KR101193789B1 - ３차원 공간인식센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 공간인식센서에 관한 것으로서, 외부에 별도의 구동부를 두지 않고(혹은 단일 구동부에 의해) 회전 및 상하 이동이 이루어짐을 특징으로 한다. 본 발명의 3차원 공간인식센서는, 회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경과, 상기 반사경을 회전시키는 회전모터와, 원통형의 외벽 고정구조물로서, 그 내벽에 핀형태로 돌출된 입체캠 가이드핀을 구비한 오일레스와, 상기 오일레스의 내측에 위치하여 상기 반사경의 회전에 따라 회전이 이루어지며, 외경부 표면에 폐곡선 형태의 캠홈이 형성되고 상기 입체캠 가이드핀이 상기 캠홈에 인입되어 있어, 상기 회전이 이루어질 때 상기 캠홈이 상기 입체캠 가이드핀을 따라 슬라이딩 회전함으로써 상하 이동하는 입체캠과, 방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체를 포함한다.

3차원, 센서, 스캐닝, 공간인식, 거리센서, 캠, 미러, 반사경

Description

３차원 공간인식센서{3D LRF sensor : Three dimensions Laser Range Finder sensor}

도 1은 3차원 공간인식센서의 작동 개념도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간인식센서의 외관 사시도 및 LRF 구조물의 내부 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 반사경의 회전에 따른 각각의 스캐닝 모습을 도시한 그림이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 입체캠의 상하 수직방향의 이동에 따른 반사경의 기울기 변화 모습을 도시한 그림이다.

도 5는 반사경의 측면에서 바라볼 때 입체캠에 형성된 캠홈의 모습을 도시한 그림이다.

도 6은 반사경의 후면에서 바라볼 때 입체캠에 형성된 캠홈의 모습을 도시한 그림이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 캠홈이 입체캠 가이드핀을 따라 타고 갈 때 반사경의 기울기 변화에 따른 각각의 3차원 스캐닝 궤적을 도시한 그림이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110: 본체 120: LRF 구조물

121: 반사경 122: 반사경 지지대

123: 고정축 124: 스페리컬 플레인

125: 연결축 126: 회전이동축

127: 회전모터 128: 입체캠

129: 캠홈 130: 오일레스

131: 입체캠 가이드핀

본 발명은 3차원 공간인식센서에 관한 것이다.

공간인식센서는 광원, 회전체, 센서 등으로 구성되어 있어서, 광원으로부터 방출된 광원이 물체에 맞아서 다시 되돌아왔을 때 그 신호를 센서를 통하여 검출하여 일련의 수치적 계산을 하여 거리를 판단하는 방식이다. 회전체는 광원 및 센서를 회전시켜 줌으로써 주어진 각도 범위 내에서 모두 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다. 이러한 공간인식센서는 1차원 부분의 공간인식(거리 판별)을 수행하는 구조와 3차원 입체적으로 공간인식(거리판별)을 수행하는 구조를 가질 수 있다.

도 1은 3차원 공간인식센서의 작동 개념도이다.

LRF (Laser Range Finder) 구조물(120)을 구비한 3차원 공간인식센서(100)는, 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경(121;미러)과, 상기 반사경을 회전시키기 위한 회전수단을 포함하는 회전수단(미도시)과, 상기 반사경의 기울기를 조절하는 상하 이동수단(미도시)과, 거리측정에 사용되는 방출광을 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고 상기 물체로부터 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 스캐닝을 수행하는 본체(110)를 포함한다.

그런데 상기와 같이 반사경(121)을 회전시키는 회전수단 및 반사경의 기울기를 조절하는 상하이동수단을 구동시키기 위하여, 3차원 공간인식센서는 별도의 구동부(150)를 외부에 두어야하는 문제가 있다. 즉, 기존의 3차원 공간인식센서의 스캐닝 방식은 LRF (Laser Range Finder) 구조물 외부에 별도의 구동부(150)를 장착하는 구조적인 문제로 인하여 3차원 영상을 스캐닝하는데 시간이 길어지고 그 동작엔 많은 제약을 가지는 문제가 있다.

본 발명은 별도의 구동부를 두지않고 3차원 스캐닝을 이룰 수 있는 3차원 공간인식센서를 제안한다.

