KR100375681B1 - 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (대단위) 엽채류 생산공장에서, 효율적인 작업성능과 저렴한 비용의 수확작업 자동화를 위하여 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 수확로봇에 관한 것이다.

최근 국민소득이 증가하면서 소비자의 농산물 소비 고급화와 다양화에 따른 고품질 농산물의 수요가 증가함에 따라 품질 좋은 농산물을 값싸게 생산하는 식물공장들이 상기 처럼 다양하게 준비되고는 있으나, 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있는 엽채류의 수확작업에 대한 자동화가 미흡할 뿐 아니라 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상추와 같은 엽채류가 심어진 포트를 3자유도 매니퓰레이터가 위치하는 수확위치로 이송시키는 공급장치와, 제어명령에 의해 전ㆍ후진과 Y축과 Z축으로 회전운동하는 3자유도 매니퓰레이터와, 상기 3자유도 매니퓰레이터의 선단에 설치되는 상ㆍ하 에어척(Air-Chuck)과, 상기 에어척의 선단에 고정되어 상추의 줄기 부분을 압지하는 그리퍼와 압지된 상추줄기를 절단하는 절단칼로 엽채류를 자동 수확하는 수확장치와, 엽채류의 줄기를 압지하기 위하여 그리퍼가 진입할 때 밑으로 쳐진 엽채류의 잎을 공기압력으로 불어올려 잎의 손상을 방지하는 잎 부상장치와, 엽채류가 제거된 포트를 수거하는 수거함과, 각종 위치감지센서 및 공기압 공급원과 이들을 제어하는 제어기로 크게 구성되며, 직경이 상이한 상추의 줄기를 압지할 때 CCD 카메라와 광센서로 엽채류의 면적과 높이를 감지하여 그 크기와무게를 예측한 다음 엽채류의 압지력을 결정하는 퍼지제어 방식으로 상추의 밑둥을 손상없이 압지하는 그리퍼로 구성하여 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있으면서 자동화에 대한 연구가 미흡한 (대단위) 엽채류 생산공장에서 엽채류(상추)를 수확할 때 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 방식으로 효율적이면서 저렴한 비용으로 엽채류를 자동수확 할 수 있도록 한 것이다.

Description

기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇{Development of a 3 DOF Robot for Harvesting a Lettuce Using Machine Vision and Fuzzy Logic Control}

본 발명은 대단위 엽채류 생산공장에서, 효율적인 작업성능과 저렴한 비용으로 엽채류를 자동으로 수확하기 위한 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 방식의 엽채류 자동 수확로봇에 관한 것이다.

국민소득이 증가하면서 소비자의 농산물 소비의 고급화와 다양화에 따른 고품질 농산물의 수요가 증가함에 따라 품질 좋은 농산물을 값싸게 생산하는 식물공장 시스템이 요구 및 준비되고 있으나 자동화에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 특히 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있는 엽채류의 수확작업을 자동화하면 노동력을 크게 절감하고 연중 무휴의 작물 생산 체계를 위한 기반을 조성할 수 있을 것이다.

일반적으로 식물공장(植物工場)은 환경조건을 작물생장에 알맞게 제어하고 생산공정을 규격화하여 대량생산을 가능하게 하며 작물수요에 따라 생산계획을 수립할 수 있고 파종에서 수확은 물론 유통까지도 종합적으로 대처할 수 있도록 하는 고효율 작물생산시스템이다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서 일반 식물공장에 대한 예들을 살펴봄으로써 본 발명에 대한 이해를 돕고자 한다.

식물공장(植物工場)은 1957년 덴마크의 크리스텐 농장에서 물냉이를 일괄적으로 자동 생산하는 세계 최초의 식물공장이 개발된 이후 유럽ㆍ미국ㆍ일본 등에서 활발히 연구 개발되고 있으며 전체적으로 보아 태양광을 이용한 식물공장은 실용화되고 있으나 완전제어형 식물공장은 건축비 및 전력비가 비싼 편이어서 실용화에상당한 제약을 받고 있는 실정이다.

또한, 식물공장의 형태를 분류하여 보면,

1. 체인 컨베이어에 의한 평면이동식 재배방식을 사용한 완전제어형태(제너랄밀즈, 1980),

2. 트라이앵글 판넬 수평이동식 재배장치를 사용한 완전제어형태(TS farm, 1986),

3. 태양광 병용형으로 조립식 다단식 수평이동형 재배방식을 사용한 형태(日本 石川島播磨 重工業, 1990),

4. 완전공장생산방식의 인공광형 형태(구주전력, 1994)등을 들 수 있다.

이러한 식물공장의 이점은 연중 계획적이고 안정적인 생산이 가능하고, 고품질의 농산물 생산이 가능하며, 노지재배에 비하여 최소한 약 1/3 이하의 기간에 조기수확이 가능하여 토지생산성을 높일 수 있으며, 매일 파종하고 매일 수확할 수 있으므로 연중 노동부하가 평균화되고 중노동에서 해방될 수 있다는 점 등을 들 수 있다.

1920년 초반, 체코 작가의 희곡에서 유래된 로봇은 1980년을 전ㆍ후하여 현대적인 산업용 로봇으로 실용화되었다. 농업분야에서는 1983년 11월 미국 농공학회의 주관으로 최초의 로봇과 지능기계에 대한 국제 학술대회가 개최되었고, 오렌지 수확로봇ㆍ사과 수확로봇ㆍ양모 깍는 로봇 등에 관한 연구가 발표되었다.

이후 농업용 로봇은 산업용 로봇과 달리 환경변화에 적절히 대응할 수 있어야 하고, 대상체가 생물이라는 점을 고려한 수확장치(end effector)의 설계가 중요하다는 인식으로 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 조성인 등은 1998년 5축 다관절 로봇과 상추 공급 컨베이어, 처진 잎을 부상시켜주는 에어장치 등으로 구성된 상추 수확 메커니즘을 개발하여 상추 한 포기를 수확하는데 최대 6초가 소요되었고, 94.7%의 수확 정확도를 보였다.

또한, 콘도(Kondo) 등은 1998년경 초음파 센서ㆍDC 모터ㆍ솔레노이드ㆍ엑츄에이터ㆍ흡착컵 그리고 2자유도 직교 좌표 매니퓰레이터를 이용한 딸기 수확장치를 제작하여 66%의 수확성공율을 보였다.

또한, 사카우에(Sakaue) 등은 1997년경 일본의 로봇 응용사례를 보고하면서 토마토를 측정하고 잡을 수 있는 수확장치가 실현 가능함을 보였다. 콘도(Kondo) 등은 1996년 스테레오 기계시각 시스템과 수직 다관절 로봇을 이용하여 방울토마토 수확시스템을 개발하여 약 70% 정도의 정확도를 보였다.

또한, 리드(Reed) 등은 1995년 기계시각 시스템과 직교 좌표 로봇 그리고 흡착컵을 이용한 수확장치로 구성된 버섯 수확로봇 시스템으로 67%의 수확 성공율을 나타내었다.

또한, 우치다(Uchida) 등은 1994년 식물공장용 상추 수확시스템을 개발하여 1,800 포기/시간(hr)의 속도로 수확이 가능함을 선보였다. 하지만, 일회용 포트를 사용하여 상추 뿌리와 함께 자르는 형태로 포트를 다시 수거해야 하는 별도의 작업이 필요하며 포트에 잔류한 양액 등에 의해 환경이 오염될 우려가 있었다.

또한, 시몬톤(Simonton) 등은 1991년 온실재배용 식물을 다루는 수확장치를 개발하고 제라늄을 자르는 데 적용하여 잎 꼭지의 손상이 1.5% 줄기의 손상이 2.0%가 발생하였음을 보고한 바 있다.

또한, 웨버(Weber) 등은 1991년 멜론 수확기의 기초로 두 가지 형태의 수확장치(parallel plate gripper와 v-v notch gripper)에 대하여 멜론을 잡았을 때 발생하는 응력을 유한요소법으로 분석하여 수확장치(v-v notch gripper)가 멜론에 손상을 덜 주는 형태 임을 보고하고 있다.

또한, 키나세(Kinase) 등은 1991 년 약 15초 만에 식물묘목을 자르고 이식하는 로봇시스템을 개발한 바 있으며, 호이(Hoy) 등은 1987년 토마토를 그리퍼로 잡을 때 발생하는 압력을 측정하여 팽창 가능한 세 개의 손가락을 가진 그리퍼의 제어의 적용에 관한 연구를 수행한 바 있다.

그러나 대부분 산업용 로봇을 이용하여 수확장치를 개발한 시스템으로 비용이 비싸다는 단점이 있으며, 최근 국민소득이 증가하면서 소비자의 농산물 소비 고급화와 다양화에 따른 고품질 농산물의 수요가 증가함에 따라 품질 좋은 농산물을 값싸게 생산하는 식물공장들이 상기 처럼 다양하게 준비되고는 있으나, 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있는 엽채류의 수확작업에 대한 자동화가 미흡할 뿐 아니라 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있으면서 자동화에 대한 연구가 미흡한 (대단위)엽채류 생산공장에서 엽채류(상추)를 수확할 때 효율적이면서 저렴한 비용으로 자동수확 할 수 있는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 상추와 같은 엽채류가 심어진 포트를 3자유도 매니퓰레이터가 위치하는 수확위치로 이송시키는 공급장치와, 제어명령에 의해 전ㆍ후진과 Y축과 Z축으로 회전운동하는 3자유도 매니퓰레이터와, 상기 3자유도 매니퓰레이터의 선단에 설치되는 상ㆍ하 에어척(Air-Chuck)과, 상기 에어척의 선단에 고정되어 상추의 줄기 부분을 압지하는 그리퍼와 압지된 상추줄기를 절단하는 절단칼로 엽채류를 자동 수확하는 수확장치와, 엽채류의 줄기를 압지하기 위하여 그리퍼가 진입할 때 밑으로 쳐진 엽채류의 잎을 공기압력으로 불어올려 잎의 손상을 방지하는 잎 부상장치와, 엽채류가 제거된 포트를 수거하는 수거함과, 각종 위치감지센서 및 공기압 공급원과 이들을 제어하는 제어기로 크게 구성되며, 직경이 상이한 상추의 줄기를 압지할 때 CCD 카메라와 광센서로 엽채류의 면적과 높이를 감지하여 그 크기와 무게를 예측한 다음 엽채류의 압지력을 결정하는 퍼지제어 방식으로 상추의 밑둥을 손상없이 압지하는 그리퍼로 구성된다.

