EDEM을 이용한 수확기 이송부 롤러의 회전속도에 따른 마늘의 충격 해석

박동혁 ( Donghyeok Park ),이춘구 ( Chungu Lee ),이중용 ( Joongyong Rhee ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

굴취형 마늘수확기는 굴취가 이루어진 후 이송과정을 통해 수집까지 이루어지게 된다. 이송과정에서는 마늘에 접착된 토양의 제거가 이루어져야 한다. 개발 중인 수확기에서는 별모양의 롤러가 회전하면서 마늘을 이동시키고 토양을 털어낸다. 이때 고려해야할 점은 마늘의 이송속도를 최저 요구속도 이상으로 유지하여 마늘이 정체 없이 수집부로 이송되어야 하고 토양이 같이 수집되지 않도록 충분히 제거될 수 있도록 하는 것이다. 또한 작물에 손상이 생기면 부패가 빠르게 진행되기 때문에 충격을 최소화하는 것도 필수적이다. 그러나 실제 수확과정에서 마늘의 움직임과 충격을 파악하고 분석하는 것은 어려움이 있고 작업 조건에 따른 차이도 크다. 이 연구에서는 이송부의 주요 요인인 롤러 회전속도에 따른 영향을 시뮬레이션을 통해 파악하고자 하였다. 수확기의 이송부의 과정은 해석이 복잡하기 때문에 하나의 마늘과 롤러가 접근하여 충돌하는 과정으로 단순화하여 분석하였다. 이 조건에서 롤러의 회전속도가 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 rpm일 때 입자에 가해지는 압축력, 토크, 합력과 입자의 위치, 속도 및 에너지 등을 0.004초 간격으로 얻었다. 분석에 사용한 프로그램은 EDEM 2017 (DEM Solutions LTD., UK)이고 입자는 마늘의 타원체 형상을 실측한 길이, 폭, 두께를 적용하여 하여 5개의 구를 중첩시켜 만들었으며 밀도를 적절하게 설정하여 실제 무게와 근접하게 형상화하였다. 롤러가 회전하면서 이동하기 때문에 마늘과 충돌하는 조건을 제한하기 어려우므로 롤러가 시작되는 위치를 다르게 하여 각 회전속도별로 5회씩 반복하여 결과를 얻었다. 연속적인 과정에서 충돌 순간의 힘을 구하는 것은 매우 빠른 속도로 데이터를 얻어야 가능하며 실험에서도 충돌 때 입자에 가해지는 힘이 측정된 경우는 거의 없었다. 다만 마늘에 가해진 충격의 경우 충돌 후 움직일 때 가진 총 에너지로 전해지기 때문에 에너지를 파악하여 비교하도록 하였다. 입자가 이동하는 속도 데이터도 얻을 수 있으므로 같이 분석하였다. 반복결과의 평균값을 분석하였을 때는 회전속도와 충격이 비례하는 것으로 보기 어려우나 최댓값을 비교하면 회전속도가 증가할수록 충격에 의해 전해진 에너지가 증가하고 입자의 이동속도도 증가한다는 결과를 얻을 수 있다. 빠른 속도로 회전할 경우 충돌이 확실하게 이루어지지 않고 빗겨 맞는 경우가 많아 정확한 결과를 얻기 어려운 것으로 보인다. 추후 수확기의 이송부 구조에서 이루어지는 이송과정을 구현하고 실제 마늘의 물성을 자세히 분석하여 손상이 일어날 것인지 파악하는 것으로 최적의 롤러 회전속도를 도출해낼 수 있을 것이다.

고령자 및 여성 친화형 농기계에 대한 농민들의 인식 및 요구사 항 설문조사 - 마늘파종기를 중심으로 -

박동혁 ( Donghyeok Park ),이춘구 ( Chun Gu Lee ),김재석 ( Jaesuk Kim ),이중용 ( Joong Yong Rhee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