본 발명의 3차원 공간인식센서는, 회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경과, 상기 반사경을 회전시키는 회전모터와, 원통형 의 외벽 고정구조물로서, 그 내벽에 핀형태로 돌출된 입체캠 가이드핀을 구비한 오일레스와, 상기 오일레스의 내측에 위치하여 상기 반사경의 회전에 따라 회전이 이루어지며, 외경부 표면에 폐곡선 형태의 캠홈이 형성되고 상기 입체캠 가이드핀이 상기 캠홈에 인입되어 있어, 상기 회전이 이루어질 때 상기 캠홈이 상기 입체캠 가이드핀을 따라 슬라이딩 회전함으로써 상하 이동하는 입체캠과, 방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체를 포함한다.

또한, 상기 회전모터는, 상기 반사경을 연결지지해주는 지지축인 반사경 지지대를 구비하여 상기 회전모터의 회전에 의하여 상기 반사경의 회전이 이루어진다. 또한, 상기 반사경 지지대는 상기 회전모터의 직경 양쪽에 2개 구비되어 있음을 특징으로 한다. 상기 캠홈은, 평행선 형태의 폐곡선 홈으로 된 2차원 스캐닝 캠홈과, 기울어진 경사를 가지는 폐곡선 홈으로 된 3차원 스캐닝 캠홈을 포함한다.

또한, 상기 2차원 스캐닝 캠홈은 반사경의 회전각도 조절 구간으로서 2차원 스캐닝 시에 이용되며, 상기 3차원 스캐닝 캠홈은 반사경의 회전각도 조절 구간 및 반사경의 기울기 조절 구간으로서 3차원 스캐닝 시에 이용된다.

또한, 상기 캠홈은 상기 2차원 스캐닝 캠홈과 3차원 스캐닝 캠홈이 이어지는 구조를 가져, 상기 2차원 스캐닝 캠홈 및 3차원 스캐닝 캠홈이 상기 입체캠 가이드핀을 따라 연속적으로 타고 가면서 입체캠의 높이 차이가 발생됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 입체캠은, 힌지 역할을 하는 스페리컬 플레인과, 상기 반사경을 상기 스페리컬 플레인의 일측단에 연결시키는 연결축과, 상기 입체캠을 상기 스페 리컬 플레인의 타측단에 연결시키는 회전 이동축을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간인식센서의 외관 사시도 및 LRF 구조물의 내부 사시도이다.

3차원 공간인식센서는 본체(110)와 LRF 구조물(120)로 이루어지는데, 상기 본체(110)는 입사되는 광신호를 입사광으로서 센싱하는 수광소자, 입사되는 광신호를 수광소자로 집광시켜주는 집광렌즈와, 레이저를 이용하여 빛(광)을 방출하는 발광소자를 구비한다. 상기 발광소자로부터 나온 광은 반사경(121;미러)에 의해 반사되어 외부로 신호광으로 방출된다. 이때 반사경의의 회전위치 및 기울기에 따라 광 방출되는 지점이 달라진다. 상기 방출된 광이 물체에 부딪쳐 신호광으로서 되돌아오면, 이러한 신호광은 반사경에 의해 반사되어 본체(110)로 입사되어 고정체의 집광렌즈를 거쳐 수광소자로 입사된다. 따라서 본체(110)는 방출광을 조사하여 반사경을 통해 방출하고, 물체에 부딪혀 되돌아오는 입사광을 상기 반사경을 통해 집광하는 스캐닝을 수행할 수 있다.

상기 LRF 구조물(120)은 반사경(121)의 회전 및 기울기를 통해 3차원 공간인식을 수행할 수 있다. 즉, LRF 구조물(12) 내부에 1축 회전운동 및 수직 상하운동 을 동시에 수행하는 입체캠(128)을 두어 3차원 스캐닝이 이루어질 수 있다. 따라서 상기 반사경(121)은 그 회전 및 기울기가 자유롭게 이루어질 수 있어 3차원 입체적으로 방출광 및 입사광을 반사시켜 공간인식 측정이 가능하다. 이를 위하여 상기 LRF 구조물(120)은 반사경(121), 회전모터(127), 오일레스(130), 입체캠(128)을 포함한다.

