Introduction

최근 농업 현장은 농촌 인구 감소와 고령화, 인력 수급 불안정, 인건비 상승 등의 문제에 직면하고 있다(Zhang et al., 2023). 특히 과수 수확 작업은 제한된 수확 시기에 많은 노동력이 집중적으로 요구되며, 작업자의 숙련도에 따라 수확 효율과 상품성이 달라질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 웨어러블 슈트, 수확로봇, 파지 그리퍼 등의 농업로봇 연구가 활발히 진행되고 있으며, 과실 인식, 접근, 파지, 운반 및 적재에 이르는 일련의 작업을 자동화하기 위한 연구도 지속되고 있다(Blackmore et al., 2005; Bac et al., 2014). 사과는 수확 시점의 외형과 당산도뿐만 아니라 수확 후 운반·적재 과정에서 발생하는 미세 손상과 압상 여부가 저장성과 상품성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 사과 수확로봇의 현장 적용을 위해서는 수확 기능뿐만 아니라, 수확된 과실을 손상 없이 적재상자까지 이송하고 균일하게 적재할 수 있는 후처리 모듈이 필요하다(Bac et al., 2014; Duckett et al., 2018). 기존 과실 수확로봇 연구는 주로 비전 기반 과실 인식, 매니퓰레이터의 접근 및 경로 계획, 엔드이펙터 설계와 파지 성공률 향상에 중점을 두었다(Zhang et al., 2021; De-An et al., 2011). 또한 연성 그리퍼 및 흡착형 엔드이펙터 등을 적용하여 수확 단계에서의 손상을 저감하고자 하였다. 반면, 수확 이후 과실을 적재상자까지 안정적으로 이송하고, 상자 내부에 균일하게 분산 적재하기 위한 후처리 장치 연구는 상대적으로 제한적이다(Zhang et al., 2017). 특히 과실의 자유낙하 및 특정 위치 집중을 줄이기 위한 이송 및 적재 구조는 수확로봇의 실질적 현장 적용성을 좌우하는 요소로 볼 수 있다.

본 연구는 실외 과수환경에서 과실을 연속적으로 수확하고, 수확된 과실을 적재상자에 적재한 후 운반로봇을 이용하여 지정된 장소까지 이송하는 통합 농작업 로봇 시스템 개발의 일환으로 수행되었다(Song et al., 2025). 본 논문에서는 수확 기능 자체가 아닌 수확 후 과실 처리 공정에 초점을 두고, 과실 투입부, 이송부, 적재부를 포함하는 이송 및 적재 모듈을 설계·제작하였다(Fig. 1). 본 연구는 실과를 통한 성능평가 이전의 시작품 개발 단계로서, 모형 과실을 이용하여 각 구성부의 순차 연계 구동과 기본 동작 가능성을 확인하였다.

Fig. 1.

A process of apple harvesting, transport, and loading robot system.

재료 및 방법

설계 요구조건

사과 수확로봇용 이송 및 적재 모듈은 일반 산업용 이송장치와 달리 충격과 압력에 민감한 과실을 취급하므로, 이송속도뿐만 아니라 과실 보호와 적재 안정성을 주요 설계조건으로 고려하였다. 수확된 사과가 모듈에 투입된 후 적재상자까지 이동하는 과정에서는 불필요한 자유 낙하와 급격한 방향 전환을 최소화하도록 하였다. 또한 과실과 접촉하는 투입부, 컨베이어 및 토출부에는 충격을 완화할 수 있는 재질과 구조를 적용하였다. 과실의 투입 및 도달 상태는 센서를 통해 확인하고, 감지 결과에 따라 각 구동부가 순차적으로 작동하도록 구성하였다. 이와 함께 과실이 적재상자 내부의 특정 위치에 집중되지 않도록 토출 위치를 조정할 수 있는 구조를 적용하였다.

