KR102368232B1 - 스마트 축사 개발을 위한 tmr 사료 급이 로봇의 자율 주행 장치 - Google Patents

스마트 축사 개발을 위한 tmr 사료 급이 로봇의 자율 주행 장치 Download PDF

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Abstract

주행 장치가 제공된다. 바퀴가 설치된 몸체부, 상기 몸체부에 지지되고 축사에 형성된 사료 영역을 향해 사료를 배출하는 급이부, 상기 바퀴를 움직이는 주행부가 구비된 급이 로봇이 마련될 때, 상기 주행 장치는 상기 몸체부에 설치되고, 주변 사물을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부의 센싱 결과를 이용해서 상기 급이부와 상기 주행부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

스마트 축사 개발을 위한 TMR 사료 급이 로봇의 자율 주행 장치{Apparatus for autonomous driving of the TMR feed robot for the development of smart cattle farm}
본 발명은 축사에서 사육되는 동물을 대상으로 사료를 급이하는 자율 주행 장치 및 방법에 관한 것이다.
국내 농업은 과거 2000년대 초반까지 지속적으로 성장해 왔으나 최근 농가소득의 정체, 곡물자급률 하락, 농촌인구의 감소와 고령화, 더 나아가 기후변화 등으로 인한 어려움을 겪고 있다. 이에 따라 농작물과 가축의 생육정보와 환경정보 등에 대한 정확한 데이터를 기반으로 언제 어디서나 농작물과 가축의 생육환경을 점검하고, 적기에 처방함으로써 노동력, 에너지, 양분 등을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질 제고를 위한 스마트 축사 개발이 큰 주목을 받고 있다. 특히, 가축을 키우는 농가의 경우 노동력 부족, 경작지 감소, 노령화로 인해 축사의 환경을 인식하여 자동으로 사료를 배합하고, 배합한 사료를 공급하는 장치가 개발되고 있다.
TMR(Total Mixed Ration)사료는 가축에게 공급하고자 하는 영양소에 따라 조사료, 농산부산물 및 농후사료 따위를 배합하는 사료다. 이러한 TMR사료는 부피가 크고 배합에 어려움이 있어 사람이 직접 사료를 공급하는 데 어려움이 있으므로, 급이 로봇이 도입되어 사료를 공급하고 있다.
한국공개특허 제2020-0051967호 (공개일: 2020.05.14.) 한국등록특허 제10-1938160호 (등록일: 2019.01.08.)
본 발명은 축사에 마련된 울타리를 따라 자율 주행하면서 사료를 급이할 수 있는 로봇의 주행 장치를 제공하기 위한 것이다.
바퀴가 설치된 몸체부, 상기 몸체부에 지지되고 축사에 형성된 사료 영역을 향해 사료를 배출하는 급이부, 상기 바퀴를 움직이는 주행부가 구비된 급이 로봇이 마련될 때,
본 발명의 주행 장치는 상기 몸체부에 설치되고, 주변 사물을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부의 센싱 결과를 이용해서 상기 급이부와 상기 주행부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에 의하면, 축사마다 가축의 종류와 상태를 모니터링하여, 각기 다른 사료를 배합하여 사료조에 원활히 공급할 수 있는 효과가 있다. 또한, 가축의 섭식 특성에 따라 흩어진 사료를 다시 밀어주는 반복적인 동작이 가능하여, 급이 로봇이 전후로 자율적으로 이동하며 동작하여 유지관리가 용이한 효과가 있다. 또한, 급이 로봇이 이동 중에 정적, 동적 장애물을 인지하여 충돌 위험이 있는 상황을 조종부에 알려 자율주행시 위험한 상황을 예방하는 효과가 있다. 또한, 가축의 섭식 공간 침범을 최소화하고 조작자의 오동작에도 급이 로봇의 정상 주행이 가능하여 로봇과 축사 사이에 일정 거리를 유지하며 급이 로봇을 주행하여 농가의 일손에 도움을 주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 주행 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템의 구성도이다.
도 5는 도 1의 급이 로봇을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템의 제어 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 급이 로봇의 충돌방지 제어를 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 급이 로봇의 주행선 유지 제어를 설명하기 위한 설명도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 조종부의 모니터링 상황을 나타내는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 장애물 감지상황을 나타내는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 주행 장치(100)를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 주행 장치(100)는 급이 로봇(10)을 대상으로 할 수 있다. 급이 로봇(10)은 축사 H에서 생활하는 가축(70)에게 사료를 자동으로 공급할 수 있다. 복수의 가축 또는 복수의 울타리(90)(펜스, fence)가 마련된 축사를 돌아다니면서 사료를 제공하기 위해 급이 로봇(10)에는 몸체부(110), 급이부(310), 주행부(330)가 구비될 수 있다.
몸체부(110)에는 바퀴(112)가 설치될 수 있다. 본 명세서의 '바퀴'는 원형의 타이어, 무한궤도 등을 모두 지칭할 수 있다.
