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[① 트랙터 로봇] 일본농업의 구원투수 농업용 로봇 연구 동향

 2016년 일본 농림수산성 발표에 따르면 농촌 노동인구의 평균연령은 67세로 고령화가 가속화되고 있고, 농업 인구의 연령별 구성 비율을 보면 65세 이상이 64.6%, 15~49세 비중은 10.1%로써 젊은 영농 후계자 비중이 낮아 농업노동력 부족이 심각한 상황에 직면하고 있다. 이와 반대로 1개 경영체의 경영면적은 평균 2.5ha이며, 홋카이도의 경우에는 26.5ha를 차지하여 한 농가가 경영해야할 면적은 증가하고 있어 효율적인 포장 관리가 매우 중요해지고 있다. 또한, 2006년 농림수산성 조사에 의하면 조사경영체 202개의 평균을 보면 경영면적은 14.8ha이지만, 포장이 28.5개소로 분산되어 있고 1개소 면적은 0.52ha로 가장 멀리 떨어져 있는 농지와 농지 사이의 거리는 3.7km로 조사되었다. 포장이 분산되어 있으면 기계 이동에 많은 시간이 필요로 하게 되고 노동비용을 증가시킬 뿐만 아니라 파종, 이앙, 수확 등 작업적기가 단기간으로 한정된 농작업의 경우에는 작업시간의 감소에 의해 규모 확대는 추진하지 않게 된다. 또한 포장이 작으면 좁은 곳에서 기계를 조작해야하기 때문에 노동시간·비용이 증가한다. 어떤 농업생산법인은 1ha의 밭 1필지와 10a 밭 10필지에서 면적은 동일하지만 생산비용은 30% 차이가 난다고 하였다.


 이처럼 영농후계자의 부족과 경영면적의 증가에 따라 단순히 생각해 보면 유럽이나 미국처럼 단위 필지 크기를 확대하고, 농기계 성능을 높이고 대형화하면 되지 않을까 생각하게 된다. 그러나, 말처럼 쉽지 않은 것이 일본이나 우리 농업이 가지고 있는 특징이다. 즉, 앞에서 언급하였듯이 관리해야할 포장수가 많고, 한 필지의 크기가 작기 때문에 대형 기계를 투입하기 힘들고, 단위필지 면적을 확대한다고 해도 벼를 주 작목으로 하고 있기 때문에 물관리 측면에서 무한정 크게 할 수도 없는 실정이다. 따라서, 이러한 장애물들을 극복하기 위해 추진하고 있는 것이 농업용 로봇의 개발과 보급전략이다.


 본 원고에서는 일본의 스마트농업 추진 동향을 개략적으로 살펴보고 그 중심에 놓여 있는 농업용 로봇에 대해 작업체계(경운-이앙-재배관리-수확)별로 소개하고, 직진주행이나 운전을 보조해 주는 가이던스 시스템과 자동조향장치 보급현황을 소개한 후 국내 농업용 로봇 도입을 위한 제언을 하고자 한다.


 스마트농업은 종래의 농업기술에 로봇과 ICT 등 첨단기술을 융복합하여 초생력화와 고품질 생산 등을 가능하게 하는 새로운 농법으로, 이를 통해 농산물의 생산부터 판매까지 첨단기술을 활용해 높은 농업생산성과 비용절감, 식품의 안전성과 노동의 안전 등을 실현하는 것으로 정의하고 있다.


 야노경제연구소의 발표에 따르면 2015년도 일본내 스마트농업 시장규모는 97억2,400만엔 규모로 재배지원 솔루션이 전체의 약 30%로 30억6,700만엔으로 가장 큰 비중 차지한다고 밝혔다. 또한, 판매지원솔루션이 9억7,300만엔, 경영지원 솔루션 25억6,300, 정밀농업이 29억500만엔, 농업용 로봇이 2억1,700만엔으로 조사되었다. 비록 농업용 로봇의 비중이 현재는 크지 않지만 2022년도 스마트농업 시장규모는 2015년 대비 약 3.3배인 331억 8,600만엔 규모로 확대 전망하고 있고, 2017년까지는 재배지원 솔루션 중심이고,  2018년 이후에는 판매지원 솔루션과 경영지원 솔루션이 확대될 전망이며, 이후 농기계의 무인작업 등 농업로봇의 보급이 예상된다고 전망하였다. 특히, 차량형 로봇시스템은 2018년부터 농기계의 유인기와 무인기에 의한 협조작업시스템이 보급되고 2020년경에는 농기계의 완전 무인작업, 복수기계에 의한 작업 등이 가능한 시스템이 도입될 것으로 전망하였다.



