서론

전 세계의 농업용 트랙터 및 관리기 시장은 꾸준히 성장해왔고, 앞으로도 꾸준히 성장할 것으로 예상된다. 농업기계 시장을 분석하 고 수요를 예측하는 기관과 조사 시점에 따라 차이가 있는 결과를 발표하지만 공통 의견은 향후 연 평균 3-5%의 성장률을 예견한다 (SMRC, 2020). 개별 국가의 개발 정도, 경제 규모나 기후 환경에 따라 농업기계 활용도의 차이는 있겠으나 식량 자원 개발에 농업기 계의 의존도가 점차 증가할 것이라는 사실은 중국과 인도의 농업용 트랙터 수요 변화에서 찾아볼 수 있다. 이들 국가에서는 저렴한 인건비로 인해 인력에 의존하는 농업을 해왔으나, 2017년 이후 전 세계 농업용 트랙터 수요의 50% 이상을 차지하고 있어 농업기계의 의존도 증가 추세를 앞장서고 있다고 할 수 있다(SMRC, 2019).

농업용 트랙터 및 관리기 시장 규모의 증가, 경쟁력 강화, 사용자 편의, 기술 발달에 따라 제조회사는 기술력을 바탕으로 첨단 농업기 계를 개발하고 있다. 이는 그동안 트랙터 및 관리기에 관해 이루어진 다양한 연구 주제들이 실제 제품에 반영되어 등장하는 것으로 확인 할 수 있다. 이와 관련된 연구는 견인력 향상(Okyere et al., 2019), 작업능률 극대화(Afsharnia et al., 2020), 연료 효율 향상, 대체 연료 적용(Kang et al., 2018), 운전자 편의 향상 및 안정성(Kang et al., 2019), 자율주행(Han et al., 2019)과 같은 목표를 이루기 위해 수행 되었다. 이를 달성하기 위해 일일이 열거하기 어려울 정도로 매우 다양한 세부 연구 주제들이 있었다(Kabir et al., 2014).

그런데, 제조사, 모양, 크기, 출력이 다양한 트랙터 또는 관리기 라 하더라도 그 작동 및 조향 방식이나 원리는 크게 다르지 않다. 트랙터의 구동부는 바퀴형이거나 궤도형이고, 바퀴형 트랙터는 초 대형이 아니면 대체로 4개의 바퀴를 갖는다. 작업기를 부착해 다양 한 농작업을 수행하지만 3점 히치를 사용하는 면에서 다를 바가 없다(Yoo et al., 2018;Lim et al., 2019).

트랙터나 관리기는 주행 중에 작물을 손상시키지 않도록 개발되 고 운행되어야 한다. 그런데, 넓지 않은 면적에서 운용되는 밭작물 기기는 밭의 양쪽 끝단에서 선회하는 과정에 불가피하게 작물을 밟고 운행하거나 불가피하게 선회 영역에는 작물을 키우지 않는다. 이것을 불가피한 문제라고 할 수 있지만, 트랙터가 선회를 해야한 다는 기존의 틀을 깬다면 해결할 수 있는 문제이다.

본 연구는 밭의 경계 끝에서 선회하지 않고 두둑과 두둑 사이를 가로지를 수 있는 새로운 형태의 견인 플랫폼을 제안한다. 전기를 동력원으로 하고, 작물의 손상 없이 두둑과 두둑을 가로지를 수 있는 기계적 원리를 구현한 시제품을 개발하였다.

재료 및 방법

1. 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 구성

밭작물 관리용 견인 플랫폼의 기계시스템은 Fig.1과 같이 운전실 (driving cabin), 주 프레임(main frame), 그리고 주행부(driving part)로 구분된다. 운전실은 관리기의 제어부(control panel), 운전석, 운전실의 180° 회전부(cabin frame rotation device), 부착기 상하강 장치(motorized cylinder for lifting and lowering attachments)로 구성된다. 주 프레임(main frame)은 차체의 기본 골격을 이루고, 주 행 제어부(driving controller), 바퀴쌍 제어부(wheel pairs transfer controller)로 구성된다. 주행장치는 바퀴쌍 승하강 장치(wheel pair folding device), 바퀴쌍의 수평 이동장치(wheel pair transfer device), 주행모터(driving motor), 체인 스프로킷 프레임(chain sprocket frame)과 바퀴(driving wheel)로 구성된다(Fig. 2).

2. 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 세부 구성

운전실 프레임은 직사각형 철 파이프(단면 45 × 45 mm, 두께 1 mm, 길이/폭 1,200 mm/870 mm)로 제작되었으며, 운전실 회전 부에 장착하였다. 컨트롤 패널, 운전석, 전기 배터리는 운전실 프레 임에 장착하였다. 운전실의 컨트롤 패널에는 견인 플랫폼 전체 시스 템의 전원, 운전실 회전, 각 바퀴 쌍의 승하강 장치와 이들을 수평 이동하는 장치, 그리고 차량 운전 스위치가 장착되었다. 2 개의 충전 식 전기 배터리(HICA100, Clarios Delkor Corp., Rep. Korea)를 설치하여 차량 구동을 포함한 전체 시스템에 전력을 공급하였다.

