KR100667220B1

KR100667220B1 - 전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법

Info

Publication number: KR100667220B1
Application number: KR1020060028403A
Authority: KR
Inventors: 홍지향; 최중섭
Original assignee: 홍지향; 최중섭
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2026-03-29

Abstract

본 발명은 가볍고 저가이며, 높은 곳에 위치한 과수의 전정 및 수확작업을 인간 수준의 작업 속도로 수행하기 위하여, 작업대; 상기 작업대에 실질적으로 수직한 방향으로 신장과 수축이 가능한 수직 암 및 상기 수직 암과 연결되고 상기 수직 암과 실질적으로 직각인 방향으로 신장과 수축이 가능한 수평 암을 구비하는 머니퓰레이터; 및 상기 수평 암의 일단에 배치되며, 수확 대상물의 가지를 유인하고 결속하며, 절단하는 장치를 구비하는 엔드 이펙터를 포함하는 전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법을 제공한다.

Description

전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법{Pruning and harvesting system and method of pruning and harvesting}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머니퓰레이터(manipulator)를 도시하는 사시도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 라인을 따라 절개한 도면이다.

도 4a는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 수직 암(arm)이 수축된 모습을 도시하는 도면이다.

도 4b는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 제1 수직 암을 신장하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 4c는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 제2 수직 암을 신장하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 4d는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 제3 수직 암을 신장하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 5는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 수평 암을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 6은 도 1에 도시된 전정 수확 시스템의 작업대 및 상기 작업대의 자세안정화 수단을 도시하는 사시도이다.

도 7a는 도 1에 도시된 전정 수확 시스템의 작업 영역을 도시하는 평면도이다.

도 7b는 도 1에 도시된 전정 수확 시스템의 작업 영역을 도시하는 측단면도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 목표위치 결정부를 개략적으로 도시하는 사시도이다.

도 9는 도 8에 도시된 목표위치 결정부로 수확 대상물의 가지의 위치를 결정하는 방법을 도시하는 도면이다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터(end effector)의 유인 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.

도 10b는 도 10a에 도시된 유인 장치가 수확 대상물의 가지를 포획하는 모습을 도시하는 사시도이다.

도 10c는 도 10a에 도시된 유인 장치가 포획된 수확 대상물의 가지를 엔드 이펙터쪽으로 유인하는 모습을 도시하는 사시도이다.

도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터의 그립퍼(gripper)를 도시하는 도면이다.

도 11b는 포획된 가지가 도 11a에 도시된 그립퍼로 유인되는 모습을 도시하는 도면이다.

도 11c는 도 11a에 도시된 그립퍼가 유인된 가지를 결속하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터의 절단 수단을 도시하는 도면이다.

도 12b는 도 12a 도시된 절단 칼날이 결속된 가지를 절단하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 13a는 수확 대상물이 엔드 이펙터의 상부에 위치할 때의 엔드 이펙터의 자세를 도시하는 도면이다.

도 13b는 수확 대상물이 엔드 이펙터의 하부에 위치할 때의 엔드 이펙터의 자세를 도시하는 도면이다.

도 14는 도 10 내지 12에 도시된 엔드 이펙터를 둘러싸는 보호구를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 해지 수단을 도시하는 사시도이다.

도 15b는 도 15a에 도시된 해지수단에 의하여 결속된 가지가 해지되어 자유낙하하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 16b는 도 16a에 도시된 이송 장치가 수확 대상물을 저장 수단에 적재하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이송 장치를 도시하는 도면이다.

도 18은 도 17에 도시된 이송 장치의 슈트 튜브를 확대하여 도시한 도면이다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템의 내부 제어 시스템을 도시하는 블럭도이다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템의 수확 작업의 흐름을 도시하는 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

1: 수확 대상물 가지 10: 전정 수확 시스템

100: 작업대 120: 자세안정화 수단

130: 저장 수단 200: 머니퓰레이터

210: 수직 암 230: 수평 암

250: 회전용 모터 300: 엔드 이펙터

310: 유인 장치 320: 그립퍼

321: 본체 323: 가압부

330: 절단 수단 338: 보호구

340: 해지 수단 350: 이송 장치

351: 이송판 370: 슈트 튜브

73: 튜브 링 400: 목표위치 결정부

401: 거리측정 수단 403, 405: 회전각측정 수단

410: 영상획득부 430: 디스플레이부

본 발명은 전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작업 환경의 변화가 매우 큰 과수 작물의 수확 및 전정을 용이하고 효율적으로 수행하는 인간-로봇 보완형 전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법에 관한 것이다.

과수 작물 예를 들면, 감 나무의 수확작업의 경우 주로 인력에 의존하고 있으며, 전체작업시간 대비 수확작업시간이 다른 작업에 비하여 많은 비중을 차지한다. 그런데, 수확 기간 중 작업인력의 확보가 곤란하며, 수확 인건비가 상승으로 인하여 재배농가나 가공업체에게 큰 부담이 되고 있다.

그런데 과수 작물의 수확 환경은 나뭇가지의 형태, 크기, 높이 및 나뭇잎과 과수의 분포특성, 작업지의 경사도 등에 따라서 매우 변화가 크다. 따라서, 과수 작물 수확 시스템은 다양한 작업환경에 적응할 수 있는 지적 능력, 과수작물에 용이한 접근성, 인간수준의 작업효율을 구비하고, 가볍고 견고하며 가격이 저렴하여야 한다.

과일 및 채소류 수확용 로봇시스템에 관한 연구 개발로서 1999년 전북대학교에서 개발한 감 수확기는 작업차량에 부착된 작업대를 상승시켜 그 위에서 작업자가 손으로 수확하거나 수확기를 손으로 잡고 조작하는 형태의 것이 있다. 그리고 2002년 충남대학교에서 개발한 대추 수확기는 손상에 대한 저항성이 비교적 큰 대 추의 특성을 이용한 충격식 수확기로 과수용 수확기와는 거리가 멀다.

현재까지 개발된 과실 수확용 로봇 시스템은 공통적으로 머니퓰레이터의 무거운 중량, 과실의 수확위치 결정 장비 및 기술의 고비용, 인간 대비 늦은 작업속도로 인해 과수농업의 생산규모나 수익성에 비추어 실용화가 거의 안 되는 문제점이 있었다. 또한 수확 높이가 10여 m에 이르는 과수를 수확하기 위한 수확시스템이나 이와 유사한 개념의 장치도 국내외에서 개발된 전례가 없다.

본 발명은 다양한 작업환경에 대한 적응력, 과수작물에 용이한 접근성 및 인간수준의 작업효율을 구비하고, 가볍고 견고하며 가격이 저렴한 인간-로봇 보완형 전정 수확 시스템 및 전정 수확 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 작업대; 상기 작업대에 실질적으로 수직한 방향으로 신장과 수축이 가능한 수직 암(arm) 및 상기 수직 암과 연결되고 상기 수직 암과 실질적으로 직각인 방향으로 신장과 수축이 가능한 수평 암을 구비하는 머니퓰레이터; 및 상기 수평 암의 일단에 배치되며, 수확 대상물의 가지를 유인하고 결속하며, 절단하는 장치를 구비하는 엔드 이펙터 포함하는 전정 수확 시스템을 개시한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 작업대에 실질적으로 수직한 수직 암 및 수평한 수평 암을 각각 신장 및 수축하고 상기 수직 암의 축을 기준으로 상기 수직 암을 회전시킴으로써 상기 수평 암의 일단에 연결된 엔드 이펙터를 제1 목표 위치로 이동시키는 단계; 상기 엔드 이펙터의 유인 장치를 제2 목표 위치로 이 동시키는 단계; 상기 엔드 이펙터로 수확 대상물의 가지를 유인하는 단계; 상기 유인된 가지를 결속하는 단계; 및 상기 결속된 가지를 절단하는 단계를 포함하는 전정 수확 방법을 개시한다.

이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템(10)을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 전정 수확 시스템(10)은 작업대(100), 머니퓰레이터(200), 목표위치 결정부(400), 엔드 이펙터(300), 영상획득부(410), 디스플레이부(430), 명령입력부, 해지 수단(340), 이송 장치(350), 제어부 및 자세안정화 수단(120)을 포함한다.

