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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.6 pp.127-138
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.6.127

Operational Characteristics of a Domestic Commercial Semi-automatic Vegetable Transplanter

Jeong-Hyeon Park, Seok-Joon Hwang, Ju-Seok Nam*
Dept. of Biosystems Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Kangwon National University, Chuncheon, 24341, Korea
*Corresponding author: Ju-Seok Nam
Tel: +82-33-250-6497
Fax: +82-33-259-5561
August 22, 2018 November 13, 2018 November 26, 2018

Abstract


In this study, the operational characteristics of a domestic vegetable transplanter were investigated. The main functional components and power path of the tranplanter were analyzed. The link structure of transplanting device waskinematically analyzed, and 3D modeling and dynamic simulation were performed. Based on this analysis, the trajectory of the bottom end of the transplanting hopper was analyzed. Also, the plant spacing according to the engine speed and the shifting stage of transplanting transmission was analyzed and verified by field test. As main results of this study, the transplanting device is one degree of freedom(DOF) 4-bar link type mechanism which comprises 10 links and 13 rotating joints. The transplanting hopper plants seedlings in a vertical direction while maintaining a constant posture by the links of transplanting device. The power is transmitted to both the driving part and transplanting part from the engine, and the maximum and minimum plant spacing of the transplanting device were 428.97 mm and 261.20 mm.



상용 국산 반자동 채소 정식기의 작동 특성 분석

박정현, 황석준, 남주석*
강원대학교 농업생명과학대학 바이오시스템공학전공

초록


본 연구에서는 국내에서 주로 사용되는 채소 정식기를 대상으로 전체적인 작동 특성을 분석하였다. 식부장치 거동에 영향을 주는 주요 구성요소 및 동력전달경로를 파악하였으며, 식부장치의 링크 구조를 기구적으로 분석하고 3D모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 바탕으로 식부호퍼 극하단점의 궤적 을 분석하였다. 또한 엔진회전속도 및 식부변속단수 변화에 따른 주간거리를 도출하고 필드시험을 통해 검증하였다. 주요 결과로써, 식부장치는 10개의 링크와 13개의 회전 조인트로 구성된 1 자유도의 기구 이며 각 부분들은 4절 링크식으로 구성되어 있었다. 링크장치의 거동에 의해 식부호퍼는 일정한 자세를 유지하면서 연직 방향으로 묘를 심어준다. 동력은 엔진을 통해 주행부 및 식부로 전달되었으며 식부장 치의 최대 및 최소 주간거리는 각각 428.97mm, 261.20mm로 나타났다.



    National Research Foundation of Korea
    2017R1D1A3B03033338

    서론

    국내 밭농업 및 시설농업에서 이루어지는 작업 중 노동력이 가장 많이 요구되는 작업으로 파종, 정식(정식) 및 수확작업이 대표적이다. 특히 토마 토, 배추, 양배추, 상추, 고추, 파, 양파 등의 작물 의 경우 정식작업에 소요되는 노동력은 전체 노동 투하량의 12~20%를 차지하는 것으로 나타났다(Min et al., 2015). 2016년 기준, 밭농업 기계화율은 58.3%로 벼농사 기계화율 97.9%에 비해 매우 낮으 며, 농작업별로는 파종 및 정식작업 기계화율이 8.9%로 가장 낮은 것으로 나타나(MAFRA, 2017) 정식작업의 기계화는 시급한 과제이다.

    채소 정식기는 묘를 포트에서 취출하여 육묘 실 린더에 투입하는 방법에 따라 전자동과 반자동으로 분류된다. 전자동 정식기의 경우 포트에서 묘를 자 동으로 취출하여 육묘실린더에 투입하므로 작업이 간편하며 작업속도가 빠른 장점이 있다. 그러나 초 장이 짧은 엽채류 외에는 정식작업이 어렵고, 전용 포트트레이를 사용해야 하는 단점이 있다(Moon et al., 1997). 반자동 정식기는 사람이 손으로 묘를 뽑 아 육묘실린더에 투입하는 방식으로 작업속도가 느 리지만 작물 및 포트트레이에 제한이 없으며, 전자 동 정식기에 비해 가격이 저렴하다. 따라서 소규모 다품종 재배를 주로 하는 국내 밭작물 재배양식상 반자동 정식기의 활용도가 더 높다.

