초록 ▼

개발하고자하는 자율이동 다관절 과실(사과) 수확 로봇은 화상처리에 의한 수형 분석이 가능하며, 작업 필드 내에 있는 과실을 선별 수확할 수 있고, 화상처리를 이용하여 수확하기 가장 좋은 위치와 경로를 고속으로 알아내는 인공지능의 과실 수확 로봇을 개발하는데 최종 목표를두고 본 연구에서는 다관절 과실(사과) 수확 로봇의 매니퓰레이터와 로봇의 이동이 가능한 주행차량을 개발하였고, 로봇의 제어장치와 과실 인식장치를 개발하였다.
3년 간 추진한 본 연구의 구체적인 연구 내용은 다음과 같다.
1. 사과수확 로봇의 매니퓰레이터의 개

개발하고자하는 자율이동 다관절 과실(사과) 수확 로봇은 화상처리에 의한 수형 분석이 가능하며, 작업 필드 내에 있는 과실을 선별 수확할 수 있고, 화상처리를 이용하여 수확하기 가장 좋은 위치와 경로를 고속으로 알아내는 인공지능의 과실 수확 로봇을 개발하는데 최종 목표를두고 본 연구에서는 다관절 과실(사과) 수확 로봇의 매니퓰레이터와 로봇의 이동이 가능한 주행차량을 개발하였고, 로봇의 제어장치와 과실 인식장치를 개발하였다.
3년 간 추진한 본 연구의 구체적인 연구 내용은 다음과 같다.
1. 사과수확 로봇의 매니퓰레이터의 개발
2. 사과수확 로봇의 주행차량 개발
3. 사과수확 로봇의 제어장치 개발
4. 화상처리에 의한 사과의 인식 알고리즘 개발
상기의 연구 내용에 의거하여 수행된 연구 범위는 다음과 같다.
1. 사과수확 로봇의 매니퓰레이터는 10축 수직 다관절 로봇으로서 잎, 가지 등의 장애물을 회피할 수 있는 고능률의 사과 수확 로봇의 매니퓰레이터이다. 구동제원과 작동범위를 충분히 고려하여 제작하였다
2. 사과수확 로봇의 주행차량은 작동거리가 큰 매니퓰레이터를 장착하므로 수확작업 시 차체의 흔들림, 로봇의 하중, 밸런스 등을 고려하여 제작하였으며, 로봇의 전원 공급을 위한 발전기가 장착되어있고, 무인화가 가능하도록 모든 조작장치는 유압구동 되며 원격조작이 되도록 제작하였다.
3. 사과수확 로봇의 제어장치는 CCD 카메라를 이용하여 수확대상물인 사과를 인식하고, 화상처리에 의해 목표물의 3차원 위치를 출력하는 화상 처리 부와 목표물의 위치에 따라 관절의 적정 위치를 결정하는 메인 컨트롤러, 결정된 위치 지령에 의해 필요한 회전 속도와 토크를 결정하고이에 따라 각각의 모터에 구동 전압을 출력하기 위한 서보 컨트롤러 및 DC모터 제어 드라이브로 구성되어 있으며 화상처리 부 이외의 장치는 실용화를 고려하여 본 연구에서 직접 개발하였다.
4. 화상처리에 의한 사과인식 알고리즘 개발 - 사과의 인식과정은 컴퓨터에 의해서 처리가 가능하도록 CCD 카메라로부터 화상을 입력받아서아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꾸었다. 디지털화 된 화상에서 사과의 인식 알고리즘을 사용하여 사과의 2차원 좌표를 구하고, 사과의 특징값 계산과 위치 보정을 위해서 다치화상을 이치화한 후에 라벨링(labeling)하였다. 디지털화 된 화상은 데이터량이 많으므로 처리 시간을 많이요구한다. 이를 해결하기 위해서 사과의 인식과정을 거친 검색과 정밀 검색으로 나누어 실행하였으며 새로운 색좌표 함수를 사용하여 데이터량을 줄였다. 사과의 3차원 위치를 구하기 위해서 한 대의 카메라가 서로 다른 위치에서 입력한 2개의 화상을 이용한 스테레오(stereo)화상기법을사용하였다. 본 연구에서는 사과 수확에 사과의 크기와 숙도 및 3차원 위치를 정확히 알 수 있는 알고리즘을 개발하였다

Abstract ▼

Multi knuckles robot is able to recognize fruit in the working field. The final purpose of developing robot function is to figure out the best root and position to pick the fruits. Result from this study, robot driving system, manipulator, robot controller and fuit recognizer are developed.
The c

