청소로봇의 제품구성
청소로봇은 ‘자율 판단이동’이라는 콘셉트 아래 청소 업무를 수행하는 로봇으로, 배터리 동력을 이용하고 여러 개의 센서에 의해 장애상황을 감지하여 자율적인 판단에 의해 가정 내부를 이동하며 청소를 한다. 또, 앞쪽 진행 방향에 있는 장애물 감지센서를 통해 벽이나 가구 등 장애물이 있는지 여부를 판단하고 장애물을 감지하였을 때는 방향을 전환하는 방식으로 이동하기도 한다.
이처럼 장애물을 감지하는 방식은 직접 부딪혀보고 장애물을 감지하는 접촉 방식과 광학센서나 초음파 센서를 이용해 부딪치지 않고도 장애를 감지하는 비접촉 방식으로 구분할 수 있으며, 이 두 가지를 복합적으로 사용하는 경우도 있다.
또한 낭떠러지 인식 센서, 바퀴 빠짐 감지센서, 주행 직진성 보정센서 등 다양한 센서를 통해 입력되는 정보들을 중앙정보처리 장치를 통해 종합적으로 처리하고 판단해 스스로 이동할 수 있도록 설계되어 있다.
청소로봇의 청소방식은 우선 아래쪽에 있는 회전솔로 바닥이나 카펫 위의 먼지를 쓸고 진공 흡입력을 이용해 먼지를 먼지통으로 이동시켜 모으는 방식으로 청소한다.
◆ 하드웨어
·흡입(진부)부
공기를 흡입하면서 대향되는 바닥의 먼지를 집진할 수 있도록 본체 상에 설치되어 있는 흡입(진)부는 흡입모터와 흡입모터의 구동에 의해 바닥과 대향되게 형성된 흡입구 또는 입입관을 통해 흡입된 먼지를 집진하는 집진실을 구비하고 있다.
·센서부
외부로 신호를 송출, 반사된 신호를 수신할 수 있도록 몸체의 측면 둘레에 소정 간격으로 배치되어 있는 장애물 검출센서, 주행거리를 측정할 수 있는 주행거리 검출센서를 구비하고 있다.
- 장애물 검출센서
① 적외선을 출사하는 적외선 발광소자와 반사된 광을 수신하는 수광소자가 수직상으로 쌍을 이루어 외주면을 따라 다수가 배열되어 있다.
② 초음파를 출사하고 반사된 초음파를 수신할 수 있도록 된 초음파센서가있다.
③ 장애물 검출 센서는 장애물 또는 벽과의 거리 측정을 하기 위해 이용된다.
- 주행거리 검출센서
바퀴의 회전수를 계산하는 회전검출 센서가 적용된다. 예를 들면, 회전 검출센서는 모터의 회전수를 검출하도록 설치된 엔코더가 적용될 수 있다.
·카메라
- 전방 카메라 : 전방의 이미지를 촬상할 수 있도록 본체 상에 설치되어 촬상된 이미지를 제어부로 출력한다.
- 상방 카메라 : 상방의 이미지를 촬상할 수 있도록 본체 상에 설치되어 촬상된 이미지를 제어부로 출력한다.
·구동부
전방의 양측에 설치된 2개의 바퀴와 후방의 양측에 설치된 2개의 바퀴가 있다. 후방의 2개의 바퀴를 각각 회전 구동시키는 모터 및 후방의 바퀴에서 발생되는 동력을 전방의 바퀴로 전달할 수 있도록 설치된 타이밍 벨트 구비를 구비하고 있다.
·송/수신부
송신대상 데이터를 안테나를 통해 송출하고 안테나를 통해 수신된 신호를 제어부로 전송한다.
·배터리
외부 충전장치와 결합 및 분리 가능하게 본체 외측에 설치된 배터리 충전 단자를 통해 충전할 수 있도록 본체 상에 설치되어 있다.
- 배터리 충전량 검출부 : 배터리의 충전량을 검출하고 검출된 충전량이 설정되어 하한 레벨에 도달하면 충전요청 신호를 발생한다.
◆ 소프트웨어
·제어부
① 송/수신부를 통해 수신된 신호를 처리하고, 각 요소를 제어한다.
② 비 작업시에 외부 충전장치와 결합된 상태로 대기하게 되면 배터리의 충전량을 일정 범위 내로 유지시켜 준다.
③ 외부 충전장치의 위치가 사용자에 의해 수시로 바뀔 때, 작업 수행 이후 외부 충전장치로 효율적으로 복귀하기 위해 상방 카메라에 의해 촬상된 충전장치 상방 이미지를 기억장치에 저장한다.
④ 작업완료 또는 작업도중 배터리 충전량 검출부로부터 충전요청 신호가 입력되면 외부 충전장치로 복귀하도록 구동부를 제어한다.
청소로봇의 주요 기능
가정용 청소로봇은 로봇의 지능도, 주요 기능 등의 정도에 따라 단순동작형, 중기능형, 고기능형으로 나누어진다.
