KR20100026284A - 3차원 공간인식센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예는 3차원 공간인식센서에 관한 것으로서, 반사경을 통해 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사체와, 회전축인 중공 파이프에서 상기 방출광 및 입사광의 통로 역할을 하며, 상기 중공 파이프의 회전에 의해 상기 반사경을 회전시키는 수평회전체와, 상기 중공 파이프의 외벽에 위치하여 스크류의 나사선 회전을 통해 상기 중공 파이프를 따라 상하 이동하며, 상기 스크류에 연결된 반사경의 기울기 변화를 이루는 수직이동체와, 방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체를 포함한다.

센서, 레이저, 3차원, 스캔, 거리, 공간, 인식, 입출광, 방출광

Description

3차원 공간인식센서{3D LRF sensor : Three dimensions Laser Range Finder sensor}

본 발명의 실시 예는 3차원 공간인식센서에 관한 것이다.

공간인식센서는 광원, 회전체, 센서 등으로 구성되어 있어서, 광원으로부터 방출된 광원이 물체에 맞아서 다시 되돌아왔을 때 그 신호를 센서를 통하여 검출하여 일련의 수치적 계산을 하여 거리를 판단하는 방식이다. 회전체는 광원 및 센서를 회전시켜 줌으로써 주어진 각도 범위 내에서 모두 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다. 이러한 공간인식센서는 일반적으로 1차원 부분의 거리 판별을 수행하는 구조를 가지고 있다. 즉, 수평 방향의 물체를 스캐닝할 수 있는 구조를 가지고 있다.

그런데, 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 스캐닝이 가능한 3차원 공간인식센서를 구현하고자 하는 경우, LRF(Laser Range Finder) 구조물 내의 반사경이 수평뿐만 아니라 기울기 조절이 이루어져야 하는데 이를 간단히 구현할 구조 방안이 요구된다.

본 발명의 실시 예는 수평 방향뿐 아니라 수직으로도 공간 인식 가능한 LRF 구조물을 갖는 3차원 공간인식센서이다.

본 발명의 실시 예는, 반사경을 통해 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사체와, 회전축인 중공 파이프에서 상기 방출광 및 입사광의 통로 역할을 하며, 상기 중공 파이프의 회전에 의해 상기 반사경을 회전시키는 수평회전체와, 상기 중공 파이프의 외벽에 위치하여 스크류의 나사선 회전을 통해 상기 중공 파이프를 따라 상하 이동하며, 상기 스크류에 연결된 반사경의 기울기 변화를 이루는 수직이동체와, 방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체를 포함한다.

상기 수평 회전체는, 내부가 비어 있는 축으로서 회전이 이루어지는 중공 파이프와, 상기 중공 파이프의 밑단을 감싸서 상기 중공 파이프의 회전을 수행하는 수평구동모터를 포함한다.

상기 수직이동체는, 내측에 나사선이 형성되어 있는 외부체와, 상기 나사선 을 따라 회전하여 상하 이동하는 스크류와, 상기 스크류의 상단부 지점의 외경을 감싸고 있어 상단부의 외경을 따라 회전이 가능한 링크 베이스와, 상기 스크류의 상단부와 링크 베이스 사이에 위치하여 중공 파이프의 회전속도와 상기 스크류의 회전속도의 차이를 완충시키는 베어링을 포함한다.

상기 반사체는, 회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경과, 상기 중공 파이프의 회전에 따라 반사경 회전이 이루어지도록 하는 반사경 지지대와, 상기 반사경 지지대와 상기 중공 파이프의 상단을 연결하는 베이스 플레이트와, 상기 반사경과 상기 링크 베이스를 연결하여, 상기 링크 베이스의 상하 이동에 따라 상기 반사경의 기울기 변화가 이루어지도록 하는 수직구동링크를 포함한다.

상기 수직구동링크는, 상기 링크 베이스에 수직으로 연결되는 수직축과, 상기 수직축과 힌지를 통해 일끝단이 연결되는 연결축을 포함하며, 상기 연결축의 타끝단이 상기 반사경의 후면부 결합체에 연결됨을 특징으로 한다.

