KR102642313B1 - 수확 로봇 학습용 영상 취득 장치 - Google Patents

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이대현
최정웅
강승우
조수현
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 작물의 다양한 영상 데이터를 확보하고, 다양한 영상 데이터에 기초한 작업기(수확 그리퍼)의 성능을 평가할 수 있는, 수확 로봇 학습용 영상 취득 장치에 관한 것으로, 작물의 상태를 촬영하여 그 영상을 수집하는 영상 수집부(100); 촬영 대상인 작물을 고정하는 작물 고정부(200); 상기 작물 고정부(200)를 이동시키는 이동부(300); 상기 영상 수집부(100) 및 이동부(300)를 제어하는 제어부(400)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.

Description

수확 로봇 학습용 영상 취득 장치{IMAGE COLLECTION DEVICE FOR LEARNING HARVESTER ROBOT}
본 발명은 작물의 다양한 영상 데이터를 확보하고, 다양한 영상 데이터에 기초한 작업기(수확 그리퍼)의 성능을 평가할 수 있는, 수확 로봇 학습용 영상 취득 장치에 관한 것이다.
작물의 생장을 모니터링 하는 선행기술로, 공개특허공보 제10-2019-0084419호(2019. 07. 16, 공개)에는, 식물을 촬영하여 스테레오 영상정보 및 초분광 영상정보를 생성하는 촬영부; 상기 촬영부를 지지하고, 상기 촬영부를 이동 및 회전시키는 지지대; 및 상기 스테레오 영상정보 이용하여 3차원 영상정보를 생성하고, 상기 생성된 3차원 영상정보 및 상기 초분광 영상정보를 이용하여 상기 식물의 생장을 모니터링하며, 상기 모니터링된 결과를 이용하여 상기 지지대의 크기를 가변하여 상기 촬영부의 촬영환경을 보정하는 제어부;를 포함하는 식물 생장 모니터링 장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
또한, 공개특허공보 제10-2023-0015236호(2023. 01. 31. 공개)에는, 각 작물의 위치와 형상 정보를 취득하는 제1 카메라부; 상기 작물의 분광 이미지를 취득하고 상기 분광 이미지로부터 상기 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 확인하는 제2 카메라부; 상기 작물의 열화상 이미지를 취득하고 상기 열화상 이미지로부터 상기 작물의 품질을 확인하는 제3 카메라부; 및 상기 제1,2,3 카메라부를 제어하고 상기 제1,2,3 카메라부로부터 취득된 영상 정보를 전송하는 임베디드부를 포함하는 작물 자동 영상 취득 시스템에 관한 기술이 개시되어 있다.
또한, 등록특허공보 제10-2337873호(2021. 12. 09. 공고)에는, 파이프 레일에 설치되어 설정된 시스템에 따라 지그재그의 파이프 레일을 따라 구동되는데, 지정된 구간에서 일시 정지되었다 작동하는 구동부와; 상기 구동부의 일측에 설치되어 카메라부의 위치를 조절하는 조절부와; 상기 조절부의 끝단부에 설치되고, 첫 구동부의 이동에 따라 작물의 상태를 동영상으로 촬영하여 작물의 병징(病徵) 구간을 마킹하며, 그 다음 구동부의 이동시, 상기 마킹한 구간 마다 구동부가 정지되면 그 구간의 작물을 촬영하는 카메라부와; 상기 카메라부의 일측에 설치되어 카메라부의 촬영시, 작물의 겉잎을 펼쳐주어 작물의 속잎을 촬영할 수 있도록 보조해주는 속잎 폴딩장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 빅데이터 수집을 위한 레일 이용형 작물 생육 측정장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
또한 등록특허공보 제10-2485816호(2023. 01. 09. 공고)에는, 수집한 작물 이미지에서 획득한 비트맵 이미지와 심도 이미지의 프레임을 일치시킨 RGB 심도 맵(RGB-Depth Map)을 생성하고, RGB 심도 맵을 통해 비트맵 이미지와 심도 이미지의 화각을 보정하여 작물 생육 상태를 파악하는 작물 생육 분석 시스템에 관한 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 공개특허공보 제10-2019-0084419호(2019. 07. 16, 공개) 특허문헌 2 : 공개특허공보 제10-2023-0015236호(2023. 01. 31. 공개) 특허문헌 3 : 등록특허공보 제10-2337873호(2021. 12. 09. 공고) 특허문헌 4 : 등록특허공보 제10-2485816호(2023. 01. 09. 공고)
수확 로봇은 대상 작물을 자동으로 인식한 후, 공간 정보를 기반으로 매니퓰레이터로 접근하고 엔드 이펙터로 수확하는 프로세스가 일반적이다.
