과채 수확을 위한 줄기 절단형 로봇 엔드이펙터 설계 연구 :A Study on Design of Stem-Cutting Robotic End-Effector for Harvesting Fruits and Vegetables

변승재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 변승재 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 황면중

발행연도: 2023

저작권: 서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

과채 수확을 위한 줄기 절단형 로봇 엔드이펙터 설계 연구

변승재 기계정보공학과 2023.01 학위논문

2022

갈고리를 사용한 줄기 절단으로 과채에 남겨진 줄기 길이를 최소화하는 수확용 엔드이펙터

변승재 , 임예은 , 황면중 제어로봇시스템학회 논문지 2022.10 학술저널

갈고리를 사용하여 과채를 수확하는 줄기 절단형 엔드이펙터

변승재 , 황면중 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 2022.06 학술대회자료

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로봇 엔드이펙터를 활용한 과채 수확에서 줄기 절단형 엔드이펙터는 과채의 줄기에만 접촉하며 과채와의 접촉은 최소화하여 수확한다. 따라서, 줄기 절단형 엔드이펙터는 과채의 손상을 방지할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 줄기를 절단하는 날이 과채와 접촉하는 것을 방지하기 위해 과채에서 최대한 떨어진 위치에서 줄기를 절단해야 한다. 남겨진 긴 줄기는 과채의 이송 및 포장 과정에서 다른 과채의 표면에 상처를 발생시킬 수 있다. 줄기 절단형 엔드이펙터는 과채를 파지하지 않고 수확하기 때문에 과채가 단순 낙하하며 원하는 위치로의 이송이 어렵다는 문제를 가진다.
본 연구에서는 갈고리를 활용하여 남겨진 줄기를 최소화하는 줄기 절단형 수확 메커니즘을 제시하였으며, 유연 소재를 활용해 과채를 파지하는 엔드이펙터를 설계하였다. 제안된 수확 메커니즘은 갈고리로 줄기만을 끌어와 수확하며, 줄기를 끌어오는 과정에서 과채에 최대한 근접한 위치의 줄기를 절단 가능하다. 또한, 넓은 수확 범위를 가져 과채의 자세나, 줄기 방향의 오차를 보완할 수 있다는 장점이 있다. 엔드이펙터는 유연 소재인 라텍스 밴드를 활용해 과채를 파지한다. 과채는 갈고리와 라텍스 밴드 사이에서 고정되며, 라텍스 밴드에 의해 힘이 분산되어 손상을 최소화할 수 있다. 파지 메커니즘과 수확 메커니즘은 단일 모터로 구동하며, 줄기 절단과 과채 파지가 동시에 진행된다. 따라서 수확 메커니즘의 성능을 보존하며 과채를 파지하는 것이 가능하다.
제안된 수확용 로봇 엔드이펙터는 3D 프린팅으로 시작품을 제작하였으며, 토마토를 대상으로 실내에서의 모의 수확과 국립 농업과학원 온실에서의 실제 수확을 진행하였다. 수확용 엔드이펙터를 다관절 로봇의 말단부에 부착하여 수확을 검증하였다. RGB-D 카메라를 활용해 토마토를 인식하였으며, 토마토를 수확하기 위한 엔드이펙터의 위치 및 자세를 추정하였다. 로봇의 위치 제어로 수확용 엔드이펙터를 이동시켰으며, 로봇을 활용한 자동화 수확을 검증하였다. 검증을 통해 제안된 수확용 엔드이펙터는 과채의 안정적인 수확이 가능하고, 남겨진 줄기 길이 단축이 가능함을 확인하였다. 최종적으로, 수확용 엔드이펙터가 로봇을 활용한 수확 환경에 적용 가능함을 확인하였다.

In harvesting of fruits and vegetables with robot end-effector, the stem-cutting end-effector contacts with only stem, minimizing the contact with target fruits. The stem-cutting end-effector has the advantage of minimizing damage to target fruit. However, the stem-cutting end-effector cut the stem in a distance from target fruit to prevent contact between cutting blade and target fruit. The remaining long stem on the fruit can make damage to the other fruits. Also, the target fruits simply fall down and the end-effector is difficult to transfer them, because the stem-cutting end-effector cut the stem without grasping the target fruit.
In this study, a stem-cutting harvest mechanism with a hook is proposed to minimize the remaining stem on fruit, and it was designed to simultaneously perform the harvesting with a hook and the fruit grasping with flexible material. The proposed harvesting mechanism harvests the target fruit drawing the stem, and can cut the stem close to the target fruit during the stem drawing. Since the end-effector has wide harvesting range, it can compensate the error made by the pose of target fruit and the direction of stem. The fruit grasping using flexible latex band was progressed at the same time as the stem-cutting. The target fruit is fixed between the hook and the latex band, and the force of the grasping can be dispersed, minimizing the damage to the target fruit. While the grasping mechanism is driven by the single motor with the harvesting mechanism, the stem-cutting and the fruit grasping is simultaneously executed. Therefore, it is possible to grasp the target fruit, preserving the performance of the harvesting mechanism.
The prototype of the proposed end-effector was manufactured with 3D printing, and harvested tomato in the indoor environment and the actual environment in the greenhouse. Harvesting was verified by attaching the harvesting end-effector to the robot, and RGB-D camera was used for the tomato detection and the calculation of harvesting position of the end-effector. It is verified that the proposed harvesting end-effector can stably harvest the fruits and vegetables, and can shorten the remaining stem length. Finally, it can be concluded that the harvesting end-effector is applicable to the harvest environment using a robot.

#농업용 로봇 #수확 #로봇 엔드이펙터 #줄기 절단

1. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 선행 연구 2
1.3. 연구 목적 6
2. 갈고리를 활용한 줄기 절단형 수확 8
2.1. 후크 메커니즘 8
2.1.1. 후크 메커니즘의 구성 8
2.1.2. 후크 메커니즘의 장점 10
2.2. 갈고리를 활용한 줄기 절단 11
2.2.1. 줄기 절단형 엔드이펙터의 설계 및 제작 11
2.2.2. 줄기 절단형 수확 검증 16
3. 과채 수확용 엔드이펙터 21
3.1. 과채 파지 메커니즘 21
3.2. 과채 수확용 엔드이펙터 검증 23
3.2.1. 과채 수확용 엔드이펙터의 설계 및 제작 23
3.2.2. 과채 수확용 엔드이펙터 검증 26
3.3. 실제 환경에서의 수확 30
3.3.1. 실제 수확 환경 및 수확 결과 30
3.3.2. 과채 수확용 엔드이펙터의 개선 및 제작 34
3.3.3. 개선된 과채 수확용 엔드이펙터 검증 42
4. 로봇을 활용한 엔드이펙터의 수확 검증 48
4.1. 환경 구성 48
4.2. 수확 파이프라인 50
4.3. 인식 알고리즘 53
4.3.1. 토마토의 인식 53
4.3.2. 꼭지 줄기의 인식 57
4.4. 엔드이펙터의 수확 위치 및 자세 59
4.4.1. 수확 위치 및 자세 추정 59
4.4.2. 수확용 엔드이펙터의 이동 63
4.5. 로봇을 활용한 수확용 엔드이펙터 검증 64
4.5.1 수확 환경 64
4.5.2 수확 결과 69
5. 결론 71
참고문헌 72
Abstract 75
감사의 글 77

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