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최근 스마트농업이 활성화되면서 로봇 및 지능형 농기계로 스마트 농작업이 가능한 3세대 모델에 이목이 집중되고 있다. 국내 연구진들은 노지 및 온실용 방제·수확 로봇 등의 연구개발에 집중하고 있지만 아직 선행돼야 할 다양한 과제들이 남아있다.

전 세계적으로 4차 산업혁명이 대두되면서 국내도 관련 기술과 제도를 정비하고 있으며 농업분야도 흐름에 맞춰 스마트농업으로 전환하고 있다.

네트워크와 자동화 기술을 융합해 시·공간의 제약 없이 농사 환경과 상태를 관측하고 정보를 계측해 농업 생산과 유통에 적용하는 스마트농업은 보다 지능화된 농업형태다. 농가 호수와 농업 인구는 해마다 줄어들고 65세 이상 농가 인구 비중은 늘어나는 상태인 대한민국에서 농업경쟁력 향상과 청년층의 관심을 농업에 집중시키는 수단으로 각광받고 있다.

스마트농업의 한 기술인 농용로봇기술은 다수의 기관, 기업, 연구소, 학교 등에서 연구를 진행하고 있지만 농가의 농지와 온실의 형태와 종류가 다르고 재배하는 작목이 달라 보급 확산에 앞서 표준 모델을 마련하고 이를 통한 연구가 필요하다.

현재 한국생산기술연구원, 한국로봇융합연구원, 한국과학기술연구원, 충남대학교, 국립농업과학원 등에서 활발한 연구를 진행하고 있다.

농용로봇 기술을 선도하는 주요 연구기관과 연구현황, 보급사례, 선행돼야할 것 등을 알아봤다.

한국생산기술연구원, 노지용 방제 로봇· 온실용 이송 로봇

한국생산기술연구원은 생산기술 개발 및 실용화 지원을 통해 글로벌 중소·중견 기업의 성장을 도모하고 있다. 중소기업 기술 이전 및 확산, 기술·인력·인프라 활용 기술지원, 중소기업 공통애로 취약기술 개발 등의 업무를 추진하고 있으며 특히 농기계 관련 연구는 김제에 있는 전북지역본부에서 수행하고 있다.

연구원은 ‘노지용 방제 로봇’과 ‘온실용 이송 로봇’의 개발에 성공했다.

노지용 방제로봇은 4개의 다리를 갖는 상단몸체와 하단 몸체로 구성된 로봇으로 상단과 하단이 앞뒤로 교차하며 움직인다. Zigbee 통신으로 원격제어를 할 수 있으며 이를 통해 총 8개의 다리를 연장 축소할 수 있도록 설계됐다.

온실용 이송 로봇은 콘크리트 바닥과 난방 배관을 동시에 주행할 수 있는 이송 로봇으로 유도선을 따라 자율주행이 가능하다. LoRa 통신으로 제어 가능하며 RFID, 자기라인 감지센서, 초음파센서 등의 인식모듈을 통해 자율주행의 완성도를 높였다.

한국로봇융합연구원, 팜봇·저농약SS기

정부 산하 로봇전문생산연구소인 한국로봇융합연구원은 농업로봇, 의료로봇, 문화로봇의 실증 연구를 통한 사업화를 이루기 위해 노력하고 있다. 방제 시험장 등 5종의 테스트배드 관제센터와 농작업 단계별, 노지 형태별, 작목별 재배 포장 등의 현장 실증연구로 성능 고도화를 꾀하고 있다.

로봇융합연구원은 밭농업용 지능형 로봇 ‘팜봇’과 저농약 과수방제용 스피드스프레이어의 개발을 추진 중이다.

밭농업용 무인이동 플랫폼 기반의 팜봇은 지난 2017년부터 개발에 들어가 오는 2021년까지 마칠 예정으로 로봇융합연구원, 국립안동대학교, 아세아텍, 경북하이브리드부품연구원이 함께 진행하고 있다. 다양한 작물의 밭 농작업 전주기 활용이 가능하며 모듈을 교체하면 로터리, 휴립피복, 파종, 정식, 방제, 운반 등 총 6종의 밭·농작업을 진행할 수 있다.

지금까지 연구원은 노지 구동 능력 향상을 위한 초경량을 구현했으며 IP55 등급으로 내구성을 높였다. 이밖에 원격제어 및 통합관제 시스템, 자동모듈교환장치, 재배환경에 적합한 가변형 플랫폼, 다중 센서 기반 위치 인식, 다차원 환경지도 작성, 고속·정밀 경로계획 기술, 정적·동적 장애물 회피 기술 등을 개발해 팜봇에 적용시켰다. 향후 자율 군집 활동이 가능한 단계까지 발전될 예정이다.

오는 12월까지 로봇융합연구원과 승진상사, 국립안동대학교가 함께 개발하고 있는 ‘저농약 살포를 위한 과수방제용 스피드스프레이어’는 과수원에서 과수 형상을 측정해 저농약으로 고밀도 정밀 농약살포가 가능하도록 설계됐다.

승진상사의 SS기에 국립안동대학교의 저소음·고효율 송풍팬과 분사시스템, 연구원의 정밀 변량 살포 제어시스템과 과수 형상 특성 계측 시스템 등을 개발해 적용시켰다.

충남대학교 바이오시스템기계공학과, 필드모니터링

충남대학교 바이오시스템기계공학과는 농산물의 생산과 관련된 작업 기계 설계 및 개발을 진행하고 있다.