작물의 수확과 인식은, RGBD 등 영상 센서를 통해 입력된 영상 내 객체를 검출하는 방식이 최근 주로 이용되며, 주로 데이터 학습을 통해 모델을 개발하여 높은 일반화성을 확보하고 있다.
이와 같이, 학습을 통한 모델의 높은 일반화성 확보를 위해서는 대상 작물의 다양한 형상, 자세, 위치 등이 포함된 영상 확보가 필요하며, 작물 생육에 의존된 수동적인 영상 취득만으로는 이러한 데이터 다양성 확보에 한계가 있다.
수확 로봇 개발 시 일반적으로 영상에 비춰진 작물(과일)을 검출하고, 그 작물(과일)을 향해 로봇 팔을 제어하며, 가까워진 후 수확(그립, 커팅 등) 작업을 수행한다.
이 과정에서 작물과의 상대 위치가 계속 변하는데, 상대 위치에 따라 작물이 다양한 관점에서 촬영된다.
본 발명은, 영상-작물(과일)의 다양한 기하학적 관계를 시뮬레이션할 수 있는 영상 수집 장치를 개발하고, 자동적으로 다양한 영상 데이터를 수집하여, 작업기(수확 그리퍼)의 성능을 평가하고자 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하고자 하는 것으로, [1] 작물의 상태를 촬영하여 그 영상을 수집하는 영상 수집부(100); 촬영 대상인 작물을 고정하는 작물 고정부(200); 상기 작물 고정부(200)를 이동시키는 이동부(300); 상기 영상 수집부(100) 및 이동부(300)를 제어하는 제어부(400)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 [2] 상기 [1]에 있어서, 상기 영상 수집부(100)는, 전방 지지대(1)에 설치되는 카메라(110)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 [3] 상기 [1]에 있어서, 상기 작물 고정부(200)는, 작물 고정부 지지대(210)와, 상기 작물 고정부 지지대(210) 상부에서 작물을 고정하는 그리퍼(220) 및 그리퍼(220)의 전면에 설치되는 배경 화면(230)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 [4] 상기 [1]에 있어서, 상기 이동부(300)는, 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 가지며, 상기 전후 이동 조절 모터(310)의 구동에 의하여, 밑면 지지대(2)에 설치되는 전후 이동 조절 가이드(311)를 따라, 좌우 이동 조절 가이드(321)를 전후 이동시키며, 상기 좌우 이동 조절 모터(320)의 구동에 의하여, 전후 이동 조절 가이드(311)에 설치되는 좌우 이동 조절 가이드(321)를 따라, 작물 고정부 지지대(210)를 좌우 이동시키며, 상기 상하 이동 조절 모터(330)의 구동에 의하여, 좌우 조절 지지대(321)에 설치되는 상하 이동 조절 가이드(331)를 따라, 그리퍼(220)를 상하 이동시키는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 [5] 상기 [1]에 있어서, 상기 제어부(400)는, 전방 지지대(1)에 설치되어, 상기 영상 취득부(100)에서 취득된 영상을 저장하는 싱글보드(410)와, 상기 싱글보드(410)에서 보내주는 입력 신호에 따라 이동부(300)의 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 제어하는 모터 제어부(미도시)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 것으로, 영상-작물(과일)의 다양한 기하학적 관계를 시뮬레이션할 수 있는 영상 수집이 가능하여, 자동적으로 다양한 영상 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 본 발명은, 고정된 작물을 3축으로 이동 가능하게 한 상태에서, 영상 수집부를 통해 다각적으로 촬영하고 이를 영상 데이터로 저장할 수 있어, 학습 모델 개발에 효과적으로 DB를 구축할 수 있다.
