WO2017200305A1 - 로봇 청소기 - Google Patents

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WO2017200305A1
WO2017200305A1 PCT/KR2017/005136 KR2017005136W WO2017200305A1 WO 2017200305 A1 WO2017200305 A1 WO 2017200305A1 KR 2017005136 W KR2017005136 W KR 2017005136W WO 2017200305 A1 WO2017200305 A1 WO 2017200305A1
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WO
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light
irradiator
obstacle
robot cleaner
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PCT/KR2017/005136
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전우찬
성철모
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 청소구역을 주행하며, 청소구역 내 바닥의 이물질을 흡입하는 본체와, 상기 본체에 배치되고, 상기 본체 전방의 소정 영역의 영상을 획득하는 영상 획득부와, 상기 본체에 배치되고, 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사하는 제 1 패턴 조사부와, 상기 본체에 배치되되, 상기 제 1 패턴 조사부의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사하는 제 2 패턴 조사부를 포함하는 로봇 청소기에 관한 것이다.

Description

로봇 청소기
본 발명은 로봇 청소기에 관한 것이다.
일반적으로 로봇 청소기는 사용자의 조작 없이도 청소하고자 하는 구역내를 스스로 주행하면서 바닥면으로부터 먼지 등의 이물질을 흡입하여 자동으로 청소하는 기기이다.
통상 이러한 로봇 청소기는 청소구역 내에 설치된 가구나 사무용품, 벽 등의 장애물까지의 거리를 감지하고, 그에 따라 청소구역을 매핑(mapping)하거나, 좌륜과 우륜의 구동을 제어하여 장애물 회피 동작을 수행한다. 종래에는 천장 또는 바닥을 주시하는 센서를 통해 로봇 청소기가 이동한 거리를 계측하고, 이를 기반으로 장애물까지의 거리를 산출하는 방식이었으나, 로봇 청소기의 이동 거리를 기반으로 장애물까지의 거리를 추정하는 간접적인 방식이기 때문에, 바닥의 굴곡등으로 로봇 청소기의 이동 거리가 정확하게 계측되지 못하는 경우, 장애물까지의 거리 역시 오차를 가질 수밖에 없었다. 특히, 이러한 로봇 청소기에 주로 사용되는 거리 측정 방식은 적외선 또는 초음파를 이용한 것으로, 광 또는 음이 장애물에 의해 산란되는 양이 많아 거리 계측에 상당한 오차가 발생되는 문제가 있었다.
최근에는 로봇 청소기의 전방으로 특정한 패턴의 광을 조사하여 이를 촬영하고, 촬영된 영상으로부터 상기 패턴을 추출하고, 이를 바탕으로 청소구역 내의 장애물 상황을 파악하여 주행을 제어하는 기술이 적용되고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 10-2013-0141979호(이하, '979 발명이라 함.)는 십자 패턴의 광을 조사하는 광원모듈과 청소기 전방의 영상을 획득하는 카메라 모듈을 구비한 로봇 청소기를 개시하고 있다. 이러한 로봇 청소기는 카메라 모듈을 통해 획득된 영상으로부터 패턴을 추출하고, 이를 바탕으로 청소구역 내의 장애물 상황을 파악하고 있다. 그런데, 이러한 로봇 청소기의 경우, 상기 광원모듈은 일정한 각도로 광을 조사하도록 구성되고, 하나만 구비되기 때문에, 장애물을 감지할 수 있는 범위에 제약이 따르고, 높이를 갖는 장애물의 입체적인 형태를 파악하는데도 어려움이 있었다. 특히, '979 발명은 십자 패턴이 청소구역의 바닥을 향해 조사되는 특성상, 상기 광원 모듈보다 높이 위치한 장애물 또는 바닥으로부터의 높이가 상기 광원 모듈부터 높은 곳까지 이르는 장애물을 감지할 수는 없다.
'979 발명은 상기 카메라 모듈로부터 출사된 수직선 형태의 광이 장애물에 입사되는 경우, 상기 장애물의 높이를 어느 정도 가늠해 볼 수는 있으나, 이로부터 알 수 있는 장애물 정보는 어디까지나 수직선 패턴이 조사된 부분에 한정된 것이었다.
또한, 침대와 같은 장애물의 경우는, 침대 다리에 매트리스가 거치되기 때문에, 상기 매트리스 아래로 소정의 공간이 형성되기 마련인데, 침대로부터 로봇 청소기의 위치에 따라서는, 상기 광원모듈로부터 조사된 십자 패턴의 광 모두가 상기 공간 내의 바닥으로 조사되어, 로봇 청소기의 제어 유닛은 상기 매트리스를 식별해 내지 못하고, 따라서, 로봇 청소기가 침대가 있는 쪽으로 계속하여 주행되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 공간의 높이에 따라서는 로봇 청소기가 상기 공간 내로 진입하지 못하고, 매트리스를 지지하는 프레임 등의 구조물과 충돌하거나, 바닥과 프레임 사이에 끼게 되어 더 이상 주행하지 못하게 되는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 첫째, 상하로 배치된 두 개의 패턴 조사부로부터 조사된 패턴들을 이용하여 장애물에 대한 보다 구체적인 정보를 획득할 수 있는 로봇 청소기를 제공하는 것이다.
둘째, 침대와 같이 청소 구역의 바닥과의 사이에 소정 높이의 공간을 형성하는 장애물이 존재하는 경우, 주행 중에 상기 공간에 끼이는 것을 방지할 수 있는 로봇 청소기를 제공하는 것이다.
셋째, 제 1 패턴 조사부와 제 2 패턴 조사부의 칼리브레이션 과정을 보다 쉽게 실시할 수 있는 로봇 청소기를 제공하는 것이다.
본 발명의 로봇 청소기는 청소구역을 주행하며, 청소구역 내 바닥의 이물질을 흡입하는 본체와, 상기 본체에 배치되고, 상기 본체 전방의 소정 영역의 영상을 획득하는 영상 획득부와, 상기 본체에 배치되고, 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사하는 제 1 패턴 조사부와, 상기 본체에 배치되되, 상기 제 1 패턴 조사부의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사하는 제 2 패턴 조사부를 포함한다.
상기 본체의 측면에서 바라볼 시, 상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로는 교차될 수 있다.
상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로가 교차되는 지점(d1)은, 상기 영상 획득부에 의해 영상이 획득되기 시작하는 상기 바닥 상의 지점(d2)보다 상기 본체로부터 더 근접한 지점에 위치할 수 있다.
상기 영상 획득부는 렌즈의 주축이 수평으로 정렬되고, 100˚ 내지 110˚의 화각을 가질 수 있다.
상기 영상 획득부는 상기 바닥에 대한 영상을 상기 본체로부터 거리가 110mm 내지 120mm 이상인 위치부터 획득할 수 있다.
상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 각각 수평선을 포함할 수 있다.
상기 제 1 패턴의 광과 상기 제 2 패턴의 광은 서로 다른 패턴으로 구성될 수 있다.
상기 영상 획득부, 상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부는 상기 본체의 전면에 상하 방향으로 일렬로 배치될 수 있다.
상기 영상 획득부는, 상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부 보다 하측에 배치될 수 있다.
상기 제 1 패턴 조사부는 제 1 수직 조사각으로 상기 제 1 패턴의 광을 조사할 수 있고, 상기 제 2 패턴 조사부는 제 2 수직 조사각으로 상기 제 2 패턴의 광을 조사할 수 있다.
상기 영상 획득부는 상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부는 동일한 크기의 수직 조사각으로 광을 조사할 수 있다. 상기 수직 조사각은 20˚ 내지 30˚일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇 청소기는 외관을 형성하는 케이싱과, 상기 케이싱에 회전 가능하게 구비되는 좌륜 및 우륜과, 상기 케이싱에 배치되어 청소구역 내 바닥의 이물질을 흡입하는 흡입 모듈과, 상기 케이싱의 전면에 배치되는 장애물 감지유닛을 포함하고, 상기 장애물 감지유닛은 상기 케이싱의 전면에 결합되는 모듈 프레임과, 상기 모듈 프레임에 배치되고, 상기 케이싱 전방의 소정 영역의 영상을 획득하는 영상 획득부와, 상기 모듈 프레임에 배치되고, 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사하는 제 1 패턴 조사부와, 상기 모듈 프레임에 배치되되, 상기 제 1 패턴 조사부의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사하는 제 2 패턴 조사부를 포함한다.
