KR20090112984A

KR20090112984A - 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇

Info

Publication number: KR20090112984A
Application number: KR1020080038807A
Authority: KR
Inventors: 윤성용; 오승섭; 정완균; 최진우; 최민용
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단; 재단법인 포항지능로봇연구소
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-29

Abstract

본 발명은 로봇에 관한 것으로, 장애물을 감지하며 스스로 이동할 수 있는 이동로봇에 관한 것이다.

본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇은, 본체와, 상기 본체를 이동시키기 위한 구동부와, 상기 본체의 진행방향에 대해 경사지게 바라보도록 설치된 장애물 감지 센서와, 상기 장애물 감지 센서로부터 측정한 데이터에 기초하여 상기 구동부를 동작시키는 제어부를 포함하여 이루어지며, 적은 수의 센서로도 다양한 형태의 장애물을 정확히 감지할 수 있다.

이동로봇, 적외선, 센서, 장애물, 경사.

Description

장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇{MOBILE ROBOT WITH SENSOR FOR DETECTING OBSTACLE}

이동로봇(Mobile Robot)은 구동장치가 내장되어 스스로 이동할 수 있으며, 진행방향에 존재하는 장애물을 감지하여 이를 스스로 회피할 수 있다.

예컨대 로봇 청소기는, 사용자의 조작 없이도 청소가 필요한 영역 내를 스스로 주행하면서 바닥면으로부터 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써, 소정의 영역을 자동으로 청소하는 이동로봇의 일종이다. 이 과정에서 로봇 청소기는 청소 영역 내에 존재하는 가구나 사무용품 또는 벽과 같은 장애물의 유무를 판별하고 장애물까지의 거리를 측정하여 이를 회피할 수 있는 동선대로 움직여야 한다. 로봇 청소기가 장애물을 인식할 수 있도록 하기 위해 초음파 센서 또는 적외선 센서와 같은 장애물 감지 센서가 로봇 청소기에 설치되어 있다.

한편 장애물은 그 형태가 다양하므로, 로봇 청소기는 체고에 비해 낮게 돌출된 장애물부터 로봇 청소기의 체고 정도의 높이로 돌출된 장애물까지 모두 판별할 수 있어야 한다. 그런데 로봇 청소기의 체고보다 낮게 돌출된 장애물을 감지하기 위해서는 로봇 청소기의 하부에 센서가 설치되어, 그 센서의 설치 높이에 상당하는 장애물을 감지하게 된다. 그러나 이와 같이 로봇 청소기의 하부에 설치된 센서는 로봇 청소기의 체고와 비슷한 높이에서 돌출된 장애물은 식별할 수 없으므로, 이런 장애물을 감지하기 위한 별도의 센서가 필요해진다.