먼저, 전정 수확 시스템(10)의 각 구성 요소의 기능을 설명한다. 작업대(100)의 중앙부에는 작업대(100)의 수평방향으로 회전 가능한 턴 테이블(turn table, 102)이 위치된다. 턴 테이블(102)에는 머니퓰레이터(200)가 수직하게 설치된다. 머니퓰레이터(200)는 작업대(100)로부터 수직한 방향으로 신장과 수축이 가능한 수직 암(210)을 구비한다. 또한, 머니퓰레이터(200)는 수직 암(210)의 상부단에 결합되며 수직 암(210)과 직각 방향으로 신장과 수축이 가능한 수평 암(230)을 구비한다. 수평 암(230)의 일단에는 엔드 이펙터(300)가 위치된다. 엔드 이펙터(300)는 수직 암(210), 수평 암(230) 및 턴 테이블(102)의 구동에 의하여 수직(Z)방향 신축, 반경(r)방향 신축 및 수평(θ)방향 회전 이동이 이뤄진다.

이러한 머니퓰레이터(200)의 Z방향, r방향 신축 및 θ방향 회전량을 결정하기 위하여 목표위치 결정부(400)가 사용된다. 목표위치 결정부(400)는 머니퓰레이 터의 수직 암(216)의 하부에 설치될 수 있다. 목표위치 결정부(400)는 거리측정기(401) 및 두 개의 회전각 측정기(403, 405)를 구비한다. 목표위치 결정부(400)는 기준위치에 대한 제1 목표위치의 좌표를 측정하여 수직 암(210) 및 수평 암(230)의 이동량 및 턴 테이블(102)의 회전각을 계산하는 데이터를 제공한다. 이 데이터에 의하여 구동부는 머니퓰레이터의 수직 암(210), 수평 암(230) 및 턴 테이블(102)을 자동으로 제어한다.

엔드 이펙터(300)는 유인 장치(310), 그립퍼(gripper, 320) 및 절단 수단(330)을 구비한다. 유인 장치(310)는 수확 대상물의 가지(1)를 포획하여 그립퍼(320) 내로 유인하며, 그립퍼(320)는 유인된 가지(1)를 결속하며, 절단 수단(330)은 결속된 가지(1)를 절단한다. 상기 유인, 결속 및 절단 작업은 작업대(100)에 있는 작업자가 원격으로 제어함으로써 수행된다.

작업자의 원격 제어를 위하여 영상획득부(410)가 사용된다. 영상획득부(410)는 엔드 이펙터(300) 또는 머니퓰레이터(200)의 상부 또는 하부에 설치될 수 있다. 획득된 영상은 수신기(receiver, 미도시)를 통하여 디스플레이부(430)에 나타난다. 디스플레이부(430)는 머니퓰레이터(200)의 하부에 설치될 수 있으며, 작업자가 이를 보고 엔드 이펙터(300)를 원격으로 제어한다. 이를 위하여 작업자는 명령입력부를 이용하여 엔드 이펙터(300)를 제어한다.

해지 수단(340)은 결속된 절단 가지(1)의 결속을 엔드 이펙터(300)로부터 해지한다. 해지 수단(340)은 머니퓰레이터의 수평 암(230)의 하부에 위치한다. 해지된 수확 대상물의 가지(1)는 이송 장치(350)에 의하여 저장 수단으로 이송된다.

작업대(100)가 작업지의 경사에 무관하게 수평으로 유지할 수 있도록 작업대(100)에는 자세안정화 수단(120)이 설치된다. 자세안정화 수단(120)은 작업대(100)의 네 곳에 설치되며, 각각 작업대(100)의 수직방향으로 신축함으로써 작업대(100)를 항상 수평하게 유지한다. 작업대(100)의 하부에는 바퀴가 설치되어 있어서 작업지 사이를 이동할 수 있다.

이하에서는 전정 수확 시스템(10)을 구성하는 각 구성요소를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머니퓰레이터(200)를 도시하는 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 라인을 따라 절개한 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 머니퓰레이터(200)는 수직 암(210)과 수평 암(230)을 구비한다. 수직 암(210)은 작업대(100)에 실질적으로 수직한 방향으로 신장 및 수축이 가능하며, 수평 암(230)은 수직 암(210)의 일단에 결합하며, 수직 암(210)과 실질적으로 직각인 방향으로 신장 및 수축이 가능하다.

수직 암(210)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1 내지 제6 수직 암(211, 212, 213, 214, 215, 216)으로 이루어진다. 제1 수직 암(211)은 제2 수직 암(212)의 내부로 슬라이딩되며, 제2 수직 암(212)은 제3 수직 암(213)의 내부로 슬라이딩되며, 제3 수직 암(213)은 제4 수직 암(214)의 내부로 슬라이딩되며, 제4 수직 암(214)은 제5 수직 암(215)의 내부로 슬라이딩되며, 제5 수직 암(215)은 제6 수직 암(216)의 내부로 슬라이딩된다. 즉, 제1 수직 암(211)과 제2 수직 암(212)이 하나의 슬라이딩 암이 되며, 마찬가지로 제2 수직 암(212)과 제3 수직 암(213)도 하나의 슬라이 딩 암이 된다. 이와 같이 수직 암(210)은 복수 개의 슬라이딩 암을 구비한다.

본 발명의 수직 암(210)의 수는 도면에 도시된 6개로 한정되지 아니하며, 본 발명에서는 작업 영역의 높이를 약 12m 까지 확보하기 위하여 각 230cm인 6개의 수직 암(210)을 사용하였다.

각 슬라이딩 암의 내부 암과 외부 암은 서로 겹치면서 슬라이딩할 수 있도록 단면의 크기가 서로 다르다. 슬라이딩 시 내부 암과 외부 암 사이의 유격에서의 마찰을 줄이기 위하여 내부 암과 외부 암의 상부와 하부에 윤활용 플라스틱 판(미도시)을 장착할 수 있다. 수직 암(210)의 재질은 예를 들면, 알루미늄 합금일 수 있다.

수평 암(230)도 수직 암(210)과 마찬가지로 복수 개의 슬라이딩 암을 구비한다. 다만, 그 수는 달라질 수 있다. 본 발명에서는 반경 방향으로의 작업 영역을 약 3.5m 까지 확보하기 위하여 각 230cm인 3개의 수평 암(230)을 사용하였다.

도 4a 내지 4d는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 수직 암(210)이 차례로 신장하는 모습을 도시하는 도면이다.

제2 수직 암(212)의 상부 외면 및 하부 내면에는 각각 도르레(212a, 212b)가 고정 부착된다. 제3 내지 제6 수직 암(213, 214, 216)의 상부 외면 및 하부 내면에는 각각 도르레(213a,213b, 214a,214b, 215a,215b, 216a,216b)가 고정 부착된다. 제1 와이어로프(220)의 일단은 제1 수직 암(211)의 하부단에 연결되며, 제1 와이어로프(220)는 수직 암(210)에 부착된 도르레(212a,212b, 213a,213b, 214a,214b, 215a,215b, 216a,216b)를 차례대로 거쳐 제1 와이어로프 스풀(spool, 218)에 연결 된다. 제1 와이어로프 스풀(218)의 축은 구동 모터에 의하여 회전한다. 따라서, 구동 모터(219)의 회전량을 조절함으로써 제1 와이어로프(220)의 감김량을 조절하게 된다.

도 4a는 수직 암(210)이 완전히 수축된 모습을 보여준다. 제1 와이어로프(220)의 감김 방향으로 구동 모터(219)가 소정 각도 회전하면 제1 와이어로프 스풀(218)이 회전하며, 제1 와이어로프 스풀(218)의 회전에 의해 와이어 로프가 하부로 당겨진다. 그러면 제1 수직 암(211)이 제2 수직 암(212)으로부터 신장된다.

