WO2023063543A1 - 이동 로봇 - Google Patents

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WO2023063543A1
WO2023063543A1 PCT/KR2022/011032 KR2022011032W WO2023063543A1 WO 2023063543 A1 WO2023063543 A1 WO 2023063543A1 KR 2022011032 W KR2022011032 W KR 2022011032W WO 2023063543 A1 WO2023063543 A1 WO 2023063543A1
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WO
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antenna
mobile robot
antennas
main body
disposed
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/011032
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English (en)
French (fr)
Inventor
김태규
유연식
이경훈
양광모
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to CN202280041998.2A priority patent/CN117500645A/zh
Priority to US17/885,248 priority patent/US20230112269A1/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H01Q5/25—Ultra-wideband [UWB] systems, e.g. multiple resonance systems; Pulse systems

Definitions

  • the present invention relates to a mobile robot capable of communicating with an external device.
  • a mobile robot is a device that requires transmission of images and sensor data, interlocking and controlling with other devices, and connection to a communication network for interworking with other devices.
  • network connection requires interlocking by wireless communication rather than wired communication. Accordingly, it is essential to apply an antenna for wireless transmission and reception of signals in a “mobile” robot.
  • a directional antenna is used or the antenna is arranged to face a driving direction, and distortion may occur depending on the strength or phase difference of radio waves in reception of reflected waves.
  • a radio frequency (RF) signal can be received in all directions, and a mobile robot capable of minimizing radio distortion and interference in all directions is provided.
  • RF radio frequency
  • a mobile robot includes a main body; a driving unit for moving the main body; a communication unit including an antenna module disposed at the top of the inside of the main body and performing wireless communication with an external device; and at least one processor controlling the driving unit to move the main body based on a signal received from the external device through the communication unit, wherein the antenna module includes: a substrate; a first antenna disposed on an upper surface of the substrate; and a plurality of second antennas disposed on the upper surface of the substrate and spaced apart from the first antenna at the same distance.
  • the mobile robot may include an outer case forming an exterior of the main body; and an inner case provided inside the outer case, wherein the antenna module may be provided between the inner case and the outer case.
  • the substrate may be provided in a plane perpendicular to a vertical axis of the main body.
  • the first antenna and the plurality of second antennas are provided between the outer case and the substrate, and may be separated from the outside of the main body only with the outer case based on a plane perpendicular to a vertical axis of the main body.
  • the communication unit may include an ultra wide band (UWB) communication module located inside the inner case and disposed below the antenna module; and a connector disposed between the antenna module and the UWB communication module and electrically connecting the antenna module and the UWB communication module.
  • UWB ultra wide band
  • the mobile robot may further include an RF absorber disposed between the antenna module and the UWB communication module and absorbing a radio frequency (RF) signal.
  • RF radio frequency
  • the RF absorber may be provided inside the inner case.
  • the RF absorber may be provided with a larger area than the substrate of the antenna module.
  • the mobile robot is located under the UWB communication module to separate the internal space of the body formed by the inner case so that the communication unit is spatially separated from the at least one processor, and RF (radio frequency) signals pass through.
  • a metal plate blocking the; may further include.
  • the driving unit and the at least one processor may be provided under the metal plate.
  • a distance between the first antenna and the second antenna may be less than half of a wavelength corresponding to the highest frequency of UWB communication.
  • the first antenna and the plurality of second antennas may be isotropic antennas.
  • the array of the first antenna and the plurality of second antennas may be disposed at the center of a cross section of the mobile robot.
  • the plurality of second antennas may be arranged such that a central axis forms a predetermined angle with the central axis of the first antenna.
  • the first antenna and the plurality of second antennas may be attached horizontally or vertically to the substrate.
  • radio frequency (RF) signals can be received in all directions, and radio distortion and interference in all directions can be minimized.
  • 1 is an external view of a mobile robot according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a mobile robot according to an embodiment.
  • FIG 3 is a schematic side view of a mobile robot for explaining a position of an antenna module according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a side view of a mobile robot according to an embodiment.
  • FIG. 5 illustrates a radio frequency (RF) radiation pattern of an antenna module of a mobile robot according to an embodiment.
  • RF radio frequency
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a case in which a mobile robot according to an embodiment further includes an RF absorber.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a phase change in an antenna according to whether an RF absorber is applied or not according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a phase difference between antennas according to whether an RF absorber is applied or not according to an embodiment.
  • FIG 9 illustrates a case in which an antenna is vertically disposed on a substrate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 10 illustrates a case in which an antenna according to an exemplary embodiment is horizontally disposed on a substrate.
  • FIG. 11 shows an optimal arrangement when an antenna according to an embodiment is disposed perpendicularly to a substrate.
  • FIG. 12 illustrates a radiation pattern of an RF signal according to an antenna arrangement when an antenna is vertically disposed on a substrate according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 13 shows an optimal arrangement when an antenna is horizontally disposed on a substrate according to an embodiment.
  • FIG. 14 illustrates a radiation pattern of an RF signal according to an antenna arrangement when an antenna is horizontally disposed on a substrate according to an exemplary embodiment.
  • 15 is a diagram for explaining a case in which a mobile robot determines a distance and an angle to an external device according to an embodiment.
  • first and second used herein may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms It is used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • ⁇ unit may mean a unit that processes at least one function or operation.
  • the terms may mean at least one hardware such as a field-programmable gate array (FPGA) / application specific integrated circuit (ASIC), at least one software stored in a memory, or at least one process processed by a processor. there is.
  • FPGA field-programmable gate array
  • ASIC application specific integrated circuit
  • 1 is an external view of a mobile robot according to an embodiment.
  • a mobile robot 1 is a device that recognizes a surrounding environment, is capable of autonomous driving and information collection, and performs various functions such as delivering information to a user.
  • the mobile robot 1 can recognize the surrounding environment based on voice, sound and image recognition.
  • the “moving” robot 1 may communicate with an external device through wireless communication, identify the location of the external device, or control the external device.
  • the mobile robot 1 can physically move by including a driving unit, and through this, various functions of the mobile robot 1 can be executed throughout the user's environment including indoors and outdoors.
  • the mobile robot 1 may identify the location of the external device and move toward the external device. If the external device corresponds to a wearable device that can be worn by a pet, the mobile robot 1 identifies the location of the pet by identifying the location of the wearable device, and moves toward the pet to care for the pet or pet We can collect information about and provide it to users.
  • the mobile robot 1 can interact with home appliances such as TVs, vacuum cleaners, and washing machines placed in the home to execute functions and collect information, and deliver the collected information to family members including pets. Accordingly, it is possible to connect home appliances with all members of the household.
  • home appliances such as TVs, vacuum cleaners, and washing machines placed in the home to execute functions and collect information, and deliver the collected information to family members including pets. Accordingly, it is possible to connect home appliances with all members of the household.
  • the "mobile” robot 1 can connect the user with family members who need help, including pets, by continuously checking and checking the environment in the home even when the user is absent.
  • the mobile robot 1 can check and operate other home appliances in the home through physical movement. Through this, you can promote safety and enhance security in your home.
  • the "mobile” robot 1 may be implemented in a form that performs tasks within a home, but is not limited thereto, and may be implemented as a "robot” device according to various embodiments.
  • the "moving" robot 1 may include an outer case 30 forming an exterior of the main body 10 . That is, the exterior of the main body 10 of the mobile robot 1 may be formed by the outer case 30 .
  • the outer case 30 includes a first side case 31 and a second side case 32 forming side surfaces of the main body 10, and the main body 10.
  • An upper case 33 covering the upper portion and a lower case 34 covering the lower portion of the main body 10 may be included.
