KR20150136872A - 청소 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

획득된 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득하는 직선 획득부와 상기 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출부와 상기 주 성분 각도가 상기 기준 각도에 수렴하도록 주행을 조절하는 주행 조절부를 포함하는 청소 로봇을 제공한다.

Description

청소 로봇 및 그 제어 방법{CLEANING ROBOT AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

개시된 발명은 자동으로 주행하면서 청소 영역을 청소하는 청소 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

로봇은 산업 전반의 자동화를 위하여 개발되어, 사람을 대신하여 위험하거나 단순한 작업을 대신하고 있다. 로봇 기술의 발전에 따라 일반 가정이나 사무실 등에서 발생하는 가사일이나 사무 보조용 로봇이 실용화되고 있다.

청소 로봇은 사용자의 조작 없이 청소 공간을 주행하면서 바닥에 쌓인 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써 청소 공간을 자동으로 청소하는 장치이다. 즉, 청소 로봇은 청소 공간을 주행하며 청소 공간을 청소한다.

청소 로봇은 다양한 청소 환경에서 청소를 수행하기 위하여 장애물의 위치를 감지하고 장애물을 회피하면서 청소 공간을 이동하면서 청소한다. 따라서, 효율적으로 청소 공간을 구석구석 청소하기 위해서는 청소 로봇이 효율적이고 정확하게 주행하여야 한다.

주위 영상을 획득하고, 획득된 주위 영상을 이용하여 효율적이고 정확하게 주행할 수 있는 청소 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 개시된 일 양상에 따른 청소 로봇은 획득된 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득하는 직선 획득부;와 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출부;와 주 성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 주행을 조절하는 주행 조절부;를 포함한다.

또한, 주성분 각도 산출부는, 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성하고, 각도 히스토그램의 분포를 고려하여 주성분 각도를 결정할 수 있다.

또한, 주성분 각도 산출부는, 직교하거나 평행하는 직선 성분은 서로 병합하여 각도 히스토그램을 생성 할 수 있다.

또한, 주성분 각도 산출부는, 저역 통과 필터를 이용하여 각도 히스토그램의 잡음을 제거 할 수 있다.

또한,주행 조절부는, 미리 검출된 적어도 하나의 주성분 각도를 이용하여 기준 각도를 결정 할 수 있다.

또한, 주행 조절부는, 청소 로봇의 주행 패턴에 따른 목표 방향이 변경되면, 목표 방향에 기초하여 기준 각도를 변경 할 수 있다.

또한, 직선 획득부는, 허프 변환(Hough Transform)을 이용하여 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득 할 수 있다.

또한, 직선 획득부는, 상방 영상에서 역치 이상의 변화인 에지를 검출하여 에지 영상을 생성하고, 에지 영상에서 적어도 하나의 직선 성분을 획득할 수 있다.

또한, 직선 획득부는, 에지 영상에 포함된 에지 중 무작위로 선택된 에지만을 이용하여 직선 성분을 획득할 수 있다.

또한, 청소 로봇은 상방 영상을 분석하여 에지가 임계치 이상 검출되도록 역치를 결정하는 역치 결정부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상방 영상을 밝기 또는 대비를 조절하여 에지 영상을 생성하기 적합하게 전처리하는 영상 처리부;를 더 포함할 수 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 개시된 일 양상에 따른 청소 로봇의 제어 방법은 획득된 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득하는 직선 획득 단계;와 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출 단계;와 주 성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 주행을 조절하는 주행 단계;를 포함한다.

또한, 주성분 각도 산출 단계는, 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성하는 단계;와 각도 히스토그램의 분포를 고려하여 주성분 각도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 주성분 각도 산출 단계는, 각도 히스토그램에서 직교하거나 평행하는 직선 성분은 서로 병합하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 주행 단계는, 미리 검출된 적어도 하나의 주성분 각도를 이용하여 기준 각도를 결정하는 단계;와 청소 로봇의 주행 패턴에 따른 목표 방향이 변경되면, 목표 방향에 기초하여 기준 각도를 변경하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 직선 획득 단계는, 상방 영상에서 역치 이상의 변화인 에지를 검출하여 에지 영상을 생성하는 단계;와 에지 영상에서 적어도 하나의 직선 성분을 획득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 직선 획득 단계는, 상방 영상을 분석하여 에지가 임계치 이상 검출되도록 역치를 결정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 청소 로봇의 제어 방법은 상방 영상을 밝기 또는 대비를 조절하여 에지 영상을 생성하기 적합하게 전처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

개시된 발명의 일 측면에 따르면, 주위 영상을 이용하여 청소 로봇이 효율적이고 정확하게 주행할 수 있다.

도 1는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2은 일 실시예에 따른 청소 로봇의 저면을 도시한 저면도이다.
도 3는 일 실시예에 따른 청소 로봇을 상세히 설명하기 위한 제어 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 주행 패턴을 일례를 도시한 주행 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 제어부를 상세히 설명하기 위한 제어 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 청소 로봇의 영상 획득부에서 획득한 상방 영상의 도시한 도면이다.
도 7은 영상 획득부에서 획득한 상방 영상에 기초하여 생성된 에지 영상을 도시한 도면들이다.
도 8은 에지 영상에서 획득한 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 생성한 각도 히스토그램들이다.
도 9는 영상 처리부를 더 포함한 제어부를 설명하기 위한 제어 블록도이다.
도 10는 청소 로봇의 주행 조절에 대하여 상세히 설명하기 위한 도면들이다.
도 11는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 제어 방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 12는 도 11의 주성분 분석 단계에 대하여 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

아울러, 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

"제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.

