착유로봇 시스템은 움직이는 젖소의 유두 위치를 정확하게 검출해야 하고, 로봇 매니퓰레이터는 검출된 유두 위치값을 추적하여 착유컵이 유두에 장착하도록 제어되어야 한다. 제안된 착유로봇 매니퓰레이터는 위치검출 레이저 센서를 이용하여 유두를 스캐닝하고 임베디드 구동제어장치를 통하여 독립된 3축 브러쉬리스 서보 구동제어 메커니즘에 의하여 구현된다. 이 로봇 매니퓰레이터는 유두 위치검출용 레이저센서, 4개의 착유컵, 3축 x, y, z축의 매니퓰레이터, g축 방향 이송기능을 가진 유두인 식장치와 착유컵 구동장치, 임베디드 구동제어장치와 자동 밀크 제어라인으로 구성된다. 제안된 로봇시스템은 구동시스템 전체가 전기구동방식으로 설계되어 있기 때문에 구조가 간단하고, 저가로 제작이 가능하며, 구동시에 소음이 적기 때문에 젖소의 심적 안정성을 줄 수 있는 장점을 가지고 있다. 설계된 로봇은 축산과학원 농장에서 젖소를 대상으로 실험을 실시하였으며, 실험결과에 의하여 설계사양의 성능조건이 만족됨을 확인하였다.
착유로봇 시스템은 움직이는 젖소의 유두 위치를 정확하게 검출해야 하고, 로봇 매니퓰레이터는 검출된 유두 위치값을 추적하여 착유컵이 유두에 장착하도록 제어되어야 한다. 제안된 착유로봇 매니퓰레이터는 위치검출 레이저 센서를 이용하여 유두를 스캐닝하고 임베디드 구동제어장치를 통하여 독립된 3축 브러쉬리스 서보 구동제어 메커니즘에 의하여 구현된다. 이 로봇 매니퓰레이터는 유두 위치검출용 레이저센서, 4개의 착유컵, 3축 x, y, z축의 매니퓰레이터, g축 방향 이송기능을 가진 유두인 식장치와 착유컵 구동장치, 임베디드 구동제어장치와 자동 밀크 제어라인으로 구성된다. 제안된 로봇시스템은 구동시스템 전체가 전기구동방식으로 설계되어 있기 때문에 구조가 간단하고, 저가로 제작이 가능하며, 구동시에 소음이 적기 때문에 젖소의 심적 안정성을 줄 수 있는 장점을 가지고 있다. 설계된 로봇은 축산과학원 농장에서 젖소를 대상으로 실험을 실시하였으며, 실험결과에 의하여 설계사양의 성능조건이 만족됨을 확인하였다.
The milking robot system is very important to detect correctly the teats position in the moving condition of cow. Also, the robot manipulator must control tracking the teat cup to the detected teat position. The presented milking robot is designed using the one point laser sensor for teat position d...
The milking robot system is very important to detect correctly the teats position in the moving condition of cow. Also, the robot manipulator must control tracking the teat cup to the detected teat position. The presented milking robot is designed using the one point laser sensor for teat position detection. The teats of cow are detected by the laser scanning unit and the manipulator has the function of 3 axes moving control unit. The presented teat detection method and the electrical driving manipulator have the advantages of a simple, low cost and very quiet. The designed manipulator is realized by the totally electrical motor and servo poison control algorithm with velocity PID compensation. The presented robot is realized using the teat detection unit, 4 teat cups, 3 axes robot arm, 6 servo motors and automatic milking control line. The designed robot is experimented in the cow farm and is satisfied with the designed performance specification for milking robot manipulator.
