KR102335186B1 - 렌즈 조립체, 이를 이용한 장애물 감지유닛, 및 이를 구비한 이동로봇 - Google Patents

렌즈 조립체, 이를 이용한 장애물 감지유닛, 및 이를 구비한 이동로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 장애물 감지유닛은, 전방 및 전방의 하측으로부터 입사되는 광을 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된 반사미러; 상기 반사미러의 상측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사되는 반사굴절렌즈; 및 상기 반사미러의 하측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며 상기 반사미러에서 반사된 광이 입사되는 이미지 형성모듈;을 포함하며, 상기 반사미러의 중앙에는 상기 반사굴절렌즈에서 나오는 광이 통과하여 상기 이미지 형성모듈로 입사하는 관통공이 형성된다.

Description

렌즈 조립체, 이를 이용한 장애물 감지유닛, 및 이를 구비한 이동로봇{Lens assembly, obstacle detecting unit using the same, and moving robot having the same}
본 발명은 이동로봇에 사용되는 렌즈를 이용한 장애물 감지유닛에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 이미지 센서로 전방, 상측, 및 하측에 위치하는 장애물을 모두 감지할 수 있는 장애물 감지유닛에 사용할 수 있는 렌즈 조립체와 이를 이용한 장애물 감지유닛, 및 이러한 장애물 감지유닛을 구비한 이동로봇에 관한 것이다.
로봇 청소기와 같은 이동로봇은 자율 주행하며 일정한 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해 전면에 위치하는 장애물을 회피하며 자동으로 주행할 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 이동로봇은 장애물 감지유닛을 구비하고 있다. 기존의 로봇 청소기의 경우에는 장애물을 회피하기 위해 전방 및 상부에 장애물 센서로 위치감지센서로 PSD(Position Sensitive Detector)를 다수 설치하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 근본적으로 장애물 감지 사각을 완전히 없앨 수 없으며, 다수의 센서를 사용하기 때문에 재료비가 상승한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 전방위 카메라 시스템을 사용하여 전방의 장애물을 감지하는 로봇 청소기가 개발되었다. 그러나, 종래의 전방위 카메라 시스템은 전방과 상측의 장애물만 감지하거나, 전방과 하측의 장애물만 감지할 수 있도록 구성되어 있어 전방의 상측과 하측을 동시에 감지할 수 없다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 상측의 장애물을 감지할 수 있는 전방위 카메라 시스템과 하측의 장애물을 감지할 수 있는 2개의 전방위 카메라 시스템을 사용하는 것을 고려할 수 있으나, 이러한 구성은 2개의 카메라 시스템을 사용하므로 재료비가 상승하며, 처리할 데이터량도 증가하므로 제어부의 데이터 처리능력을 증가시킬 필요가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 한 개의 이미지 센서를 사용하여 전방, 전방의 상측, 및 전방의 하측에 위치하는 장애물을 감지할 수 있는 장애물 감지유닛에 사용되는 렌즈 조립체, 이러한 렌즈 조립체를 사용하는 장애물 감지유닛, 및 이를 구비한 이동로봇에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르는 렌즈 조립체는, 전방 및 전방의 하측으로부터 입사되는 광을 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된 반사미러; 및 상기 반사미러의 상측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사되는 반사굴절렌즈;를 포함하며, 상기 반사미러의 중앙에는 상기 반사굴절렌즈에서 나오는 광이 통과하는 관통공이 형성될 수 있다.
이때, 상기 반사굴절렌즈는 상기 반사미러에 분리 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 반사굴절렌즈는 서로 마주하는 제1면과 제2면을 포함하며, 상기 제1면은 내측에 형성된 반사영역과 상기 반사영역을 둘러싸는 굴절영역을 포함하고, 상기 제2면은 내측에 형성된 굴절영역과 상기 굴절영역을 둘러싸는 반사영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반사굴절렌즈의 상기 제1면의 굴절영역은 외부에서 광이 입사되도록 형성되며, 상기 반사굴절렌즈의 상기 제2면의 반사영역은 상기 제1면의 굴절영역으로 입사된 상기 광을 상기 제1면의 반사영역으로 반사하도록 형성되며, 상기 제2면의 굴절영역은 상기 제1면의 반사영역에서 반사된 상기 광이 투과하여 상기 반사굴절렌즈의 외부로 방출될 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1면의 굴절영역은 입사각이 0~60도인 광이 입사될 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1면에는 입사각을 제한하는 마스킹이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1면의 반사영역과 상기 제2면의 반사영역은 알루미늄과 크롬 중 어느 한가지로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사미러는 입사각이 -60~0도 사이인 광을 상기 반사미러의 관통공의 아래를 향해 반사하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사미러의 관통공은 상기 반사굴절렌즈에서 방출되는 광이 간섭되지 않도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 장애물 감지유닛은, 전방 및 전방의 하측으로부터 입사되는 광을 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된 반사미러; 상기 반사미러의 상측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사되는 반사굴절렌즈; 및 상기 반사미러의 하측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며 상기 반사미러에서 반사된 광이 입사되는 이미지 형성모듈;을 포함하며, 상기 반사미러의 중앙에는 상기 반사굴절렌즈에서 나오는 광이 통과하여 상기 이미지 형성모듈로 입사하는 관통공이 형성될 수 있다.
이때, 상기 반사굴절렌즈는 상기 반사미러에 분리 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 반사굴절렌즈는 서로 마주하는 제1면과 제2면을 포함하며, 상기 제1면은 내측에 형성된 반사영역과 상기 반사영역을 둘러싸는 굴절영역을 포함하고, 상기 제2면은 내측에 형성된 굴절영역과 상기 굴절영역을 둘러싸는 반사영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반사굴절렌즈의 상기 제1면의 굴절영역은 외부에서 광이 입사되도록 형성되며, 상기 반사굴절렌즈의 상기 제2면의 반사영역은 상기 제1면의 굴절영역으로 입사된 상기 광을 상기 제1면의 반사영역으로 반사하도록 형성되며, 상기 제2면의 굴절영역은 상기 제1면의 반사영역에서 반사된 상기 광이 투과하여 상기 반사굴절렌즈의 외부로 방출될 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사미러와 상기 이미지 형성모듈을 고정하는 투명지지부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이미지 형성모듈은 이미지 센서를 포함하며, 상기 반사굴절렌즈로 입사된 광은 상기 이미지 센서의 중앙부의 제1영역으로 입사되어 상부 영상을 형성하며, 상기 반사미러에 의해 반사된 광은 상기 이미지 센서의 상기 제1영역을 감싸는 제2영역으로 입사되어 하부 영상을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 이동로봇은, 이동로봇의 본체; 상기 본체에 설치되며, 상기 이동로봇을 이동시키는 주행 유닛; 상기 본체의 앞 부분에 설치되며, 상기 이동로봇의 전방, 전방의 하측, 및 전방의 상측에 있는 장애물을 감지할 수 있도록 형성된 상술한 장애물 감지유닛; 및 상기 장애물 감지유닛으로부터 입력된 장애물 정보에 따라 상기 주행 유닛을 제어하여 상기 이동로봇을 이동시키는 제어부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 반사미러는 상기 본체의 전후 방향과 평행하고 상기 반사미러의 중심을 지나는 선에 대해 좌우로 120도의 범위 내로 입사된 광을 상기 이미지 형성모듈로 반사하도록 형성되며, 광을 반사하지 않는 상기 반사미러의 부분은 상기 본체에 고정될 수 있다.
