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유리온실용 방제로봇 ‘CERES’의 구성과 개발과정(上) 유리온실용 방제로봇 ‘CERES’의 구성과 개발과정(上) 관리자 기자입력 2007-04-02 16:32:18

농업용 로봇의 세계시장 규모를 4천억 달러로 예상하고 있는 가운데, 2007년을 여는 첫 달에 (주)CMS를 비롯한 연구팀이 유리온실용 방제로봇 농업용 로봇 ‘CERES’로 새로운 블루오션을 개척하고 선점할 수 있는 기회를 만들고 있다.
본지에서는 2회에 걸쳐 ‘CERES’의 개발과정과 기술사양을 소개하도록 하겠다. <편집자 주>

농업용 로봇의 수요조사 통해 장기개발 계획 세워

국내농업의 기계 및 자동화는 90년대 중반까지 논 농업에 있어서 거의 이루어졌으며, 그 이후로는 전작농업 및 시설농업의 기계화와 자동화에 역점을 두고 있다.
현재는 농촌 노동력의 현저한 감소 및 노령화·부녀화로 많은 노동력이 필요한 시설농업의 기계화, 자동화에 대한 요구가 증대하고 있다.
농업은 기후나 주위 환경에 영향을 많이 받는 분야로 선진국의 농업이 ‘농지재배→ 시설재배→ 수경재배→ 식물공장’ 순으로 발전되고 있어 장기적으로 미래 농업을 대비한 기술이 필요하며, 인구증가, 농업 노동력의 감소, 식량 부족 등에 대비하여 한정된 공간에서 이상 기후에 좌우되지 않고 안정적으로 작물을 증산할 수 있는 기술 개발이 요망된다.
이에 (주)CMS의 연구진은 농업용 로봇의 수요조사를 수행하고 수요조사와 타당성 검토를 거쳐 다음과 같은 장기개발 계획을 세웠다.

·1차 개발 : 유리온실용 방제로봇
·2차 개발 : 작물선별기
·3차 개발 : 수확기 로봇

1차 개발대상으로써 유리온실용 방제로봇을 선정하였다. 방제작업에서는 화학적 방법이 효과가 가장 좋으며 생산자들이 가장 선호하고 있다.
이 화학적 방법은 정밀방제를 실시하여 효과를 향상시키고 환경오염을 최소화하는 것이 중요한 과제이다. 독성이 강한 농약을 적정 위치에 살포하여 방제 효과를 높이는 것이 중요하다.
최근에는 방제효율 및 효과를 최대화하고 환경오염 및 약해를 최소화하기 위해 정밀방제 시스템 및 자동화 내지 무인화 방제 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
방제작업 시 작업자의 안전 및 보호를 포함한 작업의 편의성을 기할 수 있는 무인자동 방제로봇을 개발하고 장기적으로는 친환경 농산물 생산의 일환으로 천적에 의한 방제의 비중이 커져 화학적 방제의 역할이 축소되므로 개발에서 시설하우스용 환경계측 및 모니터링 기능을 보강하기로 하였다.


대상작물의 선정에서, 우선 하우스나 온실에서 주로 재배되는 작목을 대상으로 할 수 있는데 그 중 수박, 딸기, 참외, 신선 채소 등 포복성 또는 생장 높이가 낮은 작물과 토마토, 오이, 파프리카, 화훼류 등 직립형(생장 높이가 높은) 또는 버팀목에 의해 재배되는 작물을 대상으로 할 수 있다.
포복성 또는 생장 높이가 작은 작물을 대상으로 하는 방제로봇을 개발하는 것이 쉬우리라 생각되지만 수익성이 높은 유리온실에서의 수요 등을 생각하여, 대상 작목을 시설하우스에서 가장 많이 재배되고 재배 면적도 가장 큰 파프리카로 결정하였다.