주 프레임은 중공 직사각형 알루미늄 프로파일(단면 40 × 80 mm, 두께 1 mm, 길이/폭 1,840 mm/1,320 mm)로 구성하였으며, 운전실과 주행부를 지지한다(Fig. 3a).

본 견인 플랫폼의 주행부는 직경 450 mm, 폭 160 mm (QD-158, Qingdao Rubber Industrial Co. Ltd., China)의 6 개의 휠 타이어 로 구성된다. 차량의 좌우 바퀴 4개는 체인 스프로킷 프레임(DT-06 12-3, Asia Technology Co. Ltd., Rep. Korea)에 의해 전기 모터 (D9D24V, DMK, Rep. Korea)로부터 동력을 전달 받는다. 그리 고 차량 가운데 바퀴 두 개는 횡단 이동시 차체의 횡전도를 방지하 기 위해 차체를 지지하기 위한 것으로 구동을 위한 전기 모터 없이 체인 스프로킷 프레임에 체결하였다. 각 체인 스프로킷 프레임은 바퀴 쌍의 승하강 장치에 부착되었으며, 이는 기어 DC 모터(K9D 90N2, GGM, Rep. Korea)와 실린더(CWPi30-100S, Changwon Gijun Co. Ltd., Rep. Korea)를 사용하여 두 바퀴를 접거나(상승) 확장(하강)한다.

바퀴 쌍의 수평 이송 장치에는 3 세트의 바퀴 쌍 승하강 장치가 부착되어 있다(Fig. 3b, 3c). 주 프레임에 장착된 바퀴 쌍 수평 이송 장치(Fig. 3d)는 기어 DC 모터(K9D 90N2, GGM, Rep. Korea)와 클러치 부품에 의해 세 영역으로 분리된 축과 TM (trapezoidal metric) 스크류가 있어 각 영역에 부착된 바퀴 쌍 승하강 장치를 선택 적으로 이송한다(Fig. 3). 이와 관련한 세부 사양은 Table 1에 정리하 였다. 각각의 바퀴 쌍의 승하강 장치와 수평 이송장치의 제어는 토글 스위치를 이용하여 수동으로 작동시키도록 제작하였다(Fig. 4a).

3. 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 특성 분석

밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 무게는 크레인과 차량 사이에 매달림 저울 (Hanging-type balance; Caston-I, CAS, Rep. Korea) 을 사용하여 측정하였다(Fig. 4b). 차량의 평균 이동 속도는 10m를 이동하는데 걸린 소요 시간을 측정하여 계산하였다. 주행 및 밭두 둑 횡단과정 중에 배터리에서 소요된 전류는 클램프형 전류 측정기 (i30s, Fluke corp., WA, USA)와 휴대용 디지털 오실로스코프 (Fluke ScopeMeter 190 series 2, Fluke corp., WA, USA)를 사용 하여 초당 15의 데이터 샘플링 속도로 측정하였다(Fig. 4c). 주행 시 소모 전류의 측정은 출발에서부터 약 1분간 주행할 때까지의 전류를 10회 측정하여 평균값을 구하였다. 바퀴열의 승강 및 좌우 이동은 밭작물 새머리에서의 각각 1회 작업 시 총 소모 전류량을 10회 측정하여 평균값을 산출하였고, 이동작업에서 1회 연속적인 작동했을 때 소요 시간을 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 횡단 주행 작동 과정

밭 작업용 관리기는 두둑을 따라 직선주행을 하다가 새머리에서 회전을 해야하는 경우, 관리기의 회전반경을 확보하거나 작물이 심겨있는 두둑을 밟고 옆 두둑으로 이동해야 한다. 본 연구는 밭두 둑을 훼손시키지 않고 두둑과 두둑 사이를 이동할 수 있는 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼을 개발하고, 두둑과 두둑 사이를 이동하는 메커니즘을 구현하고자 하였다(Fig. 5). 새머리에서 기계의 선회동 작 없이 옆 두둑으로 주행바퀴를 이동시키는 기계부 작동 원리를 구현하고 전기를 동력으로 하는 시스템을 개발하였다.

밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼은 3개의 바퀴 쌍으로 구성되어 있고 각각 상승, 하강, 좌우 이동하도록 설계하였다. 두둑 사이를 주행할 때에는 관리기의 좌우 바퀴 쌍을 구동시켜 주행한다(Fig. 6a, 6g). 밭의 새머리에서 두둑을 횡단할 때, 총 여섯 단계의 과정을 거쳐 이동하는데, Fig. 6에 견인 플랫폼이 주행하던 밭두둑에서 오른쪽 두둑으로 이동하는 과정을 도식하였다. 이때, 세 쌍 바퀴의 상승, 하강 과정, 횡단이동 과정에서 차량의 무게중심을 유지하여 횡전도가 일어나지 않도록 주 프레임의 좌우 이동 및 바퀴 쌍의 이동 과정을 거친다(Fig. 6b-g). 이때, 두둑 사이의 이동을 위한 바퀴 쌍 및 프레임의 이동은 DC 기어 모터와 마그네틱 클러치, TM 스크류 를 조합하여 밭작물 열간 이송이 가능하도록 구성하였고, 무엇보다 중요한 것은 하나의 모터를 이용하여 각 바퀴 쌍을 선택적으로 이동시킬 수 있도록 개발하였다는 점이다.

