다구찌 기법을 활용한 부산물사료의 발효조건 구명

우승민 ( Seung Min Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),홍동혁 ( Dong Hyuck Hong ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

시뮬레이션을 이용한 고추 수확기의 동적 특성 연구

강석호,김준희,김영수,우승민,두윰우예다니엘,하유신,Kang, Seokho,Kim, Junhee,Kim, Yeongsu,Woo, Seungmin,Daniel, Dooyum Uyeh,Ha, Yushin 한국시뮬레이션학회 2020 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.29 No.3

밭 농업 기계는 심한 경사지와 험로, 재배 작물별 정형화되지 않은 재배양식으로 인해 개발이 어렵다. 특히 고추 수확 작업은 많은 시간과 인력이 요구되는 작업으로 고령화가 가속화되는 국내 농촌의 큰 문제점이다. 본 연구는 부족한 인력을 대체하고 작업 시간을 줄이며 수확 작업을 기계화하기 위해 개발된 고추 수확기의 동적 특성을 연구하고자 한다. 고추 수확기의 동적 특성을 분석하기 위해 동역학 프로그램인 Recurdyn을 이용하여 진행하였으며 모든 분석은 공차를 전제로 분석을 진행하였다. 시뮬레이션 결과에 따라 주행 플랫폼이 주행할 수 있는 안전 범위를 제시하였다. The field farming machine is difficult to develop due to its heavy slopes, tough roads and unformatted cultivation by growing crops. In particular, harvesting is a major problem in rural areas in Republic of Korea where aging is accelerated with work requiring a lot of time and manpower. This study seeks to analyze the dynamic characteristics of hot pepper harvester developed to replace manpower, reduce working hours and mechanize harvesting operations. To analyze the dynamic characteristics of a hot pepper harvester, the dynamic program Recurdyn was used and all analysis were performed as case of an empty vehicle. Based on the results, this study can suggest dynamic safety range of multi-purpose driving platform with hot pepper harvester.

공정 시뮬레이션을 통한 로봇적용 시설온실의 모델개발

우승민 ( Seungmin Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),김준희 ( Junhee Kim ),김국환 ( Gukhwan Kim ),이종원 ( Jongwon Lee ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

국내에서는 농진청을 중심으로 스마트팜 기술을 1세대, 2세대, 3세대로 구분하고, 복합에너지 관리와 자동화· 로봇 기술을 기반의 3세대 모델을 ’20년까지 개발하는 연구가 진행 중에 있다. 그 일환으로 본 연구에서는 시뮬레이션(ARENA V15)을 통하여 3세대 시설온실 모델에 적용되는 로봇의 종류 및 용량을 산정하여 그 모델을 개발하였다. 재배작물은 국내 시설온실에서 활용도가 높은 딸기를 선정하였으며 10a 당 생산량 작업공정별 재배시간을 조사하고, 레이아웃을 작성해 시뮬레이션의 입력변수로 적용하였다. 제한조건은 로봇의 고장율, 배터리 구동에 있어 충전시간, 딸기 베드의 배치에 따른 작업동선으로 하였으며, 이를 통하여 출력변수로 총 작업시간, 생산량, 로봇의 가동률, 병목현상 등을 조사하였다. 그 결과 10a 당 인력작업의 가동률은 하루 24시간 중 8시간 작업기준으로 수확의 경우 19%, 선별 및 포장의 경우 10%, 운반의 경우 2.6%로 나타나 낮은 가동률을 높이기 위한 조정이 필요한 것으로 분석되었다. 로봇 작업의 경우 수확 작업 8%, 선별 및 포장작업 91%, 운반작업 0.7%의 가동률로 나타나 선별 및 포장작업은 병목구간이 발생하여 이에 선별 및 포장작업에 투입되는 로봇의 용량을 조정하여야 하는 것으로 분석되었다. 이상의 결과는 3세대 로봇적용 시설온실의 재배환경과 작업시간에 따른 변화를 예측해 볼 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 추가적으로 모빌리티를 활용한 시설온실 내부의 로봇적용을 고려하여 공정을 세부적으로 묘사한 시뮬레이션에 대한 연구도 필요한 것으로 판단된다.

