【FOCUS】 김매기 작업로봇 개발현장
최근 농업인구의 고령화와 일손부족을 해결하기 위한 농업용 로봇개발이 활발하게 추진되고 있다. 그러나 농업분야에 있어서 로봇개발은 ICT, IoT, 센싱기술은 물론 다양한 첨단 요소기술이 집약돼야 하는 융복합 산업기술이기 때문에 접근이 어려운 것이 사실이다. 특히 환경변수가 다양한 노지의 김매기 작업은 기술적 난이도가 높아 접근이 쉽지 않다. 그런데 최근 ㈜로봇팜에서 노지용 고랑 김매기 작업로봇을 개발했다는 소식이 전해져 개발현장을 방문했다. 김매기 작업로봇 개발을 총괄하고 있는 강희준 개발팀장을 만나 개발과정을 들어봤다.

무인으로 밭고랑의 잡초 제거 및 복토작업

GPS-RTK 기반 자율주행·4륜 구동·이력관리 모니터링 기술 적용
다목적으로 개발돼 친환경 농산물 생산·농가 경영비 개선에 기여

▶농작물 잡초제거의 중요성
농작물을 재배하는 과정에서 농작물의 생장을 돕고 수확량을 증가시키는 농작물 보호작업은 필수이다. 농작물 보호작업의 핵심은 △농작물의 숨쉬기를 돕는 토양 통기성 제고, △농작물이 흡수하는 영양분의 유출 방지, △토양의 화학적 성질 변경 최소화이다. 
이를 위해 오래 전부터 관행적으로 호미나 갈퀴를 이용해 인력으로 농작물 주위의 김매기 작업이 시행되어 왔다. 호미로 흙을 뒤집어 토양 통기성을 높이고, 잡초를 제거해 토양 영양분의 유출을 막고, 화학 제초제를 사용하지 않아 토양의 화학적 성질 변화를 방지하기 위함이었다. 또한, 흙을 뒤집은 후 김매기 자리와 작물 주변으로 흙을 다시 덮는 복토작업은 김매기 작업의 효과를 높이고 작물의 생장에 도움을 주는 중요한 농작업 중 하나이다.
그러나 손 김매기는 농촌 노동력 부족 및 김매기 작업의 육체적 과부하로 점차 사라지게 됐고, 손쉽게 농약을 살포해 잡초를 제거하는 방향으로 진행돼왔다. 농약 살포는 단시간에 넓은 면적의 김매기가 가능 하지만 기계식 김매기의 장점인 토양 통기성 개선을 기대할 수 없을 뿐 아니라 작물과 인체에 피해를 주게 된다.
잡초 제거 작업 중 제초제를 살포하지 않고 토양의 경운과 복토를 통해 잡초를 제거하는 작업이 김매기 작업이다. 김매기 작업은 고되고 인력이 많이 투입되는 작업으로 이를 기계적으로 해결하려는 시도가 국내에서도 있었지만 상용화되지 못했다. 

▶농작물 잡초제거 방식 및 비교분석
잡초제거는 농작물 생산량 증대에 필요한 중요 요인이다. 김매기 작업을 하지 않을 경우에 생산량은 급격하게 감소한다.
농촌진흥청 자료에 따르면 김매기 작업을 하지 않은 고구마의 경우에는 수확량이 40~50% 줄어드는 것으로 나타났으며, 옥수수의 경우에는 57% 줄어든 것으로 나타났다. 감자 재배의 경우에는 김배기 작업을 전혀 하지 않을 경우 수확량은 48% 줄어든 것으로 나타났다. 특히 옥수수의 경우에 파종후 김매기를 실시하면 수확량이 10a당 869㎏, 김매기를 하지 않으면 498㎏, 제초제를 사용한 경우에는 684㎏으로 나타나 김매기 한 경우가 가장 수확량이 높은 것으로 나타났다.
그러나 김매기는 필수 농작업 과정이지만 농업인구의 고령화와 일손부족 등으로 인력에 의한 손 김매기는 점차 자취를 감추고 제초제를 살포해 잡초를 제거하는 농법이 널리 사용되고 있다. 
최근 안전한 먹거리에 대한 소비자의 친환경 농산물에 대한 선호도가 높아지고 약해 피해에 대한 우려 때문에 제초제 농약살포에 대한 부정적 인식이 높아지고 있다.
그렇다고 다시 인력으로 손 김매기를 하는 방식으로는 돌아갈 수 없기 때문에 기계식 김매기가 주목받고 있다.
잡초 제거 방식을 경운작업 유무, 제초제 사용 유무에 따라 분류하면 4가지로 분류 가능하다. 이 중 기계식 경운이 인력 김매기 방식과 가장 유사한 방식이라고 할 수 있다.

