[전문가 기고] 스마트농업용 농기계 및 농업로봇 연구현황과 전망

【전문가 기고】 스마트농업용 농기계 및 농업로봇 연구현황과 전망 
                    - 이시영 국립농업과학원 스마트팜개발과장

연구개발 협업·상용화·판로확보 등 선순환구조 필요
농업인구 감소·고령화 심화로 자동화·무인화 기술개발 요구 높아져
첨단농기계·농업로봇 등 기술집약 농업으로의 변화에 적극 대응해야

■농업환경의 변화
우리나라는 농업·농촌 인구가 지속적으로 감소하고 고령화가 심화되면서 농업경영 위기와 함께 농촌지방 소멸 우려가 커지고 있다. 농림어업조사에 따르면 2023년 12월을 기준으로 농가수는 99만9000가구, 농가 인구는 208만9000명이며, 65세 이상 농가 고령인구의 비율은 52.6%에 다다르고 있다. 또한, 한국고용정보원자료(2022년)에 따르면 인구학적 쇠퇴 위험이 높은 ‘소멸고위험’ 지역 45개 기초지자체 중 44개가 농어촌 지역으로 볼 수 있는 ‘군’으로 나타났다. 이처럼 국내외 전방위적으로 농업 여건이 악화되고 농업인구가 줄어들고 있는 상황이지만, 농업 생산성을 확보하는 것은 매우 중요하며 시급한 사안이라고 할 수 있다. 이에 대응하기 위해 정보통신 기술, 인공지능 기술 등을 적용한 자동화·무인화 기술을 개발하고 농가 현장에 빠르게 보급하여 농촌의 인력난을 해소하고자 노력하고 있다. 

자율주행 트랙터

■농업+농기계 기술도입
현대 농업은 농기계의 개발, 보급을 통해 진보하게 되었는데, 경운기를 시작으로 트랙터, 이앙기, 콤바인 등 논 농사에 있어서 기계화율을 98% 수준까지 높이게 됐다. 밭농사의 경우도 다양한 밭 작물을 대상으로 기계화를 추진하고 있다. 농기계의 보급이 확대될수록 농업인의 편이성 또한 증대된다는 것은 말할 필요도 없을 것이다. 하지만 농업인구의 감소와 고령화, 여성화로 인한 농업인력의 감소는 농촌소멸이라는 극단적인 양상까지 치닫고 있을 정도로 심각한 문제로 자리잡고 있다. 이를 해결하기 위해 농기계와 첨단기술을 접목해 자동화·로봇화하는 연구를 지속적으로 수행하고 있다.
2020년에 고가의 고정밀 GPS 측위시스템을 대체하기 위해 인공지능을 이용한 영상인식 기술 기반의 트랙터 자율주행 기술을 개발했다. 영상을 통해 얻어진 데이터로 경운 작업을 진행한 부분과 미경운된 부분의 토양 경계를 인공지능으로 인식하고 이를 따라가면서 자율주행하는 시스템이 핵심기술이다. 작업속도 3㎞/h로 주행할 때 ±9.5㎝ 이내의 오차로 자율주행이 가능하며, 합리적인 비용으로 시스템 구성이 가능하고 영상정보를 이용하기 때문에 트랙터가 장애물을 인식하거나 돌발 상황이 발생해도 대처하기 쉽다는 장점이 있다. 또한, 농기계에 자율주행 기술을 좀 더 보편적으로 적용하기 위해 기존에 사용하고 있는 트랙터, 관리기, 이앙기 등 승용형 농기계에 장착해 사용할 수 있는 직진 자동조향장치를 개발했다. 이 시스템은 스마트폰의 GPS보다 좀 더 정밀하게 특정 위치를 지정하고 사용할 수 있는 고정밀 자율항법장치(RTK-GNSS)와 관성측정장치, 운전 조향장치, 사용자 인터페이스 장치 등으로 구성돼 있다. 사용자가 시작점과 끝점을 입력하면 두 점을 연결한 직선을 기준으로 주행 경로가 생성되고 이를 따라 직진 자율주행을 하게 된다. 고정밀 자율항법장치는 ±7㎝ 이내의 오차로 설정한 경로를 따라 직진 자율주행할 수 있으며, 필요에 따라서는 사람이 직접 운전하도록 수동 모드로 전환할 수 있다. 
첨단농기계는 기존의 농기계에서 농업로봇으로 진화해가는 중간 단계에 있다고 할 수 있으며, 로봇 기술을 농기계와 접목해 사용자의 농작업 편이성을 극대화시키고 최소한의 인력으로 농사를 가능하게 도와줄 것이다. 

