KR20120140176A - 물체 인식을 위한 반사 광학계 및 이를 이용한 이동형 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동형 로봇 등에서 사용하는 물체인식 반사 광학계를 개시한다. 본 발명에 따른 물체인식 반사 광학계는, 수광렌즈; 상기 수광렌즈를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서; 상기 수광렌즈의 중심축과 나란한 방향으로 빛을 출사하는 발광수단; 상기 발광수단에서 출사된 빛을 상기 중심축과 직교하는 방향으로 반사시키는 원뿔면 형상의 제1 반사면을 구비하는 제1 반사부; 물체에서 반사된 빛을 상기 수광렌즈로 입사시키기 위한 것으로서, 원뿔면 형상의 제2 반사면을 구비하고, 상기 중심축과 직교하는 방향을 기준으로 볼 때 상기 중심축과 상기 제2 반사면 간의 거리가 상기 수광센서에 가까워질수록 작아지는 제2 반사부를 포함한다.
본 발명에 따르면 발광다이오드에서 출사된 빛이 반사부의 원뿔면 형상 반사면에서 모든 방향으로 반사되므로 적어도 수평방향에 대해서는 사각을 완전히 없애는 것이 가능해져 물체인식 성능을 크게 개선할 수 있다. 또한 발광다이오드와 수광센서의 개수를 대폭 줄일 수 있으므로 광학계의 구성이 간단해져 공간 활용도가 개선되고, 제작비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

물체 인식을 위한 반사 광학계 및 이를 이용한 이동형 로봇{Reflection optical system for object recognition and moving robot using the same}

본 발명은 물체 인식을 위한 반사 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 원뿔면 형상의 반사면을 갖는 반사부를 사용함으로써 간단한 구성으로 사각(死角) 없이 넓은 영역의 물체를 감지할 수 있는 반사 광학계에 관한 것이다.

최근 자동제어기술이 발달함에 따라 스스로 움직이면서 임무를 수행하는 이동형 로봇이 여러 분야에서 활용되고 있다. 이동형 로봇의 종류는 산업분야 및 용도에 따라 매우 다양하지만, 생활주변에서 흔히 접하는 것은 로봇 청소기일 것이다.

로봇 청소기는 설정된 프로그램에 따라 소정 영역 내에서 스스로 움직이면서 먼지나 쓰레기를 수집하는 소형 로봇이며, 이동 중에 장애물이 검출되면 방향을 전환하도록 설계되어 있다. 따라서 로봇 청소기는 이동을 위한 구동장치, 먼지 등을 수집하는 집진장치, 장애물을 검출하는 물체인식장치 등을 구비하고 있다.

대부분의 로봇 청소기용 물체인식장치는 초음파, 적외선, 레이저 등의 반사파를 이용하여 물체와의 거리를 판단하고 있다.

예를 들어 도 1은 대한민국 공개특허공보 제2008-93768호에 개시된 물체인식장치에 사용된 광학계를 나타낸 것으로서, 발광다이오드(12)와 발광다이오드(12)에서 출사된 빛이 통과하는 슬릿(14)을 구비하는 발광부(10), 물체면(30)에 반사된 발광다이오드(12)의 빛을 집광하는 수광렌즈(22)와 수광렌즈(22)를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서(24)를 구비하는 수광부(20)를 포함하고 있다.

그런데 진행하는 방향에 존재하는 물체를 모두 인식하기 위해서는 도 2에 나타낸 바와 같이 로봇 청소기(50)의 일측에 매우 많은 개수의 발광다이오드(12)를 서로 다른 각도로 설치하고, 발광다이오드(12)와 동일한 개수의 수광렌즈(22)를 설치해야 하므로 장치의 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 이론상으로는 아무리 많은 개수의 발광다이오드(12)를 설치하더라도 사각을 완전히 없애는 것은 불가능하다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 제2008-45523호에서는 2이상의 센서를 서로 감지방향이 교차되도록 설치하는 방법을 제안하고 있다. 이 방법에 따르면 진행방향의 앞쪽에 존재하는 모든 물체를 인식하는 것이 가능하지만 여전히 사각이 존재하므로 이를 보완하기 위하여 다수의 발광다이오드와 수광센서를 추가로 설치해야 하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 간단한 구성으로 사각 없이 넓은 범위를 감지할 수 있는 물체인식수단을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 수광렌즈; 상기 수광렌즈를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서; 상기 수광렌즈의 중심축과 나란한 방향으로 빛을 출사하는 발광수단; 상기 발광수단에서 출사된 빛을 상기 중심축과 직교하는 방향으로 반사시키는 원뿔면 형상의 제1 반사면을 구비하는 제1 반사부; 물체에서 반사된 빛을 상기 수광렌즈로 입사시키기 위한 것으로서, 원뿔면 형상의 제2 반사면을 구비하고, 상기 중심축과 직교하는 방향을 기준으로 볼 때 상기 중심축과 상기 제2 반사면 간의 거리가 상기 수광센서에 가까워질수록 작아지는 제2 반사부를 포함하는 물체인식 반사 광학계를 제공한다.

