KR20090091592A - 개선된 나선형 청소주행궤적 산출방법을 가진 로봇 청소기 - Google Patents

개선된 나선형 청소주행궤적 산출방법을 가진 로봇 청소기 Download PDF

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KR20090091592A
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Abstract

본 발명은 로봇 청소기 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청소 주행 궤적을 나선형으로 하되, 종전과 달리 일정시간마다 반지름을 넓히는 방법으로 나선형 궤적을 단순하게 계산하는 제어방법 및 이를 적용한 로봇 청소기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 로봇 청소기는 본체를 청소면 상면에서 이동시키는 주행구동부, 시간 경과를 체크할 수 있는 타이머부 및 상기 타이머부를 통해 검출된 시간 정보를 기초로, 기정해진 시간이 지날때마다 나선형 청소주행궤적의 반지름을 기정해진 값만큼 증가시키도록 상기 주행구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
로봇청소기, 나선형, 청소주행궤적, 방향전환

Description

개선된 나선형 청소주행궤적 산출방법을 가진 로봇 청소기 { Robot cleaner with improved spiral the trace of cleaning }
본 발명은 로봇 청소기 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청소 주행 궤적을 나선형으로 하되, 종전과 달리 일정시간마다 반지름을 넓히는 방법으로 나선형 궤적을 단순하게 계산하는 제어방법 및 이를 적용한 로봇 청소기에 관한 것이다.
최근에 가정용 로봇이 새로운 시장을 형성하고, 그 규모가 커져 가고 있다. 특히, 로봇 청소기의 경우 이미 시장에 여러 제품이 출시되어 경쟁중이다.
로봇 청소기에 있어서, 중요한 점은 얼마나 빈틈없이 모든 영역을 청소할 수 있느냐 하는 것인데, 이를 해결하기 위하여 로봇 청소기가 청소하고자 하는 영역을 빈틈없이 청소하기 위해서는 스스로 청소 영역을 인식하고 청소가 된 부분과 청소가 되지 않은 부분을 구별하여 청소가 되지 않은 영역을 빈틈없이 청소하도록 해야 한다.
로봇 청소기의 청소방법은 랜덤 청소 방식(random sweeping method) 과, 패 턴 청소 방식(pattern sweep method)으로 구분된다.
도 1은 종래의 랜덤 청소 방식의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 부호(120)는 청소 영역을 나타내고, 부호(110)는 랜덤 청소 궤적을 나타낸다. 랜덤 청소방식은 아무런 규칙성이 없이 청소 영역을 이동하면서 청소를 수행하는 것으로서, 회전하는 공이 벽에 부딪히면 V자형으로 튕겨 나오는 형태로 청소를 수행하는 것이다. 그러나, 이와 같은 랜덤 청소 방식은 확률적으로 거의 전 영역에 걸쳐서 청소를 수행할 수 있지만, 모든 영역을 확실히 청소한다고 보기는 어렵다.
따라서, 종래에는 청소 주행 패턴을 동심원형 나선 형태를 적용하도록 된 것이 사용되었다.
도 2A 및 도 2B는 종래 기술을 따라 동심원 나선형태의 청소 주행 패턴을 도시한 도면이다.
도 2A 및 도 2B를 참조하면, 동심원 형태의 나선으로 그려지는 청소 주행 패턴이 도시된다. 도면에서 부호(100)는 청소 로봇을 나타내고, 부호(110)는 동심원형 나선형태의 청소 주행 궤적을 나타내고 부호(120)은 청소 영역을 나타낸다.
도 2A 및 도 2B를 참조하면, 청소 주행 패턴이 나선형 형태를 이룸에 따라 계속 원의 반경이 커지고 있다. 이러한 청소 주행 패턴은 좁은 영역을 집중적으로 청소 가능한 장점이 있어 로봇 청소기에서 많이 사용되는 청소 주행 패턴 중 하나이다.
