농어업용 로봇 특허동향 (上)

약세

본 지면은 국가연구개발 기획단계에서 특허정보를 분석하여 우리나라 농어업용 로봇기술의 기술개발 추이 및 수준을 객관적으로 파악하고 효율적인 국가연구개발 정책수립을 위한 기초자료를 제공하고자, 지식경제부의 요청에 의해 특허청이 발주하고 한국특허정보원이 주관해서 도출한 특허동향조사·분석 결과이다.

 Ⅰ. 심층분석

1. 핵심 원천기술 분석 결과
우리나라는 농업분야 중에서 특히 시설농업과 논농사가 주를 이루고 있으며, 이는 우리나라와 유사한 환경이라고 볼 수 있는 일본과 공통적이라는 점에서 일본이 보유하고 있는 특허로 인한 특허장벽은 극복해야 할 매우 큰 장애물임에 틀림없다. 이와 같은 불리한 환경에서도 우리나라의 지형적 특성과 농가의 농업 종사 현실 및 농약 살포시의 인체 위험 등을 감안할 때, 무인방제 시스템 기술이나 자동시비 기술 및 시설농업에서의 수확시스템 기술이 현실적으로 유용하고 필요한 기술 분야로 사료된다.
따라서 선진국의 특허장벽 중에서도 특히 일본의 경우를 비교대상국으로 삼는 것이 현실적으로 매우 유용한 접근 방법으로 사료되며, 그와 같은 대비를 통하여 얻은 결론으로써 무인방제, 자동 시비 기술이나 시설농업의 수확시스템 기술 분야에서 우리나라의 특허 출원이 많고 어느 정도 기술기반이 개발되어 있는 여건이므로 전략적으로 접근하여 성과를 올릴 수 있는 유망한 분야로 판단된다.

특히, 농작물 재배 매니퓰레이션 분야의 기술은 설사 특허장벽이 다소 있다 하더라도 농작물 품목별, 작업환경별로 다양한 기술이 발전될 수 있어 특허 장벽을 회피할 수 있는 가능성이 높다고 할 수 있다.
한편 어업용 로봇 기술분야는 현재 검색된 특허의 건수가 차지하는 비중은 낮으나 전세계적으로 특허장벽이 높지 않은 것으로 판단되며, 향후 개발가능성이 높고 미래의 성장가능성이 높은 분야로 판단된다.
현재 전 세계적으로 미래자원의 보고로써 무한한 가능성과 잠재력을 갖는 해양, 어업분야는 그 연구개발의 필요성은 인정되면서도 농업분야에서의 식량자원의 보충적 역할에 그치고 마는 한계로 인하여 실질적인 발전은 매우 더딘 것으로 파악된다. 그러나 3면이 바다로 둘러싸여 있고 조선강국임과 동시에 최첨단 IT기술국인 우리나라의 위상은 어업용 로봇분야의 미개척상태를 미리 선점할 수 있는 매우 좋은 기회를 동시에 갖고 있다고도 볼 수 있을 것이며, 이는 본 사업의 어업용 로봇분야의 핵심기술 분야의 특허조사에서도 확인된 내용이다. 그 기술의 필요성에도 불구하고 미국, 일본, 유럽 등 선진국들조차 눈에 띄게 주목받을만한 다수의 장벽특허군은 찾아볼 수 없었다. 다만 연안해역의 양식장 관리나 수중 환경 모니터링을 위한 무인수중로봇 분야에서만 미국과 일본이 특허출원 및 등록이 활발히 진행되어 상대적으로 높고 다수의 특허장벽을 형성하고 있는 것으로 판단된다. 그러나 이 분야 역시 최근에는 출원활동이 다소 둔화된 것으로 나타나고 있다. 이에 비하여 우리나라의 경우 상대적으로 수중 환경인식을 위한 센싱 또는 영상측정 기술 분야에서 출원 및 등록이 활발하게 진행되어 온 것으로 파악됐다.

따라서 선발주자들의 출원 및 등록이 일부 기술분야에 한정되어 있고 전체적으로 보아 농업용 로봇기술에 비하여 상대적으로 미약한 상태여서 진입장벽 즉 특허장벽 역시 낮은 분야임을 고려하여, 핵심기술의 확보와 이를 이용한 효율적인 특허 방어전략 구축이 필요하다.

