혁신적: 경작용 포도재배 로봇

독일 가이젠하임(Geisenheim) 대학이 급 경사면에서 사용 가능한 혁신적 포도재배 로봇 '가이지(Geis)' 를 개발했습니다. 가이지는 원격 제어를 통해 최대 경사도가 70%에 달하는 경작지에서도 로프 없이 작업이 가능합니다.

독일의 유명 포도원들은 경사지가 발달해 있는 것이 큰 특징입니다. 그런데 경사지 경작 면적이 갈수록 줄어들고 있습니다. 2010년 현재, 경사지 포도 재배 지역은 전체 재배 면적의 9%로 감소했습니다. 큰 이유 중 하나는 이런 경사지에서의 재배가 위험하고 육체적으로 힘들며 비용이 많이 들기 때문입니다. 이에 가이젠하임 대학 기술연구소는 독일의 지형적 특성 상 경사가 많은 지형에서도 매우 간편하게 포도를 재배할 수 있는 방법을 연구하기 시작했습니다. 슈바르츠(Schwarz) 교수의 연구팀이 경사지에서도 기계를 사용해 경작을 할 수 있는 개발에 착수하였고 이를 '가이지(Geisi)' 라 부르기로 했습니다.

가이지는 기존의 기계화 경작 설비와 달리 원격제어에 의해 최대 70%의 경사지에서도 로프 없이 작업할 수 있게 설계되었습니다. 이로써 수작업에 소모되는 생산비를 대폭 절감하고 작업을 안전하게 마칠 수 있게 되었습니다. 게다가 포도 재배를 위한 작물 보호, 덮기, 잎 작업과 같은 일반적인 일을 자동으로 수행할 뿐 아니라 장기적으로도 고성능&저비용 이라는 이점을 얻을 수 있게 되었습니다.

따라서 가이지 프로젝트 관리자는 이러한 목표를 실현하고자 HBM에게 도움을 요청했습니다. 시험 및 계측 전문업체인 HBM의 스트레인 게이지(Strain gauge)와 극한 환경에서도 사용가능한 mobile Somat eDAQ 데이터 수집 장치는 가이지가 경사지를 자주적으로 이동할 수 있게 하는 데 중요한 역할을 담당합니다.

어떤 원리로 적용되었을까요?

재배농민의 경사지 작업을 돕는 다기능 운반 및 구동 시스템의 근간을 이루는 것은 고산 경사지 잔디깍는 기계에 사용되는 스파이크 롤러(spiked roller) 입니다. 스파이크 롤러에는 내장형 구동렬이 들어 있습니다. 이로써 장치의 무게 중심이 매우 아래쪽으로 오게 만들어 스파이크 롤러가 지면과 맞물리는 효과를 극대화시킵니다. 이는 또한 가이지가 매우 가파른 경사지에서 로프 없이 작동하기 위한 중요한 전제 조건입니다. 이 혁신적인 툴은 앞뒤로 하나씩 배치된 한 쌍의 롤러를 통해 최적의 상태에서 안전하게 경사지를 이동해야 합니다. 이러한 목적을 위해, 개발팀은 2축 또는 3축의 가이지가 자유자재로 기동할 수 있도록 우선 스파이크 롤러의 드라이브를 개조해야 했습니다. 

HBM의 Test and Measurement 기술이 없었다면 불가능 했을일

스파이크 차륜에 탑재되는 사륜구동 작업 플랫폼의 조향장치는 가이지 개발팀에 큰 어려움으로 떠올랐습니다. 스파이크 롤러가 지면과 맞물리는 힘이 워낙 강하기 때문에 롤러가 좌우측에서 서로 다른 회전 속도로 움직이는 형태의 미끄럼 조향장치는 맞지 않았습니다.

개발 시제품에는 사용 과정의 재료 적재를 기록 및 분석하기 위해 각종 시험 및 계측 장비를 부착하였습니다. 구동 롤러 서스펜션으로 사용되는 축에는 HBM의 스트레인 게이지를 설치하여 힘과 모멘트의 발생을 3차원으로 수집할 수 있었습니다. 또한 CANbus 통신, 경사도, 지리좌표(GPS를 통해)와 같은 데이터까지 기록했습니다. 데이터 수집에는 HBM의 견고한 이동식 Somat eDAQ 앰프 시스템을 사용했습니다. 이렇게 수집된 정보로 속도와 미끄러짐을 계산함으로써 안전한 커브 회전과 같은 정밀하고 개선된 조향 프로그램을 설계할 수 있었습니다.

시험운전 과정에 기동의 결과로 생기는 힘은 그 크기가 너무 컸고, 적재되는 재료의 높이는 너무 높았습니다. 따라서 유압 실린더 없이 두 개의 크로스오버 고정 롤러와 두 개의 이동식 롤러를 적용시킨 수동형, 관절식 조향장치가 이상적인 해결책인 것으로 나타났습니다. 이 관절식 조향장치의 이동성을 극대화시키는 한편, 조향에 사용되지 않는 롤러의 미끄러짐을 안정적으로 막아주었습니다.

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