가적으로 거추장스러운 전원코드 때문에 사용자의 불편이 가중되는 단점이 있다.

위의 단점을 해결하기 위하여 흡입노즐이 본체와 일체로 형성되는 업라이트 방식을 생각해 볼 수 있다. 그러나 업라이트(Upright) 방식은 무거운 모터를 탑재한 본체가 마치 잔디깎기 기계처럼 흡입면 위를 직접 지나가면서 청소하는 것이어서 단순한 청소 동작만으로 가능한 넓은 공간에만 사용이 가능하였고 세밀한 청소 동작을 위해서는 별도의 도구를 호스에 연결하여 사용해야 했다. 따라서 흡입모듈이 작고 가벼워서 작은 힘으로도 세밀한 동작을 할 수 있는 캐니스터 방식의 고유한 장점은 따라가기 어려웠다.

그리고 상기 업라이트 방식에서 모터를 소형화하여 흡입모듈에 직접 탑재한 막대형 청소기가 경우에 따라 사용되어 왔으나 이 경우에도 탑재모터의 용량이 작 아 만족스러운 흡입 성능을 기대할 수 없었다.

또한, 가장 거추장스러웠던 존재인 전원코드를 없애고자 충전식 청소기도 추가 등장하였으나 이 역시 작은 용량의 모터를 탑재하여 흡입력이 만족스럽지 못함과 동시에 사용 가능시간도 짧았으며 배터리의 수명 주기에 따라 배터리 교체를 하지 않으면 청소기 자체의 수명도 짧아지는 결과를 낳았으므로 결과적으로는 만족스러운 해결책이 될 수 없었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 청소기를 움직이는 견인력을 최소화하고, 사용자가 의도하는 대로 청소기가 이동 및 방향전환이 쉽도록 사용자의 흡입모듈 조작행위를 감지하여 스스로 이동하는 self-driving 기능을 달성하고자 한다.

그리고 청소면 위의 각종 장애물과 거추장스러운 전원코드를 쉽게 넘어다닐 수 있도록 청소기 본체를 고 기동성(high maneuverable)화 하고, 경우에 따라 본체가 불안정 상태에 있더라도 스스로 중심을 잡을 수 있는 self-balancing 기능을 부여하고자 한다.

상기한 바와 같은 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명 청소기는 먼저 다음과 같은 주요 기술적 특징부를 갖는다.

먼저 본 발명은 적어도 하나의 회전중심을 갖는 본체; 상기 본체를 이동시키기 위한 바퀴; 상기 바퀴를 구동시키는 구동부; 상기 회전중심에서 떨어져서 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부; 상기 흡입호스 결합부의 움직임에 의한 상기 회전중심의 이동속도를 감지하는 적어도 하나의 감지부; 및 상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부가 포함한다.

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또한 상기 본체의 움직임 또는 기울어짐을 좌우하는 상기 흡입호스는 호스무게와 호스유연성의 두 가지 설계요소를 상기 본체의 무게중심위치, 회전중심위치 및 무게를 고려하여 설계될 수 있으며, 이때 청소행위와 이동행위의 구별이 쉽도록 무게대비 유연성이 최적화될 수 있다.

상기 구성에 추가하여 상기 흡입호스 결합부는 청소면을 기준으로 상기 회전중심 또는 상기 무게중심과 서로 다른 높이에 위치할 수 있고, 흡입호스와 마찬가 지로 상기 본체에 가하게 되는 회전모멘트를 고려하여 그 위치가 변동될 수 있다.

또한 상기 감지부는, 상기 본체에 적어도 하나의 배치위치를 가지고, 상기 본체의 회전 또는 이동에 의한 상기 배치위치의 속도 및 가속도를 감지하는 구성을 갖거나, 추가로 상기 본체의 회전중심 또는 구동부의 회전중심을 기준으로 서로 반대방향으로 대칭되는 적어도 두 개의 감지위치에 각각 배치되며 어느 하나의 감지부에 대한 나머지 감지부의 상대속도 정보를 상기 감지정보 중 하나로서 감지하는 구성을 포함할 수 있다.

위에서 상기 가속도 정보는 선속도 만을 의미하는 것이 아니라 각가속도도 포함하고 있음은 물론이다(자이로 센서를 사용했을 경우)

그리고 상기 감지부가 내부연산기능을 갖는 센서+마이컴 구성으로 이루어질 경우, 상기 가속도 정보를 자체 적분연산과정을 거쳐 가공된 감지정보를 상기 제어부에 보낼 수 있다.

물론 상기 감지부가 가속도 정보만을 감지한다면 상기 제어부는 상기 가속도 정보만을 전달받아 자체 마이컴(micro-computer)을 이용한 연산과정을 거쳐 구동부에 구동신호를 송출할 수도 있다.