    정식기 개발 관련 선진 기술을 보유하고 있으며, 국내의 재배규모 및 환경이 비슷한 일본의 경우, 1955년부터 시험연구기관을 중심으로 채소 정식작업 의 기계화 연구가 본격적으로 시작되어 최근까지 다 수의 정식기가 개발되었으며, 양파, 잎담배, 양배추, 토마토, 상추 등 많은 작물에 적합한 반자동 정식기 에 대한 실용화 기술이 완성된 것으로 나타났다 (Kang, 1993). 국내의 경우, 국내 자체 기술로 반자 동 정식기를 생산 판매하는 농기계업체들이 있으나 선진국 대비 기술 수준이 낮아 계속적인 연구가 필 요한 실정이다.

    반자동 정식기의 핵심 요소인 식부장치는 채소 정 식기가 주행하면서 연속적으로 묘를 심을 수 있도록 이상적인 식부궤적을 형성해야 한다. 식부호퍼가 지 면에 닿는 순간 밀리거나 끌리지 않도록 채소 정식 기의 진행 속도를 고려하여 궤적을 형성해야 하므로 (Park et al., 2004c) 정식 깊이, 정식 속도 등 정 식작업의 요구사항에 적합하도록 식부장치 각 구성 요소들을 설계해야 한다. 이를 위해서는 동역학 및 기구학적 분석이 필수적이다.

    Park et al.(2004)a은 반자동 채소 정식기의 4절 링크방식 식부장치를 대상으로 동역학 해석을 통해 식부궤적 및 속도, 가속도를 분석하였다. 4절 링크 식 식부장치의 특성상 링크 거동에 제약이 있어 토 양 끌림 현상이 발생한다고 하였다(Park et al., 2004a). Min et al.(2016)은 양파 정식기의 정식 작업시 식부호퍼와 토양 간 상대속도를 0으로 근접 시키기 위해 4절 링크-캠 방식의 식부장치를 제작 하고 정식속도, 토양함수율에 따른 정식 성능 구명 하여 최적의 작업조건을 도출하였다(Min et al., 2016). Park et al.(2004)b은 반자동 양파 정식기 에 적용하기 위한 4절 링크 방식의 식부장치를 설 계 제작하고 동역학 해석을 통하여 식부궤적, 속 도, 가속도 등 운동학적 특성을 분석하였다(Park et al., 2004b). 이와 같이 현재까지 수행된 정식기 관련 연구는 특정 작물에 적용하기 위한 목적으로 제작된 전용 식부장치, 또는 3절 링크방식의 식부 장치를 대상으로 하여 동역학 해석을 통해 식부 궤 적 및 운동을 분석하거나 실험을 통해 정식 성능을 분석하였다.

    현재 국내에서 상용되는 다목적 반자동 채소 정 식기의 식부장치는 주로 4절 링크방식을 적용하고 있다. 이에 대한 작동특성 및 식부장치의 기구학 적, 운동학적 특성 분석에 대한 연구는 다수 수행 되었으나, 최적화 등 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 국산 반자동 채소 정식 기의 식부장치 설계 프로세스 정립을 위한 선행 연구로써 국내에서 주로 사용되는 반자동 채소 정 식기의 작동 특성 및 식부장치의 특성 분석을 수 행하였다.

    재료 및 방법

    1 연구대상 채소 정식기

    본 연구에서는 작업능률이 좋으며 조작이 간단하 여 국내에서 많이 사용되고 있는 국산 반자동 채소 정식기를 대상으로 선정하였다. 수평 자동조절 및 경사각 조절기능이 있으며 식부장치는 4절 링크방식 으로 구성되어 있다. 연구대상 채소 정식기의 형상 및 주요 제원은 각각 Fig. 1 및 Table 1과 같다.

    연구대상 반자동 채소 정식기의 주요 구성요소 및 구성요소별 주요 기능은 다음과 같다.

    1. 엔진(Engine): 가솔린 기관으로써 채소 정식기의 동력원이다.