본 출원서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

도 1는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 외관을 도시한 사시도이고, 도 2은 일 실시예에 따른 청소 로봇의 저면을 도시한 저면도이다.

청소 로봇(100)은 사용자의 청소 명령이 입력되거나 예약 시간이 되면 청소 영역을 스스로 주행하면서 바닥면의 먼지와 같은 이물질을 흡입하여 청소를 수행하는 로봇으로, 청소 로봇(100) 주위의 영상을 획득하고, 획득된 영상에 기초하여 주행을 보정할 수 있다.

또한, 청소 로봇(100)은 청소가 완료되었거나 배터리의 양이 기준 양보다 낮아지게 되면 충전대(200)와 도킹을 수행하고, 도킹이 완료되면 충전대(200)로부터 전력을 공급받아 충전을 수행할 수 있다.

여기서, 충전대(200)는 외부의 상용 교류 전원과 연결되어 외부의 상용 교류 전원을 공급받고 외부에서 공급된 상용 교류 전력을 변환하는 트랜스포머와, 변환된 전력을 반파 정류 또는 전파 정류하는 정류부와, 정류된 전력을 평활하는 평활부와, 평활된 전력을 일정 전압을 가진 직류 전력으로 출력하는 전압조절부를 포함하고, 전압 조절부에서 출력된 직류 전력을 전원 단자를 통해 청소 로봇(100)에 공급할 수 있다.

또한, 충전대(200)는 청소 로봇(100)과의 도킹을 위한 도킹 신호를 청소 로봇(100)과 송수신할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)는 외관을 형성하는 본체(110)와, 본체(110)의 전면에 장착되어 장애물과 충돌 시 충격을 완화시키는 범퍼(111)와 집진된 먼지 등의 이물질을 모으는 집진부(112)를 포함할 수 있다.

이때, 집진부(112)는 청소 로봇(100)에 의하여 흡입된 이물질이 수집되는 것으로, 청소 로봇(100)과 탈착 가능하게 마련될 수 있다. 또한, 도 1에는 범퍼(111)는 본체(110)의 전면에만 마련된 것으로 도시되어 있으나, 범퍼(111)는 본체(110)의 후면에 더 장착될 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)은 본체(110)의 하부에 설치되어 본체(110)를 이동시키는 이동 어셈블리(160)와, 본체(110)의 하부에 설치되어 바닥의 먼지를 쓸거나 비산시키고 쓸리거나 비산된 먼지를 흡입하는 청소 툴 어셈블리(170)를 포함할 수 있다.

이동 어셈블리(160)는 본체(110)의 중앙 영역을 기준으로 좌우 가장자리에 설치되어 청소 로봇(100)을 전진, 후진 및 회전시키는 한 쌍의 휠(161, 162)과, 각 휠(161, 162)에 이동력을 인가하는 휠 모터(163, 164)와, 본체(110)의 전방에 설치되어 청소 로봇(100)이 이동하는 바닥 면의 상태에 따라 회전하여 각도가 변화하는 캐스터 휠(165)을 포함한다.

여기서, 한 쌍의 휠(161, 162)은 본체(110)에 서로 대칭적으로 배치되어 있을 수 있으며, 휠 모터(163, 164)의 회전에 따라 청소 로봇(100)은 소정의 각도로 회전할 수 있다.

캐스터 휠(165)은 청소 로봇(100)의 자세 안정 및 추락 방지 등에 활용되어 청소 로봇(100)을 지지하며, 롤러나 캐스터 형상의 휠로 이루어진다.

청소 툴 어셈블리(170, 174)은 본체(110)의 하부에 설치되어 바닥의 먼지를 쓸거나 비산시키고 쓸거나 비산된 먼지를 흡입하는 메인 브러시 어셈블리(170)와, 본체(110)의 하부에 설치되되 외부로 돌출 가능하게 설치되고 메인 브러시 어셈블리(170)에 의해 청소되는 영역과 다른 영역의 먼지를 쓸어 메인 브러시 어셈블리(170)로 전달하는 사이드 브러시 어셈블리(174: 174a, 174b)를 포함할 수 있다.

메인 브러시 어셈블리(170)는 본체(110)의 하부의 흡입구(171)에 마련되고 본체(110) 하측의 바닥 먼지를 쓸거나 비산시키는 메인 브러시(172)와, 메인 브러시(172)를 회전시키는 브러시 모터(173)를 포함할 수 있다.

여기서, 메인 브러시(172)는 브러시 모터(173)에 기계적으로 연결된 롤러와, 롤러의 외주면에 장착된 브러시 부재를 포함한다. 즉 브러시 모터(173)의 구동에 의해 메인 브러시(172)의 롤러가 회전하면서, 롤러에 장착된 브러시 부재를 회전시킨다. 이때 메인 브러시(172)의 브러시 부재는 바닥면의 먼지를 흡입구(171)로 보낸다.