본 발명에 따른 물체인식 반사 광학계에서, 상기 중심축과 상기 제1반사면 사이의 각(A)은 40도 보다 크고 50도 보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 물체인식 반사 광학계에서, 상기 수광렌즈의 화각(θ)은 90도 보다 크고, 상기 제2 반사부에서 상기 중심축과 상기 제2 반사면 사이의 각(B)은 50도 < B < 85도 인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 수광렌즈의 화각(θ)은 90도 보다 작고, 상기 제2 반사부에서 상기 중심축과 상기 제2 반사면 사이의 각(B')은 40도 < B' < 70도인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1 반사부의 중심축과 상기 제2 반사부의 중심축은 서로 이격되어 평행한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 수광렌즈는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 제2 반사부는 상기 수광렌즈와 상기 제1 반사부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1 반사부는 첨단부가 상기 발광수단에서 출사되는 광속(光束)의 내부에 위치하도록 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 발광수단과 상기 제1 반사부의 사이에는 상기 발광수단에서 출사된 빛이 상기 중심축과 평행해지도록 하기 위한 집광렌즈가 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명은, 수광렌즈; 상기 수광렌즈를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서; 상기 수광렌즈의 중심축과 직교하는 평면상의 서로 다른 방향으로 빛을 출사하는 다수의 발광수단; 물체에서 반사된 빛을 상기 수광렌즈로 입사시키기 위한 것으로서, 원뿔면 형상의 반사면을 구비하고, 상기 중심축과 직교하는 방향을 기준으로 볼 때 상기 중심축과 상기 반사면 간의 거리가 상기 수광센서에 가까워질수록 작아지는 반사부를 포함하는 물체인식 반사 광학계를 제공한다.

본 발명에 따르면 발광다이오드에서 출사된 빛이 반사부의 원뿔면 형상 반사면에서 모든 방향으로 반사되므로 적어도 수평방향에 대해서는 사각을 완전히 없애는 것이 가능해져 물체인식 성능을 크게 개선할 수 있다. 또한 발광다이오드와 수광센서의 개수를 대폭 줄일 수 있으므로 광학계의 구성이 간단해져 공간 활용도가 개선되고, 제작비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 물체인식장치의 구성도
도 2는 종래 물체인식장치에서 발광다이오드가 설치된 모습을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 설치모습을 예시한 도면
도 5는 제1 반사부 및 제2 반사부를 나타낸 사시도
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 동작원리를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 세부 구성을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계에서 물체가 근거리에 있을 때 이미지센서의 결상모습을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계에서 물체가 원거리에 있을 때 이미지센서의 결상모습을 나타낸 도면
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 여러 변형예를 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 세부 구성을 나타낸 도면
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계에서 물체가 근거리에 있을 때 이미지센서의 결상모습을 나타낸 도면
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계에서 물체가 원거리에 있을 때 이미지센서의 결상모습을 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 변형예를 나타낸 도면
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 18은 제1 반사부 및 제2 반사부의 변형예를 나타낸 사시도
도 19는 제1 반사부에 집광렌즈를 사용한 경우를 예시한 도면
도 20은 본 발명의 제4 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 21은 본 발명의 제5 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 22는 본 발명의 제6 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 구성도
도 23 및 도 24는 각각 본 발명의 실시예에 따른 물체인식 반사광학계의 여러 설치사례를 나타낸 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 상기 물체인식 반사광학계(100)가 로봇 청소기(50)에 설치된 모습을 예시한 도면이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100)는 아래에서부터 순서대로 배치된 제1 반사부(120), 발광다이오드(110), 이미지센서(150), 수광렌즈(140), 제2 반사부(130)를 포함한다.