    2. 주행부 변속기(Driving transmission): 적합한 변 속을 통해 엔진 동력을 주행장치 및 식부장치로 전달한다.

    3. 식부 변속기(Transplanting transmission): 주행 부 변속기로부터 전달받은 동력을 적합한변속을 통해 식부장치의 크랭크로 전달한다. 식부 변속기 의 변속단수 조절에 의해 작물 정식 시의 주간거 리를 변화시킬 수 있다.

    4. 식부호퍼(Transplanting hopper): 식부호퍼의 형 태는 반전된 원뿔형이며 양쪽 하단에 식부장치 링 크와 연결된 두 개의 스프링으로 인해 개폐가 가 능하다. 기구학적 운동에 의해 육묘실린더(Seeding cylinder)로 부터 공급받은 묘를 땅속으로 심어준다.

    5. 조작부(Control section): 사용자는 조작부의 레 버 및 핸들을 조작하여 기체의 주행 및 정식작업 을 수행한다. 스로틀레버를 통해 엔진 속도를 조 절하며 변속레버 및 주클러치레버를 통해 기체의 전·후진 및 중립, 고속 및 저속을 조절한다.

    사용자는 엔진 가동 및 작업에 적합한 변속 단수 를 선택한 후 묘탑재대(Seedling tray)에 있는 트레 이에서 묘를 취출하여 육묘실린더에 투입한다. 육묘 실린더는 식부호퍼로 묘를 전달해주고 식부호퍼는 링크장치에 의해 최저위치에서 열림과 동시에 땅 속 으로 묘를 심어준다. 이후에 기체 후방에 있는 복토 륜(Molding wheel)이 흙을 묘 양 옆으로 밀어주어 (복토) 정식이 완료된다.

    2 동력전달경로 분석

    연구대상 채소 정식기의 동력전달경로를 분석하였 다. 전체 동력전달장치 및 경로는 Fig. 2와 같다. 동력원인 엔진 출력은 V벨트-풀리에 의해 주행부 변속기의 입력축으로 전달된다. 주행부 변속기로 전 달된 동력은서로 다른 두 가지 경로를 통해 주행부 휠 및 식부변속기 입력축으로 전달된다. 주행부 휠 로 전달되는 동력은 주행부 변속기 내부 기어 및 체 인케이스의 체인-스프로켓의 경로를 통한다. 이 때, 기어비 및 스프로켓 잇수비에 의해 감속이 일어난 다. 식부변속기 입력축으로 전달되는 동력은 주행부 변속기 내부 기어 및 V벨트-풀리를 통한다. 이 때 기어비 및 풀리 직경비에 의해 감속이 일어난다. 식 부변속기로 입력된 동력은 연결된 기어박스를 통해 식부변속기 출력축으로 전달된다. 식부변속기 출력 축은 4절 링크방식 식부장치의 크랭크와 연결되어 있어 크랭크의 운동에 의해 식부장치를 구동시킨다. 이 때 식부장치 끝단의 식부호퍼에서 정식작업이 이 루어진다.

    동력전달경로를 정확히 분석하기 위해 각 동력전 달장치에서의 속도비를 도출하였다. 엔진속도에 따 른 요소별 회전속도를 측정하여 각각의 동력전달장 치의 속도비를 도출하였다. 측정 기구로는 타코미터 (TESTO 470, TESTO, Lenzkirch, Germany)를 사 용하였고 제원은 Table 2와 같다.

    엔진 회전속도 750rpm 미만 및 1500rpm 이상 에서는 스로틀 레버를 고정하여도 속도가 불규칙하 게 변하여 일정한 회전속도를 유지할 수 없었다. 일정한 속도를 유지할 수 있는 750rpm과 1500rpm 을 가용할 수 있는 최소 및 최대 엔진 회전속도로 설정하였다. 최소 엔진 회전속도 750rpm으로부터 250rpm 간격으로 엔진 회전속도를 변화시키며 엔진 출력축, 주행부 변속기의 입력축 및 출력축, 주행부 휠의 회전속도를 측정하였다(Table 3). 동일한 조건 에서 3반복 측정하였으며, 평균값을 이용하여 결과 를 분석하였다.