상기 케이싱의 측면에서 바라볼 시, 상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로는 교차될 수 있다. 상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로가 교차되는 지점은 상기 영상 획득부에 의해 영상이 획득되기 시작하는 상기 바닥 상의 지점보다 상기 케이싱으로부터 더 근접한 지점에 위치할 수 있다. 상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 각각 수평선을 포함할 수 있다.
상기 영상 획득부, 상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부는 상하 방향으로 일렬로 배치될 수 있다.
상기 영상 획득부는, 상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부 보다 하측에 위치할 수 있다.
상기 영상 획득부는 상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부는 상기 영상 획득부에 대해 대칭으로 배치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 청소기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 로봇 청소기의 수평 화각을 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 로봇 청소기의 전면도이다.
도 4는 도 1의 로봇 청소기의 저면을 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 로봇 청소기의 주요부들을 도시한 블록도이다.
도 6은 장애물 감지유닛의 전면도(a)와 측면도(b)이다.
도 7은 장애물 감지유닛의 조사 범위와 장애물 탐지 범위를 도시한 것이다.
도 8은 제 1 패턴 조사부를 칼리브레이션하는 과정에서 획득영상에 표시된 제 1 패턴 광을 도시한 것(a)과, 제 2 패턴 조사부를 칼리브레이션하는 과정에서 획득영상에 표시된 제 2 패턴 광을 도시한 것(b)이다.
도 9는 로봇 청소기가 제 1 위치에 있을 시, 전방에 장애물이 위치한 경우에 있어서의 획득영상을 도시한 것(a), 로봇 청소기의 위치가 변경되어 제 2 위치에 있을 시의 획득영상을 도시한 것(b)이다.
도 10은 장애물에 제 1 패턴 광과 제 2 패턴 광이 입사된 경우에 있어서의 획득영상을 도시한 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 다른 실시예에 따른 로봇 청소기의 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 장애물 감지유닛의 전면도(a)와 측면도(b)이다.
도 13은 도 12의 장애물 감지유닛의 조사 범위와 장애물 탐지 범위를 도시한 도이다.
도 14는 도 12의 장애물 감지유닛의 제 1 패턴 조사부에 의해 조사되는 패턴의 광을 도시한 도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 로봇 청소기에 있어서, 장애물에 조사되는 패턴의 형태를 도시한 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 청소기의 사시도이다. 도 2는 도 1의 로봇 청소기의 수평 화각을 도시한 것이다. 도 3은 도 1의 로봇 청소기의 전면도이다. 도 4는 도 1의 로봇 청소기의 저면을 도시한 것이다. 도 5는 도 1의 로봇 청소기의 주요부들을 도시한 블록도이다. 도 6은 장애물 감지유닛의 전면도(a)와 측면도(b)이다. 도 7은 장애물 감지유닛의 조사 범위와 장애물 탐지 범위를 도시한 것이다.
도 1 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 청소기(1)는 청소구역의 바닥을 따라 이동하며, 상기 바닥 상의 먼지 등의 이물질을 흡입하는 본체(10)와, 본체(10)의 전면에 배치되는 장애물 감지유닛(obstacle sensor 100)을 포함할 수 있다.
본체(10)는 외관을 형성하며 내측으로 본체(10)를 구성하는 부품들이 수납되는 공간을 형성하는 케이싱(11)과, 케이싱(11)에 배치되어 먼지나 쓰레기 등의 이물질을 흡입하는 흡입유닛(34)과, 케이싱(11)에 회전 가능하게 구비되는 좌륜(36(L))과 우륜(36(R))을 포함할 수 있다. 좌륜(36(L))과 우륜(36(R))이 회전함에 따라 본체(10)가 청소구역의 바닥을 따라 이동되며, 이 과정에서 흡입유닛(34)을 통해 이물질이 흡입된다.
흡입유닛(34)은 흡입력을 발생시키는 흡입 팬(미도시)과, 상기 흡입 팬의 회전에 의해 생성된 기류가 흡입되는 흡입구(10h)를 포함할 수 있다. 흡입유닛(34)은 흡입구(10h)를 통해 흡입된 기류 중에서 이물질을 채집하는 필터(미도시)와, 상기 필터에 의해 채집된 이물질들이 축적되는 이물질 채집통(미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 본체(10)는 좌륜(36(L))과 우륜(36(R))을 구동시키는 주행 구동부(300)를 포함할 수 있다. 주행 구동부(300)는 적어도 하나의 구동모터를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 구동모터는 좌륜(36(L)))을 회전시키는 좌륜 구동모터와 우륜(36(R))을 회전시키는 우륜 구동모터를 포함할 수 있다.
제어부(controller 200)는 주행 구동부(300)를 제어하는 주행제어부(travel controller 230)을 포함할 수 있다. 주행제어부(230)에 의해 상기 좌류 구동모터와 상기 우륜 구동모터의 작동이 독립적으로 제어됨으로써 본체(10)의 직진, 후진 또는 선회가 이루어 질 수 있다. 예를들어, 본체(10)가 직진 주행하는 경우에는 상기 좌륜 구동모터와 상기 우륜 구동모터가 같은 방향으로 회전되나, 상기 좌륜 구동모터와 상기 우륜 구동모터가 다른 속도로 회전되거나, 서로 반대 방향으로 회전되는 경우에는 본체(10)의 주행 방향이 전환될 수 있다. 본체(10)의 안정적인 지지를 위한 적어도 하나의 보조륜(37)이 더 구비될 수 있다.
데이터부(240)에는 장애물 감지유닛(100)으로부터 입력되는 획득영상이 저장되고, 장애물 정보획득부(220)가 장애물을 판단하기 위한 기준데이터가 저장되며, 감지된 장애물에 대한 장애물정보가 저장된다. 또한, 데이터부(240)에는 로봇 청소기(1)의 동작을 제어하기 위한 제어데이터 및 로봇 청소기(1)의 청소모드에 따른 데이터가 저장되며, 생성되거나 또는 외부로부터 수신되는 맵이 저장될 수 있다.
청소부(310)는 브러쉬를 동작시켜 로봇 청소기(1) 주변의 먼지 또는 이물질을 흡입하기 쉬운 상태로 만들고, 흡입장치를 동작시켜 먼지 또는 이물질을 흡입한다. 청소부(310)는 먼지나 쓰레기 등의 이물질을 흡입하는 흡입유닛(34)에 구비되는 흡입 팬의 동작을 제어하여 먼지가 흡입구를 통해 이물질 채집통에 투입되도록 한다.
또한, 데이터부(240)는, 마이크로 프로세서(micro processor)에 의해 읽힐 수 있는 데이터를 저장하는 것으로, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다.
케이싱(11)의 저면부 전방측에 위치하며, 방사상으로 연장된 다수개의 날개로 이루어진 솔을 갖는 브러시(35)가 더 구비될 수 있다. 브러시들(35)의 회전에 의해 청소구역의 바닥으로부터 먼지들이 제거되며, 이렇게 바닥으로부터 분리된 먼지들은 흡입구(10h)를 통해 흡입되어 채집통에 모인다.
케이싱(11)의 상면에는 사용자로부터 로봇 청소기(1)의 제어를 위한 각종 명령을 입력받는 컨트롤 패널(39)이 구비될 수 있다.
본체(10)에는 재충전이 가능한 베터리(38)가 구비되며, 베터리(38)의 충전 단자(33)가 상용 전원(예를 들어, 가정 내의 전원 콘센트)과 연결되거나, 상용 전원과 연결된 별도의 충전대(미도시)에 본체(10)가 도킹되어, 충전 단자(33)가 상용 전원과 전기적으로 연결되고, 베터리(38)의 충전이 이루어질 수 있다. 로봇 청소기(1)를 구성하는 전장 부품들은 베터리(38)로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 따라서, 베터리(38)가 충전된 상태에서 로봇 청소기(1)는 상용 전원과 전기적으로 분리된 상태에서 자력 주행이 가능하다.
