Development of Multi-functional Tele-operative Modular Robotic System For Watermelon Cultivation in Greenhouse

There have been worldwide research and development efforts to automate various processes of bio-production and those efforts will be expanded with priority given to tasks which require high intensive labor or produce high value-added product and tasks under hostile environment. In the field of bio-production capabilities of the versatility and robustness of automated system have been major bottlenecks along with economical efficiency. This paper introduces a new concept of automation based on tole-operation, which can provide solutions to overcome inherent difficulties in automating bio-production processes. Operator(farmer), computer, and automatic machinery share their roles utilizing their maximum merits to accomplish given tasks successfully. Among processes of greenhouse watermelon cultivation tasks such as pruning, watering, pesticide application, and harvest with loading were chosen based on the required labor intensiveness and functional similarities to realize the proposed concept. The developed system was composed of 5 major hardware modules such as wireless remote monitoring and task control module, wireless remote image acquisition and data transmission module, gantry system equipped with 4 d.o.f. Cartesian type robotic manipulator, exchangeable modular type end-effectors, and guided watermelon loading and storage module. The system was operated through the graphic user interface using touch screen monitor and wireless data communication among operator, computer, and machine. The proposed system showed practical and feasible way of automation in the field of volatile bio-production process.

생물생산에 요구되는 다양한 작업들을 생력화하기 위한 연구 개발 노력이 전세계적으로 활발히 추진되어 왔다. 이러한 연구 개발은 주로 노동집약적인 작업, 고부가가치 농산물을 생산하기 위한 작업 그리고 작업자에 유해한 또는 가혹한 환경하의 작업 등에 주안점을 두고 추진되고 있다. 하지만, 생물생산 분야의 생력화를 추진하는데 있어서 다양한 작업성과 강건성이라는 작업성능 측면에서의 기술적인 문제와 고가의 시스템 및 설비 비용에 따른 경제성 문제가 항상 걸림돌이 되어 왔다. 본 연구에서는 언급한 문제점들 외에 기계가동률, 유지보수 등 생물생산분야의 생력화에 있어 내재되고 있는 문제점들을 효율적으로 해결하기 위하여 무선 원격로봇 시스템에 의거한 새로운 생력화 개념을 제안하였다. 새로운 개념의 생력화는 주어진 작업을 성공적으로 수행하기 위하여 작업자(농민), 컴퓨터 그리고 로봇을 위시한 자동화 작업설비를 대상으로 상대적으로 수월성을 갖는 기능을 중심으로 역할을 분담하는 것이다. 또한 시설재배에 요구되는 전정, 관수, 방제, 제초, 수확, 운반 등과 같은 다양한 작업들을 노동 투하정도와 기능적 유사성 측면을 고려하여 일관적으로 작업을 생력화하는 방안을 제시하였고 제안한 개념을 구현할 수 있는 시스템을 개발하였다. 대상 작목으로는 중량으로 인하여 비교적 취급이 어려운 수박을 선택하였다. 개발 시스템은 크게 무선원격 모니터링 및 작업제어 모듈, 무선원격 영상 획득 및 데이터 송수신 모듈, 4자유도 직교좌표형 로봇 암을 장착한 갠트리 장치부, 교체가 가능한 모듈형 선단 작업장치, 수박 운반 적재모듈의 5개 하드웨어 모듈로 구성하였다. 개발한 시스템은 그래픽 사용자 인터페이스를 통하여 터치 스크린 모니터를 이용하여 작업자와 컴퓨터간의 인터페이스를 구현하였으며 무선 원격데이타 송수신과 분산 제어기를 이용하여 작업자와 컴퓨터 그리고 로봇 작업기간의 인터페이스와 시스템 제어를 구현하였다. 개발 시스템의 성능을 시험하여 결과를 제시하였으며 본 논문에서 제안한 새로운 개념의 생력화 시스템은 생물생산분야의 생력화 방향을 새롭게 제시하는 실질적이고 실현 가능한 시스템이라는 것을 보여주었다.