KR100248213B1 - 다관절 로봇을 이용한 엽채류자동수확기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수경 재배되는 엽채류 예컨데, 배추·무우·당근·시금치·양상치 등과 같은 채소류를 자동으로 수확하는 엽채류 수확기에 관한 것으로, 상세하게는 상추와 같은 엽채류가 심어진 포트를 포트 압지위치로 이송시키는 엽채류 공급 컨베어와, 엽채류를 수확위치로 이동시켜 절단 처리하는 다 관절 로봇과, 그립퍼가 포트 압지를 위하여 전진할 때 자중이나 중력에 의해 밑으로 쳐진 잎을 공기압력으로 불어 올려 잎의 손상을 방지하는 잎 부상장치와, 각종 위치감지센서와, 수확된 엽채류를 포장부로 이송하는 엽채류 이송 컨베어와, 엽채류(상추)가 제거된 포트를 재활용할 수 있게 수거하는 수거함과, 공기압 공급원 및 이들을 제어하는 제어기로 크게 구성되며, 다 관절 수확 로봇의 아암 말단부에 위치하는 회전관절에는 압축공기로 동작하는 에어실린더-척(Aircylinder-Chuck)을 상하로 설치하고, 상기 에어실린더-척에는 이송되는 포트를 압지하는 그립퍼와, 그립퍼로 압지된 상기 포트의 엽채류 줄기를 절단하는 절단칼을 각각 설치하여 상추와 같은 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로써 인력대체 및 비용 절감효과가 있으며 수확에 따른 작업성 및 생산성을 크게 향상시킨 것이다.

Description

다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기

본 발명은 주로 수경 재배되는 상추·배추·무우·당근·시금치·양상치 등과 같은 엽채류를 자동으로 수확하는 엽채류 자동수확기에 관한 것으로, 상세하게는 다 관절 수확로봇의 아암에 엽채류가 심어진 포트를 압지하는 그립퍼와, 그립퍼에 압지된 포트의 엽채류를 절단하는 가위식 칼날을 설치하여 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로서 인건비를 절약하고 수확에 따른 작업성과 생산성을 대폭향상시킨 것이다.

일반적으로 수확작업에 많은 인력이 소요되는 상추·배추·무우·당근·시금치·양상치 등과 같은 엽채류에 대한 자동수확기의 연구 및 개발실적은 매우 저조한 편이다. 국내의 경우 엽채류 수확장치에 대한 연구가 활발히 진행되고는 있으나 간단한 작업차를 이용한 것으로 작업자의 자세를 개선하였을 뿐 자동화 및 생력화와는 상당한 거리가 있었다.

최근 일본에 포트를 제거하지 않은 채로 엽채류를 바로 수확하여 유통과정에서 신선도를 높이도록 한 엽채류 수확기가 사용되고 있으나 취급상의 어려움과 농약 및 양액으로 인한 오염의 문제가 있으며, 또한 인력에 비하여 3배~5배 정도의 작업 속도향상이 있기는 하나 재배용 포트를 일회용으로 사용하고 있어서 소모품(포트)에 대한 자원낭비와 그에 다른 비용 증가요인이 있다.

또한, 엽채류의 뿌리와 포트 중간부분을 함께 절단하여 수확하고 있으므로 수확작업이 단순화되어 있는 반면 수확 후 포트 수거작업이 별도로 소요되어 완전 자동화가 어려울 뿐 아니라 별도의 인력이 필요하며, 포트에 남아 있는 잔류 농약이나 양액으로 인한 오염의 우려가 있다.

또한, 재식판의 형태가 비교적 복잡하고 포트의 재질이 약하므로 재식판에 포트를 삽입하는 작업의 자동화가 어려운 등의 문제점이 있었다.

한편, 인력에 의한 종래 상추 수확과정을 살펴보면 작업자가 수확할 상추 앞으로 작업차를 이동시키면서 포트를 가리고 있는 상추 잎을 손으로 들어올려 상추의 밑동을 잘라 수확하고, 수확된 상추는 다듬에서 상자에 담자 중량을 측정한 다음 포장하며, 상추의 수확이 끝나 회수된 재식판으로 부터 포트를 제거하고, 재식판은 세척하여 다음 작물 재배를 위해 준비해 두고, 수거된 포트에서 배지와 잔류 뿌리를 제거하고 세척하여 다음 번 상추 재배를 위하여 준비해 두는 일련의 과정들을 인력에 의존하였으므로 비용이 높을 뿐 아니라 수확에 따른 생산성이 낮고 작업성이 매우 불편한 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 다 관절 로봇을 이용하여 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로서 수확 인력을 대체하여 비용을 절감하고, 수확에 따른 생산성과 작업성은 크게 향상시키도록 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 상추와 같은 엽채류가 심어진 포트를 수확위치(다 관절 로봇이 위치하는 곳)로 이송시키는 재식판 유인장치 및 엽채류 공급 컨베어와, 엽채류를 절단하여 수확하는 다 관절 로봇과, 그립퍼가 포트를 압지하기 위하여 진입할 때 벌어진 채로 전진하는 절단칼이나 그립퍼에 의해 밑으로 쳐진 엽채류의 잎이 상처나 손상을 입게 되므로 공기압력으로 엽채류의 잎을 불어올려 잎의 손상을 방지하는 잎 부상장치와, 수확된 엽채류를 포장부로 이송하는 엽채류 이송 컨베어와, 엽채류(상추)가 제거된 포트를 수거하는 수거함과, 각종 위치감지센서 및 공기압 공급원과 이들을 제어하는 제어기로 크게 구성되며, 다 관절 로봇의 아암 말단부에 위치하는 회전관절에는 압축공기로 동작하는 에어실린더-척(Aircylinder-Chuck)을 상하로 설치하고, 상하 에어실린더-척에는 포트를 압지하는 그립퍼와 압지된 포트상의 엽채류 줄기를 절단하는 절단칼을 각각 설치하여 상추와 같은 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 한다.