위 각 구성요소의 중심축은 로봇 청소기(50)의 진행방향에 대해 수직이고, 동축상에 위치하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

발광다이오드(110)는 빛이 아래로 출사되도록 배치되며, 본 발명의 실시예에서는 850~900nm 대역의 적외선을 방출하는 발광다이오드(110)를 사용하였다. 이 경우 수광렌즈(140)와 이미지센서(150)의 사이에는 상기 대역의 적외선만을 통과시키는 적외선통과필터를 설치하는 것이 바람직할 것이다.

제1 반사부(120)는 도 5에 나타낸 바와 같이 중심축을 기준으로 회전대칭인 원뿔 형상이며, 경사진 측면(원뿔면)이 반사면의 역할을 한다. 제1 반사부(120)는 첨단부가 위를 향하도록 배치되며, 따라서 발광다이오드(110)에 가까울수록 반사면과 중심축간의 거리가 줄어든다. 제1 반사부(120)의 첨단부는 점에 가까울 정도로 뾰족한 것이 가장 바람직하지만, 적어도 그 직경이 발광다이오드(110)에서 출사되는 광속(光束)의 직경보다는 작은 것이 바람직하다. 그래야만 발광다이오드(110)의 출사광이 제1 반사부(120)의 반사면에서 360도 전방향으로 반사될 수 있기 때문이다.

제1 반사부(120)는 발광다이오드(110)에서 출사된 빛을 수평방향으로 반사시키도록 설계되는 것이 바람직하다. 다만 본 발명은 물체면(30)에서 반사된 빛을 제2 반사부(130)와 수광렌즈(140)를 통해 이미지센서(150)에 결상하여 물체와의 거리를 판단하는 것이 목적이므로 이러한 목적을 실현할 수 있는 한도 내에서는 제1 반사부(120)의 반사광이 수평방향에 한정되지 않아도 무방할 것이다.

발광다이오드(110)는 광속(光束)의 중심축이 제1 반사부(120)의 중심축과 일치하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 발광다이오드(110)의 광속(光束)의 내부에 제1 반사부(120)의 첨단부가 위치하기만 하면 반사광이 360도 방향으로 출사될 수 있다.

제2 반사부(130)도 도 5에 나타낸 바와 같이 중심축을 기준으로 회전대칭구조인 원뿔 형상이며, 경사진 측면(원뿔면)이 반사면의 역할을 한다. 제2 반사부(130)는 첨단부가 아래를 향하도록 배치되며, 상부에서 하부로 갈수록 반사면과 중심축간의 거리는 작아진다. 이러한 원뿔면 형상의 반사면으로 인해 제2 반사부(130)는 모든 방향에서 입사되는 빛을 그 하부에 위치하는 수광렌즈(140)를 향해 반사시킬 수 있다.

제1 반사부(120)와 제2 반사부(130)는 그 형상이 서로 유사하지만 용도상의 차이로 인해 크기, 반사면의 각도 등과 같은 구체적인 형상에는 차이가 있을 수 있다.

수광렌즈(140)는 제2 반사부(130)에서 반사된 빛이 이미지센서(150)에 결상되도록 집광하는 역할을 한다. 수광렌즈(140)에 사용되는 렌즈의 종류 및 렌즈매수는 특별히 한정되지 않으며 반사광학계의 구체적인 용도, 물체인식범위, 제2 반사부(130)의 구체적인 형상 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.

이미지센서(150)는 수광렌즈(140)를 통과한 빛을 전기적 영상신호로 변환하는 반도체 집적회로이며, CMOS센서, CCD센서 등이 사용될 수 있다. 이미지센서(150)에서 획득한 영상신호는 거리판독부(도면에는 나타내지 않았음)로 전송되어 물체까지의 거리를 판단하는 자료로 활용된다. 수광렌즈(140)와 이미지센서(150)는 통상의 카메라모듈과 같이 하나의 모듈로 제작될 수 있으며, 이는 이후의 다른 실시예에서도 마찬가지이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사광학계의 평면을 나타낸 것인데, 여기서 알 수 있는 바와 같이 발광다이오드(110)에서 출사된 빛은 제1 반사부(120)에서 반사되어 이론상 360도 방향으로 출사된다. 도 6에는 편의상 몇 개의 광선만을 도시하였으나, 실제로는 무수히 많은 광선이 360도 방향으로 출사되며, 물체면(30)에서 반사된 빛은 제2 반사부(130)에서 반사되어 수광렌즈(140)로 집광된다.