급이부(310)는 몸체부(110)에 지지되고, 축사에 형성된 사료 영역 f를 향해 사료를 배출할 수 있다. 사료 영역 f는 가축이 배치된 울타리(90) 내부에 형성되거나, 해당 울타리(90)의 앞면 외부에 배치될 수 있다. 일 예로, 소와 같은 채식 동물을 고개를 울타리(90) 밖으로 내밀고 사료를 섭취할 수 있다. 이와 같은 경우, 관리의 편의 등을 통해 사료 영역 f는 도 1에 도시된 바와 같이 울타리(90)의 외부에 형성될 수 있다. 울타리(90)가 제1 방향을 연장될 때, 사료 영역 f 역시 울타리(90)와 평행하게 제1 방향을 따라 연장될 수 있다. 사료 영역 f에는 사료가 담기는 별도의 사료통이 배치될 수 있다. 또는 사료 영역 f는 축사의 바닥면이 그대로의 상태를 유지할 수 있다.
일방향으로 연장되는 울타리(90)의 사이사이에 격벽(91)이 형성될 수 있다. 격벽(91)에 의해 울타리(90) 안쪽은 복수의 구역으로 구획될 수 있다. 각 구역에는 서로 구분될 필요가 있는 가축(70)이 구분 배치될 수 있다.
급이부(310)는 도 5의 TMR 사료배합기(111), 배출슈트(113), 스커트(114), 배합 구동부(192) 등을 포함할 수 있다.
주행부(330)는 바퀴(112)를 움직일 수 있다. 일 예로, 주행부(330)는 바퀴(112)를 회전시키는 모터, 엔진 등을 포함할 수 있다.
주행부(330)는 도 5의 바퀴(112), 주행 구동부(191) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 주행 장치(100)는 몸체부(110), 급이부(310), 주행부(330)를 갖는 급이 로봇(10)을 자동으로 움직이고, 자동으로 사료를 배출하도록 하기 위한 것으로, 센싱부(200) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다.
센싱부(200)는 급이 로봇(10)의 몸체부(110)에 설치되고, 주변 사물을 센싱할 수 있다.
제어부(160)는 센싱부(200)의 센싱 결과를 이용해서 급이부(310)와 주행부(330) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
울타리(90)가 형성된 축사를 따라 움직이는 급이 로봇(10)의 특성을 고려해서, 센싱부(200)는 일반 자율 로봇의 센서와 달리 특수한 위치에 배치될 수 있다.
일 예로, 센싱부(200)는 제1 거리 센서(120), 제2 거리 센서(150), RFID 리더(130), 카메라(140) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 제1 거리 센서(120)는 몸체부(110)의 이동 거리 또는 이동 속도를 파악할 수 있다.
제어부(160)는 제1 거리 센서(120)의 측정 결과를 이용해서, 축사 내부에서 주행하는 급이 로봇(10)의 위치를 분석할 수 있다. 울타리(90)와의 충돌 등을 방지하기 위해 축사를 기준으로 하는 급이 로봇(10)의 위치가 정확하게 측정될 필요가 있다. 몸체부(110)의 이동 거리, 이동 속도, 이동 시간 등이 파악되면, 제어부(160)는 초기 위치를 기준으로 현재 시점에서 급이 로봇(10)의 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)와 사료 영역 f 간의 거리를 측정하거나, 사료 영역 f에 대면 설치되는 울타리(90)와 몸체부(110) 간의 거리를 측정할 수 있다.
제어부(160)는 제2 거리 센서(150)의 측정 결과를 이용해서, 울타리(90)와 급이 로봇(10) 간의 거리, 주변 사물과 급이 로봇(10) 간의 거리 등을 분석할 수 있다. 제어부(160)는 제2 거리 센서(150)의 측정 결과를 이용해서 급이 로봇(10)과 주변 사물 간의 충돌을 방지하는 제어를 수행할 수 있다.
RFID 리더(130)는 울타리(90)에 설치된 태그(131)의 정보를 획득할 수 있다. 태그(131)의 정보는 울타리(90)의 정보, 울타리(90) 내에서 가두어진 가축의 정보를 포함할 수 있다.
일 예로, 울타리(90)의 정보에는 축사 내에 격자 형식으로 형성된 각 격자의 길이가 포함될 수 있다. 가축의 정보에는 해당 가축의 연령, 가축의 수가 포함될 수 있다.
제어부(160)는 울타리(90) 정보를 이용해서 어느 위치로부터 어느 위치까지 사료를 배출해야 하는지 결정할 수 있다. 다시 말해, 제어부(160)는 울타리(90) 정보를 이용해서 사료가 배출되어야 하는 길이 구간을 결정할 수 있다. 제어부(160)는 가축 정보를 이용해서 배출되는 사료의 양을 결정할 수 있다.
카메라(140)는 주변 사물을 촬영한 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
제어부(160)는 이미지 데이터의 영상 분석을 통해 주변의 장애물 정보를 분석하거나, 배합기(111)에 저장된 사료의 양 배합기에 저장된 사료의 상태 등을 분석할 수 있다.
