3조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 온도 자이로 모듈 배달통
영문 : Temperature, Gyro Moduled Delivery
과제 팀명
Livraison
지도교수
오명도 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 노*용(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 박*순
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 박*헌
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 장*돈
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 전*원
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
코로나19로 인한 언택트의 확산과 1인 가구의 증가 등으로 최근 배달 음식의 수요가 크게 증가하여 시장이 확대됐다. 하지만 배달 가능한 음식에는 여전히 제한이 있다. 배달 과정에서의 충격으로 음식의 원형이 손상되는 경우가 발생하고 또한 배달 과정에서 온도를 유지하지 못하여 따뜻한 음식이 식거나 얼려진 상태로 제공되는 음식이 녹는 등 음식의 질이 떨어지는 일이 발생하여 배달을 진행하지 않는 업체가 존재하기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 음식의 원형과 온도를 유지할 수 있는 배달통을 개발하여 배달 과정에서 발생할 수 있는 음식의 질이 떨어지는 것을 방지하고 나아가 이러한 문제들을 우려하여 기존에 배달을 진행하지 않던 fine food 업체들도 참여하게 하여 배달 시장을 확장시키는 것을 목표로 한다.
개발 과제의 배경 및 효과
(1) 동기 및 필요성
<그림1: 20년 7월 음식서비스 증가 추이(통계청)>
위의 20년 7월 통계청 자료(그림1)에서 요약하는 전년 7월 대비 음식 서비스의 시장이 66%가량 성장했으며, 약 5400억 이상 시장이 확장했음을 알 수 있다. 과거 이전까지는 배달이 점주에서 선택의 문제였을 수 있어도 최근 사회적 거리 두기 운동, 언택트 지향을 고려해볼 때, 음식배달 서비스는 이제는 요식업이 살아남기 위해서는 필수라고 할 수 있다.
아래의 그래프(그림2)를 통해, fine food를 주로 취급한다고 할 수 있는 고가의 요식업에서는 보통 배달 서비스를 하지 않거나 하더라도 품목에 제한을 둬, 언택트의 영향에 발 빠르게 대처하지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 중저가 음식점의 경우 대부분 배달 서비스를 제공하여 코로나에도 불구하고 어느 정도 위기를 타개하고 있지만, 고가의 음식점의 경우, 배달서비스를 제공하지 않거나 배달품목을 한정해 버리는 등 변화에 적응하지 않으려는 것을 알 수 있다.
분명 소비자의 수요는 있음에도 배달과정에서 필연적으로 발생하는 음식 손상이 그들의 브랜드 이미지 및 경영 방식에 영향을 준다고 판단해 배달서비스 도입을 망설이고 있다는 전문가의 분석을 참고하여, 배달 과정 중 음식 변질을 줄이고자 하는 아이디어에 착안하게 되었다.
<그림2: 20년 고가음식점 현황(통계청)>
위의 배달 사고 사례는 ‘파인 다이닝 레스토랑’ 들이 배달 서비스 도입을 망설이는 이유라고 할 수 있다. 이들의 음식은 매우 고가이며, 재료의 신선도가 매우 뛰어나기 때문에 음식의 보존이 필수 불가결하다. 고객의 집에 도착했을 때 식어 있거나, 녹는다면 ’파인 다이닝‘업계와 그것을 소비하고 싶은 소비자에겐 좋은 선택이 아닐 것이다.
현재 서울의 미슐랭 스타를 받은 레스토랑은 총 30곳이다. 빕구르망, 더 플레이트 등 미슐랭 스타를 제외하고도 좋은 평가를 받은 레스토랑은 141곳이며, 블루 리본 등 호평을 받고 있는 레스토랑 또한 매우 많다. 하지만 여기서 현재 배달을 하고 있는 음식점은 단 한 곳도 없으며, 배달을 하더라도 제한적인 음식을 대상으로 배달을 한다.
