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문제 정의
- 따라서 본 연구는 참외의 재배환경과 수확 동작의 변수들을 적용하여 참외의 엔드이펙트 중에서 소프트 핸드링이 가능한 그립퍼와 참외 줄기를 절단하는 커터를 설계하기 위한 기초 요인을 분석하였다.
- 본 연구는 시설재배에서 참외를 수확할 수 있는 로봇의 엔드이펙터를 개발하기 위한 전단계로서, 참외의 엔드이펙트 중에서 소프트 핸드링이 가능한 그립퍼와 참외 줄기를 절단하는 커터를 설계하기 위해 참외의 기하학, 압축, 절단, 마찰 특성 등을 분석하였다. 그 결과 참외의 길이는 평균 108mm, 직경은 중간지점에서 평균 70mm, 중량은 평균 188g, 부피는 평균 333mL, 진원도는 평균 3.
제안 방법
- 참외의 기하하적 측정은 그립퍼의 핑거부분을 설계하기 위한 것으로, Fig. 1(a)에 3D스캐너(LPX-60, Roland, Japan)를 이용하여 측정된 참외의 기하학적 형상을 모델링한 후 참외의 길이(L), 직경(D), 부피(V) 등을 각각 산출하였다. 특히 직경은 Fig.
- 참외의 중심으로부터 참외의 표면까지 형상의 불균일한 정도는 그립을 할 때 그립퍼의 핑거 형상과 구조 설계에 있어서 중요하다. 3D 모델링 된 참외의 형상을 이용하여 참외의 직경에 대해서 불균일한 정도를 진원도로 판단하였다. 참외의 진원도는 식(1)과 같이 원형 형체를 2개의 동심인 기하학적 원 사이에 넣었을 때 동심인 2개 원의 간격이 최소가 되는 경우에 외접원와 내접원의 반지름의 차로 구하였다.
- 참외 수확로봇이 수확 동작을 행하는 과정에서 먼저 참외를 그립하고 꼭지부위의 줄기를 절단하는 절차를 수행하기 때문에 참외를 잡는 그립퍼의 압축력, 줄기를 절단하는 커터의 형상 등이 설계의 중요한 인자이다. 따라서 참외의 기하학적 측정, 압축, 절단, 마찰 시험 등을 통해 엔드이펙터의 설계에 필요한 기초 요인을 분석하였다.
- 중량(W)은 저울(FX-2000, AND, Japan)을 이용하여 측정하였다. 또한 커터를 설계하기 위하여 참외 줄기의 중심 위치와 줄기의 직경도 측정하였다.
- 4(b)에서 참외 시편은 표면으로부터 두께 약 2mm로 박편하여 참외 표면이 피마찰재와 접촉되도록 어댑터에 고정하였다. 시험 하중은 3N, 시험 속도는 100mm/min, 시험 시간은 60sec로 설정하였으며, 피마찰재별로 3회 반복하여 마찰력을 측정하였다. 참외 표면의 마찰계수는 식(3)과 같이 시험 하중과 측정된 마찰력을 나누어 마찰계수를 산출하였다.
- 3과 같이 면도날 어댑터를 물성측정기에 장착하였고, 줄기의 시편은 참외의 꼭지부에서 길이를 약 30mm로 절단한 후 어댑터에 고정시킨 후 절단하였다. 시험 항목은 최대응력, 절단강도, 절단력을 측정하였다.
- 2와 같으며, 가로 × 세로 크기는 약 20 × 20mm, 두께는 약 8mm로 하였다. 압축력 측정에서는 시편의 종류를 수확 직전의 노란색 참외와 덜 익은 푸른색의 참외로 나누었으며, 꼭지부와 중간지점, 배꼽부의 3지점으로 각각 실험하여 최대 응력, 압축강도, 경도를 측정하였다.
- 참외 줄기의 절단 시험은 커터의 절단력을 설계에 적용하기 위한 것으로, Fig. 3과 같이 면도날 어댑터를 물성측정기에 장착하였고, 줄기의 시편은 참외의 꼭지부에서 길이를 약 30mm로 절단한 후 어댑터에 고정시킨 후 절단하였다. 시험 항목은 최대응력, 절단강도, 절단력을 측정하였다.
- 참외 표면의 마찰시험은 그립퍼의 핑거 설계에 적용하기 위한 것으로, Fig. 4와 같이 마찰계수측정기(FCMS170, Neoplus, Korea)를 이용하여 시험하였다. 피마찰재 시편의 크기는 70 × 150 × 3mm로 제작하였고, 피마찰재는 고무, 스테인레스, 알루미늄, 테프론을 이용하였다.
- 참외는 수확 직전의 참외를 수확하여 사용하였으며, 참외 줄기는 수확 시에 꼭지부에서부터 약 5cm 여유가 있도록 샘플링하였다. 참외의 기하학적 측정에서는 상품화가 가능한 참외 50개를 이용하여 측정하였고, 압축시험에서는 수확 직전의 노란색 참외와 덜 익은 푸른색의 참외로 구분하여 측정하였다.
- 참외의 압축 시험은 그립퍼의 설계에 적용하기 위한 것으로, 물성측정기(Compac-100 II, Sun Scientific Co., Japan)를 이용하여 측정하였다. 참외의 압축 시험은 Fig.