또한, 로봇의 아암인 작동간을 Z축으로 회전시키는 AC 서보모터와, 상추를 수확할 때 매니퓰레이터의 선단에 설치된 수확장치를 상추 수확방향인 Y축으로 전ㆍ후진시키는 에어실린더와, 상기 수확장치를 Y축으로 회전시키는 스테핑 모터로 구성되는 3자유도 방식으로 로봇이 운동하도록 한다.

또한, 수확장치의 선단에는 상추잎 면적과 상추높이를 토대로 상추의 크기와 무게를 판단하는 퍼지추론에 따른 전압비례방식으로 공기압 또는 공기유량이 제어되는 전압비례(제어)밸브와, 상기 전압비례(제어)밸브에 의해 동작하는 그리퍼용 에어척과 절단칼용 에어척을 각각 설치하여 수확장치를 구성하도록 한다.

또한, 절단한 상추를 자동포장기의 포장부에 떨어뜨릴 때 수확장치에 의한 상추의 잎 손상을 줄이기 위해 상추의 자세를 보정할 필요가 있으므로 상추의 자세보정을 위해 스테핑 모터로 수확장치를 180。 회전시켜 수확된 상추가 수확장치의 하부에 위치하도록 한 상태에서 그리퍼의 압지력을 해제시켜 수확된 상추가 자동포장기로 자유낙하하도록 함으로서 상추의 손상이나 품질저하를 방지하도록 한다.

또한, 상추를 압지하는 그리퍼는 개폐구간이 0˚∼180˚인 에어척(66)을 이용하도록 하고, 핑거부는 엠씨(MC : monomer cast)나일론과 같이 크게 딱딱하지 않은 다소 연질의 합성수지를 사용하여 경량화하도록 하고, 상추를 압지하는 순간의 충격력을 줄이기 위해 엠씨 나일론 안쪽 부분에 압지홈을 갖는 스폰지를 접착하도록 하고, 핑거부의 선단은 대향 절곡부를 형성하여 상추 줄기와 의 접촉에 따른 마모나 스폰지의 수명저하를 방지하도록 한다.

또한, 압지된 상추의 밑둥을 절단하는 절단칼은 상추에 상해를 주지 말아야 하고, 내환경성 및 내부식성을 가져야 하며, 상추의 밑둥을 한 번에 깨끗이 절단할 수 있으면서 반복되는 절단 작업을 수행할 수 있도록 충분한 강성을 가져야 함이 바람직하다.

상기 퍼지 제어의 입력 변수로는 기계시각 시스템으로 측정한 엽채류의 잎 면적정보와 광 센서로 측정한 엽채류의 높이정보가 있으며, 출력 변수로는 전압을 이용한 25개의 퍼지규칙을 사용하여, 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있고 자동화가 미흡한 엽채류의 수확작업을 자동화함으로써 노동력을 절감하고, 연중 무휴의 작물 생산체계를 위한 기반을 조성할 수 있도록 하고, 상추의 면적정보를추출하기 위한 기계시각시스템은 상추 영상의 질을 향상시키기 위한 조명등과 영상을 획득하고 처리하는 영상처리장치로 구성한다.

또한, 종래의 경우 그리퍼로 상추가 재배된 포트를 압지한 상태에서 60°가량 기울인 다음 절단칼로 절단하게 되며, 상추가 절단된 포트는 트레이로 이동시켜 수거하는 방식이므로 구성이 복잡하여 고비용이 초래되고 생산성과 상품성이 떨어지게 되나 본 발명은 포트가 아닌 상추를 압지한 다음 절단하므로 상기와 같은 종래 문제점이 없어진다.

도 1 : 본 발명 상추 수확로봇 시스템의 개요도.

도 2 : 본 발명에서 상추를 수확하는 작업 순서도.

도 3 : 본 발명의 시스템 구성도.

도 4 : 본 발명 3자유도 매니퓰레이터의 전진 상태 측면도.

도 5 : 본 발명 3자유도 매니퓰레이터의 후진 상태 측면도.

도 6 : 본 발명 3자유도 매니퓰레이터의 평면도.

도 7 : 본 발명 잎 부상장치의 구성도.

도 8 : 본 발명 영상처리장치의 평면 구성도.

도 9 : 본 발명 영상처리장치의 정면 구성도.

도 10 : 본 발명 상추 높이감지센서의 구성도.

도 11 : 본 발명 수확장치의 평면 구성도.

도 12 : 본 발명 수확장치의 측면 구성도.

도 13 : 본 발명 수확장치의 그리퍼 부분 평면도.

도 14 : 본 발명 수확장치의 절단칼 부분 평면도.

도 15 : 본 발명 에어척의 부분 절개 사시도.

도 16 : 본 발명 AC 서보모터의 일 실시 예 제어 회로도.

도 17 : 본 발명 에어실린더의 일 실시 예 제어 회로도.

도 18 : 본 발명 스테핑 모터의 실시 예 제어 회로도.

도 19 : 본 발명에서 상추 압지 그리퍼를 제어하는 회로도.

도 20 : 본 발명의 기계시각 시스템도.

도 21 : 본 발명 영상처리장치의 회로 블럭도.

도 22 : 본 발명의 컨베이어 제어회로도.

도 23 : 본 발명의 퍼지 제어 구성도.

도 24 : 본 발명에서 퍼지제어기의 전압과 압력 관계를 나타낸 그래프도.

도 25 : 본 발명에서 압력에 따른 에어척의 파지력을 나타낸 그래프도.

도 26 ~ 도 28 : 본 발명에서 퍼지제어의 언어변수 및 귀속도 함수를 나타낸 그래프도.

도 29 : 본 발명의 영상 영역화 과정에서 획득된 상추의 R.G.B 값과 a* 값에 대한 영상 히스토그램.

도 30 : 본 발명의 영상 영역화 과정에서 획득된 상추의 R.G.B 값과 b* 값에 대한 영상 히스토그램.

도 31 : 본 발명에서 상추의 정확한 윤곽 추출을 위한 8방향 체인코딩도.

도 32 : 본 발명에서 설정된 문턱값과 8방향 체인코딩을 이용하여 영상의 윤 곽을 추출하기 직전의 사진.

도 33 : 본 발명에서 설정된 문턱값과 8방향 체인코딩을 이용하여 영상의 윤 곽을 추출한 결과사진.

도 34 : 본 발명에서 PI제어가 적용된 AC서보모터의 모델링도.

도 35 : 본 발명에서 비례계수의 계산결과표.

도 36 : 본 발명의 퍼지제어 결과도.

도 37 내지 도 44 : 본 발명에서 상추 수확작업의 과정을 도시한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(1)--상추 (2)--상추수확로봇시스템

(4)--기계시각시스템 (6a)(6b)(86)--광센서

(8)--상추공급장치 (10)--상추 잎 부상장치

(12)--3자유도 매니퓰레이터 (14)--로봇제어기

(16)--컴퓨터 (18)--AC 서보모터

(20)--회전 테이블 (22)--에어실린더

(24)--자동포장기 (28)--포트

(30)--트레이 (30)(32)--컨베이어

(34)--AC 모터 (36)--영상처리장치

(38)--높이센서 (40)--지지대

(42)--감속기 (44)--지지부재

(46)--감속기의 출력축봉 (48)--지지블록

(50)(58)(84)--지지판 (52)--작동봉

(54)(56)--안내봉지지판 (60)--수직 평판

(62)--스테핑 모터 (64)--스테핑 모터의 축봉

(66)(68)--에어척 (66a)(68a)--에어핸드

(68b)--축핀 (70)--그리퍼

(72)--절단칼 (74)--에어노즐

(76)--CCD 카메라 (78)--조명등

(80)--필터 (82)--함체

(84)--지지판 (88)--수확장치

(90)--전압비례(제어)밸브 (92)--핑거부

(94)--압지홈 (96)--스폰지

(98)--절곡부 (100)--에어실린더

(102)(104)--링크아암 (106)(108)--축핀

(110)(112)--직선 안내홈 (114)(116)--베어링

(MICOM)--원 침 마이콤 (SV1)(SV2)--솔레노이드 밸브

(AC)--공기 압축기 (DAC)--D/A콘버터

(R)--저항 (C)--캐패시터

(D)--다이오드 (Q)--트랜지스터

(NG1)(NG2)--낫 게이트(NOT gate) (IC)--스테핑 모터 드라이버

본 발명에서 상추 수확로봇 시스템을 이용하여 수확할 수 있는 엽채류로는 상추ㆍ배추ㆍ무우ㆍ당근ㆍ시금치ㆍ양상치 등을 예로 들 수 있으며, 설명의 편의상 한 가지의 엽채류 이를테면 엽채류의 표본 중 하나인 상추를 그 예로 든다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 상추 수확 로봇 시스템(2)의 개요도로, 상추의 영상을 획득하는 기계시각시스템(4)과, 상추의 높이를 측정하는 광센서(6)와, 상추를 수확위치로 공급하는 상추공급장치(8)인 컨베이어 벨트와, 3자유도 매니퓰레이터(12)의 선단에 설치되는 수확장치(end-effector)가 상추로 접근할 때 처진 상추 잎을 부상시켜 주는 잎 부상장치(10)와, 수확위치로 이동된 상추를 압지하는 그리퍼와, 압지된 상추의 밑둥 절단용 절단칼을 가지면서 자유도 운동이 가능한 3자유도 매니퓰레이터(12)와, 로봇 제어기(14) 및 그리고 이러한 장치와 공정을 전체적으로 제어하는마이콤(MICOM) 또는 컴퓨터(16)로 크게 구성되며, 도 2는 본 발명에서 상추를 수확하는 알고리즘을 순차적으로 도시한 순서도로 다음과 같다.