▶김매기 로봇개발의 필요성
기계식 잡초 제거용 농업기계 개발에 대한 시도가 꾸준히 있어왔지만 트랙터나 승용관리기를 이용한 김매기 방식은 토양 다짐(soil compaction)이 발생해 오히려 통기성을 방해하는 경우가 많고, 직접 손목을 사용해야 하는 중경제초기는 고역작업에 속해 기피하는 경우가 많다.
특히 밭농사의 경우에는 고랑의 폭이 35~45㎝ 수준이기 때문에 대형농기계가 아닌 폭 30~50㎝ 내외의 자주식으로 제초작업을 할 수 있는 소형농기계가 적합하다고 할 수 있다.
소형농기계는 토양 다짐을 최소화할 수 있고, 작업공간이 협소해도 농작업 수행이 가능해 다양한 작물관리에 활용할 수 있으며, 가격경쟁력을 갖추는데도 유리하기 때문이다.
따라서 소형 경량으로 경운 복토작업을 통해서 기계적으로 잡초제거가 가능하면서 무인으로 자율농작업이 가능한 차세대 기술이 적용된 무인 김매기 로봇 개발에 나서게 됐다.

▶김매기 로봇 시스템 개발 및 과제수행
노지용 고랑 김매기 작업 로봇개발은 농식품부의 2022년 노지분야 스마트농업기술 단기 고도화사업의 일환으로 추진됐으며, 내역사업은 농업용 로봇 현장 적용기술 개발 및 실증으로 수행되고 있다.
공동연구개발기관으로 ㈜긴트, 건설기계부품연구원, 한국농업기술진흥원, 충남대학교산학협력단, ㈜그린레드, 국립종자원 등이 참여하고 있으며, 2년9개월 연구기간으로 올해 말까지 총 개발비 약 40억원이 투입돼 진행되고 있다.
김매기 로봇에 탑재된 배터리와 전력 에너지 분배시스템으로 GPS RTK 기반의 자율주행 및 작업 구동모터를 구동시켜 저소음 및 Zero Emission을 구현하고, 자율주행과 동시에 다양한 경운 및 복토작업이 가능한 전동 4륜 구동(4 Wheel drive, e-4WD) 농업용 김매기 로봇 작업기 개발로 추진됐다.
김매기 로봇의 제원으로는 리튬이온 배터리 충전 전동식이며, 본체 중량 150㎏, 최대 주행속도 2㎞/h, 작업폭 50㎝, 크기는 L1300xW500xH800으로 제작됐으며, 스마트 안전장치로는 미끄럼 방지 전동식(EM) 브레이크, 리모트 컨트롤 주행제어, BDI(Battery Discharge Indicator), 배터리 완충시 전원 자동차단, 비상 알람기능, 이력 관리 모니터링이 적용됐다.
노지 작업환경에 맞춰 GPS 기반의 자율주행과 전자식 브레이크 등 기술개발을 통해 3종 이상의 작물의 고랑 및 다양한 영농환경에서 작업 적응성이 강화된 김매기 로봇 작업기 기술개발을 목표로 하고 있다.

김매기 로봇 시스템 개요

김매기 로봇 작업 시나리오

▶김매기 로봇의 활용 및 기대효과
김매기 로봇은 원거리의 농지까지 이동시에는 1톤 화물차에 탑재해 이동할 수 있으며, 작업 농지 및 근거리 이동시에는 리모트컨트롤을 사용해 손쉽게 조작이 가능하다. 작업시에는 GPS RTK 위치제어가 가능한 자율주행 모드를 사용할 수 있다.
현재는 4륜 구동으로 개발되어 노지에서 높이 조절이 가능한 로터베이터, 복토작업기 장착 및 운반 트레일러 활용을 통해 다목적으로 활용할 수 있지만 경사진 밭이나 습전작업을 위해 크롤러 타입의 김매기 로봇도 추가 개발할 예정이다.
노지 김매기 작업 로봇이 우리 안전한 농산물 생산에 기여함은 물론 일손 부족과 경영비 압박에 어려움을 겪고 있는 우리 농촌에 작은 보탬이 되길 희망한다.

무인작업이 가능한 김매기 로봇 시제품

<정리=정상진 기자>

정상진 기자  jsj1234@alnews.co.kr

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