2. 핵심 원천기술별 특허장벽 분석

가. 시설 농업로봇용 자율 이동체 기술
시설작물 재배를 위한 유리온실이나 비닐하우스 등의 시설물 내에서 로봇이 주어진 임무를 수행하기 위해서는 주위환경을 인식하여 로봇 자신의 판단에 따라 자율적으로 이동하는 능력을 지녀야 하며, 이를 위해 필요한 복합 센서 및 SLAM 알고리즘, 로봇의 현재 위치와 자세를 인식하고 주변 환경을 인지하여 포장로, 비포장로, 유도로를 자율 주행하는 국소적 경로 계획 기술 및 이를 위한 이동체의 정밀 구동 제어 기술이 이 분야에 속한다.
작업자 또는 물체의 위치인식 및 추적, 기기류의 자세제어, 직렬과 병렬매니퓰레이터 하이브리드 결합기술, 자유도 제어 등의 주요 핵심기술에 대하여 산발적인 등록특허가 존재하며, 최근에는 작업기의 정밀도 높은 자유도 제어, 구동기구의 자동 속도 제어, 무인주행차의 이동루트 안내기술, 루프연결정보 결정기술 등이 출원되어 심사 또는 공개중인 것으로 파악된다.
주요 핵심기술들이 다양한 권리자와 출원인들에 의하여 분점되어 있어 해당 기술이 폭넓은 관심과 연구대상으로서의 주목받고 있음을 이해할 수 있으나 일부 권리자에 집중되어 있지는 않은 양상이다. 요소기술별로 주요 특허가 여러 분야로 분산되어 있어 기술장벽 역시 부분적으로만 존재하므로 이를 회피할 수 있는 가능성이 있는 것으로 판단된다.

나. 농작물 재배 매니퓰레이션 기술
연약하고 손상되기 쉬운 물성을 가진 농작물을 취급하는 정밀작업 수행을 위해, 다수의 링크를 포함하여 구성되는 매니퓰레이터 설계/제작 방법과, 소프트 핸들링이 가능한 그리퍼 개발을 위한 힘제어기능, 농작물에 적용하는 방제액 분무량 제어와 분무 방향제어 및 이를 위한 방제 기구의 제작/설계 방법 등을 포함한 시설재배 농작물용 로봇이 이 기술에 속한다.
매니퓰레이터가 내장된 과채류의 수확로봇이나 방제, 무인시비 등이 포함되는 본 분야의 기술에 있어서 우리나라는 특히 일본과 경합되는 기술을 많이 보유하고 있으며 제법 높은 특허장벽이 존재하여 이를 회피하기 위한 기술 및 특허의 확보가 필요하고 특허범위 강화를 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.

다. 시설농업 로봇용 정밀작업 기술
3차원 계측을 위한 시각 센서, 거리측정 센서 및 GUI 기술 등을 병용하여 농작물을 인식하고, CCD 카메라와 광센서로 측정한 농작물의 크기와 무게를 예측하여 압지력을 결정하며, 칼라 비전 시스템의 색채 정보 변용과 숙도 센서 등을 통한 대상 농작물과 주변 환경과의 구분 인지 등 시설물 내에서 재배되는 농작물의 정밀 처리를 위한 기술이다.
일본의 NIPPON SEIKO는 족형로봇 또는 레그휠 로봇의 자세제어를 위한 2차원 거리측정기술 및 물체인식 기술분야에 기술장벽을 선점하고 있는 것으로 분석됐으며, 기타 기술의 경우에는 다양한 권리자와 출원인들에 의하여 분점되어 있고 특정기업이나 기관에 집중되어 있지는 않은 양상으로써, 요소기술별로 주요특허가 여러 분야로 분산되어 있어 부분적인 기술장벽이 존재하는 것으로 분석됐다.