시뮬레이션을 이용한 로봇적용 시설온실 모델개발

우승민 ( Seungmin Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),김준희 ( Junhee Kim ),김영수 ( Yeongsu Kim ),김국환 ( Gukhwan Kim ),김경철 ( Kyoungchul Kim ),이종원 ( Jongwon Lee ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

국내에서는 농촌진흥청을 중심으로 스마트팜 기술을 1세대, 2세대, 3세대로 구분하고, 복합에너지 관리와 자동화·로봇 기술기반의 3세대 모델을 ’20년까지 개발하는 연구가 진행 중에 있다. 그 일환으로 본 연구에서는 시뮬레이션(디지털팩토리 퀘스트)을 통하여 3세대 시설온실 모델에 적용되는 로봇의 용량을 산정하여 그 모델을 개발하였다. 재배작물은 국내 시설온실에서 활용도가 높은 딸기를 선정하였으며 10 a 당 생산량에 있어 로봇운용률과 인력운용률을 산정하여 생산성을 분석하였고 이를 바탕으로 경제성 분석을 실시하여 손익분기점을 나타냈다. 시뮬레이션의 진행 방법은 상수형 변수 (로봇의 성능, 인력의 작업률)를 고정하고 일일 목표 생산량에 따라 투입되는 로봇 및 인력을 증가시키면서 대기 및 병목 현상을 해소해 나가는 방법으로 진행하였다. 또한 제한조건으로 인력작업시 휴게시간, 로봇의 충전시간 시설온실 내부 레이아웃에 따른 작업동선으로 설정하였다. 그 결과 10 a 당 수확로봇의 가동률은 84 % 운반로봇의 가동률은 53 % 로 분석되었다. 인력작업 숙련자의 경우 24.8% 초보자의 경우 20.6%의 운용률로 분석되었으며 일일 평균 딸기 수확량은 로봇의 경우 일일 평균 생산량 212.54 kg 숙련자의 경우 171.32 kg로 초보자의 경우 86.74 kg으로 나타났다. 생산성 분석을 바탕으로 경제성 분석을 실시한 결과 로봇의 비용이 현행비용에서 약 1/4로 절감되어야 2명의 작업자를 대체할 수 있고 11년 지난 후 손익분기점이 나타나는 것으로 분석되었다. 하지만 이는 매년 증가하는 노동비용 및 딸기가격 상승 가치를 고려하지 않은 결과이며 추후 시간이 지남에 따라 손익분기점은 줄어들 것으로 판단되며 로봇 기술 발전과 이에 따른 비용 절감 또한 손익분기점을 줄일 수 있는 요인이 될 수 있을 것으로 예상된다.

시뮬레이션을 통한 TMR 플랜트의 부산물 발효 저장시스템 용량설계

우승민 ( Seung Min Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),캄루짜만 ( Md. Kamruzzaman ),하유신 ( Yu Shin Ha ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