(2) 차별성 및 기대효과
위의 표를 통해, ’파인 다이닝‘ 업계가 self-rider 배달 서비스 도입에 망설이는 요인을 해결할 수 있는 가능성을 보여준다. 섣불리 배달 서비스에 뛰어 들기전에, 이 과제가 만족할 만한 성과를 거둔다면 일단 ‘파인 다이닝’ 업계에 새로운 시장을 열어줄 것이며, 이 기술이 보급되어 기술단가가 낮아진다면 점차 중저가 배달서비스에도 적용하여 더 고급화되고 발전된 배달 서비스가 소비자에게 돌아갈 수 있을 것이다. 궁극적으로 배달 음식과 식당에서 먹는 음식 사이의 간극을 줄이는데 의의가 있다.
개발 과제의 목표와 내용
(1) 개발과제 단계별 목표
배달통 내부에 음식이 적재될 때 찬음식, 더운음식 공간으로 분류한다. 실제로 배달에 소요되는 시간은 평균10분가량 소요되기 때문에 최소 목표를 10분으로 설정했다. 타겟으로 하는 “파인다이닝”의 경우 라이더를 직고용한다는 가정하에 배달시간을 25분까지 가능하는 것을 최종적인 목표로 제시한다.
평형유지 성능은 10°를 초기목표로 하고 15°의 경사까지 평형을 유지할 수 있도록 한다. 성능구현시엔 각각 독립적으로 기능을 구현하고 3단계 통합단계에서 각 성능구현을 통합한다. 마지막으로 각 테스트단계에선 찬음식, 더운음식을 개별적으로 온도, 평형에 대해서 성능검증을 진행할 예정이다.
(2) 개발 내용
1)PID제어를 통해 보온,냉온 기능 향상
2)자이로, 가속도 센서를 통한 센싱
3)아두이노, 라즈베리 파이를 통한 성능 통합
(3) 평가 방법
관련 기술의 현황
State of art
◇ 소재 기술
(1) EPP[Expanded Polystrene] 현재 시중에 유통되는 50% 이상의 배달통이 EPP를 소재로 사용하고 있으며[대성산업기준] , 특징으로는 반경질의 성질로 적절한 강도와 유연성, 탄성을 가지고 있어 잘 깨지지 않고, 수송중 진동이나 기타의 장애로부터 제품 표면을 보호 해줄 수 있다. 또한 무가교 발포 폴리프로필렌으로 재활용이 가능한 친환경 플라스틱소재이다.
(2) FRP[Fiber-reinforced plastic] 시중에 유통되는 플라스틱 배달통중 2번째로 많이 쓰이는 소재이며, ‘섬유강화 플라스틱‘ 이라 불리며, 무게에 비해 강도가 높고 부식에 강한 특징이 있다. 부식에 강하다는 이점으로 인해 배달통뿐만 아니라 FRP TANK[화학약품이나 부식성 물질을 보관하는 용도], FRP PIPE AND DUCT[각종 플랜트의 폐가스를 이동시키는 덕트, 약품 및 폐수, 해수의 이송용도], 이외에도 FRP LINING등 여러 분야에 활용될 수 있다.
(3) 네오폴[비드법 단열재 2종] 주변에 볼 수 있는 비드법 단열재로는 흔히들 말하는 ’스티로품‘이 있다. 작은 알갱이들로 구성되어 있기 때문에 비드법이라고 호칭하며, 사용 목적과 환경에 따라 최적의 종을 선택하면 된다. 이번과제에서 사용하려는 2종의 경우, 1종에 흑연등을 첨가해 단열 성능을 20%이상 강화한 것이 차별점으로, 공통적으로 내구성이 우수하다는 장점이 있고, 금형 재료보다 가격이 저렴하고, 가공 및 설치가 용이하다는 장점이 있다.
◇ 센서 기술
(1) 온도 인식 센서 온도는 다양한 종류의 센서로 측정 가능하며, 분류 기준으로는 측정 대상과 접촉하여 그 온도 변화에 반응하는 접촉식과 측정 대상이 방출하는 에너지를 감지하는 비접촉식 온도센서로 구분할 수 있다. 비접촉식은 접촉식으로 사용할 수 없는 곳에 사용되며, 아주 멀리 떨어진 온도 측정도 가능하지만 방사 에너지 등을 모으는 각종 광학장치와 보조 재료가 필요하기 때문에 일반적으로 가격이 비싸지게 된다.