제작 재료 및 주요 구성품

개발 모듈의 주요 형상 부품은 제작 편의성과 설계 변경 가능성을 고려하여 PLA 및 PC 계열 소재를 활용하였다. 특히 센서 고정부, 안내 구조 및 아이리스 메커니즘과 같이 형상 검토가 필요한 부품에 적층제조 방식을 적용하였다. 과실과 직접 접촉하는 구간에는 충격과 진동을 줄일 수 있도록 완충 소재를 적용하였다. 과실 이송에는 컨베이어 벨트를 사용하였으며, 과실이 이동 과정에서 측면으로 이탈하거나 구조물과 직접 충돌하지 않도록 안내 구조를 함께 구성하였다.

과실 적재부에는 토출 위치를 조정하기 위한 직선 구동장치와 과실을 일시적으로 지지한 후 배출하는 아이리스 메커니즘 기반 토출모듈을 적용하였다. 또한 과실의 투입 및 도달 여부를 확인하기 위해 적외선 센서를 사용하고, 각 구동부는 제어보드와 연계하여 순차적으로 작동하도록 구성하였다.

사과 수확 후 이송 및 적재 모듈 구성

개발한 사과 수확 후 이송 및 적재 모듈은 과실 투입부, 과실 이송부, 과실 적재부 및 제어 시스템으로 구성하였다(Fig. 2). 과실 투입부는 센서를 통해 수확 매니퓰레이터로부터 전달된 과실의 투입 여부를 확인하는 역할을 수행한다. 과실 이송부는 컨베이어를 이용하여 투입된 과실을 적재부까지 안정적으로 전달한다. 과실 적재부는 위치조정 구동모듈과 아이리스 메커니즘 기반 토출모듈로 구성하였다. 위치조정 구동모듈은 토출모듈을 적재상자 내부의 설정된 위치까지 이동시키며, 토출모듈은 과실을 일시적으로 지지한 후 목표 위치에서 배출한다. 제어 시스템은 과실 감지센서의 입력을 바탕으로 컨베이어, 직선 구동장치 및 아이리스 메커니즘의 작동 순서를 제어한다. 이를 통해 과실의 투입, 이송, 위치조정 및 배출 과정이 순차적으로 수행되도록 구성하였다(Fig. 3).

개발 모듈은 좌우 방향에서 전달되는 과실을 중앙의 적재 영역으로 이송할 수 있는 구조를 기반으로 설계하였다. 이를 통해 복수의 수확 작업 흐름에 대응하고, 적재상자 내부에 과실이 집중되는 것을 완화할 수 있도록 하였다.

Fig. 2.

Conceptual design of the post-harvest conveying and loading module for apple harvesting robots.

Fig. 3.

Operational flow chart of the post-harvest conveying and loading module for an apple harvesting robot.

기구부 설계

과실 투입부

과실 투입부는 수확 매니퓰레이터로부터 전달된 사과를 모듈 내부로 유입시키고, 과실의 투입 여부를 확인하는 역할을 수행한다. 수확된 과실은 매니퓰레이터의 동작 위치와 투입 자세에 따라 유입 방향이 달라질 수 있으므로, 과실이 이송부에 안정적으로 진입할 수 있도록 투입 경로를 유도하는 구조가 필요하다.

본 연구에서는 과실이 투입 과정에서 구조물과 직접 충돌하거나 이송 경로 외부로 이탈하는 것을 줄이기 위해, 투입구에서 컨베이어 방향으로 과실의 이동을 유도할 수 있는 안내 구조를 적용하였다. 투입부의 내부 형상은 과실이 특정 지점에 걸리거나 정체되지 않고 이송부의 중심부로 자연스럽게 유입될 수 있도록 구성하였다. 또한 과실과 접촉하는 구간에는 완충성 소재를 적용하여 투입 과정에서 발생할 수 있는 충격을 줄이도록 하였다. 투입부에는 적외선 센서를 배치하여 과실의 유입 여부를 감지하도록 하였다. 과실이 센서의 감지 영역을 통과하면 이를 이송 동작의 시작 조건으로 활용하고, 과실이 감지되지 않은 상태에서는 이송부가 불필요하게 작동하지 않도록 하였다. 이를 통해 수확 매니퓰레이터의 과실 전달 동작과 이송부의 구동을 순차적으로 연계할 수 있도록 하였다. 과실 투입부는 수확 매니퓰레이터와 이송부를 연결하는 구간으로서, 과실의 안정적인 인계와 이송 동작의 시작을 결정하는 역할을 수행한다. 따라서 과실의 크기와 투입 위치 편차를 수용하면서도, 과실이 이송부에 원활하게 진입할 수 있도록 구조를 설계하였다.