또한, 상기 장애물 감지유닛은 상기 반사굴절렌즈에서 수직방향으로 일정 거리 내에 있는 물체를 장애물로 인식하고, 상기 일정 거리보다 먼 거리에 위치하는 물체는 장애물로 인식하지 않도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 이동로봇의 본체에는 전방으로 광을 방출하는 발광모듈이 설치되며, 상기 장애물 감지유닛은 상기 발광모듈에서 조사된 광을 이용하여 상기 본체의 전방, 전방의 상측, 및 전방의 하측에 위치하는 장애물을 검출할 수 있다.
또한, 상기 발광모듈은 상기 전방의 상측으로 광을 조사하는 상부 발광모듈과, 상기 전방의 하측으로 광을 조사하는 하부 발광모듈을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛을 구비한 로봇 청소기를 나타낸 평면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛을 구비한 로봇 청소깅의 기능 블럭도;
도 3은 로봇 청소기에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지유닛을 나타내는 부분도;
도 4는 도 3의 장애물 감지유닛의 렌즈 조립체와 이미지 형성모듈을 나타내는 사시도;
도 5는 도 4의 장애물 감지유닛을 선 5-5에서 절단한 단면도;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛의 기능 블록도;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛에 인입되는 광의 경로를 나타내는 단면도;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛에 사용되는 반사미러의 설계 조건을 설명하기 위한 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛에 사용되는 렌즈 조립체의 반사굴절렌즈를 나타내는 단면도;
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛에 사용되는 렌즈 조립체의 후면부를 직접 로봇 청소기의 본체에 고정한 경우를 나타낸 부분 절개도;
도 10b는 도 10a의 렌즈 조립체의 저면도;
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역과 제2영역을 나타내는 도면;
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역을 설명하기 위한 도면;
도 12a는 전방 장애물이 있는 경우에 도 11a의 이미지 센서에 맺히는 영상을 나타내는 도면;
도 12b는 상측 장애물이 있는 경우에 도 11a의 이미지 센서에 맺히는 영상을 나타내는 도면;
도 13a는 로봇 청소기와 전방의 상측 장애물과의 관계를 설명하기 위한 도면;
도 13b는 로봇 청소기가 상측 장애물을 감지한 경우에 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역에 장애물의 영상이 맺힌 상태를 나타내는 도면;
도 13c는 로봇 청소기가 상측 장애물을 감지하지 못한 경우에 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역을 나타내는 도면;
도 14a는 상부 발광모듈이 장애물 감지유닛의 렌즈 조립체의 하측에 위치한 경우에 상측 장애물과 장애물 감지유닛과의 관계를 나타내는 도면;
도 14b는 도 14a의 경우의 렌즈 조립체의 반사굴절렌즈에 형성된 마스킹 영역을 나타낸 도면;
도 15a는 상부 발광모듈이 장애물 감지유닛의 렌즈 조립체의 상측에 설치된 경우에 상측 장애물과 장애물 감지유닛과의 관계를 나타내는 도면;
도 15b는 도 15a의 경우의 렌즈 조립체의 반사굴절렌즈에 형성된 마스킹 영역을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 렌즈 조립체, 이를 이용한 장애물 감지유닛 및 이를 구비한 이동로봇의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 이동로봇이 자율 주행을 할 수 있도록 주변에 존재하는 장애물을 감지할 수 있는 장애물 감지유닛에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 장애물 감지유닛은 로봇 청소기, 경비 로봇과 같은 다양한 종류의 이동로봇에 적용할 수 있다.
이하에서는 본 발명이 적용되는 이동로봇으로서 로봇 청소기를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명은 로봇 청소기에만 한정되는 것이 아니라 자율 주행을 하는 다양한 이동로봇에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛을 구비한 로봇 청소기를 나타낸 평면도이다.
로봇 청소기(1)는 사용자의 조작 없이도 청소 영역을 스스로 이동하면서 피청소면으로부터 먼지 등의 오물을 흡입하여, 청소 영역을 자동으로 청소하는 장치를 말한다. 이러한 로봇 청소기(1)는 내장한 각종 센서 등을 이용하여 청소 영역 내에 위치하는 벽, 가구 등과 같은 장애물을 감지하고, 감지 결과를 이용하여 로봇 청소기(1)의 주행 경로 및 청소 동작을 제어한다.
특히, 로봇 청소기(1)는 청소 영역을 주행하면서 평면광을 조사하고 그 평면광이 조사되는 위치에 존재하는 장애물들을 감지한다. 여기서, 평면광이란 광원에서 방출된 광이 하나의 평면에서 여러 방향으로 진행하는 두께가 얇은 빛을 의미한다. 로봇 청소기에 설치되는 장애물 감지유닛(10)은 로봇 청소기(1)의 주위의 전방향(Omni-direction)을 감지하거나 또는 부채꼴 형상의 넓은 영역에 장애물이 있는지를 감지하도록 형성될 수 있다. 또한, 로봇 청소기(1)는 장애물 감지유닛(10)의 감지 결과를 기초로 장애물까지의 거리, 장애물의 위치, 장애물의 높이, 장애물의 형상, 추락지점 등을 판단할 수 있다. 이러한 장애물에 관한 정보를 기초로, 로봇 청소기(1)는 청소 영역을 판단하고 자율 주행을 하며 청소를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지유닛을 포함하는 로봇 청소기의 기능 블럭도이다. 도 3은 로봇 청소기에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지유닛을 나타내는 부분 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 로봇 청소기(1)는 로봇 청소기(1)의 외관을 형성하는 본체(1a), 청소 유닛(2), 주행 유닛(3), 입출력 유닛(4), 위치 검출 유닛(5), 장애물 감지유닛(10), 리프트 감지 유닛(6), 동작 감지 유닛(7), 저장유닛(8), 전원유닛(9), 및 제어기(90)를 포함할 수 있다.
청소 유닛(2)은 본체(1a)의 바닥면에 설치되며, 청소 영역에 존재하는 먼지와 같은 오물을 흡입구(미도시)로 유도하는 브러시(미도시)를 포함할 수 있다. 청소유닛(2)은 흡입구에 작용하는 흡입력을 발생시키는 흡입력 발생장치(미도시)와 흡입된 오물을 분리하고 저장하는 집진장치(미도시)를 포함할 수 있다.
주행 유닛(3)은 주행 제어신호에 따라 로봇 청소기(1)를 주행시키는 한 쌍의 주행 바퀴(2-1, 2-2)와 주행방향에 따라 회전하며 본체(1a)가 안정된 자세를 유지할 수 있도록 지지하는 보조 바퀴(2-3)를 포함할 수 있다. 주행 바퀴(2-1,2-2)와 보조 바퀴(2-3)는 본체(1a)의 바닥에 설치된다. 제어기(90)는 한 쌍의 주행 바퀴(2-1, 2-2)를 제어하여 로봇 청소기(1)가 전진, 후진, 회전 등의 이동 동작을 수행하여 청소를 할 수 있도록 한다.
