KR101156282B1 - 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기에 관한 것으로, 적외선 신호를 발광하는 적어도 하나의 적외선 발광소자와; 상기 적외선 발광소자로부터 발광하는 적외선 신호를 수신하는 복수의 적외선 수광소자와; 기 설정된 감지시간 동안 상기 복수의 적외선 수광소자에 의해 감지된 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 저가의 적외선 센서를 이용하면서도 로봇 청소기가 주행하는 바닥면의 표면 상태, 특히, 카펫, 낙하 상태, 검정색 바닥면과 같은 특이 지형에서도 동작 오류 없이 주행이 가능하게 된다.

Description

적외선 센서를 이용한 로봇 청소기{ROBOT CLEANER USING IR SENSOR}

본 발명은 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저가의 적외선 센서를 이용하여 로봇 청소기가 주행하는 바닥면의 표면 상태, 특히, 카펫과 같은 특이 지형에서도 동작 오류 없이 주행이 가능한 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기에 관한 것이다.

로봇 청소기는 사용자의 조작 없이도 자동으로 청소 구역을 스스로 주행하면서 바닥에 존재하는 먼지 등의 이물질을 제거하는 장치를 의미한다. 이러한 로봇 청소기는 내장된 프로그램에 따라 미리 설정된 청소 경로 또는 최적의 청소 경로를 주행하면서 청소 동작을 수행하도록 설계된다.

이러한 로봇 청소기가 청소를 진행함에 있어서, 주행 경로에 가구 또는 벽과 같은 장애물이 존재하거나 낙하의 위험이 있는 절벽과 같은 지형을 회피하기 위해 진행 경로를 바꿔야 한다. 이는 로봇 청소기에 설치된 각종 센서와 그 센서에 의해 수신된 신호를 분석하는 알고리즘을 통해 구현된다.

로봇 청소기에서 바닥면의 상태를 감지하기 위한 센서로는 PSD(Position sensitive detector) 센서, 초음파 센서, 그리고 적외선 센서가 사용되고 있다.

PSD 센서를 이용하는 방식은 반사되는 빛의 각도를 이용하여 장애물과의 거리를 측정하는 방식으로, 그 가격이 적외선 센서에 비해 수십 배의 고가이고, 응답속도가 늦은 단점이 있다. 초음파 센서를 이용하는 방식은 초음파가 공기 중에 진행하는 속도를 이용하여 바닥면과의 거리를 측정하는 방식으로 이 또한 고가이며 간섭 현상이 심한 문제점이 있다. 따라서, 비용이나 응답 속도 등의 측면에서 적외선 센서를 이용하는 방식이 로봇 청소기 분야에서 널리 사용되고 있다.

기존의 로봇 청소기에서 바닥면의 상태를 검출할 때, 로봇 청소기가 절벽 지형에서 추락하지 않도록 하는데 적외선 센서를 활용하여 왔다. 즉, 기존의 로봇 청소기에서는 적외선 발광소자에서 발광된 적외선 신호가 바닥면에서 반사되고, 이를 적외선 수광소자가 감지하여 바닥면의 상태를 파악하고, 이 때 적외선 수광소자로 적외선이 입력되지 않거나 극히 적은 양만의 적외선 신호가 수신되는 경우를 절벽 지형, 즉 낙하로 인식하고 있다.

그런데, 거실 등의 가정 환경에서는 바닥면의 표면 상태가 고르게 분포되지 않는 경우가 많다. 대표적인 예로 거실에 깔아놓은 카펫의 경우, 카펫의 표면 특성 때문에 적외선 수광소자로 수광되는 적외선 신호가 불규칙하고, 로봇 청소기가 이를 낙하나 평지 등으로 불규칙하게 인식하는 오류를 범하게 된다. 실제, 기존의 로봇 청소기를 카펫 위에 놓고 작동시키게 되면, 로봇이 전진, 후진, 좌회전, 우회전을 불규칙하게 반복하는 현상을 나타내어 정상적인 주행이 불가능함을 확인할 수 있다.