The milking robot system is very important to detect correctly the teats position in the moving condition of cow. Also, the robot manipulator must control tracking the teat cup to the detected teat position. The presented milking robot is designed using the one point laser sensor for teat position detection. The teats of cow are detected by the laser scanning unit and the manipulator has the function of 3 axes moving control unit. The presented teat detection method and the electrical driving manipulator have the advantages of a simple, low cost and very quiet. The designed manipulator is realized by the totally electrical motor and servo poison control algorithm with velocity PID compensation. The presented robot is realized using the teat detection unit, 4 teat cups, 3 axes robot arm, 6 servo motors and automatic milking control line. The designed robot is experimented in the cow farm and is satisfied with the designed performance specification for milking robot manipulator.
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문제 정의
본 논문에서는 국내 농가의 국제 시장 경쟁력 강화, 농가의 착유작업의 해결, 젖소 복지를 고려한 착유 자동화, 자동화장비 도입에 따른 농가의 경제적 문제 해소를 위하여 착유로봇 국산화 탐색모델을 연구한다. 국내 농가에 적합한 저가 보급형의 착유로봇을 설계를 목표로 착유로봇의 매니퓰레이터와 임베디드 구동제어 시스템을 설계한다.
제안 방법
유두의 상대적 위치를 측정하기 위하여 적갈색의 베타딘 용액을 젖소의 유두에 바르고 A3(420mm ×279mm) 크기의 종이를 사용하여 유두의 위치를 찍어 조사한다. 각 착유우별 출산 차이, 비유 경과 일수(분만 후 경과일수)를 바탕으로 아침과 저녁의 각 산유량을 측정하였다. 4개의 유두가 이루는 평면적인 유두면적, 앞ㆍ뒤 유두간격, 좌ㆍ우 앞뒤 유두간격, 기준 유두에서 근접한 유두사이가 이루는 각도인 유두내각을 측정한 결과는 그림 2와 같다.
본 논문에서는 국내 농가의 국제 시장 경쟁력 강화, 농가의 착유작업의 해결, 젖소 복지를 고려한 착유 자동화, 자동화장비 도입에 따른 농가의 경제적 문제 해소를 위하여 착유로봇 국산화 탐색모델을 연구한다. 국내 농가에 적합한 저가 보급형의 착유로봇을 설계를 목표로 착유로봇의 매니퓰레이터와 임베디드 구동제어 시스템을 설계한다.
운용모드가 수동모드이면 유두인식장치와 착유로봇 3축 매니퓰레이터는 각각 수동조작이 된다. 또한 자동모드이면 유두인식장치의 레이저센서를 이용하여 유두를 위치값을 스캐닝 함으로써 유두위치를 검출하게 된다.
유두인식장치 및 착유컵 구동장치에 대한 성능실험을 위하여, 그림 13과 그림 15와 같이 매니퓰레이터를 구현하고 움직일 수 있는 모형 젖소를 대상으로 Lab실험을 실시하였다. 또한, 그림 14와 같이 레이저센서를 이용한 유두인식 및 착유컵 장착 실험을 실시하였다.
착유우의 체위와 유두 측정값에 의하여 착유로봇 매니퓰레이터의 동적범위 x축은 앞뒤발간의 최대거리, y축은 착유컵 구동장치가 착유우 배면에 직각으로 위치할 수 있는 90°, z축은 착유우의 배면높이를 기준으로 설정한다. 또한, 착유컵 구동장치 구동축 g축과 구동거리는 유두위치 거리를 기준으로 움직이는 젖소의 유두에 착유컵을 정확하게 장착하는데 필요한 추적성과 속응성을 고려하여 표 2와 같이 매니퓰레이터와 착유컵 구동장치의 구동속도와 착유컵 장착오차를 설정한다.
설계된 매니퓰레이터의 추종성능을 검증하기 위하여 그림 16과 같이 착유로봇 매니퓰레이터의 초기 위치상태에서 위치명령에 의한 시간응답 실험을 실시하였다. 착유컵 구동축 g축과 매니퓰레이터의 각축 x, y, z축에서 시간응답특성을 측정한 결과는 그림 17과 같으며, g, x, z축 출력신호는 각축에 설치된 LVDT 센서에 의하여 측정되었으며, y축은 회전형 포텐시오미터에 의하여 검출되었다.
