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[② 이앙 로봇] 일본농업의 구원투수 농업용 로봇 연구 동향

 일본의 벼농사는 트랙터, 이앙기, 콤바인으로 대표되는 농기계 보급으로 고속화와 대폭적인 생력화가 실현되었다. 한편, 1개 경영체당 평균 재배면적도 2.5ha로 증가추세인데 그 중에서도 10ha 이상의 대규모 경영이 절반을 차지하고 있어 농기계의 고능률화가 더욱 요구된다. 모내기 작업은 육묘작업을 포함하여 벼농사에서 차지하는 노동시간이 6.4시간/10a으로 총 노동시간 24.23시간/10a의 26.4%로 노력이 가장 많이 들어가는 작업 중 하나이다. 그리고 육묘작업, 포장으로의 모판 운반, 이앙기로의 모판 공급, 제초제 살포 등 고령 농업인이 작업하기에는 노동부담이 높은 작업으로 농작업의 생력화가 지속적으로 요구되고 있다.


 이 점에 착안하여 일본 국립연구개발법인 농업·식품산업기술종합연구기구(약칭: 농연기구)에서는 모내기 작업에서 빠질 수 없는 모나 약제의 공급을 실시하는 보조 작업자에 주목하여 이앙기의 운전 조작을 자동화함으로써 모내기와 자재 공급 및 감시를 작업자 1명으로 실현하는 새로운 모내기 작업 시스템인 이앙 로봇을 개발하고 있다.


 이앙로봇은 GPS를 탐재하고 있기 때문에 미리 기억된 논 형태를 기초로 경로를 설정해 자기 자신의 위치와 자세를 이앙이 똑바로 되도록 자동제어하면서 이앙을 할 수 있는 로봇이다. 이앙로봇은 미리 설정된 이앙 시작점과 끝점에 도달하게 되면 자동으로 방향을 바꾸고 다음 작업 경로로 들어간다. 그와 같은 것이 자동으로 되는 이유는 다음과 같은 제어시스템이 움직이고 있기 때문이다. 즉 위치계측용 GPS로 자기 자신의 위치를 확인하고, 광 파이버 자이로로 자기 자신이 주행하고 있는 방향을 검출하여 그 데이터를 기초로 제어 컴퓨터가 핸들조작과 브레이크 조작 등을 제어하는 원리이며, 이 이앙로봇은 사람이 전혀 없이도 이앙이 가능하기 때문에 이앙로봇이라고 한다.



 일본에서 이앙 로봇은 아래의 그림과 같이 2가지 형태로 개발되고 있는데 첫 번째 차이점으로 좌측 이앙 로봇(이하 A형)은 식부부에 모를 롱 매트묘를 공급하는 방식이고, 우측(이하 B형)은 관행적으로 이용하고 있는 모판 공급방식이다. 두 번째는 작업경로를 생성하는 방법에서 A형은 작업할 포장의 4 귀퉁이의 위치정보를 미리 입력 받아 그 정보를 기반으로 포장의 형상을 인식하여 작업을 수행한다. B형은 포장 제일 바깥쪽 3개변을 작업자가 유인 운전으로 이앙함으로써 포장의 형상을 인식하고 주행경로를 자동으로 생성하는 방식이다.


 A형은 시판중인 6조식 승용이앙기를 베이스로 해 CAN버스에 RTK-GPS, 자세센서, 주 제어컴퓨터, 조타부, 변속(HST)부, 작업기 등이 각각 전자제어유니트인 ECU(Electronic Control Unit : I/O 컨트롤러)를 통해 접속되고 있다. 위치정보의 취득과 제어방식을 순차적으로 설명하면 (1)VRS(가상기준점)방식의 네트워크형 RTK-GPS에 의한 위치계측 (2)자세센서(IMU, Inertial Measurement Unit, 일본항공전자)에 의한 기체경사와 진행방향 검출 (3)설정경로로부터 각 부 제어량의 계산 (4)조타제어 (5)HST(Hydro Static Transmission, 유압식 무단변속장치) 제어 (6)작업기의 승강과 식부부 ON/OFF제어 등이 각각 분산 제어된다.


