KR20090053983A - 주행로봇의 이동 중 장애요소 및 자동 충전 장치의 판별,분석 및 회피방법을 구비한 로봇청소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇청소기를 이용하여 집안을 청소하고자 할 때 문턱이나 가구 밑 등 이동하는 로봇의 진행을 방해하는 요소 혹은 자동 충전 장치를 검출하기 위해 거리를 검출할 수 있는 센서를 전방 혹은 상단, 하단, 좌우 측방에 임의의 각도로 부착하여, 로봇이 진행하는 방향의 방해요소를 회피하거나 계속하여 진행할 수 있도록 하는 센서의 부착방법과 검출방법을 포함하며; 이로써 로봇의 상단,하단이 가구 밑이나 문턱 등에 걸려 더 이상 이동할 수 없는 상황이 되어 로봇청소기의 본래 목적인 청소를 하지 못하는 상황을 방지하고 배터리의 충전이 필요한 경우 자동 충전 장치를 인식하고; 또한 이러한 상황에서 생기는 과부하로부터 로봇이 손상되는 것을 막을 수 있도록 한 것이다. 이를 위해 본 발명은 로봇 청소기의 전방 혹은 상단, 하단, 좌우 측방에 검출 대상 물체에 대해 임의의 각도로 거리를 검출할 수 있는 수단을 설치하고 로봇의 이동이 진행되는 동안 거리 값을 측정하여, 그 값의 증가, 감소 혹은 같음을 이용하여 장애물의 높이와 모양을 측정하고 이를 토대로 로봇청소기가 진행할 수 있는 영역인지를 판단하여 장애요소를 회피 혹은 계속 진행할 것인지를 판단하게 하는 중요한 자료로 사용될 수 있도록 하기 위해; 센서를 물체에 대해 임의의 각도를 갖도록 하여 설치하는 방법과 센서의 정보를 토대로 장애요소를 판단하는 제어수단을 포함한다.

로봇청소기, 가구밑, 문턱, 장애물회피, 센서설치, 자동충전

Description

주행로봇의 이동 중 장애요소 및 자동 충전 장치의 판별, 분석 및 회피방법을 구비한 로봇청소기 {While moving of the travelling robot the robot cleaner which equips fully a discrimination of obstacle element and automatic charging equipment and analysis and evasion method}

본 발명은 로봇청소기의 사용에 있어 치명적이라 할 수 있는 가구 밑이나 문턱 등의 장애요소를 검출하는 데 있어 종래의 방법으로는 알 수 없었던 문턱 혹은 장애요소의 높이, 추락할 수 있는 장소 그리고 가구 밑 공간의 높이를 검출함으로써 로봇청소기가 진행할 수 있는지를 판단할 수 있도록 하는 거리 감지 수단의 설치 방법과 정보처리 방법이며 이는 또한 기존의 센서 기능을 그대로 사용하면서 추가적인 기능을 유지하는 것이므로 더욱 그 효용성이 높다고 하겠다.

본 발명은 로봇 청소기의 장애요소 및 자동 충전 장치를 비접촉식으로 검출하여 사전에 회피하거나 정상접근을 하기 위한 방법을 제시한다.

도1은 기존의 로봇청소기의 대략적인 블록도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 로봇은 장애물감지부(2,3)로부터 입력되어오는 데이터를 제어부(1)에서 해석하여 구동부(4)를 제어하게 된다. 이러한 로봇청소기의 장애물 감지부 구성은 도11에 나타낸 것이 일반적이며, 접촉식 센서와 비접촉식 센서의 배치는 로봇청소기의 제조사마다 각기 다르다.

접촉식 센서는 로봇이 실제로 장애물과 충돌하여야 로봇이 충돌사실을 인지할 수 있고, 비 접촉식 센서는 적외선 거리센서나 초음파센서와 같이 충돌 전에 미리 감지하여 감속하거나 회피하도록 할 수 있는 센서이다. 이러한 센서의 종류와 사용 용도 또한 제조사별로 다양하다.