대상 데이터
- 공시재료는 품종이 부자꿀인 성주군에서 재배된 참외를 이용하였다. 참외는 수확 직전의 참외를 수확하여 사용하였으며, 참외 줄기는 수확 시에 꼭지부에서부터 약 5cm 여유가 있도록 샘플링하였다.
- 사용된 참외의 시편은 Fig. 2와 같으며, 가로 × 세로 크기는 약 20 × 20mm, 두께는 약 8mm로 하였다.
- 공시재료는 품종이 부자꿀인 성주군에서 재배된 참외를 이용하였다. 참외는 수확 직전의 참외를 수확하여 사용하였으며, 참외 줄기는 수확 시에 꼭지부에서부터 약 5cm 여유가 있도록 샘플링하였다. 참외의 기하학적 측정에서는 상품화가 가능한 참외 50개를 이용하여 측정하였고, 압축시험에서는 수확 직전의 노란색 참외와 덜 익은 푸른색의 참외로 구분하여 측정하였다.
- 피마찰재 시편의 크기는 70 × 150 × 3mm로 제작하였고, 피마찰재는 고무, 스테인레스, 알루미늄, 테프론을 이용하였다.
데이터처리
- 1. Geometric test of the melon using the 3D-scanner.
- 또한, 참외의 중량(W)에 대하여 길이(L)와 직경(D2)을 변수로 하는 지수함수인 식(2)로 나타내었으며, 이를 비선형회귀분석(NLIN)을 통하여 상관관계가 있는지 분석하였다(SAS, 2011).
성능/효과
- 그 결과 참외 줄기의 절단력과 절단강도는 각각 2.87 ± 0.94 × 10−2N과 5.60 ± 1.08N/cm2로 나타났다.
- 본 연구는 시설재배에서 참외를 수확할 수 있는 로봇의 엔드이펙터를 개발하기 위한 전단계로서, 참외의 엔드이펙트 중에서 소프트 핸드링이 가능한 그립퍼와 참외 줄기를 절단하는 커터를 설계하기 위해 참외의 기하학, 압축, 절단, 마찰 특성 등을 분석하였다. 그 결과 참외의 길이는 평균 108mm, 직경은 중간지점에서 평균 70mm, 중량은 평균 188g, 부피는 평균 333mL, 진원도는 평균 3.8mm로 나타났다. 참외의 중량(W)에 대하여 길이(L)와 직경(D2)을 변수로 하는 식 W=La × Db2 로부터 비선형 회귀분석을 실시한 결과 a는 2.
- 길이(L)는 95~119mm의 범위로 평균 108mm, 직경은 길이방향으로 꼭지부에 30%되는 부위(D1)에서 50~68mm의 범위로 평균 60mm, 중간부(D2)에서 60~79mm의 범위로 평균 70mm, 배꼽부(D3)에서 30%되는 부위에서는 56~76mm의 범위로 평균 69mm로 측정되었다. 중량은 138~254g의 범위로 평균 188g, 부피는 200~460mL이며, 평균 333mL로 측정되었다.
- 진원이 아니기 때문에 4개의 핑거가 동시에 파지되지 않고, 1개의 핑거부터 파지 후 나머지 핑거가 파지되기 때문에 먼저 파지된 참외 표면에 손상을 줄 우려가 크다. 따라서 핑거 부위에 약 5mm의 쿠션이 좋은 재질의 패드를 장착하는 것이 안정된 그립을 하는데 좋을 것으로 판단되었다.
- 따라서, 참외의 그립퍼의 핑거 부분에 마찰계수가 높은 고무 등의 재료를 이용한다면 알루미늄 보다 약 2배 정도의 파지력을 가질 수 있기 때문에, 핑거 부위에 쿠션이 좋으면서 마찰계수가 높은 재질의 패드를 장착하는 것이 안정된 그립을 하는데 좋을 것으로 판단되었다.
- 9998의 상수값을 가지는 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 이는 참외의 길이와 직경의 판독만으로 참외의 중량을 예측이 가능하며, 참외를 그립하여 운반할 때 엔드이펙터의 구동력 산출에 이용할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 참외는 수확특성상 참외의 손상을 줄이기 위해 그립이 파지상태를 유지하기 위한 최소의 파지력으로 그립하여 수확하는 것이 바람직하며, 참외가 파손이나 영구변형이 일어나기 전 표피와 과육이 손상되지 않고 상품성을 유지하기 위해서는 핑거부분의 접촉면적을 크게 하여 힘의 분포를 분산시키고, 쿠션이 좋은 재질을 핑거에 부착하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 참외 위치와 그립퍼 동작에 따른 위치오차의 발생이 있고, 수확 전 참외의 꼭지부가 수평으로 놓여 있지 않고 아래쪽이나 위쪽을 향한 경우가 있기 때문에 커터의 길이는 최소한으로 중심부보다 아래쪽으로 더 길게 위치하도록 설계가 필요할 것이다. 또한, 앞서 참외의 기하학적 특성으로부터 꼭지부가 배꼽부보다 직경이 작은 경향을 나타내어 꼭지부의 줄기를 절단할 때 줄기 위치를 검출하는 하나의 인자로 적용될 수 있을 것으로 판단되었다.
- 079로 나타났다. 분석된 자료를 토대로 엔드이펙터 설계시 동작에 따른 위치 오차와 안전율을 감안하여, 그립퍼의 및 커터의 크기, 선회반경, 설치위치, 구동모터의 동력, 재료 및 재질의 선정 등에 적용할 수 있을 것으로 판단되었다.
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