입출력 유닛(3)은 로봇 청소기(1)의 본체(1a)의 상면에 마련되어, 로봇 청소기(1)의 동작과 관련된 사용자의 명령을 입력받을 수 있는 입력 부재(미도시)와 로봇 청소기(1)의 동작에 대한 정보를 표시하는 표시 부재(미도시)를 포함할 수 있다. 입력 부재로는 버튼, 터치 스크린 등을 사용할 수 있다. 또한, 출력 부재로는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 패널, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 패널, 등을 사용할 수 있다.
위치 검출 유닛(5)은 로봇 청소기(1) 상방(上方)의 영상, 즉 로봇 청소기(1)가 위치하는 영역의 천장의 영상을 획득하는 상방 카메라 모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 로봇 청소기(1)는 정해진 경로 없이 임의의 방향으로 주행하는 경우, 위치 검출 유닛(5)은 상방 카메라 모듈을 통하여 로봇 청소기(1)의 상방 영상을 촬영함으로써 로봇 청소기(1)의 현재 위치를 검출할 수 있다. 제어부(90)는 위치 검출 유닛(5)에 의해 검출된 현재 위치 정보를 이용하여 로봇 청소기(1)의 이동을 제어할 수 있다.
장애물 감지 유닛(10)은 로봇 청소기(1)의 전방, 전방의 상측 및 하측에 위치하는 장애물을 검출할 수 있도록 구성되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇 청소기의 주행방향(F)의 앞쪽, 즉 본체(1a)의 앞 부분에 설치된다. 장애물 감지유닛(10)은 로봇 청소기(1)에 설치된 발광모듈(71,72)이 조사한 광이 장애물에 반사되는 반사광을 검출함으로써 장애물을 감지할 수 있도록 구성된다. 장애물 감지 유닛(10)에 대해서는 후술한다.
리프트 감지 유닛(6)은 주행 바퀴(2-1, 2-2)가 청소 영역의 바닥면과 접촉하지 않는 경우를 감지할 수 있도록 구성된다. 리프트 감지 유닛(6)으로는 이탈센서가 사용될 수 있다. 구체적으로, 로봇 청소기(1)가 추락하거나 들어올려 져서 청소 영역의 바닥면으로부터 떨어지면 주행 바퀴(2-1, 2-2)는 원위치로부터 이탈하며, 이탈 센서가 주행 바퀴(2-1, 2-2)의 이탈을 감지하도록 구성될 수 있다.
동작 감지 유닛(7)은 로봇 청소기(1)의 병진 이동 및 회전을 감지하는 가속도 센서(미도시), 자이로 센서(미도시) 등을 포함할 수 있으며, 로봇 청소기(1)의 주행 정보를 생성한다. 장애물 감지 유닛(10)의 발광모듈(71,72)은 이러한 주행 정보를 기초로 동작한다. 예를 들어, 발광모듈(71,72)은 동작 감지 유닛(7)으로부터 주행 신호를 수신하면 광원을 온(on)시키고, 정지 신호를 수신하면 광원을 오프(off)시킬 수 있다.
저장 유닛(8)은 로봇 청소기(1)의 동작을 제어하기 위한 프로그램 및 제어 데이터를 영구적으로 저장하는 자기 디스크(magnetic disc), 반도체 디스크(solid state disk) 등의 비휘발성 메모리(미도시)와 로봇 청소기(1)의 동작을 제어하는 과정에서 생성되는 임시 데이터를 저장하는 D-램(D-RAM), S-램(S-RAM) 등의 휘발성 메모리(미도시)를 포함할 수 있다.
전원 유닛(9)은 로봇 청소기(1)를 구성하는 각각의 부품에 구동 전원을 공급할 수 있도록 구성된다. 전원 유닛(9)은, 예를 들어, 재충전이 가능한 충전 배터리를 사용할 수 있다. 이때, 전원 유닛(9)은 로봇 청소기(1)가 청소 작업을 완료하고 도킹스테이션(미도시)에 위치한 경우 도킹스테이션(미도시)으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있도록 구성될 수 있다.
제어기(90)는 로봇 청소기(1)의 장애물 감지 유닛(10)의 감지 결과에 기초하여 로봇 청소기(1)의 구동을 제어할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 제어기(90)는 로봇 청소기(1)의 주변 환경에 관한 정보인 장애물 감지 정보에 기초하여 주행 경로를 설정하고, 설정된 주행 경로에 따라 로봇 청소기(1)의 주행 또는 청소 동작을 제어하도록 하는 제어신호를 생성할 수 있다.
이때, 장애물 감지 정보는 본체(1a)와 장애물과의 거리, 장애물의 위치, 장애물의 높이, 장애물의 형상, 및 추락지점 등을 포함할 수 있으며, 장애물 감지 유닛(10)으로부터 수신하거나 제어기(90)에서 직접 생성할 수 있다.
이하, 로봇 청소기(1)에 설치되는 장애물 감지유닛(10)에 대해 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 로봇 청소기에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지유닛을 나타내는 부분도이다. 도 4는 도 3의 장애물 감지유닛에 사용되는 렌즈 조립체를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 렌즈 조립체를 선 5-5에서 절단한 단면도이다. 도 6은 본 발명이 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛의 기능 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛(10)은 렌즈 조립체(20), 발광 모듈(71,72), 및 이미지 형성모듈(50)을 포함할 수 있다.
렌즈 조립체(20)는 대략 수평면에서 상측으로 60도 하측으로 60도의 각도 범위, 즉 -60도(degree) 내지 60도(degree)에서 입사되는 광을 받아들여 광 경로를 변경시킬 수 있도록 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 렌즈 조립체(20)는 반사미러(30)와 반사굴절렌즈(40)를 포함한다.
반사미러(30)는 전방 및 전방의 하측, 예를 들면, 0도에서 -60도의 각도 범위로부터 입사되는 광을 반사미러(30)의 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된다. 반사미러(30)의 중앙부의 아래에는 이미지 형성모듈(50)이 설치되므로, 반사미러(30)에 의해 반사된 광은 이미지 형성모듈(50)로 입사된다. 구체적으로, 본 실시예예서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 반사미러(30)는 입사각이 -40~0도 사이인 광을 반사미러(30)의 중앙부의 아래에 설치된 이미지 형성모듈(50)을 향해 반사하도록 형성된다. 예를 들면, 반사미러(30)는 대략 원뿔대 형상으로 형성되며, 원뿔대의 하면에는 반사면(31)이 형성되고, 중앙부에는 관통공(32)이 형성된다. 관통공(32)은 반사굴절렌즈(40)에서 나오는 광을 차단하지 않고 이미지 형성모듈(50)로 입사될 수 있도록 형성된다. 반사미러(30)는 외부에서 입사되는 입사광을 왜곡 없이 반사시킬 수 있도록 알루미늄(Al)으로 형성하거나, 플라스틱으로 원뿔대 형상을 형성하고 하면에 크롬(Cr) 도금을 하여 반사면(31)을 만들 수 있다.