(2) 자이로 센서 각운동량 보존법칙에 근거하여 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘으로 자이로스코프가 내재되어 회전운동시 발생하는 회전 반발력을 측정하여 전기신호로 바꾸는 장치로 3차원 공간에서 가속도센서와 함께 동작인식을 위한 핵심적인 역할을 담당한다. 그 종류로는 광학식 자이로 센서, MEMS 자이로 센서가 있다.
(3) 가속도 센서 가속도 센서는 움직임(가속, 진동, 충격, 기울임, 회전)이 있을 때, 압전소자 혹은 커패시터등의 원리를 통해 전기적 출력을 발생시키는 센서로 검출된 가속도는 그 크기(힘)에 비례하는 전기적 신호로 변환된다. 가속도 센서중 스트레인 게이지식, 압전식이 많이 사용된다.
(4) 거리 측정 센서 빛이나, 소리, 전파등을 발사해 물체로부터 반사되어 돌아오는 시간에 속도를 곱해 2를 나눠주는 방식(Time of Arrival)을 이용해 거리를 측정한다. 이와 같은 방식으로 측정하는 센서를 Active Sensor라고 하며 어떤 에너지를 사용하는가에 따라 초음파센서, 적외선센서, 라이다센서, 레이더센서, 카메라 센서등이 있다.
기술 로드맵
◇ 위에서 살펴본 바와같이 본프로젝트를 구현하기 위해 필요한 기술들의 현황에 대해 알아 보았다. 기술로드맵에서는 본 프로젝트를 구성하는 자이로 부문, 온도 부문으로 나눠 2022년까지의 로드맵 형식아래와 같이 정리하겠다.
본 프로젝트는 기존의 배달통에 소재 개선으로 단열 성능 보완 및 온도 모니터닝 기능 구현 배달통내 물체의 움직임에 따른 자이로 모듈 구현으로 2가지 부문으로 이루어져 있다. 온도부문에선 유기성 소재기술을 고려해여 설계하며, 배달통 내부 온도를 쉽게 볼 수 있도록 온도센서를 사용한다. 둘째로 자이로 부문에선 거리센서를 통해 물체의 위치파악, 가속도 자이로 센서로 운동상태를 파악하여 물체가 움직일 때 넘어지지 않도록 평형을 하도록 한다.
특허조사
특허전략
◇ 기존에 없는 자이로 성능 구현으로 안정성 확보 - mpu 6050 가속도 자이로 센서 사용
◇ 배달통에 온도센서를 설치를 통해 기존제품과 차별화 - 보온 성능 검증 및 즉각적인 대처(핫팩, 아이스팩)가 가능하다.
◇ 보온 보냉 성능을 위해, 배달통 외부 소재 변경 - EPP에서 비드법 네오폴 2종으로 소재 변경
◇ 보온 보냉 성능을 위해, 배달통 상단부 핫팩 및 아이스팩 탑재 가능
기존의 특허중 별도의 온도유지 장치를 사용한 배달통은 존재하나 평형유지 모듈과 배달통이 결합되여 등록된 특허는 조사된 바 없으며, 이점이 기존의 특허와의 차별점이 될 것이다. 또한 온도 센서를 사용해 모니터링을 좀 더 정교하게 할 수 있게 하는 특이점을 추가하여 전략으로 특허 취득을 목표로 한다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
마케팅 전략
사모펀드(PEF) 같은 재무적 투자자(FI)나 대기업들도 배달대행업체 시장에 주목하고 있다. '배달의 민족' 같은 배달앱 업체들은 이미 너무 커버렸지만, 배달대행 시장은 아직 투자할만한 규모이기 때문이다. 배달대행서비스 '생각대로'를 운영하는 인성데이타나 '부릉'의 메쉬코리아 등의 업체들이 현재 투자유치 작업을 진행하고 있다. (조선경제)
배달대행업체들의 수익모델은 생각보다 빈약하다. 배달대행 요금은 대부분 배달원이 가져가고, 나머지 수수료 중 대부분은 현장에서 배달원들을 모집·관리하는 대리점들이 가져간다. 본사에서 가져가는 수수료는 배달 한 건당 50~100원 수준에 불과하다. 서비스 운영에 들어가는 비용을 고려하면, 주문건수가 아무리 많아져도 수익 규모는 그리 크진 않다. 돌이켜보면 크게 성장하는 산업의 메인 플레이어는 항상 승자가 됐다. 수익모델은 개선하거나 변화할 수 있다.