또한, 본 발명은, 영상 수집부에 의해 검출된 작물의 위치를 기반으로 작물로 접근하는 알고리즘(비주얼 서보잉) 기술의 평가가 가능하다.
도 1은 본 발명의 개념도
도 2는 본 발명의 배경 화면이 설치된 상태의 개념도
도 3은 본 발명의 배경 화면이 제거된 상태의 개념도
도 4는 본 발명의 영상 수집시의 작용 흐름도
도 5는 본 발명의 수확 작업 평가시의 작용 흐름도
본 발명은, 작물의 상태를 촬영하여 그 영상을 수집하는 영상 수집부(100); 촬영 대상인 작물을 고정하는 작물 고정부(200); 상기 작물 고정부(200)를 이동시키는 이동부(300); 상기 영상 수집부(100) 및 이동부(300)를 제어하는 제어부(400)로 이루어지는 것이므로, 아래에서는 도면을 살펴보면서, 본 발명의 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 영상 수집부(100)는, 도 1 내지 도 3에 나타나 있는 것과 같이, 작물의 영상을 수집하기 위한 것이다.
상기 영상 수집부(100)는, 작물의 영상을 수집하는 장치로, 전방 지지대(1)에 설치되는 카메라(110)를 가지며. 또한, 상기 카메라(110)는 상기 전방 지지대(1)에 고정 설치되어, 아래에서 설명하는 작물 그리퍼(220)에 고정된 작물의 영상을 촬영하게 된다.
상기 영상 수집은, HILS(Hyperspectral Imaging in the Visible and Near-Infrared) 방법을 이용하는 것으로, 가시광선 및 근적외선에서의 초분광 이미징 등을 이용하여, 작물의 내부 구성 요소에 대한 정보를 제공하는 비파괴 검사 방법으로 이루어질 수 있다.
이때 상기 수집되는 영상은, 작물의 표면에서 발생하는 반사광 스펙트럼을 측정하여, 각 파장별 반사도 정보를 수집하는 것에 의하여, 작물의 내부 구성 요소를 예측하는 방법으로 진행될 수 있다.
또한, 상기 작물의 내부 구성 요소를 예측하기 위해서는 머신러닝 알고리즘을 활용하여 데이터를 분석하고, 결과를 시각화하는 과정을 가질 수 있다.
그리고, 상기 분석 결과를 해석하여, 작물의 성숙도를 측정하여 수확 시기를 예측할 수 있다.
본 발명의 작물 고정부(200)는, 도 1 내지 도 3에 나타나 있는 것과 같이, 작물을 고정하기 위한 것이다.
상기 작물 고정부(200)는, 도 1에 나탄나 있는 것과 같이, 작물 고정부 지지대(210)와 상기 작물 고정부 지지대(210) 상부에서, 상하로 이동하면서 작물을 고정하는 작물 그리퍼(220)로 이루어진다.
또한, 상기 작물 그리퍼(220)는, 아래에서 설명하는 상하 이동 조절 가이드(331)에서 가이드되며, 상하로 이동 가능하게 지지된다.
또한, 상기 작물 그리퍼(220)의 전면에는, 상기 카메라(110)가 작물을 촬영하는 경우에 정확한 영상을 취득할 수 있도록 배경 화면(230)을 더 설치할 수 있다.
또한 상기 배경 화면(230)은, 도 2 및 도 3에 나타나 있는 것과 같이, 그리퍼 설치공(231)을 설치하여, 상기 그리퍼(220)가 작물을 고정할 수 있도록 한다. 이때 상기 배경 화면(230)은, 그리퍼(220)가 상하 이동함에 따라 함께 이동 가능하게, 그리퍼(220)에 고정 설치하는 것이 바람직하다.
