KR20170049349A - 자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇 - Google Patents

Abstract

자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇을 공개한다. 본 발명은 베이스, 베이스에 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 기지정된 방사 신호를 회전축을 중심으로 외부로 방사하고, 반사된 방사 신호를 수신하여, 감지 신호를 생성하는 송수신부 및 회전축을 중심으로 송수신부로부터 기설정된 거리에 미리 지정된 길이의 원호형으로 구현되어 송수신부에서 방사되는 신호를 반사하는 기준 벽을 구비하는 케이스를 포함한다.

Description

자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇{OBSTACLE DETECTION APPARATUS FOR AUTONOMOUS DRIVING ROBOT AND AUTONOMOUS DRIVING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇에 관한 것으로, 특히 고속 이동 자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇에 관한 것이다.

로봇 기술의 발전에 따라 스스로 경로를 서정하고 이동하는 자율 주행 로봇의 활용도가 높아지고 있다. 기존의 자율 주행 로봇은 청소 로봇과 같이 제한된 공간 내에서 작업을 수행하는 경우가 대부분으로, 자율 주행 로봇의 이동 속도에 대해 크게 고려되지 않았다. 그러나 최근에는 자율 주행 로봇의 활용 용도가 증가됨에 따라 교육용 로봇, 방범용 로봇, 안내 로봇, 배달 로봇 및 간호 로봇과 같이 자율 주행 로봇이 확장된 공간 또는 제한되지 않은 공간에서 작업을 수행하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 따라서 확장된 공간 또는 제한되지 않은 공간에서의 작업을 원활하게 수행할 수 있도록, 자율 주행 로봇의 이동 속도가 중요한 이슈가 되고 있다.

자율 주행 로봇의 이동 속도를 증대시키기 위해서는 모터와 같이 로봇의이동을 위해 구비되는 구동 수단을 개선하는 것보다, 장애물의 감지 범위, 감지 속도 및 감지 정확도를 향상시키는 것이 더욱 중요하다. 즉 자율 주행 로봇이 효과적으로 장애물을 감지하고, 감지된 장애물을 회피하여 이동할 수 있도록 구성되어야 한다. 따라서 자율 주행 로봇들은 적어도 하나의 센서를 구비하여, 장애물을 감지할 수 있도록 구성된다.

기존의 자율 주행 로봇에 이용되는 센서에는 범퍼 센서, 적외선 센서, 초음파 센서, 레이저 센서 및 영상 센서 등이 있다. 범퍼 센서는 장애물과의 충돌을 감지하는 센서로서, 장애물과 접촉 시에만 장애물을 판별할 수 있다는 단점으로 인해, 청소 로봇과 같이 특별한 용도의 자율 주행 로봇에만 이용된다. 적외선 센서는 저비용으로 장애물과의 거리를 비교적 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있으나 감지 각도가 좁아 다수개의 적외선 센서가 링 형태로 배치되어 하고, 샘플링 시간이 20msec 수준으로 장애물 감지 속도가 늦다는 단점이 있다. 초음파 센서는 감지 각도가 넓고 탐지 거리가 길다는 장점이 있으나, 각도 분해능(angle resolution)이 낮아 장애물의 정확한 방향 및 거리를 계산하기 어렵고, 초음파 센서 자체 진동, 장착 구조 및 음파의 파형 제어 등이 어렵다는 문제가 있다. 레이저 센서는 넓은 감지 범위와 정확성을 가지나, 가격이 매우 높다는 단점이 있다. 영상 센서는 카메라와 같은 영상 센서 자체의 가격이 높을 뿐만 아니라, 획득된 영상으로부터 장애물을 판별하기 위해서는 영상처리 기술이 필요하여 구현이 어렵고, 고비용이 소요될 뿐만 아니라 영상에서 장애물을 판별하는 시간 길다는 단점이 있다.

따라서 고속 이동 자율 주행 로봇을 위해 저비용으로 빠르고 정확하게 장애물의 위치를 판별할 수 있는 장애물 감지 장치가 요구되고 있다.

한국 등록 특허 제10-1539270호 (2015.07.20 등록)

본 발명의 목적은 자율 이동 로봇을 위해 저비용으로 빠르고 정확하게 장애물을 감지할 수 있는 장애물 감지 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 장애물 감지 장치를 포함하는 자율 이동 로봇을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 자율 이동 로봇을 위한 장애물 감지 장치는 베이스; 상기 베이스에 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 기지정된 방사 신호를 회전축을 중심으로 외부로 방사하고, 반사된 상기 방사 신호를 수신하여, 감지 신호를 생성하는 송수신부; 및 상기 회전축을 중심으로 상기 송수신부로부터 기설정된 거리에 미리 지정된 길이의 원호형으로 구현되어 상기 송수신부에서 방사되는 상기 신호를 반사하는 기준 벽을 구비하는 케이스; 를 포함한다.