  • the first side case 31, the second side case 32, the upper case 3 and the lower case 34 may have the same curvature, and accordingly, the main body of the “moving” robot 1 (10) may be provided in a spherical shape.
  • the appearance of the mobile robot 1 is not limited to the above example, and may be provided in various shapes.
  • the outer case 30 forming the exterior of the main body 10 is not limited to the above example, and unlike the above example, it is also possible to be integrally provided.
  • the mobile robot 1 may include wheels 21 for moving the main body 10 .
  • the mobile robot 1 can move by controlling the rotational speed and rotational direction of each pair of wheels 21 .
  • the main body 10 of the mobile robot 1 includes a camera for photographing the front, a sensor for identifying nearby objects (eg, an infrared sensor, lidar sensor, or radar sensor, etc.) or a microphone for identifying surrounding voices. may contain at least one.
  • a sensor for identifying nearby objects eg, an infrared sensor, lidar sensor, or radar sensor, etc.
  • a microphone for identifying surrounding voices may contain at least one.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the mobile robot 1 according to an embodiment
  • Figure 3 is a schematic side view of the mobile robot 1 for explaining the position of the antenna module according to an embodiment
  • Figure 4 is an embodiment A side view of the mobile robot 1 according to
  • FIG. 5 illustrates an RF radiation pattern of an antenna module of the mobile robot 1 according to an embodiment.
  • the mobile robot 1 may include an inner case 40 forming an inner space of the main body 10 .
  • the outer case 30 may form the exterior of the main body 10 by surrounding the inner case 40, and the driving part for moving the main body 10 in the inner space formed by the inner case 40 ( 20) and a main board 70 on which at least one processor 75 for controlling the mobile robot 1 is provided.
  • the driving unit 20 (travel assembly 20) according to an embodiment includes a motor 23, a gear 25, a battery 27, an actuator (not shown), a bearing (not shown), and a wheel. (21) and the like.
  • the driving unit 20 may control the motor 23 to transmit rotational force to the wheels 21 based on the control of at least one processor 75, and thus the mobile robot 1 may move.
  • At least one processor 75 may control the overall operation of the “moving” robot 1 .
  • the at least one processor 75 may include one or more of a central processing unit (CPU), an application processor (AP), or a communication processor (CP).
  • at least one processor 75 may be a microcontroller (Micro Control Unit, MCU).
  • At least one processor 75 may control hardware or software components connected to the processor by driving an operating system or an application program, and may perform various data processing and calculations. Also, the at least one processor 75 may load and process commands or data received from at least one of the other components into a volatile memory, and store various data in a non-volatile memory.
  • the mobile robot 1 may include a communication unit 50 that performs wireless communication with an external device.
  • the communication unit 50 may include an antenna module 51 (antenna assembly 51) capable of transmitting and receiving RF signals, and an ultra wide band (UWB) communication module 53 generating and processing RF signals.
  • antenna module 51 antenna assembly 51
  • UWB ultra wide band
  • the communication unit 50 may perform UWB communication with an external device, and the at least one processor 75, based on the signal received from the external device through the communication unit 50, the main body 10 moves to the outside.
  • the driving unit 20 can be controlled to move toward the device. An explanation of this will be described in detail later.
  • the antenna module 51 may be disposed at the top of the inside of the main body 10 . That is, the antenna module 51 may be located at the highest position among parts included in the body 10 . In other words, it may be located at the highest position from the driving surface (bottom surface) of the mobile robot 1 in the direction of the vertical axis (z-axis) of the mobile robot 1. Accordingly, at least one processor 75 , the UWB communication module 53 , and the driving unit 20 may be located under the antenna module 51 .
  • the antenna module 51 may be located on the upper part of the inner case 40 and provided between the inner case 40 and the outer case 30 (upper case 33).
  • the UWB communication module 53 is located inside the inner case 40 and may be disposed under the antenna module 52, and may be connected to the antenna module 52 by the connector 55.
  • the communication unit 50 may include a connector 55 disposed between the antenna module 52 and the UWB communication module 53 to electrically connect the antenna module 52 and the UWB communication module 53 to each other.
  • the connector 55 may correspond to an RF cable capable of transmitting an RF signal and may be disposed under the antenna module 52 .
  • the antenna module 51 is disposed at the top of the inside of the main body 10, so that the main body ( 10) can be separated from the outside.
  • the antenna module 51 transmits RF signals in all directions as well as in the driving direction (front) of the mobile robot 1 without being subjected to radio wave distortion and interference by other parts or structures. can emit As a result, the antenna module 51 can minimize RF signal reception errors in all directions, and the mobile robot 1 can minimize distance and angle measurement errors with the external device regardless of the location of the external device.
  • the antenna module 51 may include a substrate 511 and a plurality of antennas 513 disposed on an upper surface of the substrate 511 .
  • the substrate 511 may be provided as a plane (XY plane) perpendicular to the vertical axis (Z axis) of the main body 10, through which a plurality of antennas 513 are used to drive the mobile robot 1.
  • a radiation pattern with the same gain can be formed in all directions in which the mobile robot 1 can travel by allowing the RF signal to be radiated to a plane parallel to the plane.
  • the plurality of antennas 513 may be provided as isotropic antennas.
  • the mobile robot 1 may have a radiation pattern formed in all directions, that is, 360 degrees, through an arrangement of a plurality of antennas 513 .
  • the arrangement of the plurality of antennas 513 may be arranged at the center of the cross section (XY plane) of the mobile robot 1 according to the embodiment. That is, the arrangement of the plurality of antennas 513 is arranged at the center of the cross section while being located at the top of the inside of the main body 10, so that an isotropic omni-directional radiation pattern can be formed in all directions. .
  • the arrangement of the plurality of antennas 513 will be described in detail later.
  • the mobile robot 1 is located under the UWB communication module 53, and the body formed by the inner case 40 so that the communication unit 50 and at least one processor 75 are spatially separated ( 10) may include a metal plate 60 that separates the inner space and blocks the passage of RF signals.
  • the metal plate 60 is made of a metal material and can function as a shielding film for RF signals, and can separate the internal space of the main body 10 .
  • the communication unit 50 may be provided above the metal plate 60, and the driving unit 20 and at least one processor 75 may be provided below the metal plate 60.
  • the communication unit 50 may be spatially separated from other parts such as at least one processor 75 and the traveling unit 20 by the metal plate 60 . Through this, interference by electromagnetic waves that may be generated in the communication unit 50 by other components can be minimized.
  • the antenna module 51 is placed at the top of the inside of the main body 10 to form a radiation pattern having a constant gain in all directions, and through this, signals in all directions can be received without error.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a case in which the mobile robot 1 according to an embodiment further includes an RF absorber
  • FIG. 7 is a phase at the antenna 513 depending on whether the RF absorber is applied or not according to an embodiment.
  • 8 is a diagram for explaining a phase difference between antennas 513 depending on whether an RF absorber according to an embodiment is applied.
  • the mobile robot 1 may further include an RF absorber 80 between the antenna module 51 and the UWB communication module 53.
  • the RF absorber 80 can absorb the RF signal emitted from the antenna 513 and prevent the RF signal emitted from the antenna 513 from being reflected by the UWB communication module 53 and being radiated to the outside. there is.
  • the RF absorber 80 may be made of a known type of RF absorption material, and as shown in FIG. 6 , may be provided with a larger area than the substrate 511 of the antenna module 51 . Through this, it is possible to effectively prevent the RF signal radiated from the antenna 513 from being reflected by the UWB communication module 53 .