도 5에서는 반사미러(30)의 반사면(31)이 직선인 경우를 도시하고 있으나, 반사미러(30)의 반사면(31)은 전방 및 전방의 하측에서 입사되는 광을 반사미러(30)의 중앙부, 즉 관통공(32) 아래에 위치하는 이미지 형성모듈(50)로 입사시킬 수 있는 한 곡면으로 형성할 수도 있다. 예를 들면, 반사미러(30)의 반사면(31)을 볼록한 곡면으로 형성할 수도 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 반사미러(30)의 설계 조건에 대해 상세하게 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛(10)에 사용되는 반사미러(30)의 설계 조건을 설명하기 위한 도면이다.
반사미러(30)는 이미지 형성모듈(50)의 해상도를 해치지 않고, 영상의 왜곡이 발생하지 않도록 형성할 필요가 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 반사미러(30)는 반사면(31)의 경사각(δ), 반사면(31)의 곡률(R), 반사미러(30)의 중심에서 반사미러(30)의 외곽까지의 거리(W)를 결정할 수 있다. 반사미러(30)는 수평면에서 하측으로 일정 각도, 본 실시예의 경우에는 -40 ~ 0도의 입사각으로 입사하는 광을 모두 이미지 형성모듈(50)로 반사할 수 있도록 설계된다. 입사각을 일정하게 유지시키면서 반사미러(30)의 경사각(δ)을 감소시키는 경우에는, 반사면(31)의 곡률(R)이 커지고, 외곽까지의 거리(W)는 증가하며, 이미지 형성모듈(50)로 입사되는 광의 입사각은 증가한다. 또한, 이미지 센서(53)의 입사위치가 증가하게 되는데, 이미지 센서(53)의 크기가 제한되어 있으므로, 반사미러(30)의 곡률(R)을 증가시키는 것에는 한계가 있다.
반대로, 입사각을 일정하게 유지시키면서 반사미러(30)의 경사각(δ)을 증가시키는 경우에는, 반사면(30)의 곡률(R)이 작아지고, 외곽까지의 거리(W)는 감소하며, 이미지 형성모듈(50)로 입사되는 광의 입사각이 감소한다. 또한, 이미지 센서(53)의 입사위치가 감소하게 된다.
따라서, 본 실시예에 의한 반사미러(30)는, 경사각도(δ)는 10~45도, 반사면(30)의 곡률(R)은 ±50 이상으로 할 수 있다. 바람직하게는 반사미러(30)의 경사각도(δ)는 15~20도로 하고, 반사면(31)의 곡률(R)은 ±150 ~ ±350으로 할 수 있다. 또한, 반사미러(30)의 중심에서 반사미러(30)의 외곽까지의 거리(W)와 반사미러(30)의 하단과 이미지 형성모듈(50)의 상단까지의 간격(S)은 반사미러(30)의 경사각도(δ)와 반사면(31)의 곡률(R)이 상술한 범위에 있을 때 전면 감지 영역의 전 범위에서 입사되는 광이 이미지 형성모듈로 입사될 수 있도록 정해질 수 있다.
반사굴절렌즈(40)는 반사미러(30)의 상측에 반사미러(30)와 동축(C)상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사될 수 있도록 형성된다. 반사굴절렌즈(40)는 입사된 광을 반사미러(30)의 관통공(32)을 통해 이미지 형성모듈(50)로 입사되도록 입사된 광의 경로를 변경한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛(10)에 사용되는 렌즈 조립체(20)의 반사굴절렌즈(40)의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 반사굴절렌즈(40)는 서로 마주하는 제1면(41,42)과 제2면(43,44)을 포함한다. 제1면(41,42)은 상측에 위치하며, 외부의 광이 입사된다. 제2면(43,44)은 제1면(41,42)의 아래에 위치하며, 제1면(41,42)으로 입사된 광을 외부로 방출한다. 제1면(41,42)은 내측의 중앙에 형성된 반사영역(42)과 반사영역(42)을 둘러싸는 굴절영역(41)으로 구성된다. 제1면의 굴절영역(41)은 외부의 광이 입사되도록 형성된다. 이때, 제1면의 굴절영역(41)은 입사각이 수평면으로부터 상측으로 60도까지의 광, 즉 0도 내지 60도의 각도 범위의 입사각을 갖는 광이 입사될 수 있도록 형성될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서는 제1면의 굴절영역(41)은 0도 내지 40도의 각도 범위의 입사각을 갖는 광이 입사될 수 있도록 형성된다. 또한, 제1면의 굴절영역(41)은 입사된 외부의 광을 제2면의 반사영역(43)으로 굴절시킨다. 제2면(43,44)은 내측의 중앙에 형성된 굴절영역(44)과 굴절영역(44)을 둘러싸는 반사영역(43)으로 구성된다. 제2면의 반사영역(43)은 제1면의 굴절영역(41)으로 입사된 광을 제1면의 반사영역(42)으로 반사한다. 제1면의 반사영역(42)은 입사된 광을 제2면의 굴절영역(44)으로는 반사한다. 제2면의 굴절영역(44)은 제1면의 반사영역(42)에서 반사되어 입사된 광을 반사굴절렌즈(40)의 외부로 방출하는 출구의 기능을 한다. 또한, 제2면의 굴절영역(44)은 입사된 광이 반사미러(30)의 관통공(32)을 통과하여 이미지 형성모듈(50)로 입사되도록 굴절시킨다. 제1면의 반사영역(42)과 제2면의 반사영역(43)은 입사된 광을 왜곡 없이 반사할 수 있도록 코팅처리(42a,43a)를 할 수 있다. 예를 들면, 제1면 및 제2면의 반사영역(42,43)은 알루미늄 코팅, 크롬 코팅 등으로 형성된 반사코팅층(42a,43a)을 포함한다.
반사굴절렌즈(40)는 반사미러(30)와 일체로 설치하거나, 분리 가능하게 설치할 수 있다. 본 실시예의 경우에는, 반사굴절렌즈(40)의 제1면(41,42)과 제2면(43,44)의 외주에 반사굴절렌즈(40)를 반사미러(30)와 결합할 수 있도록 하는 지지부(45)가 마련될 수 있다. 반사굴절렌즈(40)와 반사미러(30)를 분리 가능하게 형성하는 경우에는, 장애물 감지 범위의 변경에 따라 반사굴절렌즈(40)나 반사미러(30)의 사양을 변경하여 새로 제작하여 사용할 수 있으므로 활용성이 높아진다.
렌즈 조립체(20)는 다양한 방법으로 로봇 청소기(1)의 본체(1a)에 고정될 수 있다. 도 3은 투명지지부재(60)를 이용하여 렌즈 조립체(20)를 로봇 청소기(1)의 본체(1a)에 고정한 경우를 나타낸다. 투명지지부재(60)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 원뿔대 형상의 반사미러(30)의 가장자리를 지지할 수 있도록 형성된다. 투명지지부재(60)의 하부에는 이미지 형성모듈(50)이 설치된다. 이때, 이미지 형성모듈(50)은 반사미러(30)와 반사굴절렌즈(40)의 중심축(C)과 동축 상에 위치하도록 투명지지부재(60)에 설치된다. 따라서, 반사굴절렌즈(40), 반사미러(30), 및 이미지 형성모듈(50)은 동축 상에 위치하게 된다. 투명지지부재(60)는 전방 및 전방의 하측으로부터 반사미러(30)로 입사되는 광을 차단하지 않도록 투명한 재질로 형성된다.