제1 거리 센서(120)는 바퀴(112)에 설치되고, 바퀴(112)의 회전 각도 또는 회전수를 측정할 수 있다. 일 예로, 제1 거리 센서(120)는 인코더(encoder)를 포함할 수 있다.
몸체부(110)에 설치되고 사료가 저장 또는 배합되는 통 형상의 배합기, 배합기의 사료가 배출되는 배출 슈트가 마련될 수 있다. 몸체부(110)가 제1 방향을 따라 이동 가능하게 형성된 경우, 배합기의 일면이 울타리(90)에 대면하게 배치될 수 있다. 이때, RFID 리더(130)는 배출 슈트에 대면되는 배합기의 일면 측에 설치되고, 몸체부(110)의 높이 방향 상으로 배합기의 가운데에 설치될 수 있다. 일 예로, RFID 리더(130)는 울타리(90)에 설치된 태그(131)와 동일한 높이에 설치될 수 있다.
배합기는 RFID 리더(130)에서 발생되는 전자기장의 전달을 방해하는 재질(예를 들어 은박지)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 배합기의 일면 측에 설치되는 RFID 리더(130)에서 발생된 전자기장은 배합기의 일면에 대면되는 울타리(90)에 배치된 태그(131)를 향해 정상적으로 전달될 수 있다. 반면, RFID 리더(130)에서 발생된 전자기장은 배합기를 사이에 두고 RFID 리더(130)에 대면되는 위치에 배치된 다른 울타리(90)의 태그(131)로 전달되기 어려울 수 있다. 본 실시예에 따르면, RFID를 통해 획득 가능한 태그(131)의 정보는 배출 슈트에 대면되는 울타리(90)에 설치된 태그(131)로 한정될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 제어부(160)에는 일시점에 오로지 하나의 태그(131) 정보가 입수되므로, 제어의 용이성이 대폭 개선될 수 있다.
제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)의 높이 방향 상으로 바퀴(112)의 중심과 RFID 리더(130)의 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)의 길이 방향 상으로 몸체부(110)의 전방 단부와 후방 단부에 설치에 각각 설치될 수 있다.
전방 단부와 후방 단부에 각각 설치된 제2 거리 센서(150)는 전방 또는 후방에 존재하는 장애물을 파악하는 동시에 배합기의 일면 측에 배치된 울타리(90)를 감지할 필요가 있다. 다시 말해, 제2 거리 센서(150)는 180도 이상의 감지 각도를 갖게 형성되는 것이 좋으며, 이를 위해 제2 거리 센서(150)는 라이다(Lidar)를 포함할 수 있다.
카메라(140)는 제1 카메라(140), 제2 카메라(140), 제3 카메라(140), 제4 카메라(140) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 카메라(140)는 몸체부(110)의 전방 부위에 설치되고, 몸체부(110)의 전방을 촬영할 수 있다.
제2 카메라(140)는 몸체부(110)의 후방 부위에 설치되고, 몸체부(110)의 후방을 촬영할 수 있다.
제어부(160)는 제1 카메라(140) 및 제2 카메라(140)에서 촬영된 이미지 데이터를 이용해서 전방 또는 후방에 존재하는 장애물을 감지할 수 있다.
일 예로, 제1 카메라(140) 및 제2 카메라(140)는 장애물을 파악하는 제2 거리 센서(150)를 보조할 수 있다. 제2 거리 센서(150)가 라이다인 경우, 대부분의 장애물은 별다른 무리없이 라이다에 의해 파악될 수 있다. 다만, 라이다의 경우, 원기둥과 같이 빛이 난반사되는 구조물을 감지하는데 취약한 부분이 있다. 예를 들어, 울타리(90)가 원기둥 형태의 막대를 접합해서 형성한 경우, 울타리(90)의 일부분이 라이다에 의해 감지되지 않을 수 있다.
제어부(160)는 라이다를 통해 획득된 정보를 바탕으로 주변 장애물을 나타내는 제1 맵을 형성할 수 있다. 제어부(160)는 카메라(140)를 통해 획득된 정보를 바탕으로 원기둥 형태의 특수 장애물만을 나타내는 제2 맵을 형성할 수 있다. 제어부(160)는 제1 맵 상에 제2 맵이 오버랩된 제3 맵을 생성할 수 있다. 제3 맵은 제1 맵 상에서 정상적으로 파악이 안된 각종 원기둥 장애물까지 정상적으로 포함할 수 있다.
제어부(160)는 제3 맵을 이용해서 주행부(330) 또는 급이부(310)를 제어할 수 있다.
제3 카메라(140)는 배합기의 내측 상부에 설치되고 배합기의 내부를 촬영할 수 있다. 제어부(160)는 제3 카메라(140)의 촬영 이미지를 분석해서, 배합기의 동작 상태 또는 배합기에 저장된 사료의 양을 분석할 수 있다.