상기 송수신부는 상기 베이스와 회전 축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 상기 감지 신호를 외부로 전송하는 슬립링부; 상기 슬립링부의 상부에 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 대칭인 기둥 형상으로 구현되는 센서 고정부; 각각 상기 센서 고정부의 외주면에 고정되고, 상기 방사 신호를 방사 및 수신하여 상기 감지 신호를 생성하는 적어도 하나의 센서부; 및 상기 센서 고정부와 상기 슬립링부 사이에 배치되어 상기 슬립링부를 통해 인가되는 전원을 상기 적어도 하나의 센서부 각각으로 인가하는 기판부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

적어도 하나의 센서부는 복수개로 구비되는 경우, 상기 회전축을 중심으로 서로 동일한 각도만큼 이격되어 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 기판부는 상기 감지 신호를 증폭하여 상기 슬립링부로 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 적어도 하나의 센서부 각각은 적외선 신호를 상기 방사 신호로 방사하고, 방사된 상기 방사 신호가 반사된 신호가 수신되는 각도를 검출하여, 상기 방사 신호가 반사된 거리를 판별하는 PSD(Position Sensitive Device)로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 기준 벽은 상기 송수신부가 회전하면서 장애물을 감지하도록 지정된 각도 범위를 제외한 나머지 각도 범위에 대응하는 길이로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 케이스는 상기 송수신부를 보호하기 위해 상기 베이스의 상부에 결합되는 커버; 를 더 구비하고, 상기 기준 벽은 상기 커버와 분리 또는 결합되도록 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 장애물 감지 장치는 상기 송수신부를 회전시키기 위한 구동부를 더 구비하고, 상기 구동부는 모터; 및 상기 모터의 회전축 및 상기 송수신부에 연결되어, 상기 모터의 회전력을 상기 송수신부로 전달하는 연동부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판부는 MCU(Micro Controller Unit)를 구비하여 상기 적어도 하나의 센서부 각각에서 인가되는 상기 감지 신호를 분석하고, 분석된 감지 신호가 상기 기준 벽에 대응하는 패턴인지 여부를 분석하여, 상기 적어도 하나의 센서 각각의 위치를 판별하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판부는 상기 적어도 하나의 센서의 위치가 상기 기준 벽에 대응하는 패턴이 아니면 상기 감지 신호로부터 상기 장애물의 위치를 판별하여 위치 판별 신호를 생성하고, 생성된 위치 판별 신호를 상기 슬립링부를 통해 외부로 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 자율 이동 로봇은 자율 주행 로봇의 사용 용도에 따라 구현된 로봇 케이스; 상기 로봇 케이스 내에 구현되어 상기 로봇 게이스를 이동시키는 로봇 구동부; 상기 로봇 케이스의 기설정된 위치에 배치되어, 지정된 방향으로 기지정된 방사 신호를 방사하고, 방사된 상기 방사 신호를 수신하여 감지 신호를 출력하는 적어도 하나의 장애물 감지 장치; 및 상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각으로부터 상기 감지 신호를 인가받고, 상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각의 배치 위치에 따라 상기 감지 신호를 분석하여 상기 장애물의 존재 여부 및 위치를 판별하며, 판별된 상기 장애물을 회피하여 이동할 수 있도록 상기 로봇 구동부를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각은 베이스; 상기 베이스에 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 상기 방사 신호를 회전축을 중심으로 외부로 방사하고, 반사된 상기 방사 신호를 수신하여, 상기 감지 신호를 생성하는 송수신부; 및 상기 회전축을 중심으로 상기 송수신부로부터 기설정된 거리에 미리 지정된 길이의 원호형으로 구현되어 상기 송수신부에서 방사되는 상기 신호를 반사하는 기준 벽을 구비하는 케이스; 를 포함한다.

따라서, 본 발명의 자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치 및 이를 구비하는 자율 주행 로봇은 기설정된 각도로 방사 신호를 방사 및 수신하여 장애물을 감지하는 적어도 하나의 센서부를 구비하는 송수신부가 회전하면서 장애물을 감지하므로 넓은 각도 범위에서 장애물을 감지할 수 있으며, 장애물의 감지가 필요하지 않은 각도 범위에 센서부로부터 균일한 거리만큼 이격된 기준 장벽이 구비되어, 회전 각도 감지 센서를 구비하지 않고서도 송수신부의 회전 각도를 용이하게 판별할 수 있도록 한다. 또한 송수신부가 복수개의 센서부를 구비하여, 장애물을 감지 및 회전 각도를 판별하는 속도를 향상 시킬 수 있어, 고속으로 장애물의 위치를 정확하게 판별할 수 있으며, 저비용으로 제조할 수 있다.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치의 구성을 나타낸다.
도2 는 도1 의 장애물 감지 장치의 사시도를 나타낸다.
도3 은 도1 의 장애물 감지 장치의 정면도를 나타낸다.
도4 는 도1 의 장애물 감지 장치의 측면도를 나타낸다.
도5 는 도1 의 장애물 감지 장치의 평면도를 나타낸다.
도6 은 본 발명의 장애물 감지 장치에서 수신부가 회전하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도7 은 도6 에 도시된 장애물 감지 장치의 수신부가 회전하는 동안 하나의 센서부가 장애물을 감지하는 동작을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도8 은 하나의 센서부가 회전하는 동안 발생하는 감지 신호의 패턴을 나타낸다.
도9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지 장치를 구비하는 자율 주행 로봇을 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇을 위한 장애물 감지 장치의 구성을 나타내고, 도2 내지 도5 는 각각 도1 의 장애물 감지 장치의 사시도, 정면도, 측면도 및 평면도를 나타낸다.

도1 내지 도5 를 참조하면 본 발명의 장애물 감지 장치는 베이스(10), 송수신부(20), 구동부(30) 및 케이스(40)를 구비한다.

