KR102044851B1 - 유두인식장치가 부착된 착유컵 그립퍼 - Google Patents

Abstract

착유용 제어장치의 제어에 의해 이동되는 로봇암의 종단에 부착된 착유컵 그립퍼에 있어서, 상기 착유컵 그립퍼는, 상기 착유용 그립퍼의 몸체의 후측 부분을 형성된 센서장착 하우징; 상기 센서장착 하우징의 전면부에 돌출되도록 형성된 그립동작 하우징; 및 상기 그립동작 하우징에 장착되는 그립퍼 핑거부; 를 포함하며, 상기 센서장착 하우징은 상기 센서장착 하우징의 전면부와 상기 그립동작 하우징의 상부면의 경계에서 상향으로 경사진 경사면을 포함하며, 상기 경사면에 유두를 검출하기 위한 레이저 빔을 수광하는 센서가 장착되고, 상기 그립동작 하우징의 상부면에는 유두를 검출하기 위하여 레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치가 장착되되, 상기 레이저 장치의 방출면과 상기 센서의 수광면의 사이의 배치각은 135 ~145°로 형성된다.

Description

유두인식장치가 부착된 착유컵 그립퍼{Teat cup Gripper attached Automatic Detect device of dairy cow teat}

본 발명은 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼에 관한 기술이다.

일반적으로, 젖소의 유방은 4개의 분방으로 구획되어 있고 각 분방마다 하나의 유두가 형성되어 있다. 또한, 뒤쪽 두 유방이 앞쪽 두 유방보다 커서 생성되는 우유의 양이 뒤쪽 유방에서 더 많은 것으로 알려져 있다

젖소로부터 우유를 짜내는 착유 작업은 대부분의 현장에서 착유기를 통해 이루어지고 있다. 착유기는 송아지가 입으로 젖을 빠는 동작과 같은 원리로 젖소 유방의 유두에 착유컵(teat cup)을 끼우고 착유컵 내에 진공을 발생시켜 진공과 대기압의 작용에 의해 젖소의 유방으로부터 우유를 흡출해낸다.

젖소의 유방의 유두에 끼워지는 착유컵의 일측은 진공펌프 또는 진공라인으로부터 착유컵 내로 진공이 도입되며, 그 사이에 맥동기가 위치한다. 맥동기는 착유컵 내에 진공을 인가하고 해제함으로써, 착유컵이 마치 송아지가 젖을 빠는 동작을 실현하게 한다.

이러한 착유작업은 대부분의 작업공정이 인력에 의존하는 힘든 작업으로 착유관련 작업에 대한 완전 자동화가 필요하다.

이런 문제를 해결하기 위하여 오래전부터 착유자동화에 대한 다양한 연구가 지속되어 왔다.

착유 자동화 장치는 진공펌프 및 유량보관 송출을 담당하는 착유장치, 가축을 보정하고 바른 착유를 유도하기 위한 착유틀, 로봇팔에 해당하는 매니플레이터, 유두의 형상 및 각도 방향 위치를 인식하는 유두인식장치 등으로 크게 구분될 수 있다.

종래에는 착유자동화 로봇기술은 착유를 하는 가축 주변에 유두인식장치가 설치되며 상기 유두인식장치에서 유두의 위치를 인식하게 되면, 3축으로 이동하며 착유컵을 장착한 로봇팔이 착유컵을 유두에 일정 압력으로 접촉시켜서 착유를 실시하게 된다.

이와 같이 유두인식장치와 착유컵을 이동시키는 로봇팔을 가축 주변에 설치하여야 함으로, 가축 주변에 복잡한 형태의 착유장치가 배치된다.

그러므로 더욱 간단한 공간 구조를 가지는 유두인식장치 및 착유컵 장착장치가 요구된다.

또한, 유두인식 방법으로는 다양한 연구를 통한 제품이 개발 보급되고 있는데, 초음파, 비젼, 적외선 스캐너, 뎁스카메라, 1차원 카메라 등을 이용한 유두인식 기술이 연구되고 있다.

