농업용 로봇을 선도하는 (주)CMS
시설농업용 다목적로봇 ‘CERES’의 구성과 개발과정(下)
농업용 로봇의 세계시장 규모를 4천억 달러로 예상하고 있는 가운데, 2007년을 여는 첫 달에 (주)CMS를 비롯한 연구팀이 시설농업용 다목적로봇 ‘CERES’로 새로운 블루오션을 개척하고 선점할 수 있는 기회를 만들고 있다.
본지에서는 2회에 걸쳐 ‘CERES’의 개발과정과 기술사양을 소개하도록 하겠다. <편집자 주>
1차 개발 결과 - 시설농업용 다목적로봇 CERES
·개발계획
- 현지조사 : 도내의 시설농장을 방문하여 대상 작물, 필요 기능, 타당성 등을 중심으로 현장조사
- 시장환경 조사 : 일본과 국내의 자동 분무기의 시장을 참고조사하며 적정가격 등에 대하여 알아봄.
- 제품의 기술적 조사 : 필요시 제품을 구입하여 분석하고 개발기간을 단기화하며 시행오차를 최소화 함.
- 참여단위의 업무분담 : 참여 교수진 및 기업체의 업무를 명확히 구분하여 혼선을 피하고 개발기간을 단기화
- 연구예산 및 일정계획 수립 : 2006년 4월 이내에 세부예산 및 일정계획을 수립토록 함.
·시설농업용 다목적로봇 CERES의 필요 기능
방제로봇은 적용 대상이 되는 작물군의 작부체계를 분석한 후 다양한 방제 작업을 할 수 있도록 기능을 부여하고 개발된 기종으로, 비교적 다양한 작물을 방제할 수 있도록 로봇의 형태 및 치수를 정하여야 하며 자율주행이나 원격주행을 하면서 방제작업을 수행해야 한다.
또한 시설농장 내의 작물 생육환경(토양 습도, 온도, 대기 습도, CO2 농도 등)을 측정하고 측정치들을 분석하여 적절한 조치를 취할 수 있으며, 그 결과를 기록하여 생산자나 소비자에게 제공할 수 있도록 한다. 생산자는 향후 작물 생육환경 조절에, 소비자는 작물 생산 과정에 대한 정보를 얻을 수 있다.
가능하면 모든 데이터의 수집은 원격으로 이루어지며 작업기에 인공시각을 장착하여 시설농장 내 환경을 감시할 수 있는 모니터링 시스템으로도 활용하고 더 나아가서는 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 한다. 부하가 많이 걸리는 작업 분석은 주 컴퓨터에서 하며 작업기 본체에 장착된 제어기(컴퓨터)는 자료수집 및 작업기 제어에 이용한다.
또한 제초, 토양소독 기능 등을 첨가하여 다목적 시설농업용 로봇 관리시스템을 구상할 수 있다. 자동 가온장치, 창문 자동 개폐장치, 자동 관수장치, 방제, 운반, 수확 등을 자동 제어할 수 있는 시스템으로 발전시키고, 방제에 사용되지 않을 때는 현재 사용되고 있는 시설농업용 작업기를 겸할 수 있도록 작업자가 수조작으로 작업기를 상하 이동시키며 수확, 관리 등의 작업을 할 수 있도록 기능을 추가한다.
- 밀폐된 작업환경에서 작동함으로 동력은 2차 전지를 기반으로 모터를 이용
- 레일주행부는 바퀴를 철제로 하고 레일의 폭 변화에 대응할 수 있도록 함
- 통로주행부는 바퀴가 주행 시에만 유압 펌프에 의하여 내려오도록 설계
- 분무기는 분무용 유압 펌프를 구입하여 사용
- 작업자가 사용하는 작업기는 유압펌프에 의하여 상하이동하는 사다리꼴 메커니즘을 이용
- 마이크로컨트롤러를 이용하여 장치의 제어가 가능하도록 설계
- 목표 작업환경을 설정하고 그 목적에 맞도록 장치를 설계
·시설농업용 다목적로봇 CERES의 구성 
개발된 시스템은 조작이 간편하고 견고해야하며 습도가 높은 곳에서도 작동이 가능하여야 한다. 전체적으로 중량이 적게 나가고 화학 물질이나 습기에 강한 재질을 이용하여 차체를 제작한다. 시스템의 구성은 크게 주행부, 제어부, 작업부, 소프트웨어부, 환경모니터링모듈로 나눌 수 있으며 세부구성은 다음과 같다.
① 주행부와 동력
기존에 사용되는 자율주행 장치는 차륜 및 레일에 의한 지상주행식으로 하며 원격조종과 자율주행으로 작동이 이루어지도록 하는데, CERES의 경우는 작업용 궤도바퀴 4개 일조와 그에 직각 방향으로 중앙통로이동용 바퀴 4개 일조를 장착하였다.
또한 긴급 상황이 발생하면 수동으로 동력원을 차단할 수 있는 스위치를 장착한다.
한편 이 방제로봇의 동력은 밀폐된 곳에서 자라는 작물의 환경의 영향을 최소화하고 작업자의 안전을 고려하여 충전지에 의한 모터 동력을 사용하는데, 전지의 용량과 크기는 사용시간과 시스템 크기를 감안하여 결정할 수 있다. 1회 충전으로 약 8시간 이상의 작업(주행과 방제 작업)을 할 수 있도록 한다.