  • the RF absorber 80 may be provided inside the inner case 40, as shown in FIG. 6, and provided on the upper side of the UWB communication module 53 on the inside of the inner case 40, An RF signal radiated from the antenna 513 may be prevented from propagating to the UWB communication module 53 .
  • the RF absorber 80 can minimize the phase change that may occur when the RF signal emitted from the antenna 513 is reflected by the UWB communication module 53, and finally, the angle measurement error with the external device can be reduced. can be minimized.
  • the phase of the received RF signal at the antenna 513 according to the rotation of the mobile robot 1 is, as shown in the left graph of FIG. 7 when the RF absorber 80 is not applied, There is a large phase change according to rotation, and even though the rotational positions of the mobile robot 1 are different, a point where the phases overlap according to the frequency may occur.
  • the RF absorber 80 it is possible to minimize the phase change through reflection in the UWB communication module 53, and as shown in the right graph of FIG. 7, the phase according to the rotation of the mobile robot 1 The change is small, and the point where the phase overlaps may not occur depending on the frequency.
  • phase difference between the antennas 513 may also be linearly determined.
  • the phase difference between the antennas 513 (PDOA) is linear without an overlapping section compared to before the RF absorber 80 is applied. may appear hostile.
  • PDOA_1 may be a phase difference between any one pair of the plurality of antennas 513
  • PDOA_2 may be a phase difference between another pair of antennas among the plurality of antennas 513.
  • the mobile robot 1 that receives the RF signal transmitted from the external device in order to search the location of the external device at a fixed location can rotate and receive the RF signal at various angles, and can rotate between the plurality of antennas 513.
  • the position of the external device can be determined by determining the phase difference of .
  • the phase change of the RF signal through reflection from the UWB communication module 53 is minimized so that the phase difference between the antennas 513 becomes linear according to the rotation of the mobile robot 1. allow it to change to
  • FIG. 9 illustrates a case in which the antenna 513 according to an embodiment is vertically disposed on the substrate 511
  • FIG. 10 illustrates a case in which the antenna 513 according to an exemplary embodiment is disposed horizontally on the substrate 511. shows
  • the antenna module 51 may include a substrate 511 and a plurality of antennas 513 disposed on an upper surface of the substrate 511 .
  • the plurality of antennas 513 may include a first antenna 513a and a plurality of second antennas 513b spaced apart from the first antenna 513a at the same distance.
  • the first antenna 513a may correspond to a combined transmit/receive antenna capable of transmitting and receiving RF signals
  • the second antenna 513b may correspond to only receiving RF signals. It may be a receive-only antenna.
  • the types of the first antenna 513a and the second antenna 513b may be provided in various antenna types according to embodiments.
  • second antennas 513b will be described as an example.
  • the number of second antennas 513b is not limited to the above example, and may be provided in various numbers according to embodiments.
  • the plurality of antennas 513 may be vertically attached to the substrate 511 positioned on the inner case 40 .
  • the plurality of antennas 513 may be configured as a monopole patch antenna type.
  • the type of the plurality of antennas 513 is not limited to the above example, and is not limited as long as it is a type capable of forming an isotropic radiation pattern even when vertically attached to the substrate 511 .
  • the plurality of antennas 513 may be attached horizontally to the substrate 511 positioned on top of the inner case 40 .
  • the plurality of antennas 513 may be of a patch antenna type.
  • the type of the plurality of antennas 513 is not limited to the above example, and is not limited as long as it is a type capable of forming an isotropic radiation pattern even when attached horizontally to the substrate 511 .
  • the plurality of second antennas 513b may be spaced apart from the first antenna 513a by the same distance.
  • the distance d1 between the first antenna 513a and one of the plurality of second antennas 513b 513b-1 and the first antenna ( 513a) and the other one 513b-2 of the plurality of second antennas 513b may have the same distance d2.
  • the mobile robot 1 can accurately calculate angles with the external device in all directions. Angle calculation with an external device will be described in detail later.
  • the distances d1 and d2 between the antennas may be less than half (eg, 18 mm to 20 mm) of a wavelength corresponding to the highest frequency of UWB communication, depending on embodiments.
  • FIG. 11 shows an optimal arrangement when an antenna 513 is vertically disposed on a substrate 511 according to an embodiment
  • FIG. 13 shows an optimal arrangement when an antenna 513 according to an embodiment is horizontally arranged on a substrate 511
  • FIG. When the antenna 513 according to an embodiment is horizontally disposed on the substrate 511, a radiation pattern of an RF signal according to antenna arrangement is shown.
  • the plurality of second antennas 513b may be disposed such that their central axis forms a preset angle with the central axis of the first antenna 513a. That is, by rotating and disposing the second antenna 513b at a predetermined angle from the first antenna 513a, the radiated energy of the first antenna 513a can be radiated after being coupled with the second antenna 513b. Thus, interference between the plurality of antennas 513 can be minimized.
  • a plurality of antennas 513 are arranged to form a preset angle with each other, thereby minimizing interference between the antennas 513 and solving the problem of lowering radiation gain at a specific angle through this.
  • Uniform radiation gain can be provided in all directions.
  • the central axis of each of the plurality of second antennas 513b is the first antenna 513a.
  • a preset angle eg, 90 degrees
  • a preset angle with the central axis may be achieved.
  • the first antenna 513a may be coupled with the second antenna 513b and then radiated, thereby minimizing interference between the plurality of antennas 513 .
  • the central axis of each of the plurality of second antennas 513b is the central axis of the first antenna 513a. and a preset angle (eg, 120 degrees) may be achieved.
  • 15 is a diagram for explaining a case in which the mobile robot 1 determines the distance and angle to an external device according to an embodiment.
  • At least one processor 75 receives the signal transmitted from the external device 2 at the time when the external device 2 transmits the signal and the first antenna 513a. Based on the difference between one hour, the distance L to the external device 2 can be determined.
  • At least one processor 75 determines the phase difference between the signal received through the first antenna 513a and the signal received through the plurality of second antennas 513b, and the first antenna 513a.
  • An angle ⁇ with the external device 2 may be determined based on the position of the second antenna 513b and the arrangement position of the second antenna 513b.
  • the at least one processor 75 controls the phase difference between the first antenna 513a and the signal received through each one of the plurality of second antennas 513b (513b-1), the first antenna 513a ) and the signal received through the other one of the plurality of second antennas 513b, and the arrangement position of the first antenna 513a and the plurality of second antennas 513b, the external device 2 It is possible to determine the angle ( ⁇ ) with
  • the at least one processor 75 determines the phase difference ⁇ 1 between the first antenna 513a and the signal received through any one 513b-1 of the plurality of second antennas 513b and the second antenna 513b.
  • the phase difference ( ⁇ 2 ) between the first antenna 513a and the signal received through the other one of the plurality of second antennas 513b is applied to ⁇ Equation 1 > to determine the composite phase difference ( ⁇ s ).
  • ⁇ is an angle between a normal vector to a parallel line between the first antenna 513a and one of the plurality of second antennas 513b (513b-1) and a vector pointing forward of the mobile robot 1.
  • ⁇ is an angle between a normal vector to a parallel line between the first antenna 513a and the other one 513b-2 of the plurality of second antennas 513b and a vector pointing forward of the mobile robot 1.
  • the at least one processor 75 may determine the angle ⁇ with the external device 2 by applying the synthesized phase difference ⁇ s to ⁇ Equation 2>.
  • ⁇ may correspond to a wavelength of an RF signal received by the antenna 513
  • d may correspond to a distance between the antennas 513.