또한 상기 구동부는 본체가 흡입호스결합부에 의해 기울어질 수 있도록, 3개 혹은 4개의 바퀴로 된 것이 아니라 직립상태에서 하나의 회전중심으로 상기 본체를 지지 및 구동하는, 다시 말해 바퀴를 동축 회전식으로 배치한 세그웨이(segway)와 비슷한 구조로 설계될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 구동부는 바퀴가 회전하거나 정지한 상태에서 회전력 또는 회전속도를 미세하고 신속하게 조절할 수 있도록 설계되며 전기모터일 경우, 전압 또는 계자(field)저항을 변화시켜 속도를 제어하는 모터, 즉 직류모터를 탑재하여 바퀴에 동력을 전달한다.

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상기와 같은 구조의 본 발명은 흡입모듈의 이동동작과 청소동작을 선택적으로 구별할 수 있고, 이동동작에 따른 본체(10)에 외력 P가 가해질 경우 구동부에서 그에 상응하는 회전력 T을 발생시켜 능동적으로 상기 본체(10)를 자세 유지하거나 이동시킬 수 있다.

상기 본 발명의 기술적 특징을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일례를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.

다만 아래에 기술하는 본 발명의 구현예(embodiment of invention), 혹은 구체적인 실시예(specific example)는 단지 하나의 예 일 뿐이며, 그것을 이루는 구성요소들과 결합구조가 본 발명의 기술적 특징에 내재한 사상을 제한하는 것은 아 님을 밝혀둔다.

도 1은 하나의 회전/지지 축과 한 쌍의 바퀴를 가진 청소기가 청소 준비자세에 있는 모습을 옆에서 바라본 것이다.

상기 도면에서, 흡입노즐(41), 흡입관(42) 및 흡입손잡이(43)를 포함하여 구성되는 흡입모듈(40)은 사용자의 청소행위가 직접 전달되는 부분이며 이러한 청소동작은 흡입호스(50)를 통해서 흡입호스결합부(30)로 전달된다.

상기 흡입호스결합부(30)는 강체(rigid body)가 아닌 흡입호스(50)의 움직임을 본체(10)에 효율적으로 전달하기 위한 중간 매개체 역할을 하는 것으로, 만약 상기 흡입호스(50)가 본체(10)에 가까워질수록 점점 강성이 커지는 구조를 가졌다면 상기 흡입호스결합부(30)의 돌출길이가 짧거나 혹은 존재하지 않더라도 그 자신의 전체적인 움직임을 본체(10)에 효과적으로 전달 가능할 것이다.

그러나 통상의 흡입호스(50)는 유연성 있는 구조로 만들어지며, 사용자의 이동행위와 청소행위가 구별될 수 있도록 적절한 완충역할을 해야 하므로 흡입호스(50)의 전체 유연성이 일정하게 설계된다면 흡입호스결합부(30)는 일정부분 돌출길이를 갖는 것이 효과적인 움직임 전달에 바람직하다.

본 발명에서 상기 흡입호스(50)의 유연성(flexibility)과 자체무게는 상기 흡입호스결합부(30)로 전달되는 움직임에 영향을 끼치는 변수로 작용하게 되는데, 아래에 상기 두 가지 변수를 나누어서 그 기술적 의미를 고찰해 보고자 한다.

먼저 흡입호스(50)의 유연성 측면에서, ① 만일 흡입호스(50)가 완전한 강체 라면, 청소동작이나 이동동작의 움직임이 전혀 구별 없이 흡입호스결합부(30)에 그대로 전달되므로 실질적으로는 업라이트 방식 또는 일체형 청소기인 것이나 마찬가지며, 반면에 ② 흡입호스(50)가 가느다란 줄과 같이 완벽한 유연체라면, 청소행위에 따른 출렁임은 없을 것이나 반면 이동동작이 완전히 진행된 이후(즉 흡입호스(50)가 팽팽하게 잡아 당겨지고 난 이후)까지는 흡입호스결합부(30)에 전달될 움직임이 전혀 없을 것이다.

다음으로 흡입호스(50)의 자체무게 측면에서 볼 때, 어느 정도의 유연성을 보유했다는 전제하에서 ③ 상기 흡입호스(50)의 무게가 아주 무겁다면 흡입호스(50)의 일부분은 항상 지면에 닿아있게 되며 청소행위 시 지면에 닿은 부분은 거의 움직이지 않고 지면에서 흡입모듈결합부중심(51)까지 연결된 부분(도 1에서 V₂=0 지점의 좌측부분)만 움직일 것이다. 이 경우 청소동작은 전혀 전달되지 않으나, 반면 지면에서 상기 흡입호스결합부중심(31)까지 연결된 부분(V₂=0 지점의 우측부분) 역시 상기 흡입호스(50)의 무게로 인해 항상 기울어져 있게 된다. 따라서 상기 ②와 마찬가지로 청소동작의 입력 여부와 무관하게 상기 흡입호스결합부(30)의 기울기는 변하지 않는다.