본 발명에 사용하는 다 관절 로봇은 회전운동과 전. 후. 좌. 우 직선운동 및 타원운동(기하학적 곡선운동)등을 할 수 있는 5관절 이상의 로봇이 바람직하며, 로봇의 아암 단부에 위치하는 회전관절에는 성장한 엽채류가 심어진 포트를 파지하는 그립퍼와, 그립퍼로 압지된 엽채류를 절단하여 포트와 엽채류를 분리시키는 가위형 절단칼을 각각 부착하여 압지된 엽채류를 수확할 수 있도록 하며, 상기 다 관절 로봇은 절단되는 엽채류가 엽채류 이송 컨베어 위로 떨어져 포장부로 바로 이송될 수 있도록 엽채류를 약 -60도로 기울여 절단하도록 하고, 또한 엽채류가 분리된 포트를 포트 수거함 위로 이동시킨 다음 그립퍼의 압지력을 해제하여 빈 포트를 분리 수거하여 재활용할 수 있도록 한 것으로, 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명의 구성도.

제2도는 본 발명의 그립퍼와 절단칼이 고정되는 에어실린더-척(Aircylinder-Chuck)의 일부분을 절개한 상태의 사시도.

제3도는 본 발명에 사용되는 다 관절 로봇의 외관 사시도.

제4도는 본 발명에서 그립퍼가 포트를 압지한 상태의 그립퍼 평면도.

제5도는 본 발명 그립퍼의 정면도.

제6도는 본 발명에서 칼날이 벌어진 상태의 절단칼 평면도.

제7도는 본 발명에서 절단칼의 정면도.

제8도는 본 발명에서 절단칼이 오므려진 상태의 평면도.

제9도는 본 발명 잎 부상장치의 구성도.

제10도는 본 발명의 공기압 공급원의 계통도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 상추 3 : 상추 잎

4 : 포트 6 : 수확위치

8 : 상추 공급 컨베어 10 : 다 관절 수확로봇

12 : 잎 부상장치 14 : 포장부

16 : 상추 이송 컨베어 18 : 포트 수거함

20 : 위치감지센서 22 : 공기압 공급원

24 : (수확로봇)제어기 26 : 로봇 아암

28 : 회전관절 30, 32 : 에어실린더-척

34, 36 : 그립퍼 38,40 : 축핀

42 : 에어실린더 44, 46 : 링크아암

48, 50, 62, 64 : 에어핸드 52, 54 : 안내홈

56, 58 : 베어링 60, 74 : 피스

66, 68 : 절단칼 70, 72 : 연결구

76 : 인터페이스 78, 106, 110 : 솔레노이드 밸브

80 : 재식판 82 : 에어 분사노즐

84 : 재식판 수거부 88, 90 : 요입부

92 : 포트 압지위치 94 : 포트 수거위치

96, 98 : 컨베어 이송모터 100 : 경사 유도판

102 : 재식판 유인장치

본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서 자동 수확대상 엽채류는 앞서 언급한 바와 같이 상추·배추·무우·당근·시금치·양상치 등과 같은 채소가 있으나 설명의 편의상 상추를 그 일 예로 든다.

본 발명은 제1도와 같이 구성되는 바, 상추(2)가 심어진 포트(4)를 압지위치(다 관절 로봇이 위치하는곳 : 92)로 이송시키는 상추 공급 컨베어(8)와, 상추(2)를 수확위치(6)로 이동시켜 절단 처리하는 다 관절 수확로봇(10)과, 상추(2)가 심어진 포트(4)를 압지(파지)하기 위하여 그립퍼(34)(36)가 압지위치(92)로 전진할 때 자중이나 중력에 의해 밑으로 쳐진 상추잎(3)을 에어 분사노즐(82)로 불어 올려 그립퍼(34)(36)와 포트(4) 사이로 들어가는 것을 방지하는 잎 부상장치(12)와, 수확된 상추를 포장부(14)로 이송하는 상추 이송 컨베어(16)와, 상추가 제거된 포트(4)를 수거위치(94)로 이동시켜 회수하는 포트 수거함(18)과, 포트(4)가 포트 압지위치(92)로 이송되면 상추 공급 컨베어(8)를 정지시키는 위치감지센서(20)와, 공기압 공급원(22) 및 이들을 제어하는 제어기(24)로 크게 구성된다.

수확로봇의 아암(26) 말단부에 위치하는 회전관절(28)에는 연결판(29)을 고정하고, 연결판(29)의 전면에는 압축공기와 에어실린더로 동작하는 에어실린더-척(30)(32)을 상하로 설치하고, 하부 에어실린더-척(32)의 에어 핸드(48)(50)에는 이송되는 포트(4)를 압지하는 한 쌍의 그립퍼(34)(36)를 설치하고, 상부 에어실린더-척(30)의 에어핸드(62)(64)에는 그립퍼(34)(36)로 압지된 포트(4)상의 상추(2)를 절단하는 한 쌍의 절단칼(66)(68)을 설치하여 상추(2)와 같은 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로서 수확 인력 대체로 인한 인건비 절약과 수확에 따른 작업성 및 생산성을 대폭 향상시킬 수 있게 구성한다.

상기에서 다 관절 수확 로봇(10)은 상추(2)와 포트(4)의 무게를 고려하여 최대 부가하중(부하)이 3㎏_f/㎠인 5관절 로봇을 사용함이 바람직하며, 상추(2)의 크기와 상추 이송장치와의 거리를 고려하여 최대 작동반경은 약 650㎜ 전후가 되도록 한다.