국내 농가인구의 절반 이상인 여성들은 가사 병행 및 체력 부족으로 인한 농사일의 어려움이 크다고 하며 고령자의 경우 농작업 관련 손상률이 더 크게 나타나 이들을 위한 농기계에 대한 관심이 증가하고 있다. 고령자 및 여성 친화형 농기계는 편리하거나 사용빈도가 많은 농기계이며 작업강도를 경감시키는 것으로도 알려져 있어 실제 사용자들의 의견을 반영해 개발의 방향성을 수립할 필요가 있다. 본 연구에서는 농민들을 대상으로 고령자, 여성 친화형 농기계에 대한 인식과 요구되는 특성, 기능에 대해 설문하였다. 또한 마늘 재배시 애로사항과 마늘파종기의 문제점에 대한 설문으로 마늘파종기 개발의 방향성을 파악하도록 했다. 마늘 주산지인 의성, 창녕, 고흥의 농민들을 대상으로 하여 방문, 우편으로 43부의 유효한 답변을 수집하였다. 고령자와 여성에게 필요할 것으로 예상되는 농기계 특성과 기능으로 여섯 항목을 각각 선정하고 체크리스트 형식으로 설문하도록 하였으며 조작이 간단한 특성과 힘 안 드는 조작기 기능이 가장 많이 선택되었다. 마늘재배 시에는 일손부족의 어려움이 가장 크며 기존 마늘 파종기는 낮은 파종률이 가장 문제가 되는 것으로 나타났다. 65세 이상 고령자들의 설문 결과를 추출해 교차분석을 한 결과에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 설문인원을 더 확대하고 특히 여성 농민의 답변을 확보하면 고령자 및 여성 농민들이 필요로 하는 농기계에 대한 의미 있는 견해를 도출해낼 수 있을 것으로 생각된다.

마늘파종기의 파종간격 시뮬레이션

박동혁 ( Donghyeok Park ),하종우 ( Jongwoo Ha ),김대현 ( Daehyun Kim ),이중용 ( Joong Yong Rhee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

단위면적당 마늘의 생산량을 증가시키기 위해서는 파종간격을 좁게 해야 하지만 식물간 거리가 너무 가까우면 생장에 저해가 발생하기 때문에 파종하는 과정에서 파종간격을 정확하고 일정하게 유지될 수 있도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 마늘파종기는 종자를 하나씩 심는 점파 방식으로 개발되어 설정한 파종간격대로 마늘을 심도록 한다. 이산요소법(Discrete Element Method)을 통한 시뮬레이션으로는 입자의 거동을 분석할 수 있기 때문에 마늘이 정확하게 파종되는지 확인할 수 있다. 본 연구에서는 마늘과 토양을 입자로 설정하였고 마늘파종기의 파종부분을 구조물로 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 0.2778 m/s로 이동하는 마늘파종기에서 0.396 s 마다 마늘 종자 한 개씩 생성하여 110 mm 간격으로 파종이 되도록 시뮬레이션을 구성하였으며 1.5 m 길이에 0.2 m 깊이로 토양층을 형성하여 10회 이상 마늘이 파종되도록 하였다. 마늘파종기의 배종장치에 의해 하나씩 공급되는 마늘을 바로 토양에 낙하시키는 방식과 직선 및 곡선으로 설계된 종자이송부를 거쳐 파종되는 마늘의 파종간격을 도출하였으며 파종의 정확성을 비교하도록 하였다. 낙하식의 경우 110.94±66.94 mm, 직선 종자이송부는 106.25±70.67 mm, 곡선 종자이송부는 109.39±25.46 mm로 파종간격이 나타났다. 제품 제작 이전에 다양한 형태에 대해서 실제 작업과 비슷한 시뮬레이션을 수행하고 결과 비교가 가능하였으며, 이번 연구에서는 종자이송부의 경사가 마늘 파종의 정확도에 큰 영향을 준다는 것을 파악할 수 있었다.

EDEM을 이용한 줄기절단기의 칼날 설치각에 따른 절단부하 분석

박동혁 ( Donghyeok Park ),이춘구 ( Chungu Lee ),백승환 ( Seunghwan Baek ),이중용 ( Joongyong Rhee ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