반면에, ④ 상기 흡입호스(50)의 무게가 아주 가볍다면 이 경우에도 상기 ①과 마찬가지로 무게 대비 유연성이 실질적인 강체수준이 되므로 청소동작이나 이동동작이 전혀 구별 없이 상기 흡입호스결합부(30)에 전부 그대로 전달될 것이다.

그러므로 본 발명에서 목표로 하는 바와 같이 사용자가 의도하는 대로 청소 기가 이동 및 방향전환이 쉽도록 흡입호스결합부(30)가 사용자의 흡입모듈 조작행위를 본체(10)에 전달하려면 청소동작이 일정부분 걸러져야 하며 그 중에서도 주로 이동동작에 관한 움직임이 상기 흡입호스결합부(30)에 전달하기 위해서는, 상기 흡입호스(50)의 유연성과 무게를 실험을 거쳐 상기 본체(10)의 무게와 안정도에 알맞게 조절할 필요가 있다.

또한 상기 흡입호스(50)의 무게뿐 아니라 흡입호스결합부(30)와 상기 본체의 무게도 같이 조절될 필요가 있다.

따라서 이하 도면에서는 상기 흡입호스(50) 등의 설계 인자가 바람직하게 조절되었다는 점을 전제로 하여 추가 설명한다.

상기 도1의 경우, 청소기가 이동도 청소도 하지 않는 대기 상태이므로 흡입호스(50)는 별도의 움직임이 없으며 본체(10)에 위치하되 바퀴회전축(21)에서 같은 거리만큼 떨어져서 본체(10)에 위치하는 두 지점도 정지상태인 V₃=0, V₄=0 이다.

도 2는 도1의 준비자세에서 사용자가 청소행위를 막 시작했을 때의 모습을 옆에서 바라본 것이다.

상기 도면에서, 흡입모듈(40)은 청소면을 따라 전진을 하고 있으며, 그에 따라 흡입모듈결합부중심(51)도 V₁＞0으로 움직임이 생기게 되나, 상기 움직임은 흡입호스(50)에서 지면에 닿아있는 지점에서 V₂≒0으로 상당량 흡수되어 흡입호스결합부중심(31)에는 P≥0으로 미량만이 전달되게 된다.

이때 본체(10)의 상기 두 지점(이하 각각 V₃ , V₄ 라 한다)의 속도를 살펴보면, 먼저 바퀴회전축(21)을 중심으로 아래쪽 다시 말해서 청소면에 가까운 지점인 V₄의 경우 여전히 속도가 0이나, 상기 바퀴회전축(21)을 중심으로 위쪽에 위치한 지점인 V₃는 V₂≒0의 영향으로 미소한 속도가 발생하게 된다. 이때 상기 V₃의 변동신호를 보정 하려면 바퀴(20)에 미소한 회전력(torque = 토크) T≥0을 인가하면 된다. 그런데 이 경우 실제 바퀴는 거의 회전하지 않으므로 본체(10)는 전진하거나 후진하지 않고 직립자세, 다시 말해서 흡입호스(50)의 청소동작 움직임에 대하여 버티는 자세를 유지하게 된다.

도 3은 상기 도1 또는 도2의 자세에서 사용자가 이동행위를 할 때의 모습을 옆에서 바라본 것이다.

상기 도면에서, 흡입모듈(40)은 청소면에서 높이 떨어져서 이동중이며, 이에 흡입모듈결합부중심(51)은 V₁≫0의 큰 움직임이 유발되고, 따라서 흡입호스(50)는 지면에서 떨어지게 된다.

지면에서 떨어진 상기 흡입호스(50)의 최저점 속도는 0보다 증가한 V₂＞0의 이동상태이며 이와 같은 흡입호스(50) 전체의 이동움직임으로 인해 흡입호스결합부(30) 또는 흡입호스결합부중심(31)은 P＞0의 힘을 받게 된다.

물론 상기 P＞0의 힘은 본체(10)를 앞으로 기울어지게 하여 상기 두 지점이 서로 다른 속도 V₃＞0, V₄＜0 를 갖게 하는바, 이에 상기 본체(10)가 균형을 유지하고 흡입모듈(40)을 추종(following)하기 위해선 바퀴(20)에 일정 이상의 회전력 T＞0을 인가해 주어야 한다.