상기에서 그립퍼(34)(36)용 에어실린더-척(30)은 제2도, 제3도, 제4도와 같이 내장된 에어실린더에 의해 에어핸드(48)(50)와 그립퍼(34)(36)가 평행으로 오므려지거나 벌어지면서 동작이 부드럽고 자유스러운 평형 개폐형 에어실린더-척을 사용함이 포트(4) 압지에 바람직하고, 절단칼(66)(68)용 에어실린더-척(32)은 제5도, 제6도, 제7도와 같이 축핀(38)(40)을 중심으로 가위 운동하는 지점 개폐형 에어실린더-척을 사용함이 상추(2)의 절단에 효과적이므로 바람직하다.

상기에서 그립퍼(34)(36)와 절단칼(66)(68)의 무게는 가벼워야 바람직하며, 또한 상추(2)의 절단이 한번에 이루어지면서 절단된 면이 깨끗해야 바람직하며, 구동방식은 간결하고 제어가 쉬우면서 다음 번 절단작업에 방해를 주지 않을 정도로 적당한 크기여야 할 것이다.

상기에서 평형 개폐형 에어실린더-척은 제2도에 도시한 바와 같이 압축공기에 의해 단동 에어실린더(42)가 전진 또는 후진하면 링크아암(44)(46)이 축핀(38)(40)을 중심으로 벌어지거나 오므려지면서 에어핸드(48)(50)가 직선 안내홈(52)(54)과 베어링(56)(58)을 따라 평행으로 가까워지거나 멀어지는 슬라이드 운동을 하면서 포트(4)를 압지하거나 압지력을 해지하게 되는 바, 이는 공지의 물품이므로 구체적인 구성이나 작용 및 효과에 대한 설명은 생략하며, 에어핸드(48)(50)의 단부에 피스(60)와 같은 체결수단으로 그립퍼(34)(36)를 고정한다.

또한, 지점 개폐형 에어실린더-척은 상기 평형 개폐형 에어실린더-척의 경우처럼 에어실린더(42)의 전·후진에 따라 링크아암(44)(46)이 축핀(38)(40)을 중심으로 벌어지거나 오므려지는 운동을 하게 되며, 단지 평형 개폐형 에어실린더-척과 다른 점은 링크아암(44)(46)의 앞부분을 선단으로 연장 돌출시켜 에어핸드(62)(64)를 구성한 다음 상기 에어핸드(62)(64)에 절단칼(66)(68)이 고정된 연결구(70)(72)를 피스(74)와 같은 체결수단으로 고정하면 상추(2)를 가위식 절단칼(66)(68)로 절단할 수 있게 된다.

한편, 절단칼(66)(68)은 절단부위의 경도에 따라 절단칼(66)(68)의 구동원과 칼날의 형상을 설정하고 또한 칼날의 제어방식을 결정하게 되는바, 절단칼(66)(68)의 성능 평가지수는 상추 줄기를 절단할 때 작업의 정확성과 절단면의 손상여부 구동원의 적합성과 제어의 용이성과 절단칼(66)(68)의 수명 및 교체비용 등을 감안하여 평가할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 적합한 절단칼(66)(68)을 선택하기 위하여 칼날을 가위식, 수평 왕복식, 회전식의 세가지 형태로 설계하여 제작하고 그 성능들을 비교하여 얻은 결과는 아래 표 1과 같다.

[표 1]

상기 표 1에 확인할 수 있는 바와 같이 절단칼의 교환 및 유지비용이 싸면서 절단성능과 절단면이 우수한 가위식 절단칼(66)(68)을 본 발명에 적용하여 차후 유지보수가 쉬우면서 유지비가 저렴하도록 한다.

또한, 절단칼(66)(68)의 구동원은 상추(2)절단부위인 밑동의 전단력 실험을 통하여 측정한 바, 절단칼(66)(68)에 작용하는 부하(負荷)는 상추(2) 밑동의 전단력으로 약 300g정도이므로 실제 부하력은 다음과 같이 구할 수 있다.

또한, 안전계수를 고려하여 사용하는 공기의 압력을 약 5㎏_f/㎠소 설정하고, 에어핸드(62)(64)의 개·폐작용에 의해 절단칼(66)(68)이 축핀(38)(40)을 중심으로 호운동 하도록 한다. 즉, 에어핸드(62)(64)가 개방되는 경우 제8도와 같이 한쌍의 절단칼(66)(68)이 오므려지면서 상추(2)를 절단하고, 상추의 절단이 끝나 에어핸드(62)(64)가 폐쇄되는 경우 절단칼(66)(68)이 제6도와 같이 바깥쪽으로 벌어지게 되며, 실린더(42)의 전·후진 왕복운동으로 상추(2)를 계속 절단하게 된다.

또한, 절단칼(66)(68)을 설계할 때 고려할 사항은 에어핸드(62)(64)의 개폐행성과 작동압력, 작물(상추)의 절단위치, 경량화 등이며, 상추(2)의 지름이 보통 12㎜~20㎜정도이나 다른 엽채류를 고려하여 절단칼(66)(68)이 벌어지는 최대 각도를 180°, 절단칼(66)(68)의 작동거리를 약 60㎜전후로 설정하여 상추(2) 이외의 기타 엽채류 수확에도 쉽게 적용할 수 있도록 한다.

절단칼(66)(68)의 작동압력은 앞서 기술한 바와 같이 약 5㎏_f/㎠으로 설정하고, 구동원인 공기압 제어(ON/OFF)는 제어기(24)와 인터페이스(76)간의 제어의 간편성을 고려하여 공기압 공급원(22)으로부터 에어실린더-척(32)으로 공급되는 공기압을 24V의 직류로 구동되는 솔레노이드 밸브(78)등으로 제어(ON/OFF)하도록 한다.