밭작물 중 양파와 마늘은 높은 노동투하시간, 노임의 상승, 복잡한 수거 과정 등으로 최근 재배면적이 감소하는 추세이다. 밭농업 활성화 방안으로 생산비 절감과 작업 속도 향상을 위한 수확기계 개발 연구로 줄기절단기가 개발되었다. 이 연구는 줄기절단기 예취날의 설치각이 절단부하에 미치는 영향을 분립체 해석 기법으로 분석하고자 하였다. 실험에 사용한 시뮬레이션은 EDEM으로 인장탄성계수, 전단탄성계수, 중첩길이, 입자 반경 및 질량, 상대속도를 이용하여 충돌시 힘을 해석하고 인장 및 전단강도, 한계, 결합 길이를 통해 입자간 결합을 설정할 수 있다. 시제품으로 설계된 줄기절단기의 치수를 활용하여 프로그램 상에서 줄기 절단 시뮬레이션을 진행하여 절단부하 결과를 얻도록 하였고 칼날 설치각을 30도, 45도, 60도로 변경하여 각각의 부하를 분석하여 경향성을 파악하고자 하였다. 실험에서 사용한 프로그램은 EDEM 2.7.1 Academic Research 버전이며 시뮬레이션을 진행한 PC의 사양은 Intel(R) Core™ i7-4790CPU @ 3.60GHz, Memory 16.0GB이다. 줄기 절단 시뮬레이션에 적용시킨 줄기 모델은 마늘의 조건을 적용시켜 직경 1mm의 입자로 이루어진 지름 12mm, 높이 214mm의 원통형 모델이며 60.32N의 최대절단력을 가지고 있다. 줄기절단기는 2개의 회전날을 가지고 있으나 좌우대칭을 적용하여 절반에 대한 해석으로 하나의 회전날로 절단을 하도록 줄기 모델은 4조로 하여 3열을 140mm 간격으로 위치시켰다. 줄기절단기의 칼날은 반경 350mm로 회전하며 진행속도는 1.65m/s, 회전속도는 1680rpm으로 작업하도록 하였다. 시뮬레이션은 0.5초의 시간에 대해 해석하도록 하였으며 0.003초 간격으로 칼날에 가해지는 힘을 구하여 저장하도록 하였다. 시뮬레이션 해석시간은 약 116시간이었으며 설치각별 시간에 따른 칼날에 가해지는 압축력 값과 그래프를 얻을 수 있었다. 대부분의 시간에서 절단이 이루어지지 않으므로 0의 값을 나타내었으며 절단이 이루어지는 시점에 절단부하가 나타났다. 결과 해석을 위해 그래프의 피크 값들을 이용하였으며 그 중 상위 6개의 값으로 분석하였다. 30도, 45도, 60도의 설치각에 따른 절단부하의 평균값은 각각 105.4N, 160.5N, 215.9N으로 나타났다. 설치각에 따른 절단부하의 경향성은 유의수준은 3.93%로 각각의 차이가 유의미하게 나타났으며 상관계수는 0.489로 증가하는 경향이 보였다. 그러나 R²는 0.2394로 낮은 값을 보여 데이터 처리 방법의 개선과 적절한 회귀 모델의 적용이 필요하다. 향후 포장시험을 진행하고 복합적으로 분석하여 경향성을 자세히 분석하고자 한다.

EDEM을 이용한 마늘 줄기 절단 시뮬레이션 설계

박동혁 ( Donghyeok Park ),이춘구 ( Chungu Lee ),박하나 ( Hana Park ),백승환 ( Seunghwan Baek ),이중용 ( Joongyong Rhee ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

마늘은 우리나라에서 많이 재배되는 주요작물이나 최근 높은 생산비 부담과 노동투하시간 등으로 인해 재배면적이 감소하고 있다. 따라서 밭농업 기계화를 위한 연구로 줄기절단기 개발을 진행중에 있으며, 관련 기초연구로 설계요인분석에 활용할 수 있는 줄기 절단 시뮬레이션에 대해 연구하였다. EDEM은 분체 해석 기법을 이용한 입자 시스템 전용 시뮬레이션 프로그램으로 입자간의 반발계수와 마찰력으로 충돌을 해석할 수 있으며 강성, 한계응력, 결합범위로 결합력을 설정하여 실제 물체와 유사한 성질을 가진 모델을 형성할 수 있다. 연구의 목적은 EDEM으로 마늘 줄기에 대한 모델링을 진행한 후 절단 시뮬레이션을 통해 모델의 절단력을 분석하는 것이다. 실험에 사용된 프로그램은 EDEM 2.7.1 버전이며, 결합력을 위한 조건으로는 강성은 5×10¹⁰ N/m³, 한계응력은 5×10⁸ Pa로 하여 인장과 전단에 대해 같은 값으로 하였다. 그리고 결합범위는 0.1mm로 하였으며 직경 1mm의 입자로 구성하였다. 시뮬레이션 조건에 대해서 처음 2초의 시간은 마늘 줄기형상을 만들기 위한 시간으로 지름 12mm에 높이 400mm의 원통형 구조를 만들어서 내부에 입자를 생성하고 결합을 위해 적층되는 시간을 부여하였으며 그 후 3초의 시간동안은 원통형 구조를 제거하고 아래에 20mm 높이의 원통형 구조를 새로 만들어 움직임과 쓰러짐을 억제하였다. 또한 줄기 입자들의 결합 유지에 대한 확인 절차를 거쳐 모델링을 완성하였다. 그리고 3.5초간 줄기의 절단 시험 시뮬레이션을 진행하였다. 모델링 결과 214mm 높이의 쓰러지지 않는 마늘 줄기 모델을 만들었다. 문헌에 따르면 마늘의 절단력은 약 58.5N이며, 절단 시뮬레이션의 결과로 28.68N의 절단력 수치를 얻었다. 실제 마늘의 약 49% 정도의 절단력을 가지는 모델링 결과를 얻었으나 이수치의 경우 결합력 조건을 수정하여 최적 값을 얻을 수 있다. 시뮬레이션을 통해 줄기와 비슷한모델을 얻어 절단력에 대한 결과를 얻을 수 있으며 이를 활용하여 줄기절단기의 절단 성능을 평가할 수 있다는 것을 확인하였다.