그런데 만약 본체(10)가 매우 빠르게 이동하여 상기 기울어짐 상태가 계속 유지된다면 V₃=V₄＞0 인 특정 값을 가질 것이다. 그러나 실제 청소작업 중 이렇게 빠른 속도가 유지되기란 거의 불가능하며 대부분은 상기 본체가 기울어지는 속도가 상기 본체가 청소면을 따라 이동하는 속도보다 더 빠른 상태, 즉 상기 V₃ 와 V₄ 가 서로 반대방향의 속도성분을 갖는 상태가 발생 된다.

이때 상기 회전력 T로 인해 바퀴(20)가 회전하면서 전진하고, 본체(10)는 균형상태가 크게 무너지지 않고 자기 스스로 흡입모듈(40) 또는 흡입호스(50)를 따라가게 되므로 사용자는 본체(10)를 견인하기 위해 별도의 큰 힘을 들일 필요가 없다.

도 4는 상기 도1 내지 도3의 자세에서 사용자가 반대방향으로 이동행위를 할 때의 모습을 옆에서 바라본 것이다.

도4는 상기 도3의 경우와 모든 면에서 반대가 되며, 다만 이 경우에서 도면과 달리 때로는 흡입호스(50)가 지면에 붙어있을 경우도 존재할 것이나, 어떤 경우에도 상기 흡입호스(50)의 최저점의 속도 V₂＜0인 것은 변함이 없다.

따라서 본체(10)는 도3의 경우와 반대로 동작하며 균형을 잡게 된다.

상기 도4의 경우에 흡입모듈(40) 또는 흡입호스(50)가 후퇴하여 상기 본체에 겹쳐지기 전에 상기 본체(10)는 스스로 선행(leading)하여 후진할 것임은 물론이며 사용자는 상기 본체(10)를 뒤로 밀쳐내기 위해 별도의 동작을 취할 필요가 없다.

상기 도1~도4의 경우를 고찰하면 흡입모듈(40) 및 흡입호스(50)의 '청소동작'움직임은 일정무게를 지니고 유연성을 갖는 호스가 땅에 닿아 늘어뜨려져 있는 것으로 무시 또는 상쇄될 수 있고, 본체(10)에 가해지는 외부입력정보는 '호스결합부에 작용하는 힘의 벡터량(P)'으로 근사화 수 있다는 점을 의미한다.

따라서 전체 제어과정에 중요한 요소를 미치는 것은 상기 힘 P에 따른 본체(10)의 특정지점의 속도인 V₃ , V₄ 와 상기 본체(10)의 회전중심(도1~도4의 바퀴회전축(21))의 속도가 되며 이때 상기 속도들은 여러 가지 방법으로 측정 및 분석될 수 있다.
한편 상기 V₃ , V₄의 측정지점이 상기 바퀴회전축(21)을 중심으로 서로 대칭된 거리에서 마주보고 있고 상기 본체(10)가 상기 바퀴회전축(21)을 중심으로 바퀴(20)와 일체로 회전한다면 상기 V₃ 와 V₄의 중간지점이자 상기 바퀴회전축(21) 의 속도인 V는 상하 대칭점의 속도성분을 합한 속도, 즉 V = V₃ + V₄ 이다.

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이때 상기 V₃ , V₄만 구하더라도 상기 V를 간단히 구할 수 있고 따라서 청소기 본체가 이동중인지, 정지상태에서 기울어지는 중인지 쉽게 판별할 수 있다.

위와 같이 본체가 청소중이냐 청소를 위한 단순 이동중이냐를 구별하는 것은 청소기의 구동설계에 있어 매우 중요한 설계요소로 작용하는 것으로서, 청소중이라면 구동부는 상대적으로 고회전력 - 저회전속도 상태로 구동/지지되어야 하며 이동중이라면 구동부가 상대적으로 저회전력 - 고회전속도의 상태로 구동/지지되어야 하기 때문이다.

물론 위와 같은 V = V₃ + V₄ 의 경우는 본체(10)가 바퀴(20)와 거의 같은 속도로 회전(기울어짐)한다는 근사조건에서 작동하는 것이나, 청소기는 세그웨이(segway)나 외발자전거와 같이 고속으로 수평이동하는 장치가 아니므로 위와 같은 가정은 충분히 성립한다.

따라서 아래에는 상기 V = V₃ + V₄ 의 조건을 만족하는 최적의 위치에 속도감지부가 장착되는 본 발명의 일 구현예를 가지고 설명한다.(물론 상기 속도감지부의 위치가 V = V₃ + V₄ 의 근사개념으로 인해 제한되는 것은 아니다.)