설계된 착유 매니퓰레이터는 착유 및 세척작업에 필요한 유두인식장치, 착유컵 구동장치를 젖소의 유방으로 이송할 수 있도록 구동력을 제공한다. 특히 착유 매니퓰레이터는 x, y, z축 간이 상호 독립된 축이다.
실험결과 매니퓰레이터의 x, y, z축과 착유컵 구동축 g축이 초기 위치상태에서 젖소 유두를 인식하고, 착유컵을 장착하는 도달시간을 측정하였다. 이 도달시간 tx = 2.
유두의 상대적 위치를 측정하기 위하여 적갈색의 베타딘 용액을 젖소의 유두에 바르고 A3(420mm ×279mm) 크기의 종이를 사용하여 유두의 위치를 찍어 조사한다.
감지거리가 100∼400 [mm]이고 동적대역폭이 100[Hz]인 레이저센서가 적용되었다. 유두인식장치 및 착유컵 구동장치에 대한 성능실험을 위하여, 그림 13과 그림 15와 같이 매니퓰레이터를 구현하고 움직일 수 있는 모형 젖소를 대상으로 Lab실험을 실시하였다. 또한, 그림 14와 같이 레이저센서를 이용한 유두인식 및 착유컵 장착 실험을 실시하였다.
착유로봇 시스템은 움직이는 젖소의 유두 위치를 정확하게 검출하고, 로봇 매니퓰레이터는 검출된 유두 위치값을 추적하여 착유컵이 장착되어야 한다. 제안된 착유로봇 매니퓰레이터는 위치검출 레이저 센서를 이용하여 유두를 스캐닝하고 임베디드 제어장치를 통하여 독립된 3축 구동메커니즘에 의하여 제어된다. 이 로봇 매니퓰레이터는 유두 위치검출용 레이저센서, 4개의 착유컵, 3축 매니퓰레이터, 임베디드 제어유닛과 자동 밀크 제어라인으로 구성된다.
착유로봇 매니퓰레이터 제어성능 검증을 위하여 그림 13과 그림 14와 같이 실험실에서 모형 젖소에 대한 착유로봇 매니퓰레이터 설계 제작되었다.
착유로봇 매니퓰레이터를 설계하기 위하여 국내 보급된 젖소 홀스테인(Holstein)종을 대상으로 하였다. 축산과학원의 젖소 11두에 대한 착유우의 체위를 측정하여 착유로봇의 스톨과 매니퓰레이터의 설계제원의 표준화 작업을 실시하였다.
대상 데이터
감지거리가 100∼400 [mm]이고 동적대역폭이 100[Hz]인 레이저센서가 적용되었다.
제안된 로봇시스템은 구조가 간단하고 저가이며, 로봇 매니퓰레이터가 전동기를 사용함으로써 전기구동 소음이 적다는 장점을 가지고 있다. 설계된 로봇은 수원 축산과학원에서 젖소를 대상으로 실험을 실시하였으며, 그림 16과 같은 착유실험을 통하여 착유로봇의 설계 성능조건에 대하여 만족함을 확인하였다.
설계된 착유로봇 시스템은 수원소재 축산과학원의 젖소목장을 대상으로 착유성능 실험이 실시되었다. 본 실험은 젖소에 착유로봇을 그림 16과 같이 적용한 실험을 수행하였다.
유두인식장치는 그림 5와 같이, 젖소의 4개 유두에 대한 위치각 및 거리를 검출하기 위하여 100∼400[mm]의 위치검출이 가능한 레이저 센서, 센서 고정대와, 구동력을 제공하는 볼스크류와 샤프트, 리니어 부시, 서포트 유닛, 서보모터와 LVDT센서로 구성된다.