라. 자율기구변환 기반 로봇 구동체 기술
경작지에서 주어진 임무를 수행하기 위해서는 로봇 주행부 및 임무 수행 기구의 변환 기반이 마련되어야 하므로, 벼농사용 습식경작지에 적용하기 위한 로봇 주행부 설계/제작, 경작지 내에서의 여러 가지 임무 수행을 위한 기구 변환, 또한 이들 로봇이 임무 수행을 위해 경작지 내·외부를 자율주행 하기 위한 로봇 구동체 등을 포함하는 벼농사용 로봇 플랫폼 기술이 이에 해당한다.
주요 핵심기술로는 특히 다양한 작업기 부착장치와 작업기가 부착된 주행기의 동력전달 및 제어기술이 다수 등록되어 있거나 심사중인 것으로 분석된다. CNH Belgium(BE)가 콤바인에 하나 이상의 헤더를 원격으로 연결/해제하는 기술과 연결된 헤더와 연결된 콤바인의 동력을 제어하는 기술에 대한 특허를 미국에 출원하여 권리화를 시도하고 있다. 한편 일본이나 국내에서는 미국에 비해 상대적으로 권리화 시도가 많지 않은 것으로 분석된다.
다수 권리자에 분포되어 있기는 하나 유효한 권리가 미국에 집중적으로 존재하는 상황이므로 비교적 높은 기술장벽이 존재하는 것으로 판단된다.

마. 벼농사 로봇 자율주행 기술
한국이 보유한 기술로는 농촌진흥청의 농기계용 자동직선 주행장치에 관한 것으로, 특히 진행선이나 기준이 없는 논 또는 밭에서 농기계의 직선주행을 가능하게 하는 농기계용 자동직선 주행장치, 오차정도가 큰 저급 GPS와 관성항법용 센서를 사용하여, 위치 측정 정밀도를 향상시킨 기하학적으로 구속된 다중 GPS를 이용한 위치 및 자세 측정 장치 특허가 등록 유지되고 있다.
일본에서는 YANMAR 농기계, 마츠시타, 동경대 등이 GPS를 이용한 농기계의 직진주행 자율 유지기술, 위치 및 자세측정 기술과 관련하여 권리를 선점하고 있고 비슷한 기술을 보유하고 있어 서로 경쟁관계에 놓여 있는 것으로 파악된다. 미국의 경우 정확한 파종위치 생성기술, 콤바인의 필드구획 알고리즘, 장애물에 대한 농업플랫폼 안내시스템, GPS를 이용한 농기계의 직진주행 자율 유지기술, 필드의 인접경로 설정, 근접경로 연산 및 이동체 작업구획 추정기술 등에 대하여 등록권리를 보유하거나 출원 중인 것으로 파악되어 이 분야에서 보다 광범위한 기술을 보유하고 있는 것으로 판단된다.
기타 기술의 경우에는 다양한 권리자와 출원인들에 의하여 분점되어 있고 특정기업이나 기관에 집중되어 있지는 않은 양상으로, 요소기술별로 주요 특허가 여러 분야로 분산되어 있어 부분적인 기술장벽이 존재하는 것으로 분석된다.

바. 로봇기반 벼농사 생육재배 기술
이 기술은 분광센서, 원격 탐사 및 GUI기술을 포함하는 경작지 모니터링을 통해 논에서 재배되고 있는 벼의 생육 상태를 진단하거나, 지능형 영상처리 방법을 통해 해충의 출현, 밀도, 피해상태 등을 조사하고, 벼가 자라고 있는 토양의 영양소와 물리성 등을 측정하여 생육 환경을 진단하며, 진단된 결과에 따라 시비, 관수, 방제액의 투입 여부 및 투입량을 자동 처방하는 등 효율적인 작물 재배 관리를 실현하기 위한 기술이다.
주요 핵심기술로서 토양상태 및 생육상태를 센싱하는 기술에 대한 특허가 미국, 일본에 상당수 존재하며, 이들 국가에서는 현재에도 관련 기술이 출원되어 심사중이거나 공개되는 점에 비추어 활발한 연구가 이루어지고 있는 것으로 보이나 국내 기술연구는 매우 미약한 상황으로 분석된다.
핵심특허의 대부분은 특히 재배작물의 육성상태를 센싱하는 기술에 대해 다양한 접근이 이루어지고 있으며, 미국에 유효한 권리가 지배적으로 존재하는 것으로 조사됨에 따라 그 권리가 여러 권리자에 분산되어 있을 지라도 미국에서의 기술장벽이 비교적 높은 것으로 판단된다.