  • the at least one processor 75 determines whether the angle ⁇ with the external device 2 is based on the front of the mobile robot 1 or the rear of the mobile robot 1 based on Equation 3. can be determined based on
  • the at least one processor 75 determines that the external device 2 is located in the front and the angle ⁇ with the external device 2 is based on the front of the mobile robot 1. can In addition, at least one processor 75, if FR is less than 0, the external device 2 is located in the rear, so that the angle ⁇ with the external device 2 is based on the rear of the mobile robot 1 can decide
  • the at least one processor 75 moves the main body 10 toward the external device 2 based on the distance to the external device 2 and the angle with the external device 2, and moves the driving unit 20. You can control it.
  • the present invention can form a radiation pattern having uniform radiation gain in all directions by locating the antenna module 51 at the top of the inside of the main body 10, through which the external device 2 can move in any direction. It is possible to receive the RF signal transmitted by the external device 2 without error. As a result, according to the present invention, it is possible to accurately measure the position of the external device 2 by receiving the RF signal transmitted from the external device 2 without error, thereby ensuring movement to the external device 2 .
  • the disclosed embodiments may be implemented in the form of a recording medium storing instructions executable by a computer. Instructions may be stored in the form of program codes, and when executed by a processor, create program modules to perform operations of the disclosed embodiments.
  • the recording medium may be implemented as a computer-readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include all types of recording media in which instructions that can be decoded by a computer are stored. For example, there may be read only memory (ROM), random access memory (RAM), a magnetic tape, a magnetic disk, a flash memory, an optical data storage device, and the like.
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • magnetic tape a magnetic tape
  • magnetic disk a magnetic disk
  • flash memory an optical data storage device

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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 이동 로봇은, 본체; 상기 본체를 이동시키는 주행부; 상기 본체의 내부의 최상단에 배치되는 안테나 모듈을 포함하고, 외부 장치와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및 상기 통신부를 통하여 상기 외부 장치로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 본체가 이동하도록 상기 주행부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서;를 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 기판; 상기 기판의 상면에 배치되는 제1 안테나; 및 상기 기판의 상면에 배치되고, 상기 제1 안테나로부터 동일한 거리로 이격되어 배치되는 복수의 제2 안테나;를 포함한다.

Description

이동 로봇
본 발명은 외부 장치와 통신을 수행할 수 있는 이동 로봇에 관한 것이다.
로봇　기술의 발전에 따라 전문화된 학술 분야 또는 대규모의 노동력을 요하는 산업 분야뿐만 아니라 일반적인 가정에도　로봇의 공급이 보편화되고 있다. 또한, 위치가 고정된 채 기능을 수행하는　로봇뿐만 아니라, 위치를　이동할 수 있는　이동형　로봇도 보급되고 있다.
이동형　로봇은 영상 및 센서 데이터 등의 전송, 타 기기와의 연동 및 제어, 그리고 네트워크 연동을 위한 통신망 연결이 필수적인 기기이다. 또한,　이동을 기반으로 하는　이동형　로봇의 특성으로 인해 네트워크 연결은 유선이 아닌 무선 통신에 의한 연동이 필요하다. 이에 따라,　이동형　로봇은 신호의 무선 송수신을 위한 안테나의 적용이 필수적이다.
안테나는 전파의 방사 특성에 따라 주변에 다른 금속물 또는 손실 탄젠트 특성이 높은 재질이 배치되는 경우, 안테나의 특성이 의도하지 않은 방향으로 변화하거나 방사 성능이 하락하게 된다.
기존의　이동형　로봇의 경우, 일반적으로 지향성 안테나를 사용하거나 주행 방향을 지향하도록 안테나를 배치하여, 반사파 수신에 있어 전파의 세기나 위상차에 따라 왜곡이 발생할 수 있다.
본체 내부의 최상단에 안테나를 배치함으로써, 모든 방향에서 RF(radio frequency) 신호를 수신할 수 있도록 하며, 모든 방향에서의 전파 왜곡 및 간섭을 최소화할 수 있는 이동 로봇을 제공한다.
일 실시예에 따른 이동 로봇은, 본체; 상기 본체를 이동시키는 주행부; 상기 본체의 내부의 최상단에 배치되는 안테나 모듈을 포함하고, 외부 장치와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및 상기 통신부를 통하여 상기 외부 장치로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 본체가 이동하도록 상기 주행부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서;를 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 기판; 상기 기판의 상면에 배치되는 제1 안테나; 및 상기 기판의 상면에 배치되고, 각각 상기 제1 안테나로부터 동일한 거리로 이격되어 배치되는 복수의 제2 안테나;를 포함한다.
상기 이동 로봇은, 상기 본체의 외관을 형성하는 외부 케이스; 및 상기 외부 케이스의 내부에 마련되는 내부 케이스;를 포함하고, 상기 안테나 모듈은, 상기 내부 케이스 및 상기 외부 케이스 사이에 마련될 수 있다.
상기 기판은, 상기 본체의 수직축과 수직하는 평면으로 마련될 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는, 상기 외부 케이스 및 상기 기판 사이에 마련되고, 상기 본체의 수직축과 수직하는 평면을 기준으로 상기 외부 케이스만으로 상기 본체의 외부와 분리될 수 있다.
상기 통신부는, 상기 내부 케이스의 내부에 위치하여 상기 안테나 모듈의 하부에 배치되는 UWB(ultra wide band) 통신 모듈; 및 상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이에 배치되고, 상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 커넥터;를 포함할 수 있다.
상기 이동 로봇은, 상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이에 배치되고, RF(radio frequency) 신호를 흡수하는 RF 흡수체;를 더 포함할 수 있다.
상기 RF 흡수체는, 상기 내부 케이스의 내부에 마련될 수 있다.
상기 RF 흡수체는, 상기 안테나 모듈의 상기 기판 보다 넓은 면적으로 마련될 수 있다.
상기 이동 로봇은, 상기 UWB 통신 모듈의 하부에 위치하여 상기 통신부가 상기 적어도 하나의 프로세서로부터 공간적으로 분리되도록 상기 내부 케이스에 의해 형성된 상기 본체의 내부 공간을 분리하고, RF(radio frequency) 신호의 통과를 차단하는 금속판;을 더 포함할 수 있다.
상기 주행부 및 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 금속판의 하부에 마련될 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 사이의 거리는, UWB 통신의 최고 주파수에 대응하는 파장의 반 이하일 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는, 등방성(isotropic) 안테나일 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나의 배열은, 상기 이동 로봇의 횡단면의 중앙에 배치될 수 있다.
상기 복수의 제2 안테나는, 중심축이 상기 제1 안테나의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는, 상기 기판에 수평 또는 수직으로 부착될 수 있다.
일 실시예에 따른 이동 로봇에 의하면, 본체 내부의 최상단에 안테나를 배치함으로써, 모든 방향에서 RF(radio frequency) 신호를 수신할 수 있도록 하며, 모든 방향에서의 전파 왜곡 및 간섭을 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이동 로봇의 외관도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 이동 로봇의 분해사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 위치를 설명하기 위한 이동 로봇의 측면 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이동 로봇의 측면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 이동 로봇의 안테나 모듈의 RF(radio frequency) 방사 패턴을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 이동 로봇이 RF 흡수체를 더 포함하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 RF 흡수체의 적용 여부에 따른 안테나에서의 위상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 RF 흡수체의 적용 여부에 따른 안테나 사이의 위상차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수직으로 배치되는 경우를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수평으로 배치되는 경우를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수직으로 배치될 때의 최적 배치를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수직으로 배치될 때의 안테나 배치에 따른 RF 신호의 방사 패턴을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수평으로 배치될 때의 최적 배치를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 안테나가 기판에 수평으로 배치될 때의 안테나 배치에 따른 RF 신호의 방사 패턴을 도시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 이동 로봇이 외부 장치까지의 거리 및 각도를 결정하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 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.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA(field-programmable gate array) / ASIC(application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
　또한, 본 명세서에서 사용한 '정면', '배면', '상면', '하면', '측면', '좌측', '우측', '상부', '하부' 등의 용어는 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의해 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
그리고, 본 명세서에서는 각 실시예의 설명에 필요한 구성요소를 설명한 것이므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 일부 구성요소는 변경 또는 생략될 수도 있으며, 다른 구성요소가 추가될 수도 있다. 또한, 서로 다른 독립적인 장치에 분산되어 배치될 수도 있다.
