방제, 운반, 점검(모니터링) 로봇을 하나로 연결

농작업 효율 높이고 영농활동 디지털화해 농가 의사결정 지원

농촌진흥청(청장 권재한)은 농업생산 인력 감소를 극복하고 생산성을 높이기 위해 농작업 단계(과정)별 로봇과 연계 가능한 기술이 적용된 ‘통합 관리 프로그램’을 개발했다. 아울러, 농업로봇의 농가 보급과 산업표준 개발로 관련 산업 지원에 나선다.

우리 농업‧농촌은 인구 감소, 고령화 등 다양한 사회적 변화에 직면하고 있으며, 이에 대응하기 위해 다양한 농업로봇의 도입이 꼭 필요한 상황이다. 농업로봇이 다양해지면서 각 로봇의 일일 작업 정보를 수집하고 효율적으로 관리하기 위한 통합 관리 기술의 필요성이 높아지고 있다.

농림축산식품부는 지난해 7월 ‘스마트농업 육성 및 지원에 관한 법률’을 제정했다. 아울러 올 1월에 스마트농업 육성 계획을 마련하고, 농산업 경쟁력을 강화하는 방안 중 하나로 스마트농업 기술 도입을 촉진하여 2029년까지 스마트농업 기술과 장비 도입 온실 면적을 35%까지 끌어올린다는 방침이다.*

▲ 지난해 기준 시설원예 농가 전체 면적(약 55,000헥타르) 중 스마트농업 기술과 장비가 도입된 온실은 약 16% (약 8,800헥타르)

이에 농촌진흥청은 온실에 스마트농업 기술 활용을 위한 로봇(방제, 운반, 점검(모니터링)) 3종을 개발한 바 있다. 그리고 이들 로봇을 연계해 작업 효율을 높이고 작업 정보를 디지털화해 관리‧제어하는 ‘통합 관리 프로그램’을 개발했다.

▲ 방제 로봇 2022년, 운반 로봇 2023년, 모니터링 로봇과 통합 관리 프로그램 2024년 개발

통합 관리 프로그램은 농업인이 개인용 컴퓨터나 휴대전화로 여러 대의 로봇을 연결해 동시에 관리하고 로봇 작업 정보를 확인하는 기술이다. 주요 기능은 ∆로봇 관리 ∆작물 관리 ∆디지털 영농 관리 3가지다.

∆로봇 관리= 로봇의 위치, 작업 속도, 이동 거리 등 현재 농업로봇의 작업 상태를 알려주는 기능이다. 또한, 실시간 작업량, 누적 운영 횟수 등 농업로봇 운영 통계를 제공한다. 이를 바탕으로 로봇들의 작업 순서를 설정하고 로봇을 효율적으로 운영할 수 있다.

∆작물 관리= 모니터링 로봇이 취득한 영상 정보를 기반으로 현재 수확할 수 있는 열매의 수량, 위치 정보를 농업인에게 제공한다. 또한, 각 열매의 익은 정도와 온실 환경 데이터를 정량적으로 분석해 수확 가능 시기를 예측한다.

∆디지털 영농 관리= 각 로봇의 작업 상황과 작물 상태 정보를 실시간으로 수집하고 이를 기반으로 매일 자동으로 작업 정보를 제공한다. 농업인은 작업 정보를 보며 방제 횟수, 수확 시기 등을 조절할 수 있다.

이번에 개발한 통합 관리 프로그램을 우선 방제‧운반‧모니터링 로봇에 적용했다. 이들 농업로봇은 통합 관리 프로그램의 원활한 적용을 위해 농촌진흥청이 개발한 산업표준을 기반으로 공통된 기술을 적용해 개선한 것이다.

또한, 시스템 고장 가능성 확률을 나타내는 안전무결성 수준(SIL) 2등급 제어기를 적용해 고장이나 오작동 확률을 0.1~1% 미만으로 낮춰 농가에서 불편함 없이 사용할 수 있도록 했다.

▲ SIL(Safety Integrity Level) : 시스템이 고장을 일으켜 위험한 상황을 만들 확률을 1~4등급의 수치로 표현(국제표준 IEC 61508). 숫자가 클수록 더 높은 안전 수준을 의미

▲스마트농업(SIL 1~3), 자율주행차(SIL 2~4), GNSS 항공/철도용(SIL 3~4)

기술 적용 결과, 방제 로봇은 작업 지시부터 작업 여부 확인까지 전 과정을 완전 무인화했다. 인력으로 할 때보다 작업시간이 40% 줄었으며, 완전 무인화로 미립 방제를 할 수 있어 방제 효과는 15% 이상 높아졌다.