본 발명에 사용되는 절단칼(66)(68)의 형상은 제5도, 제6도, 제7도에 도시한 바와 같이 절단면의 갈변화 현상을 막기 위하여 상추(2)를 단 한번에 절단하면서 절단할 때 상추잎(3)을 상하게 하지 않는 구조로 구성하며, 제어방식은 온/오프(ON/OFF)제어로 제어가 비교적 쉬우면서 뿌리와 재식판(8)의 이탈이 양호하도록 하고, 작업공정으로 효율적으로 체계화하여 수확시 요구사항을 모두 만족하도록 하며, 다음 작업과 유기적인 연결이 잘 이루어지도록 고려한다.

또한, 포트(4)에서 자란 상추(2)간의 주간위치는 그 위치가 어느 정도 정해져 있고(약 20cm 전후), 재식판(80)과 포트(4)는 재활용할 수 있게 함이 바람직하며, 상추(2)의 품종에 따라 상추잎(3)이 포트(4)를 가릴 수 있으므로 잎 부상장치(12)로 들어올려 주어야 하며, 수확 된 상추는 포장부(14)로의 이송이 쉬워야 하고, 수확 후에는 포트(4)를 재식판(80)으로부터 제거해야 하므로 전체 수확시스템이 유기적으로 서로 연결되어 있어야 한다.

한편, 종래 상추 수확 과정을 살펴보면 작업자가 작업자를 밀어 수확할 작물 앞으로 이동하면서 포트를 가리고 있는 상추 잎을 손으로 들어올린 후 상추의 밑동을 잘라 수확한 다음 다듬기와 포장을 위해 한 곳에 모아 두고, 한 줄(재식판)의 수확이 모두 끝나면 수확된 재식판을 모아 두고, 수확된 상추는 다듬어서 상자에 담은 다음 중량을 계측하여 포장하고, 수거된 재식판에서 포트를 제거하고, 재식판은 세척하여 다음 작물재배를 위해 준비해 두고, 수거된 포트에서 배지와 잔류뿌리를 제거하고 세척하여 다음의 작물재배를 위해 준비해 두는 일련의 작업과정들을 인력에 의존하였으므로 생산성이 낮았을 뿐 아니라 작업성도 매우 불편한 등의 문제점이 있었으나, 본 발명에 의한 다 관절 로봇을 이용한 상추 자동수확기의 수확 절차를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상추(2)의 성장이 완성된 재식판(80)을 재식판 유인장치(102)의 도움을 받아 상추 공급 컨베어(8)로 끌어들인 다음 압지위치(6)로 이동시켜야 하며 또한, 다 관절 수확로봇(10) 앞으로 상추(2)가 심어진 포트(4)를 하나씩 공급해 주면 위치감지센서(20)가 이송되는 포트(4)를 감시하여 정확한 압지위치(92)에 정지하도록 상추 공급 컨베어(16)를 정지시키고, 포트(4)의 입자가 완료되어 다 관절 로봇(10)이 수확위치(6)로 상추를 이동하면 절단칼(66)(68)이 작동하여 한 포기의 상추를 수확하게 되며, 또한 상추 공급 컨베어(16)를 재 가동하여 다음 번 수확대상 포트(4)가 압지위치(92)로 이동되게 한다.

상기에서 포트(4)의 이송을 감지하는 위치감지센서(20)는 여러 종류의 근접 센서를 사용할 수 있으나 가시광선의 간섭이나 영향을 받지 않는 적외선 포토 인터럽트(U.V. photo interrupted)를 사용함이 바람직하며, 상추 공급 컨베어(16)의 정지와 운행을 간헐적으로 제어하여 포트(4)가 정확한 압지위치(92)에서 정지하도록 제어하게 된다.

또한, 상추(2)의 절단부위를 고려하여 그립퍼(34)(36)와 절단칼(66)(68) 사이의 이격거리는 조정할 수 있도록 함이 바람직하며, 수확된 상추는 포장부(14)로 이송이 쉽도록 수확 로봇(10)의 동선(움직이는 선)을 짧게 설계하고, 재식판(80)과 포트(4)는 분리 수거하여 세척하기 쉽도록 한다.

한편, 본 발명의 상추 자동수확기의 알고리즘을 살펴보면 다음과 같다.

1. 포트(4)가 나열된 재식판(80)이 통상의 재식판 유인장치(102)에 의해 상추 공급 컨베어(8)로 공급시킨다.

2. 위치감지센서(적외선 포토 인터럽터 : 20)는 상추 공급 컨베어(8)로 이동되는 재식판(80)의 정지위치(압지위치)를 확인하여 수확 대상포트(4)가 압지위치(92)에서 정확히 정지할 수 있도록 상추 공급 컨베어(8)를 정지시킨다.

3. 상추(2)가 심어진 포트(4)가 수확로봇(10) 앞으로 하나씩 공급되면서 압지위치(92)에 정지시킨다.

4. 포트(4)를 압지하기 전에 밑으로 널어진 상추 잎(3)이 전진하는 그립퍼(34)(36) 또는 절단칼(66)(68)에 의해 손상되지 않도록 잎 부상장치(12)를 이용하여 상추잎(3)을 위로 불어 올린다.

5. 잎(3)이 부상된 상추(2) 사이로 포트(4)의 외경보다 더욱 큰 거리로 벌어진 상태의 그립퍼(34)(36)가 포트(4)를 압지하기 위해 진입한다.

6. 그립퍼(34)(36)가 설정된 압력으로 포트(4)를 압지한다.

7. 수확 로봇(10)이 압지된 상추(2)를 수확위치(6)인 상추 이송 컨베어(8)위로 이동시킨다.