    3 식부장치 링크구조 분석

    채소 정식기 식부장치의 형태는 Fig. 3과 같다. 4절 링크식으로 구성된 식부장치는 각 링크장치들 의 연속적이고 반복되는 거동에 의해 정식작업을 수행한다. 식부장치의 링크구조는 Fig. 4와 같이 기구학적 다이어그램으로 표현하여 분석하였다. 식 부장치의 링크는 2원링크(Binary link) 6개, 3원링 크(Ternary link) 3개, 그리고 그라운드 1개를 포함 하여 총 10개의 링크와 13개의 회전 조인트로 구성 되어 있다. 다이어그램의 중요 파트를 세 부분으로 나누어 궤적분석을 수행하였다(Fig. 5;Norton, 2015). 또한, 링크와 조인트의 개수를 이용하여 식 부장치의 자유도를 도출하였다(Myszka, 2015). 식 부장치는 완전조인트인 회전조인트만으로 구성되 므로 자유도는 아래와 같은 Gruebler 식을 통해 도출할 수 있다.

    M=3(L-1)-2J
    식 (1)

    Where, M=Degrees of freedom

    • L=Number of links

    • J=Number of full joints

    4 식부장치 시뮬레이션 분석

    식부변속기 단수 변화 및 채소 정식기의 이동속도 변화에 따른 식부장치의 거동을 분석하기 위해 상용 동역학 해석 프로그램(Recurdyn V8R5, Functionbay, Korea)을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 엔진 회전속도 및 식부변속기 단수에 대한 분석을 토대로, 정식기가 정지하는 정적상태와 전진하는 동 적상태에서시뮬레이션을 수행하여 식부장치의 궤적 을 도출하였다.

    시뮬레이션을 위해 식부장치에 대한 3D 모델링을 수행하였다. 핵심 요소인 식부호퍼는 고정밀도의 3D 스캐너(ATOS-3, GOM, Braunschweig, Germany)를 이용하여 측정한 치수를 사용하였으며(Fig. 6) 링크 와 기타 구성요소는 줄자와 각도기를 이용한 실측 치수를 사용하였다. 사용된 3D 스캐너의 제원은 Table 4와 같으며, 핵심 요소 및 전체 식부장치의 모델링 형상은 Fig. 7과 같다.

    식부장치 구성요소는 모두 강철(Steel)재질로 구 성되므로 시뮬레이션을 위한 물성치는 강철의 밀도 (Density), 포아송비(Poisson’s ratio), 영률(Young’s modulus)을 적용하여 각각 7.85×103kg/m3, 0.29, 205GPa를 각각 적용하였다(Juvinall & Marshek, 2012). 해석 시 중력의 영향을 고려하였고 회전조인 트들의 마찰은 무시하였으며, 구동부인 크랭크의 회 전속도는 동력전달경로 분석에서 얻어진 값을 사용 하였다.

    결과 및 고찰

    1 동력전달경로 분석 결과

    동력전달경로 분석 결과, 엔진 출력축과 주행부 변속기 입력축의 속도비는 1:0.37로 나타났다. 또 한 주행부변속기의 입력축 및 출력축의 속도비는 1:1로 나타났다. 또한 주행부변속기 출력축과 주행 부 휠의 속도비는 1:0.0093로 나타났다.

    주행부변속기의 출력축이 회전하면 연결된 V벨 트-풀리에 의해 식부변속기 입력축이 회전하게 된 다. 식부변속기 입력축 풀리는 주간거리조절레버로 1단부터 10단까지 회전직경 조절이 가능하다. Fig. 8과 같이 단수가 1단에서 10단으로 증가할수록 식 부변속기 입력축 풀리의 회전직경이 증가하여 감속 비가 커졌다. 각 엔진 회전속도에서 식부변속기의 변속단수에 따른 식부변속기 입력축의 회전속도는 Table 5와 같다.

    식부변속기 입력축 동력은 연결된 기어박스를 통 해 4절 링크방식 식부장치의 크랭크로 전달된다. 각 식부변속기 변속단수 조건에서 엔진 회전속도에 따 른 크랭크 회전속도를 계측하였으며(Table 6) 이를 통해 도출된 식부변속기 입력축과 크랭크의 속도비 는 1:0.11이었다.