이러한 청소 로봇(100)은 흡입력을 이용하여 먼지 등의 이물질을 집진하는 것도 가능하다.

사이드 브러시 어셈블리(174)는 본체(110)의 전방 및 사이드 방향의 바닥 먼지와 메인 브러시(172)가 쓸지 못하는 곳의 바닥 먼지를 흡입구(171) 측으로 쓸어 주어 청소 효율을 향상시키기 위한 것으로, 본체(110)의 전면의 좌 측면에 위치한 제1 사이드 브러시 어셈블리(174a)와, 본체(110)의 전면의 우측면에 위치한 제2사이드 브러시 어셈블리(174b)를 포함한다.

이러한 좌우의 제1, 2 사이드 브러시 어셈블리(174a, 174b)는 본체(110)에 분리 가능하게 장착된 몸체와, 몸체에 회전 가능하게 장착되어 본체 외부로 돌출 가능한 사이드 암과, 본체(110)의 외부로 돌출 가능한 사이드 암에 회전 가능하게 장착된 사이드 브러시를 포함한다.

아울러, 제1, 2 사이드 브러시 어셈블리(174a, 174b)는 본체(110)의 전면 좌우 측면에 회전 가능하게 장착된 사이드 브러시만을 포함하는 것도 가능하다.

청소 로봇(100)은 이동 어셈블리(160)를 이용하여 청소 공간을 주행하면서, 청소 툴 어셈블리(170, 174)를 이용하여 청소 공간을 청소할 수 있다. 이때, 청소 로봇(100)은 주위의 영상을 획득하고, 획득된 영상에 기초하여 주행을 조절할 수 있다. 이하, 도 3 내지 11을 참조하여 일 실시예에 따른 청소 로봇(100)을 상세히 설명한다.

도 3는 일 실시예에 따른 청소 로봇(을 상세히 설명하기 위한 제어 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)은 사용자로부터 제어 명령을 입력 받거나, 사용자에게 청소 로봇(100)과 관련된 정보를 제공하기 위한 유저 인터페이스(120), 청소 로봇(100)의 전방 및 좌우 측방에 위치한 장애물을 감지하기 위한 장애물 검출부(130), 청소 로봇(100)의 주위 영상을 획득하기 위한 영상 획득부(140)와 외부기기와 통신하기 위한 통신부(150), 청소 로봇(100)에 필요한 다양한 정보를 저장하는 저장부(180), 청소 로봇(100)을 전반적으로 제어하기 위한 제어부(190)를 포함할 수 있다.

유저 인터페이스(120)는 사용자로부터 청소 로봇(100)에 대한 조작 명령을 입력 받기 위한 입력 수단을 포함할 수 있다. 입력 수단은 청소 로봇(100)의 청소 모드를 선택하기 위한 청소 모드 선택 버튼, 청소 로봇(100)의 동작 및 정지를 명령하기 위한 동작/정지 명령 버튼, 충전대(200)으로의 복귀를 명령하기 위한 충전 복귀 명령 버튼 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 입력 수단은 단순한 버튼, 멤브레인(membrane) 스위치 또는 터치 패드(touch pad) 등을 채용할 수 있다.

또한, 유저 인터페이스(120)는 사용자에게 청소 로봇(100)의 동작 정보를 표시하는 표시 수단을 포함할 수 있다. 표시 수단은 현재 시간, 배터리의 상태, 청소 모드 등을 포함하는 청소 로봇(100)의 동작 정보를 표시할 수 있다. 이와 같은 표시 수단은 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 패널 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 패널을 채용할 수 있다.

유저 인터페이스(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100) 몸체에 중앙에 마련되어 있을 수 있으며, 터치 스크린 패널(Touch Screen Panel)로 구현되어 입력수단 및 표시수단으로 기능을 수행할 수 있다.

장애물 검출부(130)는 청소 로봇(100) 인근에 위치한 장애물을 검출할 수 있다. 여기서, 장애물은 청소 영역 내에 설치된 가구나 사무용품, 벽 등과 같이 청소 로봇(100)의 정상적인 주행을 방해하는 것을 말한다.

구체적으로, 장애물 검출부(130)는 장애물을 검출하기 위한 복수 개의 거리 센서(131)를 포함하며, 복수 개의 거리 센서를 이용하여 전면, 후면, 또는 좌우 측면과 장애물과의 거리를 측정할 수 있다.

예를 들어, 장애물 검출부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)의 전방 및 측면에 걸쳐 복수 개의 마련된 거리 센서(131)를 포함하고 있을 수 있으며, 거리 센서(131)를 통해 청소 로봇(100)과 장애물 사이의 거리를 측정하여 제어부(190)에 전송할 수 있다.

제어부(190)는 이와 같은 거리 정보에 분석하여 장애물의 유무 또는 장애물과의 거리 등과 같은 장애물 정보를 생성하고, 장애물 정보에 기초하여 청소 로봇(100)의 주행을 조절할 수 있다.

영상 획득부(140)는 청소 로봇(100) 주변의 영상을 획득할 수 있다. 영상 획득부(140)는 청소 로봇(100)의 전면, 상면, 하면 영상 등을 획득하고, 획득된 영상을 제어부(190)에 전달할 수 있다.

