원예작물 수확로봇에 사용되는 엔드이펙터의 국내외 연구동향

김재현 ( Jae-hyeon Kim ),황영배 ( Young-bae Hawng ),신창섭 ( Chang-seop Shin ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

밭작물의 수확작업의 경우 대부분 인력으로 수행하고 있어 부족한 농업 노동력에 비하여 인력 의 존도가 높은 실정이다. 최근 밭작물의 소득증가에 따른 재배 확대와는 상반되게 논농사와 밭농사의 기계화율을 비교해보면 ‘18년 기준 벼농사는 98.2%이지만, 밭농업은 60.2%로 논농사에 비해 현저 히 낮다(2017 농업기계 이용실태조사). 밭작물의 경우 정형화되지 않은 작업 환경과 불확실성 때문 에 기계화를 진행시키는데 많은 과제를 안고 있다. 밭작물 수확기계 중 원예작물 수확의 기계화 과 정에서 사람의 팔과 같은 역할을 할 로봇 기술의 적용이 유효할 것으로 기대된다. 원예작물 수확 로 봇에서 원예작물에 손상을 가하지 않게 하기 위하여 엔드 이펙터의 개발은 필수적이다. 이에 본 연 구에서는 기동, 공간, 기계 및 원예 요건을 고려한 다양한 형태의 엔드 이펙터의 연구 동향에 대하 여 정리해보고자 하였다. 수확로봇의 성능을 판별하기 위해 수확속도, 수확성공률 뿐만 아니라 수확 과정 중 발생하는 과실에 대한 손상과 식물에 발생하는 손상도 또한 명확한 기준으로 판별해야 한 다. 엔드이펙터는 대상 작물에 직접적인 작업을 수행하기 때문에 엔드이펙터의 특성에 따라 수확과 정 중 주변 줄기, 과실에 대한 손상 등이 발생할 수 있다. 즉, 수확로봇 성능에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 요소이다. 수확하고자하는 작물의 생육적 특징과 주변 환경에 따라 엔드이펙터는 그리퍼, 커터, 진공흡착기 등 다양한 형태가 이용될 수 있다. 이러한 연구 및 개발이 지속됨에 따라 머지않 아 상용화 수준의 수확용 엔드이펙터가 개발되어질 것으로 예상되며 원예작물 수확 로봇에 있어 중 요한 역할을 할 것으로 기대한다.

산업용 로봇의 일정한 방향성 생성

이승황,양승한,박용국 한국공작기계학회 2001 한국생산제조학회지 Vol.10 No.2

In general, there are many degrees of freedom(DOFs) in industrial robot. So they have many poses of several special end-effector's positions and orientations. For that reason, industrial robots are used in a wide scope of industrial applica-tions such as welding, spray painting, deburring, and so on. In this research, an off-line continuous path planning method based on linear interpolation with parabolic blend is developed. The method safely maintains the constant orientation for base frame and end-effector's path within allowable error and minimizes the number of segments in path. This algorithm may apply to welding and painting in which the orientation is particularly significant. The simulation study of cartesian curve is carried out to show the performance of this algorithm.

볼트 체결 로봇 엔드 이펙터의 정렬클립 위상 최적화

이승윤(Seung Yoon Lee),이정석(Jung Suk Lee),임홍재(Hong Jae Yim),이동근(Dong-Kun Lee),이용권(Yong Kwun Lee) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.11

In this study, topology optimization technique is presented for the alignment clip of the construction robot which fastens bolts. In this process, the alignment clip aligns the bolt hole of H-beam. During aligning process the stress which occurs at the alignment clip exceeds the yield stress. The new design is made by using the topology optimization program based on original design and then the stress is analyzed through the static analysis. This process is repeated until the maximum stress is below allowable stress.

엽채류 자동 수확을 위한 2개의 독립형 엔드 이펙터의 개발

최동운(Dongwoon Choi),이덕연(Duk-Yeon Lee),고광은(Ko KwangEun),강재현(Jaehyeon Kang) 대한기계학회 2025 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2025 No.12

효율적인 수확을 위한 새로운 형태의 통합 엔드이펙터: 절단, 흡착, 이송 모듈

박용현 ( Yonghyun Park ),설재휘 ( Jaehwi Seol ),박정현 ( Jeonghyeon Pak ),조유성 ( Yuseong Jo ),손형일 ( Hyoung Il Son ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