8. 절단칼(66)(68)로 상추(2)를 절단할 때 상추 이송 컨베어(8) 위에 바로 떨어질 수 있게 수확로봇(10)의 회전관절로 상추(2)를 -60°전·후로 기울인 다음 가위형 절단칼(66)(68)로 상추(2) 줄기를 절단한다.

9. 절단된 상추는 모터(98)로 회전하는 상추 이송 컨베어(16)에 의해 포장부(14)로 이송되어 계량 및 포장되고, 그립퍼(34)(36)에 압지되어 있는 빈 포트(4)는 수확 로봇(10)에 의해 수거위치(94)인 포트 수거함(18) 위로 이동시킨 다음 그립퍼(34)(36)의 압지력을 해제하면 빈 포트(4)가 그립퍼(34)(36)로부터 분리되어 수거함(18)으로 낙하, 회수되므로 재활용할 수 있게 된다.

10. 재식판(80) 하나의 상추(2)가 모두 수확될 때까지 상기 3-9의 과정을 반복한다.

11. 재식판(80) 하나의 상추(2)가 모두 수확되었으면 상추 공급 컨베어(8)의 후단에 위치하는 경사 유도판(100)에 의해 재식판(80)이 컨베어(8)의 궤도를 이탈하여 재식판 수거부(82)로 이송되고, 다시 1번으로 되돌아가 상추(2) 수확작업을 반복하여 계속 수행하게 된다.

한편, 본 발명에서 최적의 절단 메커니즘을 설계하기 위한 조건은 다음과 같다.

1. 재식판(80)의 크기, 길이 등을 고려하여 재식판 유인장치(102)의 크기 및 설치위치 등을 결정한다.

2. 수확로봇(10)의 작업공간을 고려하여 수확로봇(10)의 위치를 결정하고, 또한 재식판 유인장치(102)와 포트 압지위치(92)와 상추 수확위치(6)와 재식판(80) 수거위치(94)를 각각 결정하여 간섭없는 구동방식을 결정한다.

3. 재식판(80)의 속도를 구하고 이를 바탕으로 재식판(80)의 이송시간을 결정한다.

4. 상추(2)의 주간 거리에 따른 안정된 이송속도를 결정한다.

5. 상추잎(3)을 위로 불어올리기 위한 공압용 노즐(84)의 위치를 결정한다.

6. 그립퍼(34)(36)의 절단칼(66)(68)의 길이를 고려하여 적정한 수확위치(6)를 선정한다.

7. 각각의 이송장치와 수확로봇(10)의 작동시간을 고려하여 충분한 수확시간을 계산한다.

다음으로 최적의 작물 이탈장치를 설계하기 위한 조건은 다음과 같다.

1. 단계별 작업간 연계된 작동이 필요하다.

2. 재식판 유인장치(102)에 의해 배양조(도시안됨)의 재식판(82)이 상추 공급 컨베어(8)로 들어오는 것을 감지하여 상추 공급 컨베어(8)의 모터를 구동하는 것이 필요하다.

3. 재식판(80)의 바른 이송을 위하여 위치감지센서(20)를 사용하여 재식판(80)의 위치를 감지하도록 한다.

4. 상추 공급 컨베어(8)에 의해 상추(2)가 하나씩 수확로봇(10) 앞으로 이송 하도록 한다.

5. 상추 잎(3)의 손상없이 수확로봇(10)의 그립퍼(34)(36)로 상추가 접근하도록 한다.

6. 재식판(80)으로부터 빈 포트(4)가 원활히 이탈하도록 한다.

7. 수확된 상추는 계량 및 포장하기 위하여 포장부(14)로 이송하도록 한다.

8. 빈 포트(4)는 포트 수거함(18)으로 수거하여 재활용할 수 있도록 한다.

9. 수확 작업 전 체계의 순차적인 자동제어가 이루어지도록 한다.

한편, 본 발명 자동수확기의 최대 부가하중으로 포트 수거용 그립퍼(34)(36)의 무게는 500g, 뿌리 절단칼(66)(68)과 에어핸드(48)(50)(62)(64)의 무게는 500g, 상추(2)와 포트(4)의 무게는 300g으로 가정했을 때 이론적인 부가하중은 1,300g이므로 안전계수를 고려하여 최대 부가하중을 3㎏으로 상향 조정한다.

또한, 성장한 상추(2)의 지름을 감안하여 로봇 아암(26)의 작동반경은 200-250㎜로 하고, 포트(4)를 안전하게 파지하고 동작이 원활히 이루어질 수 있도록 그립퍼(34)(36)의 형상을 설계하고, 상추 공급 컨베어(8)와 포트 수거함(18)과의 거리를 고려하여 적절한 작동거리를 설정한다.

제4도는 본 발명 포트(4) 압지용 그립퍼(34)(36)의 평면도로, 그립퍼(34)(36)의 안쪽면에 포트(4)를 안정적으로 파지할 수 있는 대향 요입부(88)(90)를 형성하고, 상추(2)를 이송할 때 발생하는 약간의 위치오차를 극복할 수 있는 여유와 개폐행정을 고려하여 적당한 형상을 설계하도록 한다.

포트(4)의 지름을 약 35㎜의 원통형으로 할 때, 그립퍼(34)(36)의 이론 출력은

따라서, 안전계수를 고려하여 설정한 그립퍼(34)(36)의 적정 파지압을 이론 출력보다 높은 약 5.0㎏_f/㎠으로 설계하도록 한다.

또한, 그립퍼(34)(36)의 동력원 및 제어방식은 에어실린더-척(32)의 개·폐작용에 의해 그립퍼(34)(36)의 말단부가 에어실린더-척(32)의 개폐방향과 일치하여 작동하도록 한다. 즉, 에어실린더-척(32)이 개방되면 그립퍼(34)(36)도 개방되고, 에어핸드(48)(50)가 폐쇄되면 그립퍼(34)(36)도 패쇄되도록 한다.