종래에는 입력되는 유두검출신호의 왜곡 및 오차 조정으로 시간 지연 형상이 발생되었다.

이에 따라 더욱 정확한 왜곡 보정과 유두 위치를 검출하는 유두인식방법이 요구된다.

젖소 개체별로 다양한 형태의 유두 위치, 유두 크기 상의 차이로 인하여 다양한 크기의 착유컵을 용이하게 탈부착이 가능하고, 또한, 유두 세척을 위한 용기의 탈 부착이 가능한 구조가 요구된다.

본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-0788965호에 게시된 바 있다.

대한민국 등록특허공보10-0788965호(착유자동화 로봇 및 그 착유자동화 방법)

본 발명은 로봇암의 종단에 센서 및 레이저원이 부착된 착유컵 그립퍼를 제공하여 유두인식과 착유컵의 그립이 동일한 공간에서 이루어질 수 있는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 신속하고 정확하게 유두를 인식할 수 있으며, 안정적으로 착유컵의 탈부착이 용이한 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 착유용 제어장치의 제어에 의해 이동되는 로봇암의 종단에 부착된 착유컵 그립퍼에 있어서, 상기 착유컵 그립퍼는, 상기 착유용 그립퍼의 몸체의 후측 부분을 형성된 센서장착 하우징; 상기 센서장착 하우징의 전면부에 돌출되도록 형성된 그립동작 하우징; 및 상기 그립동작 하우징에 장착되는 그립퍼 핑거부; 를 포함하며, 상기 센서장착 하우징은 상기 센서장착 하우징의 전면부와 상기 그립동작 하우징의 상부면의 경계에서 상향으로 경사진 경사면을 포함하며, 상기 경사면에 유두를 검출하기 위한 레이저 빔을 수광하는 센서가 장착되고, 상기 그립동작 하우징의 상부면에는 유두를 검출하기 위하여 레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치가 장착되되, 상기 레이저 장치의 방출면과 상기 센서의 수광면의 사이의 배치각은 135 ~145°로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 장치의 방출면과 상기 센서의 수광면의 사이의 배치각은 140±5%° 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그립동작 하우징의 내부에는 그립퍼 구동장치가 내장되며, 상기 그립퍼 구동장치의 양 측면으로는 구동용 피스톤 로드(171, 172)가 연결되고, 양측 피스톤 로드에서 전방측 직각 방향으로 안내가이드(151, 152)가 형성되며, 상기 안내 가이드(151, 152)의 전단에는 반호형 핑거(161, 162)가 형성되되,

상기 반호형 핑거(161, 162)는 상기 그립동작 하우징의 전면부 전방의 공간 양측에서 반호형의 핑거(150)가 마주 보도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그립동작 하우징(110)의 전면부에는 탄성형 패드(18)가 형성되고,

상기 반호형의 핑거(161, 162)는 전방측으로 갈수록 내측 경사가 가파르게 형성되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서(11)에서 수광된 적외선 레이저 신호는 제어장치(30)의 제어부(미도시됨)에서 판독하는 과정에 따라 상기 로봇암(20)을 이동시켜서 상기 착유컵 그립퍼(10)의 그립퍼 핑거에 장착된 착유컵(18) 중심을 유두의 하부 위치에 위치하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서(11)는 적외선 편광필터가 장착된 ccd 카메라인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 적외선 편광필터가 장착된 ccd 카메라는 650nm±10nm의 밴드 영역을 필터링하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 장치(12)는 635nm - 670nm의 적외선 라인 빔을 출사하는 적외선 라인 레이저 장치인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 적외선 라인 레이저 장치는 30±5% cm거리에서 라인 60±5% cm가 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서(11)와 라인 레이저 장치(12)의 거리 간격은 96 ~ 100mm로 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 센서 및 레이저원이 부착된 착유컵 그립퍼를 제공하여 유두인식과 착유컵의 그립이 동일한 장치 공간에서 이루어지도록 함으로써, 착유 장치의 설치 공간을 줄여서 공간 효율성을 향상시키고 유두의 인식 및 그립퍼의 위치 이동을 보다 신속하고 정확하게 이루어 질 수 있다.