사. 수중 로봇 운반체 기술
수중에서 운행되는 로봇의 추진시스템 및 수중 동력학 기술에 관한 것으로, 부가관성력과 수중항력을 포함한 여러 가지 수중력의 영향, 부력중심과 중력중심의 불일치로 인한 비선형성, 수중로봇에 동력을 공급하거나 제어하기위해 사용하는 테더 케이블(Tether Cable)의 무게와 탄성으로 인해 가해지는 비선형적 외란과 추진기 간의 동역학적 간섭 등 수중로봇이 가지는 작업환경의 특성상 발생하는 비선형적 동역학특성을 고려하여 위치 및 자세를 제어하기 위한 기술이다.

미국의 경우 로봇의 움직임을 제어하는 하이브리드 컨트롤 시스템 관련 기술과 원격조정에 의해 잠수정의 자세균형을 유지하는 장치기술, 원격조정이 가능한 무인이동장치(UMD), 내비게이션 프로세서를 채택하여 수중시스템의 자세와 좌표를 계산하는 기술 및 수륙양용 로봇장치에 관한 특허를 선점하고 있으며, 한국의 경우 무인잠수정의 원격조정 제어장치기술, 심해무인잠수정의 부력 및 자세조절기술 관련 특허가 검색됐다.
최근에는 일본에서 고장과 상관없이 항주체의 안정적인 자세제어기술, 물질의 상변화 및 체적변화를 이용한 부력제어기술, 저속이동 및 추진력 부여시의 항주체의 위치 및 자세제어기술들과 관련한 특허가 출원되어 심사 또는 공개중인 것으로 조사됐다.
로봇제어기술의 경우 기술분야가 광범위하여 제어대상 또는 제어목표 및 제어수단에 따라 특허장벽을 판단하여야 할 필요가 있으며 본 핵심기술과 관련하여 조사된 바에 의하면 각 개별기술에 대한 특허 장벽의 강도는 상대적으로 높지 않은 것으로 분석됐다.

아. 수중 로봇의 수중항법 기술
수중에서 활동하는 어업용 로봇이 자율적으로 운항하기 위한 항법기술로서, TRN(지형참조항법)기술과 관성센서, 초음파센서 및 가속도 센서 등의 혼합을 통한 복합항법기술, 필터설계기술, GPS를 이용한 항법 보정기술을 포함하며, 이를 이용하여 정확한 자기위치를 인식하고 주변 장애물의 인식 및 회피를 통해 최적의 항로를 결정하기 위한 기술이다.
일부 주요특허들을 The United States of America as Represented by the Secretary of the Navy 및 LARSEN, Mikael 등이 보유하고 있는 것으로 파악되나 대세를 이룬다고 할 수는 없으며, 오히려 다양한 권리자나 출원인들에 의해 분점되어 있다고 할 수 있어 해당 기술이 여러 기업에서 연구대상으로 주목받고 있음을 인지할 수 있다.
핵심기술인 GPS를 이용한 수중 무인항법의 경우 위 주요특허 중 6개 이상을 차지하고 있는 점 및 센서는 필수적으로 사용되고 있는 것을 고려하면 보편화된 기술로 자리잡고 있는 것으로 판단되며, 이에 따라 본 분야에 대한 특허 장벽이 낮지 않을 것으로 판단된다.

자. 수중 로봇 매니퓰레이터 기술
정밀 작업을 수행하기 위한 수중 로봇의 다관절 구조 매니퓰레이터 설계 및 제작기술과 슬라이딩 모드 제어, 힘반응(Force-reflecting)제어 등의 강인한 적응제어 기술을 이용한 매니퓰레이터의 파지기능 구현기술 및 매니퓰레이터 제어용 GUI 기술을 포함하는 수중로봇의 작업성능 고도화를 위한 기술이다.
집게부와 절단날을 구비한 해상용 집게장착기술, 액추에이터와 로봇암을 구비한 수중방파제 자동피복기술, 조개류 채취 및 이동기술, 여러 구동모드로 해저에서 작동하는 로봇암 기술, 원격조종장치를 구비한 수중이동체기술, 및 해저면에 센서어레이를 설치하는 매니퓰레이터 기술 등의 주요 핵심기술에 대하여 산발적인 등록특허가 존재한다.
최근에는 해저면에서 메탄하이드레이트를 채광할 수 있도록 이동, 굴착, 가열 및 수송수단을 구비한 로봇기술 장애물이 있는 좁은 수중공간에서 채취 등의 원격작업이 가능한 기술, 악천후 상태에서 항주체 또는 수중기기의 자세를 안정적으로 유지하거나 파지하는 기술 및 각 섹션이 독립적으로 원격조종되는 수중이동체 기술 등이 출원되어 심사 또는 공개중인 것으로 파악된다.

