KR20020038295A - 모빌로봇 - Google Patents

Abstract

자기의 현재 위치를 인식할 수 있는 모빌로봇이 개시된다. 본 발명에 의한 모빌로봇은, 실내에서의 이동을 구현하는 주행부, 장애물을 감지하는 센서부, 주행부와 센서부를 제어하여 이동경로를 제어하는 제어부 및 전원을 저장하며 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 이루어지며, 실내의 천정에 있는 기준위치표지를 인식할 수 있도록 천정을 지향하여 설치된 비젼카메라; 비젼카메라가 촬영한 이미지를 처리하여 제어부로 송신하는 비젼보드;를 포함한다. 모빌로봇은 비젼카메라와 비젼보드에 의해 현재 위치를 인식할 수 있다.

Description

모빌로봇{Mobile robot}

본 발명은 실내에서 자율적으로 주행하는 모빌로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비젼카메라를 이용하여 자기의 위치를 인식하며 주행하는 모빌로봇에 관한 것이다.

모빌로봇이란 본체내에 전원과 센서를 탑재하고 있어 외부로부터의 신호와 전원의 공급이 없이도 자율적으로 이동이 가능한 로봇을 말한다. 통상 실내에서 사용되는 모빌로봇은 실내의 청소를 위한 청소용 로봇과 외부의 침입자로부터 빈집을 경비하는 경비용 로봇으로의 응용을 목적으로 개발되고 있다.

종래의 기술에 의한 모빌로봇은 통상적으로 자기의 위치를 인식하는 기능이 없이, 무작위로 일방향으로 진행하다가 벽과 같은 장애물을 만나면 미리 설정된 방향으로 진행방향을 바꾸어 이동하고, 바뀐 방향으로 계속 진행중에 또 다시 벽과 같은 장애물을 만나면 상기와 같은 방식로 다시 방향을 전환하여 주행하는 방식인 랜덤모션(Random Motion)을 사용하여 왔다.

상기와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 모빌로봇은 실내에서의 이동을 구현하는 주행부와, 벽 등의 장애물을 감지하는 센서부, 상기 주행부와 센서부를 제어하여 모빌로봇의 이동경로를 제어하는 제어부 및 전원을 저장하며 상기 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 구성된다.

주행부는 서보모터나 스텝핑모터 등으로 복수의 바퀴를 회전시켜 이동하는 바퀴타입, 또는 무한궤도를 이용하는 케터필러타입이나 복수의 다리를 이용하여 이동하는 관절타입 등의 다양한 방식이 있으나, 제어가 간단한 바퀴타입의 주행부가 주로 사용되고 있다.

센서부는 초음파센서나 레이저센서를 사용하여 벽과 같은 장애물을 감지하고 이에 따른 신호를 제어부로 송신하는 기능을 갖는다. 이 센서부의 센서는 통상적으로 주행방향의 장애물을 감지할 수 있도록 모빌로봇의 전면에 모빌로봇의 주행면과 평행한 방향을 향하도록 설치되어 있다.

제어부는 마이크로 프로세서와 메모리를 탑재하고 있어 주행부에 대해 이동명령을 송신하고, 센서부로부터 수신하는 신호에 따라 미리 탑재된 프로그램에 따라 장애물을 회피하도록 주행부의 동작을 제어하고, 전원부에 저장된 전원의 양이 일정치 이하로 떨어지면 전원부의 전원을 충전하는 동작을 행하도록 하는 등 모빌로봇의 전체적인 동작을 제어한다.

전원부는 모빌로봇의 동작에 필요한 전원, 예컨데 주행부의 바퀴를 회전시키는 모터의 전원과, 센서부의 센서를 동작시키기 위한 센서전원과, 제어부를 동작시키는데 필요한 제어전원 등을 공급하는 장치로써, 통상 축전지로 구성되어 있어 일정시간 동안 외부에서의 전원공급 없이 모빌로봇이 동작할 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 모빌로봇이 작용을 설명하면 다음과 같다.