또한, 발명의 일 실시 예에 따르면, 빠른 유두인식을 가능하게 하고 그립퍼의 동력전달부와 핑거 부분까지의 거리를 최소화함으로써, 착유컵의 그립 및 해제가 적은 힘으로 정확하게 그립 할 수 있어서 그립성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그립퍼가 로봇암에 연결된 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼(10)의 입체 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼 몸체의 정면 구조를 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.

이하 본 발명의 구현에 따른 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그립퍼가 로봇암에 연결된 구조를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼(10)의 그립퍼 몸체는 3축으로 이동되는 로봇암(20)의 종단에 연결된다.

로봇암(20)은 제어장치(30)의 제어 신호에 따라 상기 그립퍼 몸체를 요구되는 위치에 위치하도록 이동 제어된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼(10)는 그립동작 하우징(110)과 센서장착 하우징(120)을 포함하는 그립퍼 몸체와 그립퍼 핑거부를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼(10)의 입체 구조를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼 몸체의 정면 구조를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼 몸체의 정면 구조를 도시한 것이다.

도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼(10)는 그립퍼 몸체의 후측 부분을 형성하는 센서장착 하우징(120), 상기 센서장착 하우징의 전면부에 돌출되도록 형성된 그립동작 하우징(110)과 그립동작 하우징(110)에 장착되는 그립퍼 핑거부(150)를 포함한다.

센서장착 하우징(120)은 센서장착 하우징의 전면부와 그립동작 하우징(110)의 상부면의 경계에서 상향으로 경사진 경사면을 포함하며, 상기 경사면에 유두를 검출하기 위한 레이저 빔을 수광하는 센서(11)가 장착된다.

상기 센서장착 하우징(120)의 후면부는 로봇암(20)의 종단에 연결된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 센서(11)는 적외선 편광필터가 장착된 CCD 카메라가 적용될 수 있다.

또한, 적외선 편광필터가 장착된 ccd 카메라의 밴드패스 필터는 650nm±10nm 영역을 필터링하는 것을 특징으로 한다.

그립동작 하우징(110)은 상부면에 유두를 검출하기 위하여 레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치(12)가 장착된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 장치(12)는 635nm - 670nm의 적외선 라인빔을 출사하는 적외선 라인 레이저 장치가 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 라인 레이저 장치는 30±5% cm거리에서 라인 60±5%cm가 생성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 장치(12)의 방출면과 상기 센서의 수광면 사이의 베치각은 135 ~145°로 형성된다.

즉, 상기 센서장착 하우징(120)의 경사면은 상기 그립동작 하우징(110)의 상부면과 135 ~145°의 각도로 형성된다

다양한 실험 결과 레이저 빔의 변위량 계산을 영상으로 분석하기가 용이하고, 유방으로부터 유두 부분에 대한 레이저 라인 검출에 왜곡을 줄이고 검출의 신뢰도를 높이기 위한 라인 레이저의 방출면과 수광면의 사이의 배치각도는 135 ~145°의 범위에 있을 때가 가장 최적의 배치각으로 분석되었다.

또한, 본 발명의 최적의 실시 예에서는 라인 레이저의 방출면과 수광면의 사이의 배치각도는 140±5%°로 장착된다.

다양한 실험 결과 위 배치각이 145°를 초과할 경우, 위쪽을 더 바라보기 때문)에 레이저 빔이 보다 선명하게 잘 보일 수는 있으나, 영상으로 보이는 레이저 빔의 높이 변화가 작아 분해능이 떨어져 측정 오차가 커지게 되는 문제점이 발생된다.

또한, 위 배치각이 135° 미만일 경우에는 레이저 빔이 유두 끝 부분에 입사될 때 잘 보이지 않거나 끝 부분을 제대로 찾지 못하는 현상이 발생될 수 있는 문제점이 발생될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 신뢰성과 속응성을 향상시키기 위한 센서(11)와 라인 레이저 장치(12)는의 거리 간격은 96~100mm로 설치된다.