이러한 문제는 고가의 PSD 센서를 사용하더라로, PSD 센서가 HI/LOW의 펄스형태로 데이터를 출력하기 때문에, 카펫과 같은 특이 지형에 따른 출력값을 정확히 산출하는 것은 사실상 불가능하며, 실제 카펫에서 HI/LOW 신호가 펄스형태로 출력되어 정상 상태와 낙하 상태를 지속적으로 반복하는 오류가 발생한다.

또한, 바닥면의 일부 색상이 무광택의 검정색인 경우, 해당 바닥면에서 반사되는 적외선 신호의 세기 자체가 적어 로봇 청소기가 이를 낙하 상태로 인식하는 오류가 발생할 수 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저가의 적외선 센서를 이용하면서도, 로봇 청소기가 주행하는 바닥면의 표면 상태, 특히, 카펫과 같은 특이 지형에서도 동작 오류 없이 주행이 가능한 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 적외선 신호를 발광하는 적어도 하나의 적외선 발광소자와; 상기 적외선 발광소자로부터 발광하는 적외선 신호를 수신하는 복수의 적외선 수광소자와; 기 설정된 감지시간 동안 상기 복수의 적외선 수광소자에 의해 감지된 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기에 의해서 달성된다.

여기서, 하나의 상기 적외선 발광소자와, 상기 하나의 적외선 발광소자로부터 소정 간격 이격되어 순차적으로 배치되는 한 쌍의 상기 적외선 수광소자가 하나의 적외선 센서 모듈을 구성하며; 상기 메인 제어부는 상기 적외선 센서 모듈 단위로 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지할 수 있다.

또한, 상기 메인 제어부는 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신되는 한 쌍의 적외선 신호의 세기와 비율에 따라 적외선 신호의 패턴을 분석할 수 있다.

그리고, 상기 메인 제어부는 상기 감지시간 동안 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기와 비율이 불규칙적으로 변화하는 경우, 바닥면을 카펫으로 감지할 수 있다.

그리고, 상기 메인 제어부는 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 중 상기 적외선 발광소자로부터 원거리에 배치되는 하나에 의해 수신되는 적외선 신호의 세기가 기 설정된 허용치 이내로 떨어지는 경우, 바닥면을 낙하 상태로 감지할 수 있다.

또한, 상기 메인 제어부는 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 비율이 기 설정된 허용 범위 내에서 일정한 경우, 바닥면을 평지 상태로 감지하고; 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기와 변화 여부에 따라 바닥면의 색상 패턴을 감지할 수 있다.

상기 구성에 따라 본 발명에 따르면, 저가의 적외선 센서를 이용하면서도 로봇 청소기가 주행하는 바닥면의 표면 상태, 특히, 카펫, 낙하 상태, 검정색 바닥면과 같은 특이 지형에서도 동작 오류 없이 주행이 가능한 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기가 제공된다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 로봇 청소기의 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 로봇 청소기의 적외선 센서 모듈의 예를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 로봇 청소기의 노이즈 제거부를 통과하기 전후의 신호의 파형을 나타낸 도면이고,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 로봇 청소기의 메인 제어부가 적외선 수광소자에 의해 수신된 적외선 신호를 이용하여 바닥면의 표면 상태를 감지하는 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 본 발명에 따른 로봇 청소기의 적외선 센서 모듈의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 로봇 청소기(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 적외선 발광소자(11,11a,11b), 복수의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b) 및 메인 제어부(30)를 포함한다.

적외선 발광소자(11,11a,11b)는 바닥면을 향해 적외선 신호를 발광한다. 그리고, 복수의 적외선 소자는 적외선 발광소자(11,11a,11b)로부터 발광되어 바닥면으로부터 반사되는 적외선 신호를 수신한다.

본 발명에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 적외선 발광소자(11,11a,11b)와, 한 쌍의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b)가 하나의 적외선 센서 모듈(10,10a,10b)을 구성하는 것을 예로 하며, 3개의 적외선 센서 모듈(10,10a,10b)이 로봇 청소기(100)에 설치되는 것을 예로 한다.

