KR20110029331A - 3차원 공간 인식 센서 - Google Patents

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Abstract

방출광 및 입사광을 반사시키는 미러, 상기 미러를 회전시키는 구동부, 상기 미러를 틸팅(Tilting)시키는 틸팅 제어부를 포함하며, 상기 구동부 및 틸팅 제어부는 동일한 스핀들 모터에 의하여 작동됨으로써 상기 미러의 회전 및 틸팅이 동기화되는 3차원 공간 인식 센서가 기재된다.

Description

3차원 공간 인식 센서{3D LASER RANGE FINDER SENSOR}
본 발명은 3차원 공간 인식 센서에 관한 것으로, 거리를 측정하고자 하는 목표물에 광을 방출시키고, 방출된 광이 목표물에 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 거리를 판단하는 3차원 공간 인식 센서에 관한 것이다.
3차원 공간 인식 센서는 광원, 센서, 회전체, 미러 등으로 구성되며, 거리를 측정하고자 하는 목표물에 광을 방출시키고, 방출된 광이 목표물에 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 거리를 판단한다.
미러는 방출광 및 입사광을 반사시키고, 회전체는 미러를 회전시켜 줌으로써 주어진 각도 범위 내에서 목표물의 거리를 판단할 수 있도록 한다.
이러한 3차원 공간 인식 센서는 다양한 것이 개발되어 사용되고 있으며, 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 스캐닝이 가능한 3차원 공간 인식 센서를 구현하고자 할 경우, 스핀들 모터(Spindle Motor)에 의하여 미러의 회전을 제어하고 스텝핑 모터(Stepping Motor)에 의하여 미러의 틸팅(Tilting)각을 제어한다.
종래의 3차원 공간 인식 센서는 미러의 회전 및 틸팅각의 제어를 위하여 수평방향의 구동원과 수직방향의 구동원을 사용함으로써, 가변 주파수 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 구동원이 하나일 때에 비하여 제작 비용이 증가하는 문제점이 있다.
그리고 별개의 구동원으로 미러의 회전과 틸팅각을 제어함으로써 수평 제어, 수직 제어가 어려운 문제점이 있고, 구동원 및 동력 전달부의 배치에 있어서 공간 효율성 문제로 인하여 3차원 공간 인식 센서의 소형화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점들을 개선하기 위하여 하나의 스핀들 모터로 미러의 회전과 틸팅각의 제어가 가능한 3차원 공간 인식 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일실시예로서, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서는, 방출광 및 입사광을 반사시키는 미러, 상기 미러를 회전시키는 구동부, 상기 미러를 틸팅(Tilting)시키는 틸팅 제어부를 포함하며, 상기 구동부 및 틸팅 제어부는 동일한 스핀들 모터에 의하여 작동됨으로써 상기 미러의 회전 및 틸팅이 동기화된다.
일실시예로서, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서는, 상기 구동부가 상기 스핀들 모터의 회전축인 가상의 제1축을 중심으로 회전되고, 상기 틸팅 제어부는 상기 스핀들 모터의 회전축과 직각으로 교차하는 축인 가상의 제2축을 중심으로 상기 미러를 회동시킴으로써 상기 미러를 틸팅시킨다.
일실시예로서, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서는, 가상의 제1축을 중심으로 회전되고 상기 제1축에 수직한 가상의 제2축을 중심으로 회동되는 미러에 의하여 방출광 및 입사광이 반사되고, 상기 제1축을 중심으로 한 회전각과 상기 제2축을 중심으로 한 틸팅각은 서로 동기화됨으로써 상기 방출광의 궤적은 주기함수가 된다.
본 발명의 3차원 공간 인식 센서에 따르면, 하나의 스핀들 모터만으로 수평 방향에 대한 미러의 회전 및 수직 방향에 대한 틸팅각을 제어함으로써, 종래의 3차원 공간 인식 센서보다 제작 비용을 절감시키고, 소형화시키며, 미러의 회전 및 틸팅각의 제어를 안정적으로 행한다.
또한, 웜과 웜 기어에 의하여 큰 감속비를 얻을 수 있으므로, 수평 방향 회전 주파수에 비례한 수직 방향의 빠른 구동 주파수를 얻을 수 있다. 따라서 수평 방향의 고분해능 회전 엔코더(Rotary Encoder)를 이용하여 고분해능의 방위각 검출이 이루어진다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상 에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 측면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 평면도이다. 도 1 ,도 2 및 도 3을 참조하며, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서에 대하여 상세히 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 3차원 공간 인식 센서(100)는 방출광 및 입사광을 반사시키는 미러(110)와, 미러(110)를 회전시키는 구동부와, 미러(110)를 회동시킴으로써 미러(110)를 틸팅(Tilting)시키는 틸팅 제어부를 포함한다.
본체(400)에는 입사광을 광신호로 센싱하는 수광소자, 입사되는 입사광을 수광소자로 집광시키는 집광렌즈, 레이저를 이용하여 광을 방출하는 발광소자가 설치되는데, 발광소자로부터 방출된 광은 미러(110)에 의하여 반사되어 외부의 신호광으로 방출된다. 이때 방출되는 광의 방향은 미러(110)의 회전 위치 및 틸팅각에 따라 달라진다. 방출된 광이 목표물에 부딪혀 신호광으로 되돌아 오면, 미러(110)에 의하여 반사되어 본체(400)의 내부로 입사되어 집광렌즈를 거쳐 수광소자로 입사된다.
따라서, 본 발명에 따른 3차원 공간 인식 센서(100)는 방출광을 조사하여 미러(110)를 통하여 방출하고, 목표물에 부딪혀 되돌아 오는 입사광을 미러(110)를 통하여 집광하는 스캐닝을 수행할 수 있다.
미러(110)의 회전 동작은 구동부의 스핀들 모터(210)에 의하여 이루어지는 데, 이를 위하여 스핀들 모터(210)에 연결되어 회전하는 회전 실린더(200)에는 미러(110)를 연결하고 지지하여 주는 미러 지지대(220)가 구비된다.