베이스(10)의 상부면에는 송수신부(20)과 구동부(30)가 거치되고, 베이스(10)의 하부면은 자율 주행 로봇에 결합될 수 있다. 그리고 도시되지 않았으나, 베이스(10)에는 장애물 감지 장치와 결합되기 위한 결합 수단이 구비되어, 하부면이 장애물 감지 장치에 고정될 수 있다.

송수신부(20)는 베이스(10)의 상부면과 수직 방향의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 결합된다. 송수신부(20)는 적어도 하나의 센서부(210), 센서 고정부(220), 기판부(230) 및 슬립링부(240)를 구비한다.

적어도 하나의 센서부(210)는 각각 기설정된 각도로 기지정된 방사 신호를 송수신하여 장애물을 감지하여 감지 신호를 생성하여 기판부(230)로 전송한다. 적어도 하나의 센서부(210) 각각은 송신기 및 적어도 하나의 수신기를 구비하여, 송신기가 기지정된 방사 신호를 방사하고, 적어도 하나의 수신기가 장애물 등에 반사된 신호를 수신하여 장애물의 위치를 측정하기 위한 감지 신호를 생성한다.

여기서 센서부(210)가 송수신하는 신호는 광 신호, 초음파 신호를 포함한 다양한 주파수의 신호가 포함될 수 있으나, 본 발명에서는 일예로 적외선(infrared) 신호를 송수신하는 것으로 가정한다. 센서부(210)가 적외선 신호를 송수신하는 경우, 송수신기의 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 또한 장애물을 감지하는 감지 각도 범위가 좁아, 장애물의 위치를 상대적으로 정확하게 판별할 수 있다.

특히 본 발명에서 적어도 하나의 센서부(210) 각각은 일예로 송신기와 수신기가 일체로 구성된 PSD(Position Sensitive Device)로 구현될 수 있다. 송신기와 수신기가 일체로 구성된 PSD는 방사된 방사 신호가 장애물에 반사되어 수신되는 각도를 분석함으로써 장애물의 위치를 감지하는 센서이다.

센서 고정부(220)는 기판부(230)의 상부에 배치되며, 기둥 형상으로 구현되어, 적어도 하나의 센서부(210)가 기지정된 위치에 결합된다. 여기서 기둥 형상의 센서 고정부(220)는 회전축을 중심으로 대칭으로 구현되어, 센서 고정부(220)가 안정적으로 회전 가능하도록 한다. 한편 센서부(210)가 복수개로 구비되는 경우, 복수개의 센서부(210)는 센서 고정부(220)에서 회전축을 중심으로 서로 균일한 각도만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 이는 센서 고정부(220)에 배치되는 복수개의 센서부(210)가 센서 고정부(220)과 함께 회전할 때, 회전 중심이 회전축 상에서 유지될 수 있도록 하여, 구동부(30)에 부하가 증가되지 않도록 한다. 또한 복수개의 센서부(210)가 균일하게 이격되어 배치되면, 각각의 센서부(210)가 균등한 시간 간격으로 장애물을 감지하여 감지 신호를 생성하므로, 기판부(230)가 감지 신호로부터 장애물의 위치를 판별하기 용이하다.

기판부(230)는 센서 고정부(220)와 슬립링부(240) 사이에 배치되며, 인쇄회로 기판과 각종 전자 소자를 구비하여, 자율 주행 로봇에서 전송되는 전원을 적어도 하나의 센서부(210) 각각으로 공급하고, 적어도 하나의 센서부(210) 각각으로부터 감지 신호를 인가받아, 자율 주행 로봇의 제어부(미도시)로 전달한다. 이때 기판부(230)는 감지 신호가 자율 주행 로봇의 제어부로 전달되는 도중에 왜곡이나 소실되지 않도록 증폭하여 전달 할 수 있다.

경우에 따라서 기판부(230)는 MCU(Micro Controller Unit)를 구비하여, 적어도 하나의 센서부(210) 각각으로부터 인가되는 감지 신호를 분석하여 장애물의 위치를 판별하고, 판별된 위치에 대응하는 위치 판별 신호를 생성하여, 자율 주행 로봇의 제어부로 전송할 수도 있다.

슬립링부(240)는 회전판(241)과 슬립링(242)을 구비한다. 회전판(241)은 구동부(30)와 연동되어 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 베이스(10)와 결합된다. 회전판(241)이 구동부(30)와 연동되어 회전되도록 구성됨에 따라 회전판(210)의 상부에 배치되는 기판부(230)와 센서 고정부(220) 및 센서부(220)에 고정되는 적어도 하나의 송수신부(210)가 모두 회전축을 중심으로 회전하게 된다.

그리고 슬립링(242)은 회전판(241)의 하부에 구비되어, 회전판(241)과 함께 기판부(230)가 회전하여도 자율 주행 로봇이 전원을 기판부(230)로 전달할 수 있도록 하고, 기판부(230)는 감지 신호 또는 위치 판별 신호를 자율 주행 로봇의 제어부로 전달할 수 있도록 한다.

구동부(30)는 베이스(10)에 고정되고 자율 주행 로봇에서 전원이 인가되면 구동되어 회전하는 모터(310)와 모터(310)의 회전력을 회전판(241)로 전달하기 위한 연동부(320)을 구비한다. 모터(310)는 일예로 BLDC(BrushLess DC) 모터로 구현될 수 있으며, 자율 주행 로봇의 제어부는 모터(310)로 인가되는 전원을 PWM(Pulse With Modulation) 방식으로 조절함으로써, 모터의 회전 속도를 제어할 수 있다.