여기서 단순동작형은 충돌감지 센서에 의존하여 벽이나 장애물에 충돌할 경우 이동경로를 변경하면서 청소를 수행하는 로봇으로 어느 방향으로 이동할지 예측이 불가능하기 때문에 방안에서 장시간(3~4시간) 동안 동작시키면 80~90%의 청소가 가능하다.
따라서 좁은 지역에서는 비교적 청소가 원활한 반면 넓은 지역에서는 효율이 많이 떨어진다.
대부분 청소 흡입 능력은 약한 편이나 가격이 매우 저렴한 장점이 있다. 중기능형의 이동 방법은 단순동작형과 동일하나 자동충전이 가능하고, 청소효율을 높이기 위한 이동경로 제어가 포함되어 있으며, 공기청정, 살균, 물걸레 기능 등 추가적인 기능을 포함하고 있다.
고기능형은 앞의 2가지 방식과는 근본적으로 다른 방식으로 가정 내부의 지도(Map)를 가지고 자기위치를 인식하면서 사람과 같이 한쪽에서 다른 쪽으로 차례차례 청소를 수행하는 방식이다. 이 방식의 다수의 센서와 특히 카메라가 부착되어 환경인식을 수행하기 때문에 우리가 일반적으로 말하는 지능로봇 범주에 들 수 있다. 성능은 매우 우수한 반면 아직 가격이 고가인 단점이 있다.
◆ 청소기능
청소로봇의 청소성능은 청소모듈의 청소성능과 주행성능의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉, 바닥청소를 잘하기 위해서는 청소모듈이 지나간 자리를 얼마나 깨끗하게 청소를 할 수 있는가와 청소로봇이 얼마나 빈자리 없이 골고루 청소를 하러 다니는가 하는 주행성능에 의해서 전체 청소성능이 결정되어 진다고 할 수 있다.
각 나라마다 가정환경이 달라 장판 위주의 한국의 경우에는 청소기 소비전력은 약 1400W 정도이고, 유럽의 경우에는 대용량으로 소비전력 2300W 청소기까지 사용되고 있다. 이 소비전력의 대부분은 흡입모터가 소비한다.
Agitator 시스템 설계 기술이 청소능력에 미치는 영향이 크기 때문에 모터를 사용하여 Agitator를 강제로 회전시켜 카펫 청소능력을 향상시키고 있다. 청소로봇의 경우에는 배터리 용량의 한계 때문에 주로 Cordless 청소기에서 사용했던 정도의 흡입모터를 사용하고있다. Cordless 청소기에 사용하는 모터는 대체적으로 소비전력 100W급 미만이고, 사용시간이 100~200시간 정도이다.
이는 배터리 수명과 밀접한 관련이 있는데, 청소로봇은 재료비 때문에 주로 Ni-MH를 사용하고, 메모리 효과와 자가 방전을 무시할 수 없기 때문에 통상적으로 Li-PB 배터리보다 수명이 짧은 것으로 알려져 있다. 그래서 일부 청소로봇 업체의 불만 중 하나가 배터리 문제이다. 현재 LG전자 로보킹 Ⅱ는 Li-PB 배터리를 채택하였다.
청소성능과 밀접한 관련이 있는 주행기법은 대부분의 청소로봇이 랜덤 주행방식을 채택하고 있는 형편이다. LG전자의 로보킹이 그나마 지그재그 형태의 패턴주행을 하고 있지만, 아직 자가 위치인식 기능이 들어간 청소로봇은 상용화되어 있지는 않다.
◆ 장애물 감지 및 주행
청소로봇이 집안청소를 하는 동안에 청소기가 가구나 바닥에 놓인 장애물을 감지하지 못하고 가구 등과 부딪히며 청소를 한다면 로봇의 유용성이 낮아진다. 그래서 청소로봇에는 장애물 감지를 위해서 초음파, PSD(Position Sensing Device) 혹은 IR 센서를 이용하여 충돌하기 전에 장애물을 회피하는 기능을 가지고 있다.
초음파는 기본적으로 상용화된 PSD/IR보다 측정거리가 길어 유연하게 장애물을 회피할 수 있지만, 근거리에서는 장애물 감지능력이 떨어져 근거리에서는 사용하기 어려운 점이 있다.
Electrolux의 Trilobite는 초음파 띠를 통해서 발신을 하고 소형 마이크로폰을 이용해 장애물 감지를 실시하고 있다. 그러나 Trilobite는 고가인 제품이기 때문에 프로세스도 고급사양이어서 장애물 회피를 지능적으로 실시하지만, Roomba의 경우에는 범퍼를 통해서 장애물을 감지하는 수단을 사용하고 있다. 즉, 모든 경우에 장애물이 있는 경우, 충돌을 해야만 장애물이 있다는 것을 감지할 수 있다. 유진에서는 근거리 On/Off IR 센서를 이용하여 장애물 회피를 시도하고 있지만, IR Beam각이 작고 감지거리도 매우 짧아 주행 중 자주 충돌이 발생하는 경향을 볼 수 있다.
한편, LG전자의 로보킹이 PSD를 이용해 거리 및 장애물을 감지하는 시스템을 발표했는데, 이는 빔각이 작아 충돌을 완전히 회피할 수는 없지만 감지거리가 On/Off IF보다 길어 비교적 장애물과 충돌할 확률이 작다고 할 수 있다. 장애물 감지와 밀접한 관련이 있는 것이 주행 알로리즘이다.