미러(110)의 틸팅 동작은 미러 지지대(220)에 연결되어 미러(110)의 틸팅 중심이 되는 미러축(120) 및 미러축(120)에 연결되는 틸팅 제어부에 의하여 이루어진다.
한편, 구동부 및 틸팅 제어부는 동일한 스핀들 모터(210)에 의하여 작동됨으로써 미러(110)의 회전 동작과 틸팅 동작은 항상 동기화 된다.
구동부는 미러(110)를 회전시키기 위한 것으로서, 회전 실린더(200)와, 스핀들 모터(210)와, 미러 지지대(220)를 포함한다.
회전 실린더(200)는 원통 형상으로서 방출광 및 입사광이 통과되도록 중앙이 개구되어 있으며, 미러(110)에 의하여 반사되는 방출광 및 입사광은 회전 실린더(200)의 내부를 통하여 본체(400)의 내부로부터 방출되거나 본체(400)의 내부로 입사된다.
그리고 회전 실린더(200)는 스핀들 모터(210)에 연결되어 회전하며, 그 상부에는 미러(110)를 지지하는 미러 지지대(220)가 연결된다. 이때, 스핀들 모터(210)는 회전 속도가 제어됨으로써 회전 실린더(200)의 회전 속도를 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
본체(400)의 내부에는 스핀들 모터(210)가 마련된다. 스핀들 모터(210)는 구동부의 동력원으로써, 회전 실린더(200)의 외주면을 따라 배치되어 회전 실린더(200)를 회전시킨다. 즉, 스핀들 모터(210)가 작동하면 회전 실린더(200)가 회전 됨으로써, 회전 실린더(200)의 상부에 결합된 미러 지지대(220)가 함께 회전한다.
회전 실린더(200)의 상부에는 미러 지지대(220)가 마련된다. 미러 지지대(220)는 회전 실린더(200)의 상부에 끼워지므로 미러 지지대(220)의 하부 형상은 회전 실린더(200)와 같이 원형이고, 고리 모양인 것이 바람직하다. 그리고 회전 실린더(200)의 직경 양쪽에 레버 형상의 미러 지지대(220)가 수직 방향으로 구비됨으로써 미러축(120)과 연결되어 미러(110)를 지지한다.
회전 실린더(200)가 스핀들 모터(210)의 구동에 의하여 회전됨으로써 회전 실린더(200)에 연결된 미러 지지대(220)가 회전하게 되며, 미러 지지대(220)에 지지된 미러(110)도 회전한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서의 틸팅 제어부를 나타낸 확대도이다. 도 4를 참조하며, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서의 틸팅 제어부에 대하여 상세히 설명한다.
미러(110)를 틸팅시키는 틸팅 제어부는, 미러 지지대(220)의 일측에 마련되며 링 기어(370), 유성 기어(360), 웜(300), 웜 기어(310), 제1링크(320) 및 제2링크(330)를 포함한다. 즉, 틸팅 제어부는 구동부의 회전에 의하여 스핀들 모터(210)의 회전축인 가상의 제1축과 직각으로 교차하는 축인 가상의 제2축을 중심으로 상기 미러(110)를 회동시킴으로써 미러(110)를 틸팅시킨다.
링 기어(370)는 스핀들 모터(210)가 설치되는 본체(400)의 상부에 고정되며, 내주면에 치형이 형성된다. 링 기어(370)의 내주면에 형성된 치형은 스핀들 모터(210)의 회전축에 평행하게 절삭한 형상 또는 스핀들 모터(210)의 회전축에 대하 여 경사지게 절삭한 형상 등을 모두 포함한다.
유성 기어(360)는 링 기어(370)에 내접하여 링 기어(370)의 내주면을 따라 회전하며, 그 외주면에는 링 기어(370)의 치형과 대응되는 치형이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 다양한 잇수를 가진 링 기어(370) 및 유성 기어(360)를 사용함에 따라 유성 기어(360)가 링 기어(370)의 내주면을 따라 회전하는 속도를 조절한다.
웜(300)은 미러 지지대(220) 하부의 동일 평면에 대하여 수직방향으로 결합되고, 일단에는 유성 기어(360)가 연결된다. 즉, 스핀들 모터(210)에 의하여 회전 실린더(200)가 회전됨으로써 웜(300)의 일단에 연결된 유성 기어(360)도 회전하게 되는데, 유성 기어(360)의 회전에 의하여 웜(300)도 회전한다.
웜 기어(310)는 웜(300)에 치합됨으로써 회전하며, 웜(300)의 회전축과 웜 기어(310)의 회전축은 서로 직각으로 교차한다. 웜 기어(310)가 회전함으로써, 일단이 웜 기어(310)의 크랭크축(340)에 편심 연결되는 제1링크(320)는 일정한 원호를 경로로 한 주기운동을 한다.
제2링크(330)의 일단은 연결축(350)에 의하여 제1링크(320)의 타단에 연결되고, 제2링크(330)의 타단은 미러(110)의 틸팅 중심이 되는 미러축(120)에 연결된다. 즉, 제2링크(330)는 제1링크(320)의 주기운동에 의하여 미러축(120)을 중심으로 회전하고, 제2링크(330)에 연결된 미러축(120)도 회전한다. 이러한 미러축(120)의 회전에 의하여 미러(110)는 회동되고, 미러(110)의 틸팅각을 제어하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서의 방출광이 그리는 스캐닝 평면이다. 도 5를 참조하며, 본 발명의 3차원 공간 인식 센서에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 3차원 공간 인식 센서(100)에 의하면, 구동부 및 틸팅 제어부는 동일한 스핀들 모터(210)에 의하여 작동됨으로써 미러(110)의 회전 동작과 틸팅 동작은 항상 동기화된다. 따라서, 미러(110)에 의하여 반사되는 방출광의 궤적은 주기함수가 된다. 또한, 미러(110)를 둘러싸며 방출광이 투영되는 가상의 원통면을 절개한 스캐닝 평면에서, 제1방출광이 그리는 제1궤적과 제2방출광이 그리는 제2궤적은 동일 면적의 사각 모눈을 형성하며 교차하게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서의 틸팅 제어부를 나타낸 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 공간 인식 센서의 방출광이 그리는 스캐닝 평면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 3차원 공간 인식 센서 110 : 미러
120 : 미러축 200 : 회전 실린더
210 : 스핀들 모터 220 : 미러 지지대
300 : 웜 310 : 웜 기어
320 : 제1링크 330 : 제2링크
340 : 크랭크축 350 : 연결축
360 : 유성 기어 370 : 링 기어
400 : 본체