연동부(320)는 오링(O-ring)(321)과 오링 거치대(322)를 구비한다. 오링 거치대(322)는 원판형으로 구현되고 원판의 중심이 모터(310)의 회전축과 결합되어, 모터(310)가 구동되면 회전한다. 그리고 오링 거치대(322)의 측면과 회전판(241)의 측면에는 오링(321)이 거치되는 홈이 파여져, 오링(321)의 이탈을 방지한다. 이때 오링 거치대(322)의 지름보다 회전판(240)의 지름이 큰 것은 모터(310)의 고속으로 회전하는 회전 속도를 경감하여 회전판(240)이 회전되도록 하여, 송수신부(20)의 토크(torque)를 줄일 수 있도록 하기 위함이다. 즉 오링 거치대(322)와 회전판(240)의 지름의 비를 조절함으로써, 송수신부(20)의 토크(torque)를 조절할 수 있다.

오링(321)은 오링 거치대(322)의 측면홈과 회전판(241)의 측면홈에 거치되어 오링 거치대(322)가 회전하면, 회전판(241)의 회전하도록 회전력을 전달한다.

도1 에서는 연동부(320)가 오링(O-ring)(330)과 오링 거치대(322)를 구비하여 모터(310)의 회전력을 송수신부(20)로 전달하는 것으로 설명하였으나, 연동부(320)는 다양한 구조로 구현될 수 있다. 일예로 연동부(320)의 오링 거치대(322)는 회전판(240)과 함께 기어 구조로 구현되어, 모터(310)의 회전력을 회전판(240)으로 전달하도록 구성될 수 있으며, 오링 거치대(322)와 회전판(240) 사이에 회전력 중계를 위한 기어가 추가될 수도 있다.

케이스(40)는 베이스(10)의 상단에 결합되어 송수신부(20)와 구동부(30)를 외부 충격으로부터 보호한다. 다만 본 발명에서 송수신부(20)의 적어도 하나의 센서부(210)는 장애물을 감지할 수 있도록 케이스(40)의 상부로 돌출될 수 있도록 구성된다. 또한 본 발명에서 케이스(40)는 장애물 감지 장치가 장애물을 감지하지 않아도 되는 방향에 송수신부(20)의 회전 각도를 판별하기 위한 기준 벽(410)이 형성된다. 기준 벽(410)은 송수신부(20)의 외곽에 송수신부(20)의 회전축을 중심으로 기설정된 거리(예를 들면 10cm 이내)로 균일하게 이격된 원호의 형상으로 구현된다. 따라서 송수신부(20)가 회전하여, 적어도 하나의 센서부(210)가 기준벽(410)에 대응하는 방향으로 향하는 동안 균일한 감지 신호를 발생하도록 한다.

이때 기준 벽(410)의 길이는 송수신부(20)의 회전축을 중심으로 기설정된 각도에 대응하는 길이를 갖도록 구현될 수 있다. 일예로 장애물 감지 장치가 자율 주행 로봇의 전면에 배치되어 전방 180도 범위를 감지하도록 설정되는 경우에, 기준 벽(410)은 후방 180도 범위를 감싸는 길이로 구현될 수 있으며, 전방 270도 범위를 감지하도록 설정되는 경우에, 기준 벽(410)은 후방 90도 범위를 감싸는 길이로 구현될 수 있다. 도1 내지 5 에서는 일예로 장애물 감지 장치가 전방 180도 범위를 감지하도록 설정된 경우를 도시하였다. 다만 장애물 감지 장치가 전방 180도 범위를 감지하기 위해서는 적어도 하나의 센서부(210)가 전방 180도 범위에서 기준 장벽에 의해 가려지는 영역이 존재하지 않아야 한다. 따라서 실제 기준 벽(410)은 전방 180도에 적어도 하나의 센서부(210)의 송신기 및 적어도 하나의 수신기의 방사 신호 방사 각도 및 수신 각도를 고려하여 180도보다 작은 기설정된 각도 범위를 감싸는 길이로 구현되는 것이 바람직하며, 이에 도1 내지 도5 에서는 기준 벽(410)이 후방 160도 범위를 감싸는 길이로 구현되는 것을 예시하였다.

기준 벽(410)은 송수신부(20)의 회전 각도를 판별하기 위한 기준을 제공하기 위해 구비되므로, 후방 180도 범위 전체에 대응하는 길이로 구현되지 않고, 후방 180도 범위 내의 일부 영역에만 형성되도록 구현될 수도 있다. 그러나 기준 벽(410)이 장애물 감지 장치가 감지하지 않는 각도 범위 중 일부 영역에만 배치되는 경우, 송수신부(20)는 장애물과 자율 주행 로봇의 구조물을 구분하지 못하기 때문에, 자율 주행 로봇의 구조물에 대한 감지 신호 또는 위치 판별 신호를 생성하게 되어 자율 주행 로봇이 오동작을 할 가능성이 있다.