제1 수직 암(211)의 하부 내측에는 스프링 핀(미도시)이 장착되어 있으며, 스프링 핀은 결속용 솔레노이드(미도시)와 연결되어 결속용 솔레노이드에 의하여 구동된다. 평소에는 전류가 인가되지 않아서 스프링 핀에는 외측으로 향하는 힘이 작용하고 있다. 그리고 제2 수직 암(212)의 상부에는 상기 스프링 핀을 수용하는 홈이 형성된다. 따라서, 제1 수직 암(211)이 계속 신장되어 완전히 펼쳐지면 도 4b에 도시된 바와 같이 제1 수직 암(211)의 스프링 핀과 제2 수직 암(212)의 홈이 맞물려서 제1 수직 암(211)과 제2 수직 암(212)은 서로 결속된다.

계속하여 제1 와이어로프(220)를 잡아당기면 제1 및 제2 수직 암(211, 212)이 위로 신장된다. 제2 수직 암(212)이 제3 수직 암(213)에 대하여 완전히 펼쳐지면 상기한 방법에 의하여 도 4c에 도시된 바와 같이 제2 수직 암(212)과 제3 수직 암(213)은 서로 결속된다. 이와 같은 방식으로 슬라이딩 암은 결속된 상태로 신장된다.

머니퓰레이터의 수직 암(210)을 Z방향으로 수축시키는 방법을 설명한다. 수 직 암(210)이 수축하여 아래방향으로 내려오는 것은 자중에 의한다. 제6 수직 암(216)에 있는 결속용 솔레노이드에 전기신호를 가하면, 스프링 핀이 수축하여 제6 수직 암(216)과 제5 수직 암(215)의 결속이 해제된다. 따라서, 제5 수직 암(215)은 제1 내지 제5 수직 암(211, 212, 213, 214, 215)의 자중에 의하여 제6 수직 암(216)의 내부로 들어와서 머니퓰레이터의 수직 암(210)이 수축된다. 이와 같은 방법에 의하여, 원하는 길이 만큼 수직 암(210)의 길이를 조절할 수 있다.

도 5는 도 2에 도시된 머니퓰레이터의 수평 암(230)을 개략적으로 도시하는 도면이다. 수직 암(210)에서 설명한 것과 마찬가지로, 제2 및 제3 수평 암(232, 233)의 외측과 내측에는 각각 도르레(232a,232b, 233a,233b)가 고정 부착된다. 제2 와이어로프(240a)의 일단은 제1 수평 암(231)의 우측단에 연결되며, 제2 와이어로프(240a)는 수평 암(230)들에 부착된 도르레(231a,231b, 232a,232b)를 차례대로 거쳐 제2 와이어로프 스풀(238a)에 연결된다. 제3 와이어로프(240b)의 일단은 제1 수평 암(231)의 우측단에 연결되며, 제3 와이어로프(240b)는 각 수평 암(230)들을 관통하여 제3 와이어로프 스풀(238b)에 연결된다. 제2 및 제3 와이어로프 스풀(238a, 238b)의 축은 구동 모터(239)에 의하여 회전한다.

이 때, 제1 내지 제3 와이어로프 스풀(218, 238a, 238b)은 별개의 구동 모터에 의하여 개별적으로 구동될 수 있을 뿐만 아니라 하나의 구동 모터에 의하여 구동될 수 있다. 후자의 경우, 상기 하나의 구동모터로부터 상기 각 와이어로프 스풀에 전달되는 동력을 연결 또는 차단하는 클러치(미도시)가 구비되어야 한다. 클러치로 하나의 구동모터에 연결되는 각 와이어로프 스풀(218, 238a, 238b)을 선택 하여 개별적으로 구동할 수 있다. 이와 같이, 구동 모터의 회전량을 조절함으로써 제1 내지 제3 와이어로프(220, 240a, 240b)의 감김량을 각각 조절할 수 있다.

수평 암(230)을 반경 방향으로 신장하는 방법은 전술한 수직 암(210)을 신장하는 방법과 동일하다. 즉, 구동 모터(239)로 제2 와이어로프(240a)를 당기는 방향으로 제2 와이어로프 스풀(239a)을 회전시켜 제1 수평 암(231)을 제2 수평 암(232)에 대하여 신장시킨다. 제1 수평 암(231)이 계속 신장되어 완전히 펼쳐지면 제1 수평 암(231)의 스프링 핀과 제2 수평 암(232)의 홈이 맞물려서 제1 수평 암(231)과 제2 수평 암(232)은 서로 결속된다. 계속하여 제2 와이어로프(240a)를 잡아당기면 제1 및 제2 수평 암(231, 232)이 신장된다. 이와 같은 방식으로 수평 암(230)의 슬라이딩 암은 결속된 상태로 신장된다.

수평 암(230)을 반경방향으로 수축시키는 방법을 설명한다. 구동 모터(239)를 제3 와이어로프(240b)의 감김 방향으로 구동하면 제3 와이어로프 스풀(238b)이 회전하고, 제3 와이어로프(240b)가 오른쪽으로 당겨진다. 이때, 제2 수평 암(232)에 있는 결속용 솔레노이드에 전기신호를 가하면, 스프링 핀이 수축하여 제1 수평 암(231)과 제2 수평 암(232)의 결속이 해제되고, 제1 수평 암(231)이 제2 수평 암(232)의 내부로 슬라이딩된다. 계속하여 제3 와이어로프(240b)를 우측으로 당기면 제1 및 제2 수평 암(231, 232)은 제3 수평 암(233)의 내부로 들어와서 반경 방향으로 수축된다. 이와 같은 방법에 의하여, 원하는 길이 만큼 수평 암(230)의 반경 방향으로의 길이를 조절할 수 있다.

본 발명에서는 머니퓰레이터의 일 실시예로서 도르레들, 제1 내지 제3 와이 어로프 및 체결나사의 무게를 제외한 수직 암(210)은 29.46kg, 수평 암(230)은 8.25kg로 총 37.71kg이다. 그리고 엔드 이펙터(300)와 CCD 카메라의 중량을 포함하여 최대 40kg이 되도록 구성하였다. 이 경우, 도르레의 직경은 2cm이고, 와이어로프의 직경은 2mm이며, 와이어로프는 스테인레스 와이어를 사용하였다. 그러나, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되지 아니함은 물론이다.

머니퓰레이터(200)에 전술한 바와 같은 와이어 구동방식을 적용함으로써 경량화 및 저가화를 달성할 수 있으며, 종래의 수확 로봇 시스템에 비하여 약 10여 m에 이르는 높은 위치까지 수확 작업을 할 수 있는 효과가 있다.

도 6은 도 1에 도시된 전정 수확 시스템의 작업대(100) 및 상기 작업대(100)의 자세안정화 수단(120)을 도시하는 사시도이다.

도면을 참조하면, 머니퓰레이터의 제6 수직 암(216)은 턴 테이블(102)에 실질적으로 수직하게 부착된다. 턴 테이블(102)은 작업대(100)의 중앙부에 위치하며, 작업대(100)에 대하여 수직 방향으로 회전한다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 턴 테이블(102)의 하부에는 회전축과 동심(同心)인 스프라켓(sprocket)이 결합되어 있다. 턴 테이블(102)을 구동하는 구동 모터의 축에도 스프라켓이 있으며, 구동 모터의 스프라켓과 상기 두 개의 스프라켓에는 체인이 감겨져 있다. 따라서, 구동 모터의 회전량을 제어함으로써 머니퓰레이터(200)의 θ 방향 회전각을 조절할 수 있다. θ 방향 회전각은 회전각 측정수단 예를 들면, 로터리 엔코더(rotary encorder)에 의하여 검출할 수 있다.

그러나, 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 아니하며, 턴 테이블(102)을 회전하는 다양한 실시예들이 존재할 수 있다. 예를 들면, 턴 테이블(102)의 회전축과 연동하는 스텝 모터(step motor)로 직접 구동할 수 도 있다. 또한, 감속비를 지닌 기어 트레인(train)을 턴 테이블(102)과 구동 모터 사이에 개재하는 구동 방법이 사용될 수 있다. 그리고 풀리와 벨트를 이용하여 구동할 수도 있다.