또한, 본 발명의 최적의 실시 예에서는 센서(11)와 라인 레이저 장치(12)의 거리 간격은 98±5mm로 설치된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 센서(11)와 라인 레이저 장치(12)의 거리 간격이 96~100mm일 때가 두 개의 젖꼭지가 레이저에 입사될 때 두 개의 유두가 영상에서 모두 보이는 가장 가까운 위치이다.

위 거리간격이 96mm보다 적을 경우는 두 개의 유두가 모두 입력되지 않는다. 또한, 위 거리간격이 100mm를 초과할 경우 분해능이 떨어지게 된다.

즉, 가장 가깝게 한 이유는 더욱 큰 레이저 빔 영상을 가져와 분해능을 높이기 위함으로써, 멀수록 분해능을 떨어뜨리게 된다. 그리고 두 개의 유두가 입력되어야 하는 이유는, 최초 작업 시작 시 좌우 유두를 탐지하는 것이 전체 가장 위치산출의 신뢰성을 높이고 속응성이 향상되는 것으로 분석되었다.

센서(11)에서 수광된 적외선 레이저 신호는 제어장치(30)의 제어부(미 도시됨)에서 판독하여 상기 로봇암(20)을 이동 제어 제어함으로써, 상기 착유컵 그립퍼(10)의 그립퍼 핑거 내부 공간 중심을 유두의 하부 위치에 정확하게 위치하도록 제어한다.

그립동작 하우징(110)의 내부에는 원통형상 착유컵의 그립 및 해제를 위하여 그립퍼 반호형 핑거의 간격을 벌리고 줄이는 동작을 수행시키는 그립퍼 구동장치(160)가 내장된다.

도 2, 4를 참조하면, 그립퍼 구동장치(160)의 양 측면으로는 구동용 피스톤 로드(171, 172)가 연결되고 양측 피스톤 로드에서 전방 측으로 직각으로 안내가이드(151, 152)가 형성되며, 상기 안내 가이드(151, 152)의 전단에는 반호형 핑거(161, 162)가 형성된다.

상기 반호형 핑거(161, 162)는 그립동작 하우징(110)의 전면부 전방의 공간 양측에서 반호형의 핑거(161, 162)가 마주 보도록 형성된다.

상기 그립동작 하우징(110)의 전면부에는 탄성형 패드(18)가 부착된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 상기 탄성형 패드(18)는 천연고무, 또는 합성 고무 재질의 패드가 적용될 수 있다.

상기 그립퍼 구동장치(160)는 제어장치(30)의 제어부의 제어 신호에 따라 그립퍼 구동장치(160)에 에어압, 또는 유압으로 작동되는 피스톤 로드(151, 152)를 수축하거나, 신장시키는 동작을 수행한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 반호형의 핑거(161, 162)는 전방측으로 갈수록 내측 경사가 가파르게 형성되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

위와 같이 전방측으로 갈수록 내측 경사가 가파르게 형성되는 반호형의 핑거(161, 162) 구조에 의하여 상기 피스톤 로드(151, 152)가 수축을 하면, 반호형의 핑거(161, 162)가 양측으로 간격이 좁아지면서 후방의 탄성형 패드(18) 측으로 압박하는 힘이 작용되어 안정적으로 착유컵이 장착될 수 있다.

반대로 상기 피스톤 로드(151, 152)가 신장을 하면, 반호형의 핑거(161, 162)가 양측으로 간격이 벌려지면서 착유컵이 탈착될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 그립퍼 구동장치(160)의 양 측면으로는 구동용 피스톤 로드(171, 172)가 연결되고 양측 피스톤 로드에서 전방 측으로 직각으로 안내가이드(151, 152)가 형성되며, 상기 안내 가이드(151, 152)의 전단에는 전방측으로 갈수록 내측 경사가 가파르게 형성되는 반호형의 핑거(161, 162) 구조에 의하여 적은 힘으로 원형의 착유컵을 안정적으로 그립 할 수 있으며, 동력전달부인 피스톤 로드와 반호형의 핑거와의 거리를 최소화함으로써, 공간 활용 및 그립 성능을 향상시킬 수 있다.