기준 벽(410)을 구비하지 않더라도, 회전판(240) 또는 오링 거치대(322)의 회전 각도를 감지하기 위한 회전 각도 감지 센서를 구비하여, 송수신부(20)의 회전 각도를 판별할 수 있으며, 송수신부(20)가 회전하는 각도를 제한하거나, 장애물을 판정하기 위한 기준 거리(예를 들면 20 cm)를 미리 설정하여 자율 주행 로봇의 구조물과 장애물을 구분하도록 구성할 수도 있다. 그러나 회전 각도 감지 센서를 구비하기 위해서는 제조 비용이 상승하는 문제가 있다. 그리고 송수신부(20)의 회전 각도를 제한하는 경우, 모터(310)의 구동 방향이 변경되어야 하므로 제어가 어렵고, 모터(310)에 부하가 크게 걸리게 될 뿐만 아니라 장애물 검출 주기가 균일하지 않게 된다는 문제가 있다. 또한 장애물 검출 거리에 제한을 두게 됨에 따라 근거리 장애물을 검출하지 못하는 제약이 발생한다.

이에 본 발명에서는 기준 벽(410)을 구비하여, 송수신부(20)의 회전 상태를 판별할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 장애물 검출 거리에 대한 제약 없이 모터가 동일 방향으로 회전하더라도, 기준 벽(410)에 의해 자율 주행 로봇의 구조물이 검출되지 않도록 함으로써, 자율 주행 로봇이 오동작을 할 가능성을 줄일 수 있다. 기준 벽(410)는 케이스(40)에 일체형으로 구현될 수 있으나, 기준 벽(410)은 케이스(40)와 분리, 결합되도록 구현되어도 무방하다. 기준 벽이 케이스(40)와 분리, 결합되도록 구성된 경우, 기준벽을 제외한 케이스(40)를 커버(cover)라 할 수 있다. 또한 기준 벽(410)이 케이스(40)와 분리, 결합되도록 구현되는 경우, 기준 벽(410)은 자율 이동 로봇에서 장애물 감지 장치가 배치되는 위치를 고려하여, 다양한 위치에 서로 다른 길이로 결합되도록 구성될 수 있다.

기존에 적외선 신호를 송수신하여 장애물을 감지하는 경우에는, 적외선 센서의 장애물의 위치를 구분할 수 있도록 감지 각도 범위가 좁게 설정됨으로써, 넓은 범위에서 장애물을 감지하기 위해서는 복수개의 적외선 센서가 필요하였다. 그러나 본 발명에서는 적어도 하나의 센서부(210)를 구비하는 송수신부(20)가 회전함에 따라 센서부(210)가 하나만 구비되더라도 전 방향에서의 장애물을 감지할 수 있다. 다만 송수신부(20)가 하나의 센서부(210)만을 구비하는 경우에, 센서부(210)가 기준 벽(410)이 배치된 영역을 회전하는 동안 장애물을 감지하지 못한다. 이러한 문제를 해소하기 위해 송수신부(20)는 센서 고정부(220)에 회전 축을 중심으로 서로 균등한 각도로 배치되는 복수개의 센서부(210)을 구비할 수 있다. 일예로 송수신부(20)가 서로 센서 고정부(220)에서 서로 180도 각도, 즉 반대편에 배치되는 2개의 센서부(210)를 구비하면, 하나의 센서부(210)가 기준 벽(410) 방향을 향하고 있는 동안 다른 센서부(210)가 장애물을 감지할 수 있다. 그리고 송수신부(20)가 회전축을 중심으로 서로 균등한 각도로 배치되는 복수개의 센서부(210)를 구비하면, 송수신부(20)가 회전할 때, 토크가 줄어들게 되어 모터(310)의 부하가 경감될 뿐만 아니라 슬립링(242)의 마모가 줄어들어, 장애물 감지 장치의 내구성이 증가하는 장점도 있다.

특히 도1 내지 도5 에서는 송수신부(20)의 회전 시에 토크를 줄이고, 장애물 검출 및 회전 각도의 정확도를 높이기 위해 4개의 센서부(210)를 구비하는 송수신부(20)를 일예로 도시하였다.

도6 은 본 발명의 장애물 감지 장치에서 수신부가 회전하는 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도7 은 도6 에 도시된 장애물 감지 장치의 수신부가 회전하는 동안 하나의 센서부가 장애물을 감지하는 동작을 설명하기 위한 일 예를 나타내며, 도8 은 하나의 센서부가 회전하는 동안 발생하는 감지 신호의 패턴을 나타낸다.

도6 의 장애물 감지 장치 또한 도1 내지 도5 와 마찬가지로, 4개의 센서부(210)를 구비하는 송수신부(20)를 도시하였으며, 4개의 센서부(210)는 송수신부(20)의 회전 축을 중심으로 서로 90도 간격으로 균등하게 이격되어 배치되어 있다. 그리고 도6 내지 도7 에서도 적어도 하나의 센서부(210) 각각은 적외선 신호를 송수신하는 적외선 기반 PSD로 구현되어 장애물을 감지하는 것으로 가정한다. 이에 4개의 센서부(210) 중 왼쪽 방향을 향하는 센서부를 제1 PSD 센서(PSD1)라 하고, 시계 방향으로 나머지 3개의 센서부를 각각 제2 내지 제4 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)라 할 수 있다.