상기 반사경(121)의 회전은 회전모터(127)에 의해 이루어지는데, 이를 위하여 상기 회전모터(127)에는 상기 반사경을 연결지지해주는 지지축인 반사경 지지대(122)가 구비된다. 즉, 상기 회전모터(127)는 반사경을 360° 회전시키는데, 회전모터(127)와 반사경(121)은 반사경 지지대(122)에 의하여 연결된다. 상기 반사경 지지대(122)는 반사경의 원형면 직경의 양쪽면에 각각 고정축(123)에 연결되어 반사경(121)을 지탱한다.

상기 반사경(121)의 회전에 의해 입체캠(128)의 회전이 이루어지는데, 이는 반사경(121)과 입체캠(128)이 힌지 기능을 하는 스페리컬 플레인(124)을 통해 연결되어 있는 구조를 가지기 때문이다. 즉, 상기 반사경(121)에 연결된 연결축(125)은 힌지 역할을 하는 스페리컬 플레인(124)의 일측단 연결되고, 입체캠(128)에 연결된 회전 이동축(126)은 상기 스페리컬 플레인(124)의 타측단에 연결됨으로써, 반사경(121)의 회전에 따라 이에 연결된 입체캠(128)도 함께 회전이 일어난다.

상기 반사경(121)의 회전에 따른 각각의 스캐닝 모습을 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시하였는데, 도 3(a)은 특정 위치에서 3차원 공간인식센서의 측정 모습을 도시한 그림이고, 도 3(b) 상기 3차원 공간인식센서의 반사경이 상기 도 3의 위치지 점으로부터 180° 회전한 위치에서 측정 모습을 도시한 그림이다.

도 3(a)를 참조하면, 본체 내의 발광소자에서 방출된 방출광은 반사경을 거쳐 우측으로 방출되고, 따라서 우측으로부터 이들의 입사광이 들어와서 반사경을 거쳐 본체 내의 수광소자로 들어오는 스캐닝이 이루어진다. 반면에, 회전체의 이동에 의하여 반사경이 도 3(b)와 같이 180°회전 이동한 경우에는, 본체 내의 발광소자에서 방출된 방출광은 반사경을 거쳐 좌측으로 방출되고, 따라서 좌측으로부터 이들의 입사광이 들어와서 반사경을 거쳐 본체 내의 수광소자로 들어오는 스캐닝이 이루어진다.

한편, 상기 반사경의 기울기 변화는 입체캠의 상하 이동에 의하여 이루어진다. 상기 입체캠은 반사경의 회전에 따라 그 몸체가 회전하며 아울러 이에 따라 상하 이동이 일어나 반사경의 기울기 변화가 일어난다. 즉, 반사경의 회전에 따라 스페리컬 플레인을 통해 이에 연결된 입체캠에 회전이 일어나고, 아울러 입체캠이 상하 이동하여 반사경의 기울기 변화가 일어난다.

상기와 같이 입체캠의 회전에 따라 상기 입체캠의 회전과 더불어 입체캠의 상하 이동에 의해 반사경의 기울기 변화가 일어나는데, 이러한 입체캠의 상하 이동이 일어나는 것은, 입체캠의 표면위에 홈을 파고 이 홈에 따라서 종동절이 규정된 운동을 하는 캠 원리를 응용한 것이다.

이를 위하여, 입체캠(128)의 표면의 외경에 캠홈(129)을 형성하고 오일레스(130) 내벽에 돌출된 입체캠 가이드핀(131)을 둠으로써 가능하다. 즉, 외경부 표 면에 폐곡선 형태의 캠홈(129)이 형성되고 오일레스 내벽에 돌출된 입체캠 가이드핀(131)이 상기 캠홈(129)에 인입되어 있어, 상기 회전이 이루어질 때 상기 캠홈(129)이 입체캠 가이드핀(131)을 따라 슬라이딩 이동함으로써 입체캠의 상하 이동이 일어난다.

상기 오일레스(130)는 원통형의 고정체 구조물로서, 그 내벽에 핀형태로 돌출된 입체캠 가이드핀(131)을 구비하고 있다. 상기 입체캠(128)의 회전이 일어날 때 입체캠 내부의 캠홈(129)이 상기 오일레스(130)의 입체캠 가이드핀(131)을 따라 회전 슬라이딩함으로써, 결과적으로 입체캠(128)의 상하 이동이 일어난다. 즉, 회전모터(127)가 1축 회전(360°) 운동할 시에 동시에 입체캠(128)의 외경부에 형성된 캠홈(129)이 오일레스에 조립된 입체캠 가이드핀(131)을 타고 가면서 높이차이가 발생한다.