이와 같이 본 발명에 따르면 1개의 발광다이오드(110)의 빛이 360도 방향으로 출사되므로 적어도 수평방향에 대해서는 물체인식이 불가능한 사각을 완전히 없앨 수 있게 된다.

한편 도 7에 나타낸 바와 같이 제1 반사부(120)의 반사면과 광학계 중심축 사이의 각을 A라 하고, 제2 반사부(130)의 반사면과 광학계 중심축 사이의 각을 B라 하면, 다음의 조건식을 만족하도록 광학계를 설계하는 것이 바람직하다.

(1) 40도 < A < 50도

(2) 50도 < B < 85도

제1 반사부(120)의 각 A가 위 조건식 (1)의 하한값보다 작으면 발광다이오드(110)의 빛이 너무 아래로 진행하고, 상한값보다 크면 발광다이오드(110)의 빛이 너무 위로 진행하므로 원거리 물체를 인식하기 어려워진다. 각 A는 45도 인 것이 가장 바람직하지만, 제품의 가공오차 등을 감안하여 위 조건식 (1)의 범위를 벗어나지 않도록 제작되어야 한다.

또한 제2 반사부(130)의 각 B가 위 조건식 (2)의 하한값 보다 작으면 수광렌즈(140)에 대한 입사각이 전체적으로 작아져서 근거리쪽 물체를 인식하기 힘들어지고, 상한값 보다 크면 수광렌즈(140)에 대한 입사각이 전체적으로 커져서 원거리쪽 물체를 인식하기 힘들어지는 문제가 있다.

그리고 수광렌즈(140)는 광각렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 화각이 작은 렌즈는 상대적으로 초점거리가 길고 배율이 커지는 효과가 있어서 물체의 상이 크게 맺히는 경향이 있는데, 물체의 상이 커지면 이미지센서(150)에서 획득한 영상신호를 이용하여 물체의 거리를 정확히 판단하는 것이 어려워진다. 또한 화각이 작으면 반사광의 입사각이 큰 원거리 물체를 인식하기 어려워지는 문제가 있다. 따라서 수광렌즈(140)의 화각을 θ라 할 때 다음의 조건식 (3)을 만족하는 것이 바람직하다.

(3) θ > 90도

조건식 (3)에서 상한값을 명시하지 않은 이유는 기구적으로 허용되는 범위에서 화각은 클수록 바람직하기 때문이다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 광학계(100)를 사용하여 물체를 인식하는 구체적인 실시예를 설명한다.

도 8은 광학계의 중심축으로부터 4cm 떨어진 물체에서 반사된 빛에 의해 이미지센서(150)에 맺히는 상을 나타낸 시뮬레이션 결과이고, 도 9는 광학계의 중심축으로부터 30cm 떨어진 물체에서 반사된 빛에 의해 이미지센서(150)에 맺히는 상을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 이 실험은 다음의 조건에서 실시되었다.

각 A = 45도, 각 B = 77.5도, 화각(θ) = 180도

d1 = 10.00mm, d2 = 17.00mm, d3 = 13.68mm, d4 = 18.00mm 이고,

여기서 d1은 제2 반사부(130)의 높이, d2는 제2 반사부(130)의 하단과 수광렌즈(140)의 첫번째 렌즈면 사이의 거리, d3는 수광렌즈(140)의 첫번째 렌즈면에서 이미지센서(150)의 결상면까지의 거리, d4는 이미지센서(150)에서 제2반사부(1500의 상단까지의 거리를 의미한다. (도 7 참조)

위 실험결과를 통해 제1 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100)에서는 가까운 물체일수록 이미지센서(150)의 중심에 가깝게 상이 맺히고, 멀리 있는 물체일수록 상의 위치가 이미지센서(150)의 중심으로부터 멀어짐을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 물체인식 광학계는 이미지센서(150)에 맺히는 상의 위치를 이용하여 물체의 거리를 판단하는 것이 가능함을 알 수 있다.