그동안 충남대는 인공지능형 자율주행트랙터, 트랙터 무인 경운을 위한 작업경로의 생성과 성능 평가 기술, 자율주행 경로설정 및 생육정보 맵핑 기술, 융합통신기술과 RAD를 이용한 맞춤형 온실환경 제어모듈 실용화 기술 등을 개발했으며 현재 병해 발생 모니터링 및 작황예측 시스템, 농작업 환경 및 작물 계측을 통한 지능형 농작업기계 제어 기술을 연구 중이다.

충남대 바이오시스템기계공학과의 ‘필드 모니터링’은 PTZ 카메라에 스테핑 모터를 장착해 생육모니터링이 가능토록 구현, 원격 감시와 데이터 확보가 가능하다. 이를 통해 작물의 질병 발생면적을 분석해 발병률을 확인하고 평가할 수 있는 등 데이터 측정이 가능하다.

한국과학기술연구원 천연물연구소, SFS 토마토 생육측정 앱

‘한국과학기술연구원 천연물연구소’는 천연물 기반의 융합연구를 수행하고 고부부가치의 천연물소재 생산을 위한 미래농업기술을 개발하고 있다. 연구소는 사용자의 전문적인 지식을 통한 환경제어에서 최적화된 작물생육환경을 고려한 작물중심의 환경제어 시스템으로 전환하는 연구를 진행하고 있다. 체계적인 데이터 획득-분석-모델링을 통한 플랫폼으로 데이터 기반 농업을 구현할 방침이다.

천연물연구소의 ‘SFS 토마토 생육측정 앱’은 스마트폰을 이용해 토마토 생육 정보를 얻을 수 있다. 생육측정 앱은 딥러닝 기술을 통해 학습 기반 영상 처리 기술을 구현했다. 즉, 스마트폰 카메라를 활용해 3D 기반으로 과실의 체적을 분석한다. 이는 손으로 측정하는 것보다 정확하며 식물 접촉에 따른 상처와 낙과 등을 방지할 수 있다.

국내외 적용사례

네덜란드 호겐드론(Aquabalance)은 적외선카메라, 토양습도 센서, 일사량 센서 등의 다양한 센서를 이용해 작물의 스트레스를 모니터링한다. 최적 생장조건을 측정 수치를 바탕으로 시설 및 관수 자동화를 지원하며 다양한 현장 정보를 전문가 시스템과 온라인으로 연동해 효과적이고 전문적인 의사결정 지원 정보를 제공하고 있다.

일본의 NEC는 농지에 온도, 습도, 강우량 등을 계측하는 센서를 설치해 정보를 수집하고 이 정보를 PC 또는 스마트폰에서 확인 후 농지와 작물을 관리해 가뭄이나 홍수 등을 미리 예측해 피해를 최소화하고 있다.

이스라엘 네타핌은 지리정보시스템(GIS) 등과 연결해 작물의 상태 및 물을 관리하고 뿌리에 부착된 센서를 통해 언제, 어느 정도 물과 비료 등을 공급할지 결정할 수 있는 작물 재배 및 농업운영 통합 솔루션을 제공한다.

국내 적용사례로는 엔씽과 퓨처텍이 있다.

엔씽은 센서로 화분의 조도, 습도 등을 체크하고 식물이 잘 자라는데 중요한 요소를 트래킹해 측정 데이터를 활용하거나 저장할 수 있는 IoT 화분 플랜티를 개발했다. 스마트폰 앱을 활용해 재배일지를 작성하고 일조량 등의 정보를 확인할 수 있다.

퓨처텍은 IoT 딸기 재배 시스템을 구축해 경작자가 각종 센서로부터 실시간 모니터링한 정보를 바탕으로 온도 및 조명 제어, 침입자 감지, 물주기 등의 농장 관리에 필요한 조치를 원격으로 손쉽게 관리할 수 있도록 지원한다.

실용화를 위해 선행돼야할 것

이처럼 다수의 연구가 진행 중이지만 농가의 환경과 온실의 제원이 다르고 재배하는 작물이 달라 실용화에 어려움을 겪고 있다.

농용로봇 보급 확산을 위해선 우선 로봇이 원활이 이동할 수 있도록 농지와 온실의 표준 모델이 선행돼야한다. 국내 온실의 경우 해외와 다르게 설비하중과 작물하중 등에 대한 구조설계기준이 없고 방제로봇과 수확로봇이 이동할 수 있는 공간에 대한 정의도 부족하다.

또 기존 스마트팜과 호환성 여부도 중요하다. SKT의 LoRa부터 Zigbee 등 다양한 통신 모듈이 존재하는데 기존 스마트팜 시스템과 연계가 가능하도록 통신규격의 표준화 작업을 진행해야 향후 사용자들의 혼란을 막을 수 있다.

아울러 사용자에 대한 배려가 중요하다. 높은 단가 문제는 물론, 인건비를 부풀려 계산한 방식 등으로 실용화를 추진한다면 소비자들은 외면할 것이다.

이런 문제를 직시하고 로봇활용에 최적화된 스마트팜과 농지의 표준모델을 바탕으로 실용화를 추진해야 할 것이며, 특히 최근 사용자의 니즈가 증폭되는 복합농기계 트렌드에 맞춰 모듈로 다양한 작업이 가능한 팜봇 같은 제품을 개발해 소비자의 구매 욕구를 자극해야 한다.