또한 송수신부(20)는 도6 의 평면도에서 시계 방향으로 회전하는 것으로 가정한다. 여기서 송수신부(20)의 회전 방향 및 회전 속도는 자율 이동 로봇의 제어부(미도시)에서 모터(310)를 제어하여 조절할 수 있다. 4개의 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4) 각각은 자율 주행 로봇의 제어부(미도시) 또는 기판부(230)에서 기설정된 샘플링 주기로 인가되는 제어 신호에 응답하여 방사 신호를 송수신하여 샘플링 동작을 수행하고, 감지 신호를 출력한다. 자율 주행 로봇의 제어부는 모터(310)의 구동을 제어함으로써, 송수신부(20)의 회전 속도를 분석할 수 있으며, 분석된 회전 속도에 대응하여 제어 신호를 4개의 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)로 인가함으로써, 장애물 감지 장치가 장애물을 감지하는 각도 분해능(resolution)을 조절할 수 있다. 기판부(230)는 MCU를 구비하여 기판부(230) 자체에서 감지 신호를 분석하여 위치 판별 신호를 생성할 수 있도록 구성된 경우에, 감지 신호로부터 센서부(20)의 회전 속도 및 현재 위치를 판별할 수 있으므로, 장애물 감지 장치가 장애물을 감지하는 각도 분해능(resolution)을 조절할 수 있다. 상기에서는 자율 주행 로봇의 제어부 또는 기판부(230)가 샘플링 주기에 따라 4개의 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)로 제어 신호를 인가하는 것으로 설명하였으나, PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)들 자체에 샘플링 주기가 미리 설정되어, 제어 신호를 인가받지 않도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 자율 주행 로봇의 제어부(미도시)는 모터(310)를 제어하여 각도 분해능(resolution)을 조절할 수 있다. 또한 자율 주행 로봇의 제어부(미도시) 또는 기판부(230)는 샘플링 주기와 무관하게 송수신부(20)의 회전 각도를 분석하여, 송수신부(20)가 미리 지정된 샘플링 각도만큼 회전할 때마다 샘플링을 수행하도록 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)로 제어 신호를 전송할 수도 있다.

본 발명에서는 샘플링 주기가 20msec로서, 4개의 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4)는 16도의 각도 분해능으로 샘플링을 수행하는 것으로 가정한다. 따라서 송수신부(20)가 1회전하는 동안 4개의 PSD 센서(PSD1 ~ PSD4) 각각은 20번 샘플링 작업을 수행하여 감지 신호를 출력할 수 있다.

도6 에서 제1 PSD 센서(PSD1)를 기준으로 도7 및 도8 을 참조하여 본 발명의 장애물 감지 장치의 동작을 설명하면, 제1 PSD 센서(PSD1)가 초기 샘플링 위치(S1)에서 방사 신호를 송수신하여 샘플링함으로써, 감지 신호를 생성한다.

통상적으로 PSD 센서는 장애물을 감지할 수 있는 감지 구간(일예로 10cm ~ 1.5m)이 설계 시에 미리 지정된다. PSD 센서에 장애물을 감지할 수 있는 감지 거리 구간이 미리 지정됨에 따라, 지정된 감지 거리 구간보다 먼 거리에 장애물이 존재하더라도 PSD 센서는 장애물이 감지되지 않은 상태로 인지한다.

반면 PSD 센서는 감지 거리 구간보다 가까운 위치에 배치된 장애물 또한 정상적으로 감지하지 못하여, 감지 거리 구간보다 가까운 위치에 배치된 장애물에 대해서는 장애물과의 거리에 대응하는 레벨의 감지 신호를 출력하는 것이 아니라, 장애물이 감지되지 않은 상태의 레벨보다 낮은 레벨의 감지 신호를 출력한다.

그리고 모터(310)의 구동에 의해 제1 PSD 센서(PSD1)는 시계방향으로 회전하게 되고, 샘플링 주기 이후 16도만큼 회전한 이후에 제2 샘플링 위치(S2)에서 다시 샘플링하여 감지 신호를 생성하고 회전한다.

이렇게 제1 PSD 센서(PSD1)는 1회전하는 동안 20회 샘플링 작업을 수행하고, 도7 에 도시된 바와 같이, 제1 PSD 센서(PSD1)는 초기 샘플링 위치(S1)에는 장애물이 존재하지 않으므로, 도8 과 같이 기준 신호 레벨(도8 에서는 일 예로 300mV)로 감지 신호를 출력한다. 유사하게 제1 PSD 센서(PSD1)는 제2, 제4, 제5, 제7, 제8, 제10 및 제11 샘플링 위치(S2, S4, S5, S7, S8, S10, S11)에 대해서도 동일하게 감지 신호를 기준 신호 레벨로 출력한다.

그러나 도7 에서 3개의 장애물이 제3, 제7 및 제9 샘플링 위치(S3, S6, S9)에 위치하고 있으므로, 도8 에 도시된 바와 같이, 제1 PSD 센서(PSD1)는 제3, 제7 및 제9 샘플링 위치(S3, S6, S9)에서 장애물과의 거리에 따라 서로 다른 레벨로 감지 신호를 출력한다. 도8 에서 감지 신호는 장애물과의 거리가 가까울수록 더 높은 레벨(600mV, 800mV, 1100mV)로 출력됨을 확인할 수 있다.

한편 제1 PSD 센서(PSD1)가 제12 내지 제20 샘플링 위치(S16 ~ S20)를 향하는 동안에는 미리 설정된 감지 거리 구간보다 더욱 가까운 위치(예를 들면 제1 PSD 센서(PSD1)로부터 1cm 거리)에 기준 벽(410)이 배치되어 있다.