축산농가의 사료비 절감방안으로 식품부산물이나 농산부산물 활용에 대한 관심이 증대되고 있고 영양학적 측면에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 대부분의 부산물사료는 수분 함량이 60~80%의 고수분 상태이고 단백질 등의 높은 영양소를 함유한 유기물로서 원료의 저장 과정중 산패나변질, 부패 등의 우려가 있다. 이에 부산물사료의 가치와 저장성을 높이기 위하여 몇 일간의 혐기발효 공정을 거쳐 사료로 제조하지만 노동력이 많이 소요되고, 계절별 온도제어 발효기간 및 발효상태가 불규칙하여 품질이 일정하지 않은 문제점이 있다. 따라서 부산물사료가 안전하고 균일한상태로 유지되고 노동력을 절감하기 위해서는 기존 TMR플랜트에 적용하여 사용이 가능한 대규모 부산물 발효저장 시스템의 개발이 필요로 하다. 본 연구는 부산물 사료 발효저장 시스템 개발을 위한 선행 단계의 연구로서 시뮬레이션을 통하여 TMR 플랜트에서 부산물 발효저장 단위기계의 최적화된 기계용량을 산정하였다. 개발 시스템은 1일 100톤 규모의 TMR 공장의 부산물 사료 발효저장시스템을 기준으로 설계하였으며, 시스템 모델의 공정은 크게 건식 및 습식 저장 탱크, 스팀살균, 압착수분조절, 프리믹스, 발효저장, 벌크 및 차량운반으로 구분하여 설계하였다. 최적화를 위한 개발 모델의 시뮬레이션은 ARENA V12.0(Rockwell Automation Inc., Pittsburgh, USA)을 이용하였다. 모델 개발에 사용된 기본적인 가정은 50 ton 규모의 발효 저장부의 발효기간이 3일인 것을 감안하여 전처리 공정인살균 및 수분조절 압착공정과 발효 후 포장 공정의 기계 가동율 점검을 위하여 총 4일의 시뮬레이션 플레이 시간인 96시간을 기준으로 100회 반복 수행하였다. 단위시간은 분으로 가정하였으며. 기계의 고장 및 기타의 지연 요인은 없다고 가정하였다. 사용되는 분포함수는 일괄적으로 정규분포인 NORM 함수를 사용하고 표준편차는 평균값의 5%로 가정하였다. 최적실험계획법을 바탕으로 변수 범위를 좁혀가며 반복 시뮬레이션한 결과 습식부산물 저장빈의 경우 기계용량 12 ton/h, 건식부산물저장빈의 경우 0.75 ton/h 스팀살균, 압착수분조절, 프리믹스공정의 경우 5 ton/h 의 기계용량에서 가동률이 90% 이상으로 나타나 효율이 우수한 것으로 분석되었다.

부산물사료 발효저장시스템 설계

우승민 ( Seung Min Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),캄루짜만 ( Md. Kamruzzaman ),권오준 ( O Jun Kwon ),장기석 ( Gi Seok Jang ),오세운 ( Se Un Oh ),김태우 ( Tae Woo Kim ),엄준식 ( Jun Sick Eom ),홍동혁 ( Dong Hyuck Hong ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.1

마늘 수확을 위한 줄기 직립화 요인시험

김준희 ( Junhee Kim ),우승민 ( Seungmin Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),김영수 ( Yeongsu Kim ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

수확 철 마늘의 줄기는 서 있는 경우도 있지만, 쓰러져있는 경우가 대부분이다. 트랙터 부착형 마늘 줄기절단기를 통해 줄기를 절단하기 위해서는 쓰러져있는 줄기를 세워 절단하여야 한다. 마늘 줄기를 직립시킬 수 있는 방법으로는 기구적으로 일으켜 세우는 등 기타 방법들이 있다. 그중에서 본 실험은 블레이드 회전으로 줄기를 절단하는 기존 양파 줄기절단기의 방법을 응용하여, 기류의 흐름을 통해 풍량으로 줄기를 직립시키는 방법으로 시제품을 제작하였다. 국내에서는 5~6월에만 마늘이 생산되기 때문에 마늘과 비슷한 작물인 대파를 대상으로 하였으며, 대파를 꺾어 마늘 줄기절단기 중간 부분의 지면에 고정하여 직립화 실험을 진행하였다. 또한, 마늘 줄기절단기 하단부에 15개의 포인트를 나누어 지면과의 높이를 0cm, 5 cm, 10 cm 간격으로 띄워 풍속계(AVM-03, PROVA, Taiwan)를 이용하여 풍속을 측정하였다. 트랙터의 PTO 회전수는 540, 750, 1,000 rpm으로 변경하며 포인트마다 3번씩 측정하였으며, 540 rpm 기준 3 m/s, 750rpm 기준 4 m/s, 1,000 rpm 기준 6 m/s로 분석되었다. 또한, 대파를 대상으로 직립화 시험을 하였을 때 충분히 직립 되지 못해 절단되지 않았으며, 시제품으로 제작된 마늘 줄기절단기는 사방이 뚫려있어 압력이 약해 흡입이 잘되지 않는 것으로 분석되어 추후 높은 압력을 받을 수 있는 설계가 요구되었다. 본 연구에서 측정되고 분석된 직립화 특성들은 마늘 줄기절 단기 개발을 위한 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

