KR20240071119A - 농업용 자율주행장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온실과 같은 시설하우스는 물론 노지에서의 방제, 이송, 수확, 생육모니터링 등을 위하여 사용되는 자율주행장치에 관한 것으로, 상세히는 회전반경의 최소화를 위해 전,후륜의 동시 조향이 이루어질 수 있도록 함으로써 시설물이 많은 온실 내부에서의 원활한 자율주행이 가능하도록 한 것으로, 전,후륜의 좌우 4바퀴(W1,W2,W3,W4)가 각각 보디 프레임(F)에 너클(K1,K2,K3,K4)로 회동가능하게 설치되고, 상기 너클(K1,K2,K3,K4)에는 각각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 일단이 핀 결합되며, 상기 각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 타단은 보디 프레임(F)의 전,후방에 회동가능하게 고정된 2개의 센터 링크(L1,L2)에 각각 핀 결합되고, 상기 2개의 센터 링크(L1,L2)는 조향용 서보모터(Ms)에 축 결합된 크랭크(C1,C2)에 각각 아암(A1,A2)으로 연결되어 조향용 서보모터(Ms)가 회전하는 것에 의해 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)이 동시에 조향되도록 되어 있다.

Description

농업용 자율주행장치{Autonomous driving unit for agriculture}
본 발명은 온실과 같은 시설하우스는 물론 노지에서의 방제, 이송, 수확, 생육모니터링 등을 위하여 사용되는 자율주행장치에 관한 것으로, 상세히는 회전반경의 최소화를 위해 전,후륜의 동시 조향이 이루어질 수 있도록 함으로써 시설물이 많은 온실 내부나 주행 환경이 복잡한 노지에서의 원활한 자율주행이 가능하도록 한 것이다.
국내 농업분야는 크게 노지와 시설 농장으로 나뉘어지며, 농업용 로봇 기술은 다양한 분야에서 자동화 및 무인화에 대한 연구가 진행되고 있는데, 노지에서 사용되는 트랙터나 이앙기와 같은 장비에 자동화 솔루션을 장착하여 자율주행을 수행하는 기술은 이미 상용화 제품이 출시되고 있다.
한편, 시설 농장의 경우는 방제, 이송, 수확, 생육모니터링과 같은 분야에서 다양한 센서를 활용한 제품들이 연구수준으로는 활발히 이루어지고 있으나, 아직 상품화나 보급면에서는 미흡한 실정이다. 특히, 이송형 로봇 플랫폼은 물류창고나 자동차 공장 등 대규모 사업장에서 주로 활용되고 있으며, 시설농장에서의 이송로봇은 높은 시설 투자비용 및 효율성 문제로 현재까지 사용되고 있지는 않지만 점차 수요가 있을 것으로 예상된다.
또, 농업분야에서 사용되는 운반 또는 이송용 로봇은 대체로 농장에서 작물 수확시 수확된 작물을 비롯하여 작물의 제거나 퇴비 등의 운반행위에 인력이 투입되던 것을 대체하기 위한 것으로, 이러한 농업용 이송로봇은 기존의 행거 레일이나 대차 등 인력으로 이송하던 방식에서 작업자의 노동력 부담과 작업자의 피로도를 감소시키기 위한 것이다.
한편, 이러한 시설하우스 및 노지에서의 방제, 이송, 수확, 생육모니터링 등을 위하여 사용되는 운반 또는 이송용 로봇은 통상 전,후륜 구동에 의한 4바퀴 구동방식을 사용하고 있으며, GPS를 이용한 자율주행방식 또는 원격제어를 통해 운용되고 있는데, 시설 내부에서의 복잡한 환경에서 원활한 조향 및 방향전환을 위해서는 회전반경을 최소화하여야 하는바, 각각의 바퀴를 독립적으로 조향하는 방식은 각각의 바퀴에 조향을 위한 서보모터를 구비하여야 하므로 이를 구현하는데 상당한 비용이 소요되는 문제점이 있으므로 하나의 서보모터를 이용하여 전,후륜을 동시에 조향할 수 있는 방식이 절실히 필요한 상황이다.
특허문헌 1에는 바퀴의 방향 전환 없이 전방향 자율주행이 가능한 중량물 이송장치가 개시되어 있으나, 이는 전후륜 각각의 휠에 구동모터가 구비되고, 휠 자체가 외면을 따로 복수의 로울러가 정해진 각도로 경사지게 설치된 특수한 구조로 이루어져 있어 이를 실제로 구현하는데 기술적으로 어려움이 있을 뿐만 아니라 바퀴의 롤러 사이에 흙과 같은 이물질이 끼일 경우 정상적인 동작이 불가능해지게 되는 상황이 발생할 우려가 높다.