자동조향장치

■농업+농업로봇 기술 도입
농촌 인력의 부족으로 농작업의 자동화·무인화에 대한 요구도는 점차 높아지고 있다. 농업용 로봇은 이러한 요구에 대응하기 위한 연구개발 아이템으로서 매우 중요하다. 
농촌진흥청에서는 기계화가 가능한 과수의 수형을 지속적으로 연구해 왔으며, 농업로봇을 투입할 수 있다는 점에 착안해 사과, 배, 복숭아 과수원을 대상으로 농작업 환경을 스스로 인식하고 자율주행하면서 제초, 운반, 방제와 같은 농작업을 하는 로봇을 개발했다. 무엇보다 우선적으로 안전한 무인 농작업을 할 수 있도록 농작업자의 안전에 노력을 기울였다. 
제초로봇의 경우, 레이저 센서를 활용해 1.5ｍ 이내에 있는 작업자나 장애물이 있으면 10㎝ 이내의 오차 범위 안에서 스스로 정지한 후 장애물이 치워지면 다시 작동하도록 설계했다. 또한, 로봇 하부에 접촉식 정지 장치를 부착해 로봇이 물체와 닿았을 때 즉각적으로 정지할 수 있도록 했다.
제초로봇과 운반로봇은 공압 스프링과 같은 완충장치를 적용해 지면에서 받는 충격을 최소화하고 굴곡진 노면에서 유연하게 주행할 수 있도록 설계했다. 방제작업 중에 약제가 부족하게 되면 보충할 수 있는 지점까지 로봇이 알아서 찾아가는 기능을 추가했다. 
운반로봇의 경우, 평소에는 작업자를 따라다니며 수확물이나 농기구 이송 등 농작업을 수행하다가 작업자의 필요에 따라 현재 위치에서 집하장과 같이 사전에 지정한 위치로 로봇을 보낼 수 있도록 셔틀 기능을 탑재했다. 수확작업 중인 작업자가 셔틀 기능을 작동시키면 지정된 위치로 운반로봇이 스스로 이동해 수확물 이송업무를 수행한 후 다시 작업자가 있는 곳으로 돌아오게 된다. 
로봇의 활용성을 높이기 위해 제초로봇이 물건을 싣고 운반할 수 있도록 상부에 적재공간을 확보해 운반로봇의 역할을 겸할 수 있도록 기능을 확장해 제초작업을 하지 않을 때는 운반작업을 할 수 있다.
또한, 로봇 간에 서로 협동할 수 있도록 알고리즘을 구성해 방제로봇의 살포 약제가 부족해진다는 알림이 오면 운반로봇이 약제탱크를 싣고 출발해 방제로봇이 작업하면서 지나가는 길목에서 약제를 보충해 주는 기술을 구현하고 있다. 로봇 사이의 협동작으로 방제로봇이 약액을 보충하기 위해 이동하는 시간과 이동하는데 소비되는 배터리 사용량을 줄여 작업효율을 높일 수 있을 것으로 기대한다.

제초로봇

운반로봇

방제로봇

■농기계 및 농업로봇 연구과제
인공지능, 데이터 통신기술 등을 융합한 첨단농기계 및 농업로봇 분야는 인적·물적 자원의 한계를 가진 국가 연구기관만의 노력으로 달성하기에는 역부족이기 때문에 대학, 기업 등과의 협업이 필수적이다. 새로운 기술을 접목해 획기적으로 노동력을 절감할 수 있는 첨단농업기계와 농업로봇을 개발하기 위해서는 먼저 규모화된 예산 확보와 다양한 연구자원을 통해 우수한 결과물을 만들어 내는 선순환 구조를 만들어야 한다. 
또한, 개발된 첨단농기계와 농업로봇이 연구에만 그친다면 아무 의미가 없을 것이므로, 이를 농가 현장에서 실증해 현장의 의견을 통해 보완하고 산업체와 협력해 상용화하고 농가에 신속하게 보급하는 것이 연구의 최종 결과물이고 성과라고 할 수 있다. 하지만 첨단농기계에 대한 농업인들의 인식부족, 비싼 초기가격, 인프라와 설비 등의 부재로 인해 농가현장에 보급하는 것이 쉽지만은 않은 단계를 거쳐야 한다. 각 도 농업기술원이나 시군 농업기술센터의 현장 전문가를 통해 임대사업이나 보급사업을 추진해 제조사로 하여금 최소한의 공급 물량을 확보할 수 있도록 해 판로를 확보해 줄 필요도 있다. 수요가 적은 만큼 이러한 선순환적 보급 구조를 통해 제조사도, 농업인도 쉽게 첨단농기계나 농업로봇을 거부감 없이 활용함으로써 기존의 농작업에 대한 인식을 전환할 수 있는 계기가 될 수 있을 것이다.
첨단농기계와 농업로봇의 활용방법을 사용자 편이에 맞추고 단순화하더라도 현장보급 초기에는 작업환경에 적응, 초기 작업설정 등 관리 및 교육을 위한 인력도 필요하다. 관련 전문가를 양성해 시군 농업기술센터의 전문요원으로 활용하는 등 첨단농기계와 농업로봇에 대한 관심과 활용도를 높이는 방안이 필요하다. 
관련된 기초 인프라 구축으로 개발기술을 적용할 수 있는 스마트농업 환경을 조성하고 첨단농기계와 농업로봇을 기반으로 한 진화된 모델을 제시한다면 미래 비전과 핵심기술로 새로운 농업시대의 흐름을 만들어 가는데 확실하게 자리매김할 수 있을 것으로 예상한다.

■첨단농기계 및 농업로봇 미래 전망
농업은 노동집약적 구조에서 점차 기술집약적인 형태로 변화하고 있다. 빅데이터를 활용한 병해충 진단, 작황 예측 등과 같은 인공지능 기반의 의사결정 시스템의 진화, 지속적인 기계화와 자동화 및 로봇화를 통해 농업도 점차 첨단화되어 가고 있다. 농기계 제조사에서도 이러한 상황에 발맞춰 빠르게 변화하고 있지만, 생물과 공존하며 작업해야 하는 농업의 특수성으로 인해 첨단기술의 조속한 상용화는 아직 쉽지만은 않은 실정이다. 
최근 ICT 기술의 비약적인 발전과 인공지능, 빅데이터, 로봇 등 4차 산업혁명 핵심기술과 국내외 연구기관, 대학, 산업체 등에서 많은 연구결과를 토대로 새로운 농업기술의 변화를 이끌어 가고 있다. 머지않은 미래에 스스로 의사 결정하고 스스로 작업을 수행하는 무인농업 시대를 열어나갈 수 있을 것으로 기대된다.