기존의 로봇청소기는 이러한 장애요소를 검출하기 위하여 접촉식 센서와 비 접촉식 센서를 혼용하여 사용하는데 특히 접촉식 센서는 이러한 장애요소를 가장 효율적으로 검출하는 방법이기도 하나 가장 큰 맹점은 로봇이 직접 접촉을 해야만 한다는 것이다. 또한 접촉식 센서의 상 하단 가장자리는 검출이 안 되거나 감도가 낮은 경우가 많다. 따라서 로봇의 하단이 문턱에 걸리거나 상단이 가구 밑에 걸려 진행할 수 없는 상태가 발생 되기도 한다. 로봇청소기가 이렇게 문턱에 걸리거나 가구밑에 걸리게 되면 움직이지 못하고 그 자리에서 배터리가 소실되어 버리거나, 심각한 경우 모터에 이상이 생기거나 모터구동부가 손상되는 등의 문제점이 있다.

로봇 청소기는 사용자의 조작 없이도 청소하고자 하는 구역을 자율적으로 이동하며, 바닥면으로부터 먼지나 쓰레기류를 흡입하거나 쓸어담는 방식의 청소를 하는 로봇으로서 내장된 프로그램에 따라 특정 패턴을 가지고 청소동작을 한다. 이러한 로봇청소기가 동작하는 실내에는 많은 장애요소가 존재하게 되는데 대표적인 것이 문턱과 가구 밑의 공간이다. 또한 화장실 같이 로봇이 추락할 수 있는 구간도 존재하므로 로봇청소기가 자신의 청소임무를 완수하기에는 수많은 난관이 있다고 하겠다.

지금까지 만들어진 많은 로봇청소기가 특정 높이의 문턱 이상을 넘지 못함에도 그 높이를 검출할 수 있는 방법이 매우 어렵거나 고가인 경우가 많아 단순하게 장애물의 높이 혹은 임의의 높이에 수평방향으로 거리 감지 센서를 부착함으로써 도14와 같이 넘어갈 수 없는 문턱에 걸리거나 도12와 같이 가구 밑에 걸려서 움직일 수 없는 상황을 만들어 왔다. 특히 로봇청소기의 경우 이러한 경우에 더 이상 청소를 할 수 없을 것이고 심각한 경우에는 로봇청소기의 손상을 초래하기도 한다.

특히 화장실이나 방과 거실을 나누는 문턱 등에도 로봇이 걸려서 움직이지 못하는 경우가 허다하다. 물론 기존의 로봇 청소기들은 전면에 접촉식 스위치를 설치하고, 이들의 높이를 로봇의 높이와 비슷하게 만들어 해결하기도 한다. 그러나 이러한 방법은 디자인을 심하게 해치는 경우가 많고, 모서리 부분에서 동작이 잘 되지 않거나 접촉식이므로 접촉과 동시에 로봇청소기가 문턱에 걸리거나 가구 밑에 끼여 더 이상 움직이지 못하는 경우가 많다.

이러한 로봇청소기는 대부분 비접촉식 센서도 많이 이용하고 있지만 수평방향으로 검출을 하므로 상기한 장애요소들의 유무와 높이를 알기 힘들다. 기존 로봇청소기의 구조는 도11에서 참고할 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은,

로봇청소기의 전방 혹은 상 하단에 검출하고자 하는 물체에 대해 임의의 각도를 갖도록 부착된 다수의 거리 감지 수단과;

임의의 각도로 부착된 거리 감지 수단에서 얻어진 거리 정보와 로봇청소기의 이동에 따른 거리정보의 변화를 토대로 장애요소의 높이를 측정하고 가구 밑의 경우 로봇청소기의 높이와 통과 가능한 높이를 비교하고; 문턱의 경우 검출된 문턱의 높이와 로봇청소기가 진행할 수 있는 문턱 높이를 비교하여 로봇청소기가 회피해야 하는지 진입할 수 있는지를 판단하는 것을 특징으로 한다. 또한 자동충전장치를 인식하기 위해 수평방향의 이동시에도 측면의 거리 정보의 변화를 이용하여 특정한 모양을 지닌 충전 장치를 인식하여 자동 충전 동작을 일으킬 수 있는 수단을 제공한다.