이상에서는 렌즈 조립체(20)가 투명지지부재(60)에 의해 로봇 청소기(1)에 고정되는 경우에 대해 설명하였으나, 렌즈 조립체(20)의 지지방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 렌즈 조립체(20)는 로봇 청소기(1)의 본체(1a)에 직접 고정할 수도 있다.
도 10a는 렌즈 조립체가 로봇 청소기의 본체에 직접 고정된 경우를 나타내는 도면이고, 도 10b는 도 10a의 렌즈 조립체의 저면도이다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 렌즈 조립체(20')의 후면부가 고정 브라켓(100)에 의해 로봇 청소기(1)의 본체(1a)에 고정되어 있다. 따라서, 이 경우에는 반사미러(30')는 고정 브라켓(100)에 의해 지지되는 부분은 반사면(31')을 형성할 필요가 없으므로, 전방에서 입사되는 광만 반사할 수 있도록 로봇 청소기(1)의 전후진 방향에 평행한 선에 대해 좌우로 90도 이상의 반사면(31')을 갖도록 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 10b에서 β와 β' 가 각각 90도 - 120도 정도가 되도록 반사면(31')을 형성할 수 있다.
발광모듈(71,72)은 로봇 청소기(1) 본체(1a)의 앞 부분에 설치되며, 로봇 청소기(1)의 전방을 향해 평면광을 조사할 수 있도록 형성된다. 발광모듈(71,72)은 렌즈 조립체(20)의 좌측, 우측, 상측, 하측 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다. 또한, 전방, 전방의 상측, 및 전방의 하측의 장애물을 감지할 수 있도록 복수의 발광모듈이 설치될 수 있다. 본 실시예의 경우에는 전방 및 전방의 하측에 존재하는 장애물을 감지할 수 있도록 전방을 향해 하향 경사지게 평면광을 조사하는 하부 발광모듈(71)과 전방의 상측에 존재하는 장애물을 감지할 수 있도록 평면광을 전방을 향해 상향 경사지게 조사하는 상부 발광모듈(72)을 포함한다.
발광모듈(71,72)은 광원(71-1,72-1)과 광원(71-1,72-1)을 구동하는 광원 구동부(71-2,72-2)를 포함할 수 있다. 광원(71-1,72-1)은 광을 방출하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 레이저 다이오드(LD), 발광 다이오드(LED) 등일 수 있다. 광은 적외선, 가시광선 등을 포함할 수 있다. 광원 구동부(71-2,72-2)는 장애물 감지 제어부(70)의 광 제어신호에 따라 광원(71-1,72-1)을 발광시킨다. 또한, 발광모듈(71,72)은 광원(71-1,72-1)에서 방출된 광을 부채꼴 형상의 평면광으로 형성하는 광가이드 부재를 포함할 수 있다. 광가이드 부재는 입사된 광을 반사시키는 미러나 굴절시키는 렌즈를 사용하여 형성할 수 있다. 또는 복수의 광원을 사용하여 부채꼴 형상의 평면광을 형성할 수도 있다. 상부 발광모듈(72)에서 발광된 광은 전방의 상측에 존재하는 장애물에 반사되어 렌즈 조립체(20)의 반사굴절렌즈(40)로 입사된다. 하부 발광모듈(71)에서 발광된 광은 전방에 존재하는 장애물에 반사되어 렌즈 조립체(20)의 반사미러(30)로 입사된다.
전방에 존재하는 장애물은 로봇 청소기(1)가 이동하는 바닥면에 위치하는 경우가 대부분이므로 하부 발광모듈(71)이 전방의 하측으로 광을 방출하면 대부분의 장애물에 광이 반사하여 렌즈 조립체(20)의 반사미러(30)로 입사하게 된다. 따라서, 하부 발광모듈(71)과 반사미러(30)에 의해 전방 및 전방의 하측에 위치하는 장애물을 검출할 수 있다. 한편, 바닥면에 설치되지 않은 장애물은 바닥으로부터 일정 거리 이격되도록 천정이나 벽에 설치된 것이므로, 상부 발광모듈(72)이 전방의 상측으로 방출한 광은 상측 장애물에 반사되어 렌즈 조립체(20)의 반사굴절렌즈(40)로 입사하게 된다. 따라서, 상부 발광모듈(72)과 반사굴절렌즈(40)에 의해 전방의 상측에 위치하는 장애물을 검출할 수 있다.
이미지 형성모듈(50)은 반사미러(30)에서 반사된 전방의 장애물 반사광과 반사굴절렌즈(40)에서 굴절된 전방의 상측의 장애물의 반사광으로부터 장애물을 감지할 수 있도록 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이 이미지 형성모듈(50)은 반사미러(30)와 반사굴절렌즈(40)로부터 입사된 광이 이미지 센서(53)에 이미지를 형성하도록 입사광의 경로를 변경하여 집광하는 복수의 광학부재(51)와 집광된 입사광에 의해 영상이 형성되는 이미지 센서(53)를 포함한다.
복수의 광학부재(51)는 반사미러(30)와 반사굴절렌즈(40)로부터 입사되는 광이 이미지 센서(53)에 영상을 형성하도록 하는 것으로서, 복수의 렌즈로 형성될 수 있다.
이미지 센서(53)는 장애물에 의해 반사된 반사광을 전달받아 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 생성한다. 예를 들어, 이미지 센서(53)는 반사광에 의한 영상을 획득할 수 있는 상보성 금속산화물반도체(CMOS) 이미지 센서, 전하결합소자(CCD) 이미지 센서 등을 사용할 수 있다.
이미지 센서(53)는, 도 11a에 도시된 바와 같이, 중앙부에 마련된 제1영역(53-1)과 제1영역(53-1)의 외측에 제1영역(53-1)을 감싸는 형태로 마련된 제2영역(53-2)을 포함한다. 반사굴절렌즈(40)로 입사된 광은 이미지 센서(53)의 제1영역(53-1)으로 입사되어 상부 영상을 형성한다. 즉, 전방의 상측에 위치하는 장애물의 영상은 이미지 센서(53)의 중앙의 제1영역(53-1)에 형성된다. 반사미러(30)에 의해 반사된 광은 이미지 센서(53)의 제2영역(53-2)으로 입사되어 하부 영상을 형성한다. 즉, 전방에 위치하는 장애물의 영상은 이미지 센서(53)의 제2영역(53-2)에 형성된다.