팔 근육의 부하 추정을 위한 이두근 및 삼두근의 근전도 신호 분석

박동혁 ( Donghyeok Park ),강신찬 ( Shinchan Kang ),하종우 ( Jongwoo Ha ),김준용 ( Joon Yong Kim ),이중용 ( Joong Yong Rhee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

우리나라의 농촌은 인구 감소 및 고령화가 심각해지고 있으며 농작업의 노동 강도가 여전히 크기 때문에 근골격계 질환이 빈번하다. 고령자, 여성 농민들에게는 사고로 인한 신체 부상이 더 크게 나타날 수 있는데 농산업의 재해율은 상대적으로 높은 편이어서 위험성도 크다. 농기계 사용시 전도나 추락 등으로 인한 사고가 큰 비율을 차지하고 있기 때문에 손잡이나 발판 및 안전장치의 인간공학적인 설계가 필요한 상황이다. 한국인 인체지수조사사업을 통해 연령 및 성별에 따른 근력은 파악되고 있지만 농작업 및 농기계 사용에 요구되는 근력에 대한 분석은 아직 부족하다. 본 연구에서는 근육의 활성도를 나타내는 근전도 신호를 통해서 팔에 작용하는 부하를 추정하고자 하였다. 주요 팔 근육인 이두근과 삼두근에 근전도 센서를 부착하고 데이터 수집장치를 이용해 신호를 기록하였다. 실험 동작은 1~10 kg의 부하를 손에 들고 서서히 팔을 접어서 손을 어깨 높이까지 올린 후 다시 내리는 동작을 12초 동안 1회 수행하는 것이다. 근전도 신호는 RMS 처리 후 Integrated EMG 방식으로 계산하여 근활성도로 제시되었다. 이두근과 삼두근의 근활성도를 부하와 비교하여 경향성을 파악하였으며 선형적인 관계를 보여 근전도 신호를 이용해 팔 근육의 부하를 추정할 수 있을 것으로 판단하였다. 실험 동작에서 두 근육이 사용되는 정도가 달라 부하와 근활성도의 관계에서 기울기의 차이가 확인되었다. 사람에 따라 차이가 있는 근활성도와 부하의 관계를 개별적으로 파악하면 향후 다양한 농작업에 대해 근활성도를 측정해 부하를 예상할 수 있을 것이다.

포토 센서를 이용한 회전원판-집게식 마늘 배종장치의 종자 검출 특성 분석

박동혁 ( Donghyeok Park ),하종우 ( Jongwoo Ha ),이춘구 ( Chun Gu Lee ),김재석 ( Jaesuk Kim ),이중용 ( Joong Yong Rhee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

마늘의 점파를 위해서 개발된 회전원판-집게식 배종장치는 종자를 하나씩 집어서 파종장치에 전달한다. 작업속도에 관계없이 일정한 간격으로 배종과 파종이 이루어지기 때문에 정밀한 마늘 파종작업이 가능하다. 그러나 작업환경에 따라 집게가 종자를 집지 못해 배종이 이루어지지 못하는 경우가 발생하여 실제 파종률이 80~90% 정도로 나타나기도 한다. 본 연구에서는 파종률 개선을 위해 배종장치의 집게에서 마늘 종자를 검출하고자 하였다. 이를 위해서 포토 센서를 활용하였고 센서의 데이터를 분석하여 종자 검출 특성을 파악하였다. 100mm 이내의 물체 유무를 판별할 수 있는 포토 센서(Autonics, BR100-DDT)를 배종장치의 집게 회전범위에 근접하도록 설치하고 원판의 회전속도는 10rpm으로 설정해 실험하였다. 종자가 없는 조건과 배종이 이루어지는 조건에서 데이터를 얻었고 이를 촬영한 영상으로 실제 종자 유무를 판별하여 종자의 유무에 따른 검출 데이터 결과를 비교하도록 하였다. 데이터 수집 간격별 분석을 하였으며 집게에 종자가 있는 경우와 없는 경우의 검출 결과에 차이가 모두 확연하게 나타났다. 포토센서로 배종 여부 판단이 가능할 것으로 판단되고 배종이력을 관리하도록 하면 결주된 곳에 추가 작업으로 보충을 할 수 있을 것이며 나아가 보조 배종장치까지 개발하여 파종기의 파종률 향상도 기대할 수 있을 것이다.