턴 테이블(102)에는 머니퓰레이터(200) 뿐만 아니라 작업자가 앉는 의자 및 수확 대상물을 저장하는 저장 수단 예를 들면, 수확 상자(130)가 위치될 수 있다. 따라서, 수확 대상물의 가지(1)를 가리키는 방향으로 턴 테이블(102)이 회전하면 의자도 함께 회전하여 작업자가 용이하게 엔드 이펙터(300)를 제어할 수 있게 한다. 그리고, 수확 상자(130)도 함께 회전하여 머니퓰레이터의 수평 암(230)의 하부로부터 이송되는 수확 대상물이 용이하게 담길 수 있다.

자세안정화 수단(120)은 작업대(100)의 모서리에 각각 설치된다. 각 자세안정화 수단(120)은 작업대(100)에 수직한 방향으로 개별적으로 신장과 수축이 가능하다. 자세안정화 수단(120)의 일 실시예로, 유압 실린더가 사용될 수 있다. 다른 실시예로, 래크 앤 피니언(rack and pinion)이 사용될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 피니언을 회전시키면 피니언의 회전운동이 래크의 수직 운동으로 변환하는데, 래크는 각 다리의 높낮이를 조절한다. 또 다른 실시예로, 전술한 머니퓰레이터의 수직 암(210)을 구동하는 와이어 구동 방식이 사용될 수 있다. 이 경우, 각 자세안정화 수단(120)의 와이어로프를 구동하는 각각의 와이어로프 스풀은 클러치를 이용하면 하나의 구동 모터로 구동할 수 있다.

상기와 같은 자세안정화 수단(120)을 구비함으로써, 본 발명의 전정 수확 시 스템(10)은 경사지에서나 반경방향으로 머니퓰레이터(200)가 길게 펼쳐졌을 경우에도 작업지의 지형에 관계없이 작업대(100)를 수평으로 위치시킬 수 있어서 작업 안정성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 작업대(100)의 하부에는 구동용 와이어로프 스풀 및 구동 모터, 제어부, 배터리 등을 장착할 수 있다.

도 7a 및 7b는 도 1에 도시된 전정 수확 시스템(10)의 작업 영역을 도시하는 도면이다. 도 7a에 도시된 빗금친 영역은 턴 테이블(102)을 θ 방향으로 θmin과 θmax 사이에서 회전하고 머니퓰레이터의 수평 암(230)을 반경 방향으로 Rmin과 Rmax 사이에서 신축함으로써 작업할 수 있는 영역이다. 도 7b에 도시된 빗금친 영역은 수직 암(210)을 Z 방향으로 Zmin과 Zmax 사이에서 신축하고, 수평 암(230)을 반경 방향으로 Rmin과 Rmax 사이에서 신축함으로써 작업할 수 있는 영역을 나타낸다. 이 때, 작업자의 평균 신장 등을 고려하여 Zmin은 200cm, Zmax는 1200cm로, Rmin은 150cm, Rmax는 350cm로 하였으며, θmin은 -22.5°, θmax는 22.5°로 설정하였다. 따라서, 과수 예를 들면, 감나무에서 감의 높이가 12m에 있는 경우에도 수확이 가능하다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 목표위치 결정부(400)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 8에 도시된 목표위치 결정부(400)는 머니퓰레이터 예를 들면, 제6 수직 암(216)에 부착된다. 목표위치 결정부(400)는 거리측정 수단(401), 수직각측정 수단(403) 및 수평각측정 수단(405)을 구비한다. 거리측정 수단(401)은 레이저 거리측정기 또는 초음파 거리측정기 등이 사용될 수 있다. 그리고 회전각측정 수단(403, 405)은 로터리 엔코더 등이 사용될 수 있다. 수직각 측정 기(403)는 제1 회전축과 동심을 이루고 설치되어 있고, 수평각 측정기(405)는 제2 회전축과 동심을 이루고 설치되어 있으며, 레이저 거리측정기(401)는 제1 회전축을 중심으로 상하로 회동 가능하다.

도 9는 도 8에 도시된 목표위치 결정부(400)로 수확 대상물의 가지의 위치를 결정하는 방법을 도시하는 도면이다. 작업자가 제1 회전축 및 제2 회전축을 회전시켜 레이저 거리측정기(401)로 제1 목표 위치 예를 들면, 수확 대상물의 가지(1)에 조준한다. 그러면, 레이저 거리측정에 의하여 기준 위치로부터 제1 목표 위치까지의 거리( )가 측정되고, 수직각 측정기(403)와 수평각 측정기(405)에 의하여 수직각(ψ) 및 수평각(θ)이 측정된다. 측정된 값으로부터 머니퓰레이터(200)의 수직방향 이동거리(Z) 및 반경방향 이동거리(r)를 수학식 1에 의하여 계산한다.

Z = sin(Ψ)

r = cos(θ)

이와 같이 본 발명은 작업자가 레이저 거리측정기(401)로 제1 목표위치를 조준하면, 기준위치에 대한 제1 목표위치의 좌표를 계산함으로써 인간이 수확 시스템을 보조하는 방식을 사용한다. 따라서, 영상 처리를 위하여 많은 시간과 장비가 소요되던 종래의 수확 로봇 시스템에 비하여 작업 속도 및 경제성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터의 유인 장치(310)를 개략적으로 도시하는 사시도이며, 도 10b는 도 10a에 도시된 유인 장치(310)가 수확 대 상물의 가지를 포획하는 모습을 도시하는 사시도이며, 도 10c는 도 10a에 도시된 유인 장치(310)가 포획된 수확 대상물의 가지(1)를 엔드 이펙터(300)쪽으로 유인하는 모습을 도시하는 사시도이다.

도 10a에 도시된 엔드 이펙터는 유인 장치(310), 그립퍼(320), 절단 수단(330)을 구비한다. 유인 장치(310)는 가이더(guider, 311), 슬라이딩 바(312) 및 유인 핑거(314)를 구비한다. 가이더(311)는 수평 암(230)이 연장하는 방향으로 배치되며, 그립퍼(320)의 상부에 장착된다. 가이더(311)에는 가이더(311)의 내부로 슬라이딩하는 슬라이딩 바(312)가 삽입하여 설치된다. 슬라이딩 바(312)는 가이더(311)의 좌측단을 통하여 좌우로 슬라이딩한다. 슬라이딩 바(312)의 외측 일단은 Y자 모양으로 형성되어 있다. 상기 Y자 모양의 일단에는 각각 유인 핑거(314)가 장착되는데, 각 유인 핑거(314)는 서로 마주보는 방향으로 절곡되어 있으며 탄성이 있는 재질로 되어 있다.

가이더(311)의 상부 면에는 길이 방향으로 그루브(groove)가 형성되고, 상기 그루브의 양단에는 각각 도르레(311a, 311b)가 장착된다. 제4 와이어로프(315a)의 일단은 슬라이딩 바(312)의 우측단에 연결되며, 제4 와이어로프(315a)는 가이더(311)의 좌측 상부에 있는 도르레(311a) 및 우측 상부에 있는 도르레(311b)를 차례대로 거쳐 제4 와이어로프 스풀(미도시)에 연결된다. 또한, 제5 와이어로프(315b)의 일단은 슬라이딩 바(312)의 우측단에 연결되며, 제5 와이어로프(315b)는 제5 와이어로프 스풀(미도시)에 연결된다.

제4 와이어로프 스풀 및 제5 와이어로프 스풀은 구동 모터에 의하여 선택적 으로 구동된다. 예를 들면, 제4 와이어로프 스풀을 회전시켜 제4 와이어로프(315a)를 우측으로 당기면 슬라이딩 바(312)는 좌측으로 신장하며, 제5 와이어로프 스풀을 회전시켜 제5 와이어로프(315b)를 우측으로 당기면 슬라이딩 바(312)는 우측으로 수축한다. 일 실시예로, 유인 장치의 슬라이딩 바(312)의 최대 신장 거리는 20cm일 수 있다. 유인 장치(310)를 구동하는 일 실시예로서 와이어 구동 방식을 예시하였으나, 신장과 수축을 할 수 있는 모든 수단 예를 들면, 공압 실린더, LM 가이드 등이 사용될 수 있다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 수확 대상물의 가지 부근에서 슬라이딩 바(312)를 좌측으로 신장하면 가지(1)가 유인 핑거(314)의 내부로 밀려 들어간다. 이후, 도 10c에 도시된 바와 같이 슬라이딩 바(312)를 우측으로 수축하면 유인 핑거(314)는 닫혀 있으므로 가지(1)가 빠져나가지 못하고 포획되어 후술할 그립퍼(320)로 유인된다. 이때, 유인 핑거(314)의 탄성은 나무의 종류에 따라서 다를 수 있다.