도 5 ~ 도 7은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심을 갖고 있는 본체(10)의 역학적 관계를 도시한 것으로서, 먼저, 도6에서와 같이 무게중심(11)이 바퀴회전축(21)보다 높은 불안정 평형의 역진자 형태일 경우에는 P=0이라 하여 회전력 T는 항상 0을 유지하는 것이 아니라 본체(10) 내부에 장착된 감지부가 상기 두 지점의 속도 V₃ , V₄를 감지하여 좌우로 미량의 회전력 T를 인가하므로 불안정 평형상태에서도 넘어지지 않도록 한다.

상기 속도 V₃ , V₄를 감지하기 위해서 상기 두 지점에 배치하여 본체(10)의 작동과 동시에 누적되는 현재각도와 현재속도의 감지를 수행하는 통상의 자이로센서가 사용될 수 있다.

자이로센서(gyro-sensor)란 운동하고 있는 물체가 회전하면 그 속도 방향에 수직으로 코리올리의 힘이 작용하는데 이러한 물리현상을 이용하여 각속도를 검출하는 자이로의 원리를 이용한 것으로 일반적으로 자이로센서는 디지털 카메라 또는 차량동역학제어장치 등에 이용되고 1축 자이로센서와 2축 자이로센서 모듈 등이 있다.

상기 자이로센서로부터 감지되는 각속도는 각가속도로부터 유발되는 것이므로 감지위치의 기하학적 좌표에 감지된 각가속도를 직접 대입하여 선가속도를 구하거나 아니면 상기 각속도로부터 위치의 변화량을 측정하여 그것을 시간으로 나누어 선속도를 구할수 있다.

상기 자이로센서의 출력형태는 아날로그 신호이며 본 발명 청소기에 감지부 로 탑재할 경우에는 감지부의 감지정보로 구동부에 구동신호를 전달하기 위해서 제어부는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터를 추가 포함할 수 있다.

그 다음으로 상기 속도 V₃ , V₄를 감지하기 위해서 F=ma의 운동방정식을 따르는 (힘에 기반한) 감지정보를 측정하는 가속도 센서를 각각 배치하고 특정 시간에서부터 누적되는 해당위치의 가속도 감지 정보량을 적분하여 양자의 상대속도를 구할 수 있다.

물론 이때 상기 속도 V₃ , V₄의 감지위치는 V = V₃ + V₄의 근사공식을 사용하기 위하여 힘 P의 작용에 따른 본체(10)의 회전중심(속도 V가 발생하는 위치) 으로부터 서로 대칭되게 마주보는 두 곳을 선정하였지만 상기 상대속도를 측정하기 위하여 반드시 상기 속도 V₃ , V₄ 가 발생하는 지점이 선정될 필요는 없으며 필요에 따라 장착된 상기 본체(10)에 위치한 어느 지점도 선정가능함은 당연하다.

다만, 본체(10)의 제자리 회전운동(청소행위)과 병진운동(이동행위)를 쉽게 판별하기 위해선 상기 V의 절대값 또는 상기 속도 V₃ , V₄ 대비 상기 V의 상대값이 필요하므로 비교대상이 되는 두 지점을 상기 회전중심으로부터 같은 거리로 최대한 멀리 떨어뜨리는 것이 좋을 것이다.

위와 같이 가속도 센서를 배치하여 제어부에서 시간에 따라 상기 가속도 감지정보를 2회 적분 함으로서 속도 V₃ , V₄ 지점의 수평, 수직변위량이나 현재각도정 보도 도출할 수 있으며 이와 같이 얻어진 상대속도 정보와 회전중심의 이동속도 정보를 상기 제어부에 내장된 마이컴으로 연산하여 원하는 회전방향과 원하는 회전력을 상기 구동부에 인가할 수 있다.

상기 도6의 불안정 평형상태가 좌우로 흐트러지는 상태가 도5 및 도7인데 이 경우 상기 무게중심(11)이 넘어지는 쪽으로 이동하므로 중심이 무너지는 속도는 더욱 빠르게 되며, 따라서 속도 V가 중심이 무너지는 쪽으로 더 커지기 위해서 바퀴(20)의 회전력은 더욱 큰 변동량을 가지고 빠르고 정확하게 인가될 필요가 있다.

상기 도5 및 도7의 경우에서와 같이 중심이 높은 불안정 제어를 채택할 경우 본체(10)의 기동성이 크게 높아지고 사용시간 전반에 걸쳐 좌우로 흔들리면서 우아한 움직임을 연출하게 되어 사용자의 만족도가 높아지게 되나, 자세유지에 필요한 구동에너지가 증가하며, 미소한 외력 P에도 대응해야 하므로 청소동작과 이동동작을 효과적으로 구별하기 어려운 단점이 상존한다.