구체적으로, 영상 획득부(140)는 청소 로봇(100)의 상방(上方) 영상 즉 청소 공간의 천장의 영상을 획득하여 제어부(190)로 전달할 수 있으며, 이를 위해 청소 로봇(100)의 상부에는 상방 영상을 획득하기 위한 카메라 등과 같은 영상 장치(141)가 마련될 수 있다.

저장부(180)은 청소 로봇(100)의 동작을 제어하기 위한 제어 프로그램 및 제어 데이터를 저장한다. 예를 들어, 저장부(180)는 청소 로봇(100)의 운영을 위한 운영체제 등의 제어 프로그램, 또는 청소 로봇(100)의 주행 패턴 등과 같은 데이터가 저장할 수 있다.

저장부(180)는 영구적으로 저장하는 자기 디스크(magnetic disc), 반도체 디스크(solid state disk) 등의 비휘발성 메모리(미도시) 뿐만 아니라 청소 로봇(100) 동작을 제어하는 과정에서 생성되는 임시 데이터를 임시적으로 저장하는 D-램, S-램 등의 휘발성 메모리를 포함할 수 있다.

통신부(150)은 다른 장치에 데이터를 송신하거나, 다른 장치로부터 데이터를 수신할 수 있다. 통신부(150)는 무선 통신 방식에 따라 다른 장치와 연결될 수 있다. 바람직하게는 통신부(150)는 와이파이(Wireless Fidelity, Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 엔에프씨(near field communication: NFC) 등의 근거리 무선 통신방식을 이용하여 다른 장치와 연결될 수 있다.

예를 들어, 통신부(150)는 충전대(200)와 와이파이 방식으로 연결될 수 있다.

제어부(190)는 청소 로봇(100)이 청소 공간을 청소하도록 전반적으로 제어할 수 있다. 이때, 제어부(190)은 저장부(180)에 저장된 제어 프로그램과 제어 프로그램에 따라 입력되는 데이터를 연산하여 연산 결과를 출력하는 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 이때, 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수 있다.

또한, 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수 있음을 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

제어부는 청소 공간의 청소를 위하여 이동 어셈블리(160)와 청소 툴 어셈블리(170)의 구동을 제어할 수 있다. 제어부(190)는 한 쌍의 휠 모터(163, 164)의 회전을 제어하여 소정의 주행 패턴에 따라 청소 로봇(100)의 주행시킬 수 있다. 또한, 제어부(190)는 주행과 함께 청소 로봇(100)의 메인 브러시(172) 및 사이드 브러시를 회전시켜 청소 로봇(100)이 이동하는 공간을 청소할 수 있다.

구체적으로, 제어부(190)는 한 쌍의 주행 바퀴(161, 163)는 회전시켜 청소 로봇(100)이 전진, 후진 또는 회전하도록 한다. 이때, 롤러(165)는 청소 로봇(100)의 전방에 설치되어 청소 로봇(100)의 이동 방향에 따라 회전한다.

예를 들어, 한 쌍의 주행 바퀴(161, 163) 모두가 전방을 향하여 회전하면 청소 로봇(100)은 전진하고, 한 쌍의 주행 바퀴(161, 163) 모두가 후방을 향하여 회전하면 청소 로봇(100)은 후진한다. 또한, 한 쌍의 주행 바퀴(161, 163)가 서로 다른 방향으로 회전하면 청소 로봇(100)은 제자리에서 좌측 또는 우측으로 회전할 수 있다.

또한, 제어부는 주행과 동시에 메인 브러시 어셈블리(170)와, 사이드 브러시 어셈블리(174: 174a, 174b)를 구동하여 본체(110) 주위 바닥 먼지를 쓸거나 비산시키고, 먼지를 흡입할 수 있다.

한편, 주행 패턴은 사용자 또는 제작자에 의하여 미리 설정된 거나, 소정의 학습 알고리즘에 따라 결정된 것 일 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다.

예를 들어, 청소 로봇(100)은 장애물을 회피하면서 자유롭게 주행하면서 청소를 수행하거나, 사용자의 의도를 반영하여 결정된 주행 패턴에 따라 주행할 수도 있다. 이하, 도 4를 참조하여 청소 로봇(100)의 주행에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 주행 패턴을 일례를 도시한 주행 예시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)은 청소 공간을 직선으로 왕복하는 패턴에 따라 주행하면서 청소를 수행할 수 있다.

구체적으로, 청소 로봇(100)은 벽에 도달할 때까지 직선으로 이동하고, 장애물 감지부(150)에 의하여 벽이 감지되면 오른쪽 또는 왼쪽으로 90ㅀ회전하여 소정 거리를 이동한 후 다시 오른쪽 또는 왼쪽으로 90ㅀ회전한 후 직선 주행을 하면서 청소 공간을 청소할 수 있다.

이때, 직선 경로가 잘못 설정되거나 바닥 상태에 변화에 따라 청소 로봇(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 목표 방향이 아닌 방향으로 진행할 수 있다. 이와 같이 청소 로봇(100)이 목표 방향과 상이한 방향으로 진행하게 되면 비효율적인 주행 경로가 생성되며, 이에 따라 청소가 이루어지지 않은 영역이 발생하게 된다.