중요한 점은 소비자들은 한번 습관을 갖게 되면 쉽게 이동하지 않는다는 점이다. 이런 충성도 높은 소비자들은 플랫폼 입장에서는 가장 강력한 무기다. 배달대행 업체들이 아직 큰 수익을 내지 못하는 것은, 당장의 수익보다는 시장 선점이 더 우선이라는 판단 탓이 크다. 이들의 치열한 경쟁이 어느정도 정리되면, 살아남은 업체에 대한 시장의 재평가는 지금과 다를 것으로 기대해본다. 따라서 새로운 시장 선점이 곧 투자의 이유가 되고, 새로운 시장을 선점하기 위해서는 현재 배달을 하지 않고 있는 메뉴, 매장에 집중해야하며, 그에 맞는 배달 서비스를 제공하기 위해 도움을 줄 수 있는 배달통은 필수적이다.
한국의 많은 호텔과 고급 레스토랑들은 테이크아웃 혹은 배달이 가능한 여러 메뉴와 프로모션을 출시하고 있지만 그 결과가 밝지만은 않다. 최근 회, 해물찜 등 비교적 고가 메뉴까지도 범위가 확대되기는 했으나, 흔히 사람들의 인식 속의 ‘배달음식’은 치킨, 피자, 자장면, 족발 등으로 시야가 한정되어있기 때문에 파스타나 스테이크를 배달해먹는다는 생각을 쉽게 하지 못하기 때문이다. 최근 몇 년간 미국에서는 뉴욕, 샌프란시스코 등의 대 도시를 중심으로 배달대행 사이트 및 어플이 발달하고 있었고, 젊은 층을 중심으로 배달이 새로운 외식문화로 자리 잡고 있었다. 그러한 배달대행 사이트들은 다양한 인수, 합병 등을 통해 사업이 다각화 되던 중, 올해 코로나 사태로 인해 새로운 국면을 맞이했다. 대부분의 사무직 근로자들은 여전히 재택근무를 하고, 좀처럼 잦아들지 않는 코로나 사태와 레스토랑을 향한 정부의 각종 규제로, 사람들이 집에서 식사하는 빈도가 늘어나면서 자연스럽게 젊은 층으로만 국한됐던 배달문화가 중장년층으로까지도 넓혀지고, 도시 혹은 레스토랑 근처에만 집중됐던 배달가능지역도 더 넓은 범위 그리고 근교까지도 확장됐다. 사실 문화적으로 이미 테이크아웃에 익숙해져있던 고객들의 고급음식 배달에 대한 진입장벽도 낮은 편이었지만 레스토랑의 입장에서도 포장 용기, 포장 프로세스 등이 이미 구축돼 있었기 때문에 비교적 쉽게 뛰어들 수 있었다.