임의의 위치에 정지해 있던 모빌로봇이 기동명령을 수신하면, 제어부가 주행부와 센서부에 이동명령 및 센싱신호를 송출한다. 그러면 주행부는 제어부의 신호에 따라 모터를 구동시켜 일정한 방향으로 주행을 개시한다. 이 때 센서부도 센서를 가동하여 센싱신호를 제어부에 송신하게 된다. 모빌로봇이 주행을 하는 중에 센서가 미리 결정되어 있는 일정 거리내의 벽과 같은 장애물을 인식하면, 제어부는 프로그램된 방법에 따라 주행부에 주행방향을 변경하도록 하는 명령을 송신하여 주행방향을 변경하여 주행을 계속한다. 주행계속중에 또 다시 장애물을 인식하면 상기와 같은 방법으로 다시 방향을 변경하여 주행을 한다. 즉, 모빌로봇은 도 1에 나타낸 바와 같이 주변의 장애물의 상태와 모빌로봇(1)의 초기위치에 따라 랜덤한 주행경로를 그리면서 주행을 하게 된다.

이와 같이 랜덤한 주행경로를 그리는 랜덤모션이 사용된 종래의 모빌로봇은 특정 경로를 이동하는데는 비효율적이며, 동일한 지역을 반복하여 이동하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 모빌로봇이 자기의 위치를 인식하므로써, 특정 경로를 효율적으로 이동할 수 있으며, 동일한 지역을 반복하여 이동하는 일이 발생하지 않는 모빌로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 의한 모빌로봇의 주행경로를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 의한 모빌로봇의 일 실시예의 구조를 간략하게 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 모빌로봇의 개념을 나타내는 기능블록도,

도 4는 본 발명에 의한 모빌로봇의 자기위치 인식방법을 나타내는 순서도,

도 5는 본 발명에 의한 모빌로봇에 사용되는 기준위치표지의 일예를 나타내는 도면,

도 6은 모빌로봇에 마스크 이미지를 티칭하는 경로를 나타내는 도면,

도 7은 본 발명에 의한 모빌로봇이 자기위치를 인식한 후 일정한 패턴경로를 따라 주행하는 상태를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1; 모빌로봇10; 비젼카메라

12; 비젼보드20; 제어부

21; 이미지데이타 처리부30; 모터드라이브

31; 모터32; 바퀴

41; 라인레이저 센서42; 충격센서

50; 전원부60; RF 리모콘 송수신부

70; 기준위치표지

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 모빌로봇은, 실내에서의 이동을 구현하는 주행부, 장애물을 감지하는 센서부, 상기 주행부와 센서부를 제어하여 이동경로를 제어하는 제어부 및 전원을 저장하며 상기 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 이루어지며, 상기 실내의 천정에 있는 기준위치표지를 인식할 수 있도록 천정을 지향하여 설치된 비젼카메라; 상기 비젼카메라가 촬영한 이미지를 처리하여 상기 제어부로 송신하는 비젼보드;를 포함한다.

여기서, 상기 기준위치표지는 기준판과, 상기 기준판에 형성된 일정 간격을 갖는 복수의 점으로 구성되는 인식마크인 것을 특징으로 한다.

또한, 이 모빌로봇의 또 다른 실시예로, 먼지나 오물을 흡입하는 흡입구와, 흡입된 상기 먼지나 오물을 저장하는 집진부 및 흡입동력을 발생시키는 모터구동부로 구성되는 진공청소장치가 더 포함된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 모빌로봇의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도면에 나타낸 바와 같이 모빌로봇(1)에는 비젼카메라(CCD Camera,10)가 천장을 촬영할 수 있도록 수직방향으로 설치되어 있고, 비젼카메라(10)가 촬영한 이미지를 처리하는 비젼보드(12)가 일측에 마련되어 있다. 또한, 제어부(20)에도 비젼보드(12)에서 송신된 이미지데이타로부터 위치데이타를 계산하는 마이크로 프로세서가 탑재되어 있는 이미지데이타 처리부가 포함되어 있다.