도 11b는 이미지 센서(53)에 설정된 제1영역(53-1)의 예를 나타내는 도면이다. 도 11b를 참조하면, 상부 영상이 결상되는 제1영역(53-1)은 대략 반달 형태로 제1원호(Rmin)과 제2원호(Rmax)에 의해 정해지는 영역이다. 제1원호 및 제2원호의 반지름(Rmin, Rmax)과 원호각은 적절하게 조정할 수 있다. 정해진 제1영역(53-1)은 일정 각도로 3등분으로 나누고, 형성되는 이미지의 픽셀 수를 세어 픽셀의 개수가 기준치 이상일 때, 이를 장애물이라고 인식할 수 있다. 또한, 3등분된 영역의 어느 위치에 이미지가 있는지에 따라 장애물의 위치를 판단할 수 있다.
도 11b에 도시된 제1영역(53-1)의 경우에는, θ= 25도, 분할 개수(n)=3, α= (180°-2xθ)/n, Rmax = 20 픽셀, Rmin = 5 픽셀, 이미지 기준치(threshold) = 20이다. 따라서, 본 실시예의 경우에는, 제1영역(53-1)에 형성된 이미지의 픽셀 수가 20개를 넘는 경우에, 제어부(90)는 로봇 청소기(1)의 전방 상측에 장애물이 있다고 판단한다.
발광모듈(71,72)에서 조사된 후 장애물에 의해 반사되어 돌아오는 반사광이 렌즈 조립체(20)와 이미지 형성모듈(50)의 복수의 광학부재(51)를 거쳐 이미지 센서(53)에서 아날로그 또는 디지털 형태의 신호로 변환된다.
신호 처리부(55)는 이미지 센서(53)로부터 전달받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 신호의 포맷을 변환할 수 있다. 신호 처리부(54)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 처리부(54)는 이미지 센서(53)가 획득한 영상의 포맷을 필요에 따라 기기에 맞춰 변환할 수 있다.
장애물 감지 제어부(70)는 광원(71-1,72-1)의 온/오프를 제어하는 광 제어신호를 생성하고, 영상신호에 기초하여 장애물 감지 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 장애물 감지 정보는 본체(1a)와 장애물과의 거리, 장애물의 위치, 장애물의 높이, 장애물의 형상, 및 추락지점 등을 포함할 수 있다. 장애물 감지 제어부(70)는 발광모듈(71,72)과 이미지 형성모듈(50)과 물리적으로 결합된 별도의 모듈일 필요는 없다. 필요에 따라, 장애물 감지 제어부(70)는 장애물 감지 모듈(10)이 장착되는 장치, 예를 들어, 로봇 청소기(1)에 구비된 CPU나 MCU 등의 제어기(90)도 장애물 감지 제어부(70)로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛을 구비한 로봇 청소기가 장애물을 감지하는 방법에 대해 설명한다.
로봇 청소기(1)는 청소 영역을 주행하면서 상부 발광모듈(72)과 하부 발광모듈(71)이 광을 조사하도록 한다.
로봇 청소기(1)의 전방의 바닥면에 장애물이 존재하는 경우에는, 하부 발광모듈(71)에서 발광된 광이 전방 장애물에 의해 반사되게 된다. 전방 장애물에 반사된 반사광은, 도 7에 도시된 바와 같이, 로봇 청소기(1)에 설치된 장애물 감지유닛(10)의 렌즈 조립체(20)의 반사미러(30)로 입사된다. 반사미러(30)는 전방 및 전방의 하측에서 입사된 광을 이미지 형성모듈(50)로 반사한다. 이미지 형성모듈(50)로 입사된 광은, 도 12a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(53)의 제2영역(53-2)에 전방 장애물에 대응하는 장애물 영상(O1)을 형성한다. 제어부(90)는 이미지 센서(53)에 의해 획득된 장애물 영상(O1)을 기초로 장애물의 존부 및 위치를 판단할 수 있다.
또한, 로봇 청소기(1)의 전방의 상측에 장애물이 존재하는 경우, 구체적으로, 청소 영역의 바닥면에는 장애물이 존재하지 않으나 바닥면에서 일정 거리 떨어진 위치에 상측 장애물이 있는 경우에, 상부 발광모듈(72)에서 발광된 광은 상측 장애물에 의해 반사되게 된다. 이때, 하부 발광모듈(71)에서 발광된 광은 상측 장애물에 의해 반사되지 않는다. 상측 장애물에 의해 반사된 반사광은, 도 7에 도시된 바와 같이, 로봇 청소기(1)에 설치된 장애물 감지유닛(10)의 렌즈 조립체(20)의 반사굴절렌즈(40)의 제1면 굴절영역(41)으로 입사된다. 반사굴절렌즈(40)는 입사된 광을 이미지 형성모듈(50)로 굴절시킨다. 구체적으로, 반사굴절렌즈(40)의 제1면의 굴절영역(41)으로 입사된 광은 제2면의 반사영역(43)에 의해 반사되어 제1면의 반사영역(42)으로 입사된다. 제1면의 반사영역(42)은 입사된 광을 제2면의 굴절영역(44)으로 반사한다. 제2면의 굴절영역(44)은 입사된 광을 이미지 형성모듈(50)로 굴절시킨다. 이미지 형성모듈(50)로 입사된 광은, 도 12b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(53)의 제1영역(53-1)에 상측 장애물에 대응하는 장애물 영상(O2)을 형성한다. 제어부(90)는 이미지 센서(53)의 제1영역(53-1)에 의해 획득된 장애물 영상(O2)을 기초로 상측 장애물의 존부 및 위치를 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛(10)은 바닥면에서 일정 높이 이하에 위치하는 상측 장애물만 장애물로 인식하도록 형성될 수 있다. 도 13a 내지 도 13c를 참조하여 이에 대해 설명한다.
도 13a는 로봇 청소기와 전방의 상측 장애물과의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 13b는 로봇 청소기가 상측 장애물을 감지한 경우에 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역에 장애물의 영상이 맺힌 상태를 나타내는 도면이고, 도 13c는 로봇 청소기가 상측 장애물을 감지하지 못한 경우에 장애물 감지유닛의 이미지 센서의 제1영역을 나타내는 도면이다.
바닥면(101)에서 상측 장애물(110)까지의 간격(H1)이 로봇 청소기(1)의 높이(H)보다 높은 경우는 로봇 청소기(1)가 상측 장애물(110)의 아래로 들어갈 수 있으므로, 상측 장애물(110)의 아래 영역도 청소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛(10)은 청소 영역의 바닥면(101)에서 로봇 청소기(1)의 높이(H)보다 높은 곳에 위치하는 물건(110), 시설물 등은 장애물로 인식하지 않고, 로봇 청소기(1)의 높이보다 작은 간격으로 떨어진 곳에 위치하는 것들은 상측 장애물로 인식하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 로봇 청소기(1)의 높이(H)가 15cm인 경우, 장애물 감지유닛(10)은 바닥면(101)에서 16cm 이상 떨어진 것은 상측 장애물로 인식하지 않고, 그 이하 이격된 것들은 상측 장애물로 인식할 수 있다.