장애물 감지유닛(100)은 본체(10)의 전면에 배치될 수 있다. 장애물 감지유닛(100)은 제 1 패턴 조사부(120)와, 제 2 패턴 조사부(130)와, 영상 획득부(140)를 포함한다. 영상 획득부(140)는 본체(10) 전방의 소정 영역의 영상을 획득한다. 제 1 패턴 조사부(120)는 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사한다. 제 2 패턴 조사부(130)는 제 1 패턴 조사부(120)의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사한다.
보다 상세하게, 도 6을 참조하면, 장애물 감지유닛(100)은 케이싱(11)의 전면에 고정되고, 상하로 길게 형성된 모듈 프레임(110)을 더 포함할 수 있고, 제 1 패턴 조사부(120), 제 2 패턴 조사부(130) 및 영상 획득부(140)는 모듈 프레임(110)에 고정될 수 잇다. 실시예에 따라, 모듈 프레임(110)이 없이 제 1 패턴 조사부(120), 제 2 패턴 조사부(130) 및/또는 영상 획득부(140)가 케이싱(11)에 직접 고정되는 것도 가능하다.
각각의 패턴 조사부(120, 130)는 광원과, 상기 광원으로부터 조사된 광이 투과됨으로써 소정의 패턴을 생성하는 패턴생성자(OPPE: Optical Pattern Projection Element)를 포함할 수 있다. 상기 광원은 레이져 다이오드(Laser Diode, LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등 일 수 있다. 레이져 광은 단색성, 직진성 및 접속 특성에 있어 다른 광원에 비해 월등해, 정밀한 거리 측정이 가능하며, 특히, 적외선 또는 가시광선은 대상체의 색상과 재질 등의 요인에 따라 거리 측정의 정밀도에 있어서 편차가 크게 발생되는 문제가 있기 때문에, 상기 광원으로는 레이져 다이오드가 바람직하다. 상기 패턴생성자는 렌즈, DOE(Diffractive Optical Element)를 포함할 수 있다. 각각의 패턴 조사부(120, 130)에 구비된 패턴 생성자의 구성에 따라 다양한 패턴의 광이 조사될 수 있다.
제 1 패턴 조사부(120)는 제 1 패턴의 광(P1, 이하, 제 1 패턴 광이라고 함.)을 본체(10)의 전방 하측을 향해 조사할 수 있다. 따라서, 제 1 패턴 광(P1)은 청소구역의 바닥을 향해 입사될 수 있다. 제 1 패턴 광(P1)은 수평선(Ph)과 수직선(Pv)이 교차하는 십자 패턴의 형태로 구성될 수 있다.
제 1 패턴 조사부(120), 영상 획득부(140) 및 제 2 패턴 조사부(130)는 일렬로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 영상 획득부(140)는, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130) 사이에 배치되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 제 1 패턴 조사부(120)는 영상 획득부(140)의 상측에 위치하여 전방을 향해 하방으로 제 1 패턴 광(P1)을 조사하여, 제 1 패턴 조사부(120) 보다 하측에 위치하는 장애물을 감지하고, 제 2 패턴 조사부(130)는 영상 획득부(140)의 하측에 위치하여 전방을 향해 상방으로 제 2 패턴의 광(P2, 이하, 제 2 패턴 광이라고 함.)을 조사할 수 있다. 따라서, 제 2 패턴 광(P2)은 벽면이나, 청소구역의 바닥으로부터 적어도 제 2 패턴 조사부(130) 보다 높이 위치하는 장애물 또는 장애물의 일정 부분에 입사될 수 있다.
제 2 패턴 광(P2)은 제 1 패턴 광(P1)과 다른 패턴으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 수평선을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 수평선은 반드시 연속한 선분이어야 하는 것은 아니고, 도면들에 도시된 바와 같은 점선으로 이루어질 수도 있다.
한편, 도 2에 표시된 θh는 제 1 패턴 조사부(120)로부터 조사된 패턴 광(P1)의 수평 조사각을 표시한 것으로, 수평선(Ph)의 양단이 제 1 패턴 조사부(120)와 이루는 각도를 나타내며, 130˚ 내지 140˚ 범위에서 정해지는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다. 도 2에 표시된 점선은 로봇 청소기(1)의 전방을 향하는 것이며, 제 1 패턴 광(P1)은 상기 점선에 대해 대칭인 형태로 구성될 수 있다.
제 2 패턴 조사부(130) 역시 제 1 패턴 조사부(120)와 마찬가지로 수평 조사각이, 바람직하게는, 130˚ 내지 140˚ 범위에서 정해질 수 있으며, 실시예에 따라서는 제 1 패턴 조사부(120)와 동일한 수평 조사각으로 패턴 광(P2)을 조사할 수 있으며, 이 경우, 제 2 패턴 광(P1) 역시 도 2에 표시된 점선에 대해 대칭인 형태로 구성될 수 있다.
영상 획득부(140)는 본체(10) 전방의 영상을 획득할 수 있다. 특히, 영상 획득부(140)에 의해 획득된 영상(이하, 획득영상이라고 함.)에는 패턴 광(P1, P2)이 나타되며, 이하, 획득영상에 나타난 패턴 광(P1, P2)의 상을 광 패턴이라고 하고, 이는 실질적으로 실제 공간 상에 입사된 패턴 광(P1, P2)이 이미지 센서에 맺힌 상이기 때문에, 패턴 광들(P1, P2)과 같은 도면 부호를 부여하여, 제 1 패턴 광(P1) 및 제 2 패턴 광(P2)과 각각 대응하는 상들을 제 1 광 패턴(P1) 및 제 2 광 패턴(P2)이라고 하기로 한다.
영상 획득부(140)는 피사체의 상을 전기적 신호로 변환시킨 후 다시 디지털 신호로 바꿔 메모리소자에 기억시키는 디지털 카메라를 포함할 수 있으며, 상기 디지털 카메라는 이미지센서(미도시)와 영상처리모듈(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 이미지센서는 광학 영상(image)을 전기적 신호로 변환하는 장치로, 다수개의 광 다이오드(photo diode)가 집적된 칩으로 구성되며, 상기 광 다이오드로는 픽셀(pixel)을 예로 들 수 있다. 렌즈를 통과한 광에 의해 칩에 맺힌 영상에 의해 각각의 픽셀들에 전하가 축적되며, 픽셀에 축적된 전하들은 전기적 신호(예를들어, 전압)로 변환된다. 상기 이미지센서로는 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등이 잘 알려져 있다.
상기 영상처리모듈은 상기 이미지센서로부터 출력된 아날로그 신호를 바탕으로 디지털 영상을 생성한다. 상기 영상처리모듈은 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터와, 상기 AD컨버터로부터 출력된 디지털 신호에 따라 일시적으로 디지털 정보(digital data)를 기록하는 버퍼 메모리(buffer memory)와, 상기 버퍼 메모리에 기록된 정보를 처리하여 디지털 영상을 구성하는 디지털 신호처리기(DSP:Digital Signal Processor)를 포함할 수 있다.
또한, 로봇 청소기(1)는 마이크로 프로세서(micro processor)에 의해 읽힐 수 있는 데이터를 저장하는 것으로, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등의 데이터 저장부(미도시)를 포함할 수 있다.
제어부(200)는 영상 획득부(140)에 의해 획득된 영상(획득영상)으로부터 광 패턴(P1, P2)을 검출하는 패턴검출부(pattern extractor 210)을 포함할 수 있다. 패턴검출부(210)은 획득영상을 구성하는 소정의 픽셀들에 대해 점, 선, 면 등의 특징을 검출 (feature detection)하고, 이렇게 검출된 특징을 바탕으로 광 패턴(P1, P2) 또는 광 패턴(P1, P2)을 구성하는 점, 선, 면 등을 검출할 수 있다.
예를 들어, 패턴검출부(210)은 주변보다 밝은 픽셀들이 연속됨으로써 구성되는 선분들을 추출하여, 제 1 광 패턴(P1)을 구성하는 수평선(Ph)과 수직선(Pv), 제 2 광 패턴(P2)을 구성하는 수평선(P2)을 추출할 수 있다.