마늘 줄기절단기 개발을 위한 줄기 절단 시험

김준희 ( Junhee Kim ),우승민 ( Seungmin Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),유민근 ( Mingeun Yu ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

기존 마늘 수확은 줄기를 절단하지 않고 굴취 수확하여 노지에 건조를 한 후 출하하기 전에 마늘의 줄기를 절단하는 수작업을 통해 출하되고 있다. 현재 농촌의 고령화 및 작업 자동화를 고려하였을 때 마늘줄기절단기의 필요성이 요구되고 있으며, 개발하고자하는 마늘 줄기절단기는 줄기를 1차와 2차에 나누어 절단하는 형식으로, 1차 절단(마늘 위 15 cm)하여 줄기를 파쇄하고, 2차 절단(마늘 위 5 cm)을 하는 방식이다. 이에 본 연구에서는 마늘 줄기의 절단 특성을 분석하기 위해 인장압축기(LTCM-100, Ametek, USA)를 이용하여 마늘 줄기의 1차, 2차 절단부의 절단 실험을 진행하였으며, 줄기의 함수율, 굵기에 따른 절단력을 분석하였다. 충청남도 서산의 마늘 농가에서 당일 수확한 육쪽마늘로 절단 실험을 진행하였으며, 줄기의 초기 함수율은 오븐법을 이용하여 측정하였으며, 85%로 분석되었다. 줄기의 함수율이 85%, 70%, 60%일 때의 절단력과 마늘 줄기의 직경에 따른 절단력을 측정하였으며, 1차 절단부위의 최대 절단력은 함수율 85%, 직경 15.87 mm일 때 326.27 N으로 분석되었고, 2차 절단부위의 최대 절단력은 함수율 85%, 직경 17.81 mm일 때 379.38 N으로 분석되었다. Minitap을 이용하여 ANOVA분석을 진행하였으며, 직경에 따른 절단력의 r²값은 1차 절단부 77.03, 2차절단부 61.62로 분석되었다. 함수율 및 직경에 따른 다중회귀분석결과 1차 절단력의 F값은 63.2, P값은 <0.001으로 분석되었으며, 2차 절단력의 F값은 35.52, P값은 <0.001으로 분석되어, 함수율과 줄기의 직경에 따라 절단력이 높아지는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 측정되고 분석된 마늘 줄기의 특성들은 마늘 줄기절단기 개발을 위한 기초 자료로 사용 될 수 있을 것으로 기대되어진다.

윤거조절에 따른 다목적 주행 플랫폼 안전성 시뮬레이션 분석

강석호 ( Seokho Kang ),우승민 ( Seungmin Woo ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),김영수 ( Yeongsu Kim ),김준희 ( Junhee Kim ),김윤수 ( Yunsu Kim ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

국내 농촌은 규격화되지 않은 두둑 크기, 경사지, 노동력 부족, 고가의 작업기로 인해 작업기 진입이 어렵고 작업 시간이 오래 소요된다. 본 연구는 이러한 농촌 현황을 고려하여 윤거 조절이 가능한 다목적 주행플랫폼 개발(크롤러)의 일환으로 작업 안전성을 확보하기 위한 주행 시뮬레이션을 수행하였다. 크롤러의 재원은 길이 4 m, 폭 1.5 m, 높이 2 m, 지상고 600 mm, 윤거 폭은 1200 ~ 1500 mm 조절이 가능하며, 공차 무게 2020 kg으로 동양물산기업㈜에서 제작한 테스트기이다. 주행 시뮬레이션은 윤거 폭을 100 mm간격으로 조절하여 Pitch와 Roll에 대해 작업 가능한 안전 각도에 대해 RecurDyn 소프트웨어를 통하여 분석하였다. 국내 선도 농장을 방문해 측정한 현장 최대 각도인 35 deg와 비교하였을 때, 윤거 1200 mm에서 Pitch 각도는 13 ~ 18 deg 차이의 안전성으로 작업이 가능한 것으로 분석되었다. 윤거 폭에 따른 Roll 최대 각도는 각각 1200 mm에서 37 deg, 1300 mm에서 39 deg, 1400 mm에서 41 deg, 1500 mm에서 43 deg로 분석되었다. 공차임을 고려했을 때 기존 윤거 폭 1200 mm에서는 Roll-over의 위험이 있고 현장 최대 각도인 35 deg에서 작업하기 위해서는 최소 윤거 폭 1400 mm로 조절해야 6 deg 차이의 안전성으로 작업이 가능한 것으로 분석되었다. 본 연구에서 분석된 데이터는 차후 크롤러 개발의 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대되어 진다.

