KR20080099370A - 기립과 기동을 스스로 제어하는 청소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역 진자(Inverted pendulum)형 지지구조의 높은 무게중심을 가지고 기립과 기동을 스스로 제어하는 청소기에 관한 것으로, 본체와, 하나의 회전중심으로 상기 본체를 구동하는 구동부와. 상기 본체의 무게중심 변동으로 인한 기울기(slope) 또는 상기 본체의 어느 한 부분과 상기 회전중심 사이의 위치 변화량을 감지하는 감지부를 가지며 상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부가 주요 특징부로 구성된다.

상기 구성에 따른 본 발명의 청소기는 본체 내부에 장착된 감지부가 사용자의 청소행위 및 이동행위를 적절히 구별하여, 내부에 장착된 구동모터로 스스로 자세를 유지하고 사용자를 따라 이동함으로써 청소행위 외에 별도로 청소기 이동에 필요한 사용자의 노력을 절감시켜 준다. 또한 중심이 높은 역 진자형의 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, 무게중심, 구동, 제어

Description

기립과 기동을 스스로 제어하는 청소기{A Self-standing and auto-maneuvering 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 8은 도 1 ~ 도 4의 측면도에서 본체의 각도θ를 각각 좌표 (x,y)로 표현한 측면도.

도 9 ~ 도 11은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심과 높은 무게중심을 갖는 본체의 측면도.

도 12 ~ 도 14는 도 9 ~ 도 11의 측면도에서 본체의 각도θ를 각각 좌표 (x,y)로 표현한 측면도.

도 15 ~ 도 19은 도 9 ~ 도 14의 구조에서, 2개의 회전중심을 갖도록 변경설계한 본체의 측면도.

도 20 및 도 21은 하나의 회전축과 한 쌍의 바퀴를 가진 청소기구조를 구현하였을 경우의 측단면도.

도 22 및 도 23은 도 20, 도 21에 도시된 청소기 구조의 정면도.

도 24 및 도 25은 도 20, 도 21에 도시된 청소기 구조의 상면도.

도 26 및 도 27은 도 20, 도 21에 도시된 청소기 구조의 외형 사시도.

[도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명]

10: 본체 11: 무게중심 12: 제2회전중심

14: 스프링 15: 연결부재 16: 제2연결부재

20: 바퀴 21: 바퀴회전축

30: 흡입호스결합부 31: 흡입호스결합부중심

40: 흡입모듈 41: 흡입노즐 42:흡입관 43:흡입관손잡이

50: 흡입호스 51: 흡입모듈결합부중심

61: 흡입모터 62: 흡입팬

63: 흡입먼지통 64: 코드릴

70: 구동모터 71: 기어박스 72: 변압 정류모듈

80: 각도감지부 81: 제어부

90: 제1위치감지부 91: 제2위치감지부

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 발명의 청소기는 하나의 회전중심으로 구동과 지지역할을 수행하는 구동부와 청소면을 기준으로 상기 축보다 높은 무게중심을 갖는 본체와 상기 본체의 무게중심 변동으로 인한 기울기(slope)를 감지하거나 또는 상기 본체의 어느 한 부분과 상기 회전축 사이의 위치 변화량을 감지하는 감지부와 상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 주요 특징으로 한다.

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

상기 흡입호스 구성에 추가하여 상기 흡입호스 결합부는 상기 본체의 무게중심을 변동시킬 수 있도록 청소면을 기준으로 상기 축과 서로 다른 높이로 배치되거나 상기 무게중심과 떨어져서 상기 본체에 결합 될 수 있으며, 상기 흡입호스와 마찬가지로 상기 본체에 가하게 되는 회전모멘트를 고려하여 그 위치가 변동될 수 있다.

또한 상기 감지부는, 상기 기울기의 변화속도 또는 변화가속도 또는 상기 위치변화량의 변화속도 또는 변화가속도를 상기 감지정보 중 하나로서 감지하는 구성을 더 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로, 최상의 감지정보를 얻기 위하여 배치위치가 선택될 수 있고, 예컨대 각도를 감지하는 구성일 경우, 바퀴회전축과 최대한 가까운 위치(또는 축선 상)에 각도센서가 배치될 수 있으며 이 경우 각도정보를 교란하는 수평, 수직 속도 및 진동 등이 최소화될 수 있다.