① 기계시각시스템(4)으로 수확하고자 하는 상추의 영상(이미지)을 획득하고, 광센서(6)를 이용하여 상추의 높이를 측정한다.

② 상추공급장치(8)로 상추를 상추압지위치까지 하나씩 공급시킨다.

③ 3자유도 매니퓰레이터(12)가 상추 위치로 접근한다. 이때, 상추 잎 부상 장치(10)에서 에어에 의해 처진 상추잎을 위로 띄운다.

④ 퍼지제어에 의해 상추의 크기나 무게에 따라 파지력이 제어되는 그리퍼가 상추를 압지한 후, 절단 칼날이 포트를 압지하면서 상추를 절단한다.

⑤ 3자유도 매니퓰레이터(8)가 회전하여 상추를 포장부로 이송한다.

⑥ 3자유도 매니퓰레이터(8)는 초기위치로 돌아가고 상기 단계 ①에서부터 단계 ⑥ 까지의 과정을 반복하면서 상추의 계속적인 수확이 이루어진다.

도 3은 본 발명의 시스템 구성도이고, 도 4는 3자유도 매니퓰레이터(12)의 일 실시 예의 측면도로, AC 서보모터(18)에 의해 회전하는 회전 테이블(20) 위에는 에어실린더(22)로 전ㆍ후진되는 3자유도 매니퓰레이터(12)가 설치되고, 회전 테이블(20)의 일측에는 수확된 상추(1)를 포장하는 공지의 자동포장기(24)가 설치되고, 3자유도 매니퓰레이터(12)의 선단에는 상추가 재식(재배)된 포트(28)와 복수 개의 포트(28)가 적치되는 트레이(30)를 수확위치로 이송하는 컨베이어(32)가 설치되며, 컨베이어(32)의 일측에는 컨베이어 구동용 AC 모터(34)가 설치된다. 상기 포트(28)는 1회용 또는 재활용품을 쓸 수 있을 것이다. 상기 상추 자동포장기(24)는 통상의것이므로 그 구조나 사용에 대한 자세한 설명을 생략한다.

또한, 컨베이어(32)의 중간 부위에는 수확 대상 상추(1)의 잎면적을 검출하여 퍼지추론하기 위한 영상처리장치(36)와, 수확 대상 상추(1)의 높이를 감지하여 퍼지추론하기 위한 높이센서(38)가 설치된다.

한편, 도 4 내지 도 6은 3자유도 매니퓰레이터(12)의 일 실시 예의 측면 및 평면도로, 지지대(40)의 하부에 감속기(42)를 갖는 AC 서보모터(18)가 지지부재 (44)에 의해 고정되고, 상향 돌출되는 감속기(42)의 출력축봉(46)에는 회전 테이블 (20)이 고정되고, 회전 테이블(20)에는 지지블록(48)이 고정되고, 지지블록(48)에는 후미 지지판(50)에 고정된 에어실린더(22)에 의해 전.후진하는 작동봉(52)이 설치되고, 작동봉(52)의 상.하로는 안내봉(54)(56)이 평행 설치되어 상기 작동봉(52)의 전.후진을 협조하게 된다.

상기 AC 서보모터(18)는 비례ㆍ적분제어(PI control) 방식을 적용하였으며 AC 서보모터(18)의 제원은 아래 [표 1]과 같다.

[표 1] AC 서보모터의 제원

모 델	CSMG, 삼성(Samsung)
정 격 출 력(W)	200
정 격 속 도 (rpm)	3000
관성 모멘트(kg·㎡)	0.195 × 10-4
토크계수 (kgf·㎝)	3.9
감 소 율	25:1

또한, 선단 지지판(58) 또는 지지판(58)의 전면에 고정되는 수직 평판(60)의 하부에는 스테핑 모터(62)가 설치되고, 선단으로 돌출되는 스테핑 모터(62)의 축봉(64)에는 에어척(66)(68)이 상.하로 고정되고, 상부 에어척(66)에는 수확 대상상추(1)의 줄기 부분을 압지하는 그리퍼(70)가 설치되고, 하부 에어척(68)에는 그리퍼(70)에 의해 압지된 상추(1)의 밑둥 부분을 가위식 작동으로 절단하는 절단칼 (72)이 설치된다. 상기 절단칼(72)은 상추(1)를 절단할 때에만 가위식으로 오므려지도록 함이 바람직하다.

도 4는 1회의 상추 수확을 끝낸 3자유도 매니퓰레이터(12)가 다음 번 수확 대상 상추(1)가 수확위치로 이송될 때 까지 전진해 있는 상태의 측면도이고, 도 5는 상추(1)를 수확하기 위하여 3자유도 매니퓰레이터(12)가 후진한 상태의 측면도로, 에어실린더(22)의 의해 3자유도 매니퓰레이터(12)가 후진하면 연결부재(23)에 의해 지지판(50)과 에어실린더(22)는 현재위치를 고수하고 안내봉(54)(56)은 지지판 (50)의 후미로 돌출된다.

도 6은 상추(1)를 수확하여 압지한 3자유도 매니퓰레이터(12)가 자동포장기 (24)로 이동시키는 과정을 도시한 평면도로, 에어실린더(22)를 감지하는 근접센서 이를테면 한 쌍의 광 스위치 또는 광센서(6a)(6b)를 수확위치와 포장위치에 각각 설치하여 3자유도 매니퓰레이터(12)가 AC 서보모터(18)에 의해 수확위치와 자동포장기(24) 위치 구간을 회전할 수 있도록 한다.

한편, 수확시기의 상추는 잎이 처져 포트를 가리는 경우가 있다. 따라서, 도 7과 같이 3자유도 매니퓰레이터(12)가 상추(1)에 접근할 때 처진 상추 잎이 그리퍼(70)나 절단칼(72)에 의해 상해를 입게 될 수도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 공기압을 이용하여 3자유도 매니퓰레이터(12)가 상추로 접근할 때 밑으로 처진 상추 잎을 위로 불어주도록 한다.

상기 잎 부상장치(10)는 에어노즐(74)을 상추 공급장치(8)의 상추 압지위치 바로 앞에 부착하고, 온/오프(ON/OFF) 솔레노이드 밸브와 유속제어밸브를 이용하여 구성하도록 한다. 작동에어는 6bar이고, 솔레노이드의 온/오프 제어는 마이콤(PB-1S)의 제어신호를 이용하도록 하고, 상기에서 3자유도 매니퓰레이터(12)의 전진과 연동하여 전진할 때 또는 전진시기와 전진해 있는 기간 동안 작동하도록 하면 바람직할 것이다.

도 8, 도 9는 상기 영상처리장치(36)의 평면도 및 정면도로, CCD 카메라(76)와 복수 개의 조명등(78) 및 간접조명을 위한 필터(80)로 크게 구성되며, 상추(1)가 지나가는 컨베이어(32)의 상부에 설치된다.

상기 CCD 카메라(76)와 복수 개의 조명등(78)은 외부광의 간섭이나 방해를 방지할 수 있도록 함체(82)의 내부에 설치하도록 하고, 좌.우측 및 전.후측에 위치하는 함체(82)에는 자연광을 방출하는 3파장 조명등(78)을 상추를 향하도록 각각 경사지게 설치하고, 3파장 조명등(78)이 설치된 함체(82)의 측면과 하부에는 흰색의 반투명 필터(80) 이를테면 흰색 아크릴판을 설치하여 간접조명을 달성하도록 한다.

상부에 위치하는 함체(82)에는 장애물 없이 상추를 촬영할 수 있는 CCD 카메라(76)를 설치하여 간접 조명되는 상추를 직접 촬영할 수 있도록 한다.

수확 대상 상추(1)의 높이를 감지하기 위한 높이센서(38)는 도 10과 같이 수직 지지판(84)에 6개 전.후의 직접 반사형 광센서(86)를 고른 간격으로 설치하여 상추의 높이를 감지하도록 하고, 상기 높이 감지신호는 로봇 제어기(14)와 컴퓨터(16)로 입력되게 한다.

한편, 상기 3자유도 매니퓰레이터(12)는 AC 서보모터의 z축 회전운동, 에어실린더의 y축 전ㆍ후진운동 그리고 스테핑 모터의 y축 회전운동 등 3자유도로 자유로운 운동을 할 수 있게된다.