도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터의 그립퍼(320)를 도시하는 도면이며, 도 11b는 포획된 가지가 도 11a에 도시된 그립퍼(320)로 유인되는 모습을 도시하는 도면이며, 도 11c는 도 11a에 도시된 그립퍼(320)가 유인된 가지를 결속하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 11a에 도시된 그립퍼(320)는 본체(321), 가압부(323) 및 탄성부재(325)를 구비한다. 유인 핑거(314)는 머니퓰레이터의 수평 암(230)의 일단에 수평 암(230)의 연장방향으로 배치된다. 유인 핑거(314)의 일단에는 평행한 두 개의 돌출 바가 형성된다. 각 돌출 바에는 세 개의 통공이 나란하게 형성되며, 가압부(323)는 각 돌출 바의 통공에 끼워져서 서로 마주보는 방향으로 슬라이딩한다.

가압부(323)와 유인 핑거(314)의 돌출 바 사이에는 탄성 부재 예를 들면, 스프링(325)이 개재된다. 스프링(325)은 가압부(323)를 서로 마주보는 방향으로 가압한다. 각 가압부(323)의 외측단은 V자 형상으로 형성되어 있으며, V자 형상의 가이드 판(326)이 설치되어 있다. 따라서, 가이드 판(326)은 그립퍼 유인 핑거(314)의 사이로 유인된 가지(1)를 가압부(323)로 용이하게 인도하는 역할을 수행한다. 또한, 유인된 가지(1)가 가압부(323)로 들어왔는지를 검출하는 리미트 스위치(미도시)가 그립퍼(320)에 장착된다.

유인 장치(310)에 의하여 유인된 가지(1)는 가이드 판(326) 사이로 인도되며, 유인 장치(310)의 당기는 힘으로 유인된 가지(1)가 가압부(323)의 사이로 들어간다. 그러면, 리미트 스위치가 유인된 가지(1)를 검출하고 신호를 발생시켜 유인 장치(310)의 작동을 정지시킨다. 가압부(323)로 들어온 가지(1)는 스프링의 탄성력에 의하여 결속된다.

도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 이펙터의 절단 수단(330)을 도시하는 도면이며, 도 12b는 도 12a 도시된 절단 칼날이 결속된 가지를 절단하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 12a에 도시된 절단 수단(330)은 칼날(331) 및 칼날 구동 수단을 구비한다. 각 칼날(331)은 직각형태이며, 그립퍼의 유인 핑거(314)에 형성된 회전축을 중심으로 서로 마주보는 방향으로 회전한다. 각 칼날(331)의 내측 일단에는 제6 와이어로프(337)의 일단이 연결된다. 제6 와이어로프(337)는 Y자 형상으로 되어 있으며, 제6 와이어로프(337)의 타단은 제6 와이어로프 스풀(미도시)에 연결된다. 각 칼날(331)의 외측 일단과 그립퍼 유인 핑거(314)의 일단에는 각각 탄성 부재 예를 들면, 스프링(335)이 개재된다.

유인된 가지(1)가 그립퍼의 가압부(323) 사이로 들어오면 리미트 스위치는 검출 신호를 송신함으로써 절단 칼날(331)이 구동되는 시점을 알려준다. 그러면, 구동 모터로 제6 와이어로프 스풀을 회전시켜 제6 와이어로프(337)를 당기고 양 칼날(331)이 회전하여 결속된 가지(1)를 절단한다. 절단이 완료되면, 스프링의 복원력에 의해 칼날(331)이 원위치로 복귀한다. 절단된 가지(1)는 그립퍼 가압부(323)에 의하여 그립퍼(320)에 결속된 상태로 유지된다.

절단 수단(330)의 다른 실시예로, 회전톱(미도시)이 사용될 수 있다. 회전톱은 가이더(311)의 내부를 출입하는 슬라이딩 바(312)에 결합되어 있으며, 슬라이딩 바(312)는 와이어 구동방식으로 가이더(311)에 대하여 신장 및 수축을 한다. 리미트 스위치가 유인된 가지(1)의 결속 시점을 검출하면 회전톱이 외측으로 신장하면서 회전톱 날로 결속된 가지(1)를 절단하게 된다.

유인 장치(310)의 와이어로프 스풀 및 절단 수단(330)의 와이어로프 스풀은 클러치를 이용하여 하나의 구동 모터로 구동할 수 있다. 따라서, 하나의 구동 모터로 유인 장치의 슬라이딩 암(312) 또는 칼날(331)을 선택적으로 구동할 수 있어서 경량화 및 구조의 단순화에 유리하다.

도 13a는 수확 대상물이 엔드 이펙터(300)의 상부에 위치할 때의 엔드 이펙터(300)의 자세를 도시하는 도면이다. 엔드 이펙터(300)는 머니퓰레이터 수평 암(231)의 일단에 배치된다. 구체적으로 설명하면, 수평 암(231)의 일단에는 회전용 모터 예를 들면, 스텝 모터(250)가 고정된다. 회전용 모터(250)의 축에는 도면에 도시된 바와 같이 축방향으로 엔드 이펙터(300)가 직접 고정된다. 또한, 다른 부재(미도시)를 통하여 고정될 수 있다. 수확 대상물 예를 들면, 감이 달린 가지(1)가 아랫방향으로 쳐져있는 경우, 엔드 이펙터의 그립퍼(320)가 절단 수단(330)의 하부에 오도록 엔드 이펙터(300)의 자세가 정해진다.

만약 도 13b와 같이 감이 달린 가지(1)가 윗방향으로 형성된 경우, 엔드 이펙터(300)는 회전용 모터(250)의 회전에 연동하여 수평 암(230)의 중심을 축으로 180도 회전한다. 즉, 그립퍼(320)가 절단 수단(330)의 상부에 위치하므로 절단 수단(330)이 감이 달린 가지(1)를 자르더라도 그립퍼(320)가 감이 달린 가지(1)를 결속하게 된다. 이와 같이, 수확 대상물이 달린 가지(1)의 연장 방향에 따라 엔드 이펙터(300)를 소정 각도 회전하여 유인, 결속 및 절단 작업을 효율적으로 수행할 수 있다.

도 14는 도 10 내지 12에 도시된 엔드 이펙터(300)를 둘러싸는 보호구(338)를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 14에 도시된 보호구(338)는 엔드이펙터의 그립퍼(320)와 절단 수단(330)의 양측면부를 감싼다. 또한 그립퍼(320)의 전면을 감쌀 수도 있다. 보호구(338)는 연성 재료 예를 들면, 플라스틱 필름이나 우레탄 등이 사용될 수 있다. 따라서, 엔드 이펙터(300)가 이동하면서 주변의 가지(1)나 수확 대상물에 걸리는 것을 방지함으로써 진로의 방해나 수확 대상물의 낙과를 줄일 수 있다.

이와 같이 세밀한 작업이 요구되는 유인, 결속 및 절단 작업은 작업자가 영상을 보면서 원격으로 제어하는 방식을 사용한다. 따라서, 영상 처리를 위하여 많은 시간과 장비가 소요되던 종래의 시스템에 비하여 작업 효율성을 증가시킬 수 있다.

도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 해지 수단을 도시하는 사시도이며, 도 15b는 도 15a에 도시된 해지 수단에 의하여 결속된 가지가 해지되어 자유낙하하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 15a에 도시된 해지 수단(340)은 머니퓰레이터의 수평 암(233)의 하부에 평행하게 배치되게 장착된 해지 플레이트(340)를 구비한다. 해지 플레이트의 가지측 일면은 내측으로 굴곡된 형상이다. 가지(1)가 절단되면 수평 암(230)은 수축하고, 그립퍼(320)에 결속된 가지(1)는 해지 플레이트(340)쪽으로 수평 이동한다. 결속된 가지(1)가 더 이동하여 해지 플레이트(340)에 접촉하면, 해지 플레이트(340)는 가지(1)를 그립퍼의 가압부(323)로부터 외측으로 밀어낸다. 따라서, 결속된 가지(1)가 그립퍼(320)로부터 이탈됨으로써 그립퍼(320)와의 결속이 해지된다. 그리고 도 15b에 도시된 바와 같이 후술할 이송 장치로 자유 낙하한다.