또한, 적외선 센서 모듈(10,10a,10b)을 구성하는 한 쌍의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 적외선 발광소자(11,11a,11b)로부터 소정 간격 이격되어 순차적으로 배치되도록 모듈 케이스(14)에 수용 지지된 상태로, 로봇 청소기(100)의 바닥면을 향해 도 1에 도시된 바와 같이 설치된다.

여기서, 본 발명에 따른 로봇 청소기(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b)에 의해 수신된 적외선 신호로부터 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부(50,50a,50b)를 포함할 수 있다. 노이즈 제거부(50,50a,50b)는 커패시터를 적용한 고주파 노이즈 제거 필터 회로 형태로 마련될 수 있으며, 도 4의 (a)는 노이즈 제거부(50,50a,50b)를 거치기 전의 신호의 파형을 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 노이즈 제거부(50,50a,50b)를 거친 신호의 파형을 나타낸 도면이다. 이와 같이, 노이즈 제거부(50,50a,50b)에 의해 고주파 노이즈가 제거된 상태의 신호가 메인 제어부(30)로 전달되어 메인 제어부(30)에 의한 신호 처리에 정확성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 메인 제어부(30)는 기 설정된 감지시간 동안 각 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b)에 의해 감지된 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지한다. 여기서, 메인 제어부(30)는 적외선 센서 모듈(10,10a,10b) 단위로 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지한다.

본 발명에 따른 메인 제어부(30)는 하나의 적외선 센서 모듈(10,10a,10b)을 구성하는 한 쌍의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b) 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기와, 그 비율에 따라 적외선 신호의 패턴을 분석한다.

이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 메인 제어부(30)가 적외선 수광소자(12,13)에 의해 수신된 적외선 신호를 이용하여 바닥면의 표면 상태를 감지하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 설명의 편의를 위해 하나의 적외선 센서 모듈(10)에서 적외선 발광소자(11)에 인접한 적외선 수광소자(12)를 제1 적외선 수광소자(12)라 정의하고, 제1 적외선 수광소자(12)에 비해 상대적으로 적외선 발광소자(11)로부터 이격 배치되는 적외선 수광소자(13)를 제2 적외선 수광소자(13)라 정의하여 설명한다.

먼저, 도 5의 (a)는 일반적인 단색의 바닥면을 예로 한 도면으로, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 각각 입력되는 적외선 신호는 적외선 발광소자(11,11a,11b)의 반사각에 따라 제1 적외선 수광소자(12)로 입력되는 적외선 신호의 세기가 제2 적외선 수광소자(13)로 입력되는 적외선 신호의 세기보다 크다. 그리고, 바닥면이 평지라고 가정할 때, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 입력되는 적외선 신호의 세기는 일정하며, 그 비율도 일정하게 된다

도 5의 (b)는 평지 형태로 다양한 색상이 혼재된 바닥면을 예로 한 도면으로, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 각각 입력되는 적외선 신호의 세기는 바닥면의 색상의 변화에 따라 변하게 된다. 그러나, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 입력되는 적외선 신호의 비율은 적외선 발광소자(11,11a,11b)의 반사각에만 영향을 받게 되는 바, 그 비율은 일정하게 된다.

도 5의 (c)는 평지 형태의 바닥면으로 표면이 검정색인 바닥면을 예로 한 도면이다. 이 경우, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 각각 입력되는 적외선 신호의 세기는 도 5의 (a)의 경우에 비해 작으나, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 입력되는 적외선 신호의 비율은 적외선 발광소자(11,11a,11b)의 반사각에만 영향을 받게 되는 바, 그 비율은 일정하게 된다.

도 6의 (a)는 바닥면이 카펫인 경우를 예로 한 도면으로, 카펫의 표면 특성이 불규칙하여 적외선 신호의 반사각이 불규칙한 카펫의 표면 특성에 따라 불규칙해진다. 따라서, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)로 입력되는 적외선 신호의 세기가 모두 불규칙한 패턴을 가지게 되며, 그 비율도 불규칙하게 된다.