후면부 결합체는, 삽입되는 상기 연결축의 타끝단이 반사경의 경사 기울기에 따라 달리함을 특징으로 하며, 상기 후면부 결합체는 리니어 볼 부쉬(linear ball bush) 방식으로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예는 수평의 회전뿐만 아니라 기울기 조절을 통해 수직으로의 거리인식이 가능한 구조물을 제안함으로써, 수평 및 수직의 3차원 입체적인 공간인식이 가능한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간인식센서의 외관 사시도 및 LRF 구조물의 내부 사시도이다.

3차원 공간인식센서는 본체(110)와 LRF 구조물(115)로 이루어지는데, 상기 본체(110)는 입사되는 광신호를 입사광으로서 센싱하는 수광소자, 입사되는 광신호를 수광소자로 집광시켜주는 집광렌즈와, 레이저를 이용하여 빛(광)을 방출하는 발광소자를 구비한다.

상기 발광소자로부터 나온 광은 반사경(121;mirror)에 의해 반사되어 외부로 신호광으로 방출된다. 이때 반사경의 회전위치 및 기울기에 따라 광 방출되는 지점이 달라진다. 상기 방출된 광이 물체에 부딪쳐 신호광으로서 되돌아오면, 이러한 신호광은 반사경에 의해 반사되어 본체(110)로 입사되어 고정체의 집광렌즈를 거쳐 수광소자로 입사된다. 따라서 본체(110)는 방출광을 조사하여 반사경을 통해 방출하고, 물체에 부딪혀 되돌아오는 입사광을 상기 반사경을 통해 집광하는 스캐닝을 수행할 수 있다.

상기 LRF 구조물(115)은 반사경의 회전 및 기울기를 통해 3차원 공간인식(거리인식)을 수행할 수 있다. 반사경은 베이스 플레이트와 반사경 지지대를 통해 연 결되어 있어, 베이스 플레이트(123)의 회전에 따라 반사경이 회전한다. 또한, 반사경은 상하 이동하는 링크 베이스에 연결된 수직구동링크에 의해 힌지를 따라 움직여 기울기 변화가 일어난다.

따라서 반사경의 회전 및 기울기가 동시에 이루어지며 3차원 스캐닝을 수행하며 방출광 및 입사광을 반사시켜 입체적 공간인식이 가능하다. 이를 위하여 상기 LRF구조물은 수평회전체, 수직이동체, 반사체를 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 LRF 구조물의 분해 단면도이고, 도 3은 수평회전체, 수직이동체, 반사체가 결합되어 완성된 LRF 구조물의 결합 단면 사시도이다.

수평회전체(140)는 반사경(121)의 하부에 위치하며, 스핀들 모터와 같은 수평구동모터(141)를 통해 중공 파이프(142)를 회전시킨다. 상기 수평구동모터의 회전축은 중공축으로서 가운데가 비어 있는 중공 파이프(142)로 이루어진다. 중공 파이프 내부를 통해 반사경(121)을 거치는 방출광 또는 입사광이 이러한 중공 파이프 내부를 통해 외부 또는 본체로 전달된다.

중공 파이프(142)의 회전을 이루기 위해, 수평구동모터(141)는 상기 중공 파이프의 밑단을 감싸서 상기 중공 파이프(142)의 회전이 이루어지도록 한다.

상기 중공 파이프(142)의 상부 끝단은 반사체(120)의 베이스 플레이트(123;base plate)와 고정되며, 베이스 플레이트(123)에는 반사경(121)을 연결 지지해주는 지지축인 반사경 지지대(122)가 구비된다.

수평구동모터의 회전에 따라 중공 파이프(142)의 360°회전이 이루어지며, 중공 파이프(142)의 회전에 따라 중공 파이프에 연결된 베이스 플레이트(123)의 회전이 이루어진다. 베이스 플레이트(123)의 회전이 있음에 따라 베이스 플레이트(123)에 연결된 반사경 지지대(122)의 회전이 이루어지며, 따라서 반사경 지지대(122)의 회전에 의해 반사경(121)의 회전이 이루어진다. 상기 반사경 지지대(122)는 베이스 플레이트(123)의 직경 양쪽에 2개 구비된다.

