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[③ 제초로봇] 일본농업의 구원투수 농업용 로봇 연구 동향

 논두렁 등의 제초작업은 엔진식 예초기(어깨 걸이식, 배부식)와 엔진식 예초기(자주식)를 사람이 직접 조작하여 수행하는 것이 일반적이다. 그러나 잡초 생육이 왕성한 여름철 고온기에는 며칠 동안 연속해서 반복적으로 작업을 해야 하기 때문에 작업자의 노동 부담이 크고, 고령의 농업인이 작업하기에는 고역작업이기 때문에 경로화에 대한 요구도가 높다. 또 중산간 지역 계단식 논과 밭 급경사 법면의 제초작업은 예초기를 이용한 인력작업은 중노동이면서 전도·전락 등의 위험성을 동반하는 작업이다.



 아울러 앞에서 언급했듯이 1개의 경영체가 관리해야할 면적이 증가함에 따라 제초작업을 해야 할 논두렁의 숫자는 기하급수적으로 증가하고 있다. 또 예초기 및 자주식 예초기는 고속 회전하는 예초날이 사용되고 있기 때문에 비산하는 돌과 작업 기계의 반발 등 위험이 수반되고, 작업자는 엔진의 진동을 직접적으로 받고, 작업 시에 발생하는 배기가스, 흙먼지 등에 노출되기 때문에 작업 환경의 개선도 필요하다.


◇ 일, 농기계 상해사고에서 예초기가 19%로 가장 높아
 일본 농림수산성 농업기계 상해 사고조사를 살펴보면 예초기에 의한 사고가 19%로 가장 높은 비중을 차지하고 있고, 제초작업에 소요되는 경비가 총 생산비의 15%로 큰 비중을 차지하고 있다. 그리고, 벼농사에 투입되는 10a 당 노동시간은 논두렁 제초작업(관개 등 작업 포함)시간은 6.3시간으로 총 투입노동시간의 26%를 차지하고 있어 육묘·이앙작업 다음으로 노력이 많이 소요되고 있는 작업이다.  



 따라서 일반 농경지와 중산간 지역 계단식 논의 논두렁과 논·밭 급경사 법면의 제초작업을 효율적이면서도 편안하고 안전하게 작업할 수 있는 제초로봇 개발이 농작업 현장에서 가장 시급히 요구되고 있는 실정이다. 일본 농연기구(NARO)에서는 이러한 제초작업을 편안하고 안전하게 수행할 수 있는 원격조종식 제초로봇을 2가지 형태로 개발하고 있다. 첫 번째는 주로 평판한 농경지의 논두렁을 제초할 수 있는 로봇(A형)이며, 두 번째는 계단식 논·밭이나 급경사 법면 등을 제초할 수 있는 로봇(B형)이다.   


 A형은 기존의 승용형 제초기를 개량한 것이라고 보면 되는데 기존 제초기는 한계작업경사도가 20° 정도가 많기 때문에 요철이 심하지 않은 하천의 대형 법면을 위한 것으로 다양한 경사도와 법면상태의 중산간 계단식 논에 대응 가능한 제초기술은 새로운 관점에서 기술개발이 필요하게 되어 개발한 제초로봇이다. 개발한 제초로봇은 경사도가 45°이하의 경사법면에 대응이 가능하고 인력에 의한 제초작업과 동등한 정도에서 2배의 능률로 작업이 가능하며 작업자가 운반하기 쉽게 소형화하고 작업노력을 관행보다 80% 이상 절감할 수 있는 것으로 평가되고 있다.