반면 각도가 아니라 이동거리를 감지하는 구성일 경우, 바퀴회전축에 하나, 상기 바퀴회전축과 가장 멀리 떨어진 곳에 하나를 배치하여 두 곳의 누적 이동거리를 감지하여 그 차이를 계산함으로써 회전각도 대비 위치의 상대 변화량을 최대화할 수 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.

그리고 상기 본체와 상기 구동부 사이의 지지구조에는 본체의 무게중심과 구 동부의 회전축이 일치될 수도 있고(이때 본체는 하나의 회전중심을 가진다), 일치되지 않을 수도 있으며(이때 본체는 둘 이상의 회전중심을 가진다), 일치되지 않을 경우 별도의 연결부재와 코일스프링 또는 토션빔스프링 등의 탄성지지 부재가 추가 결합될 수 있다.

상기와 같은 구조의 본 발명은 흡입모듈의 이동동작과 청소동작을 선택적으로 구별할 수 있고, 외력 P또는 상기 P의 수평분력 F에 따른 본체(10)의 무게중심(11)에 변화가 발생할 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 아님을 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 구 성되는 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 강체라면, 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 움 직임이 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 청소기가 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)도 θ=0인 직립상태에 있다.

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 기울기는 θ≥0으로 약간 변동하게 되며, 상기 변동신호를 보정하고자 한다면 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 유발되며, 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)의 기울기 변화, 즉 θ＞0을 유발하게 되는바, 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.

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 도면 과 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 가할 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 본체(10)의 중심축 기울기인 θ가 되며, 이때 상기 θ는 여러 가지 방법으로 측정 및 분석될 수 있다.

그리고 상기 본체(10)에서 θ에 더해서 추가로 고려해야 할 중요한 설계요소가 존재하는데 본체의 '무게중심'의 위치 및 하중 W의 크기와, 본체의 회전중심이 2개일 때 본체의 '제2회전중심'의 위치가 중요한 설계요소가 될 수 있으며 상기 바퀴회전축(21)과 상기 본체의 특정부분(예를 들어 무게중심점) 사이를 당기게 되는 스프링(14) 부재의 탄성계수 또한 고려해볼 만한 요소이다.

도 5 ~ 도 8은 상기 도1 ~ 도4에서 본체의 각도θ를 각각 좌표 (x,y)로 표현한 측면도를 나타낸 것으로서, 이 경우는 회전축 상의 기준점 (x₀ , y₀)을 기준으로 본체 상단부 (x₃ , y₃)의 상대위치를 판별하게 되므로 도1 ~ 도4와 같이 하나의 절대각도 변수에 의존한 감지방식과는 달리 본체(10)의 이동거리를 감안한 현재위치와 상대각도의 2가지 변수를 조합한 감지방식을 채택할 수 있을 것이다.

도 9 ~ 도 11은 바퀴의 구동축과 본체의 회전중심이 일치하는 1축의 회전중심과 높은 무게중심(11)을 갖고 있는 본체(10)의 역학적 관계를 도시한 것으로서, 먼저, 도10에서와 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 θ의 변화량을 감지하여 좌우로 미량의 회전력 T를 인가하므로 불안정 평형상태에서도 넘어지지 않도록 한다.

물론 이때 상기 θ는 편의상 힘 P가 작용하는 작용 중심점인 흡입호스 결합부중심(31)과, 바퀴회전축(21) 사이를 연결한 선과, 중력작용선(수직선) 사이의 상대각도를 기본 값으로 정하였지만 상기 θ를 측정하기 위하여 반드시 상기 흡입호스 결합부중심(31)과 바퀴회전축(21) 사이를 연결한 선을 선정할 필요는 없으며 필요에 따라 장착된 감지부가 중력에 대해 감지하는 절대각도를 기본 값으로 할 수도 있음은 당연하다.