도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 장치(350)를 개략적으로 도시하는 도면이며, 도 16b는 도 16a에 도시된 이송 장치(350)가 수확 대상물을 저장 수단에 적재하는 모습을 도시하는 도면이다.

도 16a에 도시된 이송 장치(350)는 이송판(351)을 구비하는데, 이송판(351)은 결속이 해재된 수확 대상물의 가지(1)가 놓여지는 판으로서, 해지 수단(340)의 하부에 위치된다. 이송판(351)은 낙하 충격으로 인한 수확 대상물의 손상을 최소화하기 위하여 이송판(351) 내부에 충격흡수부재 예를 들면, 스펀지, 우레탄 등이 부착될 수 있다. 그리고 수확 대상물의 가지(1)의 낙하 높이가 약 5cm 이하로 되도록 이송판(351)의 설치 위치를 적절히 조절할 필요가 있다.

제7 와이어로프(353)의 일단은 이송판(351)의 중앙부에 연결되고, 타단은 해지 플레이트(340)에 설치된 하나 이상의 도르레(355)를 거쳐 제7 와이어로프 스풀(미도시)에 연결된다. 제7 와이어로프 스풀 및 이를 구동하는 구동 모터(359)는 턴 테이블(102)상에 있는 모터 상자(357)내에 설치된다. 절단된 가지(1)가 이송판(351)위에 낙하하면, 자중에 의하여 수확 상자(130)쪽으로 이송된다. 이송판(351)이 모터 상자에 접촉하면 도면에 도시된 바와 같이 도 16b에 도시된 바와 같이 수확물의 자중에 의하여 수확상자 쪽으로 경사지게 된다. 따라서, 수확 대상물이 경사면으로 미끄러져 수확 상자(130)로 담긴다. 이때, 이송판(351)이 자유낙하함으로써 발생하는 충격하중으로 인한 손상을 방지하기 위하여 제7 와이어로프(353)에 댐퍼를 부착하여 일정속도로 분당 1m/sec의 속도를 유지하면서 이송하는 것이 바람직하다.

이송판(351)의 수확물 비움(unloading)이 완료되면, 다시 이송 장치의 제7 와이어로프 스풀을 구동 모터(359)의 동력으로 회전시키면 제7 와이어로프(353)가 잡아 당겨지고, 이송판(351)은 수평 암(230)의 하부인 원위치로 복귀되어, 다음 수확 대상물의 이송작업을 대기한다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이송 장치(350)를 도시하는 도면이 며, 도 18은 도 17에 도시된 이송 장치의 슈트 튜브(370)를 확대하여 도시한 도면이다. 도 17에 도시된 슈트 튜브(370)의 일단은 해지 수단(340)의 하부에 위치하며, 타단은 수확 상자(130)의 상부에 위치하도록 설치된다. 슈트 튜브(370)는 축방향으로 신축이 가능하고 자유롭게 구부러지고 이동할 수 있도록 하는 수단이 구비된다.

일 실시예로, 도 18에 도시된 바와 같이 슈트 튜브(370)에는 원주방향으로 복수 개의 튜브 링(373)이 형성되어 있다. 인접하는 튜브 링(373)의 사이에는 탄성 부재 예를 들면, 스프링(375)이 설치된다. 스프링(375)은 인접하는 튜브 링(373)을 상호 잡아당기는 방향으로 가압한다. 따라서, 자연상태에서 슈트 튜브(370)는 축방향으로 수축하는 힘을 받는다. 그러나, 수확물이 먼 곳에 위치하는 경우, 머니퓰레이터(200)가 수직 및 수평 방향으로 신장될 때 슈트 튜브(370)도 신장된다. 그리고, 머니퓰레이터(200)가 수직 및 수평 방향으로 수축되면 슈트 튜브(370)는 스프링(375)의 탄성에 의하여 함께 수축된다.

다른 실시예로, 도면에는 도시되지 않았으나 슈트 튜브(370)는 자체로 주름이 형성되어 있으며, 주름에 의하여 슈트 튜브(370)의 축방향으로 수축하게 하는 탄성력이 제공된다. 수확물이 먼 곳에 위치하여 머니퓰레이터(200)가 수직 및 수평 방향으로 신장되면 슈트 튜브(370)는 머니퓰레이터(200)가 이동하는 힘에 의하여 탄성력을 이기고 신장된다. 그리고, 머니퓰레이터(200)가 수직 및 수평 방향으로 수축되면 슈트 튜브(370)는 자체의 탄성력에 의하여 함께 수축된다.

머니퓰레이터(200)가 제1 목표 위치로 이동하면 슈트 튜브(370)도 그에 맞추 어 신축이 된다. 엔드 이펙터(300)에 의하여 절단된 수확 대상물의 가지(1)는 해지 수단(340)에 의하여 해지되고, 슈트 튜브(370) 안으로 투입된다. 투입된 수확 대상물의 가지(1)는 튜브의 내측면을 따라 수확 상자(130)까지 중력에 의하여 이동한다. 따라서, 슈트 튜브(370)를 사용하는 방식은 수확 대상물을 연속적으로 이송할 수 있는 장점이 있다. 한편, 튜브(370)의 내부에는 마찰 및 충격을 흡수할 수 있는 소재로 되는 것이 바람직하다. 본 슈트 튜브 방식은 수확물이 마찰과 충격에 잘 견디는 과수작물에 적합하다.

도 19은 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템(10)의 제어 시스템을 도시하는 블럭도이다. 전정 수확 시스템(10)의 제어 시스템은 제어부, 위치 결정부(400), 영상획득부(410), 디스플레이부(430), 명령입력부, 모터 제어기를 구비한다. 제어부는 마이크로 컨트롤러 및 영상 수신기(receiver)를 구비한다. 목표위치 결정부(400)로부터 측정된 데이터는 통신 인터페이스 예를 들면, RS232C에 의하여 제어부로 전송된다. 전송된 데이터는 제어부의 마이크로 컨트롤러에서 수학식 1에 의하여 제1 목표 위치값으로 계산된다. 상기 계산은 간단하여 inverse kinematics 계산은 불필요하며 단순히 곱셈 및 삼각함수만 계산하면 된다. 따라서, 본 발명에서는 마이크로 컨트롤러로서 Amtel 사의 AVR Atmega 128 마이크로 컨트롤러를 사용하였다.

제어부는 모터 제어기와의 인터페이스를 통하여 머니퓰레이터(200), 엔드 이펙터(300), 회전 유닛, 해지 수단(340), 이송 장치(350) 및 자세안정화 장치를 구동한다. 특히, 목표위치 결정부(400)로부터 측정된 제1 목표 위치 데이터에 따라 제어부는 머니퓰레이터의 수평 암(230), 수직 암(210) 및 회전 유닛을 구동한다. 와이어로프 스풀 구동을 위하여는 DC 모터가 사용될 수 있으며, DC 모터를 제어하는 방법으로 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방법을 사용할 수 있다.

영상획득부(410)는 머니퓰레이터(200)가 제1 목표 위치로 이동한 후의 수확 대상물의 가지 주변의 영상을 촬영한다. 영상획득부(410)는 영상획득 수단 예를 들면, 무선 CCD 카메라를 구비한다. CCD 카메라는 엔드 이펙터(300)의 상단에 설치될 수 있다. 본 발명의 카메라에 대한 일 실시예로서 41만 화소(pixel)의 해상도를 가지며 중량이 37g인 초경량으로 30m의 거리에서 영상신호의 수신이 가능한 무선 CCD 카메라를 사용하였다. 무선 CCD 카메라로부터 출력된 신호는 일반 모니터에 사용할 수 있는 비디오 신호이다.