Multi knuckles robot is able to recognize fruit in the working field. The final purpose of developing robot function is to figure out the best root and position to pick the fruits. Result from this study, robot driving system, manipulator, robot controller and fuit recognizer are developed.
The content of study for 3 years are belows.
A. Apple harvesting robot manipulator
B. Apple harvesting robot driving system
C. Apple harvesting robot control system
D. Apple recognition algorithm using image processing
More details are followings
A. The manipulator of apple harvesting robot has 10 knuckles which make it possible for robot to efficiently avoid obstacles. such as leaves, branches and so on. That is developed by considering operation range and specification
B. Driving system is developed by considering vibration, weight and balance due to long range operating manipulator. Power generator is installed. All of controllers are designed to be able to remote control and hydraulic operation
C. Apple harvesting robot control system is able to recognize apple by CCD camera. The position of apple is decided by main controller. Servo controller and DC servo motor controller make decide RPM and torque for each motor
D. Development of apple recognition algorithm using image processing. An algorithm of apple recognition was developed using digital image information received through CCD camera. Input image was binarized and labeled to calculate characteristic value of image and position calibration.
Scanning apple was divided into both rough and detail scanning in order to reduce data size and required time. To get 3d position of apple using stereo method. The algorithm is developed from this study which is able to recognize apple size, mature status and accurate 3d position

목차 Contents

• 표지...1
• 최종보고서...2
• 제출문...3
• 요약문...4
• SUMMARY...10
• CONTENTS...15
• 목차...19
• 제1장. 서론...23
• 제2장. 사과수확 로봇의 매니퓰레이터 개발...27
• 제1절. 실험 장치 및 방법...27
• 1. 구성 및 동작 계획...27
• 2. 구동제원의 결정...30
• 가. 베이스 선회대...31
• 나. 제1 아암...33
• 다. 제2 아암...35
• 라. 제3 아암...37
• 제2절. 결과 및 고찰...39
• 1. 베이스 선회대...39
• 2. 제1 아암...42
• 3. 제2 아암...44
• 4. 제3 아암...45
• 5. 로봇의 작동 범위...47
• 제3장. 사과수확 로봇의 주행차량 개발...48
• 제1절. 차량 제작의 고려 사항...48
• 제2절 차량장치 구성 및 선정방법...48
• 1. 장치 구성 및 제원...48
• 2. 유압장치의 선정 방법...52
• 가. 유압실린더 및 펌프의 선정...55
• 1). 메인 클러치, 제너레이터 클러치부...55
• 2). 변속장치, 조향장치...57
• 3). 좌, 우측 지지대...58
• 4). 유압펌프 및 탱크의 선정...59
• 나. 배관의 압력강하...60
• 1). 직선 배관...61
• 2). 변형 배관...62
• 제3절. 차량의 동력전달부 구성...63
• 제4절. 전원부와 발전부의 선정 및 개발...65
• 1. 전원부와 발전부...65
• 2. 발전기 풀리의 설계...67
• 제5절. 컨트롤 박스와 변속부의 개발...71
• 제4장. 사과수확 로봇관절의 서보 제어장치 개발...75
• 제1절. 재료 및 방법...75
• 1. 구성 및 동작 계획...75
• 가. 구성의 범위...75
• 나. 구성 및 설계사양...76
• 1). 모터 및 엔코더...76
• 2). 전원 전압...78
• 3). 제어회로...78
• 다. 서보 모터 제어 시스템...78
• 라. 속도 제어회로의 개요...80
• 1). 속도 피드백...81
• 2). 전류 피드백...81
• 3). 회전속도와 방향의 검출...81
• 4). PWM 변조와 Dead Time...82
• 5). H 브리지와 파워 디바이스...84
• 2. 제어 시스템 설계...86
• 가. 모터 구동 회로...86
• 1). DC 모터...86
• 2). 최대 구동 전류와 파워 디바이스...90
• 3). Gate Driver...91
• 가). PWM 변조회로...92
• 나). Dead Time 부가회로...92
• 다). 속도 검출회로...92
• 라). 속도 제어회로...94
• 마). 전류 검출회로...94
• 바). 전원부...94
• 3. 시험방법...95
• 가. 시험 장비...95
• 나. 파형 출력 시험...96
• 다. 속도 입력 추종 시험...96
• 라. 스텝응답 시험...96
• 제2절. 결과 및 고찰...97
• 1. 파형 출력 평가...97
• 2. 속도 입력 추종 평가...102
• 3. 스텝응답 평가...103
• 제5장. 화상처리에 의한 사과의 인식 알고리즘 개발...107
• 제1절. 실험 방법 및 장치...107
• 1. 실험 방법...107
• 2. 실험 장치...108
• 3. 색좌표 함수 결정...109
• 4. 사과의 인식함수 결정...111
• 제2절. 사과의 2차원 위치 결정...113
• 1. 2차원 위치 결정...113
• 2. 특징값 계산과 사과의 중심위치 보정...117
• 가. 사과화상의 이치화...118
• 나. 이치화상의 평활화...120
• 다. 이치화상의 라벨링...122
• 라. 사과의 특징값 계산과 중심위치 보정...123
• 제3절. 장애물 검출...125
• 1. 장애물 검출 방법...125
• 2. 장애물의 중심과 방향 검출...127
• 제4절. 사과의 3차원 위치 측정...128
• 1. 스테레오 화상의 기하구조...129
• 2. Shaking기법에 의한 스테레오 화상처리...130
• 제5장. 요약 및 결론...132
• 1. 사과 수확 로봇의 매니플레이터 개발...132
• 2. 사과 수확 로봇의 주행차량 개발...133
• 3. 사과 수확 로봇의 제어장치 개발...134
• 4. 화상처리에 의한 사과의 인식 알고리즘 개발...135
• 참고문헌...136