△ 일, 2020년까지 농작업에 투입할 트랙터 로봇 개발키로    
 일본정부는 2015년 1월 신 로봇 전략을 발표하여 2020년까지 실현해나갈 각각의 전략적 목표를 제시하였는데 농업분야에서는 2020년까지 트랙터 로봇이 농업현장에서 작업할 수 있는 모습을 국민들에게 보여 주는 것을 목표로 제시하고 있고, 농림수산업·식품산업분야 생력화에 공헌하는 새로운 로봇 20기종 이상을 현장에 도입하고자 하는 목표를 제시하였다.


 트랙터 로봇은 GPS기술의 활용이 보편화 되면서 GPS기반의 트랙터 로봇 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. RTK-GPS, 항법센서, 자동조향시스템 등이 조합된 형태로 사전에 작업할 포장위치를 파악한 후 미리 생성한 작업경로를 따라 스스로 작업을 하는 구조로 되어 있다.


 트랙터 로봇은 일반적으로 농용 트랙터를 개조한 것으로 그림 1과 같이 제어용 PC로부터 자동차 등에서 사용되고 있는 차내 통신 시스템인 CAN-BUS를 통해 방향전환(조타), 전진·정지·후진, 속도변경, 엔진회전수 설정, 작업기 승강, PTO의 ON-OFF, 브레이크 ON-OFF를 수행한다. 트랙터 로봇 시스템 구성은 위치계측센서는 오차 ±2cm, 주기 10Hz의 RTK-GPS(Real-Time Kinematic GPS)를 활용하고 있다. 관성항법장치(Inertial Measurement Unit, IMU)를 자세각 센서로 사용하고 있고 IMU는 3축의 광 파이버 자이로스코프와 3축의 가속도계로 구성되어져 있다. IMU로부터 출력된 경사각은 GPS 안테나의 경사보정에도 이용하고 있다.


 ㈜쿠보다에서는 1인의 작업자가 트랙터 로봇 1대와 유인 트랙터 1대를 통합하여 2대를 운영할 수 있는 무인-유인 협조 작업시스템을 2018년부터 상용화하기 위해 포장시험 등을 실시하고 있다.


 본 시스템에서 트랙터 로봇의 안전성확보는 기본적으로 트랙터 로봇을 뒤에서 따라가는 유인 트랙터의 운전자가 한다는 전제조건이다. 따라서, 운전자가 앞에 로봇을 통제할 수 있는 원격제어시스템을 갖추고 있다. 즉, 유인 트랙터에서는 트랙터 로봇에게 작업시작, 작업종료, 작업정지 등을 명령할 수 있고, 이상신호가 감지되면 비상 멈춤 등의 지시를 원격으로 할 수 있게 되어 있다.


 이 외에도 트랙터 로봇을 수동으로 멈출 수 있도록 외부에 비상 멈춤 버턴을 갖추고 있다. 그리고, 트랙터 로봇의 작업상황을 뒤에 따라오는 유인 트랙터 운전자가 관찰하기 때문에 트랙터 로봇에 불필요한 센서 등을 설치할 필요가 없기 때문에 많은 부분들이 생략되어 있다. 예를 들면, 작업상태 표시등이 없으며 외부 물체와의 접촉을 감지하기 위한 접촉센서, 외부 물체와의 접촉 위험성을 사전에 감지할 수 있는 근접센서 등도 설치되어 있지 않다. 트랙터 로봇을 이용하여 작업을 할 경우, 목표경로에 대해 횡 방향 편차(주행오차)는 최대 ±8cm, 평균 3.5cm였고, 인간의 운전을 초월하는 작업정밀도를 가지고 있어 충분히 실용화가 가능할 것으로 판단되었다. 이러한 농작업 로봇화 연구는 ㈜쿠보다 외에도 전통 농기계 회사인 얀마(YANMAR), 이세키(ISEKI) 등에서도 수행하고 있다.