에어실린더-척(32)의 개·폐행정은 상추(2)가 이송할 때 발생하는 오차를 극복할 수 있는 정도의 여유공간을 충분히 고려하여 약 14㎜ 전후로 결정하고, 상추(2)의 총 중량을 들어올릴 수 있으면서 포트(4)의 끝을 잡고 가속과 감속을 갖는 이송을 하여야 하므로 작업물의 약 15배 정도로 설정하면 (300×15=4500.0g_f/㎠≒ 4.5㎏_f/㎠)약 4.5㎏_f/㎠의 파지력을 얻을 수 있다.

또한, 기준 작동 공기압력은 약 2.5-6㎏_f/㎠이므로 상기 파지력(≒4.5㎏_f/㎠)을 고려하여 5㎏_f/㎠로 설정하고, 공기압 제어는 제어기(24)와 인터페이스(76)의 간편한 제어를 고려하여 직류 24V로 구동하는 솔레노이드 밸브(106)를 이용하여 공기압 공급원(22)으로부터 에어실린더-척(30)으로 공급되는 공기압을 제어(ON/OFF) 하도록 한다.

또한, 제9도는 공기압으로 상추 잎(3)을 띄우는 잎 부상장치(12)의 구성도로, 포트 압지위치(92)의 하부에 공기압 공급원(22)과 솔레노이드 밸브(110)가 에어호스로 연결된 에어 분사노즐(84)을 설치하여 밑으로 쳐진 상추 잎(3)을 충분히 위로 불어 올릴 수 있도록 하되, 제9도와 같이 포트(4)와 그립퍼(34)(36) 사이에 상향 분사되게 설치하여 그립퍼(34)(36)의 진입이 쉽도록 하고, 상추잎(3)을 들어올릴 수 있는 노즐(84)의 압력은 실험 결과 2~6㎏_f/㎠에서 안정된 효과를 나타내므로 본 발명에서는 잎 부상장치(12)의 공기 압력을 약 5㎏_f/㎠으로 설정하도록 한다.

제10도는 본 발명 공기압 공급원의 계통도로, 공기 압축기(Air Compressor)와 공기 저장탱크와 공기 정화장치 및 공기 레귤레이터로 구성된 공기압 공급원(22)에 솔레노이드 밸브(110)와 유량제어밸브를 갖는 잎 부상장치(12)의 에어노즐(84)을 에어호스로 연결하고, 또한 공기압 공급원(104)에 솔레노이드 밸브(106)와 유량제어밸브를 갖는 에어실린더-척(30)(32)을 에어호스로 각각 연결하고, 솔레노이드 밸브(78)(106)(110)는 제어기(24)와 연결하여 상추 수확작업을 순차적으면서 유기적으로 수확할 수 있도록 한다.

또한, 컨베어(8)(16)를 구동하는 모터(96)(98)는 상추의 안정된 이송과 위치제어의 용이함을 고려하고, 재식판(80)과 상추(2)의 주간거리를 고려하여 이송시간을 결정하도록 한다.

예를 들어 재식판(80)의 크기를 60×40×1,470㎜로 하고, 상추(2)의 주간거리를 147㎜로 하고, 재식판(80)의 무게를 1.5㎏으로 하고, 재식판(80) 당 작물의 무게는, 작물×갯수=300g×10=3,000g으로 하고, 상추(2)의 안정도를 고려하여 이송 속도를 0.5m/s로 하고, 마찰력과 효율 및 안전계수를 고려하여 계산한 이론적 소요마력(P)은 다음과 같다.

상기 소요 마력(0.03ps)을 이용하여 상추 공급 컨베어(8)의 구동력을 설정하도록 하며, 구동모터(96)는 소형 교류전원(AC 220V)을 이용하여 상추(2)를 원활히 공급하도록 한다.

동력 전달수단을 미끄러짐(slip)없이 위치제어가 비교적 쉬운 체인이나 타이밍 벨트 등을 이용하여 모터(96)의 동력을 전달하도록 하고, 이송 수단으로는 컨베어 벨트를 이용하여 이송시킬 재식판(80)과 작물의 무게, 이송속도 등을 고려하여 적당한 재질의 컨베어 벨트를 결정하도록 하고, 재식판(80)의 크기를 고려하여 재식판(80)과 같거나 재식판(80)보다 조금 더 큰 폭과 길이의 컨베어(8) 벨트를 사용하도록 한다.

상추 포트(4)를 이동시키는 상추 공급 컨베어(8)의 벨트는 재식판(80)의 크기를 고려하여 폭 60㎜, 길이 2,850㎜로 제작하되 장력과 벨트표를 이용하여 고무 벨트로 사용하도록 한다.

또한, 구동모터(96)(98)는 제어기(24)와 릴레이를 이용하여 온/오프(ON/OFF)를 제어하도록 하며, 작동시간을 적절히 조정하여 상추 포트(4)를 포트 압지위치(92)로 하나씩 공급하도록 한다.

또한, 상추 공급부를 설계할 때 재식판 유인장치(102)와의 간섭이 발생하지 않는 구동방식과 상추(2)의 위치제어가 쉬운 방식을 선택하도록 한다.

이상에서와 같이 본 발명은 밑으로 처진 상추잎(3)의 손상 없이 상추의 밑동을 깨끗하게 한 번에 잘 절단하므로 절단작업이 매우 양호하고 상품의 수확품질이 우수한 효과가 있다.

절단칼(66)(68)의 작동 공기압력을 3㎏_f/㎠이상으로 유지하였을 때 절단상태가 매우 양호하고 로봇 제어기(24)에 의한 온/오프(ON/OFF) 제어가 용이하며, 절단칼(66)(68)은 수평 왕복식이나 회전식 칼날에 비하여 수명은 짧은 반면 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 커터날을 사용하여 교환 및 유지, 보수비용이 매우 저렴하도록 한다.