나아가, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 명세서의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 명세서가 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이동 로봇의 외관도이다.
도 1을 참조하면, 이동　로봇(1)은 주변 환경을 인식하고, 자율 주행 및 정보 수집이 가능하며, 사용자에게 정보를 전달하는 등 다양한 기능을 수행하는 장치이다.
이동　로봇(1)은 음성, 소리 및 영상 인식을 기반으로 주변 환경을 인식할 수 있다. 또한,　이동　로봇(1)은 무선 통신을 통해 외부 장치와 통신을 수행할 수 있으며, 외부 장치의 위치를 식별하거나 외부 장치를 제어할 수 있다.
이동　로봇(1)은 주행부를 포함함으로써 물리적　이동이 가능하고, 이를 통해 실내 및 실외를 포함하는 사용자의 환경 전반에 걸쳐　이동　로봇(1)의 다양한 기능을 실행할 수 있다.
예를 들어, 이동 로봇(1)은 외부 장치의 위치를 식별하고 외부 장치를 향하여 이동할 수 있다. 외부 장치가 애완 동물이 착용할 수 있는 웨어러블 장치에 해당하는 경우 이동 로봇(1)은 웨어러블 장치의 위치를 식별함으로써 애완 동물의 위치를 식별하고, 애완 동물을 향하여 이동하여 애완 동물을 케어하거나 애완 동물에 관한 정보를 수집하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 이동　로봇(1)은 가정 내에 배치된 TV, 청소기, 세탁기 등의 가전 기기와 상호 작용하여 기능 실행 및 정보를 수집하고, 수집한 정보를 애완 동물을 포함한 가족 구성원에게 전달할 수 있다. 이에 따라, 가정 내 모든 구성원과 가전 기기를 연결할 수 있다.
또한,　이동　로봇(1)은 사용자가 부재하는 경우에도 가정 내 환경을 지속적으로 확인, 점검하여 애완 동물을 포함한 도움이 필요한 가족 구성원과 사용자를 연결할 수 있다. 또한, 이동 로봇(1)은 물리적　이동을 통하여 가정 내 다른 가전 기기를 확인, 조작할 수 있다. 이를 통해, 가정 내 안전을 도모하고 보안을 강화할 수 있다.
일 실시예에 따른　이동　로봇(1)은 가정 내에서 업무를 수행하는 형태로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 다양한 실시예에 따른　로봇　장치로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른　이동　로봇(1)은, 본체(10)의 외관을 형성하는 외부 케이스(30)를 포함할 수 있다. 즉, 이동 로봇(1)의 본체(10)의 외관은, 외부 케이스(30)에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(30)는, 본체(10)의 측면을 형성하는 제1 측면 케이스(31) 및 제2 측면 케이스(32)와, 본체(10)의 상부를 덮는 상부 케이스(33)와, 본체(10)의 하부를 덮는 하부 케이스(34)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 측면 케이스(31), 제2 측면 케이스(32), 상부 케이스(3) 및 하부 케이스(34)는, 동일한 곡률(Curvature)을 가질 수 있고, 이에 따라　이동　로봇(1)의 본체(10)는 구형(spherical shape)으로 마련될 수 있다.
다만, 이동 로봇(1)의 외관은, 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 마련될 수 있다. 더욱이, 본체(10)의 외관을 형성하는 외부 케이스(30) 역시, 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 상기 예와 달리 일체형으로 마련되는 것 역시 가능하다.
또한, 이동 로봇(1)은, 본체(10)를 이동시키는 바퀴(21)를 포함할 수 있다. 이동 로봇(1)은, 한 쌍의 바퀴(21) 각각의 회전 속도 및 회전 방향을 제어하여 이동할 수 있다.
또한, 이동 로봇(1)의 본체(10)에는 주변 환경을 센싱할 수 있는 각종 센서(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 이동 로봇(1)의 본체(10)에는 전방을 촬영하는 카메라, 주변 객체를 식별하는 센서(예: 적외선 센서, 라이다 센서, 또는 레이더 센서 등) 또는 주변 음성을 식별하는 마이크 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)의 분해사시도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 위치를 설명하기 위한 이동 로봇(1)의 측면 개략도이고, 도 4는 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)의 측면도이고, 도 5는 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)의 안테나 모듈의 RF 방사 패턴을 도시한다.
도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)은, 본체(10)의 내부 공간을 형성하는 내부 케이스(40)를 포함할 수 있다.
외부 케이스(30)는, 내부 케이스(40)를 둘러쌈으로써, 본체(10)의 외관을 형성할 수 있으며, 내부 케이스(40)에 의해 형성된 내부 공간에는 본체(10)를 이동시키는 주행부(20)와, 이동 로봇(1)을 제어하는 적어도 하나의 프로세서(75)가 마련되는 메인 보드(70)가 포함될 수 있다.
일 실시예에 따른 주행부(20)(주행 어셈블리(20))는, 모터(23), 기어(25), 배터리(27), 액츄에이터(Actuator)(미도시), 베어링(미도시), 바퀴(21) 등을 포함할 수 있다. 주행부(20)는, 적어도 하나의 프로세서(75)의 제어에 기초하여 바퀴(21)로 회전력을 전달하도록 모터(23)를 제어할 수 있으며, 이에 따라 이동 로봇(1)이 이동할 수 있다.
일 실시예에 따른 적어도 하나의 프로세서(75)는　이동　로봇(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 프로세서(75)는 중앙처리장치(central processing unit, CPU), 어플리케이션 프로세서(application processor, AP), 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor, CP) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(75)는 마이크로컨트롤러(Micro Control Unit, MCU)일 수 있다.
적어도 하나의 프로세서(75)는 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 프로세서에 연결된 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(75)는 다른 구성요소들 중 적어도 하나로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리에 로드하여 처리하고, 다양한 데이터를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.
일 실시예에 따른 이동 로봇(1)은 외부 장치와 무선 통신을 수행하는 통신부(50)를 포함할 수 있다.
통신부(50)는 RF 신호를 송수신할 수 있는 안테나 모듈(51)(안테나 어셈블리(51))과, RF 신호를 생성 및 처리하는 UWB(ultra wide band) 통신 모듈(53)을 포함할 수 있다.
이를 통해, 통신부(50)는, 외부 장치와 UWB 통신을 수행할 수 있으며, 적어도 하나의 프로세서(75)는, 통신부(50)를 통하여 외부 장치로부터 수신된 신호에 기초하여 본체(10)가 외부 장치를 향하여 이동하도록 주행부(20)를 제어할 수 있다. 이에 대한 설명은 뒤에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
안테나 모듈(51)은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본체(10)의 내부의 최상단에 배치될 수 있다. 즉, 안테나 모듈(51)은, 본체(10)의 내부에 포함되는 부품 중 가장 높은 위치에 위치할 수 있다. 다시 말해, 이동 로봇(1)의 수직축(z축) 방향에서 이동 로봇(1)의 주행면(바닥면)으로부터 가장 높은 위치에 위치할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 프로세서(75), UWB 통신 모듈(53) 및 주행부(20)는, 안테나 모듈(51)의 하부에 위치할 수 있다.