상기 반사경(121)의 회전에 따른 각각의 스캐닝 모습을 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시하였는데, 도 4(a)는 특정 위치에서 3차원 공간인식센서의 측정 모습을 도시한 그림이고, 도 4(b)는 상기 3차원 공간인식센서의 반사경이 상기 도 4(a)의 위치 지점으로부터 180°회전한 위치에서 측정 모습을 도시한 그림이다.

도 4(a)를 참조하면, 본체 내의 발광소자에서 방출된 방출광은 반사경을 거쳐 우측으로 방출되고, 따라서 우측으로부터 이들의 입사광이 들어와서 반사경을 거쳐 본체 내의 수광소자로 들어오는 스캐닝이 이루어진다. 반면에, 회전체의 이동에 의하여 반사경이 도 4(b)와 같이 180°회전 이동한 경우에는, 본체 내의 발광소자에서 방출된 방출광은 반사경을 거쳐 좌측으로 방출되고, 따라서 좌측으로부터 이들의 입사광이 들어와서 반사경을 거쳐 본체 내의 수광소자로 들어오는 스캐닝이 이루어진다.

한편, 수직이동체(130)는 리니어 스텝핑 모터와 같은 수직구동모터로 이루어지며, 중공 파이프(142)의 외곽에 배치된다. 상기 수직이동체(130)는 외부체(131), 스크류(132), 링크 베이스(134), 베어링(133)을 포함한다.

외부체(131)는 내측에 나사선이 형성되어 있으며, 스크류(132)가 상기 나사선을 따라 회전하여 중공 파이프(142)를 따라 상하 이동한다. 링크 베이스(134)는 스크류(132)의 상단부에 있는 외경을 감싸고 있어 상단부의 외경을 따라 회전이 가능하다. 베어링(133)은 상기 스크류(132)의 상단부와 링크 베이스(134) 사이에 위치하여 중공 파이프(142)의 회전속도와 상기 스크류(132)의 회전속도의 차이를 완충시킨다.

좀 더 상세히 살펴 보면, 상기 수평회전체와 다른 별도의 제어를 받아 수직구동모터의 회전이 이루어지면, 이에 따라 외부체(131)의 안쪽에 있는 스크류(132)가 외부체 내부의 나사선을 따라 회전하며 상하로 이동한다. 안쪽에 위치하는 스크류(132)는 중공 파이프와 일정 간격(gap)을 유지하도록 구성되어 있어, 중공 파이프와 별도로 외부체(131)의 나사선을 따라 회전하여 스크류의 상하 이동이 이루어질 수 있다.

상기 스크류의 상단 외경에는 베어링(133)이 구비되며, 상기 베어링 위에 링크 베이스(134)가 구비된다.

상기 링크 베이스(134)에는 반사체의 수직구동링크(124)가 연결된다. 상기 수직구동링크(124)는 반사경의 기울기를 조절할 수 있는 역할을 하는데, 스크류의 외경에 구비된 링크 베이스의 상하 이동에 의하여 수직구동링크의 수직축(124a) 역시 상하 이동한다.

즉, 스크류의 상하 이동이 이루어지면 이에 연결된 링크 베이스(134)도 상하 로 이동되고, 이에 따라서 링크 베이스(134)에 연결된 수직구동링크(124)의 수직축(124a)도 상하로 이동하여 반사경(121)의 기울기를 조절할 수 있다.

한편, 상기 링크 베이스(134)는 스크류의 회전에 따른 상하 이동뿐만 아니라 수평구동모터(141)에 의한 회전도 함께 이루어질 수 있다. 즉, 중심축(142)에 연결된 베이스 플레이트(123)의 회전에 따라 반사경(121)이 회전되면 이에 따라 수직구동링크(124)도 회전이 이루어지고, 수직구동링크(124)의 회전에 따라 링크 베이스(134) 역시 회전이 이루어진다.

이때, 수평구동모터(141)의 회전에 따른 링크 베이스의 회전과 스크류(132)의 회전과의 상호 간에 속도 차이가 발생할 수 있는데, 이러한 속도 차이는 링크 베이스(134)와 스크류(132) 사이에 있는 베어링(133)에 의해 완충될 수 있다.