이하, 본 발명 거리 감지 수단의 부착방법과 정보 처리 방법은 로봇청소기에 적용 방법과 효과를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도2에서와 같이 로봇청소기가 가구 방향으로 진행하는 경우에 본 발명의 거리 검출 센서의 최대값에서 장애요소가 있음을 인지할 것이며, 도3,도17에서와 같이 가구에 가까워 짐에 따라 거리 검출 센서의 거리값은 점차로 작아짐을 알 수 있다. 이러한 거리값의 작아지는 양은 로봇의 속도와 가구의 수직면이 어떠한 각도로 이루어져 있느냐에 따라 달라질 것이며, 이러한 사실도 또한 본 발명에서 기술할 가구의 모양을 추측하는 정보로서 사용될 수 있다.

도4와 같이 로봇청소기의 거리 검출 센서가 가구의 모서리를 지나기 전까지는 검출 거리가 점점 줄어들 것이며, 모서리를 지나치는 순간부터 도5에서 보는 바와 같이 동일한 센서의 거리 값이 측정될 것이라는 사실을 알 수 있고 이러한 거리 검출 센서의 정보로부터 삼각함수를 이용하여 가구 밑의 높이를 측정할 수 있을 것이며 이 가구 밑 높이 정보를 통하여 로봇청소기가 측정된 가구 밑으로 들어가서 청소를 할 것인가 회피를 할 것인가를 결정할 수 있다.

도6,도17,도18에서 임의의 각도를 가진 센서의 검출이 가구 밑으로 진행되었을때의 거리정보 L1(1)를 알게 되었고, 센서의 설치 각도 θ(2)를 알고 있으므로, cos θ값을 취하여 가구 밑과 거리 검출 센서까지의 거리를 찾아내고 여기에 센서에서 바닥까지의 높이(Lhs)를 더하면 바닥에서 가구 밑까지의 높이 Lf를 알 수 있을 것이다.

이를 공식으로 표현하면 Lf = (L1 * cosθ) + Lhs 과 같다.

도7, 도19에서는 문턱의 경우를 나타내며, 문턱이 없는 평평한 바닥이 검출될 때는 그 거리 값이 비슷하거나 같을 것이다. 그러나 문턱에 도달하여 거리 검출 센서의 거리 값이 줄어들기 시작하며, 다시 이 거리 값이 비슷하거나 같아지는 순간이 도8에서와 같이 문턱의 모서리를 지나친 순간일 것이다. 바닥을 검출할 때의 센서의 값은 이미 알고 있는 정보이므로, 이와 비교하여 도9에서와 같이 문턱의 모서리를 지나치는 순간 문턱의 높이를 삼각함수로서 얻어낼 수 있다.

도10을 보면 거리 검출 센서의 검출 값 L1(1)을 알고 있으며, 센서의 설치 각도 θ(2)를 알고 있으므로 마찬가지로 cos θ를 통하여 문턱과 센서와의 높이 Hds를 구할 수 있고, 따라서 바닥과 센서의 높이 Hfs에서 이 계산된 값을 빼면 문턱의 높이 Ld가 계산될 것이다.

이를 공식으로 표현하면 Ld = Hfs - (L1 * cosθ) 가 될 것이다.