이와 같은 방식으로 모든 형태의 장애물을 적절히 감지하기 위해서는 많은 수의 센서가 필요해지므로 제조비용이 상승할 뿐만 아니라, 많은 수의 센서로부터 측정된 데이터를 처리하는 과정이 복잡해지므로 결과적으로 로봇 청소기, 즉 이동로봇의 구성을 복잡하게 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 보다 적은 수의 장애물 감지 센서만으로 다양한 형태의 장애물을 감지할 수 있는 이동로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇은, 본체와, 상기 본체를 이동시키기 위한 구동부와, 상기 본체의 진행방향에 대해 경사지게 바라보도록 설치된 장애물 감지 센서와, 상기 장애물 감지 센서로부터 측정한 데이터에 기초하여 상기 구동부를 동작시키는 제어부를 포함하여 이루어진다. 여기서 상기 본체는, 물건을 집기 위한 매니퓰레이터와, 화상을 촬영하기 위한 카메라와, 화상을 시현하기 위한 디스플레이 중 선택된 하나 이상을 구비하는 것이 바람직하다. 또한 상기 장애물 감지 센서는 적외선 센서, 초음파 센서 또는 레이저 센서 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇에 있어서, 상기 장애물 감지 센서는, 복수 개가 상기 본체의 전후좌우 방향에 환형으로 배치된 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇은, 상기 본체는, 상기 본체의 진행방향에 대해 전후좌우로 회전가능하게 설치된 터릿을 구비하고, 상기 장애물 감지 센서는 상기 터릿에 설치된 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇은, 상기 장애물 감지 센서는, 상기 본체의 상부에 설치되고 하향 경사지게 바라보는 제1 장애물 감지 센서와, 상기 본체의 하부에 설치되고 상향 경사지게 바라보는 제2 장애물 감지 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우 각각 상기 본체의 진행방향에 대해 전후좌우에 위치할 수 있도록 상기 본체의 상하부에 회전가능하게 설치된 제1 터릿 및 제2 터릿을 더 포함하고, 상기 제1 장애물 감지 센서 및 제2 장애물 감지 센서는 각각 상기 제1 터릿 및 제2 터릿에 설치되도록 할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇에 있어서, 상기 제1 장애물 감지 센서 및 제2 장애물 감지 센서가 각각 경사지게 바라보는 각도는 상기 본체의 진행방향에 대해 40~50도인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇은, 장애물 감지 센서가 로봇의 진행방향에 대해 경사지게 바라보도록 배치되어 있으므로 높이가 높은 장애물부터 낮은 장애물까지 모두 감지할 수 있다. 또한 본체의 상하부에 각각 장애물 감지 센서가 설치되어 있는 경우에는 장애물 감지의 효율이나 정확도가 향상된다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇의 일실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예의 측면도이다.

본체(100)는 이동로봇의 몸체에 해당하며, 이동로봇이 수행할 작업을 위해 필요한 장치들이 구비되며, 수행할 작업의 특성에 따라 그 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대 청소용 로봇인 경우 흡입용 모터를, 운반용 로봇인 경우는 포크 리프터를, 일반 작업용 로봇인 경우에는 매니퓰레이터를 구비할 수 있다.

구동부(200)는 본체(100)를 이동시키기 위한 것으로, 전기모터와 같은 동력원과, 바퀴와 같은 주행수단을 포함한다. 도 1 및 도 2에서는 주행수단으로서 주바퀴(210)와 보조바퀴(220)를 구비한 것으로 예시하고 있으나, 무한궤도 또는 전방위 주행이 가능한 메카넘 휠(Mecanum Wheel)과 같이 다른 형태의 주행수단을 구비할 수도 있으며, 인간형 로봇인 경우에는 다리를 구비하는 것도 가능하다. 또한 도 1 및 도 2에서 구동부(200)는 본체(100)와 서로 다른 공간을 점하는 것으로 예시하고는 있으나, 구동부(200)는 본체(100)를 이동시키기 위한 것이라면 그 형태나 구성에 특별한 제한이 있는 것은 아니므로, 구동부(200)는 본체(100) 내부에 내장될 수도 있다.

장애물 감지 센서(310, 320)는 본체(100) 또는 구동부(200)에 선택적으로 설치될 수 있다. 또는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본체(100)의 상부와 하부에 각각 설치된 제1 장애물 감지 센서(310)와 제2 장애물 감지 센서(320)를 포함하여 이루어질 수도 있다. 다만 장애물 감지 센서(310, 320)는 본체(100)의 진행방향에 대해 경사지게 바라보도록 설치된다. 예컨대, 도 2에서 화살표로 도시된 바 와 같은 방향으로 본체(100)가 이동한다면, 장애물 감지 센서(310, 320)는 이 화살표를 기준방향으로 하여 그보다 아랫쪽 또는 윗쪽을 바라보도록 배치된 것이다. 이와 같이 장애물 감지 센서(310, 320)가 경사진 선을 따라 장애물을 감지하게 되므로, 예컨대 본체(100)의 상부에 제1 장애물 감지 센서(310)가 하향 경사지게 바라보도록 배치된 경우, 보다 먼 거리에서는 낮게 돌출된 장애물을, 보다 가까운 거리에서는 이동로봇의 체고에 근접한 높이로 돌출된 장애물을, 그 중간의 거리에서는 이동로봇의 체고의 중간 높이로 돌출된 장애물을 각각 감지할 수 있게 된다. 마찬가지로 본체(100)의 하부에 제2 장애물 감지 센서(320)가 상향 경사지게 바라보도록 배치된 경우, 보다 먼 거리에서는 이동로봇의 체고 이상의 높이로 돌출된 장애물을, 보다 가까운 거리에서는 낮게 돌출된 장애물을, 그 중간의 거리에서는 이동로봇의 체고의 중간 높이로 돌출된 장애물을 각각 감지할 수 있게 된다. 따라서 제1 장애물 감지 센서(310)와 제2 장애물 감지 센서(320)를 각각 구비한 경우에는 원거리 및 근거리에서 다양한 높이로 돌출된 장애물을 모두 감지할 수 있게 된다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 이동로봇이 다양한 형태의 장애물을 감지하는 방식을 설명하기 위한 개략 측면도이다.