도 8 ~ 도 10은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심과 낮은 무게중심(11)을 갖고 있는 본체(10)의 역학적 관계를 도시한 것이다.

먼저 도9에서와 같이 무게중심(11)이 바퀴회전축(21)보다 낮은 안정 평형 상태일 경우에는 상기 도6과는 달리 P=0일 때 회전력도 0으로 유지 가능하며, 이때 상기 본체(10)는 마치 오뚜기와 흡사한 안정상태를 유지하게 된다.

물론 이때에도 상기 속도 V₃ , V₄를 구하여 상기 본체(10)의 현재 각속도와 현재 이동속도를 얻어낼 수 있음은 당연하나, 도8~도10과 같이 낮은 무게중심으로 설계한다면 동일한 속도 V₃ , V₄에서 보다 안정적으로 본체가 동작하게 되므로 상기 감지부의 감지속도 및 제어부의 제어속도에 여유가 있다. 따라서 도5~도7의 경우보다 응답속도가 느린 센서와 연산능력이 떨어지는 마이컴을 탑재한 제어부도 적용 가능할 것이다.

상기 도9의 안정 평형상태가 좌우로 흐트러지는 상태가 도8 및 도10 이며, 이 경우 상기 무게중심(11)은 넘어지는 쪽의 반대쪽으로 이동하므로 복원력이 발생하여 중심이 잘 무너지지 않게 되고 따라서 미소한 수평상대속도 V₃ + V₄(V₃ 와 V₄ 가 서로 부호가 다르므로 양(스칼라)적인 측면에서는 더해지는 것이다.)가 발생할 경우에 V는 발산하지 않고 수렴하므로 별도의 회전력은 인가하지 않아도 된다.

위와 같은 사실은 중요한 의미를 갖는데, 무게중심(11)을 낮게 설계할수록 작고 단속적인 V₃ + V₄의 변동, 즉 청소행위(V 수렴)에 대한 인식이 높아지며 작은 변동으로부터 시작하여 중간 이상으로 확장되는 V₃ + V₄의 연속적 변동, 다시 말해 이동행위(V 발산)에 대한 인식이 낮아지게 된다.

따라서 상기 도1~도4의 내용을 상기 도5~도10에서 도출된 기술적 의미와 결합해 볼 때, 흡입호스(50)의 무게가 무겁고 유연성이 작다면 상기 도8~도10과 같이 무게중심(11)이 낮은 안정평형의 본체(10)로 설계할 수 있으며, 흡입호스(50)의 무 게가 가볍고 유연성이 크다면 상기 도5~도7과 같이 무게중심(11)이 높은 불안정평형의 본체(10)로 설계할 수 있을 것이다.

위와 같은 설계요소는, 내장된 흡입모터의 용량등급, 흡입먼지통(캐니스터:canister)의 크기와 무게 및 판매대상 목표인 소비자의 연령대에 따른 조작력 등을 고려하여 다양하게 조절될 수 있으며 실제 사용시험을 거쳐, 더욱 완벽하게 조절될 수 있다.

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한편, 상기 도5 ~ 도10에 표현된 운동 메커니즘을 갖는 청소기 본체(10)를 흡입호스결합부(30)의 움직임에 따라 구동 또는 제어하기 위해서는, 상기 감지부의 감지정보를 처리하여 구동신호로 출력하는 제어부 및 상기 제어부로부터의 구동신호에 의해 바퀴(20)를 원하는 회전력 또는 회전속도로 구동하는 구동부의 구성이 필요하다.

위에서 상기 제어부는 경우에 따라 내부에 자체시계를 갖고 상기 감지부의 가속도 정보를 속도로 바꾸는 적분회로나 상기 감지부의 위치변동 정보를 속도로 q바꾸는 미분회로를 보유함으로서 시간적 변화에 따른 속도 내지 각속도를 산출할 수 있고, 이를 제어부에 내장된 마이컴으로 연산하여 상기 산출된 값에 대응하는 회전방향과 원하는 회전력을 상기 구동부에 인가할 수 있다.

그 다음으로 상기 구동부는, 흡입모터와 달리 회전속도를 자유롭게 조절할 수 있는 모터, 예컨대 직류전동기를 탑재할 수 있으며 하나의 모터를 하나의 축에 장착하거나 본체 양쪽의 바퀴에 각각 장착하여 좌우바퀴의 회전력을 따로따로 조절할 수 있도록 구성할 수 있다.

본 발명의 청소기에 쉽게 적용가능한 상기 직류전동기를 가정에서 편리하게 사용하기 위하여 교류를 직류로 바꾸고 전압도 조정하여 주는 변압 정류모듈을 본체 내에 추가 설치할 필요가 있으며 상기 변압 정류모듈로부터 직류전원을 공급받는 직류전동기는 고정자의 계자권선(field winding) 저항을 변화시키거나 전기 자(armature=회전자)에 가하는 전압을 변화시켜서 비교적 쉽게 속도를 바꿀 수 있다.