    이상을 종합하여 전체 동력전달 장치 요소들에서 의 속도비를 도출하였으며 결과는 Fig. 9와 같다.

    2 식부장치 링크구조 분석 결과

    식부장치 링크구조 분석 결과, 파트 1은 식부변 속기를 통하여 동력을 전달받아 작동을 시작하는 부분으로 링크 구조는 그라운드(L1), 크랭크(L2), 커플러(L3), 로커(L4)로 구성된다. 최단길이의 링 크(L2)는 완전회전운동을 하고그라운드에 연결되 어 있는 링크(L4)는 제한된 각도에서 왕복운동을 한다(Fig. 5-a).

    파트 2는 식부호퍼가 연결되어 있는 파트3의 운 동 궤적을 제어해주는 부분이다. 링크 구조는 그 라운드(L1), 커플러(L7), 그리고 두 개의 로커(L5, L6)로 구성된다. 두 개의 로커(L5, L6)는 길이가 동일하며 커플러(L7)는 회전하지 않고 서로 평형 을 유지한채로 곡선병진운동을 한다. 따라서 삼원 링크인 커플러(L7)는 Fig. 5-b와 같이 세 부분의 궤적이 동일한 형상을 갖는다. 이 궤적을 통해 커 플러는 제한된 범위에서 동일한 자세를 유지하며 병진운동을 하게 된다.

    파트 3은 식부호퍼가 연결되어 최종적으로 정식 작업을 수행하는 부분이다. 링크 구조는 모든 링크 가 커플러로 구성된다. 각 링크의 길이는 파트 2에 서와 마찬가지로 마주보는 두 링크의 길이가 각각 같다. 따라서 식부호퍼가 장착되는 링크인 L10은 같은 자세를 유지한 채로 곡선병진운동을 한다. Fig. 5-c와 같이 식부호퍼의 종방향 궤적은 연직 아랫방향을 향하므로 식부호퍼의 묘는 거의 수직한 자세로 토양 속으로 심어지게 된다.

    식부장치는 10개의 링크와 13개의 회전 조인트로 구성되므로 자유도는 1이다. 따라서, 하나의 입력 동력을 이용하여 전체 식부장치를 구동시킬 수 있 다. 식부장치에서 동력을 전달받는 요소는 파트 1의 크랭크(L2)이다.

    3 식부장치 시뮬레이션 분석 결과

    시뮬레이션 결과, 링크장치의 연속적인 기구학적 운동에 의해 정식기가 정지하는 정적 상태에서 식 부호퍼의 커플러곡선 궤적이 형성되는 것을 확인하 였다(Fig. 10).

    정식기가 이동하는 동적상태에서 식부변속기 단수 및 엔진 회전속도 변화에 따른 주간거리는 Fig. 11 과 같다. 식부변속기의 단수가 증가할수록 주간거리 가 증가하는 경향을 보였다. 엔진 회전속도의 경우 1500rpm일 때 주간거리가 가장 짧게 나타났으며 750rpm, 1250rpm, 1000rpm의 순으로 주간거리가 증가하였다. 이는 엔진 회전속도 증가에 따른 주행 속도 증가와 식부장치 크랭크 속도 증가의 상호작용 에 의한 영향으로 판단된다. 즉, 엔진 회전속도가 증가하면 주행부 휠의 회전속도도 증가하지만 식부 장치 크랭크의 회전속도도 증가한다. 두 속도 증가 분이 일정하지 않기 때문에 엔진 회전속도에 따른 주간거리의 경향이 일정하지 않은 것으로 판단된다. 엔진 회전속도 및 식부변속기 단수 변화에 따른 주 간거리 증가율은 Table 7과 같다.