제4 카메라(140)는 배합기의 내측 하부에 설치되고 배합기에 존재하는 사료를 촬영할 수 있다. 제어부(160)는 제4 카메라(140)의 촬영 이미지를 분석해서, 배합기에 저장된 사료의 상태, 사료의 양을 분석할 수 있다. 일 예로, 제어부(160)는 제4 카메라(140)의 촬영 이미지에 포함된 사료의 색상을 분석하고, 분석 결과에 따라 각종 사료의 배합 상태를 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2의 주행 방법은 도 1에 도시된 주행 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
제어부(160)에 의해 급이 로봇(10)이 자동 제어될 수 있다(S 510). 자동 제어에 의해 주행부(330)는 몸체부(110)를 자동으로 움직이고, 급이부(310)는 자동으로 적절한 위치에 적절한 양의 사료를 출력할 수 있다.
주변 사물을 센싱하는 제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)의 전방에 존재하는 전방 사물을 감지하는 전방 센서 및 몸체부(110)의 후방에 존재하는 후방 사물을 감지하는 후방 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 거리 센서(150)에 의해 급이 로봇(10) 또는 몸체부(110)의 위치가 파악될 수 있다(S 520). 또는, 제2 거리 센서(150)에 의해 급이 로봇(10)과 주변 사물 간의 거리가 파악되거나, 몸체부(110)와 주변 사물 간의 거리가 파악될 수 있다. 구체적으로, 전방 센서를 통해 전방 센서와 전방 사물 간의 거리가 파악될 수 있다(S 521). 후방 센서를 통해 후방 센서와 후방 사물 간의 거리가 파악될 수 있다(S 522).
제어부(160)는 전방 센서와 전방 사물 간의 거리가 제1 설정값을 만족하거나 후방 센서와 후방 사물 간의 거리가 제2 설정값을 만족하면(S 530의 'Yes'), 충돌 감지 신호를 생성하여 주행부(330)에 제공할 수 있다(S 540). 제어부(160)는 제1 설정값과 제2 설정값이 불만족되면(S 530의 'No'), 자동 제어를 지속할 수 있다(S 510으로 회귀).
제어부(160)는 제2 거리 센서(150)에 의해 센싱된 주변 사물과 제2 거리 센서(150) 간의 거리를 이용해서 충돌 감지 신호의 소스가 되는 주변 사물의 움직임을 분석할 수 있다.
제어부(160)는 제2 거리 센서(150)와 주변 사물 간의 거리가 설정값을 만족하며 주변 사물이 한 곳에 가만히 있는 정적 장애물이면, 주행부(330)를 정지시키는 충돌 감지 신호를 생성할 수 있다. 일 예로, 주변 사물이 축사의 벽이면 충돌 방지를 위해 제어부(160)는 주행부(330)를 정지시키고, 주행부(330)의 동작 정지에 따라 몸체부(110) 또는 급이 로봇(10)이 현재 위치에 멈출 수 있다.
급이 로봇(10)이 멈춘 이후에는 해당 장애물을 회피하기 위한 회피 동작이 수행될 수 있다.
제어부(160)는 제2 거리 센서(150)와 주변 사물 간의 거리가 설정값을 만족하며 주변 사물이 울타리(90)를 따라 움직이는 동적 장애물이면, 해당 주변 사물과 일정한 거리만큼 이격된 상태로 주행을 유지할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 축사를 관리하는 관리자를 따라다니면서 사료를 급이하는 환경이 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주행 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3의 주행 방법은 도 1에 도시된 주행 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
제2 거리 센서(150)는 사료 영역에 대면 설치되는 울타리(90)에 대한 이격 거리를 센싱할 수 있다.
제어부(160)는 이격 거리가 기설정된 가이드 거리 d0를 만족하는 범위 내에서 몸체부(110)가 울타리(90)를 따라 이동하도록 주행부(330)를 피드백 제어할 수 있다.
가이드 거리 d0는 울타리(90)에 수직하고 몸체부(110)의 중심을 가로지르는 가상선이 정의될 때, 몸체부(110)의 중심과 울타리(90) 중심 간의 거리 중 기설정 거리를 포함할 수 있다. 또는, 가이드 거리 d0는 울타리(90)에 대면되는 몸체부(110)의 가장자리 일면과 울타리(90) 외주면 간의 거리 중 기설정 거리를 포함할 수 있다.
가이드 거리 d0를 만족하면서 울타리(90)에 수평하게 연장되는 가상의 주행선이 가정될 때, 급이 로봇(10) 또는 몸체부(110)는 제어부(160)에 의해 주행선을 따라 움직일 수 있다.
도 3의 주행 방법에 따르면, 먼저 도 2와 마찬가지로 제어부(160)에 의해 급이 로봇(10)이 자동 제어될 수 있다(S 610). 자동 제어에 의해 주행부(330)는 몸체부(110)를 자동으로 움직이고, 급이부(310)는 자동으로 적절한 위치에 적절한 양의 사료를 출력할 수 있다.
제2 거리 센서(150)에 의해 급이 로봇(10) 또는 몸체부(110)의 위치가 파악될 수 있다(S 620). 제2 거리 센서(150)에 의해 급이 로봇(10)과 울타리(90) 간의 거리가 파악되거나, 몸체부(110)와 울타리(90) 간의 거리가 파악될 수 있다. 구체적으로 전방 센서를 통해 전방 센서를 기준으로 하는 울타리(90)의 제1 거리가 파악될 수 있다(S 621). 후방 센서를 통해 후방 센서를 기준으로 하는 울타리(90)의 제2 거리가 파악될 수 있다(S 622).