제1 PSD 센서(PSD1)으로부터 기준 벽(410)까지의 거리가 기설정된 감지 거리 구간보다 짧으므로, 제1 PSD 센서(PSD1)는 감지 신호를 장애물이 감지되지 않은 상태의 레벨보다 낮은 레벨(도8 에서는 일예로 100mV)로 출력한다.

PSD 센서는 감지 거리 구간보다 짧은 거리에 배치된 장애물에 대해서도 거리에 따라 서로 다른 레벨의 감지 신호를 출력할 수 있으나, 본 발명에서 기준 벽(410)는 회전하는 제1 PSD 센서(PSD1)로부터 균일한 거리로 이격된 원호의 형상으로 구현되므로, 제1 PSD 센서(PSD1)는 장애물이 감지되지 않은 상태의 레벨보다 낮은 균일한 레벨의 감지 신호를 출력한다.

기준 벽(410)이 배치되는 위치 및 거리와 기준 벽(410)의 길이는 미리 알고 있으므로, 자율 주행 로봇의 제어부(미도시) 또는 기판부(230)는 감지 신호를 분석함으로써, 회전 감지 센서를 구비하지 않고도 현재 제1 PSD 센서(PSD1)의 위치를 판단 할 수 있다.

도1 내지 8 에서는 기준 벽(410)의 가장 단순한 일예로서, 원호형의 기준벽(410)을 도시하였다. 도1 내지 도8 에 도시된 원호형의 기준벽(410)은 센서부(210)가 기준 벽(410)이 배치된 위치를 회전하는 동안 균일한 레벨의 감지 신호를 출력하도록 하므로, 송수신부(20)가 적은 수(예를 들면 1 ~ 3개)의 센서부(210)를 구비하는 경우에, 정확한 위치를 판별하기에는 한계가 있다. 즉 각각의 센서부(210) 중 기준 벽(410)에 대응하는 방향을 향하고 있는 센서부(210)의 감지 신호를 분석하여도, 현재 센서부(210)의 위치가 기준 벽(410)을 향하고 있음을 인지할 수 있을 뿐, 기준 벽(410)에서 어떤 위치를 향하고 있는지 정밀하게 판별하기 어렵다. 이는 도1 내지 도8 에 도시된 바와 같이, 송수신부(20)가 4개 이상의 복수개의 센서부(210)를 구비하도록 하는 방식으로 해결 할 수 있다.

예를 들어, 제1 PSD 센서(PSD1)의 감지 신호를 분석하여, 제1 PSD 센서(PSD1)의 현재 위치가 기준 벽(410) 방향을 향하고 있는 것으로 판단될 때, 제2 PSD 센서(PSD2) 및 제4 PSD 센서(PSD4)의 감지 신호를 함께 분석함으로써, 제1 PSD 센서(PSD1)의 위치를 더욱 정확하게 판별할 수 있다.

그러나 다른 방법으로 기준 벽(410)을 변형함으로써, 적은 수의 센서부(210)로도 기준 벽(410) 방향으로 향하고 있는 센서부(210)의 회전 각도를 더욱 정확하게 판별할 수 있도록 구성할 수 있다.

도9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 감지 장치를 구비하는 자율 주행 로봇을 나타낸다.

도9 에서는 일예로 3개의 장애물 감지 장치(2, 3, 4)가 각각 자율 주행 로봇(1)의 진행 방향 상단, 정면 및 후방 측단 모서리에 배치되는 경우를 도시하였다. 진행 방향 상단 모서리에 배치된 제1 장애물 감지 장치(2)는 자율 주행 로봇(1)의 전방을 감지하며, 정면에 배치된 제2 장애물 감지 장치(3)은 자율 주행 로봇의 우측 장애물을 감지한다. 또한 후방 측단 모서리에 배치된 제3 장애물 감지 장치(4)는 자율 주행 로봇의 후방을 감지한다. 이외에도 본 발명의 장애물 감지 장치는 자율 주행 로봇(1)의 다양한 위치에 배치될 수 있다.

각각의 장애물 감지 장치(2, 3, 4) 자율 주행 로봇(1)의 제어부(미도시)의 제어에 의해 구동되어 감지 신호를 그대로 또는 증폭하여 자율 주행 로봇(1)의 제어부로 전송할 수 있다. 또는 감지 신호를 분석하여 장애물의 위치를 판별하고, 판별된 장애물의 위치에 대응하는 위치 판별 신호를 생성하여, 자율 주행 로봇(1)의 제어부로 전송할 수 있다. 이에 자율 주행 로봇(1)의 제어부는 각각의 장애물 감지 장치(2, 3, 4)의 위치를 고려하여 감지 신호 또는 위치 판별 신호를 분석함으로써, 자율 주행 로봇(1) 주위의 장애물의 위치를 사전에 판별할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

