농업용 약액주입 로봇의 개발
토양 소독 자동화 시스템에는 ‘로봇’이 제격
현재 일본의 농사 현장에서는 농사 종사자가 대폭 감소(과거 20년 사이, 636만명→ 320만명)되었을 뿐만 아니라 고령화(65세 이상 비율, 20%→60%)가 진행되고 있어서, 농업의 지속적 발전을 도모하기 위해서는 노동환경의 개선과 신규 참여자의 원활한 영농이 되도록 지원해야 되고, 고령자에 대한 대책이 있어야 한다. 같은 밭에서 연작하는 경우 병충해를 방재하기 위해 극독물로 토양을 소독하는 관계로, 작업자는 방독마스크 및 방호복을 입고 약액 주입 작업을 하고 있어, 피해를 방지하기 위한 ‘토양 소독 자동화 시스템’의 연구를 시작했다.
로봇에 의한 농사 작업 자동화
로봇에 의한 농사 작업의 자동화 및 지원의 시도는 지금까지 많이 이루어져 왔었다. 농사 작업을 직접 자동화하는 로봇을 비롯하여 수동의 농업기계를 자동으로 후미에 부치는 운반 로봇이나 농지, 목초지의 측량 작업의 정보화를 위한 자주(自走)로봇 등의 농사 작업을 간접적으로 지원하는 로봇을 포함하여 여러 연구보고가 있으나 토양 소독작업을 자동화하는 연구개발은 별로 없었다.
연작에 의한 육성불량 대책으로 실행되는 방안으로 토양에 크로로피크린(Chloropicrin : CL3CNO2)을 주입하는데 이 약이 극약인 관계로 작업자의 건강에 미치는 피해에 주의가 필요하다. 피부에 접촉되지 않도록 방독 마스크 및 방호복을 착용토록 규정하고 있으나 여름철에 극히 견디기 어려운 실정이다. 작업을 로봇화 한다는 것은 작업 품질의 향상, 생력화, 작업자의 안전 확보 및 부담 경감에 큰 의의가 있다.
농사일에 로봇을 도입한다는 것은 로봇의 자기위치 측정과 내비게이션이 중요한 과제로 되어 있기 때문에 GPS, 화상, 레저 레인지 파인더 등의 사용을 시도하였고 위치정도는 300(mm) 이하라는 지적이지만 개발하는 약액주입 로봇은 정도를 높여 100(mm) 이하로 되었다.
토양 소독 작업
· 작업 환경
크로로피크린 주입작업은 수확 후의 작물을 철거하고 토양을 경작한 후에 실시한다. 이 때문에 노면의 윗부분이 부드러워서 발목까지 묻히게 된다. 토양은 평탄하지 않고 요철 또는 경사면이 있는 정지되지 않은 상태로 되어 있다.
· 작업 순서
토양 소독 작업은 다음과 같은 순서로 이루어진다. ①밭에 있는 풀은 전부 제거한다. ②크로로피크린을 밭에 주입한다. ③비닐로 토양을 덮고 크로로피크린을 훈증시킨다. ④비닐을 벗긴다. 크로로피크린은 휘발성이 매우 높은 편이라 주입 후 토양을 비닐로 덮지 않으면 효과를 기대할 수 없다. 본 연구의 로봇에 의한 자동화 작업은 상기의 ②항이 된다. 그러나 ③ 및 ④항에 대한 요청도 많다. 이는 비닐을 토양을 덮을 때 휘발된 크로로피크린이 증발된 것을 흡인 할 우려가 있기 때문에 이를 염두에 두고 개발하였다.
약액주입 로봇의 개발
· 요구 스펙
크로로피크린 주입작업을 자동화하는 로봇의 요구 사항을 다음 항목에 따라 시제작 1호, 2호를 만들었다. ①어느 정도의 비바람, 약간의 먼지, 흙이 튀는 가운데 작동 ②경작된 부드러운 토양 속의 요철, 경사를 올라 갈 수 있고 ③크로로피크린을 안전하고 또한 등 간격으로 하여 주입량을 조정할 수 있고 ④20 리터의 약액을 주입하여 약 2시간 이상의 연속 운전이 가능할 것 ⑤로봇 사용에 따라 작업자가 크로로피크린을 흡인 하지 않고 끝내는 작업 스펙 형태를 고려하고 ⑥로봇이 경트럭에 탑재 될 수 있는 350kg 이하로 하고 ⑦로봇은 트럭의 적재상에 경사판을 이용하여 탑재할 수 있을 것.
· 로봇의 스펙
2008년 약액주입 로봇을 개발하여 실증시험을 실행하였고 로봇의 중량이 450kg으로 경트럭으로 운반 할 수 없었다. 2호 시제 로봇은 350kg으로 경량화 하여 탑재가 가능하였다. 또 작업 효율을 향상시키기 위해서 약액 탱크를 20리터에서 40리터로 증량해서 탑재 가능하도록 하고 약액 주입기의 롤러를 2조에서 4조로 증가시키고 유압의 파워를 높여 조수를 최대 8조 까지 높일 수 있게 하였다.
로봇의 구조는 기계적 구조보다는 펌프를 가동해서 약액을 분출시키고 실린더의 신축에 의한 링크 기구와 향후 비닐을 덮거나 제거하는 작업을 자동화에 응용할 수 있도록 하였고, 약액 주입기는 2개의 볼트만으로 간단히 결합 할 수 있게 하고, 이동기구는 크롤러(Crawler)의 유압 구동 방식으로 하였다. 보수성의 향상과 가격을 저렴하게 시도하였다.