이러한 입체캠(128)의 상하 수직방향의 이동모습에 따른 반사경의 기울기 변화 모습을 도 4에 도시하였는데, 기존 2차원(수평방향) 스캐닝 방식과 동일하게 회전모터(127)가 1축 회전(360°) 운동 시에 반사경(121)을 통해 회전모터(127)와 연결되어 있는 입체캠(128)이 동시에 회전하게 되며 이때 높이 차이 발생에 의해 반사경(121) 기울기(각도)가 조절된다. 즉, 회전모터(127)의 회전 시에 입체캠(128)은 상하 수직 방향으로 높이 차이가 발생된다.

입체캠(128)의 회전에 따라 입체캠의 표면에 있는 캠홈(129)은 가이드 레일 형태의 홈을 이루고 있어 오일레스의 내벽에 구비된 입체캠 가이드핀(131)을 따라 슬라이딩 된다. 따라서, 입체캠 가이드핀(131)이 도 4(b)와 같이 캠홈 중단(129b) 에 위치하게 될 시에는 반사경(121)은 일정 기울기(예컨대, 45°)를 가지게 되며, 입체캠 가이드핀(131)이 도 4(a)와 같이 캠홈 상단(129a)에 위치하게 될 시에는 입체캠(128)이 하측으로 이동하게 되어 이로 인해 반사경(121)은 더 급한 기울기(예컨대, 60°)를 가지게 되며, 입체캠 가이드핀(131)이 도 4(c)와 같이 캠홈 하단(129c)에 위치하게 될 시에는 입체캠(128)이 상측으로 이동하게 되어 이로 인해 반사경(121)은 도 4(b)보다 더 적은 기울기(예컨대, 30°)를 가지게 된다.

상기 입체캠(128)에 형성된 캠홈(129)의 형태를 도 5 및 도 6에 도시하였는데, 도 5는 반사경의 측면(도 5(a))에서 바라볼 때 입체캠에 형성된 캠홈의 모습(도 5(b))을 도시한 그림이고 도 6은 반사경의 후면(도 6(a))에서 바라볼 때 입체캠에 형성된 캠홈의 모습(도 6(b))을 도시한 그림이다.

입체캠(121)에 형성되는 캠홈은 입체캠의 외경부 표면에 폐곡선 형태로 이루어져 있는데, 그 일부는 도 5(b)와 같이 평행선으로 된 폐곡선 홈(이하, 2차원 스캐닝 캠홈)과 다른 일부는 도 6(b)와 같이 기울어진 경사를 가지는 폐곡선 홈(이하, 3차원 스캐닝 캠홈)을 가진다.

도 5(b)의 2차원 스캐닝 캠홈은 팽행선 형태로 되어 있어 반사경(121)의 회전각도 조절구간의 역할을 하여 2차원 스캐닝 시에 이용되는 구간이다. 도 6(b)의 3차원 스캐닝 캠홈은 기울어진 형태로 되어 있어 3차원 스캐닝 수행 시에 이용되는 구간으로서, 반사경(121)의 회전각도 조절뿐만 아니라 반사경의 기울기(높이) 조절을 할 수 있어 입체캠의 반사경 회전각도 조절 및 반사경의 기울기 조절을 통해 3 차원 스캐닝 구현 특성이 달라진다.

상기 도 5(b)의 2차원 스캐닝 캠홈과 도 6(b)의 3차원 스캐닝 캠홈은 입체캠의 외경을 따라 서로 이어져 있어. 상기 2차원 스캐닝 캠홈과 3차원 스캐닝 캠홈이 연속적으로 입체캠 가이드핀을 따라 타고 가면서 입체캠의 높이 차이가 발생한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 캠홈이 입체캠 가이드핀을 따라 타고 갈 때 반사경의 기울기 변화에 따른 각각의 3차원 스캐닝 궤적을 도시한 그림이다.