도 4와 같이 이동로봇의 체고와 비슷한 높이로 돌출되며, 동시에 낮은 높이로도 돌출된 형태의 장애물(OB)인 경우, 본 발명에 따른 이동로봇은 장애물(OB)과의 거리가 적절한 경우, 제1 장애물 감지 센서(310)가 낮은 높이의 돌출부를, 제2 장애물 감지 센서(320)가 이동로봇의 체고와 비슷한 높이의 돌출부를 각각 감지하 게 된다. 이동로봇이 장애물(OB)에 더 접근하면, 반대로 제1 장애물 감지 센서(310)는 장애물(OB)의 높은 돌출부를, 제2 장애물 감지 센서(320)는 장애물(OB)의 낮은 돌출부를 각각 감지할 수 있다. 어느 시점에서든 제어부는 이동로봇이 장애물(OB)과 충돌하지 않도록 동선을 계획할 수 있다.

도 5와 같이 이동로봇의 체고의 중간 정도의 높이로 돌출된 장애물(OB)이 존재하는 경우, 이동로봇과 장애물(OB) 사이의 거리가 적당하다면, 장애물(OB)의 돌출부는 제1 장애물 감지 센서(310)와 제2 장애물 감지 센서(320) 양쪽에서 감지된다. 따라서 이동로봇의 체고의 중간 정도의 높이에 별도의 장애물 감지 센서를 구비하지 않더라도 장애물(OB)을 감지할 수 있다.

도 4 및 도 5에 예시된 장애물과 같이, 제1 장애물 감지 센서(310)와 제2 장애물 감지 센서(320)에 의해 각각 감지되는 장애물과 이동로봇 사이의 직선 거리(r_true)는 아래 수학식 1과 같이 추산할 수 있다.

min(r_h × sin θ, r_l × sin θ) ≤ r_true

여기서, r_h는 제1 장애물 감지 센서(310)가 측정한 장애물(OB)까지의 거리이고, r_l은 제2 장애물 감지 센서(320)가 측정한 장애물(OB)까지의 거리이며, r_true는 이동로봇과 장애물(OB) 사이의 직선거리이고, θ는 이동로봇의 진행방향에 대해 각 장애물 감지 센서가 경사지게 바라보는 각도이다.