한편, 영상송수신 카메라시스템과 초음파 거리측정지스템, 코일 스프링부를 구비한 조개류 채취장치, 해저 예인용 어패류 채취장치, 다관절형 암구조의 제진장치, 무인 모듈구조물 조립용 로봇, 해저매니퓰레이터용 집게발 및 인체와 유사한 상업용 로봇기술 등은 포기, 거절 결정되거나 심사미청구 취하되어 누구나 실시할 수 있는 자유실시기술에 해당한다.
본 기술의 경우 다양한 권리자와 출원인들에 의하여 분점되어 있어 특정국가, 특정기업이나 기관에 집중되어 있지는 않은 양상이고, 요소기술별로 주요특허가 여러 분야로 분산되어 있어 부분적인 기술장벽이 존재하는 것으로 분석됐다.

차. 수중비전 기술
빛과 전자파의 통과가 제한되는 수중에서 시계(視界)를 확보하고 주변의 지형·지물을 인식하기 위한 기술로서, 수중 3차원 입체카메라, 초점거리 및 주시각 제어장치, 수중물체 거리추정 및 보정프로그램, 수중 3차원 실감 영상 획득기술, 고속·고정밀 시차추출프로그램 등의 개발과 조류의 영향 및 시계가 좋지 않은 해역에서 사용되는 3차원 물체인식 초음파 영상기술이 포함되며 수중에서 움직이는 대상의 위치를 인식하고 크기 및 종류를 식별하기 위한 기술이다.
FURUNO ELECTRIC은 어군으로부터의 반사 신호 중 소정의 신호레벨 이상으로 연속하는 반사 신호의 파형 정보를 통한 분석, 에코의 절대 레벨을 나타내는 그래프를 실시간 처리, 송신신호의 시간 폭 T1보다 짧은, 시간 폭 T2의 수신신호를 추출하는 상관처리수단의 수신신호를 해석, 검출하는 단체분리수단으로부터 검출되는 어군의 수신 신호에 근거하여 얻어진 반사 강도로부터 생선의 길이를 산출, 펄스의 변환과 입력 수단으로 고주파 및 저주파 영역의 초음파를 변환하는 기술 분야에 기술 장벽을 선점하고 있는 것으로 분석된다.

기타 기술분야에서는 3차원성 음파 카메라, 미립자 또는 탄성 있는 물질의 방해에 의한 저주파 음파 전환기, 가능한 지역을 탐색하기 위해 음파의 주기적인 변환을 위한 변환기, 반사파의 위상차를 통해 목표의 크기를 추정, 수심의 깊이 지표를 삼차원으로 표시, 촬상되는 피사체의 영상 인식부분으로 인해 그 피사체의 종류를 식별하는 등의 다양한 특허가 존재하며, 최근에는 광학 카메라로부터 수신한 화상 신호와 초음파 송수신 장치로부터 수신한 화상신호를 컴퓨터로 합성하는 기술이 출원되어 공개중인 것으로 판단된다.
본 핵심기술과 관련된 기술분야는 파장을 이용하거나, 수중카메라와 반사파 등과 연계된 다양한 권리자와 출원인들이 존재하고 있는 것으로 FURUNO ELECTRIC를 제외한 특정 권리자에게 집중되지 않으나, 유사한 기술이 산재하여 분포하므로 기술장벽이 낮지는 않은 것으로 판단된다.

3. 핵심 원천기술 평가
각 항목별 특허검색을 통해 선별된 선행특허들의 정성분석을 통한 핵심기술의 분석 및 특허 포트폴리오 분석을 토대로 하여 수행됐으며 결과는 다음과 같다.

한국특허정보원 www.patentmap.or.kr