즉, 로봇의 아암인 작동간(54)을 Z축으로 회전시키는 AC 서보모터(18)와, 상추를 수확할 때 매니퓰레이터(12)의 선단에 설치된 수확장치(end-effector)(88)를 상추 수확방향인 Y축으로 전ㆍ후진시키는 에어실린더(22)와, 상기 수확장치를 Y축으로 회전시키는 스테핑 모터(62)로 구성되는 3자유도 방식으로 운동하게 된다.

또한, 수확장치(88)의 선단에는 상추잎 면적과 상추높이를 토대로 상추의 크기와 무게를 판단하는 퍼지추론에 따른 전압비례방식으로 공기압 또는 공기유량이 제어되는 전압비례제어밸브(90)와, 상기 전압비례제어밸브(90)에 의해 동작하는 그리퍼(70)용 에어척(66)과 절단칼(72)용 에어척(68)이 각각 설치된다.

일반적으로 매니퓰레이터(manipulator)란 '인간의 팔과 유사한 기능을 가지고 공간상에서 대상물을 이동시키는 것'으로 정의되어 있다. 이 매니퓰레이터는 몇 개의 관절(다관절)과 링크로 구성되어 있고 각 관절은 단일 또는 복수의 자유도를 가진다.

본 발명에서는 이러한 매니퓰레이터를 이용하되 원통 좌표계를 적용하여 자유로운 운동을 유도하여 상추를 손쉽게 수확할 수 있도록 한다.

상기 원통 좌표계는 z축에 대한 회전관절, 수평상태에서 반지름 방향인 x축으로 움직이는 미끄럼 관절, 그리고 y축에 대한 회전관절로 구성하여 동작범위를어느 정도 크게 한 것이다.

또한, 매니퓰레이터의 기구학적 운동특성을 나타내는 척도인 자유도(degrees of freedom)란 주어진 공간에서의 매니퓰레이터의 기구학적 상태를 표시하는 독립적인 입력변수의 개수를 나타내는 것으로, 본 발명에서는 AC 서보모터에 의한 z축 회전운동, 에어실린더에 의한 y축 전ㆍ후진운동 그리고 스테핑 모터에 의한 y축 회전운동 등 3자유도로 매니퓰레이터의 자유로운 운동을 달성하도록 한다.

상기 AC 서보모터는 상추 수확위치 및 포장위치로의 이동을 위하여 매니퓰레이터의 z축에 대한 회전운동을 담당하며, AC 서보모터의 위치는 상추를 수확하는 위치와 상추가 포장되는 위치에 각각 1개의 광센서(6a)(6b)를 설치하여 상추(1) 높이에 따른 적절한 제어를 담당하도록 한다.

상기 에어실린더(22)의 전ㆍ후진 운동시 고려해야 할 사항들은 다음과 같다.

① 성장한 상추는 잎의 처짐 현상이 발생하게 되는데 3자유도 매니퓰레이터 (12)가 상추에 접근할 때 처진 잎의 손상을 방지하기 위하여 적당한 행정거리를 유지하여야 한다.

② 에어실린더(22)의 끝단에 그리퍼(70)와 절단칼(72) 및 에어척(66)(68)으로 구성되는 수확장치(88)가 부착될 때 수확장치(88)의 하중에 의한 에어실린더 (22)의 처짐정도를 고려해야 한다.

위의 요구사항들을 고려하여 에어실린더(22)의 스트로크를 200mm 전ㆍ후로 유지하도록 하고, 에어실린더(22)의 피스톤 로드에 횡하중이 작용할 때 로드부싱의 미끄럼면에서 에어실린더(22)의 최대 이론 출력의 1/20 이내의 횡하중은 견딜 수있도록 하고, 안내봉(54)(56)이 설치된 에어실린더(22)를 사용하여 횡하중에 의한 에어실린더(22)의 처짐량을 적게 하였으며, 에어실린더(22)의 끝단에 걸리는 최대 하중은 아래 식 1과 같다.

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(식 1)

여기서

,

이다.

절단한 상추를 자동포장기(24)의 포장부에 떨어뜨릴 때 수확장치(88)에 의한 상추의 잎 손상을 줄이기 위해 상추의 자세를 보정할 필요가 있다. 상추의 자세보정을 위해 스테핑 모터(62)로 수확장치(88)를 180。 회전시켜 수확된 상추가 수확장치(88)의 하부에 위치하도록 한 상태에서 그리퍼(70)의 압지력을 해제시켜 수확된 상추가 자동포장기(24)로 자유낙하하도록 함으로서 상추의 손상이나 품질저하를 방지하도록 한다. 아래 표 2에 스테핑 모터(62)의 제원을 나타내었다.

[표 2] 스테핑 모터의 제원

모 델	103G770-01, 산요(Sanyo)
최 대 토 크	4.5 kgf·㎝
스 텝 각 도	1.8。
전 류	1 A
작 동 전 압	5.1 V
회전자 관성모멘트	90 g·㎠

도 4, 도 5, 도 6은 3자유도 매니퓰레이터(12)를 제어하는 로봇 제어기(14) 회로도이다. 상기 로봇 제어기(14)에 사용되는 마이콤(MICOM)은 PIC 16C73A를 개선한 PB-1S라는 원칩 마이크로 컴퓨터를 이용하였으며, 아래 표 3과 같이 14개의 입·출력 포트를 가지고 있고 주파수 출력을 위한 2개의 출력 포트를 별도로 제공하고 있다. AC 서보모터(18)의 위치제어를 위한 주파수는 2.5KHz로 설정하였고, 스테핑 모터(62)의 위치는 180。 회전하도록 제어하도록 하고, 에어실린더(22)는 릴레이 1, 2를 이용하여 복동 솔레노이드 밸브(SV1)를 구동하도록 한다.

[표 3] 마이콤(PB-1S)의 입ㆍ출력 포트 제원.

0		8	스테핑 모터 입력신호
1	컨베이어	9	AC 서보모터 주파수 신호
2	송풍기	10
3	릴레이 오프(for end-effector)	11	광센서 입력
4		12	광센서 입력
5	릴렝이 온(for end-effector)	13	포토 커플러 신호
6	스페핑 모터의 입력신호	14	릴레이 오프(에어실린더용)
7	AC서보모터의 방향신호	15	릴레이 온(에어실린더용)

AC 서보모터(18)의 제어회로인 도 4는 마이콤(MICOM)의 신호 입ㆍ출력에 라인드라이버(MC34C87)와 모터드라이버와 AC 서보모터(18)가 차례로 접속되고, 마이콤(MICOM)의 신호입력단자(마이콤의 11번 단자와 12번 단자)에 3자유도 매니퓰레이터(12)의 회전위치(또는 이동위치)를 감지하는 한 쌍의 광 스위치 또는 광센서(6a) (6b) 회로가 접속된다.

3자유도 매니퓰레이터(12)의 첫 회전위치(동작위치)와 끝 회전위치(동작위치)를 감지하여 3자유도 매니퓰레이터(12)의 작동구간을 제어하게 되는 상기 광센서 회로는 직접반사형 광센서(BM200-DDTN)(6a)(6b)와, 상기 광센서(6a)(6b)가 감지한 신호를 큰 세력의 신호로 증폭하는 증폭회로로 구성된다.

상기 광센서 회로의 증폭부의 구성을 살펴보면, 광센서(6a)(6b)로 12V의 동작전원이 공급되며, 12V의 직류전원과 광센서(6a)(6b) 사이에 역류방지 다이오드 (D1)(D5)를 접속하여 역기전력으로 부터 광센서(6a)(6b)를 보호하게 되며, 광센서 (6a)(6b)의 신호출력단자에 증폭용 트랜지스터(Q1)(Q2)의 베이스가 접속되고, 트랜지스터(Q1)(Q2)의 이미터와 콜렉터에 출력단 보호용 제너다이오드(D3)(D4)가 접속되고, 상기 트랜지스터(Q1)(Q2)의 콜렉터에 풀업저항(R1)(R2)과 마이콤 (MICOM)의 신호입력단자인 11번 단자와 12번 단자가 각각 접속되는 구성이다.

도 5는 3자유도 매니퓰레이터(12)에 설치되는 에어실린더의 제어회로로 마이콤(MICOM)의 신호출력단자인 14번 단자와 15번 단자에 릴레이 1, 2가 각각 접속되고, 릴레이 1, 2의 가동단자에 솔레노이드 밸브(SV1)와 상기 솔레노이드 밸브(SV1)를 구동하기 위한 24V의 전원이 접속되고 솔레노이드 밸브(SV1)에 도시안된 공지의 공기압 공급원과 3자유도 매니퓰레이터(12)를 전ㆍ후진시키는 에어 실린더(22)를 연결하여 공기압 회로를 구성하도록 한다.

상기의 경우 마이콤(MICOM)의 신호출력단자인 14번 단자가 "HI"로 되고 15번 단자가 "LOW"로 되면 솔레노이드 밸브(SV1)의 동작에 의해 에어실린더(22)의 로드가 설정된 스트로크 만큼 전진하게되고, 반대로 마이콤(MICOM)의 신호출력단자인 15번 단자가 "HI"로 되고 14번 단자가 "LOW"로 되면 솔레노이드 밸브(SV1)의 역동작에 의해 에어실린더(22)의 로드가 설정된 스트로크 만큼 후진하게된다.

스테핑 모터(62) 제어회로인 도 6은 마이콤(MICOM)의 신호출력단자인 6번 단자와 8번 단자에 신호반전용 낫 게이트(NOT gate)(NG1)(NG2)와 스테핑 모터 드라이버(IC)와 스테핑 모터와 회로보호용 복수 개의 다이오드가 각각 접속된다.