그러나, 이에 한정되지 않고, 디지털 영상으로부터 원하는 형태의 패턴을 추출하는 다양한 기법들이 이미 알려져 있는 바, 패턴검출부(210)는 이들 공지된 기술들을 이용하여 제 1 광 패턴(P1)과 제 2 광 패턴(P2)을 추출할 수 있다.
이하, 제 1 패턴 조사부(120) 또는 제 2 패턴 조사부(130)의 조사 방향이 수평과 이루는 각도를 수직 조사각이라고 정의한다. 구체적으로, 수직 조사각은 각각의 패턴 조사부(120, 130)를 구성하는 렌즈들의 주축(Optical axis)이 향하는 방향이 수평과 이루는 각도로 정의될 수 있다.
제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)는 상하 대칭으로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)는 소정의 수직선 상에 배열되되, 제 1 패턴 조사부(120)는 제 1 수직 조사각으로 하향으로 제 1 패턴 광(P1)을 조사하고, 제 2 패턴 조사부(130)는 제 2 수직 조사각으로 상향으로 제 2 패턴 광(P2)을 조사한다. 상기 제 1 수직 조사각과 상기 제 2 수직 조사각 중 적어도 하나는 20˚ 내지 30˚ 범위에서 정해지나 반드시 이에 한정되어야 하는 것을 아니다.
상기 제 1 수직 조사각과 상기 제 2 수직 조사각은 같은 값(θr)을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 실시예에 따라 서로 다른 값을 가질 수도 있다. θr은 바람직하게는 20˚ 내지 30˚ 범위에서 정해지나 반드시 이에 한정되어야 하는 것을 아니다.
제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)는 영상 획득부(140)에 대해 대칭으로 배치될 수 있다. 도 7을 참조하면, 제 1 패턴 조사부(120)는 영상 획득부(140)로부터 거리 Dh 만큼 떨어진 상측에 위치될 수 있고, 제 2 패턴 조사부(130)는 영상 획득부(140)로부터 하측으로 같은 거리(Dh)만큼 떨어진 지점에 위치할 수 있다. 이하, 제 1 패턴 조사부(120) 또는 제 2 패턴 조사부(130)의 조사 방향이 수평과 이루는 각도를 수직 조사각이라고 정의한다. 구체적으로, 수직 조사각은 각각의 패턴 조사부(120, 130)를 구성하는 렌즈들의 주축(Optical axis)이 향하는 방향이 수평과 이루는 각도로 정의될 수 있다.
이와 같이, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)가 영상 획득부(140)를 기준으로 대칭으로 배치되고, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)가 방향은 반대지만 같은 수직 조사각(θr)으로 광을 조사하는 구조는, 칼리브레이션(caribration) 또는 제품 초기화를 쉽게 할 수 있도록 한다.
제 1 패턴 조사부(120) 및/또는 제 2 패턴 조사부(130)로부터 조사된 패턴 광이 장애물에 입사되었을 시, 상기 장애물이 제 1 패턴 조사부(120)로부터 떨어진 위치에 따라, 획득영상에서 광 패턴(P1, P2)의 위치가 달라진다. 예를 들어, 제 1 패턴 광(P1)과 제 2 패턴 광(P2)이 소정의 장애물에 입사되었을 시, 상기 장애물이 로봇 청소기(1)로부터 가깝게 위치한 것일수록, 획득영상에서 제 1 광 패턴(P1)- 특히, 수평 패턴(Ph)-이 높은 위치에 표시되며, 반대로, 제 2 광 패턴(P2)은 낮은 위치에 표시된다. 즉, 영상 획득부(140)에 의해 생성되는 영상을 구성하는 행(횡방향으로 배열된 픽셀들로 이루어진 선)에 대응하는 장애물까지의 거리 데이터를 미리 저장하였다가, 영상 획득부(140)를 통해 획득된 영상에서 검출된 광 패턴(P1, P2)이 소정의 행에서 검출되면, 그 행에 대응하는 장애물까지의 거리 데이터로부터 장애물의 위치가 추정될 수 있다.
그런데, 이와 같은 과정이 정확하게 이루어지기 위해서는, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130) 각각이 기 설정된 수직 조사각(θr)으로 정확하게 광을 조사하도록 정렬되는 것이 전제되어야 한다. 이와 같은 전제가 이루어졌는지 여부는 칼리브레이션 과정에서 검사될 수 있는데, 예를 들어, 다음과 같은 과정을 통해 검사될 수 있다.
장애물 감지유닛(100)을 고정시키고, 장애물 감지유닛(100)로부터 일정 거리 전방에 장애물 감지유닛(100)을 향하는 평면을 갖는 수직한 입사판(T, 도 7 참조.)을 설치한다. 입사판(T)의 위치는, 바람직하게는 제 1 패턴 광(P1)이 맺힐 수 있는 위치이다.
이 상태에서, 제 1 패턴 조사부(120)를 통해 광을 조사하고, 영상 획득부(140)를 통해 영상을 획득한다. 이렇게 획득된 영상에는 입사판(T)에 입사된 제 1 광 패턴(P1)이 나타난다. 여기서, 장애물 감지유닛(100)로부터 입사판(T)까지의 거리는 이미 알고 있기 때문에, 장애물 감지유닛(100)이 불량 없이 정상적으로 제조된 경우라면, 획득영상 상에서 정해진 위치(ref1, 이하, 기준 위치라고 함.)에 제 1 광 패턴(P1)의 수평선(Ph)이 표시되어야 한다.
도 7을 참조하면, 기준위치(ref1)는 로봇 청소기의 전방에 장애물이 존재하지 않고, 로봇 청소기가 놓인 바닥면이 평평한 상태, 즉 정상상태인지를 판단하기 위한 기준이다. 기준위치(ref1)는, 본체(10)가 평평한 바닥에 위치하였을 때 제 1 광 패턴(P1)이 표시되는 위치이다. d3에 제 1 광패턴(P1)이 조사되었을 때, 영상획득부(140)가 제 1 광패턴(P1)을 촬영할 수 있는 위치에 있다고 할 수 있다.
도 8의 (a)는 위와 같은 과정에서 획득영상에 표시된 제 1 광 패턴(P1)을 도시한 것으로, 수평선(Ph)이 기준 위치(ref1)에서 검출된 경우를 보여주고 있다.
이제 제 2 패턴 조사부(130)의 조사 방향을 검사하여야 하는데, 이와 같은 과정은, 장애물 감지유닛(100)을 위, 아래가 바뀌도록 뒤집은 후, 위에서 설명한 칼리브레이션하는 과정을 반복함으로써 실시될 수 있다. 즉, 장애물 감지유닛(100)을 위, 아래가 바뀌되도록 뒤집어, 제 2 패턴 조사부(130)가 영상 획득부(140)의 상측에 위치하도록 한 후에, 이번에는 제 2 패턴 조사부(130)가 광을 조사하도록 하여, 영상 획득부(140)를 통해, 입사판(T)에 맺힌 제 2 광 패턴(P2)이 나타난 영상을 획득한다. 이 경우, 제 2 패턴 조사부(130)가 정상이라면, 기준 위치(ref1)에서 제 2 광 패턴(P2)이 검출되어야 할 것이다. 그러나, 그렇지 못한 경우, 예를 들어 도 8의 (b)에서와 같이 획득영상에서 제 2 광 패턴(P2)이 기준 위치(ref1)로부터 거리 Δg 만큼 상측에 나타난 경우는, 제 2 패턴 조사부(130)의 수직 조사각이 기 설정된 값(θr) 보다 작은 경우로써, 제 2 패턴 조사부(130)의 수직 조사각을 조정하는 것이 바람직하다.
다만, Δg이 기 설정된 오차 범위 내인 경우에는, Δg를 데이터 저장부에 저장하였다가, 향 후 획득영상에 나타난 제 2 광 패턴(P2)의 위치로부터 장애물까지의 거리를 구할 시, Δg을 이용하여 제 2 광 패턴(P2)의 위치를 보상함으로써, 보다 정확하게 장애물까지의 거리를 구할 수 있다.