이에 제어부(190)는 영상 획득부(140)에서 획득한 영상에 기초하여 청소 로봇(100)의 주행 방향이 목표 방향과 일치하는 검증하고, 청소 로봇(100)의 주행 방향이 목표 방향과 상이하면 주행 방향이 목표 방향과 일치하도록 청소 로봇(100)의 주행을 조절할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 이에 대하여 상세히 설명한다.

도 5는 일 실시예에 따른 청소 로봇의 제어부를 상세히 설명하기 위한 제어 블록도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 청소 로봇의 영상 획득부에서 획득한 상방 영상의 도시한 도면이고, 도 7은 영상 획득부에서 획득한 상방 영상에 기초하여 생성된 에지 영상을 도시한 도면들이고, 도 8은 에지 영상에서 획득한 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 생성한 각도 히스토그램들이다.

도 9는 영상 처리부를 더 포함한 제어부를 설명하기 위한 제어 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 제어부(190)는 직선 성분 검출을 위해 필요한 역치를 결정하는 역치 결정부(192), 상방 영상에서 적어도 하나의 직선 성분을 획득하는 직선 획득부(193), 직선 성분을 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출부(195), 주성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 청소 로봇(100)의 주행을 조절하는 주행 조절부(197)를 포함할 수 있다.

직선 획득부(193)는 상방 영상에서 적어도 하나의 직선 성분을 획득한다. 직선 성분은 다양한 방법으로 검출될 수 있다. 이하, 허프 변환(Hough Transform)을 이용한 직선 성분 검출의 일례를 상세히 설명한다.

직선 획득부(193)는 상방 영상에서 에지를 추출할 수 있다. 예를 들어, 직선 획득부(193)는 도 6에 도시된 바와 같이 상방 영상에서 역치(Threshold Value)이상의 변화가 있는 에지를 검출하여 도 7에 도시된 것과 같은 에지 영상을 획득할 수 있다.

이때, 에지 영상 생성에 이용되는 역치는 미리 설정된 것일 수도 있으나, 역치 결정부(192)에 의하여 결정된 것일 수 도 있다. 역치 결정부(192)에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.

직선 획득부(193)는 에지 영상의 각 점들이 직선 상의 한 점이라는 가정하에 각 에지를 소정의 기울기를 가진 직선으로 변환하여 에지 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득할 수 있다.

다만, 에지의 수와 하프 변환을 위한 연산량을 비례한다. 따라서, 에지 영상에 존재하는 모든 에지를 직선 성분을 변환하면 연산량의 증가에 따라 청소 로봇(100)의 반응속도가 느려질 수 있다.

따라서, 직선 획득부(193)는 램덤 하프 변환을 통해 직선 성분을 획득할 수 있다. 구체적으로, 직선 획득부(193)는 에지 영상에 포함된 에지 중에서 임의로 M개의 에지만을 선택하고, 선택된 M개의 에지만을 이용하여 허프 변환을 수행할 수 있다. 이때, 선택되는 에지의 수 M는 직선 획득부(193)의 연산 능력에 따라 결정될 수 있다.

이와 같이 무작위로 선출된 M개의 에지를 이용하여 직선 성분을 검출하므로 빠르고 정확하게 주성분 각도를 산출할 수 있다.

역치 결정부(192)는 에지 영상에 이용될 역치를 결정한다. 영상 획득부(140)에 의하여 획득된 상방 영상은 그 획득 환경에 따라 밝기 또는 대비가 상이하다. 따라서, 일률적으로 역치를 결정하게 되면 도 7b에 도시된 바와 같이 에지를 정확하게 검출할 수 없다.

이에 역치 결정부(192)는 상방 영상에서 밝기 및 대비 중 적어도 하나를 분석하고, 분석된 결과에 기초하여 최대한 많은 숫자가 에지가 검출될 수 있도록 역치를 결정하고, 결정된 역치를 직선 획득부(193)에 전달할 수 있다.

한편, 제어부(190)는 도 9에 도시된 바와 같이 영상 처리부(191)를 더 포함할 수 있다. 영상 처리부(191)는 상방 영상에서 주성분 각도를 추출하기에 앞서 주성분 각도가 정확하게 검출되도록 상방 영상을 전치리할 수 있다.

구체적으로, 지나치게 어둡거나 밝은 환경에서 획득된 상방 영상에 기초하여 에지를 추출하는 경우 또는 상방 영상의 대비가 낮아 서로 인접한 픽셀 간에 차이가 작은 경우에는 상방 영상에서 특징을 검출하기 어렵다.

그러므로, 영상 처리부(191)는 영상 처리부(191)는 입력된 상방 영상을 분석하여 밝기(Brightness) 및 대비(Contrast)에 관한 정보를 획득하고 특징이 명확하게 검출되도록 상방 영상의 밝기 및 대비를 적절히 조절할 수 있다.

영상 처리부(191)는 도 6에 도시된 상방 영상을 전처리하여 최대한 많은 에지가 검출되도록 밝기 및 대비를 조절하여, 도 7a와 같이 상대적으로 많은 에지가 검출되도록 한다.