다른 예로는, 장애물의 높이(H1)를 청소 영역의 바닥면(101)이 아니라 로봇 청소기(1)에 설치된 렌즈 조립체(20)에서 장애물까지의 간격(H2)을 기준으로 결정할 수도 있다. 예를 들어, 렌즈 조립체(20)에서 로봇 청소기(1)의 최고점까지의 높이(H)가 8cm인 경우에, 렌즈 조립체(20)에서 약 9cm 떨어진 물체(110), 즉 H2=9cm인 물체는 상측 장애물로 인식하고, 약 12cm 떨어진 물체(110), 즉 H2=12cm인 물체는 상측 장애물로 인식하지 않을 수 있다. 도 13b는 상측 물체(110)가 렌즈 조립체(20)에서 약 9cm 떨어진 경우에, 장애물 감지유닛(10)의 이미지 센서(53)가 상측 물체(110)를 감지한 것을 나타낸다. 따라서, 도 13b의 이미지 센서(53)의 제1영역(53-1)에는 장애물 영상(O2)이 형성된다. 도 13c는 상측 물체(110)가 렌즈 조립체(20)에서 약 12cm 떨어진 경우로서, 장애물 감지유닛(10)의 이미지 센서(53)가 상측 물체(110)를 감지하지 못한 것을 나타낸다. 따라서, 도 13c의 이미지 센서(53)의 제1영역(53-1)에는 어떠한 영상도 나타나지 않는다.
이와 같이 장애물 감지유닛(10)이 장애물로서 인식할 수 있는 로봇 청소기(1)의 전방의 상측에 존재하는 장애물(110)의 바닥면(101)에서의 간격(H1)은 장애물(110)에 의해 반사된 반사광이 입사되는 반사굴절렌즈(40)의 제1면의 굴절영역(41)을 조절함으로써 결정할 수 있다.
또한, 반사굴절렌즈(40)로 상측 장애물을 감지할 때, 렌즈의 특성에 의해 로봇 청소기(1)의 진행방향(F)으로 정면에 위치하는 장애물의 감지 높이와 로봇 청소기(1)의 측면에 위치하는 장애물의 감지 높이에 차이가 발생한다. 일반적으로, 장애물 감지유닛(10)은 로봇 청소기(1)의 정면에서 측면으로 갈수록 더 높은 위치에 있는 물체를 장애물로 인식하게 된다. 따라서, 로봇 청소기(1)의 진행방향으로 정면과 측면에 동일 높이로 2개의 물체가 있는 경우에, 로봇 청소기(1)가 정면에 있는 물체를 장애물로 인식하지 않는 경우에도 측면에 있는 물체는 장애물로 인식하게 된다. 따라서, 실제로는 로봇 청소기(1)가 진입할 수 있는 영역을 진입할 수 없는 영역으로 판단하는 경우가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 로봇 청소기(1)의 측면에 있는 물체에서 반사되어 반사굴절렌즈(40)로 입사되는 광의 일부를 차단할 필요가 있다. 반사굴절렌즈(40)로 입사되는 광은 반사굴절렌즈(40)의 제1면의 굴절면(41)을 마스킹(masking)을 하여 조절할 수 있다. 마스킹의 형태는 상부 발광모듈(71)의 설치위치가 렌즈 조립체(20)에 대해 상측 또는 하측인지에 따라 결정된다.
도 14a는 상부 발광모듈이 렌즈 조립체의 하측에 설치된 경우에 상측 장애물을 감지하는 경우를 나타내는 도면이고, 도 14b는 도 14a의 경우의 렌즈 조립체의 반사굴절렌즈에 형성된 마스킹 형상을 나타낸 도면이다.
도 14a를 참조하면, 상부 발광모듈(72)은 렌즈 조립체(20)의 아래에 설치되어 있으며, 전방의 상측을 향해 평면광을 조사하도록 설치된다. 이 경우, 반사굴절렌즈(40)의 제1면에 형성하는 마스킹은 도 14b에 도시된 바와 같이 제1면의 굴절영역(41)의 일부와 반사영역(42)을 덮는 타원형이며, 반사굴절렌즈(40)의 시야각(θ1)은 약 0~40도이다. 이때, 로봇 청소기(1)의 높이(H)는 145mm이고, 장애물 감지거리(D)는 100mm이며, 상부 발광모듈(72)의 설치높이는 60mm이고, 상부 발광모듈이 평면광을 조사하는 각도(θ2)는 약 52도이다.
도 15a는 상부 발광모듈이 렌즈 조립체의 상측에 설치된 경우에 상측 장애물을 감지하는 경우를 나타내는 도면이고, 도 15b는 도 15a의 경우의 렌즈 조립체의 반사굴절렌즈에 형성된 마스킹 형상을 나타낸 도면이다.
도 15a를 참조하면, 상부 발광모듈(72)은 렌즈 조립체(20)의 상측에 설치되어 있으며, 전방의 상측을 향해 평면광을 조사하도록 설치된다. 이 경우, 반사굴절렌즈(40)의 제1면에 형성하는 마스킹(48)은 도 15b에 도시된 바와 같이 광이 입사되는 영역(41)을 대략 초승달 형태로 남기고 나머지 부분은 광이 들어오지 못하도록 차단하는 형태가 되며, 반사굴절렌즈(40)의 시야각(θ1')은 약 33~40도이다. 이때, 로봇 청소기(1)의 높이(H)는 145mm이고, 장애물 감지거리(D)는 100mm이며, 상부 발광모듈(72)의 설치높이는 87.2mm이고, 상부 발광모듈(72)이 평면광을 조사하는 각도(θ2')는 약 15도이다.
이와 같이 반사굴절렌즈(40)의 제1면(41,42)에 마스킹(47,48)을 하면, 장애물 감지유닛(10)이 상측 장애물을 감지할 수 있는 감지 높이를 로봇 청소기(1)의 정면과 측면에서 일정하게 할 수 있다.
이상에서는 장애물 감지유닛(10)이 발광모듈을 이용하여 평면광을 전방으로 조사한 후, 조사된 광을 반사하는 물체를 장애물로 인식하는 방법에 대해 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예로서, 장애물 감지유닛이 발광모듈을 이용하여 평면광을 조사하지 않고, 렌즈 조립체를 통해 입사되는 외부 광에 의해 이미지 형성모듈의 이미지 센서에 형성되는 주변 영상을 처리하여 로봇 청소기의 전방에 위치하는 장애물의 유무 및 상태를 감지하는 방법을 사용할 수 있다. 이미지 센서에 형성되는 로봇 청소기의 주변 영상에서 장애물을 검출하는 것은 종래의 영상처리방법을 사용할 수 있다. 발광모듈을 사용하는 방법은 로봇 청소기의 주행에 필요한 일정한 영역만을 감지하고 로봇 청소기의 주행과 관계가 없는 영역은 감지하지 않도록 감지 범위를 설정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르는 장애물 감지유닛을 구비한 이동로봇에 의하면, 한 개의 렌즈 조립체와 이미지 형성모듈로 구성된 장애물 감지유닛을 사용하여 로봇 청소기의 전방, 전방의 하측, 및 전방의 상측의 장애물을 감지할 수 있으므로, 전방 장애물과 전방의 상측에 있는 장애물을 감지하기 위해 별도의 장치를 사용하는 종래의 이동로봇에 비해 제조비용을 줄일 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛은 렌즈 조립체를 구성하는 반사굴절렌즈와 반사미러를 분리 가능하게 설치할 수 있으므로, 필요에 따라 반사굴절렌즈의 사양이나 반사미러의 사양을 별도로 변경할 수 있으므로, 이동로봇에 대한 적응성이 좋다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 장애물 감지유닛는 반사굴절렌즈, 반사미러, 및 이미지 형성모듈이 동일 축상에 설치되므로, 반사미러가 이미지 형성모듈과 동일 축상에 설치되지 않는 종래의 장애물 감지유닛에 비해 장애물 감지 오차를 줄일 수 있다.