한편, 영상 획득부(140)는 렌즈의 주축이 수평한 방향을 향하도록 정렬되고, 도 7에 표시된 θr는 영상 획득부(140)의 화각을 표시한 것으로, 100˚ 이상의 값으로 설정되고, 바람직하게는 100˚ 내지 110˚이나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것을 아니다.
또한, 청소구역의 바닥으로부터 영상 획득부(140)까지의 대략 145mm 내지 155mm 사이에서 정해질 수 있고, 이 경우, 영상 획득부(140)가 획득한 영상에서 청소구역의 바닥은 d2로 표시된 지점 이후부터 나타나며, S2는 획득영상에 나타난 바닥 중에서 제 1 광 패턴(P1)의 중심(수평선(Ph)과 수직선(Pv)이 만나는 교점)의 위치(d3)에 이르는 영역을 표시한 것이다. 특히, 영역 S2 장애물이 위치하는 경우, 영상 획득부(140)에 의해 상기 장애물에 제 1 패턴 광(P1)이 입사된 영상이 획득될 수 있다. 여기서, 본체(10)로부터 d2까지의 거리는 바람직하게는 100mm 내지 120mm로 설정되고, d3는 로봇 청소기(1)로부터 대략 거리 400mm에 위치되나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
또한, 도 7에 표시된 S1(로봇 청소기(1)로부터 d1 지점에 이르는 영역)제 1 광 패턴(P1)과 제 2 광 패턴(P2)의 위치가 역전되는 영역을 표시한 것으로, 영역 S1내에 장애물이 위치하는 경우, 획득영상에서 1 패턴 광(P1)이 제 2 패턴 광(P2)보다 상측에 위치된다. 이때, d1은 로봇 청소기(1)로부터, 바람직하게는, 70mm 내지 80mm 떨어진 위치이나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
도 9는 로봇 청소기가 제 1 위치에 있을 시, 전방에 제 1 장애물이 위치한 경우에 있어서의 획득영상을 도시한 것(a), 로봇 청소기의 위치가 변경되어 제 2 위치에 있을 시의 획득영상을 도시한 것(b)이다.
청소구역 내에 침대와 같이 바닥과의 사이에 소정의 공간(A)이 형성되는 장애물(OB1)이 위치하는 경우, 공간(A)을 인지할 수 있으며, 바람직하게는 공간(A)의 높이를 파악하여 장애물(OB1)을 통과할 것인지, 회피할 것인지를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 9의 (a)와 같이, 제 1 패턴 광(P1)은 공간(A) 내에 위치하는 바닥 상에 입사되고, 제 2 패턴 광(P2)은 공간(A)의 상측에 위치하는 구조물(예를 들어, 침대 매트리스를 지지하는 프레임)에 입사된 경우, 제어부(200)를 구성하는 장애물 정보 획득부(obstacle information obtainer 220)은 제 1 패턴 광(P1)이 입사된 부분의 상측에 장애물이 위치한다는 것을 인지할 수 있으며, 특히, 획득영상에 나타난 제 2 광 패턴(P2)의 위치로부터, 로봇 청소기(1)로부터 장애물(OB1)까지의 거리를 알 수 있고, 더 나아가, 제 2 패턴 조사부(130)의 수직 조사각이 일정하기 때문에, 장애물(OB1)까지의 거리를 바탕으로 제 2 패턴 광(P2)이 입사된 부분이 청소구역의 바닥으로부터 어느 높이에 위치하는지도 알 수 있다. 따라서, 이러한 정보들을 바탕으로, 장애물 정보 획득부(220)은, 공간(A)의 높이를 판단할 수 있고, 바람직하게는, 공간(A)의 높이가 본체(10)의 높이보다 낮다고 판단된 경우, 주행제어부(230)은 본체(10)가 장애물(OB1)을 회피하여 주행하도록 주행 구동부(300)를 제어할 수 있다. 반대로, 공간(A)의 높이가 본체(10)의 높이보다 높다고 판단된 경우, 주행제어부(230)은 본체(10)가 공간(A) 내로 진입 또는 공간(A)을 통과하도록 주행 구동부(300)를 제어하는 것도 가능하다.
한편, 도 9의 (b)와 같이, 제 1 패턴 광(P1)의 수직선(Pv)은 벽에까지 이르고, 수평선(Pv)은 바닥으로 입사되고, 제 2 패턴 광(P2)이 부분적으로 장애물(OB1)에 입사되어, 제 2 패턴 광(P2)의 일부분은 장애물(OB1)에 입사되고, 다른 일부분은 벽에 입사된 경우, 만약 제 2 패턴 조사부(130)가 없다면, 획득영상에 나타난 제 1 광 패턴(P!)만을 바탕으로 장애물 정보가 구해지기 때문에, 이 경우, 로봇 청소기의 전방에 벽이 존재한다는 사실 밖에 파악될 수 없으나, 실시예와 같이, 제 2 패턴 조사부(130)가 구비되는 경우에는 로봇 청소기(1)와 벽 사이에 장애물(OB1)이 존재한다는 것을 더 파악할 수 있으며, 특히, 수평선(Ph)을 포함하여 구성되는 제 2 패턴 광(P2)은 수평방향으로 더 넓은 영역에서 장애물(OB1)의 탐지가 가능하므로, 제 1 패턴 광(P1)의 수직선(Pv)이 미치지 못하는 영역에 위치하는 장애물(OB1)까지 탐지가 가능하다.
도 10은 장애물에 제 1 패턴 광과 제 2 패턴 광이 입사된 경우에 있어서의 획득영상을 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 청소기(1)는 제 1 패턴 광(P1)을 통해 파악할 수 있는 장애물 정보에 더하여, 제 2 패턴 광(P2)을 통해 장애물의 입체적인 형상을 구체적으로 파악할 수 있다. 예를 들어, 장애물(OB2)의 실제 높이는 로봇 청소기(1)가 주행을 통해 극복할 수 없는 높이이나, 로봇 청소기(1)의 현위치에서는 제 1 광 패턴(P1)이 장애물의 하부 영역에 입사되기 때문에, 만약 제 2 패턴 조사부(130)가 없는 경우라면, 주행제어부(230)은 본체(10)가 장애물(OB2)을 타고 넘어갈 수 있다고 판단하여, 일단 본체(10)가 장애물(OB2)을 향해 주행하도록 제어한 후, 본체(10)가 점점 장애물(OB2) 쪽으로 접근됨에 따라 획득영상 상에서 제 2 광 패턴(P2)의 위치가 점점 상승되어, 장애물(OB2)의 높이가 본체(10)가 극복 가능한 높이 이상인 것으로 판단되면, 그제서야 회피 주행을 실시하도록 주행 구동부(300)를 제어할 것이다.
이에 반해, 실시예와 같이, 제 2 패턴 조사부(130)가 구비되는 경우는, 현 위치에서 제 2 패턴 광(P2)이 장애물(OB2)에 입사되기 때문에, 미리 장애물(OB2)의 높이를 파악할 수 있고, 그 만큼 더 미리 주행 경로를 최적화할 수 있다.
한편, 장애물 정보 획득부(220)은 획득영상에 나타난 수직선(Pv)의 길이를 바탕으로 로봇 청소기(1)의 전방에 위치하는 낭떠러지를 인식할 수 있다. 로봇 청소기(1)의 전방에 낭떠러지(예를 들어, 계단)이 위치하는 경우, 수직선(Pv)의 전단부가 낭떠러지 아래에까지 이를 수 있고, 이렇게 낭떠러지 아래로 조사된 부분은 획득영상에서는 나타나지 않기 때문에, 획득영상에 나타난 수직선(Pv)의 길이가 짧아진다. 따라서, 장애물 정보 획득부(220)은 이렇게 수직선(Pv)의 길이가 짧아진 경우 로봇 청소기(1)의 전방에 낭떠러지가 위치한다는 것을 인식할 수 있으며, 이렇게 파악된 낭떠러지 정보를 바탕으로, 주행제어부(230)은 로봇 청소기(1)가 낭떠러지에 빠지지 않는 경로를 따라 주행될 수 있도록 주행 구동부(300)를 제어할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 청소기의 사시도이다. 도 12는 도 11에 도시된 장애물 감지유닛의 전면도(a)와 측면도(b)이다. 도 13은 도 12의 장애물 감지유닛의 조사 범위와 장애물 탐지 범위를 도시한 도이다. 도 14는 도 12의 장애물 감지유닛의 제 1 패턴 조사부에 의해 조사되는 패턴의 광을 도시한 도이다. 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 로봇 청소기에 있어서, 장애물에 조사되는 패턴의 형태를 도시한 예시도이다.