또한 상기 직류전동기는 회전속도가 작을수록 회전력 T가 큰 특징을 보유하며 회전속도의 변화가 연속적이고 자유로우므로 경우에 따라 불안정하게 설계될 수 있는 본 발명 본체(10)의 자세제어 및 구동제어에 매우 적합하다.

도 21은 본 발명의 일 구현예로서 하나의 회전축과 한 쌍의 바퀴를 가진 청소기구조를 구현하였을 경우의 내부 배치를 측면에서 도시한 것으로서, 도면에서와 같이 본체(10)의 하부에 코드릴(64)이 배치되어 전원 코드를 하방으로 360°회전 가능하게 뽑아낼 경우, 자체 구동력을 지닌 바퀴(20)가 상기 코드를 자유롭게 타고 넘어갈 수 있다.(일반적인 청소기는 바퀴가 사용자에 의해 끌려다녀야 하므로 위와 같이 바퀴가 전원코드를 타고 넘어가기 어렵다.)

상기 도21에서, 가장 무거운 흡입모터(61)와 그 밖에 무거운 부품들인 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등은 본체(11)의 무게중심(도21에는 표시되지 않음) 위치를 고려하여 바퀴회전축(21)에 근접하게 배치될 수 있다.
상세히, 상술한 바와 같이 상기 본체의 무게 중심은 도 5 내지 도 7과 같이 바퀴 회전축 보다 높거나, 도 8 내지 도 10과 같이 바퀴 회전축 보다 낮을 수 있다.
먼저, 도 5 내지 도 7과 같이 상기 본체의 무게 중심이 상기 바퀴 회전축 보다 높게 위치하도록 하기 위해서는, 가장 무거운 흡입모터(61)와 그 밖에 무거운 부품들인 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등이 상기 본체의 저면에서 멀어지게 배치되도록 하면된다. 특히, 가장 무거운 흡입 모터(61)가 상기 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등 보다 높은 위치에 배치되도록 함으로써, 상기 본체의 무게 중심이 상기 바퀴 회전축 보다 높게 할 수 있다.
반면, 도 8 내지 도 10과 같이, 상기 본체의 무게 중심이 상기 바퀴 회전축 보다 낮게 위치하도록 하기 위해서는, 가장 무거운 흡입모터(61)와 그 밖에 무거운 부품들인 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등이 상기 본체의 저면에 인접하게 배치하면 된다. 특히, 가장 무거운 흡입모터(61)를 상기 본체의 내부의 최하측에 배치하여 상기 본체의 무게 중심이 상기 바퀴 회전축 보다 낮게 할 수 있다.
이러한 무게 중심의 위치는 상기 본체 내부에 구비되는 흡입모터(61), 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등의 배치 위치를 가변시킴으로써, 용이하게 변경할 수 있다.
도 21에서는 가장 무거운 흡입모터(61)가 상기 구동모터(70), 기어박스(71), 구동모터를 위한 변압 정류모듈(72), 코드릴(64) 등 보다 높은 위치에 배치되는 것이 개시되므로, 이러한 경우에는 상기 본체의 무게 중심이 상기 바퀴 회전축 보다 높게 위치하게 될 것이다.

상기 도21에서, 흡입모터(61)는 먼지분리부(62)와 연통되어 있고, 상기 먼지분리부(62)에는 흡입호스결합부(30)으로부터 연장된 내부 흡입관이 연결된다.

또한 상기 먼지분리부(62)의 회전 원주상으로 연장되어, 먼지가 저장되는 흡입먼지통(63)이 추가 배치될 수 있다.

도면에서, 각가속도 또는 가속도 또는 그에 따른 각도나 변위를 감지하는 제1감지부(93)와 제2감지부(94)는 상기 바퀴회전축(21)에서 일정거리를 두고 상하 대칭으로 배치되어 있으며 이로 인해 상기 감지부(93, 94) 값의 단순 합으로 바퀴회전축에 제3의 감지부를 더 배치한 효과를 갖는다.

상기 제1감지부(93)와 제2감지부(94)로부터 감지정보를 전달받는 제어부(81)는 마이컴(micro computer)을 내장한 콘트롤러가 장착된 회로기판이며, 상기 제1, 제2감지부 센서의 감지정보를 바탕으로 내부 연산과정을 거쳐 구동모터(71)에 구동신호를 인가한다.