본 발명 수확장치(88)는 3자유도 매니퓰레이터(12)의 선단에 부착되어 대상물을 직접적으로 다루므로 로봇의 응용에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 특히, 농산물에 적용할 때에는 작업 대상이 균일하지 않고 작업환경이 변화될 수 있으므로 작업 대상과 환경에 대한 충분한 고려가 필요하다.

본 발명에서는 작업 알고리즘을 고려하여 상추를 절단할 때 상추의 줄기 부분을 압지하기 위한 압지 그리퍼(70)와, 그리퍼(70)에 의해 압지된 상추를 절단하는 절단칼(72)과 이들을 작동하기 위한 에어척(66)(68)으로 도 11 내지 도 14와 같은 구성의 수확장치(88)가 구성된다.

상추 압지 그리퍼(70)는 상추의 밑둥을 압지하게되며, 상추에 손상을 주지 않는 적절한 파지력을 가지고 상추(1)를 압지하는 동작으로 이루어져야 한다. 이때 적절한 파지력을 결정하기 위해서는 안정된 파지력(stable grasp)을 유지하기 위해 요구되는 최소 파지력이나 상추(1)에 손상을 일으키지 않고 가할 수 있는 최대 파지력에 대한 정보가 요구된다. 그리퍼(70)가 상추(1)를 파지할 때에는 그리퍼(70)의 최대 최소 파지치수ㆍ파지력 정도ㆍ파지면의 강성ㆍ상추의 중량ㆍ크기ㆍ기하학적 모양 등에 대한 정보가 필요하다.

일반적으로 그리퍼(70)에 사용되는 동력원으로는 DC 모터를 이용하는 경우, 공기압을 이용하는 경우, 유압을 이용하는 경우, 진공을 이용하는 경우 등 다양한 형태가 있다. 이러한 것 들 중에서 공기압을 사용하는 방법은 3자유도 매니퓰레이터(12)의 선단에 부착하기가 간편하고 구동이 간단한 장점이 있으므로 본 발명에서는 에어척(66)(68)을 이용한 공기압 제어방법을 사용하도록 한다.

상추를 압지하는 그리퍼(70)는 개폐구간이 0˚∼180˚인 에어척(66)을 이용하도록 하고, 핑거부(92)는 엠씨(MC : monomer cast)나일론과 같이 크게 딱딱하지 않은 다소 연질의 합성수지를 사용하여 경량화하도록 하고, 상추(1)를 압지하는 순간의 충격력을 줄이기 위해 엠씨(MC) 나일론 안쪽 부분에 압지홈(94)을 갖는 스폰지(96)를 접착하도록 하고, 핑거부(92)의 선단은 대향 절곡부(98)를 형성하여 상추 줄기와 의 접촉에 따른 마모나 스폰지(96)의 수명저하를 방지하도록 한다.

그리퍼 에어척(66)은 퍼지 제어를 이용하여 파지력을 조절하게 되며, 컴퓨터(16)로부터의 퍼지 출력변수에 의한 제어신호로 전압비례제어밸브(90)를 제어하여 에어척(66)으로 공급되는 공기압을 조정하여 압지력이 자동으로 조절되게 하고 솔레노이드 밸브(SV1)를 이용하여 에어척(66)을 개.폐할 수 있도록 한다.

도 7은 상기 상추 압지 그리퍼(70)를 제어하는 회로를 도시한 것이다.

상기 그리퍼(70) 제어회로를 살펴보면 마이콤(MICOM)의 13번 단자에 접속되는 라인드라이버(MC34C87)와, 상기 라인드라이버(MC34C87)에 접속되어 솔레노이드 밸브(SV2)를 개폐시키는 릴레이 3, 4와, 솔레노이드 밸브(SV2)에 의해 그리퍼(70)를 동작시키는 에어척(66)과, 퍼지추론에 따른 비례전압을 출력하는 D/A콘버터 (DAC)와, D/A콘버터(DAC)의 출력전압에 따라 개폐정도 및 유량이 제어되는 전압비례제어밸브(90)와, 상기 전압비례밸브(90)로 공기압을 공급하는 공기압축기(AC)와, 전압비례제어밸브(90)에 의해 조절되는 공기압으로 압지력이 결정되는 에어척(66)으로 구성되며, 에어척(66)으로 공급되는 공기압은 퍼지추론방식으로 공급되므로그리퍼(70)가 상추를 손상없이 압지하게된다.

즉, CCD 카메라(76)를 이용한 상추(1)의 잎 면적과 높이센서(38)를 이용한 상추의 높이를 감지하여 퍼지추론으로 상추(1)의 크기와 무게를 판단한 다음 비례전압을 출력하게되며, 전압비례제어밸브(90)는 상기 비례전압에 대응하여 개ㆍ폐정도가 달라지므로 에어척(66)으로 인가되는 공기압이 조절된다. 따라서 그리퍼(70)의 압지력이 조절되므로 상추 줄기를 적당한 압력으로 압지하게 되어 상추의 상품성이 떨어지는 문제점이 없어진다.

한편, 상추 압지 그리퍼(70)가 상추의 밑둥을 압지하게 되면, 상추 압지 그리퍼(70) 아래에 부착된 가위식 절단칼(72)을 이용하여 상추의 밑둥을 잘라 수확하게 된다. 이때 절단칼(72)은 상추에 상해를 주지 말아야 하고, 내환경성 및 내부식성을 가져야 하며, 상추(1)의 밑둥을 한 번에 깨끗이 절단할 수 있어야 한다. 또한 반복되는 절단 작업을 수행할 수 있도록 충분한 강성을 가져야 한다.

따라서 본 발명에서는 절단칼(72)의 구조가 간단하고 상추 압지 그리퍼(70)와 함께 3자유도 매니퓰레이터(12) 선단에 부착하기 쉬운 에어척(68)을 이용하였다. 절단칼(72)의 에어척(68)은 마이콤(MICOM)의 출력신호, 릴레이 3, 4 그리고 복동 솔레노이드 밸브(SV2)를 이용하여 개ㆍ폐할 수 있도록 한다.

즉, 스테핑 모터(62)의 회전축봉(64)에 에어척(66)(68)을 상ㆍ하로 설치하되, 상부 에어척(66)의 에어핸드(66a)에는 이송되는 상추의 줄기부분을 압지하는 한 쌍의 그리퍼(70)를 체결구조로 설치하여 수리나 교환할 수 있도록 하고, 하부 에어척(68)의 에어핸드(68a)에는 상기 그리퍼(70)로 압지된 상추 줄기를 절단하는한 쌍의 절단칼(72)을 설치하여 상추와 같은 엽채류를 자동으로 수확할 수 있게 함으로서 수확인력 대체로 인한 인건비 절약과 수확에 따른 작업성 및 생산성이 대폭적으로 향상된다.

상기에서 그리퍼(70)용 에어척(66)은 도 13과 같이 내장된 에어실린더에 의해 에어핸드(66a)와 그리퍼(70)가 평행으로 오므려지거나 벌어지면서 동작이 부드럽고 자유스러운 평형 개폐형 에어척을 사용하여 상추를 압지하도록 함이 바람직하고, 절단칼(72)용 에어척(68)은 도 14와 같이 축핀(68b)을 중심으로 가위 운동하는 지점 개폐형 에어척을 사용하여 압지된 상추(1)의 줄기를 효과적으로 절단하도록 함이 바람직하다.

상기에서 그리퍼(34)(36)와 절단칼(66)(68)의 무게는 가벼우면서 상추를 한 번에 절단하면서 절단된 면이 깨끗해야 바람직하며, 구동방식은 간결하고 제어가 쉬우면서 다음 번 절단작업에 방해를 주지 않을 정도의 적당한 크기여야 하고, 절단칼(72)의 바깥측에는 보강부재(72a)를 이용하여 보강하도록 한다.

상기에서 평형 개폐형 에어척은 도 15에 도시한 바와 같이 압축공기에 의해 단동 에어실린더(100)가 전진 또는 후진하면 링크아암(102)(104)이 축핀(106)(108)을 중심으로 벌어지거나 오므려지면서 에어핸드(66a)가 직선 안내홈(110)(112)과 베어링(114)(116)을 따라 평행으로 가까워지거나 멀어지는 슬라이드 운동을 하게되며, 따라서 에어핸드(66a)의 단부에 피스와 같은 체결수단으로 고정된 그리퍼(70)가 상추의 줄기를 압지하거나 압지력을 해지하게 된다. 상기 에어척은 공지의 물품이므로 구체적인 구성이나 작용효과에 대한 설명은 생략하도록 한다.

또한, 지점 개폐형 에어척은 상기 평형 개폐형 에어척의 경우처럼 에어실린더(100)의 전ㆍ후진에 따라 링크아암(102)(104)이 축핀(106)(108)을 중심으로 벌어지거나 오므려지는 운동을 하게 되며, 단지 평형 개폐형 에어척과 다른 점은 링크아암(102)(104)의 앞부분을 선단으로 연장 돌출시켜 에어핸드(68a)를 구성한 다음 상기 에어핸드(68a)에 절단칼(72)이 고정된 보강부재(72a)를 피스와 같은 체결수단으로 고정하면 절단칼(72)이 가위운동하면서 파지된 상추(1)를 절단할 수 있게 된다.

본 발명에서 상추의 면적정보를 추출하기 위한 기계시각시스템(4)은 도 20과 같이 상추 영상의 질을 향상시키기 위한 조명등(78)과 영상을 획득하고 처리하는 영상처리장치(36)로 구성되며, 기계시각시스템(4)으로 추출된 면적정보는 상추 압지 그리퍼(70)의 파지력 제어를 위한 퍼지 제어기의 입력변수로 사용된다.