특허문헌 2에는 측면 주행 및 제자리 회전이 가능한 주행장치가 개시되어 있으나, 이는 상술한 바와 같이 각각의 휠에 구동모터가 구비되어야 하고, 제1,2,3,4바퀴의 각도를 조절하기 위한 제1,2운동변환수단 등이 구비되어야 하므로 구동부에 4개의 모터가 구비되어야 함은 물론 각각의 바퀴 각도를 조절하기 위한 메커니즘이 지나치게 복잡하여 실제 구현이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-2041723호(2019.10.31. 등록) 한국공개특허 제10-2003-0013016호(2003.02.14. 공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 서모모터에 의해 전,후륜의 동시 조향이 이루어질 수 있도록 함으로써 작물을 위한 각종 시설물이 복잡하게 배치된 온실 내부는 물론 노지에서 최소 회전반경을 갖도록 하여 원활한 자율주행이 가능한 농업용 자율주행장치를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전,후륜의 좌우 4바퀴가 각각 보디 프레임에 너클로 회동가능하게 설치되고, 상기 너클에는 각각 타이로드의 일단이 핀결합되며, 상기 각 타이로드의 타단은 보디 프레임의 전,후방에 회동가능하게 고정된 2개의 센터 링크에 각각 핀결합되고, 상기 2개의 센터 링크는 각각 조향용 서보모터에 축 결합된 레버에 아암으로 연결되어 조향용 서보모터가 회전하는 것에 의해 전륜과 후륜이 동시에 조향되도록 한 농업용 자율주행장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 의하면 시설 하우스 내부는 물론 노지에서의 자율주행 또는 원격제어에 의한 주행시 전,후륜이 동시에 역위상 방식으로 조향이 이루어지게 됨으로써 회전반경의 최소화가 가능하여 협소한 장소에서도 원활한 방향전환 및 주행이 가능하게 되는 이점이 있으며, 하나의 구동모터를 이용하여 전,후륜 4바퀴의 구동이 가능함은 물론, 하나의 서보모터를 이용하여 전,후륜을 동시에 조향할 수 있어 저렴한 비용으로 최소 회전반경을 갖는 조향 메커니즘을 구현할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 농업용 자율주행장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 자율주행장치의 배면 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 자율주행장치의 저면 사시도,
도 4는 본 발명에 의한 자율주행장치의 구동 및 조향메커니즘을 보인 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 구동 및 조향메커니즘을 보인 저면 사시도,
도 6은 직진 조향시의 상태를 보인 평면도,
도 7은 우회전시의 상태를 보인 평면도,
도 8은 좌회전시의 상태를 보인 평면도이다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
본 실시 예에서는 자율주행장치가 방제용으로 적용된 예를 보여주고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 자재의 이송, 작물의 수확, 작물의 생육상태 모니터링 등을 위한 용도로 호환할 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 방제용으로 제작된 농업용 자율주행장치(1)가 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 구동부 및 조향메커니즘이 도시되어 있으며, 도 6 내지 도 8에는 각기 다른 조향상태를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이 본 실시 예에 의한 자율주행장치(1)는 보디 프레임(F)의 상부에 약제 탱크(T)가 안치되고, 보디 프레임(F)의 후방 또는 전방에 방제 노즐(N)이 설치되어 온실 내부는 물론 노지에서 작물 사이의 통로를 통해서 주행하면서 엽면 살포 등의 방제작업을 수행하도록 되어 있다.
본 실시 예에 의한 자율주행장치(1)는 전,후륜의 좌우 4바퀴(W1,W2,W3,W4)가 각각 보디 프레임(F)에 너클(K1,K2,K3,K4)로 회동가능하게 설치되고, 상기 너클(K1,K2,K3,K4)에는 각각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 일단이 핀 결합되며, 상기 각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 타단은 보디 프레임(F)의 전,후방에 회동가능하게 고정된 2개의 센터 링크(L1,L2)에 각각 핀 결합되고, 상기 2개의 센터 링크(L1,L2)는 조향용 서보모터(Ms)에 축 결합된 크랭크(C1,C2)에 각각 아암(A1,A2)으로 연결되어 조향용 서보모터(Ms)가 회전하는 것에 의해 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)이 동시에 조향되도록 되어 있다.
상기 전륜용 센터 링크(L1)와 후륜용 센터 링크(L2)는 도 6에 도시된 바와 같이 회전 대칭 상태로 배치되며, 보디 프레임(F2)의 중간부에 설치된 조향용 서보모터(Ms)의 출력축(S) 좌우에 부착된 크랭크(C1,C2)에 아암(A1,A2)으로 연결되어 있다.
도면 중 부호 B는 보디 프레임(F)의 중간 좌우 양측에 탑재되는 배터리로, 구동모터(Md) 및 조향용 서보모터(Ms)와 각종 센서류와 제어부의 동작을 위한 전원으로 사용된다.
또, 본 실시 예에서, 상기 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)은 하나의 구동모터(Md)로부터 드라이브 샤프트(D)를 통해 동력을 전달받아 동시에 구동되도록 되어 있으며, 상기 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)의 축에는 차동기어박스(G1,G2)가 구비되어 있어 회전 조향시 내륜과 외륜의 회전수 변화를 가능하게 하여 선회작동시 원활한 회전이 이루어질 수 있도록 되어 있다.