상기 도10의 불안정 평형상태가 좌우로 흐트러지는 상태가 도9 및 도11인데 이 경우 상기 무게중심(11)이 넘어지는 쪽으로 이동하므로 중심이 무너지는 속도는 더욱 빠르게 되며, 따라서 회전력 T는 더욱 큰 변동량을 가지고 빠르고 정확하게 인가될 필요가 있다.

상기 도9 및 도11의 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 12 ~ 도 14는 상기 도9~도11의 측면도에서 본체(10)의 각도θ를 각각 (x,y) 좌표로 표현한 측면도를 나타낸 것으로서, 이때 바퀴회전축(21) 상의 기준점 (x₀ , y₀)을 기준으로 한 본체 상단부 (x₃ , y₃)의 상대위치는 수평으로 (x₃ - x₁) 만큼 이동하게 되며 수직으로 (y₃ - y₁) 만큼 이동하게 된다.

위에서 상기 바퀴회전축(21) 상의 기준점이 이동한 새로운 회전축 기준점 (x₂ , y₂)의 상대위치는 수평으로 (x₂ - x₀) 만큼 이동하게 되며 수직으로 (y₂ - y₀) 만큼 이동하게 된다.

물론 도12에서 보는 바와 같이 본체(10)의 회전중심이 하나이며 그것이 상기 바퀴회전축(21)과 일치하는 경우라면 상기 (y₂ - y₀)=0 일 것이다.(수평 평행이동을 의미한다.)

도 15 ~ 도 19 은 상기 도9~도14 에서 도출된 설계개념을 확장한 것으로서, 상기 도15~도19에서 본체(10)는 1개가 아닌 2개의 회전중심 즉, 바퀴회전축(21) 및 제2회전중심(12)을 가지며, 이때 제2회전중심(12)는 바퀴회전축(21)과 본체의 무게중심(11)보다 위에 있다. 따라서 본체가 상기 제2회전중심(12)을 중심으로 회전할 때는 단진자(simple pendulum)운동을, 본체가 상기 바퀴회전축(21)을 중심으로 회전할 때는 역진자(inverted pendulum)운동을 하는 셈이다.

상기 도15~도19에서 상기 바퀴회전축(21)과 제2회전중심(12)는 연결부재(15)로 연결되고, 상기 연결부재(15)와 본체(10)를 연결하는 제2연결부재(16)가 추가로 마련된다. 여기에서 상기 제2연결부재(16)는 상기 연결부재(15)와는 서로 회동가능한 핀지지(jointed with pin) 상태이며, 본체(10)와는 서로 회동하지 않는 고정지지(fixed) 상태이다.

그러므로 바퀴(20)가 원하는 동작을 달성한 이후에 본체가 제대로 귀환하기 위해서는 본체의 무게중심(11)과 바퀴회전축(21) 사이를 탄성 연결하는 스프링(14) 부재가 추가된다.

물론 상기 스프링(14) 부재는 그 형태와 구조에 제한이 없으며, 회전에 대한 지지력이 없는 제2회전중심(12)에 대한 회전지지용 이므로 상기 제2회전중심(12) 축 상에 토션빔을 배치할 수도 있을 것이며, 상기 제2회전중심(12)과 상기 연결부재(15) 사이의 상대 회전운동을 구속하는 것이면 어떤 형태, 어떤 연결방식도 자유롭게 도입될 수 있다.

상기 도15과 같은 상태에서, 본체(10)는 무게중심(11)을 가지고 제2회전중심(12)에 지지된 상태이며, 바퀴(20)는 바퀴회전축(21)을 통해 연결부재(15)로 부터 전달되는 본체의 하중을 지지하고 있다.