회전모터(127)의 회전에 의하여 입체캠이 회전하게 되면, 입체캠(128)의 표면에 형성된 캠홈(129)은 입체캠 가이드핀(131)을 따라 타고 가는데, 이에 따라 입체캠의 높이가 달라지게 되어 결과적으로 반사경의 기울기가 달라지게 되어 스캐닝의 궤적이 각각 달라진다.

입체캠 가이드핀(131)이 도 7(d)의 ① 지점에 있을 시에는 도 7(a)와 같이 입체캠(128)이 하측으로 내려앉게 되어 이에 따라 반사경(121)의 기울기는 더 급하게 되어 도 7(a)와 같은 스캐닝 궤적을 그리게 된다. 반면에, 입체캠 가이드핀이 ③ 지점에 있을 시에는 도 7(c)와 같이 입체캠(128)이 상측으로 올라가게 되어 이에 따라 반사경(121)의 기울기는 적어지게 되어 도 7(c)와 같은 스캐닝 궤적을 그리게 된다.

3차원 스캐닝 구현이 ①->②->③->①->②...순으로 회전 진행될 시에 도7(a)->도7(b)->도7(c)->도7(a)->도7(b)->..... 순으로 스캐닝 궤적이 그려지게 된다. 또한, 반대로 입체캠이 반대방향으로 회전 진행될 시에는 역순으로 3차원 스캐 닝 구현이 이루어진다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.

본 발명은 LRF구조물 외부에 별도의 구동부를 두지않고 3차원 공간인식센서의 3차원 스캐닝이 이루어질 수 있어, 제품 구조 단순화와 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다. 또한, LRF 구조물 내부에 회전 및 수직 이동을 동시에 하는 입체캠을 두어 3차원 스캐닝을 수행함으로써, 제작비용 절감 및 작동 정밀성 향상의 효과를 가져올 수 있다.

Claims (8)

1. 회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경;

   상기 반사경을 회전시키는 회전모터;

   원통형의 외벽 고정구조물로서, 그 내벽에 핀형태로 돌출된 입체캠 가이드핀을 구비한 오일레스;

   상기 오일레스의 내측에 위치하여 상기 반사경의 회전에 따라 회전이 이루어지며, 외경부 표면에 폐곡선 형태의 캠홈이 형성되고 상기 입체캠 가이드핀이 상기 캠홈에 인입되어 있어, 상기 회전이 이루어질 때 상기 캠홈이 상기 입체캠 가이드핀을 따라 슬라이딩 회전함으로써 상하 이동하는 입체캠;

   방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체

   를 포함하는 3차원 공간인식센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전모터는, 상기 반사경을 연결지지해주는 지지축인 반사경 지지대를 구비하여 상기 회전모터의 회전에 의하여 상기 반사경의 회전이 이루어지는 3차원 공간인식센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 반사경 지지대는 상기 회전모터의 직경 양쪽에 2개 구비되어 있음을 특징으로 하는 3차원 공간인식센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 캠홈은,

   평행선 형태의 폐곡선 홈으로 된 2차원 스캐닝 캠홈;

   기울어진 경사를 가지는 폐곡선 홈으로 된 3차원 스캐닝 캠홈

   을 포함하는 3차원 공간인식센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 2차원 스캐닝 캠홈은 반사경의 회전각도 조절 구간으로서 2차원 스캐닝 시에 이용되는 3차원 공간인식센서.
6. 제4항에 있어서, 상기 3차원 스캐닝 캠홈은 반사경의 회전각도 조절 구간 및 반사경의 기울기 조절 구간으로서 3차원 스캐닝 시에 이용되는 3차원 공간인식센서.
7. 제4항에 있어서, 상기 캠홈은 상기 2차원 스캐닝 캠홈과 3차원 스캐닝 캠홈이 이어지는 구조를 가져, 상기 2차원 스캐닝 캠홈 및 3차원 스캐닝 캠홈이 상기 입체캠 가이드핀을 따라 연속적으로 타고 가면서 입체캠의 높이 차이가 발생되는 3차원 공간인식센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 입체캠은,

   힌지 역할을 하는 스페리컬 플레인;

   상기 반사경을 상기 스페리컬 플레인의 일측단에 연결시키는 연결축;

   상기 입체캠을 상기 스페리컬 플레인의 타측단에 연결시키는 회전 이동축

   을 포함하는 3차원 공간인식센서.

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