본 실시 예에서, 상기 자율주행장치는 자기장센서, 카메라, 라이다센서, 초음파 센서 등 여러 센서 간의 조합을 통해 최적의 알고리즘을 도출할 수 있도록 구성되어 있으며, GPS정보에 의하거나 편평한 노면 내부에 자력유도선을 매설하고 이를 이송로봇의 전,후방 하부에 설치된 자기장 센서가 감지하여 위치를 추정하거나 온실 내 지도 작성 및 로봇위치 추정기술(SLAM)과 RFID 등을 이용한 온실 내 로봇의 위치 추정 또는 카메라, 라이다센서 등의 센서 융합을 통한 온실 환경의 지도작성기술에 의하여 추정할 수도 있는바, 자율주행장치의 위치 추적과 자율주행 및 작업자 추종방법은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 기술을 적용할 수 있으며, QR 코드 등의 랜드마크(landmark)를 통한 작업위치/집하위치 등의 목적지를 인식할 수 있는 시스템을 개발하여 작업 환경 내 목적지 도달 위한 로봇 경로를 생성하거나 자율주행이 가능하도록 할 수 있고, 이송로봇의 주행 중 정적/동적 장애물 회피를 위한 장애물 감지 및 회피 기술을 사용함으로써 원활한 이송이 가능하도록 할 수 있는바, 이에 대한 세부적인 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 구성된 본 실시 예의 농업용 자율주행장치는 구동모터(Md)에 의해 전륜과 후륜에 구동력이 전달되어 4륜 구동이 이루어짐으로써 미끄러운 바닥에서도 비교적안정적인 주행이 가능하게 되는 것은 물론이며, 온실 내부에서의 전,후진 및 방향전환시에는 조향용 서보모터에 의해 전륜과 후륜이 역위상 방식으로 4바퀴의 정렬이 이루어지게 되는바. 직진 주행시에는 도 6에 도시된 바와 같이 전륜과 후륜이 평행한 상태를 유지하게 되면서 전진 및 후진이 이루어지게 되고, 우회전 및 좌회전 조향시에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 조향용 서보모터(Ms)의 일방향 또는 타방향 회전에 의해 회전축(S)이 회전하면서 크랭크(C1,C2)를 회동시켜 아암(A1,A2)을 통해 전륜 및 후륜의 조향을 위한 센터 링크(L1,L2)가 아암(A1,A2)을 서로 반대방향으로 회동시키면서 센터 링크(L1,L2)에 연결된 타이로드(R1,R2,R3,R4)를 내측으로 당겨주거나 외측으로 밀어주는 것에 의해 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)을 역위상 상태로 동시에 조향하게 됨으로써 최소 회전반경을 이루면서 전진 또는 후진이 이루어지게 되어 좁고 복잡한 온실 내부는 물론 주행 환경이 복잡한 노지에서의 안정적인 자율주행이 가능하게 되는 것이며, 구동부 및 전,후륜 동시 조향을 위한 메커니즘이 단순하게 구성되어 있으므로 이의 제작비용을 절감할 수 있음은 물론, 고장발생우려가 적을 뿐만 아니라 고장 발생시에도 신속하게 수리할 수 있는 등의 이점이 있다.
A1,A2 : 아암
B : 배터리
C1,C2 : 크랭크
D : 드라이브 샤프트
F : 보디 프레임
G1,G2 : 차동기어박스
K1,K2,K3,K4 : 너클
L1,L2 : 센터 링크
Md : 구동모터
Ms : 조향용 서보모터
R1,R2,R3,R4 : 타이로드
S : 출력축
W1,W2,W3,W4 : 바퀴(전륜, 후륜)

Claims (4)

  1. 전,후륜의 좌우 4바퀴(W1,W2,W3,W4)가 각각 보디 프레임(F)에 너클(K1,K2,K3,K4)로 회동가능하게 설치되고, 상기 너클(K1,K2,K3,K4)에는 각각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 일단이 핀 결합되며, 상기 각 타이로드(R1,R2,R3,R4)의 타단은 보디 프레임(F)의 전,후방에 회동가능하게 고정된 2개의 센터 링크(L1,L2)에 각각 핀 결합되고, 상기 2개의 센터 링크(L1,L2)는 조향용 서보모터(Ms)에 축 결합된 크랭크(C1,C2)에 각각 아암(A1,A2)으로 연결되어 조향용 서보모터(Ms)가 회전하는 것에 의해 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)이 동시에 조향되도록 된 것을 특징으로 하는 한 농업용 자율주행장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전륜용 센터 링크(L1)와 후륜용 센터 링크(L2)는 회전 대칭 상태로 배치되며, 보디 프레임(F2)의 중간부에 설치된 조향용 서보모터(Ms)의 출력축(S) 좌우에 부착된 크랭크(C1,C2)에 아암(A1,A2)으로 연결된 것을 특징으로 하는 농업용 자율주행장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 전륜(W1,W2)과 후륜(W3,W4)은 하나의 구동모터(Md)로부터 드라이브 샤프트(D)를 통해 동력을 전달받아 구동되는 것을 특징으로 하는 농업용 자율주행장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전륜과 후륜 축에는 차동기어박스(G1,G2)가 구비된 것을 특징으로 하는 농업용 자율주행장치.
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