이 이외의 구성은 종래의 기술에 의한 모빌로봇과 동일하다. 즉, 모빌로봇 (1)의 이동을 구현하는 주행부와, 벽 등의 장애물을 감지하는 센서부, 상기 주행부와 센서부를 제어하여 모빌로봇(1)의 이동경로를 제어하는 제어부(20) 및 전원을 저장하며 상기 각 부에 전원을 공급하는 전원부(50)로 구성된다. 도 3을 참조하면 주행부는 2개의 바퀴(32)와 각각의 바퀴(32)를 회전시키는 모터(31)와 모터드라이브(30)로 구성되고, 센서부는 장애물을 감지하는 라인레이저센서(41)와 충격센서 (42)를 구비하고 있다. 이외에 축전기로 된 전원부(50)와 원격통신으로 모빌로봇 (1)의 기동/정지를 제어하는 R/F 리모콘 송수신부(60)를 구비하고 있다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 모빌로봇(1)이 자기위치를 인식하며 이동하는 과정을 도 4을 참조하여 설명한다.

우선 모빌로봇(1)이 이동명령을 수신하면, 제어부(20)는 시스템을 초기화하고 이동할 방향과 거리를 확인한다(S10,S20). 설정된 이동방향과 이동거리의 데이타가 없으면, 제어부(20)는 비젼보드(12)에 이미지데이타를 요청한다(S30). 비젼보드(12)는 제어부(20)로부터 이미지데이타 요구신호를 수신하면 비젼카메라(10)를 이용하여 현재의 천장에 대한 이미지를 촬영한다. 비젼보드(12)는 비젼카메라(10)가 그랩(grab)한 이미지를 Threshold(이진화)처리한 후 이 데이타를 제어부(20)의 이미지데이타 처리부(21)로 송신한다(S40). 비젼보드(12)로부터 이미지데이타를 수신한 이미지데이타 처리부(21)는 리젼코릴레이션(region correlation)과정을 거쳐 기준위치표지(70)상의 인식마크(71,73)의 위치와 방향을 검출하여 주행부가 이동해야 할 거리와 방향을 산출한다(S50). 여기서, 인식마크는 천정에 설치되어 있는 각 종의 부착물 중에서 비젼카메라(10)에 의해 인식이 가능한 것이면 어느 것이나 관계 없으나, 인식의 정확성을 위해서는 특정한 형태의 인식마크가 표시된 기준위치표지를 사용하는 것이 바람직하다. 기준위치표지의 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 기준위치표지(70)는 기준판(75)과 큰 점(71)과 작은 점(73)으로 된 인식마크로 이루어져 있다. 여기서 큰 점(71)은 기준위치를 확인하기 위한 마크이고 작은 점(73)은 큰 점(71)과의 관계에 의해 방향을 확인하기 위한 마크이다.

제어부(20)는 이미지데이타 처리부(21)가 산출한 이동거리와 방향을 주행부로 송신하며, 주행부는 제어부(20)의 신호에 따라 정해진 방향으로 일정거리를 이동하게 된다(S60).

여기서, 이진화된 이미지데이타를 리젼코릴레이션하여 인식마크(71,73)를 찾는 과정을 좀더 상세히 설명한다.

리젼코릴레이션이란 기준위치표지(70)의 마스크 이미지(mask image)의 데이타와 임의 시점에서 기준위치표지(70)가 부착된 천장을 그랩한 이미지데이타를 비교하여 임의 시점에서의 비젼카메라(10)의 이미지 윈도우상에서 마스크 이미지와 유사한 부분의 위치를 찾아내는 것이다. 기준위치표지(70)의 마스크 이미지는 도 6에 나타낸 바와 같이 화살표 방향으로 위에서부터 아래로 티칭을 하여 입력을 한다.