 조타제어(방향제어), 이앙기의 속도제어(증감속제어) 및 전·후진제어에 대해 좀 더 세부적으로 설명하면 기존 이앙기에 차륜의 조타각도 데이터와 HST 조작레버의 위치정보를 검출하는 센서를 설치해 두었다. 그리고 스티어링(핸들)과 HST조작레버를 움직이는 모터가 각각 부착되어있다. 따라서 각 센서를 통해 이앙기의 스티어링 위치와 현재의 속도와 전·후진 상태를 검출할 수 있어 방향전환과 HST레버 1개의 조작으로 속도의 증·감속과 전·후진 제어가 가능하다. 본 이앙 로봇의 특징 중 하나가 6m 정도의 롱 매트 모를 이용한다는 것인데 이것은 일반 모판 10개 정도에 해당되는 양으로 30a 정도를 모 공급 없이 이앙이 가능한 분량이다.



◇ 모내기작업 생력화·작업안정성 확보로 조기 실용화 기대돼
 이앙 로봇의 이앙작업 알고리즘을 살펴보면, 우선 가장 먼저 이앙을 할 논의 위치를 사전에 정확하게 측정하여 이앙로봇 운영 프로그램에 입력해 두어야 한다. 즉 포장의 4개 귀퉁이의 위치좌표와 포장 입구의 좌표를 입력하여야 한다. 그 후 이앙 폭 1.8m(6조)를 고려하면서 목표작업경로를 산출하면 된다.


 포장 내 외주부분은 맨 마지막에 작업하기 위해 작업공정 2회분에 상당하는 폭을 비워두고 목표경로를 산출하고 있다. 작업목표 경로의 원리로 먼저 이앙을 해야 할 첫 지점과 선회를 해야 하는 끝점을 연결하여 위치와 거리를 입력한다. 그 후 시작점과 끝점을 기준으로 이앙기는 선회를 하게 되며, 주행거리에 따라 작업속도의 가감도를 조절하게 된다.


 이앙작업은 출발 버턴을 누르게 되면 이앙기 식부부가 하강하여 이앙을 시작하게 되며, 처음에는 속도를 천천히 하다가 1m정도 전진 후에 속도를 올려 정상작업을 시작하게 된다. 선회를 해야 할 지점(논둑에서 3.6m)까지 도달하기 전 1m 정도 앞에서 다시 이앙속도를 낮추어 천천히 이앙한 후 선회를 해야 할 지점에 도달하면 이앙을 정지하고 식부부를 상승시키며, 바퀴를 최대한 회전시켜 선회를 하게 된다. 선회가 완료되면 이앙을 시작할 위치로 천천히 찾아가서 정지를 하게 되며, 식부부를 하강시키고 1m정도 천천히 이앙을 한 후 정상적인 속도로 이앙작업을 진행하게 된다. 이러한 작업을 계속해서 연속적으로 실시하여 이앙작업을 완료하게 되는 형태로 알고리즘이 구성되어 있다.


 이앙로봇(A형)을 이용하여 작업을 할 경우 10a의 논이라면 20분 정도 소요된다. 현재 일반적으로 농가가 이용하고 있는 승용이앙기는 2인(1인 운전, 1인 모 공급 보조)이 움직이고 있기 때문에 1인이 여러 대를 관리할 수 있는 이 기계로 대폭적인 시간과 노력을 단축할 수 있다.

 
 그러나 롱 매트묘를 직접 농가에서 키우기 위해서는 새로운 시설투자와 재배기술의 숙련이 필요한데 이런 부분들이 하나의 숙제로 남아 있다. 그와 반대로 B형의 경우에는 포장구획 인식을 위해 작업자가 최외각을 직접 이앙하고 모판을 직접 공급해야하는 불편함은 다소 있지만 기존 모 생산시설 등을 활용할 수 있어 장점으로 작용되고 있다. 또한 자체 개발한 자동조향시스템에 의해 이앙기 최고속도(1.86m/s)에서 이앙작업을 해도 숙련자 수준의 직진 정밀도를 누구나 얻을 수 있다. 아울러 휴대용 펜던트 리모컨에 의해 비상 정지, 위치정렬 등의 원격조작이 가능하고, 일정 시간 리모컨 통신이 두절 된 경우와 위성 위치 정보를 수신 할 수 없는 경우에는 작업을 중단하는 안전 기능이 내장되어 있는 것이 특징이다.


 이처럼 일본에서 현재까지 개발된 2가지 형태의 이앙 로봇은 모내기 작업의 대폭적인 생력화와 안전성의 확보를 양립 할 수 있는 새로운 작업 기술로 조기 실용화가 기대되고 있다.