파프리카의 작형을 분석한 후 작업기의 사양을 결정했는데, 보통 파프리카는 재배 간격이 60∼70cm이므로 작업기의 폭은 여기에 맞게 설계하고 길이는 회전 반경을 고려하여 결정하였다.
궁극적으로는 다양한 방제작업을 할 수 있도록 기능을 부여하고 로봇의 형태 및 치수를 정하여야 하며 자율주행이나 원격주행을 하면서 방제작업을 수행하여야 한다.
또한 시설하우스 내의 작물 생육환경(토양 습도, 온도, 대기 습도, CO2 농도 등)을 측정할 수 있도록 하였다.
생산자는 향후 작물 생육환경 조절에, 소비자는 작물생산 과정에 대한 정보를 얻을 수 있다. 모든 기능의 조작과 데이터의 수집은 자율주행, 그리고 무선 인터넷과 블루투스에 의하여 원격으로 이루어지며 작업기에 회전형 카메라를 장착하여 실시간 모니터링 시스템으로 활용하도록 하였다.
이후에는 인공시각에 의한 정보를 분석하여 적절한 곳에 적량의 초정밀 방제를 할 수 있는 시스템으로 발전시킨다.


사용자는 작업기의 제어를 원격 컴퓨터에 의해 원거리에서 할 수 있으며 경우에 따라서는 수동으로 작업을 할 수 있도록 하고, 작업기 본체에 장착된 제어기(컴퓨터)는 자료수집 및 작업기 제어에 이용하며 이후 계획된 작업분석은 부하가 많이 걸리므로 주 컴퓨터에서 하도록 한다.
또한 제초, 토양소독 기능 등을 첨가하여 다목적 시설하우스용 로봇 관리시스템을 구상할 수 있다.
이는 자동 가온장치, 창문 자동 개폐장치, 자동 관수장치, 방제, 운반, 수확 등을 자동 제어할 수 있는 시스템으로 발전시킨다.
이 같은 기능으로 개발한 유리온실용 방제로봇은 앞으로의 개발 계획에서의 근간이 될 것이고, 또한 계속 보완해 나가게 될 것이다.




6가지 기본요소를 바탕으로 한 농업용 로봇

농업용 로봇은 산업용 로봇과 유사하며 재 프로그램이 가능하고 매니퓰레이터(Manipulator)의 유무, 각종 센서, 비전의 활용, 자율주행 기능의 유무 등에 따라 분류가 가능하다.
이 로봇은 크게 수확용 로봇(생산자동화의 다양한 기능 필요), 농업용 자율주행 머신(트랙터, 콤바인, 이식기 등으로 GPS&GIS 등을 응용), 식물공장(이식기, 이송기, 방재기, 수확기, 포장기), RPC(건조기, 정미기, 현미기 일체형 자동 시스템) 등으로 나눌 수 있으며, 공학과 생명공학, 원예학, 사회과학이 결합되어야 하는 분야라는 독특한 특성을 가지고 있다.
또한 농업용 로봇의 기본요소는 다음과 같다.

- Manipulator : Mechanism, Control
- End-effector : Mechanism, Sensor
- Sensor
- Travelling Devices
- Control Devices
- Actuator : Electrical, Hydraulic, Pneumatic


농업용 로봇의 순차적 개발계획

1차 년도에는 (주)CMS의 개발력에 대한 대외적인 인지도를 고취하고 조속한 능력축적을 위하여 비교적 개발이 용이하며 개발기간을 단축시킬 수 있는 대상을 모색하였다.
이후 장기계획으로 순차적으로 고유기술을 개발하고 적용하여 독창적인 부가가치를 향유할 수 있는 제품을 개발하기로 했다.

·1차 개발 - 방제로봇 ‘CERES’
유리온실용 파프리카 방제로봇인 ‘CERES(풍작의 여신)’가 1차 개발로봇으로, 이는 유리온실은 작업환경이 비교적 정리되어 있고 대상 작물이 부가가치가 높아 비교적 고가인 로봇의 적용 타당성이 높다고 판단되어 개발되었다.
이를 위한 기술적 배경으로는 일본의 Yanmar社에서 6백만원 이내의 가격으로 시판중에 있지만, 비교적 단순 기술 제품이고국내에는 현재 제품이 없으며, 온실 내 설치된 고정식 살포기를 이용한다고 하며 농약의 독성 등으로 인하여 문제가 심각하다고 볼 수 있어 빠른 개발이 필요한 실정이다.
또한 시중의 제품을 분석하여 접목하기 용이하다는 장점도 있는 이 로봇의 개발계획의 세부내용은 다음과 같다.

