KR102219315B1 - 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇 - Google Patents

Abstract

하나의 짧은 원통 형태의 몸체를 이용한 이동장치에 수확을 위한 매니퓰레이터(manipulator)를 구비시켜, 좁은 공간에서 안정적으로 이동하면서 농작물을 자동으로 수확할 수 있도록 한 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇에 관한 것으로서, 지면에 밀착되면서 이동하는 주행부, 주행부의 이동을 제어하며, 통신을 통해 외부로부터 전송된 작업 명령을 수신하고, 카메라를 통해 획득한 농산물 정보를 분석하여 수확 유무를 결정하며, 농산물 수확시 매니퓰레이터의 동작을 제어하는 제어부 및 제어부의 제어에 따라 매니퓰레이터를 구동시키는 매니퓰레이터 구동부를 포함하여, 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇을 구현한다.

Description

지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇{Automatic harvesting robots for agricultural products using a ground-contacting circular movement device}

본 발명은 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇에 관한 것으로, 특히 하나의 짧은 원통 형태의 몸체를 이용한 이동장치에 수확을 위한 매니퓰레이터(manipulator)를 구비시켜, 좁은 공간에서 안정적으로 이동하면서 농작물을 자동으로 수확할 수 있도록 한 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇에 관한 것이다.

국내 농업의 자동화는 아주 미미한 수준이다. 소규모의 농지가 대부분이며 농가의 인구감소로 인한 적은 생산가능인구, 높은 인건비 등으로 우리 농산물의 가격 경쟁력은 갈수록 떨어지는 실정이다. 따라서 농업 형태의 변화가 필요하다.

기존의 농종법을 적용한 농업에서의 생산량이 증대되기 위해서는 고랑의 폭이 짧아야 하며, 좁은 고랑에서 작업을 하기 위해서는 작업기기의 크기가 작아야 한다.

한편, 로봇을 이용한 자동 수확로봇에 대해 종래에 제안된 기술로는, 레일을 활용한 로봇과 다륜 또는 무한궤도를 이용한 수확 로봇 등이 있다.

로봇을 이용하여 농산물을 자동으로 수확하기 위해 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 전후방향과 좌우방향으로 이동할 수 있는 구동 이동부를 가지는 대차, 대차에 수직으로 세워지는 수직 가이드대, 수직 가이드대를 따라 승강 구동부를 통해 승강되는 승강대, 승강대의 전방에 구비되어 과일나무와 과일을 실시간으로 촬영하는 카메라, 승강대의 상부에 전방으로 돌출되게 구비되어 과일의 줄기를 절단하는 전동가위, 카메라의 촬영 영상을 실시간으로 입력받아 촬영 영상이 실시간으로 디스플레이되고 소비자가 구동 이동부와 승강 구동부 및 전동가위의 동작을 원격으로 제어하는 원격 조작제어부를 포함한다. 이러한 구성을 통해, 소비자가 잘 익은 과일을 영상으로 직접 선택하면서 로봇 장치를 원격 조정하여 과일을 수확할 수 있게 된다.

대한민국 등록특허 10-1405858(2014.06.03. 등록)(영상인식 과일 수확용 로봇 장치)

그러나 상기와 같은 일반적인 농산물 자동 수확로봇 중 레일을 활용한 로봇의 경우에는 설치 및 유지비용이 많이 드는 문제와 레일로 인하여 작업자의 통행에 불편함을 초래하였다.

또한, 다륜 또는 무한궤도가 적용된 자동화 기기는 주행부의 넓이를 줄이는 데에 한계가 있다.