상기 배경 화면(230)은, 작물의 색상에 대응되도록 다양한 색상으로 변경시키면서 작물을 촬영할 수 있도록 하여, 다양한 배경에 따른 영상 취득이 가능하도록 한다. 바람직하게는 상기 배경 화면(230)은 다양한 색상을 디스플레이 할 수 있는 디스플레이 화면으로 할 수 있다.
본 발명의 이동부(300)는, 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 가진다.
상기 전후 이동 조절 모터(310)의 구동에 의하여, 밑면 지지대(2)에 설치되는 전후 이동 조절 가이드(311)를 따라 좌우 이동 조절 가이드(321)를 전후 이동시킬게 된다.
또한, 상기 좌우 이동 조절 모터(320)의 구동에 의하여, 전후 이동 조절 가이드(311)에 설치되는 좌우 이동 조절 가이드(321)를 따라 작물 고정부 지지대(210)를 좌우 이동시키게 된다.
또한, 상기 상하 이동 조절 모터(330)의 구동에 의하여, 좌우 조절 지지대(321)에 설치되는 상하 이동 조절 가이드(331)를 따라 그리퍼(210)를 상하 이동시키게 된다.
본 발명의 제어부(400)는, 도 1 내지 도 3에 나타나 있는 것과 같이, 전방 지지대(1)에 설치되어, 상기 영상 취득부(100)에서 취득된 영상을 저장하는 싱글보드(410)와, 상기 싱글보드(410)에서 보내주는 입력 신호에 따라 이동부(300)의 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 제어하는 모터 제어부(미도시)로 이루어지며, 이때 상기 모터 제어부(미도시)의 모터 제어부 브라켓(420)에 고정된다.
또한, 본 발명은, 도 1 내지 도 3에 나타나 있는 것과 같이, 상기 전방 지지대(1)의 일측에는 수확 그리퍼(500)를 더 가질 수 있다.
상기 수확 그리퍼(500)는, 본 발명의 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치에서 수집되는 영상에 대응되는 수확 로봇의 수확 능력 및 성능을 평가하기 위한 것이다.
상기 수확 그리퍼(500)는, 상기 전방 지지대(1)의 일측에 설치하는 것으로, 바람직하게는 상기 카메라(110)의 전방에 설치한다.
본 발명의 카메라(110)에서 수집된 영상으로 비주얼 서보잉(현재 영상에서의 작물 위치에 따라 작물로 접근해가는 제어)을 수행하면, 작물의 중심점에 영상의 중심이, 접근함에 따라 작물의 비중은 영상에서 크게 된다.
이러한 과정에서 작물이 일정 크기, 일정 위치에 도달하면, 작물의 줄기가 수확 그리퍼(500)의 암 내에 위치한다고 가정하고, 수확 그리퍼(500)로 작물을 잡고 커팅을 수행하는 것으로 설정한다. 이 과정에서 작물의 줄기를 제대로 그립하고 커팅을 하였는지 여부, 즉, 수확 그리퍼(500)가 적절하게 수확하였는지 여부의 성능을 평가할 수 있다.
아래에서는, 도 4 및 도 5를 살펴보면서, 본 발명의 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치의 작용에 대해서 설명한다.
먼저, 본 발명의 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치를 통하여 영상을 수집하는 방법에 대해서 살펴본다.
본 발명에서 영상을 수집하기 위해서는, 먼저 상기 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 초기화한다.
다음으로 제어기(400)에서 영상 수집을 위한 명령을 하게 된다. 상기 제어기(400)의 명력에 의하여 상기 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)들이 구동되고, 상기 제어기(400)의 명령에 따른 목표 위치로 상기 그리퍼(220)에 고정된 작물이 위치하면, 상기 모터들(310, 320, 330)의 구동을 정지시키고, 영상을 수집하게 된다.
다음으로, 본 발명의 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치를 통하여 수확 작업의 성능 평가를 하는 방법에 대해서 살펴본다.