1. 베이스;
   상기 베이스에 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 기지정된 방사 신호를 회전축을 중심으로 외부로 방사하고, 반사된 상기 방사 신호를 수신하여, 감지 신호를 생성하는 송수신부; 및
   상기 회전축을 중심으로 상기 송수신부로부터 기설정된 거리에 미리 지정된 길이의 원호형으로 구현되어 상기 송수신부에서 방사되는 상기 신호를 반사하는 기준 벽을 구비하는 케이스; 를 포함하는 장애물 감지 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 송수신부는
   상기 베이스와 회전 축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 상기 감지 신호를 외부로 전송하는 슬립링부;
   상기 슬립링부의 상부에 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 대칭인 기둥 형상으로 구현되는 센서 고정부;
   각각 상기 센서 고정부의 외주면에 고정되고, 상기 방사 신호를 방사 및 수신하여 상기 감지 신호를 생성하는 적어도 하나의 센서부; 및
   상기 센서 고정부와 상기 슬립링부 사이에 배치되어 상기 슬립링부를 통해 인가되는 전원을 상기 적어도 하나의 센서부 각각으로 인가하는 기판부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
3. 제2 항에 있어서, 적어도 하나의 센서부는
   복수개로 구비되는 경우, 상기 회전축을 중심으로 서로 동일한 각도만큼 이격되어 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
4. 제3 항에 있어서, 상기 기판부는
   상기 감지 신호를 증폭하여 상기 슬립링부로 전송하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
5. 제3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서부 각각은
   적외선 신호를 상기 방사 신호로 방사하고, 방사된 상기 방사 신호가 반사된 신호가 수신되는 각도를 검출하여, 상기 방사 신호가 반사된 거리를 판별하는 PSD(Position Sensitive Device)로 구현되는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
6. 제3 항에 있어서, 상기 기준 벽은
   상기 송수신부가 회전하면서 장애물을 감지하도록 지정된 각도 범위를 제외한 나머지 각도 범위에 대응하는 길이로 구현되는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
7. 제6 항에 있어서, 상기 케이스는
   상기 송수신부를 보호하기 위해 상기 베이스의 상부에 결합되는 커버; 를 더 구비하고, 상기 기준 벽은 상기 커버와 분리 또는 결합되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
8. 제6 항에 있어서, 상기 장애물 감지 장치는
   상기 송수신부를 회전시키기 위한 구동부를 더 구비하고,
   상기 구동부는
   모터; 및
   상기 모터의 회전축 및 상기 송수신부에 연결되어, 상기 모터의 회전력을 상기 송수신부로 전달하는 연동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
9. 제6 항에 있어서, 상기 기판부는
   MCU(Micro Controller Unit)를 구비하여 상기 적어도 하나의 센서부 각각에서 인가되는 상기 감지 신호를 분석하고, 분석된 감지 신호가 상기 기준 벽에 대응하는 패턴인지 여부를 분석하여, 상기 적어도 하나의 센서 각각의 위치를 판별하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
10. 제9 항에 있어서, 상기 기판부는
    상기 적어도 하나의 센서의 위치가 상기 기준 벽에 대응하는 패턴이 아니면 상기 감지 신호로부터 상기 장애물의 위치를 판별하여 위치 판별 신호를 생성하고, 생성된 위치 판별 신호를 상기 슬립링부를 통해 외부로 전송하는 것을 특징으로 하는 장애물 감지 장치.
11. 자율 주행 로봇의 사용 용도에 따라 구현된 로봇 케이스;
    상기 로봇 케이스 내에 구현되어 상기 로봇 게이스를 이동시키는 로봇 구동부;
    상기 로봇 케이스의 기설정된 위치에 배치되어, 지정된 방향으로 기지정된 방사 신호를 방사하고, 방사된 상기 방사 신호를 수신하여 감지 신호를 출력하는 적어도 하나의 장애물 감지 장치; 및
    상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각으로부터 상기 감지 신호를 인가받고, 상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각의 배치 위치에 따라 상기 감지 신호를 분석하여 상기 장애물의 존재 여부 및 위치를 판별하며, 판별된 상기 장애물을 회피하여 이동할 수 있도록 상기 로봇 구동부를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 장애물 감지 장치 각각은
    베이스;
    상기 베이스에 회전축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 상기 방사 신호를 회전축을 중심으로 외부로 방사하고, 반사된 상기 방사 신호를 수신하여, 상기 감지 신호를 생성하는 송수신부; 및
    상기 회전축을 중심으로 상기 송수신부로부터 기설정된 거리에 미리 지정된 길이의 원호형으로 구현되어 상기 송수신부에서 방사되는 상기 신호를 반사하는 기준 벽을 구비하는 케이스; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 로봇.
12. 제11 항에 있어서, 상기 송수신부는
    상기 베이스와 회전 축을 중심으로 회전하도록 결합되고, 상기 감지 신호를 외부로 전송하는 슬립링부;
    상기 슬립링부의 상부에 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 대칭인 기둥 형상으로 구현되는 센서 고정부;
    각각 상기 센서 고정부의 외주면에 고정되고, 상기 방사 신호를 방사 및 수신하여 상기 감지 신호를 생성하는 적어도 하나의 센서부; 및
    상기 센서 고정부와 상기 슬립링부 사이에 배치되어 상기 슬립링부를 통해 인가되는 전원을 상기 적어도 하나의 센서부 각각으로 인가하는 기판부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 로봇.
13. 제12 항에 있어서, 상기 기준 벽은
    상기 송수신부가 회전하면서 장애물을 감지하도록 지정된 각도 범위를 제외한 나머지 각도 범위에 대응하는 길이로 구현되는 것을 특징으로 하는 자율 주행 로봇.
14. 제13 항에 있어서, 상기 장애물 감지 장치는
    상기 송수신부를 회전시키기 위한 구동부를 더 구비하고,
    상기 구동부는
    상기 제어부의 제어에 따라 지정되는 회전 속도 및 회전 방향으로 구동되는 모터; 및
    상기 모터의 회전축 및 상기 송수신부에 연결되어, 상기 모터의 회전력을 상기 송수신부로 전달하는 연동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 로봇.

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