구체적으로, 안테나 모듈(51)은, 내부 케이스(40)의 상부에 위치하여 내부 케이스(40) 및 외부 케이스(30)(상부 케이스(33)) 사이에 마련될 수 있다.
이때, UWB 통신 모듈(53)은, 내부 케이스(40)의 내부에 위치하여 안테나 모듈(52)의 하부에 배치될 수 있으며, 커넥터(55)에 의해 안테나 모듈(52)과 연결될 수 있다.
통신부(50)는 안테나 모듈(52) 및 UWB 통신 모듈(53) 사이에 배치되어 안테나 모듈(52) 및 UWB 통신 모듈(53) 사이를 전기적으로 연결하는 커넥터(55)를 포함할 수 있다. 커넥터(55)는, RF 신호를 전달할 수 있는 RF 케이블에 해당할 수 있으며, 안테나 모듈(52)의 하부에 배치될 수 있다.
이처럼, 안테나 모듈(51)은, 본체(10)의 내부의 최상단에 배치됨으로써, 본체(10)의 수직축(Z축)과 수직하는 평면(XY평면)을 기준으로 외부 케이스(30)만으로 본체(10)의 외부와 분리될 수 있다.
이를 통해, 안테나 모듈(51)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 이동 로봇(1)의 주행 방향(전방)뿐만 아니라 모든 방향에서 다른 부품이나 구조물에 의한 전파 왜곡 및 간섭을 받지 않고 RF 신호를 방사할 수 있다. 결과적으로, 안테나 모듈(51)은, 모든 방향에서의 RF 신호 수신 오차를 최소화할 수 있으며, 이동 로봇(1)은, 외부 장치의 위치와 관계 없이 외부 장치와의 거리 및 각도 측정 오차를 최소화할 수 있다.
안테나 모듈(51)은, 기판(511)과 기판(511)의 상면에 배치되는 복수의 안테나(513)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 기판(511)은 본체(10)의 수직축(Z축)과 수직하는 평면(XY평면)으로 마련될 수 있으며, 이를 통해 복수의 안테나(513)가 이동 로봇(1)의 주행면과 평행한 면으로 RF 신호를 방사할 수 있도록 하여 이동 로봇(1)이 주행할 수 있는 모든 방향에 대하여 동일한 이득의 방사 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 복수의 안테나(513)는, 등방성(isotropic) 안테나로 마련될 수 있다. 이동 로봇(1)은, 복수의 안테나(513)의 배열을 통하여, 모든 방향 즉, 360도로 형성되는 방사 패턴을 가질 수 있다.
이때, 복수의 안테나(513)의 배열은, 실시예에 따라, 이동 로봇(1)의 횡단면(XY 평면)의 중앙에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 안테나(513)의 배열은, 본체(10)의 내부의 최상단에 위치하면서도 횡단면의 중앙에 배치됨으로써, 모든 방향에서 등방성 무지향(omni-directional) 특성의 방사 패턴을 형성할 수 있도록 한다. 복수의 안테나(513)의 배열에 대하여는 뒤에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 이동 로봇(1)은, UWB 통신 모듈(53)의 하부에 위치하여 통신부(50) 및 적어도 하나의 프로세서(75)가 공간적으로 분리되도록 내부 케이스(40)에 의해 형성된 본체(10)의 내부 공간을 분리하고, RF 신호의 통과를 차단하는 금속판(60)을 포함할 수 있다.
즉, 금속판(60)은, 금속 재질로 마련되어 RF 신호의 차폐막으로 기능할 수 있으며, 본체(10)의 내부 공간을 분리할 수 있다.
다시 말해, 통신부(50)는, 금속판(60)의 상부에 마련될 수 있으며, 주행부(20) 및 적어도 하나의 프로세서(75)는 금속판(60)의 하부에 마련될 수 있다.
이를 통해, 통신부(50)는, 금속판(60)에 의해 적어도 하나의 프로세서(75), 주행부(20) 등 다른 부품과 공간적으로 분리될 수 있다. 이를 통해, 다른 부품에 의해 통신부(50)에서 발생할 수 있는 전자파에 의한 간섭이 최소화될 수 있다.
이상에서는 안테나 모듈(51)을 본체(10) 내부의 최상단에 배치하여 모든 방향에서 일정한 이득을 갖는 방사 패턴을 형성하고 이를 통해 모든 방향에서의 신호를 오차없이 수신할 수 있는 것에 대하여 자세히 설명하였다.
이하에서는 안테나 모듈(51)과 UWB 통신 모듈(53) 사이에 RF 흡수체가 마련되는 실시예에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)이 RF 흡수체를 더 포함하는 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 일 실시예에 따른 RF 흡수체의 적용 여부에 따른 안테나(513)에서의 위상 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 일 실시예에 따른 RF 흡수체의 적용 여부에 따른 안테나(513) 사이의 위상차를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)은, 안테나 모듈(51)과 UWB 통신 모듈(53) 사이에 RF 흡수체(80)를 더 포함할 수 있다.
RF 흡수체(80)는, 안테나(513)에서 방사된 RF 신호를 흡수할 수 있으며, 안테나(513)에서 방사된 RF 신호가 UWB 통신 모듈(53)에 의해 반사되어 외부로 방사되는 것을 방지할 수 있다.
이때, RF 흡수체(80)는, 기 공지된 유형의 RF 흡입 물질로 마련될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 안테나 모듈(51)의 기판(511) 보다 넓은 면적으로 마련될 수 있다. 이를 통해, 안테나(513)에서 방사된 RF 신호가 UWB 통신 모듈(53)에서 반사되는 것을 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, RF 흡수체(80)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부 케이스(40)의 내부에 마련될 수 있으며, 내부 케이스(40)의 내부 상에서 UWB 통신 모듈(53)의 상 측에 마련되어, 안테나(513)에서 방사되는 RF 신호가 UWB 통신 모듈(53)로 전개하는 것을 방지할 수 있다.
이처럼, RF 흡수체(80)는, 안테나(513)에서 방사되는 RF 신호가 UWB 통신 모듈(53)에 의해 반사됨으로써 발생할 수 있는 위상 변화를 최소화할 수 있으며, 최종적으로 외부 장치와의 각도 측정 오차를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 이동 로봇(1)의 회전에 따른 안테나(513)에서의 수신 RF 신호의 위상은, RF 흡수체(80)를 적용하지 않는 경우, 도 7의 좌측 그래프와 같이, 이동 로봇(1)의 회전에 따라 위상 변화가 크며, 이동 로봇(1)의 회전 위치가 상이함에도 불구하고 주파수에 따라 위상이 중첩되는 지점이 발생할 수 있다.
이에 반해, RF 흡수체(80)를 적용하는 경우에는 UWB 통신 모듈(53)에서의 반사를 통한 위상 변화를 최소화할 수 있어, 도 7의 우측 그래프와 같이, 이동 로봇(1)의 회전에 따라 위상 변화가 작으며, 주파수에 따라 위상이 중첩되는 지점이 발생하지 않을 수 있다.