제어부(160)는 제2 거리 센서(150)와 울타리(90) 간의 거리가 가이드 거리 d0를 만족하는지 비교 분석할 수 있다(S 630). 구체적으로, 제어부(160)는 전방 센서와 울타리(90) 간의 제1 거리가 가이드 거리 d0를 만족하는지 비교 분석할 수 있다. 제어부(160)는 후방 센서와 울타리(90) 간의 제2 거리가 가이드 거리 d0를 만족하는지 비교 분석할 수 있다.
제2 거리 센서(150)와 울타리(90) 간의 거리를 측정 거리로 정의할 때, 제어부(160)는 측정 거리와 가이드 거리 d0 간의 오차 거리를 산출할 수 있다(S 640).
제어부(160)는 오차 거리가 0에 수렴되도록 주행부(330)를 제어할 수 있다(S 650).
도 3의 제어 과정은 주행부(330)의 주행 동작이 완료될 때까지 급이 로봇(10)의 자동 제어 단계(S 610)로 회귀하고 제2 거리 센서(150)의 측정 단계(S 620) 이하의 과정을 반복 수행하는 피드백 제어를 형성할 수 있다.
한편, 제어부(160)의 제어 용이성을 개선하기 위한 방안이 추가로 마련될 수 있다. 앞에서는 RFID 리더(130)의 배치 위치를 특정하는 방안을 통해 제어부(160)의 제어 용이성을 개선하는 일 실시예에 대해 설명하였다. 이와 다른 방안으로, RFID 리더(130)의 전자기장 전파 거리, 전파 각도 중 적어도 하나를 포함하는 커버리지를 이용하는 방안이 마련될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 축사에는 사료 영역에 대면 설치되는 울타리(90)가 마련될 수 있다. 울타리(90)는 지면에 수평한 방향을 따라 연장될 수 있다.
주행부(330)에 의해 몸체부(110)는 울타리(90)로부터 기설정된 가이드 거리 d0 만큼 이격된 상태를 유지하면서 울타리(90)를 따라 움직일 수 있다.
복수의 태그(131)가 울타리(90)의 연장 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
몸체부(110)에는 태그(131)로부터 이격된 위치에서 태그(131)의 정보를 획득하는 RFID 리더(130)가 마련될 수 있다. RFID 리더(130)는 커버리지 범위 내에 존재하는 하나 이상의 태그(131) 정보를 동시에 획득할 수 있다. 복수의 태그(131) 정보가 동시에 획득되면, 급이 로봇(10)이 복수의 태그(131) 중 어떤 태그(131)의 앞에 있는지 파악하기 곤란할 수 있다. 따라서, 일시점에서 복수의 태그(131) 중 오직 한 개의 태그(131)만을 대상으로 태그(131) 정보가 입수되는 것이 좋다.
RFID 리더(130)는 몸체부(110)가 울타리(90)를 따라 움직이는 일시점에서, 울타리(90)를 따라 서로 이격되게 배치된 복수의 태그(131) 중에서 오직 한 개의 특정 태그(131)만을 인식할 수 있는 커버리지를 갖게 형성될 수 있다.
일 예로, 주행선 g를 따라 움직이는 급이 로봇(10)이 특정 태그(131) b에 가장 가까운 거리가 제1 간격 d1으로 정의될 때, 이때, 특정 태그(131) b에 인접한 다른 태그(131) a와 급이 로봇(10) 간의 거리가 제2 간격 d2로 정의될 수 있다.
동축 상에 배치된 울타리(90)에 배치된 서로 다른 태그(131) a, b의 사이에 급이 로봇(10)이 위치하는 경우를 대비하기 위해, RFID 리더(130)의 커버리지는 적절하게 설정될 필요가 있다.
제2 간격 d2에서 제1 간격 d1을 뺀 간격을 제3 간격으로 정의하기로 한다.
일 예로, RFID 리더(130)의 커버리지, 예를 들어 RFID 리더(130)의 전자기장 전파 거리는 제1 간격 d1보다 크고, 제3 간격을 2로 나눈 거리값보다 작게 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 일시점에서 오직 한 개의 태그(131) 정보만이 RFID 리더(130)를 통해 입수될 수 있다. 한편, 급이 로봇(10)을 사이에 두고 복수의 울타리(90)가 대면하게 형성될 수 있는데, 이때, 특정 태그(131) b를 대상으로 하는 RFID 리더(130)의 전자기장의 반대편의 울타리(90)에 형성된 태그(131)에 영향을 미칠 수 있다. 이때, 앞에서 설명된 바와 같이 배합기에 의해 해당 전자기장이 반대편 울타리(90)로 전파되는 것이 방해될 수 있다. 그 결과, 복수의 울타리(90)가 마련된 경우에도, 주행 장치(100)에는 일시점에서 오직 1개의 태그(131) 정보가 입수될 수 있다.