Fig. 7에 바퀴 쌍 승·하강 장치의 기구학적 작동 원리를 도식화 하였다. 바퀴 쌍 승·하강 장치는 세 개의 직렬 링크로 구성하는데, 양단의 링크는 각각 앞, 뒤 바퀴가 연결된 체인 스프로킷에 연결되 고 가운데 링크를 펴거나 접음으로 바퀴 쌍을 접도록 설계하였다. 가운데 링크를 펴거나 접을 때 필요한 토크는 식(1)에 의해 바퀴 쌍 상·하강 장치의 무게(40kg), 습동면의 마찰계수(0.52), 바퀴 쌍 상·하강 장치를 작동하는 실린더의 최대 길이(15 cm)를 고려하여 487.4 N·cm 이상이 되어야 한다. 이를 고려하여 바퀴 쌍의 상·하강 장치에 3:1 감속비의 DC24 V, 90 W 모터(1,253.7 N·cm)를 사용 하였다. 바퀴 쌍의 좌우 이동 장치에는 362.4 N·cm의 토크가 필요 하여 DC24 V, 150 W의 기어 모터와 50:1의 감속비를 가진 기어헤 드를 조합하여 417.9 N·cm의 토크를 내도록 설계·제작하였다.

2. 밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 특성

Table 2는 밭작물 횡단주행 견인 플랫폼을 구동하며 측정한 특성값이다. 차체의 무게, 주행 중 소요 동력, 주행 속도를 비롯하 여 횡단주행에 필요한 동력을 측정한 결과를 나타내었다.

주행을 위한 좌우 4개의 바퀴는 각각의 모터에 의해서 독립 구 동되며, 전륜 구동과 후륜 구동, 4륜 구동이 가능하도록 컨트롤러 를 개발하였다. 좌우 바퀴열의 회전수 차이를 제어함으로서 필요시 조향이 가능하도록 제어부를 설계 및 제작하였다. 주행작업 동안 중앙 바퀴 쌍을 상승시키고 좌우 바퀴 쌍으로 주행작업을 수행하면 서 소요 전류를 측정하였다. 직선거리를 주행하는데 밭의 굴곡 및 토양의 상태에 따라 소요 전류의 편차를 보였으나 분당 약 15 A의 전류가 소요되었다(Fig. 8a).

밭두둑 횡단주행 견인 플랫폼의 이론 주행속도(식 2)는 바퀴의 직경(450 mm)과 무부하 공회전시 바퀴의 회전속도(22 rpm)에 의해 0.52 m/s이며, 실제 주행 시험결과 평균 주행속도는 0.45m/s 로 측정되었다.

Fig. 8b는 상승된 바퀴 쌍을 좌·우 이동시킬 때 소요되는 전류의 크기를 나타낸다. 약 5.5 A의 전류를 이용해 0.03 m/s의 속도로 바퀴 쌍을 이동시켰다. Fig. 8c와 8d는 밭두둑 횡단주행을 위해 바퀴열을 상승시키거나 하강시킬 때 소모 전류의 분포를 나타낸 것이다. 바퀴의 상승과정에는 바퀴가 접지면을 이탈할 때 초기 부 하가 많이 소요되었다. 바퀴의 하강 시에는 바퀴가 지면과 맞닿아 제자리를 잡아갈 때 많은 전류가 소모되었다. 바퀴 쌍의 상승 및 하강 과정 각각 소요시간은 약 13초 이내였다. 개발된 견인 플랫폼 을 주행하는데 작업시간은 장착된 배터리(100 Ah)를 기준으로 1.2 시간 그리고 두둑 횡단 횟수에 따라 줄어들게 된다.

본 연구를 통해 개발한 밭두둑 횡단 주행 견인 플랫폼은 새머리 에서 차량이 회전하지 않고 두둑 사이를 평행 이동함으로서 밭작물 및 밭두둑을 훼손하지 않는 새로운 형식의 관리기를 개발하고자 하였으며, 개발한 견인 플랫폼은 밭두둑 횡단주행을 성공적으로 수 행하였다. 본 견인 플랫폼은 큰 견인력이 소요되는 작업보다 작물보 호제나 비료 살포, 파종 작업을 할 수 있다. 시작기로서 600mm 두둑 사이를 횡단주행에 소요되는 시간이 1분 30초 이상 소요되었 으나, 대부분 긴 시간이 소요되는 작업이 바퀴 쌍의 상승과 하강 과정이었다. 바퀴 쌍의 승·하강 속도에 관여하는 실린더의 재선정 을 통해 소요시간 단축이 가능할 것으로 판단된다.