- 기존의 분무살포기를 분석하여 기본으로 함.
- 농업에서 주요 이슈가 되어있는 정밀농업을 위한 기능의 추가. 예로 비전을 이용하여 필요 부분에만 국부 살포하고 살포 량을 최적화하는 기능 등
- 도내의 유리온실 및 관계기관을 방문 조사하여 필요기능을 조사하고 적정 예상가 등 조사
- 자율주행 기능에 의한 온실 내 자동 분무 기능
- 작업자 탑승 작업기 기능
- 카메라에 의한 작업장 실시간 감시 기능 및 필요 데이터(광량, CO2, 온도 등) 실시간 모니터링 기능

이외에 앞으로 추가될 것으로 예상되는 기능은 다음과 같다.

- 작물생산 이력관리 기능의 추가 : 살포 일시, 살포 성분, 살포 량 등의 자료 관리는 필수이나 농민들의 수기(手記)에 의하므로 잘 이루어지지 않고 있기에 이력관리를 할 수 있는 소프트웨어 기능을 추가하여 전산관리가 가능하도록 함.
- 최적 살포를 위하여 작물의 높이를 센서로 측정하여 분무기의 높이를 자동으로 실시간 제어하는 기능

·2차 개발계획 - 작물 선별기
‘작물 선별기’의 역할을 할 2차 개발로봇은 수박, 참외, 한라봉, 감귤, 배, 사과 등의 작물은 수확 후 인력에 의하여 이동되고 선별기로 운반되어 당도 등을 측정한 후 분류 이동된다.
이는 단순반복 작업이며 또한 일부 작물은 중량물로서 작업에 무리가 따르고, 몇 가지의 작업이 순차적으로 이루어지는바 로봇에 의한 통합 시스템이 개발되면 작업효율을 높이고 인력을 절감할 수 있다.
이 ‘작물 선별기’로봇의 기술적 배경으로는 용기에서 작물을 작업자가 꺼내어 꼭지가 위쪽으로 오도록 확인하여 컨베이어에 투입하면 선별기로 이동되어 당도 크기 등에 의하여 등급 분류가 되고, 이에 따라 다시 작업자가 분류 이동시켰던 기존의 작업절차에서 로봇이 작물을 그리퍼로 집은 후 꼭지의 위치를 비전으로 확인하여 위로 향하도록 하고(Positioning Device) 동시에 선별 작업을 하여 분류 등급에 따라 이동시키는 기능을 갖게 되었다.
이를 실현하기 위해 다음과 같은 개발기술 배경을 갖는다.

- 꼭지의 위치를 확인하여 정렬하여 주는 Positioning Device는 개발되면 원천 기술로서 많은 농업 분야에 적용이 가능한 기술
- 현재 전용 선별기만은 개발되어 많이 적용되고 있어, 선별기능과 이송, 분류 기능을 함께 가진 로봇을 개발하면 고부가가치의 고 수확량의 작물을 중심으로 많은 수요 예상
- 본 기술에는 기 개발된 산업용 로봇을 적용할 수 있어 신뢰성 높은 제품을 개발하고 기간 단축
- 선별기술 등은 이미 개발된 기술을 응용
- 전체적으로 최적시스템의 개념을 어떻게 잡을 것인지 연구

·3차 개발계획 - 수확기 로봇
고부가가치의 작물을 대상으로 작업장을 이동하면서 비전 등의 센서로 작물의 성숙도, 위치 등을 확인하여 매니퓰레이터로 접근하여 최적 설계된 그리퍼로 따내어, 분류하고 이송하는 작업을 하는 다기능의 로봇인 ‘수확기 로봇’이 3차 개발과제다.
이 로봇은 자율이동 기능, 매니퓰레이터, 엔드 이펙터, 비전 등의 기술이 총체적으로 어우러진 고급로봇으로, 대상 작물로는 멜론 등을 생각할 수 있다.

 

관리자 기자
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