농업용 로봇(Agricultural robot)

농업용 로봇은 농업용으로 사용되는 로봇입니다. 오늘날 농업에 로봇을 적용하는 주요 분야는 수확 단계입니다. 농업에서 로봇 또는 드론의 새로운 응용 분야에는 잡초 제어, 구름 파종, 씨앗 심기, 수확, 환경 모니터링 및 토양 분석이 포함됩니다. 검증된 시장 조사에 따르면, 농업 로봇은 2025년까지 115억 8천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 농업용 로봇 산업은 2030년까지 연평균 약 15.5%의 성장률을 보일 것으로 예상됩니다.

 

 

과일 따기 로봇, 무인 트랙터/분무기, 그리고 양털 깎는 로봇은 인간의 노동력을 대체하도록 설계되었습니다. 대부분의 경우 작업을 시작하기 전에 많은 요소(예: 수확할 과일의 크기와 색상)를 고려해야 합니다. 로봇은 가지치기, 제초, 스프레이 및 모니터링과 같은 다른 원예 작업에 사용될 수 있습니다. 로봇은 또한 자동 착유, 세탁 및 거세와 같은 가축 애플리케이션(축산 로봇)에 사용될 수 있습니다. 이와 같은 로봇은 신선한 농산물의 질이 높고, 생산 비용이 낮으며, 육체 노동의 필요성이 감소하는 것을 포함하여 농업 산업에 많은 이점을 가지고 있습니다. 또한 트랙터 및 기타 사람이 조작하는 차량의 사용이 작업자에게 너무 위험한 경우 잡초 또는 고사리 분무와 같은 수동 작업을 자동화하는 데 사용할 수 있습니다.

디자인

기계 설계는 엔드 이펙터, 매니퓰레이터 및 그립퍼로 구성됩니다. 조작기 설계 시 작업, 경제적 효율성 및 필요한 모션을 포함하여 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 엔드 이펙터는 과일의 시장 가치에 영향을 미치며 그리퍼의 설계는 수확되는 작물을 기반으로 합니다.

End effector - 농업용 로봇의 엔드 이펙터는 다양한 농업 작업에 사용되는 로봇 팔의 끝에 있는 장치입니다. 여러 종류의 엔드 이펙터가 개발되었습니다. 일본에서 포도와 관련된 농업 작업에서 엔드 이펙터는 수확, 베리 박멸, 스프레이 및 봉지 포장에 사용됩니다. 각각은 작업의 성격과 대상 과일의 모양과 크기에 따라 설계되었습니다. 예를 들어, 수확에 사용되는 엔드 이펙터는 포도 다발을 잡고 자르고 밀도록 설계되었습니다. 베리 솎아내기는 포도에서 수행되는 또 다른 작업으로, 포도의 시장 가치를 향상시키고, 포도의 크기를 증가시키며, 묶음 공정을 용이하게 하는 데 사용됩니다. 베리 박형의 경우 엔드 이펙터는 상부, 중간 및 하부로 구성됩니다. 상부에는 두 개의 플레이트와 개폐가 가능한 고무가 있습니다. 두 개의 접시는 포도를 압축하여 라키스 가지를 잘라내고 포도 다발을 추출합니다. 가운데 부분에는 바늘 한 판, 압축 스프링, 그리고 표면에 구멍이 뚫린 또 다른 판이 있습니다. 두 접시가 압축되면, 바늘은 포도에 구멍을 뚫습니다. 다음으로, 아랫부분에는 다발을 잘라 길이를 표준화할 수 있는 절단 장치가 있습니다. 분사를 위해 엔드 이펙터는 매니퓰레이터에 부착된 분사 노즐로 구성됩니다. 실제로, 생산자들은 화학 액체가 여러 묶음에 고르게 분포되어 있는지 확인하려고 합니다. 따라서, 노즐이 목표물로부터 거리를 유지하면서 일정한 속도로 움직이게 함으로써 화학 물질의 균일한 분포를 가능하게 합니다. 포도 생산의 마지막 단계는 포장 공정입니다. 배깅 엔드 이펙터는 백 피더와 두 개의 기계식 핑거로 설계되었습니다. 배깅 프로세스에서, 백 피더는 손가락에 계속해서 백을 공급하는 슬릿으로 구성됩니다. 가방이 손가락에 공급되는 동안 가방의 상단에 위치한 두 개의 잎 스프링이 가방을 열어 줍니다. 그 봉지들은 포도를 다발로 담기 위해 생산됩니다. 배깅 프로세스가 완료되면 손가락이 가방을 열었다 풉니다. 이렇게 하면 잎 스프링이 닫히고 가방이 다시 열리지 않게 됩니다.

Gripper - 그립퍼는 대상 작물을 수확하는 데 사용되는 그립 장치입니다. 그립퍼의 디자인은 단순성, 저비용, 효율성을 기반으로 합니다. 따라서 설계는 일반적으로 작업을 수행할 때 동기화하여 이동할 수 있는 두 개의 기계식 손가락으로 구성됩니다. 설계의 세부 사항은 수행 중인 작업에 따라 달라집니다. 예를 들어, 수확을 위해 식물을 잘라야 하는 절차에서 그리퍼에는 날카로운 칼날이 장착되어 있었습니다.

Manipulator - 이 조작기를 사용하면 그립퍼와 엔드 이펙터가 해당 환경을 탐색할 수 있습니다. 매니퓰레이터는 그립퍼의 위치와 높이를 유지하는 4bar 병렬 링크로 구성됩니다. 또한 조작기는 1개, 2개 또는 3개의 공압 액추에이터를 사용할 수 있습니다. 공압 액추에이터는 압축 공기를 에너지로 변환하여 선형 및 회전 운동을 생성하는 모터입니다. 공압 작동기는 높은 출력 중량비 때문에 농업용 로봇에 가장 효과적인 작동기입니다. 매니퓰레이터를 위한 가장 비용 효율적인 설계는 단일 액추에이터 구성이지만 이는 가장 유연하지 않은 옵션입니다.

개발

농업에서 로봇 공학의 첫 번째 개발은 농업에 자동 차량 안내를 통합하는 연구가 구체화되기 시작하면서 1920년대로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 이 연구는 1950년대와 60년대 사이에 자율 농업 차량의 발전으로 이어졌습니다. 그러나 이 개념은 완벽하지 않았습니다. 차량이 여전히 경로를 안내하는 케이블 시스템이 필요하기 때문입니다. 농업의 로봇은 다른 분야의 기술도 발전하기 시작하면서 계속 발전했습니다. 컴퓨터의 발달에 따라 1980년대가 되어서야 기계 비전 안내가 가능해졌습니다. 수년간의 다른 발전은 프랑스와 미국 모두에서 로봇을 사용하여 오렌지를 수확하는 것을 포함했습니다. 로봇은 수십 년 동안 실내 산업 환경에 통합되었지만, 농업을 위한 실외 로봇은 더 복잡하고 개발하기 어려운 것으로 간주됩니다. 이는 안전에 대한 우려뿐만 아니라 다른 환경적 요인과 예측 불가능성의 영향을 받는 농작물을 수확하는 것의 복잡성에 대한 우려 때문입니다.