후술하는 도22~24에서 이러한 개념은 더욱 확장되어, 제3감지부(103)와 제4감지부(104)가 본체(10)의 나머지 측면에 추가 배치될 수 있으며 이로 인해 상기 제1감지부(93)와 제3감지부(103), 제2감지부(94)와 제4감지부(104)의 상대속도를 측정하여 이때까지 설명하였던 청소기 측면에서의 운동에서 확장되어 청소기 상면에서의 운동(청소기의 조향(steering)구동 운동)에도 위 개념을 적용할 수 있을 것이다.

도 22는 상기 도21에 도시된 청소기의 정면도이며 이때 흡입호스결합부(30)은 반드시 본체(10)의 중앙에만 배치되지는 않고, 경우에 따라 어느 한쪽 바퀴에 치우쳐서 설계될 수도 있다.

그리고, 상기 제1,2감지부 들은 본체의 어느 한쪽 측면, 또는 다른 쪽 측면 또는 본체중앙 단면 어디에도 배치가능할 것이며, 도면에서와 같이 양 측면에 제 1,2,3,4감지부로 도합 4개가 모두 배치될 수도 있다.

도 23 및 도 24는 각각 상기 도21에 도시된 청소기 구조의 상면도와 외형사시도를 나타낸 것이며, 도21~도24에 도시된 내부 구조는 청소기의 기동성과 안정성을 위해 필요에 따라 얼마든지 설계변경 가능함은 물론이다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 포함되지 않은 다양한 변경 및 확장 실시예를 추가로 구현할 수 있을 것이나 이 또한 본 발명이 고유하게 보유하는 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 청소기는 다음과 같은 탁월한 효과를 발휘한다.

먼저 본체 내부에 장착된 감지부가 사용자의 청소행위 및 이동행위를 적절히 구별하여, 사용자의 청소기이동 의도가 흡입호스를 통해 입력될 때 더 이상의 견인력을 필요로 하지 않고 내부에 장착된 구동모터로 청소기를 구동함으로써 청소행위 외에 별도로 청소기 이동에 필요한 사용자의 노력을 절감시켜 준다.

또한 상기 청소기 이동과정에서 겹쳐지고 꼬여진 전원코드나 바퀴가 파묻히는 두꺼운 카페트, 푹신한 이불 또는 방석 등과 같은 장애물에 부딪혔을 때, 일반적인 견인방식으로는 청소기를 들어서 옮겨야 하나 본 발명에서는 자체구동 능력을 갖춘 바퀴가 스스로 회전하므로 통상적인 청소면 상의 장애물을 쉽게 넘어서 이동할 수 있다.

덧붙여서 상기 감지부 및 제어부가 사용자의 의도 외에 본체 자체의 기울어짐도 감지하여 청소기의 자세를 스스로 제어하므로 본체의 디자인을 중심이 높은 불안정 상태로 설계할 수 있다. 따라서 청소기의 기동성이 크게 상승하며, 그에 따른 셀프-밸런싱 움직임과 민첩한 능동추종 움직임을 우아하게 연출하므로 청소 작업도중 사용자의 심리적 만족감을 크게 높일 수 있다.

Claims (13)

1. 적어도 하나의 회전중심을 갖는 본체;

   상기 본체를 이동시키기 위한 바퀴;

   상기 바퀴를 구동시키는 구동부;

   상기 회전중심에서 떨어져서 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부;

   상기 흡입호스 결합부의 움직임에 의한 상기 회전중심의 이동속도를 감지하는 적어도 하나의 감지부; 및

   상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부가 포함되는 청소기.
2. 회전 중심을 갖는 본체;

   상기 본체를 이동시키며, 상기 회전 중심과 일치하는 회전축을 가지는 바퀴;

   상기 바퀴를 구동시키기 위한 구동부;

   상기 회전중심에서 떨어져서 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부;

   상기 본체의 두 지점의 상대 속도를 감지하는 감지부; 및

   상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부가 포함되는 청소기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 감지부는, 상기 회전축에서 각각 이격되는 제1감지부와 제2감지부가 포함되는 청소기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1감지부와 제2감지부는 상기 회전축으로부터 동일한 거리 만큼 이격되는 청소기.
5. 제3항에 있어서,

   상기 본체의 회전시 상기 제1감지부와 제2감지부는 상기 회전축을 기준으로 서로 반대 방향으로 회전하는 청소기.
6. 제3항에 있어서,

   상기 제1감지부는 상기 회전축의 상측에 위치되고,

   상기 제2감지부는 상기 회전축의 하측에 위치되는 청소기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 감지부는 자이로 센서인 청소기.
8. 제2항에 있어서, 상기 흡입호스 결합부는,

   청소면을 기준으로 상기 회전중심과 서로 다른 높이에 위치하는 청소기.
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