도 11 내지 도 12를 참조하면, 장애물 감지유닛(100’)은 제 1 패턴 조사부(120), 제 2 패턴 조사부(130) 및 영상 획득부(140)를 포함한다. 영상 획득부(140)는 본체(10) 전방의 소정 영역의 영상을 획득한다. 제 1 패턴 조사부(120)는 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사한다. 제 2 패턴 조사부(130)는 제 1 패턴 조사부(120)의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사한다.
제 1 패턴 조사부(120)는 제 1 패턴의 광(P1, 이하, 제 1 패턴 광이라고 함.)을 본체(10)의 전방 하측을 향해 조사할 수 있다. 따라서, 제 1 패턴 광(P1)은 청소구역의 바닥에 입사될 수 있다. 제 1 패턴 광(P1)은 수평선의 형태로 구성될 수 있다. 또한, 제 1 패턴 광(P1)은 수평선과 수직선이 교차하는 십자 패턴의 형태로 구성되는 것 또한 가능하다(도 1 참조.).
제 1 패턴 조사부(120), 제 2 패턴 조사부(130) 및 영상 획득부(140)는 수직으로, 일렬 배치될 수 있다. 영상 획득부(140)는, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)의 하부에 배치되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 패턴 조사부와 제 2 패턴 조사부의 상부에 배치될 수도 있다.
실시예에서, 제 1 패턴 조사부(120)는 상측에 위치하여 전방을 향해 하방으로 제 1 패턴 광(P1)을 조사하여, 제 1 패턴 조사부(120)보다 하측에 위치하는 장애물을 감지하고, 제 2 패턴 조사부(130)는 제 1 패턴 조사부(120)의 하측에 위치하여 전방을 향해 상방으로 제 2 패턴의 광(P2, 이하, 제 2 패턴 광이라고 함.)을 조사할 수 있다. 따라서, 제 2 패턴 광(P2)은 벽면이나, 청소구역의 바닥으로부터 적어도 제 2 패턴 조사부(130)보다 높이 위치하는 장애물 또는 장애물의 일정 부분에 입사될 수 있다.
제 2 패턴 광(P2)은 제 1 패턴 광(P1)과 다른 패턴으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 수평선을 포함하여 구성된다. 여기서, 수평선은 반드시 연속한 선분이어야 하는 것은 아니고, 점선으로 이루어질 수도 있다.
전술한 실시예와 마찬가지로, 제 1 패턴 조사부(120)의 수평 조사각(θh, 도 2 참조.)은 바람직하게는, 130˚ 내지 140˚ 범위에서 정해지나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다. 또한, 제 2 패턴 조사부(130) 역시 제 1 패턴 조사부(120)와 마찬가지로 수평 조사각이, 바람직하게는, 130˚ 내지 140˚ 범위에서 정해질 수 있으며, 실시예에 따라서는 제 1 패턴 조사부(120)와 동일한 수평 조사각으로 패턴 광(P2)을 조사할 수 있다.
영상 획득부(140)는 본체(10) 전방의 영상을 획득할 수 있다. 특히, 영상 획득부(140)에 의해 획득된
도 13을 참조하면, 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)는 대칭으로 배치될 수 있다. 제 1 패턴 조사부(120)와 제 2 패턴 조사부(130)는 거리 h3 만큼 떨어져 상하로 배치되어 제 1 패턴 조사부는 하부로 제 1 패턴 광을 조사하고, 제 2 패턴 조사부는 상부로 제 2 패턴 광을 조사하여 상호 패턴 광이 교차된다.
영상 획득부(140)는 제 2 패턴 조사부로부터 거리 h2만큼 떨어진 하부에 위치하여, 상하방향에 대하여 화각 θs로 로 본체(10)의 전방의 영상을 촬영한다. 영상 획득부(140)는 바닥면으로부터 거리 h1의 위치에 설치된다. 영상 획득부(140)는 로봇 청소기(1)의 본체(10)의 전면부 하단을 구성하는 범퍼(미도시), 또는 주행 또는 청소를 위한 구조물의 형태를 고려하여, 전방을 촬영하는데 방해되지 않는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
제 1 패턴 조사부(120) 또는 제 2 패턴 조사부(130)는 각각의 패턴 조사부(120, 130)를 구성하는 렌즈들의 주축(Optical axis)이 향하는 방향이 일정 조사각을 형성하도록 설치된다.
제 1 패턴 조사부(120)는 제 1 수직 조사각(θr1)으로 제 1 패턴 광(P1)을 하부에 조사하고, 제 2 패턴 조사부(130)는 제 2 수직 조사각(θr2)으로 제 2 패턴 광(P2)을 상부에 조사한다. 이때, 제 1 수직 조사각과 제 2 수직 조사각은 상이한 것을 기본으로 하나 경우에 따라 동일하게 설정될 수 있다. 제 1 수직 조사각과 제 2 수직 조사각은, 바람직하게는 50˚ 내지 75˚ 범위에서 정해지나 반드시 이에 한정되어야 하는 것을 아니다. 예를 들어 제 1 수직 조사각은 60 내지 70도 제 2 수직 조사각은 50 내지 55도로 설정될 수 있다. 로봇 청소기(1)의 하부 범퍼의 구조 또는 하부 물체감지 거리, 그리고 감지하고자 하는 상부의 높이에 따라 변경될 수 있다.
제 1 패턴 조사부(120) 및/또는 제 2 패턴 조사부(130)로부터 조사된 패턴 광이 장애물에 입사되었을 시, 장애물이 제 1 패턴 조사부(120)로부터 떨어진 위치에 따라, 획득영상에서 광 패턴(P1, P2)의 위치가 달라진다. 예를 들어, 제 1 패턴 광(P1)과 제 2 패턴 광(P2)이 소정의 장애물에 입사되었을 시, 장애물이 로봇 청소기(1)로부터 가깝게 위치한 것일수록, 획득영상에서 제 1 광 패턴(P1)이 높은 위치에 표시되며, 반대로, 제 2 광 패턴(P2)은 낮은 위치에 표시된다. 즉, 영상 획득부(140)에 의해 생성되는 영상을 구성하는 행(횡방향으로 배열된 픽셀들로 이루어진 선)에 대응하는 장애물까지의 거리 데이터를 미리 저장하였다가, 영상 획득부(140)를 통해 획득된 영상에서 검출된 광 패턴(P1, P2)이 소정의 행에서 검출되면, 그 행에 대응하는 장애물까지의 거리 데이터로부터 장애물의 위치가 추정될 수 있다.
영상 획득부(140)는 렌즈의 주축이 수평한 방향을 향하도록 정렬되고, 도 13에 표시된 θs는 영상 획득부(140)의 화각을 표시한 것으로, 100˚ 이상의 값으로 설정되고, 바람직하게는 100˚ 내지 110˚이나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것을 아니다.
또한, 청소구역의 바닥으로부터 영상 획득부(140)까지의 거리는 대략 60mm 내지 70mm 사이에서 정해질 수 있고, 이 경우, 영상 획득부(140)가 획득한 영상에서 청소구역의 바닥은 영상 획득부로부터 D1 이후부터 나타나며, D2는 획득영상에 나타난 바닥 중에서 제 1 광 패턴(P1)이 표시되는 위치이다. 이때, D2에 장애물이 위치하는 경우, 영상 획득부(140)에 의해 장애물에 제 1 패턴 광(P1)이 입사된 영상이 획득될 수 있다. 장애물이 D2보다 로봇 청소기(1)에 근접한 경우 입사된 제 1 패턴 광(P1)에 대응하여 제 1 광 패턴은 기준위치(ref1)보다 상측에 표시된다.