제어부(160)는 일시점에서 오직 1개의 태그(131) 정보를 기준으로, 급이부(310)를 제어하면 되므로 제어 용이성이 개선될 수 있다.
제어부(160)는 RFID 리더(130)에 의해 획득된 특정 태그(131)의 정보에 따라 급이부(310)의 사료의 배합 비율, 사료의 배출량, 사료의 배출 위치 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.
이하에서는, 주행 장치(100)의 하드웨어적인 구성에 대해 살펴본다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템의 구성도이고, 도 5는 도 4의 급이 로봇을 나타낸 사시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템의 제어 블록도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템(주행 장치(100))은 몸체부(110)와, 제1 거리 센서(120)와, RFID 리더(130)와, 카메라(140)와, 제2 거리 센서(150)와, 제어부(160)와, 조종부(170)와, 무선 제어기(180)을 포함한다.
몸체부(110)는 상측에는 TMR사료를 배합하는 TMR사료 배합기(111)가 설치되고, 바퀴(112)가 달린 로봇 본체이다. TMR사료 배합기(111)의 내부에는 오거(auger)가 설치되어 유압 모터로 된 배합 구동부(192)에 의해 구동되어 사료를 배합하며, 배합된 사료량을 감지하는 센서를 구비한다.
TMR사료 배합기(111)의 측면에는 배합된 TMR사료가 배출되는 배출 슈트(113)가 설치되고, 배출 슈트(113)의 전방에는 스커트 구동부(193)에 의해 주행방향에 따른 회전동작이 가능한 스커트(114)가 설치된다. 바퀴(112)는 3개 이상 설치될 수 있으며, 본 실시예에서 4개로 되어 있다. 바퀴(112)는 유압 모터로 된 주행 구동부(191)에 의해 구동된다. 배출 슈트(113)에는 유압으로 작동하여 개폐 가능한 도어가 설치된다. 스커트(114)는 제어부(160)에 의해 제어되어 가축의 섭식 특성에 따라 흩어진 사료를 밀어주는 역할을 한다.
제1 거리 센서(120)는 바퀴(112)에 설치되어 바퀴(112)의 회전에 따라 몸체부(110)의 이동거리 또는 속도를 파악하기 위한 센서로서, 엔코더(encoder) 또는 오도미터(odometer) 등의 센서로 되어 있다. 제1 거리 센서(120)는 각 바퀴(112)에 모두 설치될 수도 있고 몇 개의 바퀴(112)에만 설치될 수 있다.
RFID(Radio Frequency Identification)는 무선 주파수를 이용하여 태그가 부착된 부분을 자동으로 식별하는 것으로서, 축사(H)의 각 영역에 설치된 태그(131)와, 태그(131)를 인식하는 RFID 리더(Reader)(130), 및 안테나를 포함한다. RFID 리더에는 안테나를 통해 무선통신을 하는 무선통신부가 구비된다. RFID 리더(Reader)가 안테나를 통해 태그(131)로 전파를 송신하면, 태그(131)는 수신전파로부터 에너지를 얻어서 활성화된다.
카메라(140)는 주변상황을 파악하기 위한 시각 센서로, 급이 로봇 주행을 위한 시각정보와 급이 로봇 주변의 장애물 파악 및 자기 위치 추정을 위한 것이며, 본 실시예에서는 몸체부(110)의 전방과 후방에 각각 설치된다. 카메라(140)는 필요에 따라 몸체부(110)의 양측에 설치되어 측면 상황을 감지할 수 있다.
제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)와 대상물과의 거리측정 및 장애물을 감지하기 위한 라이다(Lidar) 센서로서, 빛을 이용해서 물체를 감지하고 거리를 측정하는 기술(light detection and ranging)에 의한 센서이다. 제2 거리 센서(150)는 몸체부(110)의 전방과 후방에 각각 설치되는데, 필요에 따라 몸체부(110)의 측면에 설치되어 측면에서 대상물과의 거리를 측정할 수도 있다.
제어부(160)는 안테나를 통해 무선통신을 하는 무선통신부를 구비하며, 몸체부(110)에 설치되어 급이 로봇의 원격조종 주행 제어와 주행 보조기능을 수행하며 급이 로봇의 상태 및 위치정보를 제공한다.
구체적으로 제어부(160)는 RFID 리더(130)의 센싱 정보를 이용하여 축사(H)별 영역을 구분하여 몸체부(110)의 위치를 파악하는 한편, 제1 거리 센서(120)의 센싱 정보를 이용하여 이동거리를 계산하여 몸체부(110)의 위치를 파악한다.
제어부(160)의 자율수행 제어는 먼저 자율수행 시작 명령과 함께 자율주행이 시작되며, 주행에 방해가 되는 장애물의 정보를 제2 거리 센서(150)로부터 받아서 판단을 하게 된다. 만약 정적인 장애물이 있다면, 장애물과의 거리를 고려하여 일시 정지를 한다. 만약 동적인 장애물이 있다면, 장애물과의 거리를 판단하여 장애물과 일정한 거리를 두고 주행을 한다. 주행을 하다가 긴급 정지가 필요하거나, 몸체부(110)의 TMR사료 배합기(111)에 사료가 없으면 조종부(170)에 알림을 하여 추가 사료급이 여부와 몸체부(110)의 이동여부를 결정하게 된다.
