KR102392029B1 - 과채류 수확을 위한 부드러운 소재의 로봇의 엔드 이펙터 - Google Patents

과채류 수확을 위한 부드러운 소재의 로봇의 엔드 이펙터 Download PDF

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Abstract

로봇의 엔드 이펙터가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 로봇의 엔드 이펙터는 본체; 상기 본체의 상부에 고정 결합되는 상부 브라켓; 상기 본체에 슬라이드 이동가능하게 결합되는 이동 브라켓; 일단은 상기 이동 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 상부 브라켓을 관통하여 결합되는 복수의 박판 스프링; 및 일단은 상기 상부 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 박판 스프링의 단부에 고정 결합되는 섬유 소재의 파지부;를 포함할 수 있다.

Description

과채류 수확을 위한 부드러운 소재의 로봇의 엔드 이펙터 {END EFFECTOR OF ROBOT FOR HARVESTING FRUIT VEGETABLE MADE OF SOFT MATERIAL}
본 발명은 과채류 수확을 위한 부드러운 소재의 로봇의 엔드 이펙터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과수를 채취하는데 사용되는 과채류 수확을 위한 부드러운 소재의 로봇의 엔드 이펙터에 관한 것이다.
전 세계적으로 4차 산업 혁명과 함께 농업 분야에 로봇(robot)을 도입함으로써, 농업의 자동화를 위한 연구 개발이 다양하게 진행되고 있다. 전 세계 인구의 지속적으로 증가함에 따른 식량 부족 문제가 대두되고 있어 농산물의 생산량을 높이기 위해 농업을 자동화하는 것은 필요하다.
고령화 사회가 진행됨에 따라 농업에 투여되는 인력 부족 현상이 발생되고, 이러한 문제를 해결하기 위해 농업, 특히 과수를 채취하는데 로봇의 사용이 더욱 요구된다.
작물 재배시에 가장 많이 투입되는 노동력 중의 하나인 과수의 수확 작업은 작물의 종류에 따라 전체 투입되는 노동력의 약 25%정도까지 차지할 정도로 많은 시간과 노동이 투입되는 작업이다.
일반적으로, 과수의 수확 작업은 대부분 수작업으로 이루어지고, 인간의 노동력을 대체하기 위한 로봇의 연구와 개발이 이루어지고 있으나, 과수의 모양과 크기가 일정하지 않고 불규칙적이어서 기술적 난이도가 높고, 이로 인해 로봇의 상용화에 어려움이 발생하는 것이 현실이다.
수확용 로봇은 특정 작물을 대상으로 연구 및 개발이 진행되고 있는데, 과수의 수확 작업은 각 작물의 모양, 크기, 위치, 및 완숙도를 판별하여 원하는 작물의 과수를 수확할 수 있고, 이는 작물에 대한 위치를 인식함과 더불어 작물의 완숙도를 판별해야 한다.
또한, 무분별한 수확 작업은 작물에게 스트레스를 줄 수 있고, 병해충에 노출될 위험이 존재하기 때문에, 수확 대상 작물뿐만 아니라 주변 작물에도 악영향을 미칠 가능성이 존재한다.
작물 중에 토마토는 표면 강도가 매우 약하기 때문에, 표면에 단단한 로봇을 이용하여 토마토를 파지하는 경우, 토마토의 표피가 손상되어 상품으로서의 가치가 떨어지는 문제가 존재한다. 또한, 토마토의 표면은 매우 미끄럽기 때문에 로봇을 이용한 과수의 파지는 상당히 어려운 난이도의 작업에 해당한다.
과수를 파지하기 위한 그리퍼는 크게 인간의 손가락과 유사한 모양을 갖고 단단한 금속 재질의 그리퍼와 석션 캡(suction cap)을 이용하여 과수를 고정하는 방식의 그리퍼로 분류될 수 있다.
가장 보편적으로 사용되는 금속 재질로 제작되는 그리퍼는 대상 작물의 과수 위치가 정확이 파악되어야 하는데, 만약, 과수의 정확한 위치가 파악되지 않으면 작물이 손상되거나 줄기에 상처를 입힐 수 있다.
또한, 석션 캡을 이용한 그리퍼는 다발을 이루는 과수를 수확할 때 효과적이고 상대적으로 과수의 정확한 위치를 파악할 필요가 없다는 점에서 장점이 있으나, 강한 흡착력으로 인해 과수에 손상이 가해질 수 있다는 단점이 존재한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 과수를 수확하는데 사용되는 로봇의 엔드 이펙터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 토마토와 같이 표피가 매우 약하고 미끄러운 과수를 과수를 파지할 때, 과수에 손상이 발생하지 않는 로봇의 엔드 이펙터를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 엔드 이펙터는 본체; 상기 본체의 상부에 고정 결합되는 상부 브라켓; 상기 본체에 슬라이드 이동가능하게 결합되는 이동 브라켓; 일단은 상기 이동 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 상부 브라켓을 관통하여 결합되는 복수의 박판 스프링; 및 일단은 상기 상부 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 박판 스프링의 단부에 고정 결합되는 섬유 소재의 파지부;를 포함할 수 있다.
상기 박판 스프링은 네 개가 구비되고, 상기 본체를 중심으로 원주 방향으로 배치되는 배치될 수 있다.
상기 박판 스프링의 타단은 상기 상부 브라켓에 형성되는 슬롯을 관통하여 장착될 수 있다.