한편 전술한 제1 실시예에서는 제1 반사부(120)를 첨단부가 위를 향하도록 배치하였으나 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 반사부(120)를 첨단부가 아래를 향하도록 배치하고 발광다이오드(110)의 빛이 제1 반사부(120)를 향해 위로 출사되도록 배치하여도 전술한 제1 실시예와 같은 원리로 물체를 인식할 수 있다.

또한 물체면(30)에서 반사된 빛이 입사되면 이를 수광렌즈(140)를 향해 반사시키는 제2 반사부(130)를 광학계의 최상단에 배치하였으나 광학계의 설치위치나 구체적인 용도에 따라서는 이와 다르게 배치할 수도 있다.

예를 들어 도 11에 나타낸 바와 같이 아래에서부터 순서대로 제2 반사부(130), 수광렌즈(140), 이미지센서(150), 발광다이오드(110), 제1 반사부(120)를 배치하여도 전술한 제1 실시예와 같은 원리로 물체를 인식할 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계를 설명한다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100')의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100')는 위에서부터 순서대로 배치된 발광다이오드(110), 제1 반사부(120), 제2 반사부(130'), 수광렌즈(140), 이미지센서(150)를 포함한다.

위 각 구성요소의 중심축은 로봇 청소기(50)의 진행방향에 대해 수직이고, 동축상에 위치하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

발광다이오드(110), 제1 반사부(120) 및 이미지센서(150)는 제1 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

제1 반사부(120)와 제2 반사부(130')는 중심축을 기준으로 회전대칭구조인 원뿔 형상이며, 경사진 측면(원뿔면)이 반사면의 역할을 한다.

다만 제1 반사부(120)는 첨단부가 위를 향하도록 배치되고, 제2 반사부(130')는 첨단부가 아래를 향하도록 배치된다. 따라서 제1 반사부(120)는 상부에서 하부로 갈수록 반사면과 중심축간의 거리가 커지고, 제2 반사부(130')는 상부에서 하부로 갈수록 반사면과 중심축간의 거리는 작아진다.

본 발명의 제1 실시예에서는 수광렌즈(140)가 제1 반사부(120)와 제2 반사부(130)의 사이에 배치되었으나, 제2 실시예에서는 제2 반사부(130')가 제1 반사부(120)와 수광렌즈(140)의 사이에 배치되므로 이를 고려하여 제2 반사부(130')의 반사면 각도가 제1 실시예와는 달라져야 한다.

제1 반사부(120)는 발광다이오드(110)에서 출사된 빛을 수평방향으로 반사시키는 용도이므로 제1 실시예와 마찬가지로 중심축과 반사면간의 각은 위 조건식 (1)과 같이 40도 내지 50도 범위에 속하면 된다.

그러나 제2 반사부(130')의 반사면과 광학계 중심축 사이의 각을 B'라 하면(도 13 참조), 각 B'는 다음의 조건식 (4)를 만족하도록 광학계를 설계하는 것이 바람직하다.

(4) 40도 < B' < 70도

제2 반사부(130')의 각 B'가 위 조건식 (4)의 하한값 보다 작으면 수광렌즈(140)에 대한 입사각이 전체적으로 작아져서 원거리쪽 물체를 인식하기 힘들어지고, 상한값 보다 크면 수광렌즈(140)에 대한 입사각이 전체적으로 커져서 근거리쪽 물체를 인식하기 힘들어지는 문제가 있다.

본 발명의 제2 실시예에서는 수광렌즈(140)는 굳이 광각렌즈일 필요는 없으며, 화각이 90도 미만인 렌즈를 사용할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 광학계(100')를 사용하여 물체를 인식하는 구체적인 실시예를 설명한다.

도 14는 광학계의 중심축으로부터 4cm 떨어진 물체에서 반사된 빛에 의해 이미지센서(150)에 맺히는 상을 나타낸 시뮬레이션 결과이고, 도 15는 광학계의 중심축으로부터 30cm 떨어진 물체에서 반사된 빛에 의해 이미지센서(150)에 맺히는 상을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 이 실험은 다음의 조건에서 실시되었다.