본 발명에서 기술한 거리 검출 센서의 각도는 임의의 각도에 모두 사용될 수 있으며, 각도에 따라 검출면에서 검출되는 거리정보가 줄어드는 양이 달라질 뿐이다. 따라서 로봇청소기에 가장 효율적이고 유용한 각도를 찾아내어 적용할 수 있는 이점이 있다고 하겠다. 또한 이를 이용하여 도21과 같이 자동 충전 장치의 모양을 특정하고 이를 인식하는 방법으로써 로봇청소기의 자동 충전기능을 활용할 수 있다. 이 경우 벽면과 로봇의 거리를 일정히 유지하도록 하는 보조의 거리감지 센서가 필요할 수도 있다. 도20에서는 추락할 위험이 있는 곳에서의 센서 활용을 나타낸다.

본 발명에서 기술한 임의의 각도로 부착한 센서의 개수는 장애물의 인식 정도를 고려하여 필요한 만큼 사용될 수 있으며, 그 위치 또한 다양하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 로봇청소기의 전면에 거리를 검출하는 센서를 임의의 각도로 다수를 설치하여 도12와 도14에 보는 바와 같이 가구 밑이나 문턱에 로봇청소기가 걸려 움직일 수 없는 상황을 방지할 수 있으며, 이로써 로봇청소기의 청소 임무를 문제없이 수행할 수 있도록 하는 방법이 제시되었다고 할 수 있다. 또한 옆면에 위치한 거리 감지 센서는 벽면에 설치된 자동 충전 기능을 가진 장치를 인식하고 충전기능을 수행할 수 있도록 하는 방법을 제시했다고 할 수 있다.

상기한 방식으로 다수의 거리 검출 센서를 도15와 같이 측정 물체에 대해 임의의 각도를 갖도록 설치하고 센서로 부터 추출된 거리 정보를 토대로 앞서 기술한 공식을 이용하여 측정 물체의 높이, 모양 등의 정보를 획득하고 로봇청소기를 어떻게 이동시킬 것인가를 판단한다.

전방의 경우 도15에서 나타내듯이 로봇청소기의 상향의 물체를 검출하기 위해 90도보다 작은 임의의 각도로 상향으로 부착하며, 바닥방향을 검출하기 위해 임의의 각도로 하향 부착한다. 이러한 방식으로 여러 조를 편성하여 설치하면 더욱 효과를 발휘할 수 있다.

측방의 자동 충전 장치의 검출의 경우 벽면과 수직하여 거리 검출 센서를 부착하고 다른 하나를 전방을 향하여 임의의 각도를 갖도록 설치하여 수직한 센서를 이용하여 벽면과의 일정한 간격을 유지하고 임의의 각도를 가진 센서를 이용하여 검출하고자 하는 물체의 형태를 파악한다.

거리의 검출 방법은 과제해결 수단 항목에서 도6과 도10의 설명과 함께 자세히 기술하였다.