즉, 상기 베어링(133)은 수평구동모터의 회전에 따른 중공 파이프(142)의 회전 속도와 수직구동모터의 회전에 따른 스크류(132)의 회전 속도의 차이를 흡수하는 완충 역할을 하여 동작이 원활히 이루어지도록 한다.

반사체(120)는 방출광 및 입사광을 360°회전 및 상하 이동하며 반사시키는 기능을 수행하는데, 반사경(121), 반사경 지지대(122), 베이스 플레이트(123), 수직구동링크(124)를 포함한다.

반사경(121)은 회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키며, 반사경 지지대(122)는 상기 반사경의 직경 양쪽과 상기 중공 파이프(142)의 상단을 연결하여, 상기 중공 파이프(142)의 회전에 따라 반사경 회전이 이루어 지도록 한다. 중공 파이프(142)의 상단과 반사경 지지대(122)는 베이스 플레이트(123)에 의해 연결된다.

수직구동링크(124)는 상기 반사경(121)과 링크 베이스(134)를 연결하여, 상기 링크 베이스의 상하 이동에 따라 상기 반사경의 기울기 변화가 이루어지도록 한다.

상기와 같이 수직구동링크(124)는 링크 베이스의 상하 이동에 따라 같이 상하로 움직이며, 이때 힌지 연결된 연결체(124b)가 움직여 반사경의 기울기 변화를 가질 수 있도록 한다.

따라서 상기 수직구동링크(124)는, 상기 링크 베이스에 수직으로 연결되는 수직축(124a)과, 상기 수직축과 힌지를 통해 일끝단이 연결되는 연결축(124b)을 포함하며, 상기 연결축(124b)의 타끝단이 상기 반사경의 후면부 결합체(125)에 연결된다.

수직구동링크의 수직축(124a)과 연결축(124b)은 스페리컬 플레인과 같은 힌지(124c)에 의해 연결되어, 수직축(124a)의 상하 이동에 따라 연결축(124b)이 힌지를 따라 움직여 결과적으로 반사경(121)의 기울기를 달리할 수 있다.

이때, 상기 반사경의 기울기가 달라질 때 반사경에 연결된 연결축(124b)의 길이가 달라질 수 있는데, 이로 인해 반사경의 수평 방향의 변위를 저해할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 반사경(121)과 수직구동링크(124)는, 반사경의 기울기 변화에 따른 연결축의 길이를 일정하게 유지하기 위하여 삽입되는 상기 연결축의 타끝단이 반사경의 경사 기울기에 따라 달리하도록 한다. 후면부 결합체(125)를 리니어 볼 부쉬(linear ball bush)와 같은 방식으로 연결한다. 반사경의 경사 기울기를 흡수하기 위하여 연결축의 끝단이 반사경에 구비된 리니어 볼 부쉬에 연결된다.

예를 들면, 도 5(a)에 도시한 바와 같이 반사경이 45°각도를 이루고 있을 경우에는 연결축이 리니어 볼 부쉬 안쪽으로 깊이 삽입되며, 도 5(b)에 도시한 바와 같이 45°보다 더 낮은 각도를 이루고 있을 경우에는 45°각도일 때보다 연결축이 리니어 볼 부쉬 바같쪽으로 밀려 나와 삽입됨을 알 수 있다.

도 6은 수직이동모터의 회전에 따른 반사경의 기울기 변화모습을 도시한 그림으로서, 수직이동모터의 회전에 따라 스크류가 나사선을 따라 회전하며 상하이동하여, 스크류의 외경부에 연결된 수직구동링크의 상하 이동에 따라 반사경의 기울기 변화가 나타남을 알 수 있다.

즉, 스크류가 중간에 위치할 때는 반사경은 도 6(b)와 같이 일정 기울기(예컨대, 45°)를 가지게 되며, 스크류가 아래로 이동하여 이에 연결된 수직구동링크가 아래로 움직일 때는 이로 인해 도 6(a)와 같이 반사경(121)은 더 급한 기울기(예컨대, 60°)를 가지게 되며, 반대로, 스크류가 위로 이동하여 이에 연결된 수직구동링크가 위로 움직일 때는 이로 인해 도 6(c)와 같이 반사경(121)은 더 적은 기울기(예컨대, 30°)를 가지게 된다.