그러나 이러한 청소 주행 패턴을 유지하기 위해서, 로봇 청소기는 계속 방향 을 변형시켜야 한다. 최초 방향을 유지하면 계속 원을 그리게 되는바, 조금씩 바깥쪽으로 돌게되고, 결국 이러한 나선형을 유지하려면 복잡한 수식이 필요하고, 실시간으로 계속 각도를 변형시켜야 하므로 제어부에 부하도 많이 가게 되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 나선형 청소궤적의 장점은 유지하면서 복잡한 수식이나 제어부의 부하없이도 청소궤적을 유지할 수 있는 제어방법 및 이를 적용한 로봇 청소기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 청소기는 본체를 청소면 상면에서 이동시키는 주행구동부; 시간 경과를 체크할 수 있는 타이머부; 및 상기 타이머부를 통해 검출된 시간 정보를 기초로, 기정해진 시간이 지날때마다 나선형 청소주행궤적의 반지름을 기정해진 값만큼 증가시키도록 상기 주행구동부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 주행구동부는 왼쪽바퀴 및 오른쪽 바퀴와, 상기 왼쪽바퀴 및 오른쪽 바퀴를 구동시키는 왼쪽바퀴모터 및 오른쪽바퀴모터로 구성되며, 상기 제어부는 상기 왼쪽바퀴모터 및 오른쪽바퀴모터의 속력을 변형시키는 방식으로 상기 청소주행궤적의 반지름을 증가시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 왼쪽바퀴모터의 속력은 하기의 수학식 중 어느 하나에 의해서 연산되고, 상기 오른쪽바퀴모터의 속력은 하기의 수학식 중 다른 하나에 의해서 연산되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112008013806055-PAT00001
여기서, V는 로봇청소기의 속도이고, b는 왼쪽바퀴와 오른쪽바퀴사이의 간격이고 r은 로봇 청소기의 청소주행궤적의 반지름이다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 소정의 영역내를 나선형으로 주행하면서 청소하는 로봇 청소기의 청소방법은, 타이머부를 통해서 시간정보를 체크하는 단계; 및 상기 체크한 결과, 기정해진 시간이 지난 경우, 나선형 청소주행궤적의 반지름을 기정해진 값만큼 증가시키는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 새로운 나선형 청소궤적 계산법을 적용한 로봇 청소기를 제공함으로써, 로봇 청소기의 알고리즘이 좀더 단순화되고 제어부의 부하가 감소될 수 있게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 로봇청소기(300)는 본체(305), 청소유닛(310), 청소영역검 출부(320), 주행구동부(330), 주행거리 검출부(340), 제어부(350), 배터리(360) 및 입력부(370) 등으로 구성된다.
본체(305)는 예컨대, 원형을 이루며, 본체(305)에는 청소면의 먼지 또는 이물질을 집진할 수 있도록 청소부(310)가 설치된다.
청소부(310)는 청소면의 먼지 또는 이물질을 집진할 수 있도록 본체(305)에 설치된다. 청소부(310)는 예컨대, 청소면의 먼지 또는 이물질을 흡입하기 위한 흡입브러쉬 및 흡입관과, 흡입력을 발생시키는 흡입모터 및 흡입된 먼지 또는 이물질을 집진하는 집진실로 구성된다.
본체(305)의 전면에는 장애물 예컨대, 벽면을 감지하여 청소 영역을 검출하기 위한 청소영역검출부(320)가 설치된다.
청소영역검출부(320)는 예컨대, 벽면을 검출하는 센서를 포함하며 상기 센서는 적외선을 출사하는 적외선 발광소자와, 반사된 광을 수신하는 수광소자가 수직 상으로 쌍을 이루는 광센서일 수도 있으며, 또한 초음파를 출사하고, 반사된 초음파를 수신할 수 있도록 된 초음파 센서가 적용될 수 있다.
물론, 위와 같은 광센서 및 초음파 센서 이외에도 본체(305)의 전면 원주를 따라 설치되어 장애물을 감지하는 범퍼 센서로 할 수 있음은 물론이다. 범퍼 센서는 주행시 범퍼에 장애물이 접촉되면 범퍼 내부의 텍트 스위치가 활성화되어 장애물을 감지하도록 할 수 있다.
본체(305)에는 로봇 청소기(300)의 주행 바퀴를 제어하기 위한 주행구동부(330)가 설치된다. 주행구동부(330)는 왼쪽바퀴(331)와 오른쪽바퀴(332)를 각각 구동하는 왼쪽바퀴모터(336) 및 오른쪽바퀴모터(337)로 구성된다. 이러한 구성을 통해서 제어부(350)의 신호를 받아서 왼쪽바퀴(331) 및 오른쪽바퀴(332)의 방향이 변동되면서 청소 주행 궤적을 따라 이동한다.