시설온실 내부 로봇거치 시스템의 구조해석

우승민 ( Seungmin Woo ),강석호 ( Seokho Kang ),두윰우예다니엘 ( Uyeh Daniel Dooyum ),김영수 ( Yeongsu Kim ),김준희 ( Junhee Kim ),김윤수 ( Yunsu Kim ),김경철 ( Kyoungchul Kim ),이종원 ( Jongwon Lee ),하유신 ( Yushin Ha ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

노동력이 감소하고 있는 농업 현안 문제해결을 위해 로봇화된 스마트팜 기술 개발이 국내외적으로 활발히 추진중에 있다. 그 일환으로 수확 및 이송, 방제 작업에 로봇을 활용하여 시설온실의 완전 무인화 시스템을 구축하는 연구가 진행되고 있다. 시설온실에 적용되는 로봇은 자율 주행형 로봇과 시설온실 내부에 거치되는 겐트리 로봇으로 분류된다. 본 연구에서는 겐트리 로봇이 시설온실 내부에서 X, Y, Z 방면으로 이동할 수 있는 겐트리 로봇 거치 시스템 개발의 기초 연구로서 시설온실 트러스에 설치되어 겐트리 로봇 거치 시스템을 지지하는 브라켓의 두께 및 설치각도에 따른 구조해석을 실시 최적화된 사향을 결정하였다. 내재해형 단동 시설온실 측면 트러스에 적용된 파이프는 일반 구조용 탄소강관(SPS) 재질의 ø 31.8 에 두께 1.4 mm 이다. 여기에 동일한 사향의 파이프 300 mm 를 수평된 방향으로 설치하여 볼팅으로 고정하였으며, 하중의 분산을 위하여 하단에 브라켓을 설치하였다. 브라켓은 시설온실 측면 트러스 파이프와 겐트리로봇 거치 시스템 파이프에 볼팅으로 체결하였다. 구조해석에 적용된 겐트리 로봇 거치 시스템의 하중은 파이프와 형광류 로봇의 무게 및 수확작물의 무게를 고려하여 총 200 kg 으로 설정하였으며, 분산되어 하나의 브라켓에 적용되는 하중 50 kg 이, 브라켓의 두께 및 설치 각도에 따라 겐트리 로봇 거치 시스템에 어떠한 변형량으로 나타나는지 조사하였다. 그 결과 브라켓을 설치하지 않았을 경우 겐트리 로봇 거치 시스템이 아래로 2.16 mm 휘어지는 것으로 나타났으며, 브라켓의 두께가 2 mm, 3 mm, 4 mm 일 경우 각각 0.1718 mm, 0.1550 mm, 0.1482 mm 의 변형량이 나타나 브라켓의 설치 필요성이 입증되었고 그때의 두께는 2 mm 가 적합한 것으로 분석되었다. 설치 각도에 따른 시스템의 항복응력은 45°, 50°, 55°, 60°의 4 수준으로 구분하여 시뮬레이션 하였으며 그 결과 256.11 Mpa, 239.79 Mpa, 226.53 Mpa, 215.67Mpa 로 나타나 설치각도가 50° 일 때 일반 구조용 탄소강관(SPS)의 항복응력점 250 Mpa 미만으로 나타났으며, 55° 에서 60° 일때의 차이점은 크지 않아 55° 일 경우 가장 적합한 것으로 분석되었다. 이상의 시뮬레이션 결과는 겐트리 로봇 거치 시스템 설계에 적용할 것이며, 재현성 실험을 실시하여 유의성 분석을 진행할 것이다.