과실 이송부

과실 이송부는 수확된 사과를 모듈 내부로 유입시킨 후 과실 적재부까지 안정적으로 전달하는 역할을 수행한다. 사과는 크기와 중량이 균일하지 않고 표면이 충격에 민감하므로, 이송 과정에서 발생할 수 있는 미끄러짐, 튀어오름 및 과도한 충격을 줄일 수 있는 구조가 요구된다.

본 연구에서는 연속적인 과실 이송이 가능한 컨베이어 벨트 방식의 이송부를 적용하였다. 컨베이어는 과실이 급격하게 가속되거나 정지하지 않도록 일정한 속도로 구동되도록 구성하였으며, 과실의 이동 과정에서 불필요한 충돌과 흔들림이 발생하지 않도록 저속 이송을 고려하였다. 컨베이어의 과실 접촉면에는 완충재를 적용하여 과실과 벨트 사이에서 발생할 수 있는 진동과 국부적인 충격을 완화하도록 하였다. 또한 과실이 이송 경로를 벗어나거나 측면으로 이탈하는 것을 방지할 수 있도록 과실의 이동 방향을 유도하는 구조를 적용하였다. 이를 통해 크기와 형상이 서로 다른 과실도 이송부 내에서 비교적 안정적으로 이동할 수 있도록 하였다. 이송부의 입구와 출구에는 적외선 센서를 배치하여 과실의 투입 및 도달 여부를 확인하도록 구성하였다. 입구 센서에서 과실이 감지되면 컨베이어가 구동되고, 과실이 적재부에 도달한 것이 확인되면 컨베이어 구동을 정지하도록 하였다. 이러한 센서 기반 구동 방식은 과실이 없는 상태에서 컨베이어가 불필요하게 작동하는 것을 방지하고, 이송부와 적재부의 동작 순서를 연계하기 위해 적용하였다. 컨베이어의 구동속도는 향후 수확로봇의 과실 투입 주기와 처리량에 따라 조절할 수 있도록 구성하였다. 이를 통해 수확 매니퓰레이터의 작업속도와 이송 및 적재 공정 간의 동작 간격을 조정하고, 연속적인 과실 투입 시 발생할 수 있는 과실 간 충돌이나 이송 정체를 줄일 수 있도록 하였다.

과실 적재부

적재상자 내부의 동일한 위치로 과실이 반복적으로 배출되면 특정 지점의 적재 높이가 빠르게 증가하고, 이후 투입되는 과실이 기존에 적재된 과실과 충돌할 가능성이 높아진다. 이러한 적재 편중은 과실 간 반복 충돌과 국부적인 압력 증가를 유발할 수 있으므로, 과실을 상자 내부의 여러 위치로 분산하여 적재할 수 있는 구조가 필요하다. 이에 본 연구에서는 과실의 배출 위치를 조정하고, 목표 위치에서 과실을 안정적으로 배출할 수 있는 과실 적재부를 설계하였다.