이와 같이, 하나의 안테나(513)에서의 위상 변화를 최소화하여 이동 로봇(1)의 회전에 따라 위상이 중첩되지 않을 수 있으므로, 안테나(513) 사이의 위상차 역시 선형적으로 결정될 수 있다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, RF 흡수체(80)가 적용되는 경우, RF 흡수체(80)가 적용되기 전보다 안테나(513) 사이의 위상차(Phase Difference Of Arrival; PDOA)가 중첩 구간 없이 선형적으로 나타날 수 있다. 이때, PDOA_1은, 복수의 안테나(513) 중 어느 한 쌍의 안테나 사이의 위상차이며, PDOA_2는, 복수의 안테나(513) 중 다른 한 쌍의 안테나 사이의 위상차일 수 있다.
즉, 고정된 위치의 외부 장치의 위치 검색을 위해 외부 장치로부터 송신되는 RF 신호를 수신하는 이동 로봇(1)은 회전하며 다양한 각도에서의 RF 신호를 수신할 수 있으며, 복수의 안테나(513) 사이의 위상차를 결정하여 외부 장치의 위치를 결정할 수 있다.
이때, 위상차가 이동 로봇(1)의 회전 위치에 따라 중첩되는 구간이 발생한다면 외부 장치의 정확한 위치 측정이 어려울 수 있으므로, 이동 로봇(1)의 회전에 따라 선형적인 위상차 변화가 필요하다.
이처럼, RF 흡수체(80)가 마련됨에 따라, UWB 통신 모듈(53)에서의 반사를 통한 RF 신호의 위상 변화를 최소화하여 안테나(513) 사이의 위상차가 이동 로봇(1)의 회전에 따라 선형적으로 변할 수 있도록 한다.
이상에서는 RF 흡수체(80)를 더 포함하는 실시예에 대하여 자세히 설명하였다.
이하에서는 안테나 모듈(51)의 복수의 안테나(513)의 배열에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 9는 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수직으로 배치되는 경우를 도시하고, 도 10은 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수평으로 배치되는 경우를 도시한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 안테나 모듈(51)은, 기판(511)과 기판(511)의 상면에 배치되는 복수의 안테나(513)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복수의 안테나(513)는, 제1 안테나(513a)와, 제1 안테나(513a)로부터 동일한 거리로 이격되어 배치되는 복수의 제2 안테나(513b)를 포함할 수 있다.
제1 안테나(513a)는, 실시예에 따라, RF 신호를 송신하고 수신할 수 있는 송/수신 복합용 안테나에 해당할 수 있으며, 제2 안테나(513b)는, RF 신호를 수신만할 수 있는 수신 전용 안테나일 수 있다. 다만, 제1 안테나(513a) 및 제2 안테나(513b)의 유형은, 실시예에 따라, 다양한 안테나 유형으로 마련될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 제2 안테나(513b)가 두개로 마련되는 것을 일 예로 설명하도록 한다. 다만, 제2 안테나(513b)의 개수는 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라, 다양한 개수로 마련될 수 있다.
일 실시예에 따른 복수의 안테나(513)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 내부 케이스(40)의 상부에 위치하는 기판(511)에 수직으로 부착될 수 있다. 이 경우, 복수의 안테나(513)는, 모노폴(mono pole) 패치 안테나 타입으로 구성될 수 있다. 다만, 복수의 안테나(513)의 타입은, 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 기판(511)에 수직으로 부착되는 경우에도 등방성의 방사 패턴을 형성할 수 있는 타입이면 제한이 없다.
또한, 일 실시예에 따른 복수의 안테나(513)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 내부 케이스(40)의 상부에 위치하는 기판(511)에 수평으로 부착될 수 있다. 이 경우, 복수의 안테나(513)는, 패치 안테나 타입으로 구성될 수 있다. 다만, 복수의 안테나(513)의 타입은, 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 기판(511)에 수평으로 부착되는 경우에도 등방성의 방사 패턴을 형성할 수 있는 타입이면 제한이 없다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 제2 안테나(513b)는, 제1 안테나(513a)로부터 동일한 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 안테나(513a) 및 복수의 제2 안테나(513b) 중 어느 하나(513b-1) 사이의 거리(d1)와, 제1 안테나(513a) 및 복수의 제2 안테나(513b) 중 다른 하나(513b-2) 사이의 거리(d2)는 동일할 수 있다.
이처럼, 복수의 제2 안테나(513b)가 제1 안테나(513a)로부터 동일한 거리로 이격되어 배치됨으로써, 이동 로봇(1)은 모든 방향에 대하여 외부 장치와의 각도를 정확히 계산할 수 있다. 외부 장치와의 각도 계산에 대하여는 뒤에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
이때, 안테나 사이의 거리(d1, d2)는, 실시예에 따라, UWB 통신의 최고 주파수에 대응하는 파장의 반(예를 들어, 18mm 내지 20mm) 이하일 수 있다. 이를 통해, 이동 로봇(1)은 모든 방향에 대하여 외부 장치와의 각도를 정확히 계산할 수 있다.
이하에서는 복수의 안테나(513)의 최적 배치에 대하여 설명하도록 한다.
도 11은 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수직으로 배치될 때의 최적 배치를 도시하고, 도 12는 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수직으로 배치될 때의 안테나 배치에 따른 RF 신호의 방사 패턴을 도시하고, 도 13은 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수평으로 배치될 때의 최적 배치를 도시하고, 도 14는 일 실시예에 따른 안테나(513)가 기판(511)에 수평으로 배치될 때의 안테나 배치에 따른 RF 신호의 방사 패턴을 도시한다.
일 실시예에 따른 복수의 제2 안테나(513b)는, 중심축이 제1 안테나(513a)의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 즉, 제2 안테나(513b)를 제1 안테나(513a)로부터 미리 설정된 각도로 회전하여 배치함으로써, 제1 안테나(513a)의 방사 에너지가 제2 안테나(513b)와 커플링된 후 방사될 수 있도록 하여 복수의 안테나(513) 사이의 간섭을 최소화할 수 있다.
이처럼, 이동 로봇(1)에서는, 복수의 안테나(513)가 서로 미리 설정된 각도를 이루도록 배치됨으로써, 안테나(513) 사이의 간섭을 최소화하고, 이를 통해 특정 각도에서 방사 이득이 저하되는 문제를 해결하여 모든 방향에서 균일한 방사 이득이 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 복수의 안테나(513)가 기판(511)에 수직으로 배치되는 경우, 복수의 제2 안테나(513b) 각각의 중심축은, 제1 안테나(513a)의 중심축과 미리 설정된 각도(예를 들어, 90도)를 이룰 수 있다.
도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수의 안테나(513) 각각의 중심축이 평행하는 경우, 도면에서의 화살표가 지시하는 지점과 같이, 안테나(513) 사이의 간섭에 의해 특정 각도에서 방사 이득이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 반해, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 안테나(513b) 각각의 중심축이 제1 안테나(513a)의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루는 경우, 제1 안테나(513a)의 방사 에너지가 제2 안테나(513b)와 커플링된 후 방사될 수 있도록 하여 복수의 안테나(513) 사이의 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해 특정 각도에서 방사 이득이 저하되는 문제를 해결하여 모든 방향에서 균일한 방사 이득이 제공될 수 있다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 안테나(513)가 기판(511)에 수평으로 배치되는 경우, 복수의 제2 안테나(513b) 각각의 중심축은, 제1 안테나(513a)의 중심축과 미리 설정된 각도(예를 들어, 120도)를 이룰 수 있다.
도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수의 안테나(513) 각각의 중심축이 평행하는 경우, 도면에서의 화살표가 지시하는 지점과 같이, 안테나(513) 사이의 간섭에 의해 특정 각도에서 방사 이득이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 반해, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 안테나(513b) 각각의 중심축이 제1 안테나(513a)의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루는 경우, 제1 안테나(513a)의 방사 에너지가 제2 안테나(513b)와 커플링된 후 방사될 수 있도록 하여 복수의 안테나(513) 사이의 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해 특정 각도에서 방사 이득이 저하되는 문제를 해결하여 모든 방향에서 균일한 방사 이득이 제공될 수 있다.