도 7의 (a)는 본 발명에 따른 로봇 청소기(100)가 실제 카펫에서 주행하는 상태에서, 제1 적외선 수광소자(12)에 의해 수신되는 적외선 신호의 파형(S1)과 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신되는 적외선 신호의 파형(S2)을 도시한 도면으로, 적외선 신호의 세기와 비율이 불규칙함을 알 수 있다.

도 7의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 단색의 평지 형태의 바닥면에서 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신되는 적외선 신호의 파형(S1',S2')을 나타낸 도면으로, 적외선 신호의 세기와 비율이 일정 범위 내에서 일정함을 알 수 있다.

한편, 도 6의 (b)는 바닥면에 절벽과 같은 낙하 상태가 존재하는 경우의 예를 도시한 도면이다. 바닥면에 적벽과 같은 낙하 상태가 존재하는 경우, 적외선 발광소자(11,11a,11b)로부터 원거리에 배치된 제2 적외선 수광소자(13)를 통해 수신되는 적외선 신호의 세기가 급격하게 떨어지며, 주행이 계속 진행될 때 제1 적외선 수광소자(12)를 통해 수신되는 적외선 신호의 세기 또한 급격하게 떨어진다. 이는 결과적으로 도 5의 (c)에 도시된 검정색 바닥면에서와 유사한 패턴을 갖게 되나, 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신된 적외선 신호의 세기가 급격히 떨어짐에 따라, 두 적외선 신호의 비율이 급격히 변하게 되므로 검정색 바닥면과 낙하 상태의 구분이 가능하게 된다.

도 6의 (c)는 평지 형태의 흰색의 바닥면을 예로 한 도면으로, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신되는 적외선 신호의 세기가 가장 크게 나타나며, 그 비율은 일정하게 된다.

상기와 같은 다양한 바닥면의 상태에 따라, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13) 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기와 그 비율을 이용하여 적외선 신호의 패턴이 분석 가능하게 되며, 본 발명에 따른 메인 제어부(30)는 이에 기초하여 바닥면의 표면 상태를 감지하게 된다.

먼저, 메인 제어부(30)는 한 쌍의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b) 각각에 의해 수신되는 한 쌍의 적외선 신호의 세기와 비율이 기 설정된 감지시간 동안 불규칙적으로 변화하는 경우, 바닥면을 카펫으로 인식할 수 있다. 이에 따라, 종래의 로봇 청소기가 카펫 위에서의 주행시 전진이나 후진을 반복하는 등의 오류를 발생시켰던 문제점을 해결할 수 있게 된다.

또한, 메인 제어부(30)는 적외선 발광소자(11,11a,11b)로부터 원거리에 배치된 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신되는 적외선 신호의 세기가 기 설정된 허용치 이내로 떨어지는 경우, 바닥면을 낙하 상태로 인식할 수 있다. 이에 더하여, 상술한 바와 같이, 메인 제어부(30)는 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신된 적외선 신호의 세기가 기 설정된 허용치 이내로 급격히 떨어지고, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 비율이 급격히 변하는 경우를 낙하 상태로 인식할 수 있다.

그리고, 메인 제어부(30)는 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13) 각각에 의해 수신된 적외선 신호의 비율이 기 설정된 허용 범위 내에서 일정하게 유지되는 경우, 바닥면을 평지 상태로 인식할 수 있다. 이 때, 허용 범위는 바닥면의 색상이나 패턴에 따라 상이하게 설정될 수 있으며, 색상이나 패턴의 구분은 상술한 바와 같이, 제1 적외선 수광소자(12)와 제2 적외선 수광소자(13)에 의해 수신되는 적외선 신호의 세기를 통해 구분 가능하게 된다.

상기와 같은 과정을 통해, 본 발명에 따른 로봇 청소기(100)는 저가의 적외선 센서를 이용하면서도, 카펫, 절벽, 검정색의 바닥면과 같이 특이 지형에서도 오류 없이 동작이 가능하게 된다.