또한, 마스크 이미지와 유사한 부분의 위치를 찾아 내는 방법은 티칭된 마스크 이미지로부터 임의의 시점에 그랩한 이미지데이타의 모든 영역에서 리젼코릴레이션 계수를 구하고, 이 중에서 리젼코릴레이션 계수 값이 가장 큰 부분의 위치를 찾는 것이다. 왜냐하면 리젼코릴레이션 계수가 가장 큰 부분이 마스크 이미지와 가장 유사한 모양 즉, 모빌로봇(1)이 목표로 하는 기준위치표지(70)의 인식마크의 이미지와 가장 유사한 모양을 하고 있는 부분이기 때문이다. 이 기준위치표지(70)의 위치는 비젼카메라(10)로 그랩한 이미지 윈도우의 픽셀 좌표값으로 표시된다. 따라서 모빌로봇(1)은 설정되어 있는 기준위치표지(70)의 원점좌표와 현재의 이미지 윈도우의 기준위치표지(70)의 좌표를 이용하여 현재 위치와 방향을 알 수 있게 된다. 또한, 비젼카메라(10)가 천장의 기준위치표지(70)를 그랩하는 샘플링시간 마다의 기준위치표지(70)의 위치를 이미지 윈도우의 픽셀 좌표값으로 알게 되므로 모빌로봇(1)이 이동하는 변화값을 알 수 있기때문에 모빌로봇(1)의 이동경로도 알 수 있게 된다.

상기에서 설명한 리젼코릴레이션 계수는 다음 식에 의하여 구할 수 있다.

=

여기서, 는 리젼코릴레이션 계수,

은 티칭된 마스크 이미지,은 티칭된 마스크 이미지의 평균값,

는과 리젼코릴레이션을 하는 이미지,는의 평균값,

는 마스크 이미지가 이동하는 좌표의 크기,

(x, y)는 좌표, S는 원 이미지를 의미한다.

이상에서 설명한 바와 같이 모빌로봇(1)은 비젼카메라(10)에 의해 현재의 위치를 확인하면, 미리 프로그램되어 있는 주행경로를 따라 이동하며 주어진 작업을 수행하게 된다.

모빌로봇(1)이 자기위치를 인식하고 작업을 하는 예로서, 모빌로봇(1)에 먼지나 오물을 흡입하는 흡입구와, 흡입된 상기 먼지나 오물을 저장하는 집진부 및 흡입동력을 발생시키는 모터구동부를 포함하여 이루어지는 진공청소용 모빌로봇이 청소를 하는 경로의 일예를 도 7에 나타내고 있다. 이와 같이 진공청소용 모빌로봇이 주행하는 주행경로는 실내의 형상에 따라 여러가지 패턴으로 미리 프로그램하여 둘 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 모빌로봇은, 자기의 현재 위치를 인식함으로써, 특정 경로를 효율적으로 이동할 수 있으며, 동일한 지역을 반복하여 이동하는 일이 발생하지 않게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고, 또한 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (3)

1. 실내에서의 이동을 구현하는 주행부, 장애물을 감지하는 센서부, 상기 주행부와 센서부를 제어하여 이동경로를 제어하는 제어부 및 전원을 저장하며 상기 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 이루어진 모빌로봇에 있어서,

   상기 실내의 천정에 있는 기준위치표지를 인식할 수 있도록 천정을 지향하여설치된 비젼카메라;

   상기 비젼카메라가 촬영한 이미지를 처리하여 상기 제어부로 송신하는 비젼보드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모빌로봇.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준위치표지는,

   기준판과, 상기 기준판에 형성된 일정간격을 갖는 복수의 점으로 구성되는 인식마크인 것을 특징으로 하는 모빌로봇.
3. 제 1 항에 있어서,

   먼지나 오물을 흡입하는 흡입구와, 흡입된 상기 먼지나 오물을 저장하는 집진부 및 흡입동력을 발생시키는 모터구동부로 구성되는 진공청소장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 모빌로봇.