이상에서는 복수의 안테나(513)의 배열에 대하여 자세히 설명하였다. 이하에서는 복수의 안테나(513)를 통하여 외부 장치와의 거리 및 각도를 결정하고 외부 장치를 향하여 이동하도록 주행부(20)를 제어하는 것에 대하여 설명하도록 한다.
도 15는 일 실시예에 따른 이동 로봇(1)이 외부 장치까지의 거리 및 각도를 결정하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 적어도 하나의 프로세서(75)는, 외부 장치(2)가 신호를 송신한 시간과 제1 안테나(513a)가 외부 장치(2)로부터 송신된 신호를 수신한 시간 사이의 차이에 기초하여 외부 장치(2)까지의 거리(L)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 적어도 하나의 프로세서(75)는, 제1 안테나(513a)를 통하여 수신된 신호와 복수의 제2 안테나(513b)를 통하여 수신된 신호 사이의 위상차, 및 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b)의 배열 위치에 기초하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)를 결정할 수 있다.
구체적으로, 적어도 하나의 프로세서(75)는, 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b) 중 어느 하나(513b-1) 각각을 통하여 수신된 신호 사이의 위상차, 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b) 중 다른 하나 각각을 통하여 수신된 신호 사이의 위상차, 및 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b)의 배열 위치에 기초하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)를 결정할 수 있다.
이를 위해, 적어도 하나의 프로세서(75)는, 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b) 중 어느 하나(513b-1) 각각을 통하여 수신된 신호 사이의 위상차(Φ1) 및 제1 안테나(513a)와 복수의 제2 안테나(513b) 중 다른 하나 각각을 통하여 수신된 신호 사이의 위상차(Φ2)를 <수학식 1>에 적용하여 합성 위상차(Φs)를 결정할 수 있다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2022011032-appb-img-000001
여기서, α는, 제1 안테나(513a) 및 복수의 제2 안테나(513b) 중 어느 하나(513b-1) 사이의 평행선에 대한 법선 벡터와 이동 로봇(1)의 전방을 향하는 벡터 사이의 각도이다. 또한, β는, 제1 안테나(513a) 및 복수의 제2 안테나(513b) 중 다른 하나(513b-2) 사이의 평행선에 대한 법선 벡터와 이동 로봇(1)의 전방을 향하는 벡터 사이의 각도이다.
적어도 하나의 프로세서(75)는, 합성 위상차(Φs)를 <수학식 2>에 적용하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)를 결정할 수 있다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2022011032-appb-img-000002
이때, λ는, 안테나(513)에 의해 수신되는 RF 신호의 파장에 해당할 수 있으며, d는 안테나(513) 사이의 거리에 해당할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 프로세서(75)는, <수학식 3>에 기초하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)가 이동 로봇(1)의 전방을 기준으로 하는 것인지 아니면 이동 로봇(1)의 후방을 기준으로 하는 것인지 결정할 수 있다.
<수학식 3>
Figure PCTKR2022011032-appb-img-000003
이때, 적어도 하나의 프로세서(75)는, FR이 0보다 크면 외부 장치(2)가 전방에 위치하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)가 이동 로봇(1)의 전방을 기준으로 하는 것으로 결정할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(75)는, FR이 0보다 작으면 외부 장치(2)가 후방에 위치하여 외부 장치(2)와의 각도(θ)가 이동 로봇(1)의 후방을 기준으로 하는 것으로 결정할 수 있다.
이후, 적어도 하나의 프로세서(75)는, 외부 장치(2)까지의 거리 및 외부 장치(2)와의 각도에 기초하여 본체(10)가 외부 장치(2)를 향하여 이동하도록 주행부(20)를 제어할 수 있다.
이처럼, 본 발명은, 안테나 모듈(51)을 본체(10) 내부의 최상단에 위치시킴으로써, 모든 방향에서의 방사 이득이 균일한 방사 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 통해 외부 장치(2)가 어느 방향에 있든지 외부 장치(2)가 송신한 RF 신호를 오차 없이 수신할 수 있다. 결과적으로, 본 발명은, 외부 장치(2)로부터 송신된 RF 신호를 오차 없이 수신하여 외부 장치(2)의 위치를 정확히 측정할 수 있어 외부 장치(2)까지의 이동을 보장할 수 있다.
한편, 개시된 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있다. 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 프로그램 모듈을 생성하여 개시된 실시예들의 동작을 수행할 수 있다. 기록매체는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터에 의하여 해독될 수 있는 명령어가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(read only memory), RAM(random access memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 본체;
    상기 본체를 이동시키는 주행부;
    상기 본체의 내부의 최상단에 배치되는 안테나 모듈을 포함하고, 외부 장치와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및
    상기 통신부를 통하여 상기 외부 장치로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 본체가 이동하도록 상기 주행부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서;를 포함하고,
    상기 안테나 모듈은,
    기판;
    상기 기판의 상면에 배치되는 제1 안테나; 및
    상기 기판의 상면에 배치되고, 각각 상기 제1 안테나로부터 동일한 거리로 이격되어 배치되는 복수의 제2 안테나;를 포함하는 이동 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 로봇은,
    상기 본체의 외관을 형성하는 외부 케이스; 및
    상기 외부 케이스의 내부에 마련되는 내부 케이스;를 포함하고,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 내부 케이스 및 상기 외부 케이스 사이에 마련되는 이동 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 본체의 수직축과 수직하는 평면으로 마련되는 이동 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는,
    상기 외부 케이스 및 상기 기판 사이에 마련되고, 상기 본체의 수직축과 수직하는 평면을 기준으로 상기 외부 케이스만으로 상기 본체의 외부와 분리되는 이동 로봇.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 내부 케이스의 내부에 위치하여 상기 안테나 모듈의 하부에 배치되는 UWB(ultra wide band) 통신 모듈; 및
    상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이에 배치되고, 상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 커넥터;를 포함하는 이동 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이동 로봇은,
    상기 안테나 모듈 및 상기 UWB 통신 모듈 사이에 배치되고, RF(radio frequency) 신호를 흡수하는 RF 흡수체;를 더 포함하는 이동 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 RF 흡수체는,
    상기 내부 케이스의 내부에 마련되는 이동 로봇.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 RF 흡수체는,
    상기 안테나 모듈의 상기 기판 보다 넓은 면적으로 마련되는 이동 로봇.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 이동 로봇은,
    상기 UWB 통신 모듈의 하부에 위치하여 상기 통신부가 상기 적어도 하나의 프로세서로부터 공간적으로 분리되도록 상기 내부 케이스에 의해 형성된 상기 본체의 내부 공간을 분리하고, RF(radio frequency) 신호의 통과를 차단하는 금속판;을 더 포함하는 이동 로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주행부 및 상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 금속판의 하부에 마련되는 이동 로봇.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 사이의 거리는,
    UWB 통신의 최고 주파수에 대응하는 파장의 반 이하인 이동 로봇.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는,
    등방성(isotropic) 안테나인 이동 로봇.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나의 배열은,
    상기 이동 로봇의 횡단면의 중앙에 배치되는 이동 로봇.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 안테나는,
    중심축이 상기 제1 안테나의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루도록 배치되는 이동 로봇.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 복수의 제2 안테나는,
    상기 기판에 수평 또는 수직으로 부착되는 이동 로봇.
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