레이저 삼각측량 센서를 사용한 유도법
· 주행 제어
옥외 정지되지 않은 곳의 로봇의 유도법은 GPS나 레이저 레인지 파인더, 화상센서 등을 사용하는 것을 연구하고 있지만 GPS는 고가의 센서이고 하우스 내와 옥내에서는 정도가 안정되지 않고 있으며 레이저 레인지 파인더 및 화상 센서는 옥외와 같은 외란이 많은 곳에서는 아직 기술적 문제가 많다. 2호 시제작에서는 자이로센서와 레이저 삼각측량 센서를 병용해서 주행법을 개발하였다. 그러나 두 가지 모두 고가이므로 레이저 삼각측량 센서만을 사용하여 유도법을 환경 내에 위치를 이미 알고 있는 최저 3매의 리플렉터로부터 나오는 반사로 자기위치를 산출하게 된다.
· 리플렉터 설치 위치의 취득
이 방법은 리플렉터의 위치를 미리 정확하게 알아 두는 것이 중요하다.
①밭의 도면상에 리플렉터의 설치 위치를 정하고 도면상의 좌표치를 사용해서 리플렉터를 정해진 좌표 위치에 정확하게 설치한다. 이 방법은 옥외에서는 비효율적이다. ②리플렉터를 설치한 후 밭에 레이저 삼각측량 센서를 설치하고 리플렉터의 위치를 계측하여 그 값을 시용한다. 이를 절대좌표로 변환하는 것은 측정 시 센서의 절대위치와 방위가 필요하다.레이저 삼각측량 센서가 로봇에 탑재 된 상태에서는 밭에 로봇을 투입하여 의도한 장소에 정확하게 놓거나 정확한 위치에 로봇의 절대위치를 계측하는 것은 어렵다.
따라서 리플렉터의 위치를 계측할 때는 레이저 측량 센서를 로봇에 탑재하지 않고 지그 위에 놓인 상태에서 리플렉터를 스캔하도록 하였다.개발한 리플렉터 좌표 자동등록 지그는 레이저 로보 파인을 탑재하여 사용한다. 센서의 스캐너 중심과 레이저 로보 파인의 중심이 일치되어 있고 지그의 밑 부분은 나사로 되어 있어서 높이와 수평도를 조정할 수 있게 되었다.
· 리플렉터의 설치 및 형상
주행 범위 내에 설치한 리플렉터의 형상은 200×200(mm)로 하였다. 다만 정지되지 않은 곳에서는 로봇의 경사로 인하여 리플렉터의 종측의 길이를 약간 높일 필요성을 검토한 결과 600×200(mm)로 하고 향후 하우스 내에서는 기둥에 설치하도록 하였다.
모의시험
실증실험을 위해 임차 사용한 하우스의 크기는 17×32(m)로 중간에 기둥이 있었으나 이 가운데 폭 6m, 길이 25m에서 주행속도 최대 30m/min로 하였다. 주행경로는 레이저 삼각측량 센서만을 사용하였으며 300mm 간격으로 4열의 약액 주입이 가능하였으며 경로의 간격은 1,200mm로 하였다. 시험장 주위에 배치한 리플렉터를 항상 검출하면서 절대좌표상 자기위치를 계산하고 위치를 보정하면서 주행시켰다. 리플렉터의 위치 취득은 리플렉터 자동등록 지그를 사용하였다.
리플렉터 설치에서 위치계획 완료까지의 시간은 1시간 이내로 종래의 1/3로 감소되었다.
또한 약액 주입구를 2조에서 4조로 증가시켜 1호 시제기에 비해 2배의 작업 효율을 올리고 인력에 대해서는 4배의 효율을 올리게 되었다. 주행 중 좌우로 벗어나는 정도는 ±100mm 이내에서 주행하였으며, 정지 정도도 ±100mm, 절대좌표상의 자기위치를 알기 때문에 출발 시 로봇의 방위가 약간 틀려 있어도 로봇자신이 수정하여 주행할 수 있게 되었다.
결론
시제작 1호기의 과제였던 차체중량을 350kg으로 감소시켜 경트럭에 탑재할 수 있게 되었으며, 레이저 삼각측량 센서만의 주행법을 개발하여 사용함으로써 자이로 센서탑재가 불필요하게 되었다. 리플렉터 위치 계측을 위해 레이저 삼가측량 센서용 지그를 개발하여 작업 효율 및 정도를 향상시키고 약액 주입 기구를 4줄로 증설함으로써 1호 시제기보다 2배의 효율을 올리게 되었으며 인력은 4배의 효율을 향상시켰다. 또한 8줄까지 증설이 가능하다.
약액 주입기구의 부착을 어태치먼트로 하여금 다른 작업의 기구와 교체 가능토록 개량하였으며, 농장을 손상 없이 주행하도록 주행경로를 검토하여 주행제어가 가능함을 입증하였다. 향후 저가형의 로봇 본체 가격은 200만 엔 이하로 설정하고, 자율주행 로봇의 가격을 더욱 낮게 하여 본체 가격을 600만 엔 이하로 설정하였다.
출 처
1) 출처 : 足立佳儀, “農業用藥液注入ロボツトの開發 ”, 日本ロボット學會誌, 29(7), 2011, pp.584∼591