또한, 제어부(160)는 축사(H) 내에 장착된 태그(tag)(131)의 번호를 인식하여, 몸체부(110)가 축사(H)의 몇 번째 펜스(Fence)에 있는지를 확인하게 되는데, 먼저 몸체부(110)에 장착된 RFID 리더(130)와 안테나를 활용하여 축사(H)의 태그(131)를 인식하여 현재 위치를 파악한다. 따라서, 확인된 펜스(Fence)에 가축의 종류에 따라 각기 다른 사료를 급이할 수 있으며, 조종부(170)와 무선 제어기(180)를 통해 원격지에서 사료의 공급상태와 가축의 상태를 실시간으로 확인 가능하다.
조종부(170)는 사용자가 급이 로봇을 조종하는 호스트 컴퓨터를 구비하는 부분이며, 모니터와 키보드 등의 컴퓨터 주변기기를 포함하며, 무선통신을 하기 위한 무선통신부를 구비한다. 무선 제어기(180)은 스마트폰 등으로서 조종부(170)를 수동으로 원격 제어한다. 조종부(170)는 다양한 무선 제어기(180)에 의해 원격 제어될 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 급이 로봇의 충돌방지 제어를 설명하기 위한 설명도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(160)는 몸체부(110)의 전방 및 후방에 설치되는 2개의 제2 거리 센서(150)의 센싱 정보를 이용하여, 몸체부(110)가 이동 중에 정적, 동적 장애물을 인지하여 충돌 위험이 있는 상황을 조종부(170)에 알리고, 몸체부(110)를 일시적으로 멈추거나 장애물과 일정한 거리를 유지하며 주행을 하도록 제어한다. 이때, 제어부(160)는 카메라(140)의 시각정보를 추가로 사용할 수도 있다.
도 8는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 급이 로봇의 주행선 유지 제어를 설명하기 위한 설명도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제어부(160)는 몸체부(110)의 전방 및 후방에 설치되는 2개의 제2 거리 센서(150) 및 카메라(140)의 센싱 정보를 이용하여, 몸체부(110)의 현재위치와 각도를 계산하여 주행선(L)을 지속적으로 유지하면서 주행한다. 이는 소의 섭식 공간 침범을 최소화하고 조작자(사용자)의 오동작에도 몸체부(110)의 정상 주행이 가능하도록 몸체부(110)와 축사 사이를 일정거리 (C)로 유지하며, 몸체부(110)를 주행하게 하는 것이다. 이때의 일정거리 (C)는 가이드 거리 g에 해당될 수 있다. 이때, 제1 거리 센서(120)와 RFID 리더(130)의 센싱 정보를 추가로 이용할 수도 있다.
한편, 소의 섭식 특성에 따라 흩어진 사료를 몸체부(110)에 설치된 스커트(114 : 도 5 참조) 통해 다시 밀어주는 반복적인 동작을 하며, 몸체부(110)가 전후로 자율적으로 이동하여 동작하게 한다.
이와 같이, 본 발명은 몸체부(110)에 제1, 제2 거리 센서(120, 150), 카메라(140)를 설치하여 축사내 환경을 인식하는 한편, 축사에 설치된 태그(131)와 함께 이를 인식하는 리더를 가진 RFID 리더(130)를 설치하여 현재 축사(H) 내의 몸체부(110)의 위치를 알아내고, 축사마다 다른 배합사료를 가축에게 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 조종부의 모니터링 상황을 나타내는 예시도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 TMR사료 급이 로봇의 자율주행 시스템에서 장애물 감지상황을 나타내는 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 11의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 주행 장치(100) 등) 일 수 있다.