▲ 미립 방제는 공기 중에 농약 입자가 머무는 시간이 늘어 농약이 작물에 붙는 양을 최대 15~20% 늘리는 효과가 있으나 호흡기와 피부로 흡수되는 양도 늘어 작업자가 없는 조건에서 이뤄져야 함.

운반 로봇은 인공지능, 거리 측정 기술을 적용해 작업자 진행 속도에 맞춰 뒤를 따라다니며 수확 작업을 도와준다. 그래서 작업자가 대차 등에 수확 상자를 올려 밀고 다니며 수확물을 담고 옮기지 않아도 된다.

또한, 실시간으로 수확물 무게를 측정할 수 있도록 개선해 일일이 무게를 달던 과정을 생략할 수 있게 됐다. 수확과 동시에 무게를 측정하기 때문에 손쉽게 생산량 관리가 가능하다.

모니터링 로봇은 작업자가 매일 반복해서 확인해야 하지만 비숙련자는 하기 어려운 수확적기의 열매 상태 판단 작업을 수행한다. 모니터링 로봇의 열매 인식 정확도는 93.8%, 수확 시기 예측 정확도는 97.7%에 달한다. 수확 가능 여부, 수확 시기 정보는 농업인에게 실시간으로 전달된다.

농업인은 생육 정보와 시장 가격 등을 바탕으로 온실 환경(온도, 양액 등)을 조절해 가장 유리한 조건에서 생산물을 판매할 수 있도록 수확 시기를 결정한다.

농촌진흥청은 스마트팜 로봇을 농업 현장에 적용하고 보급하기 위해 2023년에 현장 실증 연구를 수행했다. 토마토 재배 농가 3곳에 방제‧운반‧모니터링 로봇 3종을 적용한 결과, 0.5헥타르 기준 연간 인건비가 방제 1,200만 원, 운반 800만 원, 모니터링 900만 원 줄어든 것으로 나타났다.

이들 농가에서 나온 의견을 반영해 로봇을 개선한 후 상용화를 진행했으며, 지난해부터 신기술 보급 사업으로 농가에 농업로봇을 보급하고 있다.

▲ 2024년 운반 로봇 10대 보급 완료. 2025년 운반 로봇 13대, 방제 로봇 10대 보급 예정

이와 함께 지난해부터 농업로봇 산업표준 개발과 제정으로 관련 산업 육성을 지원하고 있다. 산업표준 개발과 제정이 이뤄지면 비정형적인 농업의 특성이 반영돼 농업 분야에 로봇을 활용하기 위한 최소한의 구조와 안전 요구사항이 마련된다.

농촌진흥청은 현장 실증으로 관련 정보를 확보하고 전문가, 산업체 의견을 모아 2024년 농업용 로봇 용어와 분류, 구조와 안전 사항 등 2건*의 표준 제정을 완료했다. 올해는 3건**을 개발해 제정 완료한다는 계획이다.

* (제정) 스마트온실 농업용 로봇 - 용어와 분류, 구조와 안전사항

** (개발)농업 로봇의 시험 요구사항 - 제1부 구동장치, 제2부 작물인식, 제3부 작업부

통합 관리 프로그램이 적용된 스마트팜 로봇이 보급되면 로봇과 농업인의 협업이 가능해지고, 로봇과 로봇의 협조 체계도 구축된다. 이를 통해 무인화된 스마트팜 기반이 조성돼 농작업 편이성과 효율성이 높아질 것으로 예상된다.

또한, 노동력 부족 문제가 해결돼 농가 경영비 등이 감소하면서 농가 경쟁력이 강화될 것으로 보인다.

이번에 개발한 통합 관리 프로그램은 새로 보급하는 로봇에 적용되며, 기존에 보급한 로봇은 프로그램을 갱신(업데이트)하면 사용할 수 있다. 또한, 농촌진흥청에서 개발한 산업표준을 적용해 개발한 농업로봇은 종류에 상관없이 통합 관리 프로그램을 적용할 수 있다.

농촌진흥청 국립농업과학원 이승돈 원장은 “가까운 미래, 농촌에는 ‘1농장-1로봇’ 시대가 열릴 것이며, 로봇을 활용한 농작업 단계별 자동화로 농촌 노동력 부족 문제 해결에 나설 것이다.”라며, “농업‧농촌에 농업로봇이 빠르게 보급‧활용될 수 있도록 농업로봇의 통합 관리, 신속한 보급, 그리고 산업표준 개발과 제정 3박자로 속도를 내겠다.”라고 말했다.