또한 작업종류에 따라 속도는 0.5~1m/s의 수행속도를 낼 수 있으며, 속도조절이 가능한 DC 모터를 선정, 주행동력을 제공하는 모터는 2개의 DC 모터를 사용하고 소비 전력은 각 100~200W로 한다.
② 제어부
작업기 본체의 주행에 관한 제어를 담당하며 주 조정 컴퓨터 또는 원격제어기로부터 제어신호를 받고 구동하는 제어부는 긴급한 돌발 상황이 발생하면 수동 스위치나 긴급 제어신호에 의해 작업기의 모든 동력원을 차단한다.
제어기는 마이크로컨트롤러(AVR AT-Mega128)를 이용하고, 제어나 작동 상황을 나타낼 수 있는 디스플레이를 장착하고 있다.
③ 작업부
방제대상이 주로 작물의 윗면 보다는 뒷면에 있으므로 분무 방식을 선택할 수 있다.
작물에 생육 형태에 적절한 붐이 필요하며 붐의 높이 및 길이가 살포 대상 면적에 따라 가변형으로 설계하고, 방제장치의 펌프는 모터에 의해 구동되게 하며 동력장치의 모터와 별개의 모터를 이용한다.
약제 탱크는 작업량을 기준으로 선정하고, 약제탱크에 수위 또는 약제량 측정센서를 설치하여 탱크 내에 있는 약제의 양을 측정하여 적절한 조치를 취할 수 있도록 하며, 약액이 떨어지면 주행이나 방제작업을 정지하는 신호를 주행부와 주조정 컴퓨터에 보낸다.
④ 소프트웨어
소프트웨어는 주 조정 컴퓨터와 작업기 본체에 전체 상황 모니터링 및 작업기 제어에 필요한 데이터 수집 및 분석에 적합하도록 설계하며, 얻어진 데이터는 무선통신(블루투스)으로 전송한다.
CERES는 환경모니터링 센서 모듈로부터 얻어진 정보를 이용, 시설농장 내의 각종 장치(환기창, CO2 발생기, 가습기 등)를 제어할 수 있는 인터페이스를 제공하고, 작업자가 사용하기 쉽게 GUI(Graphical User Interface)를 사용한다.
제어 프로그램은 크게 작업기 컨트롤러용과 주 컴퓨터용 두 파트로 나누어져 있는데, GUI(Graphical User Interface)를 이용하여 사용자가 손쉽게 사용할 수 있도록 하였다. 작업기 컨트롤러용 제어 프로그램은 아날로그 입력(A/I) 및 디지털 입력(D/I) 각 8채널의 데이터 취득장치(Data Acquisition Device)와 마이크로컨트롤러(소형 컴퓨터)를 제어하며 각종 작업을 제어한다.
작업기 컨트롤러용 GUI는 모든 작업 상태 및 제어상태를 모니터에 표시하며 무선 인터넷을 통해 주조정 컴퓨터로 모든 데이터를 전송하고, 작업모드는 수동모드와 자동모드로 나뉘는데, 수동모드는 작업기가 과실 수확기로 사용될 때 사용하며 자동 모드는 방제 작업과 환경 모니터링 작업에 사용된다.
수동모드에서 작업자는 작업기의 컨트롤러를 이용하여 작업기를 수확 위치로이동할 수 있으며, 작업기 승강기에 올라 승강기 높이와 작업기의 전, 후진 조작을 할 수 있고, 자동모드는 주조정 컴퓨터에서 방제작업과 환경 모니터링 작업에 작업기를 자동으로 제어한다.
자동모드의 모든 작업은 주조정 컴퓨터의 GUI를 이용하여 이루어지고, 자동모드에서 작업기의 현 위치를 알 수 있으며 작업기에서 얻어진 데이터는 주조정 컴퓨터에 표시된다.
⑤ 환경 모니터링 모듈
환경 모니터링 센서 모듈은 시설농장 내의 작물 생육환경과 대상체의 물리, 생물, 화학적 정보를 얻을 수 있는 센서들을 선택하여 환경 모니터링 센서 모듈을 구성하여 장착한다.
이 센서모듈에 공급되는 전원은 작업기에 있는 DC 전원을 이용 DC 5~12V에서 작동하는 센서를 선택한 후 센서모듈은 시설농장 내 온도, 습도, 대기압, CO2 농도, 일사량, 소형 CCD 카메라로 구성한다.
- 온도센서: 25℃에서 0.5℃ 이내의 정밀도를 갖는 센서를 선택
- 습도센서: 20℃에서 5% 이내의 정밀도를 갖는 센서를 선택
- 대기압센서: 0.5mb의 정밀도를 갖는 센서를 선택
- 일사량센서: 최대 5%의 정확도를 갖는 것을 선택
- CCD 카메라: 실내 환경 모니터링용으로 원격으로 좌우상하 이동이 용이한 것을 선택함. 무선으로 영상데이터를 전송
이렇게 얻어진 자료들은 주 컴퓨터로 전송되며 시설농장 내 환경 모니터링과 각종 장치들의 제어에 사용될 수 있게 한다.
CERES, 계속 보완하며 성력화 자동화에 기여
CERES는 앞으로도 계속 보완하여 시설농장에서 작업의 성력화 자동화에 기여할 것이며, 개발에 사용된 구동 플랫폼의 개발기술, 실시간 모니터링 기술을 비롯한 기술은 이후의 개발에서 중요한 역할을 하게 될 것이다.