또한, 특허문헌으로 제시한 선행기술은 넓은 공간을 차지하는 대차를 이용하는 방식으로, 좁은 고랑사이를 이동하면서 작업하는 것은 불가능한 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하고 좁은 공간에서도 효율적으로 이동하면서 농산물을 자동으로 수확하기 위해서 제안된 것으로서, 하나의 짧은 원통 형태의 몸체를 이용한 이동장치에 수확을 위한 매니퓰레이터(manipulator)를 구비시켜, 좁은 공간에서 안정적으로 이동하면서 농작물을 자동으로 수확할 수 있도록 한 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇은, 지면에 밀착되면서 이동하는 주행부; 상기 주행부의 이동을 제어하며, 통신을 통해 외부로부터 전송된 작업 명령을 수신하고, 카메라를 통해 획득한 농산물 정보를 분석하여 수확 유무를 결정하며, 농산물 수확시 매니퓰레이터의 동작을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 매니퓰레이터를 구동시키는 매니퓰레이터 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 주행부는 지면에 밀착되면서 이동하는 원형 몸체; 상기 원형 몸체의 무게중심을 이동시켜 원형 몸체를 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 원형 몸체는 내면 중심을 따라 연장되게 형성된 플렉시블 랙을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기에서 구동부는 상기 플렉시블 랙에 결합되어 원형 몸체의 무게중심을 이동시키는 피니언; 상기 피니언을 구동시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 구동부는 상기 피니언 및 모터가 장착되는 장착부; 상기 원형 몸체의 내면과 접촉하여 회전하는 보조 바퀴를 이용하여 상기 피니언에 가해지는 압력을 분산하는 보조 바퀴부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 구동부는 원형 몸체의 상부에 구비되어, 원형 몸체의 밀착력을 보조하는 밀착력 보조부를 포함하고,

상기 밀착력 보조부는 상기 원형 몸체의 내면에서 회전하는 롤러; 상기 원형 몸체의 이동시 발생하는 충격을 완충하면서 밀착력을 보조하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 구동부는 상기 장착부와 상기 밀착력 보조부를 연결하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 외부 장치와 통신을 통해 작업 명령을 수신하는 통신 모듈; 농작물 영상 획득과 주행 제어를 위한 영상을 획득하는 카메라를 구동시키는 카메라 구동 모듈; 상기 주행부의 주행을 제어하는 주행제어모듈; 상기 카메라에 의해 획득한 영상 정보를 분석하여 수확물 수확 유무와 수확물 위치를 결정하는 영상 분석 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 농산물 수확시 수확물 위치 결정에 따라 매니퓰레이터를 구동하는 매니퓰레이터 구동모듈; 상기 카메라에 의해 획득한 영상 및 사용자의 이동 명령에 따라 수확 로봇의 주행을 제어하는 주행 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 하나의 짧은 원통 형태의 몸체를 이용한 이동장치에 수확을 위한 매니퓰레이터(manipulator)를 구비시켜, 좁은 공간에서도 안정적으로 이동하면서 농작물을 자동으로 수확할 수 있는 장점이 있다.

특히, 소형 원통 형태의 몸체 자체가 이동하는 수확 로봇이 되어, 작물 사이의 이동에 효율성을 도모하고, 최대한 공간 활용을 도모해주는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇의 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇의 구조도,
도 3 및 도 4는 도 2의 구동부의 실시 예 구조도,
도 5 및 도 6은 도 2의 밀착력 보조부의 실시 예 구조도,
도 7은 본 발명에서 제어부의 실시 예 블록 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇의 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇의 구조도이며, 도 3 및 도 4는 도 2의 구동부의 실시 예 구조도이고, 도 5 및 도 6은 도 2의 밀착력 보조부의 실시 예 구조도이고, 도 7은 본 발명에서 제어부의 실시 예 블록 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇은, 지면에 밀착되면서 이동하는 주행부(100), 상기 주행부(100)의 이동을 제어하며, 통신을 통해 외부로부터 전송된 작업 명령을 수신하고, 카메라를 통해 획득한 농산물 정보를 분석하여 수확 유무를 결정하며, 농산물 수확시 매니퓰레이터(410, 420)의 동작을 제어하는 제어부(200), 상기 제어부(200)의 제어에 따라 상기 매니퓰레이터(410, 420)를 구동시키는 매니퓰레이터 구동부(300)를 포함한다. 상기 매니퓰레이터(410, 420)는 주행부(100)를 중심으로 양단에 각각 설치된다.

도면에는 도시하지 않았지만, 수확로봇의 내부 소정 위치에는 전원 공급을 위한 배터리가 내장된 것으로 가정한다. 이러한 배터리는 이차전지를 이용하여 외부에서 충전할 수 있도록 하거나, 일차전지를 이용하여 교체형으로 사용할 수 있다.

상기 주행부(100)는 지면에 밀착되면서 이동하는 원형 몸체(110), 상기 원형 몸체(110)의 무게중심을 이동시켜 원형 몸체(110)를 이동시키는 구동부(120)를 포함한다. 여기서 원형 몸체(110)는 내면 중심을 따라 길이방향으로 연장되게 형성된 플렉시블 랙(Flexible Rack)(111)을 구비한다. 수확로봇의 몸체를 폭이 좁은 원형으로 구현함으로써, 공간 활용성이 높으며, 이에 따라 좁은 고랑에서도 이동이 용이하도록 한다.