과실 적재부는 토출 위치를 조정하는 위치조정 구동모듈과 과실을 일시적으로 지지한 후 적재상자 내부로 토출하는 아이리스 메커니즘 기반 토출모듈로 구성하였다. 위치조정 구동모듈에는 직선 구동장치 기반 왕복 운동을 이용하여 토출모듈이 적재상자 내부의 설정된 위치까지 이동하도록 제작하였다(Fig. 4). 이를 통해 과실이 상자 내부의 한 지점에 집중되는 것을 완화하고, 배출 위치를 단계적으로 변경하여 과실이 균일하게 분포될 수 있도록 하였다. 토출모듈은 과실이 이송부에서 전달된 이후 즉시 낙하하지 않도록 일시적으로 지지하는 역할을 수행한다. 이를 위해 카메라 조리개와 유사하게 복수의 날개가 연동하여 중앙 개구부의 크기를 조절하는 아이리스 메커니즘을 적용하였다. 아이리스 메커니즘은 개구부가 닫힌 상태에서는 과실을 하부에서 지지하고, 개구부가 열리면 과실을 적재상자 내부로 통과시키는 구조이다(Fig. 5).

본 연구에서는 4개의 기어 형상 날개가 동시에 움직이도록 아이리스 메커니즘을 구성하고, 이를 직선 구동장치의 끝단에 배치하였다. 과실이 토출모듈 내부로 유입되면 아이리스 날개는 닫힌 상태를 유지하여 과실의 낙하를 방지한다. 이후 위치조정 구동모듈이 토출모듈을 적재상자 내부의 목표 토출 위치까지 이동시키고, 설정된 위치에 도달하면 아이리스 날개를 개방하여 과실을 하부 방향으로 토출한다. 과실 토출이 완료된 후에는 아이리스 날개가 다시 닫히고 토출모듈이 초기 위치로 복귀하도록 구성하였다. 이와 같은 적재 구조는 과실을 이송부 끝단에서 직접 자유낙하시키는 방식과 달리, 과실을 상자 내부에 가까운 위치까지 이동시킨 후 토출할 수 있다는 특징이 있다. 이에 따라 과실의 자유 낙하 거리를 줄일 수 있으며, 토출 과정에서 발생할 수 있는 충격을 완화하는 데 유리하다. 또한 과실을 측면에서 강하게 파지하지 않고 하부에서 지지하는 구조이므로, 과실 표면에 국부적인 힘이 집중되는 것을 줄일 수 있다.

향후에는 카메라 또는 거리센서를 이용하여 적재상자 내부의 과실 분포와 적재 높이를 감지하고, 감지 결과에 따라 토출모듈의 위치를 자동으로 변경하는 방식으로 확장할 수 있다. 이를 통해 상자 내부의 빈 영역을 우선적으로 활용하고, 과실의 적재 편중을 줄이는 능동형 적재 구조로 발전시킬 수 있다.

Fig. 4.

Structure of poasitioning drive module.

Fig. 5.

Iris mechanism based-discharge module.

제어 시스템 설계

개발한 수확 후 이송 및 적재 모듈은 투입부, 이송부 및 적재부가 순차적으로 작동하도록 구성하였다. 각 기구부는 마이크로컨트롤러 제어보드를 이용하여 구동하며, 과실 감지 센서의 입력에 따라 컨베이어 모터, 직선 구동장치 및 아이리스 메커니즘이 정해진 순서로 작동하도록 구현하였다.

수확된 과실이 투입부에 진입하면 적외선 센서가 과실의 투입 여부를 감지하고, 이송부의 컨베이어가 작동하여 과실을 적재부로 이동시킨다. 과실이 적재부에 도달하면 컨베이어가 정지하고, 아이리스 메커니즘은 닫힌 상태에서 과실을 일시적으로 지지한다. 이후 직선 구동장치를 이용하여 적재부를 적재상자 내부의 토출 위치까지 이동시키고, 아이리스 메커니즘을 개방하여 과실을 적재상자 내부로 토출한다. 과실 토출이 완료되면 적재부는 초기 위치로 복귀하여 다음 과실의 투입을 대기한다.