각 A = 45도, 각 B' = 47.7도, 화각(θ) = 62.4도

d1' = 10.00mm, d2' = 16.30mm, d3' = 4.34mm 이고, 제1반사부(120)와 제2 반사부(130)는 밑변이 서로 접한 상태임.

여기서 d1' 는 제2 반사부(130)의 높이, d2' 는 제2 반사부(130)의 하단과 수광렌즈(140)의 첫번째 렌즈면 사이의 거리, d3' 는 수광렌즈(140)의 첫번째 렌즈면에서 이미지센서(150)의 결상면까지의 거리를 의미한다. (도 13 참조)

위 실험결과를 통해 제2 실시예에 따른 물체인식 반사광학계(100')에서는 제1 실시예와는 반대로 가까운 물체일수록 이미지센서(150)의 중심으로부터 멀리 상이 맺히고, 멀리 있는 물체일수록 상의 위치가 이미지센서(150)의 중심에 가까워짐을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 물체인식 광학계(100')에서도 이미지센서(150)에 맺히는 상의 위치를 이용하여 물체의 거리를 판단하는 것이 가능하다.

한편 전술한 제2 실시예에서는, 제1 반사부(120)의 하부에 제2 반사부(130')를 배치하였으나 광학계의 설치위치나 구체적인 용도에 따라서는 이와 다르게 배치할 수도 있다.

예를 들어 도 16에 나타낸 바와 같이, 아래에서 위쪽으로 발광다이오드(110), 제1 반사부(120), 제2반사부(130'), 수광렌즈(140), 이미지센서(150)를 순서대로 배치하고, 제1 반사부(120)를 제2 반사부(130')의 하부에 첨단부가 아래를 향하도록 배치하고 발광다이오드(110)의 빛이 제1 반사부(120)를 향해 위로 출사되도록 배치하여도 전술한 제2 실시예와 같은 원리로 물체를 인식할 수 있다. 이 경우에도 빛이 아래로 출사되도록 발광다이오드(110)를 배치하고 제1 반사부(120)의 첨단부가 위쪽을 향하도록 배치할 수 있음은 물론이다.

다음으로 본 발명의 제3 실시예에 따른 물체인식 반사광학계를 설명한다.

제3 실시예는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 발광다이오드(110) 및 제1 반사부(120)의 중심축과 제2반사부(130, 130'), 수광렌즈(140) 및 이미지센서(150)의 중심축이 서로 평행하도록 배치된 점에 특징이 있다. 이렇게 배치하면 모든 구성요소가 동축상에 위치하는 전술한 실시예들에 비하여 반사 광학계의 높이를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

이 경우 발광다이오드(110)와 제1 반사부(120)는, 제2 반사부(130, 130'), 수광렌즈(140) 및 이미지센서(150)의 중심축으로부터 이격되어 로봇 청소기(50)의 진행방향쪽에 위치하는 것이 바람직하다.

또한 발광다이오드(110)와 제1 반사부(120)의 쌍은 제2 반사부(130,130')와 수광렌즈(140)의 사이에 위치하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 제2 반사부(130)의 반사면과 광학계 중심축 사이의 각 B" 는 제1 반사부(120)의 위치에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한 이 경우에도 빛이 위로 출사되도록 발광다이오드(110)를 배치하고 제1 반사부(120)의 첨단부가 아래쪽을 향하도록 배치할 수 있음은 물론이다.

한편 발광다이오드(110)가 수광렌즈(140)의 가까이 위치하면 그 영향으로 인해 감지성능이 저하될 수 있으므로 필요한 경우에는 발광다이오드(110)와 수광렌즈(140)의 사이에 차단막을 설치하는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있다.

예를 들어 전술한 실시예에서는, 적외선 발광다이오드(10)를 사용하였으나 본 발명이 반드시 적외선 파장대역에 한정되는 것은 아니므로 필요에 따라서는 다른 파장대역의 빛을 사용할 수도 있다. 또한 발광다이오드(10)를 대신하여 다른 종류의 광원이 사용될 수도 있다.