수확 로봇 연구는 작물 인식을 위한 로봇의 능력을 평가하고 수확을 위한 작물에 접근하는 연구 뿐만 아니라 절단 작업을 수행하는 엔드이펙터의 성능을 개선하기 위한 다양한 연구도 시도되었다. 그러나 작업시 로봇의 제어, 작물 인식 등 오차로 인하여 절단해야 할 줄기에 엔드이펙터가 정확히 위치하기 어려우며 이는 작물 손상을 유발한다. 그러므로 본 문제를 고려하여 엔드이펙터를 설계해야 한다. 본 연구에서는 효율적인 수확을 위해 절단, 흡착, 이송 모듈을 포함한 새로운 형태의 통합 엔드이펙터를 제안하였다. 제안된 엔드이펙터는 실제 농업 종사자가 작물을 수확하는 방법과 유사하게 잡기, 절단, 이송과정을 수행한다. 또한, 견인 서포터에 의해 줄기가 원형톱 까지 견인되는 구조로 설계하여 위치에 오차가 발생하여도 줄기가 절단 영역 범위 내로 입력되면 줄기 절단이 가능해 안정적이고 즉각적인 수확 작업을 진행할 수 있다. 이를 통해 수확 시간이 단축되고 수확 자동화의 목표인 생산성이 향상된다. 실제 작물을 수확할 수 있도록 절단, 흡착, 이송에 필요한 기능을 명시하고 모듈로 분리하였고, 각 모듈에 대해 예비 실험을 통해 구현을 검증하였다. 검증된 각 모듈을 엔드이펙터에 통합하여 필드 테스트를 진행하였다. 세 가지 환경에서 총 160개의 군집 토마토가 수확하였다. 그리고 줄기가 기울어지는 상황을 연출하기 위해 엔드이펙터 진입 각도를 변경하여 실험을 진행하였다. 총 수확 성공률은 80.63%, 수확 시간은 13.5초이며, 본 실험 결과는 엔드이펙터의 진입 각도를 변경하면서 실험을 진행한 결과이므로 환경이나 제어로 인한 오차를 대응 가능함을 확인하였다. 제안된 통합 엔드이펙터는 실제 환경에서 수확 로봇을 위한 엔드이펙터로써 적용 가능할 것으로 판단된다.

로봇 수확을 위한 RGB 영상 기반 오이 자세 인식 기술 개발

강승우 ( Seung-woo Kang ),조수현 ( Soo-hyun Cho ),이대현 ( Dae-hyun Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

본 연구는 시설오이 로봇 수확을 위한 엔드이펙터 개발을 위해 수행되었으며, 엔드이펙터의 수확을 위한 접근 자세를 결정하기 위해 오이의 2D 자세를 인식하였다. 자세 인식 기술은 딥러닝 모델을 이용하여 구성하였으며 자세히는 세분화 모델인 U-Net의 구조를 단순화 한 후 오이 영상을 학습하였다. 오이 영상은 별도의 수집 장치를 통해 다양한 자세의 영상을 획득하였으며, 웹 다운로드를 통해 추가 영상을 확보하였다. 영상학습을 위한 주석은 오이 자세 결정을 위한 주요 키포인트의 좌표 선정 후 이를 가우시안 커널을 통해 확률분포화하여 사용하였으며, 학습을 위한 손실은 IoU 손실을 이용하였다. 학습결과, 반복에 따라 손실값은 지속적으로 감소하여 0.02 근처에서 포화되었으며, 이 때 학습 종료 및 가중치 값을 예측에 사용하였다. 학습모델의 예측 결과는 활성화 분포로 자세 평가를 위한 좌표로 변환되었으며, 이를 시각화하여 평가한 결과, 엔드이펙터의 수확 자세 결정을 위한 유의미한 정보 제공이 가능하였으나 일부 영상 중 오이가 휘어진 경우에 대해서는 형상이 정확히 자세에 반영되기 어려움을 알 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 대부분의 영상에서 오이 및 줄기의 실제 위치보다 약간의 편차가 발생되었지만 자세 인식에 대한 가능성을 보였으며, 다양한 영상 수집 및 주요 키포인트의 다양화를 통해 실제 수확 메커니즘에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

문어 빨판과 종이접기에서 영감받은 오이수확로봇의 엔드-이펙터를 위한 석션 컵 설계

조유성 ( Yuseung Jo ),박용현 ( Yonghyun Park ),손형일 ( Hyoung Il Son ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