도 7을 참조하면, 기준위치(ref1)는 로봇 청소기의 전방에 장애물이 존재하지 않고, 로봇 청소기가 놓인 바닥면이 평평한 상태, 즉 정상상태인지를 판단하기 위한 기준이다. 기준위치(ref1)는, 본체(10)가 평평한 바닥에 위치하였을 때 제 1 광 패턴(P1)이 표시되는 위치이다. D2에 제 1 광패턴(P1)이 조사되었을 때, 영상획득부(140)가 제 1 광패턴(P1)을 촬영할 수 있는 위치에 있다고 할 수 있다.
여기서, 본체(10)로부터 D1까지의 거리는 바람직하게는 100mm 내지 150mm로 이고, D2까지의 거리는 바람직하게는 180mm 내지 280mm 이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, D3는 본체의 전면부 중 가장 돌출된 부분부터 제 2 패턴 광이 입사되는 위치까지의 거리를 나타낸 것으로, 본체는 이동중에 장애물을 감지하므로, 장애물에 충돌하지 않고 전방(상부)의 장애물을 감지할 수 있는 최소한의 거리이다. D3는 대략 23mm 내지 30mm 로 설정될 수 있다.
한편, 장애물 정보획득부(220)는 본체(10)가 주행하는 중, 획득영상에 나타난 제 1 광 패턴(P1)이 정상상태에서 사라지는 경우 또는 제 1 광 패턴의 일부만 표시되는 경우, 로봇 청소기(1)의 주변에 낭떠러지가 존재하는 것으로 판단한다.
장애물 정보획득부(220)는 획득영상에 제 1 광 패턴이 표시되지 않는 경우, 로봇 청소기(1)의 전방에 위치하는 낭떠러지를 인식할 수 있다. 로봇 청소기(1)의 전방에 낭떠러지(예를 들어, 계단)가 존재하는 경우, 제 1 패턴 광이 바닥에 입사되지 않으므로, 획득영상에서 제 1 광 패턴(P1)이 사라지게 된다.
장애물 정보획득부(220)는 D2의 길이를 바탕으로, 본체(10)로부터 D2 만큼 떨어진 전방에 낭떠러지가 있는 것으로 판단할 수 있다. 이때, 제 1 패턴 광(P1)이 십자 형상인 경우에는 수평선은 사라지고 수직선만 표시됨에 따라 낭떠러지를 판단할 수 있다.
또한, 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴의 일부가 표시되지 않는 경우, 로봇 청소기(1)의 좌측 또는 우측에 낭떠러지가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 제 1 광 패턴의 우측 일부가 표시되지 않는 경우, 낭떠러지가 우측에 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 장애물 정보획득부(220)는 파악된 낭떠러지 정보를 바탕으로, 주행제어부(230)는 로봇 청소기(1)가 낭떠러지에 빠지지 않는 경로를 따라 주행 될 수 있도록 주행 구동부(300)를 제어할 수 있다.
또한, 주행제어부(230)는 전방에 낭떠러지가 존재하는 경우, 일정거리, 예를 들어 D2 또는 그 이하로 전진하여, 본체의 하부에 설치된 낭떠러지센서를 이용하여, 낭떠러지인지 여부를 다시 한번 확인할 수 있다. 로봇 청소기(1)는 획득영상을 통해 낭떠러지를 1차 확인하고, 일정거리 주행하여 낭떠러지 센서를 통해 2차 확인할 수 있다.
패턴검출부(210)는 영상 획득부(140)로부터 입력되는 획득영상으로부터 제 1 광 패턴 또는 제 2 광 패턴을 검출하여 장애물 정보획득부(220)로 인가한다.
장애물 정보획득부(220)는 획득영상으로부터 검출된 제 1 광 패턴 또는 제 2 광 패턴을 분석하여 제 1 광 패턴의 위치를 정해진 기준위치(ref1)와 비교하여 장애물을 판단한다.
도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 광 패턴(P1)의 수평선이 기준위치(ref1)에 위치하는 경우, 정상상태로 판단한다. 이때 정상상태란, 바닥이 높낮이가 없고 고른, 평편한 상태이고, 전방에 장애물이 존재하지 않아 계속 주행 가능한 상태이다.
제 2 광 패턴(P2)은, 전방의 상부에 장애물이 존재하는 경우 장애물에 입사되어 획득영상에 나타나므로, 정상상태에서는 제 2 광 패턴(P2)은 나타나지 않는 것이 일반적이다.
도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 1 광 패턴(P1)의 수평선이 기준위치(ref1)보다 상부에 위치하는 경우, 장애물 정보획득부(220)는 전방에 장애물이 존재하는 것으로 판단한다.
주행제어부(230)는 도시된 바와 같이 장애물 정보획득부(220)를 통해 장애물이 감지되면, 장애물을 회피하여 주행하도록 주행 구동부(300)를 제어한다. 한편, 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴(P1) 및 제 2 광 패턴의 위치와 제 2 광 패턴의 표시 여부에 대응하여 감지된 장애물의 위치와 크기를 판단할 수 있다. 또한, 장애물 정보획득부(220)는 주행중에 획득영상에 표시되는 제 1 광 패턴과 제 2 광 패턴의 변화에 대응하여 장애물의 위치와 크기를 판단할 수 있다.
주행제어부(230)는 장애물 정보획득부(220)로부터 입력되는 장애물의 정보를 바탕으로, 장애물에 대하여 계속 주행할 수 있는지 또는 회피하여 주행할지 여부를 판단하여 주행 구동부(300)를 제어한다. 예를 들어 주행제어부(230)는 장애물의 높이가 일정 높이 이하로 낮은 경우, 또는 장애물과 바닥 사이에 공간에 진입 가능한 경우에는 주행이 가능하다고 판단한다.
도 14의 (c)에 도시된 바와 같이, 제 1 광 패턴(P1)이 기준위치(ref1)보다 낮은 위치에 표시될 수 있다. 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴(P1)이 기준위치보다 낮은 위치에 나타나는 경우, 내리막 경사로가 존재하는 것으로 판단한다. 낭떠러지의 경우 제 1 광 패턴(P1)이 사라지므로 낭떠러지와는 구분될 수 있다.
도 14의 (d)에 도시된 바와 같이, 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴이 표시되지 않는 경우 주행방향에 낭떠러지가 존재하는 것으로 판단한다.
또한, 도 14의 (e)와 같이, 제 1 광 패턴의 일부가 표시되지 않는 경우, 장애물 정보획득부(220)는 좌측 또는 우측에 낭떠러지가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우 장애물 정보획득부(220)는 본체(10)의 좌측에 낭떠러지가 존재하는 것으로 판단한다.
한편, 제 1 광 패턴(P1)이 십자형상인 경우에는 수평선의 위치와, 수직선의 길이를 모두 고려하여 장애물을 판단할 수 있다.
도 15를 참조하면, 장애물 감지유닛(100’)으로부터 조사되는 패턴 광이 장애물에 입사되어, 촬영된 획득영상에 광 패턴이 나타남에 따라 장애물 정보획득부(220)는 장애물의 위치, 크기, 형태를 판단할 수 있다.
도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 주행 중 전방에 벽면이 존재하는 경우, 제 1 패턴 광은 바닥에 입사되고 제 2 패턴 광은 벽면에 입사된다. 그에 따라 획득영상에는 제 1 광 패턴(P1)과 제 2 광 패턴(P2)이 두 개의 수평선으로 표시된다. 이때 벽면과의 거리가 D2보다 먼 경우 제 1 광 패턴(P1)은 기준위치(ref1)에 표시되나 제 2 광 패턴이 표시됨에 따라 장애물 정보획득부(220)는 장애물이 존재하는 것을 판단할 수 있다.
한편, 본체(10)와 벽면과의 거리가 D2 미만으로 근접하는 경우, 제 1 패턴 광이 바닥이 아닌 벽면에 입사되므로, 획득영상에는 제 1 광 패턴이 기준위치(ref1)보다 상측에 표시되고, 그 상측에 제 2 광 패턴이 표시된다. 제 2 광 패턴은 장애물에 근접할수록 그 위치가 하측에 표시되므로, 벽면과 본체(10)의 거리가 D2보다 먼 경우보다는 하측에 표시된다. 단, 제 2 패턴 광은 기준위치 및 제 1 광 패턴보다는 상측에 표시된다.