또한, 상추의 수확·포트의 수거·재식판 이송 등의 전 단계를 자동화하고, 센서를 이용해 각 단계의 제어가 용이하며, 상추 잎 부상장치(12)를 통하여 포트(4)를 가리고 있는 상추 잎(3)을 불어 정리하는 부분을 두고 절단시 기울려 절단하므로서 상추(2)의 손상이 방지되며, 또한 수확절차가 순차적으로 매끄럽게 이어질 수 있도록 상추 공급부·수확 로봇·포트 수거함·상추 이송용 컨베어밸트의 위치를 설정한다.

또한, 작업 단계별 소요 시간은 다음과 같다.

수확 로봇(10)의 아암(26) 작동시간은 약 0.2초이고, 상추(2)절단시간은 약 1.0초이고, 포트(4)를 수거하는데 소요되는 시간은 약 2.0초이고, 수확로봇(10)이 원래 위치로 복귀하는데 소요되는 시간은 약 2.0초일 경우 충분한 여유시간을 고려하여 상추 1주를 절단하는데 소요되는 시간은 약 10초이다.

따라서 시간당 600주의 상추(2) 절단작업이 가능하며, 하루(7-8시간)에 약 4,320주의 상추를 절단할 수 있다.

또한, 수확 로봇의 제어기(10)를 이용하여 자동 수확기의 전체 제어가 가능하며, 광 센서를 이용하여 상추(2)의 위치를 감지하도록 함으로써 메커니즘의 안전성이 높다.

본 발명에서 수확대상 상추(2)는 포트(4)에 낱개 또는 수 개씩 심어진 다음 재식판(80)과 재배조에 담겨 수경 재배되며 상추(2)의 성장이 이루어지면 수확을 하게 되는 것으로 그 수확과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 수확대상 재식판(80)이 압지위치(92)로 이동할 때까지 제어기(24)는 모터(96)로 동작신호를 출력하여 상추 공급 컨베어(8)를 동작시키게 되며, 따라서 복수 개의 포트(4)가 나열 설치된 재식판(80)이 재식판 유인장치(102)의 도움으로 상추 공급 컨베어(8)로 유입된 다음 수확로봇(10)이 위치하는 압지위치(92)로 이동된다.

상기 재식판(80)이 수확로봇(10)이 대기하고 있는 압지위치(92)로 이동하면 위치감지센서(20)가 재식판(80)의 도착신호를 감지한 다음 제어기(24)로 입력하므로 제어기(24)는 정지명령을 출력하고 모터(96)가 정지하면서 상추 공급 컨베어(8)가 멈춘다.

재식판(80)이 포트 압지위치(92)로 이동하여 정지하면 제어기(24)는 솔레노이드 밸브(110)를 개방시켜 포트(4)의 하부에 위치하는 잎 부상장치(12)로 압축공기를 공급하면 공기압이 에어 분사노즐(82)을 통하여 상향 분사되어 자중 또는 중력에 의해 밑으로 쳐지거나 늘어진 상추잎(3)을 상승시키게 된다.

이러한 상태에서 수확로봇(10)의 아암(26)의 수평상태로 전진하여 포트(4)로 진입하면 벌어진 그립퍼(34)(36)의 사이로 포트(4)의 상부가 삽입되며, 그립퍼(34)(36)의 삽입이 완료되면 잎 부상장치(12)로의 압축공기 공급이 중단된다.

그립퍼(34)(36)의 전진이 완료되거나 포트(4)의 삽입이 완료되면 제어기(24)는 솔레노이드 밸브(106)를 개방시켜 에어실린더-척(32)의 실린더(42)로 압축공기가 공급되며, 따라서 실린더(42)가 전진운동하고, 링크아암(48)(50)이 축핀(38)(40)을 중심으로 호 운동하게 된다.

따라서, 그립퍼(34)(36)가 설정된 압력으로 포트(4)를 압지하게 되며, 요입부(88)(90) 사이로 포트(4)의 압지가 완료되면 제어기(24)가 로봇을 제어하에 아암(26)이 상승운동하게 되며, 이에 따라 포트(4) 및 상추(2)가 재식판(80)으로부터 상승하여 분리되고, 또한 상승된 포트(4)는 로봇 아암(26)에 의해 수확위치(6)로 이동하거나 또는 회전관절(28)에 의해 기울어지면서 회전하여 상추(2)가 상추 이송 컨베어(16) 위에 약 -60도로 기울어져 멈춘다.

한편, 포트(4)가 기울어진 채로 정지하면 제어기(24)는 솔레노이드 밸브(78)를 개·폐시켜 상부 에어실린더-척(30)의 실린더(42)로 압축공기가 공급되며, 따라서 실린더(42)가 전진 운동하게 되고 링크아암(44)(46)이 축핀(38)(40)을 중심으로 호 운동하게 되므로 절단칼(66)(68)이 축핀(38)(40)을 중심으로 오므려지면서 상추(2)를 절단하게 된다.

절단 된 상추는 자중에 의해 상추 이송 컨베어(16)위로 바로 떨어지면서 포트장부(14)로 이송되어 적당량식 계량 및 포장되어 보관 및 출하되며, 상추와 분리된 포트(4)는 제어기(24)로 제어되는 수확로봇의 아암(26)에 의해 +60도로 기울어지면서 수거위치(94)인 포트 수거함(18)의 상부로 이동하여 수평상태를 유지하면 제어기(24)가 솔레노이드 밸브(78)를 역방향으로 개방하면 하부 에어실린더-척(32)의 실린더(42)로 압축공기가 공급되므로 실린더(42)가 후진하게 되어 그립퍼(34)(36)의 압지력이 제거되고 빈 포트(4)는 수거함(18)으로 자유 낙하하여 수집된다.