상기 파지부에 의해 상기 이동 브라켓에 일단이 고정되는 상기 박판 스프링의 최대 이동 거리가 제한될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터는 구동부가 수용되는 본체 수용부, 및 상기 본체 수용부에서 연장되고 상기 구동부의 구동축과 연결되는 리드 스크류가 수용되는 본체 가이드부를 포함하는 본체; 상기 본체의 상부에 고정 결합되는 상부 브라켓; 상기 본체 가이드부에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 이동 브라켓; 일단은 상기 이동 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 상부 브라켓을 관통하여 이동가능하게 결합되는 복수의 박판 스프링; 및 일단은 상기 상부 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 박판 스프링의 단부에 고정 결합되는 섬유 소재의 파지부;를 포함할 수 있다.
상기 본체 수용부에는 구동 모터가 수용되고, 상기 본체 가이드부에는 상기 구동 모터의 구동축과 연결되는 리드 스크류가 수용되며, 상기 이동 브라켓은 상기 리드 스크류에 연결되어, 상기 구동 모터의 동작에 의해 상기 이동 브라켓이 상기 본체 가이드부를 따라 이동할 수 있다.
상기 본체 가이드부는 내부가 빈 사각 기둥 모양으로 형성되고, 서로 마주 보는 면에는 길이 방향으로 안내 슬롯이 각각 형성될 수 있다.
상기 이동 브라켓은 상기 본체 가이드부가 삽입되도록 상기 본체 가이드부의 단면과 대응하는 모양의 가이드 홀이 형성되는 외부 몸체; 상기 외부 몸체의 내부에 상기 리드 스크류와 기어 결합되도록 나사산이 형성되는 내부 몸체; 및 상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체를 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
상기 연결부는 상기 본체 가이드부에 형성되는 안내 슬롯에 삽입될 수 있다.
상기 상부 브라켓은 네 개의 외측면을 갖는 상부 몸체; 상기 상부 몸체의 중앙에 형성되고 상기 리드 스크류가 회전 가능하게 지지하는 상부 지지부; 상기 네 개의 외측면으로부터 상기 상부 몸체의 상부를 향하여 형성되고, 상기 박판 스프링이 관통하여 삽입되는 상부 슬롯;을 포함할 수 있다.
상기 파지부에 의해 상기 이동 브라켓에 일단이 고정되는 상기 박판 스프링의 최대 이동 거리가 제한될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 엔드 이펙터에 의하면, 섬유 소재로 형성된 부드러운 재질의 파지부에 의해 과수를 파지함으로써, 과수를 수확할 때 과수의 표면에 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 판 스프링으로 형성되는 박판 스프링이 과수를 감싸도록 파지함으로써, 과수의 외피가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의한 로봇의 엔드 이펙터는 과수를 수확할 때뿐만 아니라, 과수를 보관하거나 이동하는데도 사용이 가능하다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 본체를 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 상부 브라켓을 도시한 사시도이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 이동 브라켓을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 박판 스프링을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 엔드 이펙터에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 엔드 이펙터를 도시한 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 엔드 이펙터를 도시한 측면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 엔드 이펙터는 본체(100), 상부 브라켓, 박판 스프링(400), 섬유 소재의 파지부(500), 및 이동 브라켓(300)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 본체(100)를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 본체(100)에는 상부 브라켓이 고정 결합되고, 본체(100)는 대략 사각 기둥 모양으로 형성된다.
구체적으로, 본체(100)는 본체 수용부(110), 본체 수용부(110)에서 연장되는 본체 가이드부(120)를 포함할 수 있다.
본체 수용부(110)는 대략 사각 기둥 모양으로 형성되고, 그 내부에는 구동부가 수용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 구동부는 전력에 의해 동력을 발생시키는 모터일 수 있다. 그러나 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
본체 가이드부(120)는 본체 수용부(110)로부터 연장되고, 그 내부에는 구동부의 구동축과 연결되는 리드 스크류가 수용될 수 있다. 본체 가이드부(120)는 그 내부가 빈 대략 사각 기둥 모양으로 형성되고, 서로 마주보는 면에는 본체 가이드부(120)의 길이 방향으로 안내 슬롯(121)이 각각 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 상부 브라켓을 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상부 브라켓은 본체 가이드부(120)의 상부에 볼트를 통해 결합될 수 있다.
구체적으로, 상부 브라켓은 네 개의 외측면을 갖는 상부 몸체(210), 상부 몸체(210)의 중앙에 형성되는 상부 지지부(220), 및 상부 몸체(210)의 네 개의 외측면에 형성되는 상부 슬롯(230)을 포함할 수 있다.