    이때, 최대주간거리는 428.97mm, 최소주간거리는 261.2mm로 나타났다. 최대 및 최소 주간거리는 각 각 엔진 회전속도 1000rpm, 식부변속기 단수 10단 및 엔진 회전속도 1500rpm, 식부변속기 단수 1단 조건에서 나타났다. 엔진 회전속도 1000rpm, 식부 변속기 단수 5단 조건에서 중간 정도의 주간거리인 350.15mm가 얻어졌다. 최대 주간거리에 대한 식 부호퍼 극하단점의 궤적은 Fig. 12와 같이 폭이 가 장 넓은 곡선으로 나타났다. 최소주간거리에 대한 식부호퍼 극하단점의 궤적 폭이 가장 좁으며 식부 호퍼의 빠른 속도에 의해 궤적이 겹치는 현상을 보 였다.

    4 시뮬레이션 검증

    동적 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위해 필 드시험을 수행하였다.

    시뮬레이션을 통해 도출한 최대주간거리 428.97mm 일 때의 조건(엔진 회전속도 1000rpm, 식부변속기 단수 10단) 및 최소주간거리 261.1mm일 때의 조건 (엔진 회전속도 1500rpm, 식부변속기 단수 1단)과 동일한 조건에서 각각 3반복 시험을 수행하였으며, 이때의 실제 주간거리를 측정하였다(Fig. 13). 필드 시험에 사용된 밭의 총 길이는 10m이며 각 시험에 서 측정한 주간거리는 Table 8과 같다. 필드시험 결과, 각 실험에서 측정된 최대주간거리의 평균 및 표준편차는 각각 428mm 및 2.65이며, 최소주간거 리의 평균 및 표준편차는 각각 261mm 및 1.73으 로 나타났다. 이를 토대로, 필드시험을 통해 측정 한 주간거리의 평균값과 시뮬레이션을 통해 도출한 주간거리를 비교한 결과, 오차는 각각 0.23%, 0.08% 로 큰 차이가 없는 것으로 판단된다. 따라서 본 연 구에서 적용된 동적 시뮬레이션은 타당한 것으로 판단된다.

    종합하여, 본 연구에서는 상용 국산 채소 정식기 중 반자동 채소 정식기를 대상으로 작동 특성을 분 석하였다. 주요 구성요소, 전체 작동 메커니즘 및 동력전달경로를 분석하였으며, 채소 정식기의 핵심 장치인 식부장치의 기구학적 분석 및 시뮬레이션을 통한 운동궤적을 분석하였다. 향후 연구로써 식부장 치의 설계 변수를 구명하여 식부장치 설계 가이드라 인을 정립하고 정식 깊이, 주간 및 조간거리 등의 요구사항을 만족시킬 수 있는 식부장치 설계 프로세 스 정립을 위한 연구가 필요하다.

    감사의 글

    이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (2017R1D1A3B03033338).

    Figure

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    Main components of the vegetable transplanter.

    JALS-52-127_F2.gif

    Power transmission components and path of the vegetable transplanter.

    JALS-52-127_F3.gif

    Picture of the transplanting device.

    JALS-52-127_F4.gif

    Link structure of the transplanting device.

    JALS-52-127_F5.gif

    Trajectory of each part of the link structure.

    JALS-52-127_F6.gif

    Picture of the 3D scanner used.

    JALS-52-127_F7.gif

    3D modeling of the transplanting device.

    JALS-52-127_F8.gif

    Change of pulley diameter due to shifting of transplanting transmission.

    JALS-52-127_F9.gif

    Speed ratios of the transmission components.

    JALS-52-127_F10.gif

    Trajectory of the transplanting hopper at stationary condition.

    JALS-52-127_F11.gif

    Plant spacing according to engine speed and shifting stage of the transplanting transmission.

    JALS-52-127_F12.gif

    Trajectory of hopper bottom end at each plant spacing conditions.

    JALS-52-127_F13.gif

    Field test for plant spacing evaluation.

    Table

    Specifications of the semi-automatic vegetable transplanters

    Specifications of the tachometer

    Rotational speed of the driving transmission and driving wheel according to engine speed

    Specifications of the 3D scanner

    Rotational speed of the input shaft of transplanting transmission according to the engine speed

    Rotational speed of the crank according to the engine speed

    Plant spacing and increase ratio according to engine speed and shifting stage of the transplanting transmission

    Measurement of planting space at maximum and minimum conditions in field test

    Reference

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