이를 위해, 영상 처리부(191)는 입력된 상방 영상을 분석하여 히스토그램을 생성하고, 에지가 최대한 많이 검출되도록 히스토그램의 조절할 수 있다. 예를 들어, 영상 처리부(191)는 히스토그램의 분포에 따라 미리 설정된 알고리즘을 적용하여 상방 영상을 조절하거나, 히스토그램의 형태에 따라 미리 저장된 마스크를 적용시켜 상방 영상을 조절할 수 있다.

이때, 직선 획득부(193)는 미리 설정된 역치에 따라 상방 영상을 에지 영상으로 변환할 수도 있으나, 역치 결정부(192)에서 전처리된 상방 영상을 분석하여 획득한 역치에 따라 에지 영상을 생성할 수도 있다.

주성분 각도 산출부(195)는 직선 획득부(193)에 의하여 획득된 직선 성분을 분류하여 주성분 각도를 산출한다.

허프 변환에 따라 획득한 직선은 각도 성분을 가진다. 주성분 각도 산출부(195)는 허프 변환에 따라 획득한 직선을 각도에 따라 분류하고, 직선의 각도 분포에 기초하여 주성분 각도를 산출한다.

예를 들어, 주성분 각도 산출부(195)는 도 8a에 도시된 바와 같이 직선 획득부(193)에 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성할 수 있다.

또한, 주성분 각도 산출부(195)는 잡음 성분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 주성분 각도 산출부(195)는 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 생성된 각도 히스토그램을 저역 통과 필터(Low Pass Filtering)에 통과시켜 잡음을 제거하여 도 8b에 도시된 각도 히스토그램으로 변환할 수 있다.

또한, 주성분 각도 산출부(195)는 미리 설정된 조건에 따라 서로 다른 각도의 직선을 병합할 수 있다. 구체적으로, 주성분 각도 산출부(195)는 서로 직교하는 직선 성분 또는 서로 수평하는 직선 성분을 병합하여 주성분 각도의 분표의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 주성분 각도 산출부(195)는 서로 평행(180ㅀ)의 직선을 서로 동일한 각도로 분류하거나, 서로 직교(90ㅀ)하는 직선을 동일한 각도로 분류할 수 있다. 이와 같이 직교하거나 평행하는 직선을 하나의 각도로 분류하여 주성분 각도 산출부(195)는 모든 직선 성분을 특정 범위로 분류할 수 있다.

도 9c에 도시된 바와 같이 주성분 각도 산출부(195)는 서로 평행하거나 서로 직교하는 직선을 병합하여 주성분 각도가 -45ㅀ에서 +45ㅀ 사이에 존재하도록 각도 히스토그램을 생성할 수 있다. 구체적으로, 도 9b에 도시된 θ1과 θ2는 서로 직교한다. 따라서, 주성분 각도 산출부(195)는 +45ㅀ보다 큰 θ2를 90ㅀ도 이동하여 θ1과 함께 분류할 수 있다.

한편, 주성분 각도 산출부(195)는 가장 많은 수의 직선 성분이 분포된 각도를 주성분 각도로 산출할 수 있다. 또한, 주성분 각도 산출부(195)는 잡음으로 예상되는 각도를 제외한 각도 중에서 주성분 각도를 산출할 수도 있다.

도 9에 도시된 바와 같이 주성분 각도 산출부(195)는 가장 많은 수의 직선 성분이 존재하는 θ를 주성분 각도로 산출할 수 있다.

주행 조절부(197)는 주성분 각도에 기초하여 청소 로봇(100)의 주행을 조절할 수 있다. 주행 조절부(197)는 주성분 각도 산출부(195)에서 검출된 주성분 각도에 기초하여 청소 로봇(100)이 진행 방향을 검출하고, 청소 로봇(100)의 진행 방향을 목표 방향과 수렴하도록 청소 로봇(100)의 주행을 조절할 수 있다.

구체적으로, 주행 조절부(197)는 주성분 각도와 기준 각도의 차이에 기초하여 청소 로봇(100)의 진행 방향을 검출할 수 있다. 여기서, 기준 각도는 목표 방향으로 진행할 때 산출되는 주성분 각도로, 청소 로봇(100)의 주행에 따라 연속적으로 산출된 주성분 각도에 기초하여 결정될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 기준 각도는 설계자 또는 사용자에 의하여 설정되거나, 미리 설정된 패턴에 따라 결정될 수 있다.

이하, 순차적으로 산출되는 주성분 각도를 기준 각도로 설정하여 청소 로봇(100)의 주행을 조절하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 10는 청소 로봇의 주행 조절에 대하여 상세히 설명하기 위한 도면들이다.

주행 조절부(197)는 서로 다른 위치에서 측정된 복수 개의 주성분 각도 값에 기초하여 기준 각도를 설정하여 주행 신뢰도를 더 향상시킬 수 있다.

도 10a에 도시된 바와 같이, 청소 로봇(100)은 목표 방향을 따라 제1 위치(P1), 제2 위치(P2), 및 제3 위치(P3)를 순차적으로 주행하면서, 각 위치에서 획득한 상방 영상에 기초하여 주성분 각도를 산출한다.