결국, 본 발명은 도 4와 같이 반사경이 360°회전이 가능함과 동시에 반사경 의 기울기를 달리 조절할 수 있게 되어, 3차원 입체적인 거리 측정이 가능하게 된다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간인식센서의 외관 사시도 및 LRF 구조물의 내부 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 LRF 구조물의 분해 단면도이다.

도 3은 수평회전체, 수직이동체, 반사체가 결합되어 완성된 LRF 구조물의 결합 단면 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 반사경의 회전 모습을 도시한 그림이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 후면부 결합체의 결합 모습을 도시한 그림이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 반사경의 기울기 변화 모습을 도시한 그림이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 3차원 공간인식센서 110: 본체

115: LRF 구조물 120: 반사체

121: 반사경 122: 반사경 지지대

123: 베이스 플레이트 124: 수직구동링크

130: 수직이동체 131: 외부체

132: 스크류 133: 베어링

134: 링크 베이스 140: 수평회전체

141: 수평구동모터 142: 중공 파이프

Claims (7)

1. 반사경을 통해 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사체;

   회전축인 중공 파이프에서 상기 방출광 및 입사광의 통로 역할을 하며, 상기 중공 파이프의 회전에 의해 상기 반사경을 회전시키는 수평회전체;

   상기 중공 파이프의 외벽에 위치하여 스크류의 나사선 회전을 통해 상기 중공 파이프를 따라 상하 이동하여, 상기 스크류에 연결된 반사경의 기울기 변화를 이루는 수직이동체;

   방출광을 조사하여 상기 반사경의 반사를 통해 방출하고, 되돌아 오는 입사광을 상기 반사경의 반사를 통해 수신하는 본체

   를 포함하는 3차원 공간인식센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 수평 회전체는,

   내부가 비어 있는 축으로서 회전이 이루어지는 중공 파이프;

   상기 중공 파이프의 밑단을 감싸서 상기 중공 파이프의 회전을 수행하는 수평구동모터

   를 포함하는 3차원 공간인식센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 수직이동체는,

   내측에 나사선이 형성되어 있는 외부체;

   상기 나사선을 따라 회전하여 상하 이동하는 스크류;

   상기 스크류의 상단부 지점의 외경을 감싸고 있어 상단부의 외경을 따라 회전이 가능한 링크 베이스;

   상기 스크류의 상단부와 링크 베이스 사이에 위치하여 중공 파이프의 회전속도와 상기 스크류의 회전속도의 차이를 완충시키는 베어링

   을 포함하는 3차원 공간인식센서.
4. 제3항에 있어서, 상기 반사체는,

   회전 및 기울기 변화가 이루어지며 방출광 및 입사광을 반사시키는 반사경;

   상기 중공 파이프의 회전에 따라 반사경 회전이 이루어지도록 하는 반사경 지지대;

   상기 반사경 지지대와 상기 중공 파이프의 상단을 연결하는 베이스 플레이트;

   상기 반사경과 상기 링크 베이스를 연결하여, 상기 링크 베이스의 상하 이동에 따라 상기 반사경의 기울기 변화가 이루어지도록 하는 수직구동링크

   를 포함하는 3차원 공간인식센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 수직구동링크는,

   상기 링크 베이스에 수직으로 연결되는 수직축;

   상기 수직축과 힌지를 통해 일끝단이 연결되는 연결축

   을 포함하며, 상기 연결축의 타끝단이 상기 반사경의 후면부 결합체에 연결됨을 특징으로 하는 3차원 공간인식센서.
6. 제5항에 있어서, 후면부 결합체는, 삽입되는 상기 연결축의 타끝단이 반사경의 경사 기울기에 따라 달리함을 특징으로 하는 3차원 공간인식센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 후면부 결합체는 리니어 볼 부쉬(linear ball bush) 방식으로 이루어짐을 특징으로 하는 3차원 공간인식센서.

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