제안된 착유로봇 매니퓰레이터는 위치검출 레이저 센서를 이용하여 유두를 스캐닝하고 임베디드 제어장치를 통하여 독립된 3축 구동메커니즘에 의하여 제어된다. 이 로봇 매니퓰레이터는 유두 위치검출용 레이저센서, 4개의 착유컵, 3축 매니퓰레이터, 임베디드 제어유닛과 자동 밀크 제어라인으로 구성된다.
착유로봇 매니퓰레이터를 설계하기 위하여 국내 보급된 젖소 홀스테인(Holstein)종을 대상으로 하였다. 축산과학원의 젖소 11두에 대한 착유우의 체위를 측정하여 착유로봇의 스톨과 매니퓰레이터의 설계제원의 표준화 작업을 실시하였다.
성능/효과
또한 1일3회 착유를 하면, 산유량이 경산우는 18%, 초산우는 25%가 증가하였다. Imag Dlo의 연구결과에서 보면, 착유횟수가 증가할 수록, 우유에 포함된 체세포수가 감소하여, 우유 품질이 향상되었다. 또한 착유 시 체온 및 전도도를 측정하므로 젖소의 유방염을 조기 발견할 수 있고, 다회 착유는 유방염 치료 효과가 있다[5].
또한 각 축에 대한 최대 구동속도는 vx= 150[mm/sec], vy= 40 [deg/sec], vz= 253[mm/sec], vg= 42[mm/sec]로 측정되었다. 도달시간 및 최대 구동속도의 측정 실험결과, 표 2의 착유로봇 매니퓰레이터 설계사양을 모두 만족함을 확인하였다.
착유자동화 로봇을 도입할 경우 노동비가 감소하고 생산성증가와 젖소관리의 편의성 때문에 수익 채산성이 있다고 판단되며 산유량 증가, 우유품질 향상효과와 젖소 건강관리에 용이한 장점을 가진다. 또한 1일3회 착유를 하면, 산유량이 경산우는 18%, 초산우는 25%가 증가하였다. Imag Dlo의 연구결과에서 보면, 착유횟수가 증가할 수록, 우유에 포함된 체세포수가 감소하여, 우유 품질이 향상되었다.
본 논문에서 제안한 매니퓰레이터는 그림 6과 그림 7과 같이 좌우 동시에 착유컵 장착이 가능하여 장착시간을 기존 착유로봇에 비하여 40%정도 감소할 수 있다. 또한 기존 로봇의 공압방식에 비하여 본 제안된 착유로봇은 모든 구동장치가 전기구동 방식이기 때문에 무소음으로 젖소 적응훈련시간을 기존제품 2주일에서 1주일 이내로 감소할 수 있다. 특히 젖소의 착유 스트레스를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서 제안한 매니퓰레이터는 그림 6과 그림 7과 같이 좌우 동시에 착유컵 장착이 가능하여 장착시간을 기존 착유로봇에 비하여 40%정도 감소할 수 있다. 또한 기존 로봇의 공압방식에 비하여 본 제안된 착유로봇은 모든 구동장치가 전기구동 방식이기 때문에 무소음으로 젖소 적응훈련시간을 기존제품 2주일에서 1주일 이내로 감소할 수 있다.
제안된 로봇시스템은 구조가 간단하고 저가이며, 로봇 매니퓰레이터가 전동기를 사용함으로써 전기구동 소음이 적다는 장점을 가지고 있다. 설계된 로봇은 수원 축산과학원에서 젖소를 대상으로 실험을 실시하였으며, 그림 16과 같은 착유실험을 통하여 착유로봇의 설계 성능조건에 대하여 만족함을 확인하였다.
후속연구
본 연구는 착유로봇의 매니퓰레이터와 임베디드 구동제어장치에 관한 것으로 추후 부가적인 세척기능과 소독기능을 추가하게 되면, 국내 보급형 착유로봇모델 개발이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
착유자동화 로봇을 개발하여 보급하는 이유는 무엇인가?