도16 및 도17은 상기 도15의 상태에서 미소한 수평력 F가 좌우로 가해진 경우를 나타내며, 이때 상기 연결부재(15)는 상기 본체(10)와 일체화되어 좌우로 흔들리게 된다. 따라서 도16는 상기 도11, 도14와 실질 동일한 상태이고, 도17은 상기 도9, 도13과 실질 동일한 상태이다.(물론 힘P와 힘F는 동일하지 않다)

따라서 상기 도16 및 도17은 본체(10)의 불안정한 무게중심으로 인한 균형이 무너지기 직전의 상태 또는 흡입호스결합부(30)로부터의 힘F가 작고 부드럽게 작용하는 상태, 즉 사용자가 청소기를 이동시키는 상태로 간주할 수 있고, 이때 사용자의 이동속도 및 이동조작을 동역학적으로 분석하고 여기에다 스프링(14) 부재의 탄성계수 및 탄성 연결위치 그리고 본체(10)의 무게중심(11) 위치와 본체하중(W), 추가로 흡입호스(50)의 무게와 유연성 등 광범위한 설계요소를 조합하여 사용자의 이동행위시 선택적으로 도16 또는 도17의 상태가 되도록 설계할 수 있다.

그리고 도18 및 도20는 상기 도11의 상태에서 강하고 충격적인 수평력 F가 좌우로 가해진 경우를 나타내며, 이때 상기 연결부재(15)는 상기 본체(10)에 대하여 상대적으로 반대로 회전하는 상태가 된다.

물론 상기 도18 및 도20의 본체 무게중심(11)의 위치를 바퀴회전축(21)의 위치와 비교하면 도16 및 도17보다 옆으로 많이 치우친 상태이나, 이 경우에는 스프링(14)의 복원력이 바퀴회전축(21) 방향으로 자동 발생하게 되어, 본체(10)는 강하 게 도16 또는 도17의 상태로 돌아가려 할 것이다.

상기 도18 및 도20의 상태가 처음부터 그대로 유지되는 경우는 사용자가 매우 급하게 이동할 경우이며, 대부분 경우에는 도15~도20 전반에 걸쳐 불안정 평형상태이므로 도18 또는 도20의 상황은 극히 짧은 시간 동안 발생한다.

그러나 매우 짧은 시간 안에 바퀴(20)에 순간적인 급격한 회전력 T를 필요로 할 때, 상기 스프링(14) 부재는 본체의 하중을 기반으로 하여 상기 바퀴(20)를 끌어당기는 회전에너지 저장공간의 역할을 하게 된다.

상기 도11~도15와 같이 단진자를 기반으로 역진자가 결합된 청소기 본체는 단순 역진자 방식의 무게중심이 높은 청소기(도9~도14)보다 기동성이 떨어지지만 중요한 요구성능 중의 하나인 본체(10)의 안정도가 증가하는 특성을 갖는다.

따라서, 본 발명의 기술적 사상을 실현하고자 하는 설계자라면 원하는 안정도와 원하는 기동성을 상기 도9~도19 사이에서 적절히 선정하여 흡입호스(50)의 재료 및 구조선정과 함께 최적의 자세제어 및 능동구동 성능을 달성할 수 있을 것이다.

상기 도9 ~ 도19에 표현된 운동 메커니즘을 갖는 청소기 본체(10)를 흡입호스결합부(30)의 움직임에 따라 구동 또는 제어하기 위해서는 상기 θ 또는 상기 수평변위(x₃ - x₁) 및 수직변위(y₃ - y₁)를 감지하는 감지부와, 상기 감지부의 감지정보를 처리하여 구동신호로 출력하는 제어부 및 상기 제어부로부터의 구동신호에 의 해 바퀴(20)를 원하는 회전력 또는 회전속도로 구동하는 구동부의 구성이 필요하다.

먼저 상기 감지부의 구성을 살펴보면, 상기 θ를 감지하기 위해서 통상의 각도센서(inclinometer) 또는 기울기 센서(tilt sensor) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 현재 각도뿐 아니라, 현재 각속도 및 각가속도를 감지할 수 있는 센서가 사용될 수 있다.

그러나 상기 각속도 또는 각가속도는 상기 제어부에서 내부연산에 의해 구해질 수도 있으므로 반드시 감지부의 구성으로 필요한 것은 아니며, 다만 상기 제어부는 내부에 자체시계를 가지며 추가로 감지부의 감지정보에 맞는 내부 미분회로, 또는 적분회로를 보유함으로서 시간적 변화에 따른 각도정보로부터 각속도를 구하고, 각속도를 미분하여 각가속도를 구할 수 있다.