또한, 상기 구동부(120)는 상기 플렉시블 랙(111)에 결합되어 원형 몸체(110)의 무게중심을 이동시키는 피니언(121), 상기 피니언(121)을 구동시키는 모터(122)를 포함한다.

주행 동작시 모터(122)의 구동에 의해 피니언(121)이 회전을 하고, 상기 피니언(121)에 맞물린 플렉시블 랙(111)이 원형 몸체(110)의 무게중심을 이동시켜 주행을 한다. 이동한 무게중심은 지면 접촉부를 벗어나게 되며, 중력에 의하여 전진하게 된다. 이때, 주행 속도는 모터(122)의 속도를 PID(Proportional Integral Derivation Control) 제어 방식으로 제어함으로써, 쉽게 구현할 수 있다. 모터(122)의 속도를 PID 제어를 통해 속도를 조절하는 기술은 모터 제어 기술에 잘 알려진 기술이므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

주행 속도 제어는 사용자가 외부 장치(원격 조작기, 스마트폰)를 이용하여 속도 조절 명령을 발신하면, 제어부(200)에서 이를 수신하고, 주행 제어 모듈을 통해 모터(122)의 속도를 제어하여, 주행 속도를 조절하게 된다.

여기서 피니언(121)과 맞물리는 랙을 플렉시블 랙(111)으로 구현하게 되면, 원형 몸체(110)와 밀착되는 바닥면이 고르지 않은 상황에서도 피니언(121)과 플렉시블 랙(111)의 맞물림을 견고하게 하여, 맞물린 바퀴가 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 구동부(120)는 상기 피니언(121) 및 모터(122)가 장착되는 장착부(126)가 구비되어, 피니언(121)과 모터(122)를 안정적으로 장착시킨다.

아울러 본 발명의 구동부(120)는 상기 원형 몸체(110)의 내면과 접촉하여 회전하는 보조 바퀴(124)를 이용하여 상기 피니언(121)에 가해지는 압력을 분산하는 보조 바퀴부(123)가 구비되어 있다. 여기서 보조 바퀴부(123)의 곡률을 원형 몸체(110)의 곡률과 같게 설계함으로써, 보조 바퀴(124)와 피니언(121) 각각에 힘을 고르게 분산시킨다. 이러함 힘의 분산에 의해 피니언(121)이 플렉시블 랙(111)과 맞물려 용이하게 회전되도록 한다. 참조부호 125는 보조 바퀴(124)를 장착하는 바퀴 장착부를 나타낸다.

또한, 상기 구동부(120)는 원형 몸체(110)의 상부에 구비되어, 원형 몸체(110)의 밀착력을 보조하는 밀착력 보조부(130)를 구비한다.

이러한 밀착력 보조부(130)는 상기 원형 몸체(110)의 내면에서 회전하는 롤러(131)와 상기 원형 몸체(110)의 이동시 발생하는 충격을 완충하면서 밀착력을 보조하는 스프링(132)을 이용한 서스펜션 롤러로 구현함으로써, 바닥면이 고르지 못한 상황에서 발생하는 충격을 완충하면서, 탄성력을 이용하여 원형 몸체(110)와 지면(바닥면)의 밀착력을 향상시키게 된다.

여기서 장착부(126)와 밀착력 보조부(130)는 지지대(140)를 이용하여 상호 결합되어, 수확 로봇의 상부 및 하부에 고정된다.

또한, 상기 제어부(200)는 외부 장치와 통신을 통해 작업 명령을 수신하는 통신 모듈(201), 농작물 영상 획득과 주행 제어를 위한 영상을 획득하는 카메라(500)를 구동시키는 카메라 구동 모듈(202), 상기 주행부(100)의 주행을 제어하는 주행제어모듈(206), 상기 카메라(500)에 의해 획득한 영상 정보를 분석하여 수확물 수확 유무와 수확물 위치를 결정하는 영상 분석 모듈(204)을 포함한다.

아울러 상기 제어부(200)는 농산물 수확시 수확물 위치 결정에 따라 매니퓰레이터(410, 420)를 구동시키는 매니퓰레이터 구동모듈(203), 상기 카메라(500)에 의해 획득한 영상 및/또는 사용자의 이동 명령에 따라 수확 로봇의 주행을 제어하는 주행 제어 모듈(206), 발생한 정보를 저장하거나, 수확물 인식을 위한 인식 프로그램, 주행 제어를 위한 주행 제어 프로그램 등이 저장된 저장 모듈(205)을 포함한다.