이와 같이, 청소 로봇(100)이 목표 방향을 따라 직진하는 경우 상방 영상이 급격하게 변화하지 않는 바, 제1 위치(P1), 제2 위치(P2), 및 제3 위치(P3) 각각에서 산출된 주성분 각도는 오차 범위 이내에 존재하게 된다. 따라서, 주행 조절부(197)는 제1 위치(P1), 제2 위치(P2), 제3 위치(P3) 각각에서 검출된 주성분 각도의 평균값을 기준 각도를 설정할 수 있다.

한편, 도 10b에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)의 진행방향이 변하면 상방 영상의 획득 각도가 변하므로, 제4 위치에서는 산출되는 주성분 각도는 기준 각도가 상이하게 된다.

구체적으로, 제4 위치에서 산출되는 주성분 각도는 기준 각도와 목표 방향과 진행방향의 차이각도만큼 달라진다. 따라서, 주행 조절부(197)는 주행 바퀴(161, 163)의 회전을 각각 조절하여 주성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 제어한다.

한편, 도 10c에 도시된 바와 같이 목표 방향이 변경되면 기준 각도도 K만큼 변경된다. 즉, 도 10a에서 기준 각도가 a인 경우, 목표 각도가 K만큼 오른쪽으로 회전하면 기준 각도는 a+K로 변경된다.

따라서, 제5 위치에서 주성분 각도가 a로 검출되더라도 주성분 각도와 기준 각도 사이에는 K만큼 차이가 발생하고, 주행 조절부(197)는 주행 바퀴(161, 163)의 회전을 각각 조절하여 주성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 로봇 청소기의 주행 방향을 변경할 수도 있다.

도 11는 일 실시예에 따른 청소 로봇(100)의 제어 방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이고, 도 12는 도 11의 주성분 분석 단계에 대하여 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이 청소 로봇(100)은 상방 영상을 획득한다(S510). 상방 영상은 영상 획득부(140)에 포함된 영상 장치(141)에 의하여 획득될 수 있다. 이때, 영상 장치(141)가 카메라인 경우 소정 시간 간격으로 상방 영상이 획득될 수 있으며, 영상 장치(141)가 캠코더와 같이 동영상을 획득하는 장치인 경우 특정 시점의 정치 영상을 획득할 수 있다.

상방 영상에 주성분 각도를 검출한다(S520). 주성분 각도를 검출하기 위하여 상방 영상에서 적어도 하나의 직선 성분을 획득하고, 획득된 직선 성분을 분류하여 주성분 각도를 검출할 수 있다.

주성분 각도에 기초하여 주행을 조절한다(530). 제어부(190)는 주성분 각도에 기초하여 주행 패턴에 따라 주행이 이루어지고 있는지 판단하고, 주성분 각도에 기초하여 주행 패턴에 따른 주행이 이루어지도록 주행을 조절할 수 있다.

구체적으로, 제어부(190)는 주성분 각도와 기준 각도를 비교하여 주행 패턴에 따른 목표 방향으로 진행하고 있는지 판단할 수 있다. 즉, 주성분 각도와 기준 각도가 임계치 이상 상이하면 주행 패턴에 따른 목표 방향과 다른 방향으로 청소 로봇(100)이 진행하고 있는 것으로 판단할 수 있다.

이때, 기준 각도는 주행 패턴에 따른 목표 방향으로 진행할 때 검출되는 주성분 각도와 동일할 수 있으며, 기준 각도는 미리 검출된 복수 개의 주성분 각도에 기초하여 결정될 수 있다.

또한, 제어부(190)는 청소 로봇(100)의 진행 방향이 주행 패턴에 따른 목표 방향이 상이하면, 주성분 각도가 기준 각도에 수렴하도록 주행 바퀴(161, 163)의 회전수를 조절한다.

도 12를 참조하여 상방 영상에 주성분 각도를 검출(S520)에 일례에 대하여 상세히 설명한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(190)는 상방 영상을 조절한다(S521). 제어부(190)는 상방 영상을 전처리하여 최대한 많은 에지가 검출되도록 밝기 및 대비를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(190)는 입력된 상방 영상을 분석하여 히스토그램을 생성하고, 에지가 최대한 많이 검출되도록 히스토그램의 조절할 수 있다.

예를 들어, 제어부(190)는 히스토그램의 분포에 따라 미리 설정된 알고리즘을 적용하여 상방 영상을 조절하거나, 히스토그램의 형태에 따라 미리 저장된 마스크를 적용시켜 상방 영상을 조절할 수 있다.

제어부(190)는 직선 성분을 검출한다(S523). 구체적으로, 제어부(190)는 상방 영사에 역치(Threshold Value)를 적용하여 에지를 검출하여 에지 영상을 생성할 수 있다. 이때, 역치는 미리 설정된 것일 수도 있으나, 상방 영상에서 밝기 및 대비 중 적어도 하나를 분석하고, 분석된 결과에 기초하여 최대한 많은 에지가 생성되도록 결정된 것일 수 있다.

그리고, 제어부(190)는 에지 영상을 하프 변환하여 적어도 하나의 직선 성분을 검출한다. 이때, 제어부(190)는 램덤 하프 변환을 수행하여 직선 성분 검출을 위한 연산 속도를 줄일 수 있다.

제어부(190)는 주성분 각도를 산출한다(S525). 주성분 각도를 산출하기 위하여 S523단계에서 검출된 적어도 하나의 직선 성분은 그 각도를 기준으로 분류될 수 있다.