도 5, 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼가 유두를 인식하여 위치시키는 과정을 도시한 것이다.

도 5, 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 착유컵 그립퍼의 유두인식장치의 센서(11)에서 수광된 적외선 레이저 신호는 제어장치(30)의 제어부(미도시됨)에서 판독하는 과정에 따라 상기 로봇암(20)을 이동시켜서 상기 착유컵 그립퍼(10)의 그립퍼 핑거에 장착된 착유컵(180) 중심을 유두의 하부 위치에 정확하게 위치하도록 제어할 수 있다.

10: 착유컵 그립퍼
11: 센서
12: 레이저 장치
18: 탄성형 패드
20: 로봇암
30: 제어장치
110: 그립동작 하우징
120: 센서장착 하우징
150: 그립퍼 핑거부
151, 152: 안내가이드
160: 그립퍼 구동장치
161, 162: 반호형 핑거
171, 172: 구동용 피스톤
180: 착유컵

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 착유용 제어장치의 제어에 의해 이동되는 로봇암의 종단에 부착된 착유컵 그립퍼에 있어서,
   상기 착유컵 그립퍼는,
   상기 착유컵 그립퍼의 몸체의 후측 부분을 형성된 센서장착 하우징;
   상기 센서장착 하우징의 전면부에 돌출되도록 형성된 그립동작 하우징; 및 상기 그립동작 하우징에 장착되는 그립퍼 핑거부; 를 포함하며,
   상기 센서장착 하우징은 상기 센서장착 하우징의 전면부와 상기 그립동작 하우징의 상부면의 경계에서 상향으로 경사진 경사면을 포함하며, 상기 경사면에 유두를 검출하기 위한 레이저 빔을 수광하는 센서가 장착되고,
   상기 그립동작 하우징의 상부면에는 유두를 검출하기 위하여 레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치가 장착되되, 상기 레이저 장치의 방출면과 상기 센서의 수광면의 사이의 배치각은 135 ~145°로 형성되는 것을 특징으로 하며,
   상기 그립동작 하우징의 내부에는 그립퍼 구동장치가 내장되며, 상기 그립퍼 구동장치의 양 측면으로는 구동용 피스톤 로드가 연결되고, 양측 피스톤 로드에서 전방측 직각 방향으로 안내가이드가 형성되며, 상기 안내 가이드의 전단에는 반호형 핑거가 형성되되,
   상기 반호형 핑거는 상기 그립동작 하우징의 전면부 전방의 공간 양측에서 반호형의 핑거가 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼
4. 제3항에 있어서,
   상기 그립동작 하우징의 전면부에는 탄성형 패드가 형성되고,
   상기 반호형의 핑거는 전방측으로 갈수록 내측 경사가 가파르게 형성되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
5. 제3항에 있어서,
   상기 센서에서 수광된 적외선 레이저 신호는 제어장치의 제어부에서 판독하는 과정에 따라 상기 로봇암을 이동시켜서 상기 착유컵 그립퍼의 그립퍼 핑거에 장착된 착유컵 중심을 유두의 하부 위치에 위치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
6. 제3항에 있어서,
   상기 센서는 적외선 편광필터가 장착된 ccd 카메라인 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
7. 제6항에 있어서,
   상기 적외선 편광필터가 장착된 ccd 카메라는 650nm±10nm의 밴드 영역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
8. 제3항에 있어서,
   상기 레이저 장치는 635nm - 670nm의 적외선 라인빔을 출사하는 적외선 라인 레이저 장치인 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적외선 라인 레이저 장치는 30±5% cm거리에서 라인 60±5% cm가 생성되는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
10. 제3항에 있어서,
    상기 센서와 라인 레이저 장치의 거리 간격은 96 ~100mm로 설치되는 것을 특징으로 하는 유두인식 장치가 부착된 착유컵 그립퍼.
    

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