또한 앞에서는 제1반사부(120)와 제2 반사부(130,130')가 모두 완전한 원뿔형상인 경우를 설명하였으나, 진행방향을 중심으로 180도 이내의 물체만 인식하고자 하는 경우에는 각 반사부(120,130,130')가 완전한 원뿔 형상일 필요는 없다. 이 경우에는 도 18에 나타낸 바와 같이 완전한 형태의 원뿔에서 일부분이 종방향으로 분할된 반사부(120,130,130')를 사용할 수도 있다. 이 경우 각 반사부(120,130,130')의 임의의 횡단면은 반원형상 또는 부채꼴 형상이 될 것이다. 각 반사부(120,130,130')의 내부가 비어 있다면 각 반사부(120,130,130')의 반사면은 그 횡단면이 소정 각도의 원호에 대응하는 형상을 가지게 될 것이다.

그러나 이 경우에도 광학계의 중심축과 각 반사부(120,130,130')의 반사면 사이의 각도(A,B,B')는 전술한 조건식 (1), (2), (4)를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 전술한 실시예들에서는, 제1 반사부(120)와 제2 반사부(130,130')가 회전대칭인 원뿔형상이었으나, 횡단면이 원에 가까운 타원인 경우에도 물체인식이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 '원뿔'이라는 용어는 원뿔에 가까원 타원뿔까지 포함하는 의미로 이해되어야 할 것이다.

또한 도 19에 나타낸 바와 같이, 출사각이 큰 발광다이오드(110')를 사용하는 경우에는 발광다이오드(110')에서 출사된 빛이 제1 반사부(120)의 중심축과 평행해지도록 제1 반사부(120)와의 사이에 집광렌즈(122)를 설치할 수도 있다.

한편 전술한 실시예에 따르면 원뿔면 형상의 반사면을 갖는 2개의 반사부(120,130,130')를 사용함으로써 발광다이오드(110) 및 수광센서의 개수를 대폭 줄일 수 있었다.

그런데 본 발명의 제4 실시예로서, 도 20에 나타낸 바와 같이 제1 실시예에서의 제1 반사부(120)를 생략하고, 서로 다른 각도의 다수의 수평방향으로 각각 빛을 출사하는 다수의 발광다이오드(110)를 사용하여 물체인식 반사광학계(100")를 구성할 수도 있다.

또한 본 발명의 제5 실시예로서, 도 21에 나타낸 바와 같이 제2 실시예에서의 제1 반사부(120)를 생략하고, 서로 다른 각도의 다수의 수평방향으로 각각 빛을 출사하는 다수의 발광다이오드(110)를 사용하여 물체인식 반사광학계를 구성할 수도 있다.

또한 본 발명의 제6 실시예로서, 도 22에 나타낸 바와 같이 제3 실시예에서의 제1 반사부(120)를 생략하고, 서로 다른 각도의 다수의 수평방향으로 각각 빛을 출사하는 다수의 발광다이오드(110)를 사용하여 물체인식 반사광학계를 구성할 수도 있다.

제4 실시예 내지 제6 실시예는 각각 전술한 제1 내지 제3 실시예에 비해 발광다이오드(110)의 개수가 늘어나는 단점은 있지만, 종래의 물체인식장치에 비하면 수광센서가 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.

그리고 이러한 물체인식 광학계는 로봇 청소기 등에 하나만 설치할 수도 있으나, 로봇 청소기의 크기에 따라서는 수직방향의 감지범위를 넓히기 위하여 도 23에 나타낸 바와 같이 2 이상의 반사광학계를 상하로 배치할 수도 있을 것이다. 여기서 적층된 각 반사광학계는 전술한 실시예들에 따른 반사광학계 중 어느 하나일 수 있다.

이와 같이 2 이상의 반사광학계를 상하로 배치할 경우에 각 반사광학계를 서로 독립적으로 구성할 수도 있으나, 도 24에 나타낸 바와 같이, 발광부에 해당하는 발광다이오드(110)와 제1 반사부(120)는 하나만 사용하고, 수광부에 해당하는 제2 반사부(130), 수광렌즈(140), 이미지센서(150)는 발광부의 상부와 하부에 각각 배치할 수도 있다.