이에 더하여, 주행거리 검출부(340)로 왼쪽바퀴모터(331) 및 오른쪽바퀴모터(332)의 회전상태를 감지하는 왼쪽바퀴엔코더(341) 및 오른쪽바퀴엔코더(342)가 구성된다.
본체(305)의 내부에는 로봇 청소기(300)의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(350:central processing unit)가 설치되고, 외부충전장치로부터 전원을 충전하였다가 로봇 청소기(300)를 구동시키는 데 필요한 전원을 공급하는 배터리(360)가 구성된다.
또한, 본체(305)에는 사용자의 조작에 따라 로봇 청소기의 조작 조건을 제어부(350)로 입력시키는 입력부(370)가 추가로 구성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 개략적인 블럭도이다.
도 4을 참조하면, 청소부(310), 청소영역검출부(320), 주행구동부(330), 주행거리 검출부(340), 제어부(350), 배터리(360), 입력부(370), 저장부(380) 및 통신부(390)로 구성된다.
청소부(310)는 예컨대, 제어부(350)의 청소신호를 받아서, 흡입모터(313)를 구동시키는 흡입모터구동부(311)와, 흡입모터(313)의 구동력을 전달받아 구동하는 흡입브러쉬(315)로 구성된다.
청소영역검출부(320)는 로봇 청소기(100)의 전면에 위치한 장애물, 예컨대 벽면을 감지하여 제어부(350)로 입력하는 것으로, 제어부(350)의 신호를 받아서 청소영역검출센서(321)를 구동시키는 청소영역검출구동부(323)로 구성된다.
여기서, 청소영역검출센서(321)는 청소 초기에 벽면을 따라 주행하여 청소 영역을 인식하도록 할 수 있다. 또는 청소 도중 장애물을 인식하여 청소 영역을 인식하도록 할 수 있다. 청소영역검출센서(321)는 예컨대, 광센서, 초음파 센서, 범퍼 센서 등이 적용될 수 있다.
주행구동부(330)는 왼쪽바퀴(331) 및 오른쪽 바퀴(332)와, 제어부(350)의 주행신호를 받아서, 상기 왼쪽바퀴(331) 및 오른쪽 바퀴(332)를 구동시키는 왼쪽바퀴모터(336) 및 오른쪽바퀴모터(337)로 구성된다.
주행거리 검출부(340)는 로봇 청소기(300)의 주행거리를 제어부(350)로 입력하는 것으로, 왼쪽바퀴모터(336) 및 오른쪽바퀴모터(337)의 회전수를 체크하는 왼쪽바퀴엔코더(341) 및 오른쪽바퀴엔코더(342)로 구성된다.
제어부(350)는 로봇 청소기(300)의 전반적인 청소 동작을 제어하는 것으로, 청소영역검출부(320)를 통해 청소면 영역을 판단하는 판단부(351)와, 현재 시간 및 경과시간등의 시각정보를 생성 및 체크할 수 있는 타이머(357), 그리고 상기 타이머(355) 및 판단부(351)의 정보를 기초로 로봇 청소기(300)의 청소 주행 궤적을 산출하여 주행구동부(330)에 청소 주행 궤적 신호를 출력하는 청소주행 신호처리부(353)로 구성된다.
여기서, 청소 주행 궤적은 나선형이 바람직하며, 나선형의 반경은 일정시간이 경과함에 따라 증가하는 것이 바람직하다. 이러한 과정에 대해서는 이하 도 5에 서 자세히 서술한다.
또한, 제어부(350)는 주행거리 검출부(340)인 왼쪽바퀴엔코더(341) 및 오른쪽바퀴엔코더(342)를 통해 전달받은 왼쪽바퀴모터(336) 및 오른쪽바퀴모터(337)의 회전수를 기초로 주행 거리를 계수하는 거리계수부(355)가 추가로 구성된다.