전술한 실시예에서는 하나의 적외선 발광소자(11,11a,11b)와 한 쌍의 적외선 수광소자(12,12a,12b,13,13a,13b)가 하나의 적외선 센서 모듈(10,10a,10b)을 구성하는 것을 예로 하여 설명하였다. 도 8은 다수의 적외선 발광소자와 적외선 수광소자의 다른 조합으로 적외선 센서 모듈을 구성하는 예를 도시한 도면이다.

도 8의 (a)는 하나의 적외선 발광소자를 중심으로 양측에 4개씩의 적외선 수광소자가 배치되어 적외선 센서 모듈을 구성하는 예를 도시한 도면이고, 도 8의 (b)는 하나의 적외선 발광소자에 3개의 적외선 수광소자가 순차적으로 배치된 후, 다시 적외선 발광소자와 적외선 수광소자가 순차적으로 배치되어 적외선 센서 모듈을 구성하는 예를 도시한 도면이다.

그리고, 도 8의 (c)는 하나의 적외선 발광소자에 3개의 적외선 수광소자가 순차적으로 배치된 후, 다시 적외선 발광소자와 2개의 적외선 수광소자가 순차적으로 배치되어 적외선 센서 모듈을 구성하는 예를 도시한 도면이고, 도 8의 (c)는 하나의 적외선 발광소자에 4개의 적외선 수광소자가 순차적으로 배치되어 적외선 센서 모듈을 구성하는 예를 도시한 도면이다.

도 8에 도시된 실시예들 외에도 적어도 하나의 적외선 발광소자와 복수의 적외선 수광소자로 적외선 센서 모듈을 구성하는 다양한 형태의 적용이 가능하며, 이 때 바닥면의 상태에 따라 각 적외선 수광소자로 수신되는 적외선 신호의 세기와 비율을 이용하여 바닥면의 표면 상태를 파악할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 로봇 청소기
10,10a,10b : 적외선 센서 모듈
11,11a,11b : 적외선 발광소자
12,12a,12b,13,13a,13b : 적외선 수광소자
30 : 메인 제어부
50a,50b,50c : 노이즈 제거부

Claims (6)

1. 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기에 있어서,
   적외선 신호를 발광하는 적어도 하나의 적외선 발광소자와;
   상기 적외선 발광소자로부터 발광하는 적외선 신호를 수신하는 복수의 적외선 수광소자와;
   기 설정된 감지시간 동안 상기 복수의 적외선 수광소자에 의해 감지된 적외선 신호의 세기 및 세기 비율에 따라 적외선 신호의 패턴을 분석하여 바닥면의 표면 상태를 감지하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기.
2. 제1항에 있어서,
   하나의 상기 적외선 발광소자와, 상기 하나의 적외선 발광소자로부터 소정 간격 이격되어 순차적으로 배치되는 한 쌍의 상기 적외선 수광소자가 하나의 적외선 센서 모듈을 구성하며;
   상기 메인 제어부는 상기 적외선 센서 모듈에서 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신되는 한 쌍의 적외선 신호의 세기 및 세기 비율에 따라 적외선 신호의 패턴을 분석하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 메인 제어부는,
   상기 감지시간 동안 상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기 및 세기 비율이 불규칙적으로 변화하는 경우, 바닥면을 카펫으로 감지하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 메인 제어부는,
   상기 한 쌍의 적외선 수광소자 중 상기 적외선 발광소자로부터 원거리에 배치되는 하나에 의해 수신되는 적외선 신호의 세기가 기 설정된 허용치 이내로 떨어지는 경우, 바닥면을 낙하 상태로 감지하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 메인 제어부는,
   상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기 비율이 기 설정된 허용 범위 내에서 일정한 경우, 바닥면을 평지 상태로 감지하고;
   상기 한 쌍의 적외선 수광소자 각각에 의해 수신된 한 쌍의 적외선 신호의 세기 변화에 따라 바닥면의 색상 패턴을 감지하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서를 이용한 로봇 청소기.

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