방역차량의 약제 살포량 측정 정확성 개선을 위한 디지털 필터와 댐퍼 개발

백승환 ( Seunghwan Baek ),박동혁 ( Donghyeok Park ),박하나 ( Hana Park ),이춘구 ( Chungu Lee ),이중용 ( Joongyong Rhee ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

방역 차량의 약액탱크, 차량의 연료, 워셔액 등의 탱크 내부에는 잔존량을 측정하기 위해 기둥과 floating box로 이루어진 부력식 수위레벨센서가 사용되고 있으나 액체레벨에 따라 float이 상하로 움직이는 측정원리상 차량 주행 중 정확성이 매우 떨어진다(Park et al. 2016). 방역차량이 주행 중 분사할 때, 슬로싱 현상과 방역소독기의 노즐과 펌프에서 발생하는 진동으로 인해 기존의 부력식 센서를 이용한 약제살포량 측정방법은 정확성이 매우 떨어지는 경향이 있다. 본 연구의 목적은 방역차량이 주행하면서 분사할 때, 수위레벨 센서를 이용한 약제살포량 측정의 정확성을 개선하는 것으로 디지털 칼만필터, Low pass filter와 댐퍼를 제작하여 이용했다. 본 연구에서는 압력식 레벨센서를 이용해 약액탱크의 높이당 단면적과 수위를 측정하여 약제살포량을 계산했다. Python 2.7을 이용해 디지털 칼만필터와 Low pass filter(LPF)를 구현하였으며 3D프린터를 이용해 댐퍼를 제작했다. 실내에서 슬로싱 현상을 인공적으로 만들어 필터와 댐퍼의 수위 측정 정확성개선효과를 확인 후 실제 방역차량에 부착하여 비포장도로에서 주행하면서 분사할 때 필터와 댐퍼의 효과를 확인하였다. 댐퍼의 공극률(p)을 바꿔가며 수위 측정 정확성 개선효과를 확인하였다. 실내, 현장 실험 결과, 칼만필터가 LPF보다 개선효과가 더 크지만 데이터 50개 처리에 1.71초의 시간지연이 발생했다. 댐퍼는 수위센서를 고정시키고 유체의 운동을 방해하여 이상치와 큰 오차제거에 효과적이었다. 칼만필터와 댐퍼를 동시에 이용할 경우, 수위 측정정확성 R²는 0.9985, 0.9981로 ±4.3cm의 범위내에서 수위를 측정할 수 있었다. 필터의 시간지연과 수위 측정정확성을 고려하여 데이터 기록간격을 3초로 설정하면 ±3cm이내에서 약탱크 내 수위를 측정할 수 있었다. 공극률(p)가 0.294, 0.291, 0.17에서 측정정확성 R²는 각각 0.9897, 0.9858, 0.9872 로 p가 0.294에서 개선효과가 가장 좋았으나 개선효과의 차이는 크지 않았다.

Mecanism Study of Buffer Layer in CIGS Solar Cells

Donghyeok Shin,Soomin Song,Ju Hyung Park,Inyoung Jeong,Seung Kyu Ahn,Sangmin Lee,SeJin Ahn,Jae Ho Yun,Jihye Gwak,Young-Joo Eo,Jun Sik Cho,Jin Su Yu,Kihwan Kim,Donghyeop Shin,Yonggook Son,Ara Cho 한국신재생에너지학회 2019 AFORE Vol.2019 No.11

Study of the Noise Reduction Algorithm with Median Modified Wiener Filter for T2-weighted Magnetic Resonance Brain Images

Donghyeok Choi,Seong-Hyeon Kang,Chan Rok Park,Youngjin Lee 한국자기학회 2021 Journal of Magnetics Vol.26 No.1