각 기구부는 센서의 과실 감지 신호와 사전에 설정된 동작 순서에 따라 작동하도록 구성하였다. 이를 통해 과실이 적재부에 도달하기 전에 토출 동작이 수행되거나, 이전 과실의 처리가 완료되기 전에 다음 동작이 시작되는 것을 방지하였다. 또한 개발 모듈은 향후 수확로봇의 상위 제어기와 연계할 수 있도록 통신 기능을 고려하여 설계하였다(Fig. 6).

Fig. 6.

Architecture of control system.

결론 및 고찰

본 연구에서는 사과 수확로봇의 수확 후 처리 공정에 적용하기 위한 과실 이송 및 적재 모듈을 설계·제작하고, 이를 구동하기 위한 제어 시스템을 구현하였다. 개발 모듈은 수확 매니퓰레이터로부터 전달된 과실을 적외선 센서로 인식하는 과실 투입부, 완충 소재를 적용한 컨베이어 기반 과실 이송부, 토출 위치를 조정하는 위치조정 모듈 및 아이리스 메커니즘 기반 토출모듈로 구성된 과실 적재부로 구성하였다. 이를 통해 수확된 과실을 인식하고 이송부를 통해 적재부로 이송한 후 적재상자 내부의 설정된 위치에 과실을 토출할 수 있는 수확 후 처리 구조를 확인하였다(Fig. 7).

모형 과실을 이용한 기본 구동시험 결과, 과실 투입 감지 후 컨베이어 이송, 적재부 도달 확인, 토출부 위치조정, 아이리스 메커니즘 개방에 따른 과실 배출 및 초기 위치 복귀 과정이 설정된 순서에 따라 연계 수행됨을 확인하였다. 이는 제안한 기구부와 제어 시스템이 수확로봇의 수확 후 처리 공정에 적용될 수 있는 기본적인 작동 구조를 갖추었음을 의미한다. 특히 과실을 이송부 끝단에서 직접 낙하시켜 적재하는 방식과 달리, 아이리스 메커니즘을 이용하여 과실을 일시적으로 지지한 후 목표 위치에서 배출하도록 구성함으로써 자유낙하 거리와 적재 편중을 줄이기 위한 구조적 가능성을 제시하였다.

다만 본 연구에서 수행한 확인은 실제 사과가 아닌 모형 과실을 이용한 기본 구동 확인에 한정되므로, 개발 모듈이 실제 과실의 손상 저감, 적재 균일성 및 연속 처리 성능에 미치는 효과를 정량적으로 입증한 것은 아니다. 실제 사과는 품종, 크기, 숙도 및 표면 특성에 따라 이송과 토출 과정에서의 거동과 충격이 달라질 수 있으므로, 개발 구조의 실효성을 판단하기 위해서는 실제 과실을 이용한 추가 검증이 필요하다.

향후 연구에서는 실제 과실을 대상으로 이송 및 토출 과정에서 발생하는 외관 손상, 압상 및 낙과 여부를 확인하고, 손상 발생률과 손상 부위의 분포를 정량적으로 분석할 필요가 있다. 또한 토출 높이와 토출 위치 변화에 따른 과실의 충격 수준 및 손상 정도를 비교하여, 과실 손상을 최소화할 수 있는 구동 조건을 도출하고자 한다. 반복 이송·토출 시험을 통해 과실 1개당 처리시간, 단위시간당 처리량, 이송 및 토출 성공률, 동작 지연 및 정체 발생 여부를 분석하여 모듈의 처리 성능과 반복 운용 안정성을 평가하고자 한다. 이후 수확 매니퓰레이터 및 이동 플랫폼과 연계한 통합 운용시험을 수행함으로써, 실제 수확 작업 조건에서의 작업 연속성, 모듈 간 동작 연계성 및 현장 적용 가능성을 종합적으로 검증하고자 한다.

Fig. 7.

Prototype of the post-harvest conveying and loading module for apple harvesting robots.