본 발명에서 수확 작업의 성능 평가를 위해서도, 먼저 상기 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 초기화한다.
다음으로 제어기(400)에 의하여, 목표 위치로 상기 그리퍼(220)에 고정된 작물이 위치하면, 상기 모터들(310, 320, 330)의 구동을 정지시킨다.
다음으로, 수확 그리퍼(500)를 개방하고, 그립이 가능한 상태로 판단되면, 그립을 완료하는 것으로 수확 작업을 평가한다.
또한, 수확 그리퍼(500)를 개방한 상태에서 그립이 불가능하면, 다시 상기 모터들(310, 320, 330)을 제어하여, 수확 그리퍼(500)가 작물을 수확 가능하도록 한다.
상기와 같이 반복하는 것에 의하여 수확 작업을 평가하게 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 전방 지지대
2 : 밑면 지지대
100 : 영상 수집부
110 : 카메라
200 : 작물 고정부
210 : 작물 고정부 지지대
220 : 작물 그리퍼
230 : 배경 화면
231 : 그리퍼 설치공
300 : 고정 장치 이동부
310 : 전후 이동 모터
311 : 전후 이동 조절 가이드
320 : 좌우 이동 모터
321 : 좌우 이동 조절 가이드
330 : 상하 이동 모터
331 : 상하 이동 조절 가이드
400 : 제어부
410 : 싱글 보드
420 : 모터 제어부 브라켓
500 : 수확 그리퍼

Claims (5)

  1. 작물의 상태를 촬영하여 그 영상을 수집하는 영상 수집부(100);
    촬영 대상인 작물을 고정하는 작물 고정부(200);
    상기 작물 고정부(200)를 이동시키는 이동부(300);
    상기 영상 수집부(100) 및 이동부(300)를 제어하는 제어부(400)로 이루어지며,
    상기 영상 수집부(100)는,
    전방 지지대(1)에 설치되는 카메라(110)로 이루어지고,
    상기 작물 고정부(200)는,
    작물 고정부 지지대(210)와,
    상기 작물 고정부 지지대(210) 상부에서 작물을 고정하는 작물 그리퍼(220) 및
    작물 그리퍼(220)의 전면에 설치되는 배경 화면(230)으로 이루어지고,
    상기 이동부(300)는,
    전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 가지며,
    상기 전후 이동 조절 모터(310)의 구동에 의하여, 밑면 지지대(2)에 설치되는 전후 이동 조절 가이드(311)를 따라, 좌우 이동 조절 가이드(321)를 전후 이동시키며,
    상기 좌우 이동 조절 모터(320)의 구동에 의하여, 전후 이동 조절 가이드(311)에 설치되는 좌우 이동 조절 가이드(321)를 따라, 작물 고정부 지지대(210)를 좌우 이동시키며,
    상기 상하 이동 조절 모터(330)의 구동에 의하여, 좌우 조절 지지대(321)에 설치되는 상하 이동 조절 가이드(331)를 따라, 그리퍼(220)를 상하 이동시키며,
    상기 영상 수집부(100)에서의 영상 수집은, HILS(Hyperspectral Imaging in the Visible and Near-Infrared) 방법을 이용하는 것으로, 가시광선 및 근적외선에서의 초분광 이미징을 이용하여, 작물의 내부 구성 요소에 대한 정보를 수집하고,
    상기 배경 화면(230)은 다양한 색상을 디스플레이 할 수 있는 디스플레이 화면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    수확 로봇 학습용 영상 수집 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(400)는,
    전방 지지대(1)에 설치되어, 상기 영상 수집부(100)에서 수집된 영상을 저장하는 싱글보드(410)와,
    상기 싱글보드(410)에서 보내주는 입력 신호에 따라 이동부(300)의 전후 이동 조절 모터(310), 좌우 이동 조절 모터(320), 상하 이동 조절 모터(330)를 제어하는 모터 제어부(미도시)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 수확 로봇 학습용 영상 수집 장치.









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