상부 몸체(210)는 네 개의 외측면을 갖도록 대략 육면체 모양으로 형성될 수 있다. 그리고 상부 몸체(210)의 중앙에 형성되는 상부 지지부(220)는 본체 가이드부(120)에 수용되는 리드 스크류가 회전가능하게 지지되는 부분이다.
상부 슬롯(230)은 상부 몸체(210)의 네 개의 외측면으로부터 상부 몸체(210)의 상부를 향하여 관통되고, 박판 스프링(400)은 상부 슬롯(230)을 관통하여 이동 가능하게 삽입된다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 이동 브라켓(300)을 도시한 사시도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이동 브라켓(300)은 본체 가이드부(120)에 슬라이드 이동 가능하게 결합된다.
구체적으로, 이동 브라켓(300)은 외부 몸체(310), 외부 몸체(310)의 내부에 형성되는 내부 몸체(320), 및 외부 몸체(310)와 내부 몸체(320)를 연결하는 연결부(330)를 포함할 수 있다.
외부 몸체(310)는 대략 육면체로 형성되고, 본체 가이드부(120)가 삽입되도록 본체 가이드부(120)의 단면과 대응하는 모양의 한 쌍의 가이드 홀(340)이 형성된다. 여기서, 각각의 가이드 홀(340)은 대략 'ㄷ'자 모양으로 형성될 수 있다.
내부 몸체(320)는 본체 가이드부(120)의 내부에 수용되는 리드 스크류와 기어 결합되도록 나사산(321)이 형성될 수 있다.
연결부(330)는 외부 몸체(310)와 내부 몸체(320)를 연결하고, 본체 가이드부(120)에 형성되는 안내 슬롯(121)에 삽입되어, 이동 브라켓(300)이 본체 가이드부(120)를 따라 이동 가능하게 구비될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 박판 스프링(400)을 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 박판 스프링(400)은 일종의 그리퍼(gripper)로서 기능하고, 파지부(500)와 협력하여 과수를 파지하는 역할을 수행하고, 일단은 이동 브라켓(300)에 고정 결합되고, 타단은 상부 브라켓을 관통하여 결합될 수 있다.
이를 위해, 박판 스프링(400)은 금속 플레이트와 같은 탄성 재질로 형성되고, 스프링 몸체부(410), 스프링 몸체부(410)의 일단에서 대략 수직하게 절곡되는 스프링 결합부(420), 및 스프링 몸체부(410)의 타단에서 일정 경사지도록 연장되는 스프링 그리퍼부(430)를 포함할 수 있다.
스프링 결합부(420)는 이동 브라켓(300)에 고정 결합되는데, 용접 또는 볼트를 통해 이동 브라켓(300)에 고정되어 결합될 수 있다. 그리고 스프링 그리퍼부(430)는 상부 브라켓의 상부 몸체(210) 측면에 형성되는 상부 슬롯(230)을 관통하여 상부 브라켓에 결합될 수 있다.
파지부(500)는 섬유 소재(fabric)와 같은 부드러운 재질로 제작되고 그 일단은 박판 스프링(400)의 스프링 그리퍼부(430)의 단부에 결합되고, 타단은 고정 브라켓(200)의 상부에 결합된다. 파지부(500)와 박판 스프링(400)이 협력하여 과수를 파지함으로써, 토마토와 같이 외피가 연약하고 미끄러운 과수의 경우에도 과수의 표면이 손상되지 않도록 과수를 파지할 수 있게 된다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 그리퍼의 동작에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇의 엔드 이펙터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 구동부에 전력이 공급되어 구동부가 동작하게 되면 구동부의 구동축이 회전하고, 구동축과 연결된 리드 스크류가 함께 회전하게 된다.
리드 스크류가 회전함에 따라 리드 스크류와 기어 결합되는 이동 브라켓(300)이 하부에서 상부로 이동하고, 이동 브라켓(300)에 고정 결합되는 박판 스프링(400)이 상부로 함께 이동한다.
박판 스프링(400)이 상부로 이동하면 박판 스프링(400)의 스프링 그리퍼부(430)가 상부 브라켓의 상부 슬롯(230)을 따라 이동하면서 점차로 상부 브라켓의 중앙으로부터 반경 방향 외측으로 밀려 올라간다.
이동 브라켓(300)이 계속해서 본체 가이드부(120)를 따라 이동하면, 박판 스프링(400)의 스프링 그리퍼의 단부에 결합된 파지부(500)에 의해 스프링 그리퍼부(430)의 단부가 상부 브라켓의 중앙을 향하여 휘게 된다. 즉, 파지부(500)에 의해 박판 스프링(400)의 최대 이동 거리가 제한된다.
이때, 네 개의 박판 스프링(400)의 스프링 그리퍼부(430)의 단부가 각각 상부 브라켓의 중앙을 향하여 휘게 되면(다르게 표현하며, 스프링 그리퍼부(430)의 단부가 상부 브라켓의 중앙을 향하여 오므라들면), 과수를 자연스럽게 파지할 수 있게 된다.
그리고 파지부(500)가 섬유 소재로 제작되기 때문에, 박판 스프링(400)이 중앙을 향하여 휘면서 과수를 파지할 때 과수의 표면에 손상을 주지 않고 과수를 수확할 수 있게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 본체
110: 본체 수용부
120: 본체 가이드부
121: 안내 슬롯
200: 고정 브라켓
210: 상부 몸체
220: 상부 지지부
230: 상부 슬롯
300: 이동 브라켓
310: 외부 몸체
320: 내부 몸체
321: 나사산
330: 연결부
340: 가이드 홀
400: 박판 스프링
410: 스프링 몸체부
420: 스프링 결합부
430: 스프링 그리퍼부
500: 파지부

