식물공장 내 로메인 상추 수확용 로봇 개발

Abstract

식물공장은 시설 농업과 공장의 개념이 융합된 식물 생산시설로서 식물이 성장하는데 필요한 양액, 빛, 온도, 습도, CO2등의 환경조건들을 인공적으로 제어하여 제품을 생산하는 것과 같이 식물을 연중 지속적으로 생산한다. 그 중 수직형 식물공장은 고층 건물과 같이 지면에 대한 생육공간을 극대화한 것이다. 본 연구는 이러한 수직형 식물공장 내에서 로메인 상추를 재배하는데 필요한 노동 중 수확에 해당하는 과정을 대체하는 기계 구현함으로 수확 과정을 자동화하는 것이다. 수확 작업에 필요한 노동을 자동화 기계로 대신하여 우리나라의 고령화 추세와 더불어 양적･질적으로 부족한 노동력 문제에 대안을 제시함을 의의로 한다. 또한 사람의 출입을 최소화하여 외부와의 접촉을 줄이고 식품의 안전성을 높일 수 있다는 점과 이를 통해 안전하고 신선한 로메인 상추를 시간적인 제약을 적게 받으며 지속적으로 생산하여 공급할 수 있다는 점도 중요하다. 본 연구에서는 농촌진흥청 주관의 엽채소 수직형 식물 생산공장 자동화 시스템 개발 연구의 일환으로, 주어진 수직형 식물공장에서 로메인 상추 수확에 적합한 그립퍼와 매니퓰레이터를 설계･제작하여 로메인 상추 수확 로봇을 완성하고 그 성능을 실험을 통해 평가하였다. 주어진 식물공장 내에서 로메인 상추를 자동으로 수확하기 위해 수확물인 로메인 상추와 수확 될 위치, 이동 경로, 수확용 로봇이 위치하는 공간과 작업 반경에 대한 조사를 진행했다. 이를 기반으로 수확용 로봇을 제작하는데 필요한 설계 목표와 지침을 작성하였으며, 이에 적절한 그립퍼와 매니퓰레이터를 설계･제작하였다. 또한 연속적인 수확 작업과 수확 전･후 과정간의 원활한 연계를 위해 수확 로직과 경로를 정했다. 제작된 그립퍼와 매니퓰레이터를 이용하여 실제 식물공장과 같은 조건의 실험환경을 구성하여 실험환경을 조성하고 실험을 진행하였다. 수확 실험을 통해 로메인 상추 수확용 로봇의 성능을 평가한 결과, 수확 위치의 로메인 상추 포트를 파지하여 절단위치로 이동하고 포트를 수거위치로 이동하는 일련의 작업에 100%의 성공률을 기록하였다. 또한 하나의 수확 트레이의 8개의 로메인 상추를 수확하는데 소요된 시간은 평균2.2분을 기록하였다. 이에 대한 분석을 통해 작업 소요시간을 줄여 성능을 향상시키기 위해 로직과 경로, 이동방법을 재구성하여 실험을 진행하였다. 또한 이를 주어진 환경에서 사람이 수확작업을 직접 진행하는데 소요된 시간과 비교하여 성능을 평가하였다.

Plant Factory is a facility for agricultural production, where the various environmental conditions of plant growth, such as nutrients, lights, temperature, humidity, and CO2, are artificially controlled for all year round plant production. Among several types of plant factory, the vertical plant factory has a form of high-raised building where the plants can be grown in multiple stories. The purpose of this research is to develop an automated harvesting machine which can replace human harvest labor in vertical plant factory. The automation in harvesting work has been issued not only as one of possible alternatives of the shortage of harvesting labor and population aging in Korea, but also to minimize contamination resulted from human entrance in controlled environment. The proper gripper and 4-DOF manipulator were firstly designed and manufactured to harvest Romaine Lettuce. The design criteria was established after investigation of lettuce harvest position, path, and placement of harvesting robot, then the design goal and guidelines were determined with given constraints. The Harvesting logic and path were generated for continuous harvesting work and for smooth connection with pre- and post-process of harvesting. Finally, the harvesting experiment was performed with manufactured gripper and manipulator at the similar environment with plant factory. The harvest success rate and the harvesting duration time were investigated by counting successful number of continual process, such as grasping lettuce pots, moving pot to the cutting position, cutting lettuce from pot, and moving empty pot into the recycling box. The harvesting success rate was 100% and harvesting duration time was average 2.2 minutes. The additional experiment was implemented with reconstituted harvesting logic and trajectory to minimize the harvesting duration time. The result was also compared with human harvesting work.