또한 상기 수평변위(x₃ - x₁) 및 수직변위(y₃ - y₁)를 감지하기 위해서 (x₀ , y₀)를 기준점으로 잡고 누적 비교연산을 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 최초 기준점에서 시작하여 변화량을 누적시켜 나가므로 각도뿐 아니라 위치의 변화량도 측정가능하다.

일반적으로 자이로센서는 디지털 카메라 또는 차량동역학제어장치 등에 이용되고 1축 자이로센서와 2축 자이로센서 모듈 등이 있다.

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

그리고 상기 수평변위(x₃ - x₁) 및 수직변위(y₃ - y₁)를 감지하기 위해서 F=ma의 운동방정식을 따르는 (힘에 기반한) 감지정보를 측정하는 가속도 센서도 사용될 수 있으며 상기 언급된 모든 센서들에서 가속도정보를 감지할 수 있다면 감지된 각가속도 또는 수평 및 수직방향 가속도를 적분하여 각속도와 선속도, 재차 적분하여 현재 각도와 현재 위치를 산출할 수 있고, 이를 제어부에 내장된 마이컴으로 연산하여 원하는 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 본 체 내에 추가 설치할 필요가 있으며 상기 변압 정류모듈로부터 직류전원을 공급받는 직류전동기는 고정자의 계자권선(field winding) 저항을 변화시키거나 전기자(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 20 및 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 도20 및 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(도20에는 표시되지 않음) 위치를 고려하여 바퀴회전축(21)에 근접하게 배치될 수 있다.

상기 도20 및 도21에서, 흡입모터(61)는 흡입팬(62)에 회전력을 전달 가능하게 연결되어있고, 상기 흡입팬(62)에는 흡입호스결합부(30)으로부터 연장된 내부 흡입관이 연결된다.

또한 상기 흡입팬(62)의 회전 원주상으로 연장되는 흡입먼지통(63)이 추가 배치될 수 있다.

도면에서, 각도감지부(80) 및 제1위치감지부(90)는 상기 본체(10)에서 가장 움직임이 덜한 바퀴회전축(21) 상에 배치되어 있으며 이로 인해 외부 교란움직임으로 인한 각도신호와 위치기준점의 불안정을 최소화할 수 있다.

물론 상기 제1위치감지부(90)를 기준좌표로 하여 상대좌표 또는 상대속도를 감지하는 제2위치감지부(91)는 상기 바퀴회전축(21)에서 가장 멀리 떨어진 본체(10)의 상단부에 배치되어 감지효율을 극대화할 수 있다.

상기 각도감지부(80)와 제1위치감지부(90)가 장착된 제어부(81)는 마이컴(micro computer)을 내장한 콘트롤러가 장착된 회로기판이며, 각도감지부(80) 또는 제1위치감지부(90) 및 제2위치감지부(91)에 장착된 센서의 감지정보를 바탕으로 내부 연산과정을 거쳐 구동모터(71)에 구동신호를 인가한다.

도 22 및 도 23은 상기 도20 및 도21에 도시된 청소기의 정면도이며 이때 흡입호스결합부(30)은 반드시 본체(10)의 중앙에만 배치되지는 않고, 경우에 따라 어느 한쪽 바퀴에 치우쳐서 설계될 수도 있다.

도 24~25 및 도 26~27는 각각 상기 도20 및 도21에 도시된 청소기 구조의 상면도와 외형사시도를 나타낸 것이며, 도20~도27에 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 본체에 장착된 감지부 및 제어부가 기울어짐과 이동변화를 감지하여 청소기의 무게중심을 스스로 보정 하는 효과가 있다. 따라서 본체의 디자인을 중심이 높은 불안정 상태로 설계할 수 있어 그에 따른 셀프-밸런싱 움직임과 민첩한 능동추종 움직임을 우아하게 연출하므로 청소 작업도중 사용자의 심리적 만족감을 크게 높일 수 있다.