이렇게 구성된 제어부(200)를 이용하여 수확로봇의 주행을 제어하고, 농산물을 자동으로 수확하는 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

사용자(작업자)는 원격 조작기나 스마트폰과 같은 제어장치인 외부 장치를 이용하여 주행 명령과 작업 명령을 송신한다.

외부 장치로부터 송신된 주행 명령 및 작업 명령은 통신 모듈(201)을 통해 수신되고, 이어, 주행 제어모듈(206) 및 카메라 구동모듈(202)에 전달된다.

여기서 외부 장치와 통신 모듈(201)은 무선 신호에 의해 상호 데이터를 송수신하는 것이 바람직하다. 무선 신호는, 적외선, 블루투스와 같은 통신 프로토콜을 이용할 수 있다.

상기 주행 제어 모듈(206)은 작업자에 전송된 속도 제어 정보 및 미리 설정된 속도 제어 프로그램에 의해 이동부(120)의 모터(122) 속도를 제어하여 주행을 제어한다. 아울러 주행 제어 모듈(206)은 부가적으로, 6축 자속도 자이로센서를 이용하여 획득한 정보와 카메라를 통해 획득한 영상을 자세 정보로 활용하여 수확로봇의 자세를 제어하는 것도 가능하다. 자세 제어를 위해서는 이동 방향을 조절하는 것으로 구현할 수 있다.

아울러 카메라 구동모듈(202)은 작업 명령에 따라 카메라(500)를 동작시켜 농작물을 촬영한다. 여기서 카메라(500)는 매니퓰레이터(410, 420)를 기준으로 각각 2개씩 장착된다. 즉, 하나의 매니퓰레이터(410)에 2개씩 카메라가 대응하므로, 4개의 카메라가 장착된다. 2개씩 장착된 카메라는 스테레오 카메라이다.

원형 몸체(110)를 기준으로 각각 좌우에 장착된 스테레오 카메라에서 획득한 농산물 영상은 영상 분석 모듈(204)에 전달된다.

상기 영상 분석 모듈(204)은 스테레오 카메라에서 획득한 두 개의 영상을 스테레오 매칭 기술(두 개의 카메라의 시차를 이용하는 기술)을 이용하여 매칭시켜, 수확물의 3차원 거리 및 위치 정보(작물 중심 좌표)를 추출한다. 여기서 2개의 카메라로부터 획득한 영상을 스테레오 매칭 기술을 이용하여 3차원 거리 및 위치 정보를 추출하는 것은 영상 처리 분야에 알려진 공지기술이므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 수확 대상물의 3차원 거리 및 위치 정보 획득은 2개의 매니퓰레이터(410, 420)에 대하여 각각 수행한다. 즉, 2개의 스테레오 카메라와 하나의 매니퓰레이터가 한 쌍으로 이루어져, 영상 획득과 해당 매니퓰레이터 제어 동작이 이루어지도록 한다.

아울러 영상 분석 모듈(204)은 각각의 카메라로부터 획득한 수확 대상물의 영상과 저장 모듈(205)에 저장된 미리 수확하고자 하는 영상을 비교하여, 농산물의 수확 유무를 결정한다. 여기서 수확 대상의 영상을 미리 카메라 등으로 촬영한 후, 통신 모듈(201)을 통해 저장 모듈(205)에 저장해 놓음으로써, 촬영된 농산물의 수확 유무를 자동으로 결정할 수 있다. 즉, 수확 대상물의 크기, 색상 등을 비교하여 수확 유무를 결정할 수 있다. 이러한 방법 이외에 카메라로 촬영된 농산물의 영상을 통신 모듈(201)을 통해 사용자가 휴대한 원격 조작기나 스마트폰에 전송하여, 사용자가 수확 유무를 결정할 수도 있다. 이 경우 원격 조작기나 스마트폰은 양방향 무선 통신이 가능한 것으로 가정한다.

상기와 같은 영상 분석을 통해 수확 대상으로 결정되면, 영상 분석 모듈(204)은 획득한 농산물 영상의 위치 및 거리 정보를 매니퓰레이터 구동모듈(203)에 전송한다.