 아래 그림의 좌측에 나타내고 있는 A형 제초로봇은 리모컨으로 원격조종되는 로봇으로 크게 주행부, 제초부, 제어부 등으로 구성돼 있다. 본체 길이는 약 1.7m, 폭이 1m, 높이가 0.6m이며 무게는 140kg이다. 주행부는 주행용 DC모터 2대를 구동시키기 위한 리튬이온전지 48V/10A 2개와 무한궤도로 구성돼 있다. 제초부는 2개의 제초날을 구동시켜 주는 2사이클 엔진 2대와 제초부 높낮이를 조절해 주는 스트록 모터 3대로 구성되어 있고, 제어부는 제어회로와 무선수신기, 원격조종 리모컨 등으로 구성되어 있다. 제초부는 지면과 맞추어 높낮이를 조절할 필요가 있는데 이를 3대의 스트록 모터를 이용해 조절하고 있는데 제초부와 보조륜 등 전체의 높낮이를 조절하는 기능과 제초부 만의 높낮이를 조정하는 기능으로 나누어져 있다. 제초작업은 1회의 연료충전(1ℓ)으로 약 40~50분 정도 작업이 가능하며, 주행부는 1회 충전으로 약 3시간 정도의 이동작업이 가능하다.


◇ 제초로봇 소음 15~20.5%, 진동 93~95% 감소로 작업피로 줄여 
 제초로봇은 전방부에 2개의 제초날이 위치하고 있어 1회 주행으로 900mm의 제초작업이 가능하지만 원활한 제초작업을 위해 제초날과 제초날 사이 간격을 약 20cm 정도 벌려 놓았기 때문에 편도작업에서는 20cm정도의 제초되지 않는 부분이 남게 된다. 이에 왕복작업을 통해 남겨진 잡초를 제거하게 되는데 이를 통해 왕복작업으로 총 1,300mm의 제초작업이 가능하다.


 아래 그림의 우측에 나타내고 있는 B형 제초로봇은 자율주행과 리모컨에 의한 원격조종이 모두 가능한 형태로 주행부, 제초부, 제어부 등으로 구성되어 있다. 본체 길이는 약 1.4m, 예초폭이 0.6m, 높이가 1m이며 무게는 94kg이다. 주행부는 홀인브러쉬 모터(DC24V, 250W×2) 2대와 무한궤도로 구성되어 있고 작업속도는 최고 0.8m/s이다. 제초부는 2련식 절단장치, 브러쉬레스 모터(DC36V, 300W×2) 2대로 구성되어 있고 회전수는 3,000rpm이다. 제어부는 무선 리모컨 및 유선 리모컨으로 구성되어 있다. 주 전원은 납축전지(36V, 20Ah)로 되어 있고 약 30~40분간 작업이 가능하다.



 A형을 이용해 경사도 25°인 포장에서 시험을 실시한 결과 평균 작업속도는 0.37~0.39m/s, 이론 포장작업량은 768~864m2/h, 실 작업능률은 497~545m2/h를 나타내었고, 평균 예취높이는 6~8cm를 보였다. B형을 이용해 일반 논두렁에서 작업 시 작업능률은 494m2/h, 작업자 어깨 기준 소음은 69.1dB(A), 배기가스는 0ppm-co, 작업자 손 기준 진동은 0.49m/s2, 비산먼지량은 0.1mg/m3을 보였다. 평균 경사각이 30。에서는 작업능률은 521m2/h, 소음 70.6dB(A), 배기가스 0ppm-co, 진동 0.25m/s2, 비산먼지량 0.08mg/m3을 보였다. 2가지 포장시험에서 작업능률은 관행기와 동등한 수준을 보였으며, 소음은 15~20.5%, 진동은 93~95% 감소되어 작업자에 미치는 소음·배기가스·진동의 영향이 작은 것이 확인되었다.


 A형 로봇은 작업능률이 인력의 2배, 작업정도는 인력과 동등이상의 성능을 보여 개별 농가보다 들녘 경영체 법인 등을 대상으로 보급을 추진하고 있으며, 긴급정지 기능의 탑재, 견고성 향상, 주변인식 기술의 탑재가 필요할 것으로 판단되었으며, 경사도가 비교적 낮은 20°이내에서는 완전 로봇화 할 수 있는 시스템 개발이 필요할 것으로 판단된다. B형은 2018년 상용화를 목표로 개발하고 있으며, 실용성 향상을 위해 시판 기계의 가동 시간(현재: 30~40분/1회 충전)을 확대하기 위해 배터리 등의 개선을 검토하고 있다.