또한 이상에서는 광학계의 중심축이 수직선인 경우를 설명하였으나, 구체적인 용도에 따라서는 광학계의 중심축이 수평선일 수도 있고 다른 방향일 수도 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 물체인식 광학계가 장착된 로봇 청소기에는, 물체에서 반사된 빛이 이미지센서에 결상된 위치를 이용하여 물체와의 거리를 판단하는 거리판단수단과, 거리판단수단에서 판단된 결과에 따라 로봇 청소기의 이동방향을 제어하거나 동작을 제어하는 제어수단이 구비되어야 함은 물론이다.

또한 이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 물체인식 광학계가 로봇청소기(50)에 사용되는 경우를 설명하였으나, 본 발명의 적용범위가 로봇 청소기(50)에만 국한되는 것은 아니고 장애물 인식이 필요한 모든 종류의 이동형 로봇에 적용될 수 있음은 당연하다 할 것이다. 더 나아가 고정된 위치에서 물체의 접근을 감지하는 용도로도 사용될 수 있을 것이다.

그리고 본 발명은 전술한 여러 실시예에 한정되지 않고 더욱 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

30: 물체면 50: 로봇 청소기
100: 물체인식 광학계 110: 발광다이오드
120: 제1 반사부 130: 제2 반사부
140: 수광렌즈 150: 이미지센서

Claims (12)

1. 수광렌즈;
   상기 수광렌즈를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서;
   상기 수광렌즈의 중심축과 나란한 방향으로 빛을 출사하는 발광수단;
   상기 발광수단에서 출사된 빛을 상기 중심축과 직교하는 방향으로 반사시키는 원뿔면 형상의 제1 반사면을 구비하는 제1 반사부;
   물체에서 반사된 빛을 상기 수광렌즈로 입사시키기 위한 것으로서, 원뿔면 형상의 제2 반사면을 구비하고, 상기 중심축과 직교하는 방향을 기준으로 볼 때 상기 중심축과 상기 제2 반사면 간의 거리가 상기 수광센서에 가까워질수록 작아지는 제2 반사부;
   를 포함하는 물체인식 반사 광학계
2. 제1항에 있어서,
   상기 중심축과 상기 제1 반사면 사이의 각(A)은 40도 보다 크고 50도 보다 작은 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
3. 제1항에 있어서,
   상기 수광렌즈의 화각(θ)은 90도 보다 크고,
   상기 제2 반사부에서 상기 중심축과 상기 제2 반사면 사이의 각(B)은 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
   50도 < B < 85도
4. 제1항에 있어서,
   상기 수광렌즈의 화각(θ)은 90도 보다 작고,
   상기 제2 반사부에서 상기 중심축과 상기 제2 반사면 사이의 각(B')은 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
   40도 < B' < 70도
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반사부의 중심축과 상기 제2 반사부의 중심축은 서로 이격되어 평행한 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
6. 제1항에 있어서,
   상기 수광렌즈는 상기 제1 반사부와 상기 제2 반사부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 반사부는 상기 수광렌즈와 상기 제1 반사부의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반사부는 첨단부가 상기 발광수단에서 출사되는 광속(光束)의 내부에 위치하도록 설치된 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
9. 제1항에 있어서,
   상기 발광수단과 상기 제1 반사부의 사이에는 상기 발광수단에서 출사된 빛이 상기 중심축과 평행해지도록 하기 위한 집광렌즈가 설치된 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
10. 수광렌즈;
    상기 수광렌즈를 통과한 빛이 결상되는 이미지센서;
    상기 수광렌즈의 중심축과 직교하는 평면상의 서로 다른 방향으로 빛을 출사하는 다수의 발광수단;
    물체에서 반사된 빛을 상기 수광렌즈로 입사시키기 위한 것으로서, 원뿔면 형상의 반사면을 구비하고, 상기 중심축과 직교하는 방향을 기준으로 볼 때 상기 중심축과 상기 반사면 간의 거리가 상기 수광센서에 가까워질수록 작아지는 반사부;
    를 포함하는 물체인식 반사 광학계
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광수단은 적외선 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 물체인식 반사 광학계
12. 이동을 위한 구동수단;
    이동 중 장애물을 감지하기 위한 것으로서, 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 물체인식 반사 광학계;
    상기 물체인식 반사 광학계의 상기 이미지센서에서 빛이 결상되는 위치를 이용하여 상기 장애물의 거리를 판단하는 거리판단수단;
    을 포함하는 이동형 로봇

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