빈 포트(4)를 처리한 그립퍼(34)(36)는 로봇 아암(26)에 의해 다음 번 수확 포트위치로 수평 이동하며, 이동한 그립퍼(34)(36)는 상기와 같은 일련의 과정을 반복하면서 계속하여 마지막 상추(2)를 수확하고 빈 포트(4)는 포트 수거함(18)으로 수납되며 상기 빈 포트(4)는 내부에 있는 절단 상추의 뿌리를 제거한 다음 재활용하면 될 것이다.

또한, 재식판(80) 한판의 수확이 완료되면 빈 재식판(80)은 상추 공급 컨베어(8)를 따라 계속 전진하다가 경사 유도판(100)에 의해 컨베어(8)의 궤도를 이탈하면서 재식판 수거부(84)로 회수되어 재활용할 수 있게 되며, 또한 후속하는 재식판(80)이 포트 압지위치(92)로 이동될 때까지 수확 로봇의 아암(26)이 상추 공급 컨베어(8)의 궤도 바깥으로 이동시켜 처리하게 할 수도 있으며, 계속하여 이송되는 재식판(80)를 앞서 기술한 과정을 반복하면서 상추(2)를 계속 수확하면 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 수확작업을 단계별로 적정한 성능 평가지수를 선정하여 평가한 다음 전체 수확공정에 대한 성능을 평가하였고, 실험 결과 뿌리 절단칼에 의해 1회에 뿌리가 잘 절단되었으며 상추잎의 손상도 없어 절단상태가 양호하였으며, 작업공정은 요구 사항들을 모두 만족하였고 제어사항도 비교적 양호하여 상추를 수확하는데 따른 노동력을 대체할 수 있는 효과가 있었다.

이상에서와 같이 본 발명은 주로 수경 재배되는 상추·배추·무우·당근·시금치·양상치 등과 같은 엽채류를 다 관절 로봇을 이용하여 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로서 인력을 대체하여 인건비를 절약하고 수확에 따른 작업성과 생산성이 대폭 향상되는 등의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (6)

1. 엽채류 자동수확기에 있어서, 엽채류가 심어진 포트 및 재식판을 포트 압지위치(다 관절 로봇이 위치하는 곳)로 이송시키는 엽채류 공급 컨베어를 설치하고, 엽채류 공급 컨베어의 일측에 제어기로 제어되는 다 관절 로봇을 설치하고, 다 관절 로봇의 아암의 회전관절 단부에 상·하 에어실린더-척을 설치하고, 하부 에어실린더-척에 이송되는 포트를 압지하는 그립퍼를 설치하고, 상부 에어실린더-척에 압지된 상추를 절단하여 수확하는 절단칼을 설치하고, 포트를 압지할 때 밑으로 쳐진 엽채류의 잎을 공기압력으로 불어 잎의 손상을 방지하는 잎 부상장치를 이송되는 포트의 하부에 설치하고, 수확로봇의 일측에 절단된 엽채류를 포장부로 이송하는 엽채류 이송 컨베어를 설치하고, 수확 로봇의 일측에 엽채류가 제거된 포트를 수거하는 포트 수거함을 설치하고, 위치 감지센서 및 공기압 공급원과 이들을 제어하는 제어기 및 솔레노이드 밸브로 구성하여 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 한 다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.
2. 제1항에 있어서, 다 관절 로봇은 절단되는 엽채류가 엽채류 이송 컨베어 위로 바로 떨어질 수 있게 엽채류를 -60°전·후로 기울인 다음 절단칼로 절단하도록 하고, 엽채류가 분리된 포트를 포트 수거함 위로 이동시킨 다음 그립퍼의 압지력을 제거함으로써 빈 포트를 분리 수거하여 재활용할 수 있도록 하는 다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.
3. 제1항에 있어서, 포트를 압지하는 그립퍼는 압축공기에 의해 단동 에어실린더(42)가 전진 또는 후진하면 링크아암(44)(46)이 축핀(38)(40)을 중심으로 벌어지거나 오므려지면서 그립퍼가 고정된 에어핸드(48)(50)가 직선 안내홈(52)(54)과 베어링(56)(58)의 도움으로 평행으로 가까워지거나 멀이지는 슬라이드 운동으로 포트를 압지하거나 압지력을 제거하는 평형 개폐형 에어실린더-척을 사용하도록 함을 특징으로 하는 다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.
4. 제1항에 있어서, 엽채류를 절단하는 절단칼은 에어실린더(42)의 전, 후진에 따라 링크아암(44)(46)이 축핀(38)(40)을 중심으로 벌어지거나 오므려지는 가위식 운동을 하고, 링크아암(44)(46)의 앞부분을 선단으로 연장 돌출시켜 에어핸드(62)(64)를 구성한 다음 에어핸드(62)(64)에 연결구로 절단칼(66)(68)을 고정한 지점 개폐형 에어실린더-척을 사용함을 특징으로 하는 다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.
5. 제1항에 있어서, 절단칼이 벌어지는 최대 각도를 180°로 하고, 절단칼의 작동거리를 60㎜ 전·후로 설정하여 기타 엽채류도 자동 수확할 수 있도록 함을 특징으로 다 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.
6. 제1항에 있어서, 포트 압지위치의 하부에 공기압 공급원과 솔레노이드 밸브에 에어호스로 연결된 에어 분사노즐을 설치하여 밑으로 쳐진 엽채류의 잎을 충분히 위로 불어 올려 잎의 상처를 방지하도록 함을 특징으로 하는 단 관절 로봇을 이용한 엽채류 자동수확기.