구체적으로, 제어부(190)는 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성하고, 가장 많은 직선 성분이 분포한 각도를 주성분 각도로 산출할 수 있다. 이때, 히스토그램은 저역 통과 필터로 잡음이 제거된 것일 수 있으며, 서로 직교하는 직선 성분 또는 서로 수평하는 직선들이 병합되어 생성된 것일 수 있다.

이와 같이 서로 직교하는 직선 성분 또는 서로 수평하는 직선 성분을 병합하여 주성분 각도를 분석하므로 주성분 각도의 신뢰성을 높일 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 청소 로봇 110: 몸체
120: 유저 인터페이스 130: 장애물 검출부
140: 영상 획득부 150: 통신부
160: 이동 어셈블리 170: 청소 툴 어셈블리
180: 저장부 190: 제어부
191: 영상 처리부 192: 역치 결정부
193: 직선 획득부 195: 주성분 각도 산출부
197: 주행 조절부 200: 충전대

Claims (18)

1. 획득된 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득하는 직선 획득부;
   상기 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출부; 및
   상기 주 성분 각도가 상기 기준 각도에 수렴하도록 주행을 조절하는 주행 조절부;
   를 포함하는 청소 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주성분 각도 산출부는,
   상기 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성하고, 상기 각도 히스토그램의 분포를 고려하여 상기 주성분 각도를 결정하는 청소 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 주성분 각도 산출부는,
   직교하거나 평행하는 직선 성분은 서로 병합하여 상기 각도 히스토그램을 생성하는 청소 로봇.
4. 제2항에 있어서,
   상기 주성분 각도 산출부는,
   저역 통과 필터를 이용하여 상기 각도 히스토그램의 잡음을 제거하는 청소 로봇.
5. 제1항에 있어서,
   상기 주행 조절부는,
   미리 검출된 적어도 하나의 주성분 각도를 이용하여 상기 기준 각도를 결정하는 청소 로봇.
6. 제1항에 있어서,
   상기 주행 조절부는,
   상기 청소 로봇의 주행 패턴에 따른 목표 방향이 변경되면, 상기 목표 방향에 기초하여 상기 기준 각도를 변경하는 청소 로봇
7. 제1항에 있어서,
   상기 직선 획득부는,
   허프 변환(Hough Transform)을 이용하여 상기 상방 영상에서 상기 복수 개의 직선 성분을 획득하는 청소 로봇.
8. 제7항에 있어서,
   상기 직선 획득부는,
   상기 상방 영상에서 역치 이상의 변화인 에지를 검출하여 에지 영상을 생성하고, 상기 에지 영상에서 상기 적어도 하나의 직선 성분을 획득하는 청소 로봇
9. 제8항에 있어서.
   상기 직선 획득부는,
   상기 에지 영상에 포함된 에지 중 무작위로 선택된 에지만을 이용하여 직선 성분을 획득하는 청소 로봇.
10. 제8항에 있어서,
    상기 상방 영상을 분석하여 상기 에지가 임계치 이상 검출되도록 상기 역치를 결정하는 역치 결정부;를 더 포함하는 청소 로봇.
11. 제1항에 있어서,
    상기 상방 영상을 밝기 또는 대비를 조절하여 상기 에지 영상을 생성하기 적합하게 전처리하는 영상 처리부;를 더 포함하는 청소 로봇.
12. 획득된 상방 영상에서 복수 개의 직선 성분을 획득하는 직선 획득 단계;
    상기 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 주성분 각도를 산출하는 주성분 각도 산출 단계;
    상기 주 성분 각도가 상기 기준 각도에 수렴하도록 주행을 조절하는 주행 단계;
    를 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 주성분 각도 산출 단계는,
    상기 복수 개의 직선 성분을 각도에 따라 분류하여 각도 히스토그램을 생성하는 단계; 및
    상기 각도 히스토그램의 분포를 고려하여 상기 주성분 각도를 결정하는 단계;를 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 주성분 각도 산출 단계는,
    상기 각도 히스토그램에서 직교하거나 평행하는 직선 성분은 서로 병합하는 단계;를 더 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
15. 제12항에 있어서,
    상기 주행 단계는,
    미리 검출된 적어도 하나의 주성분 각도를 이용하여 상기 기준 각도를 결정하는 단계; 및
    상기 청소 로봇의 주행 패턴에 따른 목표 방향이 변경되면, 상기 목표 방향에 기초하여 상기 기준 각도를 변경하는 단계;를 더 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
16. 제12항에 있어서,
    상기 직선 획득 단계는,
    상기 상방 영상에서 역치 이상의 변화인 에지를 검출하여 에지 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 에지 영상에서 상기 적어도 하나의 직선 성분을 획득하는 단계;를 더 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 직선 획득 단계는,
    상기 상방 영상을 분석하여 상기 에지가 임계치 이상 검출되도록 상기 역치를 결정하는 단계;를 더 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.
18. 제12항에 있어서,
    상기 상방 영상을 밝기 또는 대비를 조절하여 상기 에지 영상을 생성하기 적합하게 전처리하는 단계;를 더 포함하는 청소 로봇의 제어 방법.

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