머니퓰레이터를 사용한 수확 과정에서 흔들리기 쉬운 작물을 수확하려고 할 때 엔드-이펙터에 석션 모듈을 장착하여 작물을 지지한 후 절단 과정을 수행하는 연구가 존재한다. 마찬가지로 오이 또한 수확 과정 중 흔들리는 경우가 많아 작물을 지지할 필요가 있다. 그러나 이러한 상황에서 기존의 일반적인 돔 형태의 석션 컵으로는 오이의 굴곡이 많은 표면 형상으로 인해 초기 부착이 쉽지 않다. 마찬가지로 일반적인 석션 컵은 절단 과정에서 석션에 외력이 주어질 경우 진공 유지가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 오이 수확 로봇을 위한 문어 빨판과 종이접기 구조에서 영감받은 석션 컵을 제안한다. 설계 목표로서 석션 컵은 오이의 굴곡진 표면에도 초기 흡착이 이루어져야 하며, 절단 과정의 외력에도 흡착이 유지되어야 한다. 목표에 따라 제안된 석션 컵의 흡착은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. (1) 오이가 문어 돌기에 먼저 접촉하여 초기 흡착된다. (2) 이후 종이접기 구조로 인해 석션 컵이 접히며 오이에 완전히 흡착되게 된다. 이 과정에서 제안된 석션은 오이의 표면 곡률에 따라 접히며 일반적인 석션보다 외력에 더 강인하도록 설계하였다. 제안된 석션 컵의 성능 평가를 위해 이전 연구에서 제작된 엔드-이펙터의 석션 컵과 오이 흡입 성능을 비교하였다. 결과적으로 설계한 바와 같이 오이 수확을 위한 흡입 과정에서 오이 표면 형상에 따라 석션 컵이 변형됨을 확인하였다. 또한 제한된 석션은 절단 과정에서의 외력에서도 흡착이 유지됨을 확인하였다. 따라서 제안된 석션 컵이 오이 수확 로봇의 엔드-이펙터에 석션 모듈로 적합함을 확인하였다.

사과 수확 로봇용 엔드이펙터의 설계 요인 분석

장호승 ( Hoseung Jang ),김나은 ( Na-eun Kim ),윤창호 ( Changho Yun ),김조철 ( Jocheol Kim ),권경도 ( Kyung-do Kwon ) 한국농업기계학회 2025 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.30 No.2

시설재배 참외 수확 로봇 개발

하유신,김태욱 (사) 한국생물환경조절학회 2014 생물환경조절학회지 Vol.23 No.2

Oriental melon (Cucumis melo var. makuwa) should be cultivated on the soil and be harvested. It is difficultto find because it is covered with leaves, and furthermore, it is very hard to grip it due to its climbing stems. Thisstudy developed and tested oriental melon harvesting robots such as an end-effector, manipulator and identificationdevice. The end effector is divided into a gripper for harvest and a cutter for stems. In addition, it was designed tocontrol the gripping and cutting forces so that the gripper could move four fingers at the same time and the cuttercould move back and forth. The manipulator was designed to realize a 4-axis manipulator structure to combineorthogonal coordinate-type and shuttle-type manipulators with L-R type model to rotate based on the central axis. With regard to the identification device, oriental melon was identified using the primary identification global viewcamera device and secondary identification local view camera device and selected in the prediction of the sugar contentor maturity. As a result of the performance test using this device, the average harvest time was 18.2 sec/ea, averagepick-up rate was 91.4%, average damage rate was 8.2% and average sorting rate was 72.6%. 참외 재배환경은 토양 위의 수평바닥에서 재배된 것을수확하여야 하며, 참외가 잎으로 덮여져 있어 인식이 어렵고, 덩굴성 줄기로 인해 참외를 그립하기에도 매우 불리하다. 이러한 재배환경에 적합하도록 엔드이펙트, 머니퓰레이터, 인식장치 등의 참외 수확 로봇을 개발하였고이를 시험하였다. 엔드이펙터는 수확물을 잡기 위한 그립퍼와 줄기를 절단하는 커터로 구분되며, 그립퍼는 4개의 핑거가 동시에 구동하고, 커터는 2개로 전후진 동작이 되도록 설계하여 파지력과 절단력을 제어할 수 있도록 하였다. 머니퓰레이터는 중심축을 기준으로 회전을하는 L-R형 모델에 직교 좌표형과 셔틀형 머니퓰레이터를 조합한 4축 매니플레이트 구조로 설계하였다. 인식장치는 1차 인식장치인 GVC와 2차 인식장치인 LVC를이용하여 참외를 식별하고 그 중에서 당도나 숙도를 예측하여 선별하였다. 이 장치를 이용하여 로봇의 성능시험을 한 결과 수확시간은 평균 18.2sec/ea, 픽업율은 평균 91.4%, 손상율은 평균 8.2%, 선별율은 평균 72.6%로나타났다.

엔드이펙터형 보행재활로봇의 토크 보상 메커니즘

한정우(Jeong-woo Han),김영환(Yeong Hwan Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

A torque compensation system has been studied in order to compensate the torque, in the direction of gravity, of the actuators of an end effector type gait rehabilitation robot. In the compensation system, a gas spring has been used, analyzed with the consideration of locations of installation and the following spring forces, and designed not to be exposed during the operation. The validity has been proved from the comparison of the analytic and experimental results before and after torque compensation. Based on the validity, the optimization of the system has been proposed with the consideration of patient’s allowed maximum weight.