입력부(370)는 로봇 청소기의 각 동작을 제어하기 위한 것으로, 본체(305)에 일부분에 마련된 버튼형태이거나, 또는 별도의 리모컨등을 통해서 사용자의 명령을 적외선 형태로 수신하는 형태이다.
저장부(380)는 제어부(350)에 내장 또는 외장되어 있는 메모리로서 로봇 청소기(300)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 메모리이다. 예컨대, EPROM(erasable programmable read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), RAM(random access memory)등이 있다.
통신부(390)는 로봇 청소기(300)의 내부의 데이터를 송출하거나, 수신된 외부 데이터를 제어부(350)에 전송한다.
배터리(360)는 외부충전장치로부터 전원을 충전하였다가 로봇 청소기(300)를 구동시키는 데 필요한 전원을 공급한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 청소 동작을 설명하기 위한 순서도다.
로봇청소기(300)를 나선형으로 주행하면서 청소작업을 시작하고자 할 경우, 제어부(350)는 우선 경과시간이란 변수를 초기화한다.
이후 경과시간이 기설정값(본 실시예서는 10초라고 가정하였음)이 흘렀는지 를 검사한다(S520). 아직 경과시간이 10초 미만이라면(S520-N), 기설정된 속도 및 반경에 따라서 청소작업을 진행한다(S560).
기설정된 속도 및 반경(이하에서는 r이라고 칭함)은 변수값으로서 기저장되있는 값이거나, 또는 사용자가 입력부를 통해서 변경가능한 변수값이다.
이렇게 최초로 설정된 속도 및 반경으로 일정시간 청소를 진행하다가 경과시간이 10초가 된 경우(S520-Y), r값을 20만큼 증가시킨다(S530).
물론 상수값 20은 설명의 편의를 위한 일 예에 불과한 바 다른 값으로도 가능하며, 또한 상수값이 아닌 함수값으로도 가능함은 물론이다.
이렇게 r값을 증가시킨 후, 변경된 r값에 맞춰서 로봇청소기(300)의 방향을 변환시킨다(S540).
로봇청소기의 방향변환을 하는 방법은 여러가지가 있을 수 있으나, 본 실시예에서는 주행구동부(330)에 있는 왼쪽바퀴모터(336)와 오른쪽바퀴모터(337)의 속도를 서로 다르게 함으로써 로봇청소기(300)를 원하는 각도로 회전시킬 수 있다.
구체적으로 설명하자면 왼쪽바퀴모터(336)의 속도(VL)과 오른쪽바퀴모터(337)의 속도(VR)가 아래식과 같을 때, 로봇청소기(300)는 반경 r만큼 왼쪽 방향으로 나선형 회전한다.
Figure 112008013806055-PAT00002
여기서 V는 로봇청소기(300)의 평균속도이고, b는 왼쪽바퀴(331)와 오른쪽 바퀴(332)간의 거리 그리고 r은 로봇청소기(300)의 회전반경 반지름이다. 이러한 로봇청소기가 각속도 w로 왼쪽방향으로 나선형 회전을 한다고 가정할 때 ① VL = rw, ② VR= (r+b)w , ③ V= (VL + VR)/2 과 같은 3개의 관계식이 나오며, 이 세개의 식을 이용해서 계산하면 결국 아래와 같은 식으로 표현가능하다.
Figure 112008013806055-PAT00003
결국, 로봇청소기의 속도 V와 좌우 바퀴간의 거리b만 정해진다면, VL과 VR 즉 왼쪽바퀴와 오른쪽바퀴의 속도를 조절함으로써 간단하게 회전반경 반지름 r를 조절할 수 있게된다.
이렇게 방향 변환을 위한 작업을 수행한 후에는, 다시 경과시간을 초기화한다(S550).
그러고 나서 로봇청소기(300)는 청소작업을 계속 진행한다(S560). 청소작업은 흡입모터구동부(311)로 구동신호가 출력되면, 흡입모터구동부(311)는 흡입모터(313)를 구동하여 흡입브러쉬(315)를 동작시킨다. 이때, 흡입브러쉬(315)를 통해 청소면의 먼지 또는 이물질이 흡입되고, 집진실로 이동된다. 이 때 위에서 계산한 값에 따라 제어부(350)는 좌측바퀴모터(336)와 우측바퀴모터(337)를 구동시키는 바, 이러한 속도값에 따라서 변경된 청소 주행 궤적을 따라 구동하여 소정의 청소 동작을 행한다(S560).