도 21은 상기 영상처리장치(36)의 회로블럭도로, 상추의 영상을 획득하는 CCD 카메라(76)와 같은 류의 영상입력장치, 상기 영상입력장치의 아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환하고 프레임 버퍼에 저장하는 프레임 그래버, 저장된 영상을 처리분석하는 컴퓨터(Pentium 100MHz PC), 영상처리결과를 출력하는 모니터로 구성된다.

한편, NTSC(National Television Systems Committee)방식의 칼라신호를 출력하는 상기 칼라 CCD카메라(PULNiX, TMC-74)(76)와 16mm 표준렌즈를 이용하여 상추의 이미지를 획득한 다음 색정보를 분석하도록 한다. 상기 CCD카메라(76)의 출력정보는 각 화소의 R(red), G(green), B(blue) 신호이다.

본 발명에 사용된 프레임 그래버는 매트록스사(Matrox社)의 코로나 (Corona-LC/8)이다. 이 영상 보드는 프레임 버퍼 4MB, 오브레이(overlay)버퍼 4MB를 제공하여 영상처리결과를 별도의 출력 모니터 없이 바로 출력할 수 있는 시스템이다.

또한, 균질(균일한 질)의 영상을 획득하기 위하여 영상 면의 좌우에 각각 9개의 3파장 조명등(20W, 주광색)(78)을 설치하고, 앞ㆍ뒤에는 도 9와 같이 45°방향으로 기울여 조명하도록 각각 3개의 3파장 조명등(78)을 사용하도록 한다.

또한, 상추 표면에서의 직반사(specular reflectance)를 방지하고, 조명의 밝기가 균일한 확산광(diffused light)을 만들기 위해 광원과 상추 사이에 흰색 필터(80) 예컨데 흰색 반투명 아크릴 판을 설치함이 바람직하며, 복수 개의 조명등으로 구성된 조명장치의 영상면은 400 ×400 mm²이며 전체 영상면에서 조도는 2.3∼3.0klux로 유지하였다.

본 발명의 기계시각시스템(4)은 CCD카메라(76), 영상보드 등의 장비와 조명등(78) 등의 환경에 의해 고유의 특성을 갖는다. 이러한 이유로 대상물의 특징을 측정하기 전에 측도 설정이 필요하다.

영상처리에 의하여 대상물을 측정하는 경우, 입력영상은 측정 윈도우의 크기와 설정위치 등에 따라 기하학적 왜곡이 나타나게 된다. 이러한 왜곡을 최소화하기 위해서는 CCD 카메라(76)의 렌즈면과 영상면이 평행을 유지할 수 있도록 CCD 카메라(76)를 설치하는 것이 중요하다.

즉, 정사각형 모형의 영상을 잡고 오브레이(overlay) 기능을 이용하여 모니터 화면에 격자(grid)를 표시한 후에 화면상의 직선이 일치하도록 하여 CCD 카메라(76)의 렌즈면이 영상면과 평형을 유지하도록 하고, 시료대의 4분면 가장자리에 표본을 번갈아 위치시키며 각 변의 화소 개수가 일치하도록 하여 CCD카메라 (76)가 영상면의 중앙에 위치하도록 한다.

또한, 화소의 개수로 물체의 외형 정보를 추출하기 위해서는 영상에서의 단위 화소에 해당되는 실제크기를 구하여야 한다. 한 변의 길이가 각각 200mm, 250mm, 300mm인 3개의 정사각형 모형 표본을 영상면의 중앙에 위치시킨 후 영상을 획득하여 가로와 세로의 화소 개수를 세어 평균값을 취한 다음 단위 화소의 X 방향, Y 방향의 실제 길이로 결정하도록 하며 아래 표 4에 그 결과를 나타내었다.

[표 4] 물체의 외형정보 추출을 위한 단위 화소의 실제 크기표.

실시간 영역[mm×mm]	수평폭[mm/화소]	수직폭[mm/화소]	가로세로 비	영역[mm2/화소]
200×200	0.813	0.826	0.984	0.6715
250×250	0.814	0.833	0.977	0.6781
300×300	0.817	0.833	0.981	0.6806
평 균	0.815	0.831	0.981	0.6767

한편, 도 10과 같이 상추(1)의 기하학적 형상 중 높이정보를 추출하기 위하여 높이센서(6)를 이용한 높이 측정장치를 이용하여 획득한 상추높이정보신호는 데이터 획득(data acquisition) 보드 또는 인터페이스를 통해 컴퓨터(16)로 입력되며, 추출된 상추의 높이정보는 퍼지 제어기의 입력변수로 사용된다.

한편, 수확할 때가 된 상추는 3자유도 매니퓰레이터(12)의 앞으로 하나씩 공급되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 상추 공급장치(8)와 컨베이어를 이용하여 3자유도 매니퓰레이터(12) 앞으로 상추를 하나씩 공급하도록 하게되며, 또한 컨베이어 벨트의 처짐을 방지하기 위하여 벨트(32) 상단에 복수 개의 무부하 롤러(아이들롤러)를 설치하고, 컨베이어 벨트의 하단에는 장력을 조절할 수 있는 장력롤러를 설치하여 컨베이어 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 한다.

또한, 컨베이어(32)의 구동은 제동과 속도조절이 가능한 AC 모터(34)를 이용하고, 수확할 상추가 수확위치에 도달하면 컨베이어(32)를 제동시켜 트레이(재식판)(30)이 멈출 수 있도록 한다. 이때 제동신호는 마이콤(PB-1S)을 이용하여 일정한 시간 동안 컨베이어(32)를 구동시킨 후 멈출 수 있도록 한다.

도 22는 상기 컨베이어(32)의 제어회로를 나타낸 것으로, 마이콤 (MICOM)의 1번 출력단자에 접속되는 라인드라이버(MC34C87)와, AC 모터(34)의 정역회전을 담당하는 릴레이 5, 6과 모터 드라이버(MOTOR DRIVE)와 AC 모터(34) 및 그 기동회로(콘덴서와 저항으로 구성)로 구성된다.

일반적으로 퍼지제어는 퍼지논리를 이용한 것으로서, 일반적인 집합론이 예/아니오(Yes/No) 등의 2진 논리만을 다루는데 비하여 퍼지논리는 0과 1사이의 임의의 실수값을 취할 수 있는 다치 논리로서 퍼지 제어뿐 만 아니라 데이터베이스ㆍ전문가 시스템ㆍ음성인식ㆍ영상처리 등에 이용되고 있으며, 귀속도 함수(membership function)를 이용하여 추론을 하고 원하는 결과를 얻게 된다.

상기 퍼지이론은 1965년 Zadeh 교수에 의해 시작되었으며, 이후 미국에서는 이론적 바탕을 제공하는 기초연구를 많이 수행하였고, 일본에서는 실제 응용인 퍼지 제어기의 개발에 대한 연구가 수행되어 퍼지제어가 응용된 많은 관련 제품들이 생산되고 있다.

퍼지 제어기는 인간의 지능이 판단할 수 있는 것과 유사한 방식으로 문제를판단한다. 인간은 어떤 정보를 받아들일 때 정확한 수치로서 받아들여 이를 처리하는 것이 아니고, 대충 근처의 값을 이용하여 처리한다. 이때에는 어떠한 수학적 수식이나 정형화된 공식이 필요한 것이 아니며, 근사하게 입력된 정보를 이용하여 빠르게 처리한다. 이러한 과정을 모사한 것이 퍼지 제어기이다.

상추를 압지하는 파지력은 상추의 크기ㆍ높이ㆍ중량 등에 따라 다르다. 이렇게 수식화하여 모델링하기 어려운 입력값들을 처리하는 데는 퍼지 제어기가 유용하다. 따라서 본 발명에서는 퍼지제어를 이용하여 상추를 수확하도록 한다.

퍼지 제어기는 퍼지화, 퍼지추론, 비퍼지화로 구성되어 있다. 퍼지 제어기의 구성은 도 23과 같다. 기계시각시스템(4)에 의하여 측정한 잎면적 정보와 광 센서 (6)에 의하여 측정한 높이 정보를 입력변수로 사용하였고, 전압을 출력변수로 사용하였다. 전압비례 밸브(90)는 입력으로 들어오는 전압에 따라 압력을 조절하며, 조절된 압력은 솔레노이드밸브(SV2)를 통해 에어척(66)의 구동원으로 사용되어진다.

상기 에어척(66)은 압력에 따라 다른 파지력을 냄으로써 상추 압지 그리퍼(70)의 파지력을 제어하게 된다. 도 24에 전압비례밸브(90)의 전압과 압력과의 관계를 그래프로 나타냈으며, 도 25에 압력에 따른 에어척(66)의 파지력을 도시하였다.

퍼지제어는 언어변수를 사용한다. 언어변수는 정보의 애매 모호함을 정량적으로 표현하기 위해 사용하는 변수로서 퍼지 제어에서는 언어변수 하나가 각각 하나의 퍼지 집합을 표현하고 있다. 퍼지 집합의 모양으로는 삼각형ㆍ사다리꼴ㆍ종형 등이 사용되고 있는데, 그 성능은 큰 차이가 없는 관계로 컴퓨터상에서 표현이 편리하고 계산이 간단한 삼각형과 사다리꼴형이 주로 사용된다.

본 발명에 사용된 입력변수로는 기계시각(CCD 카메라)을 이용하여 측정한 잎면적 정보와 높이센서(38)를 이용하여 측정한 높이정보를 사용하였고, 출력변수로는 전압을 사용하였다. 도 26, 도 27, 도 28은 사용된 퍼지제어의 언어변수 및 귀속도 함수를 보여주고 있다.