장애물 감지 센서(310, 320)는 또한 이동로봇의 진행방향을 따라 존재하는 장애물뿐만 아니라, 진행방향의 양측방에 존재하는 장애물도 감지할 수 있어야 한다. 이는 이동로봇이 좁은 통로를 지나가야할 때 특히 필요하다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 구동부(200)가 전방위 주행이 가능한 형태일 경우에는 진행방향이 수시로 바뀔 수 있는데, 진행방향이 바뀌더라도 장애물 감지 센서(310, 320)가 진행방향 전방을 주시할 수 있어야 한다. 이를 위해 장애물 감지 센서(310, 320)는 복수 개가 본체(100)의 전후좌우 방향에 환형으로 배치된 것이 바람직하다. 그러나 이와 같이 장애물 감지 센서(310, 320)를 복수 개 설치하면 각 장애물 감지 센서(310, 320)가 측정한 데이터 처리가 복잡해질 수 있다. 따라서 이동로봇의 본체(100)에는 본체(100)의 진행방향에 대해 전후좌우로 회전가능하게 설치된 터릿(110, 120)을 더 포함하고, 장애물 감지 센서(310, 320)는 이 터릿(110, 120)에 설치된 것이 바람직하다. 이 경우에는 터릿(110, 120) 없이 복수 개의 장애물 감지 센서(310, 320)가 본체의 둘레에 환형으로 배치된 것에 비해 적은 수의 센서만 구비되어도, 본체(100)의 바뀐 진행방향에 대해 장애물 감지 센서(310, 320)가 진행방향 전방을 주시할 수 있도록 회전시킬 수 있다. 나아가서 터릿(110, 120)을 주기적으로 회전시키면, 하나의 센서만으로도 진행방향 전방은 물론 전방측방, 후방 및 후방측방을 모두 주시하도록 할 수 있다. 이와 같은 터릿(110, 120)의 기능은, 구동부(200)에 대해 본체(100)를 회전 가능하도록 설치하는 것으로 대체할 수도 있다.

장애물 감지 센서(310, 320)가 제1 장애물 감지 센서(310) 및 제2 장애물 감지 센서(320)를 포함하여 이루어진 경우, 터릿(110, 120) 또한 본체(100)의 상하부 에 각각 설치된 제1 터릿(110)과 제2 터릿(120)을 포함하도록 하고, 제1 장애물 감지 센서(310)는 제1 터릿(110)에, 제2 장애물 감지 센서(320)는 제2 터릿(120)에 설치할 수 있다.

제1 장애물 감지 센서(310) 및 제2 장애물 감지 센서(320)가 경사지게 바라보는 각도(θ)는, 도 3에 도시된 바와 같이 일점쇄선으로 표시된 본체(100)의 진행방향에 대해 각각 하방 및 상방으로 40도~50도 사이인 것이 바람직하다. θ가 작은 경우 장애물을 감지할 수 있는 영역이 넓어져 미리 대처할 수 있는 장점이 있지만, 장애물의 위치 파악의 정확도가 떨어진다. 반대로 θ가 큰 경우 장애물을 감지할 수 있는 영역은 좁아지지만, 위치 정확도는 높아진다. θ의 크기는 본체(100)의 진행 속도나 본체(100)의 체고에 따라 바뀔 수 있지만, 대체로 40도~50도 사이가 적당하다. 도 3에서는 제1 장애물 감지 센서(310) 및 제2 장애물 감지 센서(320)가 바라보는 각도가 비록 상방 및 하방으로 방향은 다르지만 그 각도값은 θ로서, 서로 동일한 것으로 예시하고 있으나, 필요에 따라 서로 다른 각도로 기울어지게 할 수도 있다.

장애물 감지 센서(310, 320)는 적외선 발광부와 적외선 수광부를 구비한 적외선 센서인 것이 바람직하다. 적외선 센서는 장애물의 존재여부는 물론 장애물까지의 거리도 파악할 수 있다. 그 밖에 초음파 센서나 레이저 센서를 포함하여, 대상물의 위치와 거리를 감지할 수 있는 다른 형태의 센서로도 장애물 감지 센서(310, 320)를 구성할 수 있다.

제어부(미도시)는 장애물 감지 센서(310, 320)로부터 데이터를 입력받고, 그 데이터에 기초하여 구동부(200)를 제어하는 프로세서를 포함한다. 예컨대 장애물 감지 센서(310, 320)가 장애물의 존재 및 장애물까지의 거리를 측정하여 그 데이터를 제어부로 입력하면, 제어부는 그 장애물을 피할 수 있는 지점으로 구동부(200)를 제어하는 것이다. 제어부는 본체(100) 또는 구동부(200)에 선택적으로 설치될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇의 다른 실시예의 사시도이고, 도 7은 도 6의 실시예의 측면도이다.