이후, 청소 완료 여부를 판단하여 청소가 완료되었음이 판단되면(S570-Y), 청소 동작을 완료하고, 청소동작이 완료되지 않았음이 판단(S570-N)되면 단계(S520)를 반복 수행한다.
위와 같은 방식으로 청소를 수행하게 되면, 청소 로봇(300)의 궤적은 도 6a와 같이 된다. 완벽한 나선형은 아니고, 일정한 회전반경으로 청소한 후, 20초 후에 다시 넓은 회전반경으로 청소하고 20초 후에 다시 더 넓은 회전반경으로 청소하는 과정을 반복하게 된다.
반면, 경과시간을 20초와 같이 정해진 상수값과 비교하지 않고, 함수를 이용하면 다른 모양의 청소주행궤적이 나올 수 있다. 도 6b는 경과시간을 상수값과 비교하지 않고, 청소로봇이(300)이 반원을 돌만큼의 시간값하고 비교한 경우이다. 이렇게 하면 청소로봇(300)은 일정한 회전반경으로 반원을 청소한 후, 더 넓은 반경으로 다시 반원만큼 청소하는 과정을 반복한다.
본 실시예에서 언급한 로봇청소기(300)는 방향전환을 위해서 좌우 바퀴의 속도를 다르게 하는 방법으로 회전하는 것으로 설명하였다. 이는 설명의 편의를 위한 일 예에 불과하다. 이러한 방법외에도, 보조바퀴를 두어서 보조바퀴가 방향전환을 하는 방법으로 작동되는 로봇청소기(300)에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 종래의 랜덤 청소 방식의 예를 도시한 도면
도 2A 및 도 2B는 종래 기술을 따른 나선형 청소주행궤적을 도시한 도면,
도 3는 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 4은 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 개략적인 블럭도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예를 따른 로봇 청소기의 청소 동작을 설명하기 위한 순서도, 및
도 6A 및 6B는 본 발명을 따를 청소 주행 궤적이 청소 영역에 적용된 예를 나타내는 도면들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
300: 로봇 청소기 310: 청소부
320: 청소영역 검출부 330: 주행구동부
331: 왼쪽바퀴 332: 오른쪽바퀴
336: 왼쪽바퀴모터 337: 오른쪽바퀴모터
340: 주행거리 검출부 350: 제어부
357: 타이머 360: 배터리
370: 입력부

Claims (4)

  1. 본체를 청소면 상면에서 이동시키는 주행구동부;
    시간 경과를 체크할 수 있는 타이머부; 및
    상기 타이머부를 통해 검출된 시간 정보를 기초로, 기정해진 시간이 지날때마다 나선형 청소주행궤적의 반지름을 기정해진 값만큼 증가시키도록 상기 주행구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주행구동부는
    왼쪽바퀴 및 오른쪽 바퀴와, 상기 왼쪽바퀴 및 오른쪽 바퀴를 구동시키는 왼쪽바퀴모터 및 오른쪽바퀴모터로 구성되며,
    상기 제어부는
    상기 왼쪽바퀴모터 및 오른쪽바퀴모터의 속력을 변형시키는 방식으로 상기 청소주행궤적의 반지름을 증가시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 왼쪽바퀴모터의 속력은 하기의 수학식 중 어느 하나에 의해서 연산되고, 상기 오른쪽바퀴모터의 속력은 하기의 수학식 중 다른 하나에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기.
    [수학식]
    Figure 112008013806055-PAT00004
    여기서, V는 로봇청소기의 속도이고, b는 왼쪽바퀴와 오른쪽바퀴사이의 간격이고 r은 로봇 청소기의 청소주행궤적의 반지름이다.
  4. 소정의 영역내를 나선형으로 주행하면서 청소하는 로봇 청소기의 제어방법에 있어서,
    타이머부를 통해서 시간정보를 체크하는 단계; 및
    상기 체크한 결과, 기정해진 시간이 지난 경우, 나선형 청소주행궤적의 반지름을 기정해진 값만큼 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 청소기의 제어방법.
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