Claims (6)

  1. 방출광 및 입사광을 반사시키는 미러;
    상기 미러를 회전시키는 구동부;
    상기 미러를 틸팅(Tilting)시키는 틸팅 제어부; 를 포함하며,
    상기 구동부 및 틸팅 제어부는 동일한 스핀들 모터에 의하여 작동됨으로써 상기 미러의 회전 및 틸팅이 동기화되는 3차원 공간 인식 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 스핀들 모터의 회전축인 가상의 제1축을 중심으로 회전되고, 상기 틸팅 제어부는 상기 스핀들 모터의 회전축과 직각으로 교차하는 축인 가상의 제2축을 중심으로 상기 미러를 회동시킴으로써 상기 미러를 틸팅시키는 3차원 공간 인식 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는, 원통 형상으로서 방출광 및 입사광이 통과되도록 중앙이 개구되며 상기 스핀들 모터에 연결되어 회전하는 회전 실린더와, 상기 회전 실린더를 회전시키는 상기 스핀들 모터와, 상기 미러를 지지하며 상기 회전 실린더에 연결되 는 미러 지지대를 포함하는 3차원 공간 인식 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 틸팅 제어부는, 상기 스핀들 모터가 설치되는 본체의 상부에 고정되며 내주면에 치형이 형성되는 링 기어와, 상기 링 기어에 내접하여 상기 내주면을 따라 회전하는 유성 기어와, 상기 미러를 지지하는 미러 지지대에 결합되고 일단에는 유성 기어가 연결되는 웜과, 상기 웜에 치합되는 웜 기어와, 레버 형상으로서 일단은 상기 웜 기어에 편심 연결되는 제1링크와, 레버 형상으로서 일단은 상기 제1링크의 타단에 연결되고 타단은 상기 미러의 틸팅 중심이 되는 미러축에 연결되는 제2링크를 포함하는 3차원 공간 인식 센서.
  5. 가상의 제1축을 중심으로 회전되고 상기 제1축에 수직한 가상의 제2축을 중심으로 회동되는 미러에 의하여 방출광 및 입사광이 반사되고, 상기 제1축을 중심으로 한 회전각과 상기 제2축을 중심으로 한 틸팅각은 서로 동기화됨으로써 상기 방출광의 궤적은 주기함수가 되는 3차원 공간 인식 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미러를 둘러싸며 상기 방출광이 투영되는 가상의 원통면을 절개한 스캐닝 평면에서, 제1방출광이 그리는 제1궤적과 제2방출광이 그리는 제2궤적은 동일 면적의 사각 모눈을 형성하며 교차 되는 3차원 공간 인식 센서.
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