현재 상용화되어 있는 대부분의 청소로봇은 대부분 작동 초기 일부 구간을 제외하고 랜덤 주행 알고리즘을 채택하고 있다. 사람이 청소하는 유형 중에 비슷한 것이 지그재그 패턴 주행을 하면서 청소를 하는 것이다. 지그재그 패턴 주행방식의 장점은 청소한 부분이 확실히 구분이 되는 반면에 랜덤하게 주행을 하면서 청소를 하면 청소한 자리와 하지 않은 자리가 랜덤하게 구별이 되어 다소 불리하다고 할 수 있다.
◆ 자동충전
청소로봇이 청소를 마치거나(현재 상용화된 청소로봇은 청소를 종료했다는 것을 알 수 없음) 배터리가 미소량만 남아 반드시 충전을 해야만 할 때에 청소로봇이 자동으로 충전대로 돌아가 자동 충전을 할 수 있는 기능이 있다면 청소로봇을 작동시켜 놓고 외출하기에 안심할 수 있을 것이다.
이에 따라 자동충전 기능을 하기 위해서는 충전대 위치 근처로 접근할 수 있도록 하는 Homing 기능과 충전대 근처로 와서 로봇이 자동 충전단자에 정확하게 접촉을 한 후에 충전을 할 수 있게 하는 Docking 기능이 요구된다. 자기 위치를 알고 있으면 자동충전을 하기가매우 수월하다. 여기에서는 자기위치인식장치가 없는 청소로봇에 대해서 설명하기로 한다.
한 예로 Electolux는 충전대 하단에 Magnet을 접착하여 로봇이 충전대 근처로 왔다는 것을 감지하는 것이다. 그러나 합리적인 가격 선에서 Magnet 감지거리는 통상적으로 짧아 Trilobite는 벽면 추적을 이용해 충전대를 찾아 들어가는 식으로 충전 알고리즘이 구성되어 있는데, 벽면 추적방향이 한 방향으로만 설정되어 있기 때문에 바로 옆에 있는 로봇이 온 방의 벽면을 돌아다니다가 충전을 하는 답답한 경우가 발생할 가능성도 많다.
통상적으로 많이 사용하는 자동충전방법 중 하나가 IR 빔을 쏘면 로봇이 지나가다가 이 IR 빔의 위치를 확인한 후에 빔의 방향을 찾아가 자동충전을 하는 방식이며, 로보킹 Ⅰ과 Roomba가 이 방법을 사용하고 있다. 이 방법은 로봇이 충전대를 찾을 가능성이 비교적 높으며 충전대에 도달하는 시간이 비교적 짧다. 그러나 IR 빔이 벽면에 반사되는 경우에는 로봇이 충전대의 위치를 찾는데 혼선이 있을 수 있기 때문에 세심한 설계가 요구된다.
◆ 자기 위치인식
현재 청소로봇에서 상대적인 위치이지만 자기위치를 알 수 있는 수단 중에 하나는 충전대에 위치를 알 수 있는 수단/장치를 활용할 수 있는 정도이다. 예를 들면, Electrolux가 자동 충전 시에 충전대에 도착했음을 알 수 있는 정도이다. 주행도중에는 바퀴와 바닥 면에서 발생하는 미끄럼 현상 때문에 전적으로 Odometer를 신뢰할 수 없고, 추가적인 센서도 상당한 정확도를 요하여 센서가격 때문에 현재로서는 사용되지 못하는 형편이다.
그러나 최근에 Electrolux社가 Nrth Star라는 자기 위치인식 장치를 개발하여 이 장치 사용을 시도하는 업체가 있기는 하지만, 아직 상용화는 이루어지지 않고 있다.
다른 수단으로는 평상시에는 사람의 눈에는 보이지 않다가, 로봇에 장착되어 있는 UV를 이용하여 2차원 바코더 리더가 이미 장판에 등록되어 있는 바코더 형상을 통해서 위치를 읽는 방식이 개발/발표되었다. 그러나 이 방법도 집안의 가구 및 카펫이 어떻게 설치되느냐에 따라 그 효율성이 변화가 상당히 클 것이고, 주행하면서 위치를 읽어야 하기 때문에 주행속도에 제한이 있을 가능성이 있다.
로봇기술 중에서 자기위치 인식에 대한 방법은 많은 발표가 있었지만, 아직은 완성도가 떨어지거나 지나치게 고가이어서 적용하기가 어려운 실정이다.
그러나 청소로봇에서 각 방을 구별하고 각 방의 위치를 찾아가서 청소를 하고 청소를 한 후에 자동충전을 할 수 있는 기능을 제공하는 등 유용성이 매우 높기 때문에, 자기위치인식 기능은 가격이 허락한다면 자기 위치인식 시스템을 채택하지 않을까 전망된다.
* 자료 : 전자부품연구원 발췌
- 성균관대학교 석사과정 이현정(banchandu@naver.com)
- (주)한메소프트 손은석(soneus@hanmesoft.net)