도 11의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 급이 로봇 70: 가축
90: 울타리 91: 격벽
110: 몸체부 111: 배합기
112: 바퀴 113: 배출슈트
114: 스커트 120: 제1 거리 센서
130: RFID 131: 태그
140: 카메라 150: 제2 거리 센서
160: 제어부 170: 조종부
180: 무선제어기 191: 주행 구동부
192: 배합 구동부 193: 스커트 구동부
200: 센싱부 310: 급이부
330: 주행부

Claims (6)

  1. 바퀴가 설치된 몸체부, 상기 몸체부에 지지되고 축사에 형성된 사료 영역을 향해 사료를 배출하는 급이부, 상기 바퀴를 움직이는 주행부가 구비된 급이 로봇이 마련될 때,
    상기 몸체부에 설치되고, 주변 사물을 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부의 센싱 결과를 이용해서 상기 급이부와 상기 주행부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 센싱부는 상기 사료 영역에 대면 설치되는 울타리에 설치된 태그의 정보를 획득하는 RFID 리더를 포함하며,
    상기 몸체부에 설치되고 사료가 저장 또는 배합되는 통 형상의 배합기, 상기 배합기의 사료가 배출되는 배출 슈트가 마련되고,
    상기 RFID 리더는 상기 배출 슈트에 대면되는 상기 배합기의 일면 측에 설치되고, 상기 몸체부의 높이 방향 상으로 상기 배합기의 가운데에 설치되며,
    상기 배합기는 상기 RFID 리더에서 발생되는 전자기장의 전달을 방해하는 재질을 포함하고,
    상기 배합기로 인해 상기 RFID 리더를 통해 획득 가능한 태그의 정보는, 상기 RFID 리더가 설치되는 상기 배합기의 일면에 대면되는 울타리에 설치된 태그와, 상기 배합기를 사이에 두고 상기 RFID 리더에 대면되는 위치에 배치된 다른 울타리에 설치된 태그 중에서 상기 RFID 리더가 설치되는 상기 배합기의 일면에 대면되는 울타리에 설치된 태그로 한정되는 주행 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는 제1 거리 센서, 제2 거리 센서, 카메라 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제1 거리 센서는 상기 몸체부의 이동 거리 또는 이동 속도를 파악하며,
    상기 제2 거리 센서는 상기 몸체부와 상기 사료 영역 간의 거리를 측정하거나, 상기 사료 영역에 대면 설치되는 울타리와 상기 몸체부 간의 거리를 측정하고,
    상기 카메라는 주변 사물을 촬영한 이미지 데이터를 생성하고,
    상기 제1 거리 센서는 상기 바퀴에 설치되고, 상기 바퀴의 회전 각도 또는 회전수를 측정하며,
    상기 제2 거리 센서는 상기 몸체부의 높이 방향 상으로 상기 바퀴의 중심과 상기 RFID 리더의 사이에 배치되고, 상기 몸체부의 길이 방향 상으로 상기 몸체부의 전방 단부와 후방 단부에 각각 설치되며,
    상기 카메라는 상기 몸체부의 전방 부위에 설치되고 상기 몸체부의 전방을 촬영하는 제1 카메라, 상기 몸체부의 후방 부위에 설치되고 상기 몸체부의 후방을 촬영하는 제2 카메라, 상기 배합기의 내측 상부에 설치되고 상기 배합기의 내부를 촬영하는 제3 카메라, 상기 배합기의 내측 하부에 설치되고 상기 배합기에 존재하는 상기 사료를 촬영하는 제4 카메라 중 적어도 하나를 포함하는 주행 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주변 사물을 센싱하는 제2 거리 센서가 마련되고,
    상기 제2 거리 센서는 상기 몸체부의 전방에 존재하는 전방 사물을 감지하는 전방 센서 및 상기 몸체부의 후방에 존재하는 후방 사물을 감지하는 후방 센서 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전방 센서와 상기 전방 사물 간의 거리가 제1 설정값을 만족하거나 상기 후방 센서와 상기 후방 사물 간의 거리가 제2 설정값을 만족하면, 충돌 감지 신호를 상기 주행부에 제공하는 주행 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주변 사물을 센싱하는 제2 거리 센서가 마련되고,
    상기 제어부는 상기 제2 거리 센서에 의해 센싱된 상기 주변 사물과 상기 제2 거리 센서 간의 거리를 이용해서 충돌 감지 신호의 소스가 되는 상기 주변 사물의 움직임을 분석하고,
    상기 제어부는 상기 제2 거리 센서와 상기 주변 사물 간의 거리가 설정값을 만족하며 상기 주변 사물이 정적 장애물이면, 상기 주행부를 정지시키는 충돌 감지 신호를 생성하며,
    상기 제어부는 상기 제2 거리 센서와 상기 주변 사물 간의 거리가 상기 설정값을 만족하며 상기 주변 사물이 동적 장애물이면, 상기 주변 사물과 일정한 거리만큼 이격된 상태로 주행을 유지하는 충돌 감지 신호를 생성하는 주행 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사료 영역에 대면 설치되는 울타리에 대한 이격 거리를 센싱하는 제2 거리 센서가 마련되고,
    상기 제어부는 상기 이격 거리가 기설정된 가이드 거리를 만족하는 범위 내에서 상기 몸체부가 상기 울타리를 따라 이동하도록 상기 주행부를 피드백 제어하는 주행 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 울타리는 지면에 수평한 방향을 따라 연장되며,
    상기 주행부에 의해 상기 몸체부는 상기 울타리로부터 기설정된 가이드 거리만큼 이격된 상태를 유지하면서 상기 울타리를 따라 움직이고,
    복수의 상기 태그가 상기 울타리의 연장 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치되며,
    상기 RFID 리더는 상기 몸체부가 상기 울타리를 따라 움직이는 일시점에서, 상기 울타리를 따라 서로 이격되게 배치된 복수의 상기 태그 중에서 오직 한 개의 특정 태그만을 인식할 수 있는 커버리지를 갖게 형성되고,
    상기 제어부는 상기 RFID 리더에 의해 획득된 상기 특정 태그의 정보에 따라 상기 급이부의 사료의 배합 비율, 상기 사료의 배출량, 상기 사료의 배출 위치 중 적어도 하나를 결정하는 주행 장치.
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