Claims (11)

  1. 본체;
    상기 본체의 상부에 고정 결합되는 상부 브라켓;
    상기 본체에 슬라이드 이동가능하게 결합되는 이동 브라켓;
    일단은 상기 이동 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 상부 브라켓을 관통하여 결합되는 복수의 박판 스프링; 및
    일단은 상기 상부 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 박판 스프링의 단부에 고정 결합되는 섬유 소재의 파지부;
    를 포함하는 로봇의 엔드 이펙터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박판 스프링은 네 개가 구비되고, 상기 본체를 중심으로 원주 방향으로 배치되는 배치되는 로봇의 엔드 이펙터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박판 스프링의 타단은 상기 상부 브라켓에 형성되는 슬롯을 관통하여 장착되는 로봇의 엔드 이펙터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파지부에 의해 상기 이동 브라켓에 일단이 고정되는 상기 박판 스프링의 최대 이동 거리가 제한되는 로봇의 엔드 이펙터.
  5. 구동부가 수용되는 본체 수용부, 및 상기 본체 수용부에서 연장되고 상기 구동부의 구동축과 연결되는 리드 스크류가 수용되는 본체 가이드부를 포함하는 본체;
    상기 본체의 상부에 고정 결합되는 상부 브라켓;
    상기 본체 가이드부에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 이동 브라켓;
    일단은 상기 이동 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 상부 브라켓을 관통하여 이동가능하게 결합되는 복수의 박판 스프링; 및
    일단은 상기 상부 브라켓에 고정 결합되고, 타단은 상기 박판 스프링의 단부에 고정 결합되는 섬유 소재의 파지부;
    를 포함하는 로봇의 엔드 이펙터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 본체 수용부에는 구동 모터가 수용되고,
    상기 본체 가이드부에는 상기 구동 모터의 구동축과 연결되는 리드 스크류가 수용되며,
    상기 이동 브라켓은 상기 리드 스크류에 연결되어,
    상기 구동 모터의 동작에 의해 상기 이동 브라켓이 상기 본체 가이드부를 따라 이동하는 로봇의 엔드 이펙터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 본체 가이드부는 내부가 빈 사각 기둥 모양으로 형성되고, 서로 마주 보는 면에는 길이 방향으로 안내 슬롯이 각각 형성되는 로봇의 엔드 이펙터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이동 브라켓은
    상기 본체 가이드부가 삽입되도록 상기 본체 가이드부의 단면과 대응하는 모양의 가이드 홀이 형성되는 외부 몸체;
    상기 외부 몸체의 내부에 상기 리드 스크류와 기어 결합되도록 나사산이 형성되는 내부 몸체; 및
    상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체를 연결하는 연결부;
    를 포함하는 로봇의 엔드 이펙터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 본체 가이드부에 형성되는 안내 슬롯에 삽입되는 로봇의 엔드 이펙터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 상부 브라켓은
    네 개의 외측면을 갖는 상부 몸체;
    상기 상부 몸체의 중앙에 형성되고 상기 리드 스크류가 회전 가능하게 지지하는 상부 지지부;
    상기 네 개의 외측면으로부터 상기 상부 몸체의 상부를 향하여 형성되고, 상기 박판 스프링이 관통하여 삽입되는 상부 슬롯;
    을 포함하는 로봇의 엔드 이펙터.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 파지부에 의해 상기 이동 브라켓에 일단이 고정되는 상기 박판 스프링의 최대 이동 거리가 제한되는 로봇의 엔드 이펙터.
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