디스플레이부(430)는 무선 CCD 카메라의 영상신호를 수신기로 받아서 모니터에 표시하는 장치로서, 일반 LCD 모니터 등을 사용할 수 있다. 디스플레이부(430)는 머니퓰레이터의 수직 암(210)에 설치되어 작업자가 용이하게 볼 수 있다. 따라서, 영상획득부(410)는 수확 대상물의 가지(1) 근처의 영상을 촬영하고, 디스플레이부(430)는 촬영된 영상을 작업자에게 보여준다. 작업자는 수확 대상물의 가지(1) 근처의 영상을 보면서 엔드 이펙터(300)를 원격으로 제어한다.

명령입력부는 작업자가 엔드 이펙터(300)를 구동하는 명령을 입력하는 명령입력 수단으로서, 예를 들면, 조이스틱, 상하좌우 버튼부 또는 터치스크린등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 일 실시예로서 터치스크린 방식을 사용하였다. 명령입력부를 통하여 입력된 신호는 제어부로 들어가고, 제어부는 모터 제어기를 구 동하여 엔드 이펙터의 유인 장치(310), 그립퍼(320) 및 절단 수단(330)을 구동한다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전정 수확 시스템(10)의 수확 작업의 흐름을 도시하는 순서도이다.

전정 수확 시스템(10)을 작업지로 이동한 후(s10), 자세안정화 수단(120)을 이용하여 작업대(100)를 지면의 경사도와 무관하게 수평으로 맞춘다.(s20) 작업자가 레이저 거리측정기(401)로 수확 목표물을 조준한다. 그러면 거리측정기(401)와 수평각 측정기(405) 및 수직각 측정기(403)로부터 측정된 값이 제어부로 입력 및 연산되어 머니퓰레이터(200)의 제1 목표위치를 결정한다.(s30)

제1 목표위치가 결정되면, 제어부는 모터 제어기를 구동하는 출력 신호를 발생시킨다. 출력 구동 신호에 의하여 모터 제어기는 회전 유닛, 머니퓰레이터의 수직 암(210) 및 수평 암(230)을 구동시킨다. 따라서, 머니퓰레이터(200)의 일단에 부착된 엔드 이펙터(300)는 수확 대상물의 가지(1)로부터 약 10cm 정도 떨어진 제1 목표위치로 이동한다.(s40)

이후, CCD 카메라로 수확 대상물의 가지(1) 주위의 영상을 촬영한다.(s50) 촬영된 신호는 수신기로 보내진다. 수신기는 작업대(100)에 위치한 LCD 모니터와 연결되어 있어서, 작업자는 촬영된 영상을 LCD 모니터를 통하여 볼 수 있다.(s60)

작업자는 영상을 보면서 명령입력부를 통하여 엔드 이펙터(300)를 구동하는 명령을 내린다. 입력된 명령은 제어부를 통하여 모터 제어기를 구동한다. 수확 대상물의 가지(1)의 진행 방향에 맞추어 엔드 이펙터(300)의 자세를 회전시켜 제2 목표 위치로 회전시킨다.(s70) 또한, 모터 제어기는 유인 장치(310), 그립퍼(320) 및 절단 수단(330)을 구동하는 각각의 와이어로프 스풀을 구동하는 모터를 구동시킨다.

그럼으로써 엔드 이펙터의 유인 장치(310)는 수확 대상물의 가지(1)를 그립퍼(320) 내로 유인한다.(s80) 그립퍼(320)는 유인된 가지(1)를 결속한다.(s90) 유인된 가지(1)의 위치를 리미트 스위치가 검출하면, 절단 수단(330)을 구동하는 구동신호가 발생되고, 절단 수단(330)은 가지(1)를 절단한다.(s100)

가지(1)가 절단되면 머니퓰레이터의 수평 암(230)이 수축되고, 수축되면서 절단된 가지(1)는 해지 수단(340)에 밀려 그립퍼(320)로부터의 결속이 해지된다.(s110)

분리된 수확 대상물은 이송 장치(350)에 의하여 저장 수단 예를 들면, 수확 상자(130)까지 이송된다.(120) 이송 장치(350)는 전술한 바와 같이 와이어로프로 구동되는 이송판(351)에 실려 이송된다. 뿐만 아니라, 수평 암(230)의 하부로부터 수확 상자(130)까지 연결된 슈트 튜브(370)를 통해 수확된 가지(1)가 연속적으로 이송될 수도 있다. 전자의 방식을 사용할 경우, 수확 대상물이 수확 상자(130)로 비워지고 난 후 이송판(351)은 다시 원위치로 복귀하고 다음 수확 대상물을 대기한다.(s130)

지금까지 설명한 수확 방법은 가지를 전정하는 전정 작업에도 적용될 수 있다. 다만, 수확 작업과의 차이는 그립퍼(320)로부터 해지된 가지를 수확 상자(130)로 이송하지 않는다는 점이다. 구체적으로 살펴보면, 이송 장치(350)로서 이송판(351)을 이용하는 경우에는 이송판(351)을 해지 수단(340)의 하부에 두지 않고, 머니퓰레이터(200)의 하부에 위치시키면 된다. 이송 장치(350)로서 슈트 튜브(370)를 사용하는 경우 슈트 튜브(370)를 제거해 놓기만 하면 된다.

본 발명에 따른 전정 수확 시스템은 와이어 구동방식을 사용함으로써 경량화 및 저가화를 달성할 수 있으며, 높은 곳에 위치한 과수도 수확할 수 있다.

또한, 목표위치 결정 및 엔드 이펙터의 동작을 작업자가 영상을 보면서 원격으로 제어함으로써 작업속도 및 효율성을 향상시키고 다양한 작업 환경에 대한 대처 능력이 뛰어나다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

작업대;

상기 작업대에 실질적으로 수직한 방향으로 신장과 수축이 가능한 수직 암(arm) 및 상기 수직 암과 연결되고 상기 수직 암과 실질적으로 직각인 방향으로 신장과 수축이 가능한 수평 암을 구비하는 머니퓰레이터(manipulator); 및

상기 수평 암의 일단에 배치되며, 수확 대상물의 가지를 유인하고 결속하며, 절단하는 장치를 구비하는 엔드 이펙터(end effector)를 포함하는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 머니퓰레이터의 수직 암 및 수평 암의 각각은

서로 슬라이딩하는 내부 암 및 외부 암을 구비하는 복수 개의 슬라이딩 암;

상기 외부 암에 부착된 적어도 하나의 도르레;

와이어로프 스풀; 및

일단이 상기 내부 암 중 최내부 암에 연결되고, 상기 도르레를 거쳐, 타단이 상기 와이어로프 스풀에 연결되는 와이어로프를 포함하며,

구동모터로 상기 각 와이어로프 스풀의 감김량을 제어하여 상기 외부 암에 대하여 상기 내부 암의 신장 또는 수축을 제어하는 전정 수확 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 구동모터로부터 상기 각 와이어로프 스풀에 전달되는 동력을 연결 또는 차단하는 클러치를 이용하여 상기 하나의 구동모터로 상기 수직 암 또는 수평 암을 선택적으로 구동하는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 수직 암의 축을 기준으로 상기 수직 암을 회전시키는 회전 유닛을 더 포함하며, 상기 회전 유닛은

상기 수직 암이 결합된 턴 테이블(turn table); 및

상기 턴 테이블을 상기 작업대에 대하여 회전시키는 모터를 포함하는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는

상기 수확 대상물의 가지를 상기 수평 암이 수축하는 방향으로 잡아당기는 유인 장치;

상기 유인된 가지를 결속하는 그립퍼(gripper); 및

상기 결속된 가지를 절단하는 절단 수단을 포함하는 전정 수확 시스템.
제5 항에 있어서, 상기 유인장치는

상기 수평 암의 축방향으로 슬라이딩하는 슬라이딩 바(bar); 및

상기 슬라이딩 바의 일단에 서로 마주보도록 부착되며, 각각 마주보는 방향으로 절곡되어 상기 슬라이딩 바가 외부로 슬라이딩할 때 상기 수확 대상물의 가지가 밀려 들어오고, 상기 슬라이딩 바가 내부로 슬라이딩할 때는 가지가 빠져나가지 못하도록 잡아당기는 유인 핑거(finger)를 포함하는 전정 수확 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 유인 장치는