본 실시예는 전시회, 박람회장과 같은 곳에서 대중을 위한 안내로봇으로의 활용성이 극대화된 형태로서, 본체(100), 구동부(200), 제1 장애물 감지 센서(310), 주바퀴(210) 및 보조바퀴(220)를 포함한 구성은 앞선 실시예와 동일하다. 다만 제2 장애물 감지 센서(320)는 본체(100)가 아닌 구동부(200)에 설치되어 있고, 제1 터릿(110) 및 제2 터릿(120)에 대응하는 구성은 구비하고 있지 않다.

한편, 본체(100)에는 매니퓰레이터(400), 디스플레이부(500) 및 카메라부(600)가 더 구비되어 있다.

매니퓰레이터(400)는 물건을 집고 이동시킬 수 있으며, 사용자에게 건네 줄 수도 있다. 도 6 및 7에서 매니퓰레이터(400)는 인간의 팔을 모방한 형태인 것으로 도시하고 있으나, 다른 형태로 변형될 수 있음은 자명하다.

디스플레이부(500)는 안내용 화상이나 문구 등 사용자에게 제공할 정보나 이동로봇의 작동상태 등 유지관리에 필요한 정보를 표시한다. 또한 디스플레이부(500)는 외부로부터 전달받은 화상을 시현하도록 할 수도 있다. 그리고 디스플 레이부(500)는 사용자가 원하는 정보를 검색하거나 명령을 입력할 수 있도록 하는 조작버튼을 추가로 구비할 수 있다.

카메라부(600)는 이미지를 촬영하여 디스플레이(500)에 시현하거나 외부로 전송할 수 있으며, 촬영 후 이미지 프로세싱을 통해 이동로봇으로 하여금 사물이나 사용자를 인식하도록 할 수도 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇의 일실시예의 사시도이고,

도 2는 도 1의 실시예의 측면도이며,

도 3은 도 1의 실시예의 제1 장애물 감지 센서와 제2 장애물 감지 센서의 배치관계를 도시한 설명도이고,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇이 다양한 형태의 장애물을 감지하는 방식을 설명하기 위한 개략 측면도이며,

도 6은 본 발명에 따른 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇의 다른 실시예의 사시도이고,

도 7은 도 6의 실시예의 측면도이다.

Claims

본체와,

상기 본체를 이동시키기 위한 구동부와,

상기 본체의 진행방향에 대해 경사지게 바라보도록 설치된 장애물 감지 센서와,

상기 장애물 감지 센서로부터 측정한 데이터에 기초하여 상기 구동부를 동작시키는 제어부를 포함하여 이루어진 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제1항에 있어서, 상기 본체는,

물건을 집기 위한 매니퓰레이터와, 화상을 촬영하기 위한 카메라와, 화상을 시현하기 위한 디스플레이 중 선택된 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제1항에 있어서,

상기 장애물 감지 센서는 적외선 센서, 초음파 센서 또는 레이저 센서 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제1항에 있어서, 상기 장애물 감지 센서는,

복수 개가 상기 본체의 전후좌우 방향에 환형으로 배치된 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 본체는 상기 본체의 진행방향에 대해 전후좌우로 회전가능하게 설치된 터릿을 구비하고,

상기 장애물 감지 센서는 상기 터릿에 설치된 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장애물 감지 센서는,

상기 본체의 상부에 설치되고 하향 경사지게 바라보는 제1 장애물 감지 센서와,

상기 본체의 하부에 설치되고 상향 경사지게 바라보는 제2 장애물 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제6항에 있어서,

각각 상기 본체의 진행방향에 대해 전후좌우에 위치할 수 있도록 상기 본체의 상하부에 회전가능하게 설치된 제1 터릿 및 제2 터릿을 더 포함하고,

상기 제1 장애물 감지 센서 및 제2 장애물 감지 센서는 각각 상기 제1 터릿 및 제2 터릿에 설치된 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.
제6항에 있어서,

상기 제1 장애물 감지 센서 및 제2 장애물 감지 센서가 각각 경사지게 바라보는 각도는 상기 본체의 진행방향에 대해 40~50도인 것을 특징으로 하는 장애물 감지 센서를 구비한 이동로봇.