상기에서 도 26은 상추 잎의 면적(평면적)정보를 예시한 것으로 'VN'은 상추 잎의 면적이 매우 폭이 좁은 것(Very Narrow)을 뜻하며, 'NA'는 상추 잎의 면적이 좁은 것(NArrow)을 뜻하며, 'ME'는 상추 잎의 면적이 보통의 것(MEdium)을 뜻하며, 'WI'는 상추 잎의 면적이 넓은 것(WIde)을 뜻하며, 'VW'는 상추 잎의 면적이 매우 넓은 것(Very Wide)을 뜻한다.

또한, 도 27은 상추의 높이정보를 예시한 것으로, 'VS'는 상추의 전체높이가 매우 낮은 것(Very Small)을 뜻하며, 'SM'은 상추의 전체높이가 낮은 것(SMall)임을 뜻하며, 'MD'는 상추의 전체높이가 보통의 것(MeDium)임을 뜻하며, 'TA'는 상추의 전체높이가 높은 것(TAll)임을 뜻하며, 'VT'는 상추의 전체높이가 매우 높은 것(Very Tall)임을 뜻한다.,

또한, 도 28은 상추의 잎 면적과 높이를 토대로 결정되는 출력변수 전압을 예시한 것으로, 'VL'은 매우 낮은 전압(Very Low)을 뜻하며, 'LO'는 낮은 전압(LOw)을 뜻하며, 'LM'은 약간 낮은 전압(Low Medium)을 뜻하며, 'MM'은 중간전압(MediuM)을 뜻하며, 'MH'는 약간 높은 전압(Medium High)을 뜻하며, 'HI'는 높은 전압(HIgh)을 뜻하며, 'VH'는 매우 높은 전압(Very High)을 뜻하며, 'EH'는 특별히 높은 전압(Extra High)을 각각 뜻한다.

한편, 퍼지추론을 위해 본 발명에서 사용된 규칙의 수는 아래 표 5와 같이 25개이다. 규칙의 형태는 'IF <조건>, THEN <결론>'의 형식을 취하며 조건부와 결론부 모두 하나 또는 그 이상의 퍼지변수를 인자로 가질 수가 있다.

[표 5] 본 발명에서 퍼지추론을 위해 사용된 25개의 규칙표.

Rule#1	If [leaf area index = VN] and [Height index = VS ],Then [Voltage = VL]
Rule#2	If [leaf area index = VN] and [Height index = SM ],Then [Voltage = VL]
Rule#3	If [leaf area index = VN] and [Height index = MD ],Then [Voltage = VL]
Rule#4	If [leaf area index = VN] and [Height index = TA ],Then [Voltage = VL]
Rule#5	If [leaf area index = VN] and [Height index = VT ],Then [Voltage = VL]
Rule#6	If [leaf area index = NA] and [Height index = VS ],Then [Voltage = VL]
Rule#7	If [leaf area index = NA] and [Height index = SM ],Then [Voltage = LO]
Rule#8	If [leaf area index = NA] and [Height index = MD ],Then [Voltage = LO]
Rule#9	If [leaf area index = NA] and [Height index = TA ],Then [Voltage = LM]
Rule#10	If [leaf area index = NA] and [Height index = VT ],Then [Voltage = MM]
Rule#11	If [leaf area index = ME] and [Height index = VS ],Then [Voltage = LO]
Rule#12	If [leaf area index = ME] and [Height index = SM ],Then [Voltage = LM]
Rule#13	If [leaf area index = ME] and [Height index = MD ],Then [Voltage = MM]
Rule#14	If [leaf area index = ME] and [Height index = TA ],Then [Voltage = MH]
Rule#15	If [leaf area index = ME] and [Height index = VT ],Then [Voltage = HI]
Rule#16	If [leaf area index = WI] and [Height index = VS ],Then [Voltage = LM]
Rule#17	If [leaf area index = WI] and [Height index = SM ],Then [Voltage = MM]
Rule#18	If [leaf area index = WI] and [Height index = MD ],Then [Voltage = MH]
Rule#19	If [leaf area index = WI] and [Height index = TA ],Then [Voltage = HI]
Rule#20	If [leaf area index = WI] and [Height index = VT ],Then [Voltage = VH]
Rule#21	If [leaf area index = VW] and [Height index = VS ],Then [Voltage = MM]
Rule#22	If [leaf area index = VW] and [Height index = SM ],Then [Voltage = MH]
Rule#23	If [leaf area index = VW] and [Height index = MD ],Then [Voltage = HI]
Rule#24	If [leaf area index = VW] and [Height index = TA ],Then [Voltage = VH]
Rule#25	If [leaf area index = VW] and [Height index = VT ],Then [Voltage = EH]

일반적으로 영상 영역화 방법 중 가장 많이 이용되는 방법은 대상체와 배경을 문턱값(threshold)에 의해 분할하는 영상 이치화 방법이다. 문턱값은 영상의 히스토그램(histogram)을 조사하여 배경과 대상체를 분할하기 쉬운 값으로 정하게 된다.

본 발명에서는 획득된 상추의 영상을 R, G, B 값과 a*, b* 값에 대하여 각각 히스토그램을 획득하고 이를 분석하여 문턱값을 설정하도록 한다. 적축면은 녹색에서 적색까지 폭 넓은 색 분포를 이루고 있어 R, G, B 값에 의한 분리는 어려워 보였으며, a*, b* 값에 의해 배경과 분리가 가능할 것으로 판단되었다. 도 29, 도 30은 a*, b* 값에 대하여 영상의 히스토그램을 나타낸 그래프도이다.

샘플의 히스토그램을 분석하여 몇 개의 문턱값 후보를 선정하였으며, 이를 모든 선별 영상에 적용하여 분리도가 가장 뛰어난 a* 값 22를 문턱값으로 설정하여 배경과 상추를 분리하였다.

상추의 기하학적 특성을 분석하기 위해 먼저 상추의 윤곽이 정확하게 추출되어야 한다. 상추의 윤곽선 추출을 위해 도 31과 같이 8방향 체인코딩(chain coding)을 실시하였으며, 설정된 문턱값과 8방향 체인코딩을 이용하여 도 32와 같은 상추의 영상윤곽을 추출한 결과는 도 33과 같다.

추출된 체인코딩을 이용하여 상추의 면적, 둘레길이를 측정하였으며, 이들을 이용하여 원형도(roundness)를 계산하였다.

상추의 둘레길이는 체인코드가 0, 4이면 화소당 가로방향의 실제 거리를, 2, 6이면 화소당 세로방향의 실제 거리를, 1, 3, 5, 7이면 화소당 대각선 방향의 실제 거리를 곱하여 합산한 값으로 하였다.

상추의 면적은 그린의 정리(Green's theorem)에 의하여 아래 식 2와 같이 경계를 따라 적분함으로써 구할 수 있다. 이를 체인코드에 응용하면 체인코드의 각 방향 벡터로부터 산출되는 면적은 방향 벡터와 임의의 수평축에 의해 둘러싸인 면적들의 합으로 구할 수 있다. 즉, 0, 1, 7 번은 음의 면적을 나타내고, 3, 4, 5 번은 양의 면적을 나타내고, 2, 6번은 수직 방향이므로 0의 면적을 나타내게 되며, 전체 상추의 면적은 각 벡터의 면적의 총 합으로 계산된다.

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(식 2)

원형도(Roundness)는 상추의 면적과 둘레길이로부터 아래 식 3과 같이 계산하였다.

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(식 3)

영상처리장치의 기하학적 특징 추출의 정확도를 살펴보기 위해 크기를 알고 있는 도형의 면적과 둘레길이를 영상처리 장치로 측정하고 실제 값과 비교하여 아래 표 6에 제시하였다. 측정 결과 사각형에 대해서는 면적의 최대 오차가 0.709%, 둘레의 최대오차가 2.149% 발생하였고, 원에 대해서는 면적의 최대오차가 1.734%, 둘레의 최대오차가 5.393% 발생하였다. 비교적 중요한 면적의 측정오차가 실험한 모든 도형에 대하여 2% 이내의 오차를 보여 영상의 기하학적 특징 분석에 무리가 없다고 판단되었다.

[표 6] 크기를 알고 있는 상추의 도형면적과 둘레길이를 영상처리장치로 측정하고 실제 값과 비교한 비교표.(unit : ㎜)

샘 플	항 목	실 제 값	영상처리값	에 러(%)
사각면(150×150)	AreaPerimeter	22500600	22620.9607.6	0.5371.265
사각면(200×200)	AreaPerimeter	40000800	39939.9815.3	-0.1501.916
사각면(250×250)	AreaPerimeter	625001000	62546.21021.5	0.07392.149
사각면(300×300)	AreaPerimeter	900001200	89361.61209.7	-0.7090.805
원주면(D = 150)	AreaPerimeter	17671.5471.24	17978.0494.4	1.7344.917
원주면(D = 200)	AreaPerimeter	31415.9628.3	31451.2652.3	0.1123.818
원주면(D = 250)	AreaPerimeter	49087.4785.4	49330.6827.8	0.4965.393
원주면(D = 300)	AreaPerimeter	70685.8942.5	70876.1990.8	0.2695.131

상기 3자유도 매니퓰레이터(12)의 회전구동은 AC 서보모터(18)의 제어에 의해서 이루어지며, PI 제어가 적용된 AC 서보모터(18)의 모델링은 도 34에 나타내었으며, 상기 도 30을 이용하여 식 4와 같은 폐루프 전달 함수를 구할 수 있다.