상기 매니퓰레이터 구동모듈(203)은 수신한 농산물의 위치 및 거리 정보에 따라 매니퓰레이터(410, 420)의 구동을 제어하여, 농산물을 자동으로 수확하게 된다. 여기서 매니퓰레이터(410, 420)는 4축 다관절로 이루어져 있다. 일반적으로, 매니퓰레이터는 소재 또는 시험편, 위험물 등을 집어서 이동시키거나 회전시키는 일을 멀리서 조작할 수 있는 집게 팔이다. 아울러 위치 및 회전 각도 등의 조절이 자유롭다. 이러한 매니퓰레이터(410, 420)를 동작시켜, 농산물을 자동으로 수확하게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

100: 주행부 110: 원형 몸체
111: 플렉시블 랙 120: 구동부
121: 피니언 122: 모터
123: 보조 바퀴부 124: 보조 바퀴
130: 밀착력 보조부 131: 롤러
132: 스프링 200: 제어부
201: 통신 모듈 202: 카메라 구동모듈
203: 매니퓰레이터 구동모듈 204: 영상 분석 모듈
205: 저장 모듈 206: 주행 제어 모듈
300: 매니퓰레이터 구동부 410, 420: 매니퓰레이터
500: 카메라

Claims (2)

1. 지면밀착식 원형 이동장치를 이용하여 농산물을 자동으로 수확하는 수확로봇으로서,
   지면에 밀착되면서 이동하는 주행부(100);
   주행부(100)의 이동을 제어하며, 통신을 통해 외부로부터 전송된 작업 명령을 수신하고, 카메라(500)를 통해 획득한 농산물 정보를 분석하여 수확 유무를 결정하며, 농산물 수확시 매니퓰레이터(410)(420)의 동작을 제어하는 제어부(200); 및
   제어부(200)의 제어에 따라 매니퓰레이터(410)(420)를 구동시키는 매니퓰레이터 구동부(300)를 포함하고,
   제어부(200)는 외부 장치와 통신을 통해 작업 명령을 수신하는 통신 모듈(201); 농작물 영상 획득과 주행 제어를 위한 영상을 획득하는 카메라(500)를 구동시키는 카메라 구동 모듈(202); 주행부(100)의 주행을 제어하는 주행제어모듈(206); 카메라(500)에 의해 획득한 영상 정보를 분석하여 수확물 수확 유무와 수확물 위치를 결정하는 영상 분석 모듈(204)을 포함하며,
   주행제어모듈(206)은,
   6축 자이로센서를 이용하여 획득한 정보와 카메라(500)를 통해 획득한 영상을 자세 정보로 활용하여 이동 방향을 조절함으로서, 자세를 제어하며,
   카메라 구동 모듈(202)의 카메라(500)는,
   매니퓰레이터(410, 420)를 기준으로 각각 2개씩 장착된 스테레오 카메라이고,
   영상 분석 모듈(204)은,
   스테레오 카메라에서 획득한 두 개의 영상을 매칭시켜, 수확물의 3차원 거리 및 위치 정보를 추출하며, 각각의 스테레오 카메라로부터 획득한 수확 대상물의 영상과 저장 모듈(205)에 저장된 미리 수확하고자 하는 영상을 비교하여, 농산물의 수확 유무를 결정하며,
   주행부(100)는 지면에 밀착되면서 이동하는 원형 몸체(110) 및 원형 몸체(110)의 무게중심을 이동시켜 원형 몸체(110)를 이동시키는 구동부(120)를 포함하되;
   원형 몸체(110)는,
   내면 중심을 따라 길이방향으로 연장되게 형성된 플렉시블 랙(Flexible Rack)(111)이 구비되고,
   구동부(120)는,
   플렉시블 랙(111)에 결합되어 원형 몸체(110)의 무게중심을 이동시키는 피니언(121) 및 피니언(121)을 구동시키는 모터(122)가 장착되는 장착부(126)와,
   원형 몸체(110)의 내면과 접촉하여 회전하는 보조 바퀴(124)를 이용하여 피니언(121)에 가해지는 압력을 분산하는 보조 바퀴부(123)와,
   원형 몸체(110)의 상부에 구비되며, 원형 몸체(110)의 내면에서 회전하는 롤러(131) 및 원형 몸체(110)의 이동시 발생하는 충격을 완충하면서 밀착력을 보조하는 스프링(132)이 구비된 밀착력 보조부(130)와,
   장착부(126)와 밀착력 보조부(130)를 상호 결합하는 지지대(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지면밀착식 원형 이동장치를 이용한 농산물 자동 수확로봇.
2. 삭제

Images