착유로봇 시설은 1990년대 초에 개발되어 2010년 세계 30여 개국에서 3,000여대가 사용 중에 있으며, 국내 농가에도 국외제품을 수입해서 약 90 농가에서 120대 정도 사용 중에 있는 도입 초기 단계이다. 축산 젖소농가에서 우유를 생산하는 작업은 농가 소득을 결정하는 가장 중요한 작업이다. 착유작업은 매일 2∼3회 반복되는 힘든 작업으로 젖소의 질병관리에도 중요하며, 농가의 소득을 결정하는 작업이다. 젖소관리 작업으로는 착유, 사료조리 및 먹이급여, 젖소관리 및 청소, 우유운반, 방목 및 청소 등이 있다. 특히 착유작업은 인력에 의존하는 작업으로 젖소 관리시간 중에 51.9%의 노동력을 필요로 하기 때문에 착유관련 작업의 완전 자동화가 절실히 필요한 실정이다[1～2]. 이러한 착유작업에 소요되는 노동력을 감소하기 위하여 네덜란드(Prolion, Gascoigne Melotte, Lely), 스웨덴(DeLaval, VMS), 일본(Orion), 프랑스(Cemagref), 영국(AFRC), 독일(Duveldrorf, Reonardo, FAL)에서 착유자동화 로봇을 개발하여 보급하고 있다[3～4].
국내에서 착유자동화시스템의 도입 기반이 조성되는 이유는 무엇인가?
국내 축산업은 노령화에 따른 노동력 감소문제와 국제적으로 WTO와 FTA에 의한 국내 시장개방으로 농가의 경쟁력 강화가 필요하며, 낙농 축산업의 자동화를 통한 생산성 향상과 원가절감이 필요하다. 또한 국내 젖소 낙농사업은 1997년 IMF이후 영세 농가가 감소하였고, 사육규모가 확대되어 대규모 형태의 전업화가 됨으로써 착유자동화시스템의 도입 기반이 조성되고 있다.
착유자동화 로봇이 도입된다면 농가에 어떠한 이점이 생기는가?
착유자동화 로봇을 도입 할 경우 노동비가 감소하고 생산성증가와 젖소관리의 편의성 때문에 수익 채산성이 있다고 판단되며 산유량 증가, 우유품질 향상효과와 젖소 건강관리에 용이한 장점을 가진다. 또한 1일3회 착유를 하면, 산유량이 경산우는 18%, 초산우는 25%가 증가하였다.
참고문헌 (9)
Y. U. Kim, "Dairy", Rural development agency, 2003.
D. Butler, L. Holloway, C. Bear, "The impact of technological change in diary farming : Robotic milking systems and changing role of the stockperson" Journal of the royal agricultrural society of England, Vol. 173, pp.1-6, 2012.
W. Kim and D. W. Lee, "Development of teat-cups attachment module for robot milking system", J. of biosystems Eng., Vol.30, No.3, pp.179-184, 2005.
D. J. Reinemann, P. L. Ruegg and M. A. Davis, "Assessment of robotic milking in wisconsin", The 2001 ASAE Annual international meeting, paper No. 013008, August 2001.
K. J. Shin, "Development of milking robot system" Report of Ministry of Agriculture and Forestry, suncheon first college, 2007.
C. W. Cho, "Design of a nonlinear multivariable self-tuning PID controller based on neural network" Journal of the IEEK, vol.44, SC no.6, pp.394-403, 2007.11
K. J Shin and D. J Kwon, "Milking automatic robot and milking automatic method", Patent no. 10-2007-0099351, Oct. 2007.
Y. Dote and S. Kinoshita, "Brushless Servo motors Fundamentals and application", Oxford, 1990.
I. Boldea and S. A. Nasar, "Electric drives", CRC press, 1999.
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