‥‥‥‥‥(식 4)

상기 식 4를 이용하여 비례계수 및 적분계수를 구하였다. 위치 비례계수는 500, 속도 비례계수는 500, 적분계수는 5로 선정하였다.

본 발명 3자유도 매니퓰레이터(12)는 정확한 위치제어가 되어야 한다. 설계,제작된 3자유도 매니퓰레이터(12)가 상추 수확로봇의 구동부로서 적합한 지를 알아보기 위하여 두 지점을 설정한 후 위치 제어성능 평가를 수행하였으며, 스테핑 모터(62)에 의한 y축 회전운동은 제어프로그램에 의해 정확히 180°회전하였다.

AC 서보모터(18)에 의한 z축 회전운동의 위치성능을 평가하기 위하여 상추 압지위치와 수확위치를 설정한 후 두 지점사이를 이동시키는 동작을 반복하여 오차를 측정하였고, 이에 대한 결과는 표 7과 같다.

[표 7] AC 서보모터에 의한 z축 회전운동의 위치성능을 평가 비교표.

장 치	반복오차	정 밀 도
매니퓰레이터	±0.1 mm	± 0.3 mm

본 발명에서 상추 압지 그리퍼(70)의 파지력 제어에는 상추(1)의 잎면적 정보와 상추의 높이정보를 토대로 한 퍼지제어가 이용되었으며, 그 결과는 도 36과 같으며 상추의 잎 면적과 높이가 커질수록 파지력도 커져 안정된 파지력을 유지하면서도 상추에는 손상을 주지 않게된다.

상추공급장치(8)는 트레이(30)를 이동하여 상추(1)를 일정한 위치로 공급해 주는 역할을 하며, 3자유도 매니퓰레이터(12)는 수확작업의 모든 위치로 상추를 이동하게 된다. 따라서, 이들 장치의 위치 결정도가 높아야 모든 수확작업이 원활히 실행된다. 상추공급장치(8)의 반복위치 정확도를 측정하였다.

상추공급장치(8)는 트레이(30)를 현재의 포트(28) 위치에서 다음 포트 위치까지 정확히 이송하는지 반복실험을 통하여 최대 오차값을 측정하였으며, 그 측정결과는 아래 표 8에 나타내었다.

[표 8] 상추공급장치의 이동정확도 측정결과 비교표.

장 치	반복오차	정 밀 도
상추공급장치	± 1.0 mm	± 2.0 mm

상추 압지 그리퍼(70)의 스트로크는 약 10mm로 상추(1)를 압지할 때 최대 ±4mm의 위치오차를 극복할 수 있다. 측정 결과 상추공급장치(8)는 정확도 및 정밀도 오차가 ±2.0 이내를 만족하므로 상추공급장치(8)로 적절하다고 판단된다.

본 발명 3자유도 상추 수확로봇으로 상추(1)의 수확작업을 수행하였다. 수확공정은 작업 알고리즘을 따라 프로그램 하였고, 재식판의 상추가 모두 수확될 때 까지 반복 수행하도록 하였으며 수확작업의 흐름은 도 37 내지 도 44와 같이 하나의 주기를 이루며 반복 수행된다.

먼저, 기계시각시스템(4)에 의해 상추(1)의 잎면적 정보를 추출하고, 높이센서(38)에 의해 상추(1)의 높이정보를 추출한다. 도 32와 같이 상추공급장치(8)에 의해 상추(1)가 압지위치로 공급되면 도 33과 같이 잎 부상장치(10)가 처진 상추(1) 잎을 띄우게 되고, 도 34와 같이 3자유도 매니퓰레이터(12)가 전진하여 상추(1)에 접근하여 상추 압지 그리퍼(70)가 상추(1)를 압지한 후 절단칼(72)이 상추(1)를 절단하게 된다(도 35)(도 36). 3자유도 매니퓰레이터(12)가 AC 서보모터 (18)의 회전에 의해 90。 회전하여 절단된 상추를 자동포장기(24)로 이송하게 되고(도 37), 포장위치에 도착한 상추를 스테핑 모터(62)로 180。 회전시켜 떨어 뜨린 후(도 38), 다시 180。 회전하여 자세를 교정하여(도 34) 초기위치로 복귀하게 되고 이러한 동작이 하나의 재식판이 모두 수확될 때까지 반복 수행된다.

본 발명에서 실제 상추를 대상으로 하여 수확장치의 성능을 평가하였다. 수확실험의 성공 여부는 다음 항목을 기준으로 하였다.

① 그리퍼가 상추를 압지할 때 원하는 위치에서 잘 잡는가?

② 그리퍼에 의한 상추 잎의 상해가 발생하는가?

③ 절단 칼날이 상추 밑둥을 자를 때 한번에 잘 자르는가?

④ 절단 칼날에 의해 상추 잎의 상해가 발생하는가?

⑤ 수확된 상추는 절단면이 깨끗한가?

위의 항목들을 고려하여 적축면 상추 85포기를 대상으로 수확실험을 한 결과, 수확장치(88)에 의한 상추 잎 손상이 5포기 발생하였으며, 상추(1) 한 포기를 수확하는데 걸린 시간은 평균 5초였다. 수확장치(88)에 의한 상추잎 손상은 상추의 잎이 많이 시들었을 때 잎 부상장치(10)에 의해 잎이 정리되지 않아 맨 아래의 시든 잎 1개 손상되었으나, 상품으로서의 가치는 충분하였다. 표 9에 실험결과를 나타내었다.

[표 9] 본 발명 수확장치의 성능 평가 비교표.

결 과 분 석	상 추 수	퍼센트(%)
Successfully harvested	80	94.12
Harvested with little damage	5	5.88
Sum	85	100.00

상기와 같이 85포기의 적축면 상추에 대하여 수확실험을 한 결과 94.12%의 성공률을 보였으며, 상추 한 포기를 수확하는데 평균 5초가 소요되었으며, 3자유도 매니퓰레이터의 정확도 및 정밀도를 측정한 결과 수확작업을 성공적으로 수행할 수 있는 위치 오차범위 ±0.3mm이내에서 제어되었으며, 또한 상추공급장치의 정확도 및 정밀도는 상추 압지 그리퍼의 오차 범위내인 ±2mm 이내에서 제어되었다.

이상과 같이 본 발명은 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 방식의 엽채류 자동 수확로봇을 이용하여 자동화에 대한 연구는 미흡하고 전체 노동 투여량의 45% 이상을 차지하고 있는 엽채류 수확작업을 자동화할 수 있어서 노동력의 절감을 달성하고, 효율적인 작업성능과 저렴한 비용으로 연중무휴 작물생산을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 경우 그리퍼로 상추가 재배된 포트를 압지한 상태에서 60°가량 기울인 다음 절단칼로 절단하게 되며, 상추가 절단된 포트는 트레이로 이동시켜 수거하는 방식이므로 구성이 복잡하여 고비용이 초래되고 생산성과 상품성이 떨어지게 되나 본 발명은 포트가 아닌 상추를 압지한 다음 절단하므로 상기와 같은 종래 문제점이 없어지는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 잎 부상장치를 갖는 상추 자동수확장치에 시스템에 있어서, 상추를 압지하여 절단한 다음 포장위치로 이송낙하하는 3자유도 매니퓰레이터, 3자유도 매니퓰레이터의 선단에 설치되는 수확장치와, 상추수확장치로 상추를 공급하는 상추공급장치와, 영상 획득을 위한 영상처리장치와, 상추의 높이측정을 위한 높이센서와, 이를 제어하는 퍼지 제어기로 구성된 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
2. 제 1 항에 있어서, 3자유도 매니퓰레이터는 원통 좌표계를 가지며, AC 서보모터를 이용한 z축 회전운동, 에어실린더를 이용한 y축 전ㆍ후진운동, 스테핑 모터를 이용한 y축 회전운동 등 3 자 유도로 구성함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수확장치는 상추 압지 그리퍼를 갖는 에어척과 절단칼을 갖는 에어척으로 구성함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 퍼지 제어기의 입력변수로는 기계시각시스템을 이용하여 측정한 잎 면적 정보와 높이센서를 이용한 높이정보를 이용하도록함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 영상처리장치는 칼라 CCD 카메라, 프레임 그래버, PC, 복수 개의 조명등으로 구성 함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 영상처리장치로 획득한 영상을 8방향 체인코딩을 실행하여 상추의 윤곽을 추출한 후 잎면적을 산출하도록 함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 그리퍼의 압지력은 컴퓨터로 부터의 퍼지 출력변수에 의한 제어신호로 전압비례제어밸브를 제어하여 에어척으로 공급되는 공기압을 조정하여 압지력이 자동으로 조절되게 함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 광 스위치 또는 광센서(6a)(6b)를 수확위치와 포장위치에 각각 설치하여 3자유도 매니퓰레이터(12)가 AC 서보모터(18)에 의해 수확위치와 자동포장기(24) 위치 구간을 회전할 수 있도록 함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 영상처리장치를 구성하는 CCD 카메라와 복수 개의 조명등은 함체 내부에 설치하되, 좌.우측 및 전.후측에 위치하는 함체에는 자연광을 방출하는 3파장 조명등을 상추를 향하도록 경사지게 설치하고, 3파장 조명등이 설치된 함체의 측면과 하부에는 흰색의 반투명 필터를 설치하여 간접조명을 달성하도록 함을 특징으로 하는 기계시각과 퍼지제어를 이용한 3자유도 상추 수확로봇.