상기에서 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실시될 수 있을 것이다.
1; 로봇 청소기 2; 청소유닛
3; 주행 유닛 4; 입출력 유닛
5; 위치 검출 유닛 6; 리프트 감지 유닛
7; 동작 감지 유닛 8; 저장 유닛
9; 전원 유닛 10; 장애물 감지유닛
20; 렌즈 조립체 30; 반사 미러
31; 반사면 32; 관통공
40; 반사굴절렌즈 41; 제1면 굴절영역
42; 제1면 반사영역 43; 제2면 반사영역
44; 제2면 굴절영역 45; 지지부
50; 이미지 형성모듈 51; 광학 부재
53; 이미지 센서 60; 투명지지부재
70; 장애물 감지 제어부 71; 하부 발광모듈
72; 상부 발광모듈 90; 제어부
100; 고정 브라켓 101; 바닥면
110; 장애물

Claims (20)

  1. 전방 및 전방의 하측으로부터 입사되는 광을 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된 반사미러; 및
    상기 반사미러의 상측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사되는 반사굴절렌즈;를 포함하며,
    상기 반사미러의 중앙에는 상기 반사굴절렌즈에서 나오는 광이 통과하는 관통공이 형성되고,
    상기 반사미러는 상기 반사굴절렌즈의 측면을 둘러싸도록 배치되는 렌즈 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈는 상기 반사미러에 분리 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈는 서로 마주하는 제1면과 제2면을 포함하며,
    상기 제1면은 내측에 형성된 반사영역과 상기 반사영역을 둘러싸는 굴절영역을 포함하고,
    상기 제2면은 내측에 형성된 굴절영역과 상기 굴절영역을 둘러싸는 반사영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈의 상기 제1면의 굴절영역은 외부에서 광이 입사되도록 형성되며,
    상기 반사굴절렌즈의 상기 제2면의 반사영역은 상기 제1면의 굴절영역으로 입사된 상기 광을 상기 제1면의 반사영역으로 반사하도록 형성되며,
    상기 제2면의 굴절영역은 상기 제1면의 반사영역에서 반사된 상기 광이 투과하여 상기 반사굴절렌즈의 외부로 방출될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1면의 굴절영역은 입사각이 0~60도인 광이 입사될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1면에는 입사각을 제한하는 마스킹이 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1면의 반사영역과 상기 제2면의 반사영역은 알루미늄과 크롬 중 어느 한가지로 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사미러는 입사각이 -60~0도 사이인 광을 상기 반사미러의 관통공의 아래를 향해 반사하도록 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사미러의 관통공은 상기 반사굴절렌즈에서 방출되는 광이 간섭되지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
  10. 전방 및 전방의 하측으로부터 입사되는 광을 중앙부의 아래를 향하여 반사하도록 형성된 반사미러;
    상기 반사미러의 상측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며, 전방 및 전방의 상측으로부터 광이 입사되는 반사굴절렌즈; 및
    상기 반사미러의 하측에 상기 반사미러와 동축상으로 설치되며 상기 반사미러에서 반사된 광이 입사되는 이미지 형성모듈;을 포함하며,
    상기 반사미러의 중앙에는 상기 반사굴절렌즈에서 나오는 광이 통과하여 상기 이미지 형성모듈로 입사하는 관통공이 형성되고,
    상기 반사미러는 상기 반사굴절렌즈의 측면을 둘러싸도록 배치되는 장애물 감지유닛.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈는 상기 반사미러에 분리 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 장애물 감지유닛.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈는 서로 마주하는 제1면과 제2면을 포함하며,
    상기 제1면은 내측에 형성된 반사영역과 상기 반사영역을 둘러싸는 굴절영역을 포함하고,
    상기 제2면은 내측에 형성된 굴절영역과 상기 굴절영역을 둘러싸는 반사영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지유닛.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반사굴절렌즈의 상기 제1면의 굴절영역은 외부에서 광이 입사되도록 형성되며,
    상기 반사굴절렌즈의 상기 제2면의 반사영역은 상기 제1면의 굴절영역으로 입사된 상기 광을 상기 제1면의 반사영역으로 반사하도록 형성되며,
    상기 제2면의 굴절영역은 상기 제1면의 반사영역에서 반사된 상기 광이 투과하여 상기 반사굴절렌즈의 외부로 방출될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 장애물 감지유닛.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사미러와 상기 이미지 형성모듈을 고정하는 투명지지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지유닛.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 이미지 형성모듈은 이미지 센서를 포함하며,
    상기 반사굴절렌즈로 입사된 광은 상기 이미지 센서의 중앙부의 제1영역으로 입사되어 상부 영상을 형성하며, 상기 반사미러에 의해 반사된 광은 상기 이미지 센서의 상기 제1영역을 감싸는 제2영역으로 입사되어 하부 영상을 형성하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지유닛.
  16. 이동로봇의 본체;
    상기 본체에 설치되며, 상기 이동로봇을 이동시키는 주행 유닛;
    상기 본체의 앞 부분에 설치되며, 상기 이동로봇의 전방, 전방의 하측, 및 전방의 상측에 있는 장애물을 감지할 수 있도록 형성된 청구항 10항 내지 15항 중의 어느 한 항의 장애물 감지유닛; 및
    상기 장애물 감지유닛으로부터 입력된 장애물 정보에 따라 상기 주행 유닛을 제어하여 상기 이동로봇을 이동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반사미러는 상기 본체의 전후 방향과 평행하고 상기 반사미러의 중심을 지나는 선에 대해 좌우로 120도의 범위 내로 입사된 광을 상기 이미지 형성모듈로 반사하도록 형성되며, 광을 반사하지 않는 상기 반사미러의 부분은 상기 본체에 고정된 것을 특징으로 하는 이동로봇.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 장애물 감지유닛은 상기 반사굴절렌즈에서 수직방향으로 일정 거리 내에 있는 물체를 장애물로 인식하고, 상기 일정 거리보다 먼 거리에 위치하는 물체는 장애물로 인식하지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 이동로봇.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 이동로봇의 본체에는 전방으로 광을 방출하는 발광모듈이 설치되며,
    상기 장애물 감지유닛은 상기 발광모듈에서 조사된 광을 이용하여 상기 본체의 전방, 전방의 상측, 및 전방의 하측에 위치하는 장애물을 검출하는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 발광모듈은 상기 전방의 상측으로 광을 조사하는 상부 발광모듈과,
    상기 전방의 하측으로 광을 조사하는 하부 발광모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
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