그에 따라 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴과 제 2 광 패턴을 통해 장애물인 벽면까지의 거리를 산출할 수 있다.
도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 침대, 서랍장 등의 장애물이 전방에 존재하는 경우, 제 1 패턴 광(P1)과 제 2 패턴 광(P2)이 두개의 수평선으로 바닥과 장애물에 각각 입사된다.
장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴과 제 2 광 패턴을 바탕으로 장애물을 판단한다. 제 2 광 패턴의 위치 및 장애물에 접근하는 중 나타나는 제 2 광 패턴의 변화를 바탕으로 장애물의 높이를 판단할 수 있다. 그에 따라 주행제어부(230)는 장애물의 하부 공간에 진입 가능한지 여부를 판단하여 주행 구동부(300)를 제어한다.
예를 들어 청소구역 내에 침대와 같이 바닥과의 사이에 소정의 공간이 형성되는 장애물이 위치하는 경우, 공간을 인지할 수 있으며, 바람직하게는 공간의 높이를 파악하여 장애물을 통과할 것인지, 회피할 것인지를 판단할 수 있다. 공간의 높이가 본체(10)의 높이보다 낮다고 판단된 경우, 주행제어부(230)는 본체(10)가 장애물을 회피하여 주행하도록 주행 구동부(300)를 제어할 수 있다. 반대로, 공간의 높이가 본체(10)의 높이보다 높다고 판단된 경우, 주행제어부(230)는 본체(10)가 공간 내로 진입 또는 공간을 통과하도록 주행 구동부(300)를 제어하는 것도 가능하다.
이때, 전술한 도 15의 (a)에도 제 1 광 패턴과 제 2 광 패턴이 두개의 수평선으로 표시되기는 하나, 장애물 정보획득부(220)는 제 1 광 패턴과 제 2 광 패턴 사이의 거리가 상이하므로 이를 구분할 수 있다. 또한, 도 15의 (a)의 경우, 장애물에 근접할수록 제 1 광 패턴의 위치가 기준위치보다 위에 표시되나, 도 15의 (b)와 같이, 상부에 위치한 장애물의 경우에는 일정거리 근접하더라도 제 1 광 패턴(P1)은 기준위치(ref1)에 표시되고, 제 2 광 패턴(P2)의 위치가 변경되므로, 장애물 정보획득부(220)는 장애물의 종류를 구분할 수 있다.
도 15의 (c)와 같이, 침대 또는 서랍장 모서리의 경우, 제 1 패턴 광(P1)은 바닥에 수평선으로 조사되고, 제 2 패턴 광(P2)은 장애물의 모서리에 조사됨에 따라 그 일부는 수평선으로 나타나고 나머지 일부는 사선으로 장애물에 입사되어 나타난다. 제 2 광 패턴은 본체(10)로부터 멀수록 상승하므로, 장애물의 측면의 경우, 전면에 조사되는 수평선보다 상측으로 꺾어지는 사선이 된다.
도 15의 (d)에 도시된 바와 같이, 본체(10)가 벽면 모서리에 일정거리 이상 근접한 경우, 제 1 패턴 광(P1)은 일부가 기준위치보다 상측에 수평선으로 표시되고, 모서리의 측면에 일부가 조사되어 하부로 꺾어지는 사선으로 표시되며, 바닥면에 대해서는 기준위치에서 수평선으로 표시된다.
한편, 제 2 패턴 광은 전술한 도 15의 (c)와 같이 일부는 수평선으로 표시되고, 모서리의 측면에 조사되는 일부는 상부로 꺾어지는 사선으로 입사되어 나타난다.
또한, 도 15의 (e)와 같이, 벽면으로부터 돌출된 장애물에 대하여, 제 1 광 패턴은 기준위치(ref1)에 수평선으로 표시되고, 제 2 광 패턴(P2)은 돌출면에 일부가 수평선으로 표시되고, 일부는 돌출면의 측면에 조사되어 상부로 꺾어지는 사선으로 표시되며, 나머지 일부는 벽면에 조사되어 수평선으로 나타난다.
그에 따라 장애물 정보획득부(220)는 제 1 패턴 광과 제 2 패턴 광의 위치 및 형태를 바탕으로 장애물의 위치, 형태, 크기(높이)를 판단한다.

Claims (20)

  1. 청소구역을 주행하며, 청소구역 내 바닥의 이물질을 흡입하는 본체;
    상기 본체에 배치되고, 상기 본체 전방의 소정 영역의 영상을 획득하는 영상 획득부;
    상기 본체에 배치되고, 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사하는 제 1 패턴 조사부; 및
    상기 본체에 배치되되, 상기 제 1 패턴 조사부의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사하는 제 2 패턴 조사부를 포함하는 로봇 청소기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체의 측면에서 바라볼 시, 상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로는 교차되는 로봇 청소기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로가 교차되는 지점(d1)은,
    상기 영상 획득부에 의해 영상이 획득되기 시작하는 상기 바닥 상의 지점(d2)보다 상기 본체로부터 더 근접한 지점에 위치하는 로봇 청소기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    렌즈의 주축이 수평으로 정렬되고, 100˚ 내지 110˚의 화각을 갖는 로봇 청소기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 바닥에 대한 영상을 상기 본체로부터 거리가 110mm 내지 120mm 이상인 위치부터 획득하는 로봇 청소기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 각각 수평선을 포함하는 로봇 청소기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴의 광과 상기 제 2 패턴의 광은 서로 다른 패턴으로 구성되는 로봇 청소기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 획득부,
    상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부는 상기 본체의 전면에 상하 방향으로 일렬로 배치되는 로봇 청소기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부 보다 하측에 배치되는 로봇 청소기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 조사부는 제 1 수직 조사각으로 상기 제 1 패턴의 광을 조사하고,
    상기 제 2 패턴 조사부는 제 2 수직 조사각으로 상기 제 2 패턴의 광을 조사하는 로봇 청소기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부 사이에 배치되는 로봇 청소기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수직 조사각은 20˚ 내지 30˚인 로봇 청소기.
  13. 외관을 형성하는 케이싱;
    상기 케이싱에 회전 가능하게 구비되는 좌륜 및 우륜;
    상기 케이싱에 배치되어 청소구역 내 바닥의 이물질을 흡입하는 흡입 모듈; 및
    상기 케이싱의 전면에 배치되는 장애물 감지유닛을 포함하고,
    상기 장애물 감지유닛은,
    상기 케이싱의 전면에 결합되는 모듈 프레임;
    상기 모듈 프레임에 배치되고, 상기 케이싱 전방의 소정 영역의 영상을 획득하는 영상 획득부;
    상기 모듈 프레임에 배치되고, 상기 영역 내로 제 1 패턴의 광을 하향으로 조사하는 제 1 패턴 조사부; 및
    상기 모듈 프레임에 배치되되, 상기 제 1 패턴 조사부의 하측에 배치되고, 상기 영역 내로 제 2 패턴의 광을 상향으로 조사하는 제 2 패턴 조사부를 포함하는 로봇 청소기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 케이싱의 측면에서 바라볼 시, 상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로는 교차되는 로봇 청소기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴의 광이 조사되는 경로와 상기 제 2 패턴의 광이 조사되는 경로가 교차되는 지점은,
    상기 영상 획득부에 의해 영상이 획득되기 시작하는 상기 바닥 상의 지점보다 상기 케이싱으로부터 더 근접한 지점에 위치하는 로봇 청소기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 각각 수평선을 포함하는 로봇 청소기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 영상 획득부, 상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부는 상하 방향으로 일렬로 배치되는 로봇 청소기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 제 1 패턴 조사부 및 상기 제 2 패턴 조사부 보다 하측에 위치하는 로봇 청소기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 영상 획득부는,
    상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부 사이에 배치되는 로봇 청소기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 조사부와 상기 제 2 패턴 조사부는 상기 영상 획득부에 대해 대칭으로 배치되는 로봇 청소기.
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