도1은 로봇청소기의 대표적 구성을 나타낸 블록도

도2는 본 발명의 로봇청소기가 가구 장애요소가 있음을 인지한 상황의 그림

도3은 본 발명의 로봇청소기가 가구 장애요소와 가까워짐에 따라 검출된 거리가 줄어드는 상황의 그림

도4는 본 발명의 로봇청소기가 가구의 모서리까지 진행했을 때 검출된 거리가 줄어드는 상황의 그림

도5는 본 발명의 로봇청소기가 가구의 모서리를 지나치면서 검출된 거리가 같아짐을 나타내는 그림

도6은 본 발명의 로봇청소기가 가구 밑의 높이를 계산하는 방법을 나타내는 그림

도7은 본 발명의 로봇청소기가 문턱 장애요소가 있음을 인지한 상황의 그림

도8은 본 발명의 로봇청소기가 문턱의 모서리까지는 검출된 거리가 줄어듦을 나타내는 그림

도9는 본 발명의 로봇청소기가 문턱을 지나 검출된 거리가 같거나 비슷해 짐을 나타내는 그림

도10은 본 발명의 로봇청소기가 문턱의 높이를 계산하는 방법을 나타내는 그림

도11은 기존의 로봇청소기가 수평방향으로 거리 감지 센서를 설치하여 가구 밑을 지날때의 그림

도12는 기존의 로봇청소기가 전방 거리 감지 센서의 한계로 인해 가구 밑에 걸려 움직일 수 없는 상황을 나타내는 그림

도13은 기존의 로봇청소기가 수평방향으로 거리 감지 센서를 설치하여 문턱을 지날때의 그림

도14는 기존의 로봇청소기가 전방 거리 감지 센서의 한계로 인해 문턱에 걸려 움직일 수 없는 상항을 나타내는 그림

도15는 본 발명의 로봇청소기의 거리 감지 수단을 임의의 각도로 설치한 예를 보인 그림

도16은 본 발명의 거리 검출 센서의 정보 처리 블록도

도17은 각이 진 가구 밑으로 진입하는 로봇청소기의 거리 정보의 변화를 나타내는 그림 및 그래프

도18은 둥근 가구 밑으로 진입하는 로봇청소기의 거리 정보의 변화를 나타내는 그림 및 그래프

도19는 문턱으로 진입하는 로봇청소기의 거리 정보의 변화를 나타내는 그림 및 그래프

도20은 추락 위험이 있는 곳으로 진입하는 로봇청소기의 거리 정보의 변화를 나타내는 그림 및 그래프

도21은 자동 충전 장치로 진입하는 로봇청소기의 거리 정보의 변화를 나타내는 그림 및 그래프

Claims (5)

1. 로봇 청소기에 있어,

   로봇청소기의 전방, 혹은 상 하단에 다수의 거리를 검출할 수 있는 수단을 검출하고자 하는 물체와 임의의 각도로 부착하여 로봇청소기의 이동시 센서로부터 오는 장애요소와의 거리정보를 특정 패턴에 비교하거나 정보의 변화를 판단하여 장애요소의 높이를 계산하고 이를 회피하거나 접근할 수 있도록 하는 센서의 부착방식과 센서의 정보 처리를 이용하는 청소 장치.
2. 로봇청소기의 거리 감지 수단을 검출하고자 하는 물체와 임의의 각도를 갖도록 부착하여 로봇청소기의 이동시에 장애요소의 높이나 장애요소의 모양 정보를 저장하고 처리하는 것을 특징으로 하는 장치 및 방법.
3. 로봇청소기가 이동하면서 물체와 임의의 각도를 갖도록 부착된 거리를 검출할 수 있는 센서를 통하여 장애요소 혹은 자동 충전 장치의 각도 및 높이, 모양을 검출하도록 하는 센서의 설치 방법 및 청소장치.
4. 청구항 3의 정보를 토대로 로봇청소기의 높이가 가구 밑보다 높을 경우 이를 접촉하지 않고 회피하고 로봇 청소기의 높이가 가구 밑보다 낮아 진입할 수 있는 경우 진입하도록 하는 방법과;

   상기 로봇청소기가 통과할 수 있는 문턱의 높이보다 측정된 문턱의 높이가 높을 경우 이를 회피하고, 측정된 문턱의 높이가 로봇이 통과 가능한 문턱의 높이보다 낮을 경우 통과할 수 있도록 처리하는 센서의 설치방법 및 정보처리방법;

   이를 이용하여 문턱과 가구 밑 외의 여러 가지 장애물의 높이 혹은 추락할 수 있는 바닥의 깊이를 검출하는 방법 및 장치
5. 청구항3의 정보를 토대로 문턱의 모양이나 가구 밑면의 모양에 따라 방을 구분하고 지역을 구분하여 위치를 인식하는 방법과;

   다수의 거리 감지 센서를 이용하여 로봇이 벽면을 따라 이동하며 자동 충전 장치 모양을 인식하여 자동 충전기의 위치를 찾을 수 있도록 하는 방법 및 청소장치;

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