또한 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.

덧붙여서 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 바퀴로 인해 통상적인 청소면 상의 장애물이 쉽게 극복 가능하므로 청소기의 기동성이 크게 상승하며, 청소능률이 향상된다.

Claims (16)

1. 본체;

   하나의 회전중심으로 상기 본체를 구동하는 구동부;

   상기 본체의 무게중심 변동으로 인한 상기 본체의 기울기(slope)를 감지하는 감지부; 및

   상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성되는 청소기.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지부는,

   상기 본체의 이동속도 대비, 상기 기울기의 변화량 또는 변화속도 또는 변화가속도가 가장 큰 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 청소기.
3. 본체;

   하나의 회전중심으로 상기 본체를 구동하는 구동부;

   상기 본체의 무게중심 변동으로 인한 상기 본체의 어느 한 부분과 상기 회전중심 사이의 위치 변화량을 감지하는 감지부; 및

   상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부; 를 포함 하여 구성되는 청소기.
4. 제3항에 있어서, 상기 감지부는,

   상기 본체의 이동거리 대비, 상기 위치 변화량 또는 위치 변화속도 또는 위치 변화가속도가 가장 큰 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 청소기.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 감지부는,

   상기 감지정보의 변화속도 또는 변화가속도를 감지하는 구성을 더 포함하는 청소기.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 본체의 무게중심을 변동시킬 수 있도록 청소면을 기준으로 상기 회전중심과 서로 다른 높이로 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부를 더 포함하는 청소기
7. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 본체의 무게중심을 변동시킬 수 있도록 상기 무게중심과 떨어져서 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부를 더 포함하는 청소기
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 구동부는,

   바퀴가 회전하거나 정지한 상태 모두의 경우에서 회전력을 조절할 수 있도록, 회전자의 전압 또는 고정자의 권선저항을 변화시켜 속도를 제어하는 모터를 탑재하여 구성되는 청소기.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서 상기 무게중심은,

   청소면을 기준으로 상기 축보다 높은 것을 특징으로 하는 청소기.
10. 지지축 또는 구동축보다 높은 무게중심을 갖는 본체;

    하나의 회전중심으로 상기 본체를 구동하는 구동부;

    상기 본체 또는 상기 구동부와 서로 반대 방향으로 회전가능한 적어도 하나의 연결부재;

    상기 무게중심의 변동으로 의한 상기 본체의 위치 변화량 또는 기울기 변화량을 감지하는 감지부; 및

    상기 감지부의 감지정보에 의하여 상기 구동부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성되는 청소기.
11. 제10항에 있어서, 상기 연결부재는,

    상기 본체와 상대회전 가능하도록 연결되며, 상기 본체에 대하여 상기 구동부의 바퀴가 비틀림 탄성을 갖도록 결합 되는 청소기.
12. 제10항에 있어서, 상기 연결부재의 회전중심은,

    상기 본체의 회전중심 또는 상기 구동부의 회전중심 중 어느 하나와 일치하도록 구성되는 청소기.
13. 제10항에 있어서, 상기 감지부는,

    상기 본체의 이동속도 대비, 상기 본체의 위치 변화속도 또는 기울기 변화속도가 가장 큰 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 청소기.
14. 제10항에 있어서, 상기 감지부는,

    상기 감지정보의 변화속도 또는 변화가속도를 감지하는 구성을 더 포함하는 청소기.
15. 제10항에 있어서,

    상기 본체의 무게중심과 상기 연결부재가 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록 청소면을 기준으로 상기 무게중심 또는 상기 축과 서로 다른 높이로 상기 본체에 결합 되는 흡입호스 결합부를 더 포함하는 청소기
16. 제10항에 있어서, 상기 구동부는,

    바퀴가 회전하거나 정지한 상태 모두의 경우에서 회전력을 조절할 수 있도록, 회전자의 전압 또는 고정자의 권선저항을 변화시켜 속도를 제어하는 모터를 탑재하여 구성되는 청소기.

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