상기 슬라이딩 바가 내부로 슬라이딩하는 가이더(guider);

상기 가이더에 부착되는 도르레;

와이어로프 스풀; 및

일단이 상기 슬라이딩 바의 일단에 연결되며, 상기 도르레를 거쳐, 타단이 상기 와이어로프 스풀에 연결되는 와이어로프를 포함하며, 구동모터로 상기 와이어로프 스풀의 감김량을 제어하여 상기 가이더에 대하여 상기 슬라이딩 암을 구동하는 전정 수확 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 그립퍼는

상기 수평 암의 일단에 연결되며, 평행한 두 개의 돌출 바를 구비하는 본체;

상기 각 돌출 바로부터 서로 마주보는 방향으로 슬라이딩하는 가압부;

상기 유인된 가지가 상기 가압부에 들어왔는지 여부를 검출하는 근접검출 수단; 및

상기 돌출 바와 가압부 사이에 개재되며, 상기 각 가압부를 서로 가까워지는 방향으로 가압하는 탄성부재를 포함하는 전정 수확 시스템.
제5 항에 있어서, 상기 절단 수단은

상기 그립퍼의 상부 또는 하부에 설치된 축을 중심으로 회동하는 적어도 하나의 칼날; 및

상기 칼날을 구동하는 구동 수단을 포함하는 전정 수확 시스템.
제9 항에 있어서, 상기 구동 수단은

와이어로프 스풀;

일단이 상기 칼날에 연결되며, 타단은 상기 와이어로프 스풀에 연결되는 와이어로프;

상기 와이어로프를 지지하는 도르레;

상기 와이어로프 스풀의 감김량을 제어하여 상기 칼날을 구동하는 구동 모터; 및

상기 칼날을 원위치로 복귀시키는 탄성력을 제공하는 스프링을 포함하는 전정 수확 시스템.
제 5항에 있어서,

상기 엔드 이펙터는 상기 그립퍼 및 상기 절단 수단의 적어도 측면부를 둘러싸는 보호 수단을 더 구비하는 전정 수확 시스템.
제7 항 또는 제10 항에 있어서,

상기 구동모터로부터 상기 각 와이어로프 스풀에 전달되는 동력을 연결 또는 차단하는 클러치를 이용하여 상기 하나의 구동모터로 상기 슬라이딩 암 또는 칼날을 선택적으로 구동하는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 결속된 수확 대상물의 가지를 상기 엔드 이펙터로부터 분리하는 해지 수단을 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제13 항에 있어서, 상기 해지 수단은

상기 수평 암의 하부에 위치되며, 상기 결속된 수확 대상물의 가지를 상기 수평 암의 신장 방향으로 해지력을 제공하는 해지 플레이트인 전정 수확 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 수확 대상물의 가지를 저장 수단까지 이송하는 이송 장치를 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제15 항에 있어서, 상기 이송 장치는

상기 해지된 수확 대상물의 가지를 수용하는 이송판;

와이어로프 스풀;

일단이 상기 이송판에 결합되며, 타단이 상기 와이어로프 스풀에 연결되는 와이어 로프; 및

상기 와이어 로프를 지지하는 도르레를 포함하며, 구동모터로 상기 와이어로프 스풀의 감김량을 제어하여 상기 가이더에 대하여 상기 슬라이딩 암을 구동하는 전정 수확 시스템.
제15 항에 있어서, 상기 이송 장치는

일단이 상기 해지 수단의 하부에 위치되며, 타단이 저장 수단의 상부에 위치되는 슈트 튜브를 포함하며,

상기 슈트 튜브에는 상기 튜브의 축방향으로 수축하도록 탄성력이 가해지는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 머니퓰레이터 수평 암의 일단에 고정되는 회전용 모터를 더 포함하며, 상기 엔드 이펙터는 상기 회전용 모터의 축에 연동되어 상기 수평 암의 중심을 축으로 회동 가능한 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

적어도 상기 머니퓰레이터 및 상기 엔드 이펙터를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제19 항에 있어서,

상기 제어부로 입력되는 명령을 입력하는 명령입력부를 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제18 항에 있어서,

상기 수확 대상물의 가지를 포함한 영상을 획득하는 영상획득부; 및

상기 획득한 영상을 보여주는 디스플레이부를 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 수확 대상물의 가지의 위치를 결정하는 목표위치 결정부를 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제22 항에 있어서,

상기 목표위치 결정부는 거리측정 수단과 회전각측정 수단을 구비하는 전정 수확 시스템.
제23 항에 있어서,

상기 거리측정 수단은 레이저 거리측정기 또는 초음파 거리측정기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나이며, 상기 회전각측정 수단은 로터리 엔코더인 전정 수확 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 작업대에 수직한 방향으로 개별적으로 신장과 수축이 가능한 네 개의 자세안정화 수단을 더 포함하는 전정 수확 시스템.
제25 항에 있어서,

상기 각 자세안정화 수단은 유압에 의하여 구동되는 전정 수확 시스템.
제25 항에 있어서,

상기 각 자세안정화 수단은 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키는 기어 트레인을 구비하는 전정 수확 시스템
제25 항에 있어서, 상기 각 자세안정화 수단은

작업대의 수직방향으로 서로 슬라이딩하는 내부 암 및 외부 암을 구비하는 슬라이딩 암;

적어도 상기 외부 암의 내면과 외면에 부착된 도르레;

와이어로프 스풀; 및

일단이 상기 내부 암 중 최내부 암에 연결되고, 상기 도르레를 거쳐, 타단이 상기 와이어로프 스풀에 연결되는 와이어로프를 포함하며, 구동모터로 상기 와이어로프 스풀의 감김량을 제어하여 상기 외부 암에 대하여 상기 내부 암의 신장 또는 수축을 제어하는 전정 수확 시스템.
제 28항에 있어서,

상기 구동모터로부터 상기 각 와이어로프 스풀에 전달되는 동력을 연결 또는 차단하는 클러치를 이용하여 상기 하나의 구동모터로 상기 각 자세안정화 수단을 선택적으로 구동하는 전정 수확 시스템.
작업대에 실질적으로 수직한 수직 암 및 수평한 수평 암을 각각 신장 및 수축하고 상기 수직 암의 축을 기준으로 상기 수직 암을 회전시킴으로써 상기 수평 암의 일단에 연결된 엔드 이펙터를 제1 목표 위치로 이동시키는 단계;

상기 엔드 이펙터를 제2 목표 위치로 회전시키는 단계;

상기 엔드 이펙터로 수확 대상물의 가지를 유인하는 단계;

상기 유인된 가지를 결속하는 단계; 및

상기 결속된 가지를 절단하는 단계를 포함하는 전정 수확 방법.
제30 항에 있어서,

상기 엔드 이펙터를 제1 목표 위치에 이동시키는 단계 이전에,

거리측정 수단과 회전각측정 수단을 이용하여 상기 제1 목표 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는 전정수확 방법.
제 30항에 있어서,

영상획득부를 통하여 상기 수확 대상물의 가지를 포함하는 영상을 획득하는 단계; 및

상기 획득한 영상을 디스플레이부로 출력하는 디스플레이 단계를 더 포함하는 전정 수확 방법.
제30 항에 있어서,

상기 제2 목표 위치로 회전시키는 단계, 상기 가지를 유인하는 단계, 결속하는 단계 및 절단하는 단계는 작업자가 명령입력부를 통하여 명령을 입력함으로써 이루어지는 전정 수확 방법.
제30 항에 있어서,

상기 절단된 가지를 상기 엔드 이펙터로부터 분리하는 해지 단계를 더 포함하는 전정 수확 방법.
제34 항에 있어서,

상기 해지된 가지를 저장 수단에 이송하는 단계를 더 포함하는 전정수확 방 법.
제30 항에 있어서,

상기 작업대를 수평한 자세로 유지하는 자세안정화 단계를 더 포함하는 전정수확 방법.