주목할 점은 호텔이나 고급 레스토랑에서 비싼 금액을 지불하고 배달이나 테이크아웃을 하는 경우가 많지 않은 한국과는 다르게 미국은 고급 호텔 레스토랑이나 미쉐린 레스토랑에서의 배달이 눈에 띄게 급증했다. 또한, 평소에 몇 달 전에 예약을 미리 해야만 맛 볼 수 있는 맛집들도 정부규제로 몇 달간 실내에서의 식사가 금지됐을 때, 배달과 테이크아웃을 시작해 큰 인기를 얻었다. 대표적인 사례는 시카고에 위치한 미쉐린 3성 레스토랑인 알리니아(Alinea)다. 평소 예약이 어렵거니와 일인당 200달러부터 300달러(주류, 세금, 팁 제외)의 코스 메뉴만을 판매하기로 유명한 이 최고급 레스토랑은 인기있는 메뉴 몇 종류를 조금 더 저렴한 가격의 패키지로 만들어 포장 판매하며 큰 인기를 얻고 있다. 또한 Park Hyatt Washington D.C.의 Blue Duck Tavern 레스토랑도 최근 온라인으로 들어오는 테이크아웃 및 배달 매출이 전체 매출의 20% 이상을 차지할 만큼 배달과 테이크아웃은 새로운 중요한 수입원으로 자리 잡고 있다.
현금과 카드 중에서 카드로 계산되는 비중은 81%에 해당되고, 그 중 법인카드와 개인카드로 분류하였을 때, 전년도 대비 법인카드의 결제 횟수는 5.4%가 늘었으며, 소비하는 금액은 항상 개인카드보다 금액이 컸다. 새로운 시장이 개척되고, 법인카드 특성상 결제 장소가 중요한 경우도 많기 때문에, 이를 이용할 경우 매우 큰 이익을 챙길 수 있다. (통계청 한국표준산업분류 기준)
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 기존의 배달통은 배달 중 발생할 수 있는 흔들림에 대처하기 위해 포장 용기를 견고화하는 방법에만 의존해왔다. 하지만 포장 용기의 견고화로 피자, 스시 등 포장 용기 안에서 뒤섞일 수 있는 음식의 배달사고 방지는 불가능하다. 개발과제는 자이로 센서, 가속도 센서 등 수동적이 아닌 능동적인 방식으로 배달통의 기울어짐은 약 30도까지 대응가능하고 급가속, 급제동으로 인한 힘에도 반대 방향의 마찰력을 제공하여 음식의 원형 유지에 근본적인 해결책을 제공한다.
◇ 개발과제에서는 배달통의 보온성을 개선한다. 기존의 배달통 중에는 특별한 보온재 없이 음식을 판매하는 식당의 냉온장 솔루션에만 의존하는 경우도 있다. 새로운 배달통은 보온성이 좋고 가볍고 제작 비용이 적게 드는 새로운 소재를 사용하여 기존 배달통들의 단점을 해결한다. 또한 배달통 안의 온도를 파악하는 방법을 제공하여 온도의 변화에 능동적으로 대처할 수 있다.
경제적 및 사회적 파급효과
◇ 최근 배달의 증가에 따라 관련 쓰레기가 급증하고 있다. 배달 음식을 제공하는 업체에서는 배달 도중 발생하는 음식 손상 사고를 방지하기 위해 더 많은 포장용기와 재활용이 불가능한 테이프 등을 사용하고 있다. 또한 음식의 온도 유지를 위해 드라이 아이스, 아이스팩, 단열재가 적용된 포장용기 등을 많이 사용하고 있다. 이러한 용기들은 한 번의 배달 후 버려지게 된다. 개발과제는 문제를 근본적으로 해결하므로 포장재를 줄일 수 있다.
◇ 기존의 배달 시장은 배달에 적합하다고 생각되는 음식들은 배달을 하고 일정 수준 이상의 고급 식당이나 호텔 부속 레스토랑 등에서는 소비자 경험의 저하를 우려해 배달을 진행하지 않았다. 그러나 배달 시장이 점점 확대되는 것을 보며 배달 시장 진입을 고민하던 중 코로나19가 발생하여 식당 방문이 불가능하거나 방문을 꺼리는 상황이 증가했다. 이에 따라 매장 내 식사만 제공하던 호텔 레스토랑이 포장 음식을 판매하기 시작하고, 포장만 가능하던 레스토랑이 배달까지 시행하는 경우가 늘고 있다. 하지만 아직까지도 주로 도시락 형태의 음식에만 한정되어 있고 요리의 경우 매장 내 식사만 가능한 경우가 대다수이다. 이는 아직 배달 과정에서 발생할 수 있는 음식의 질 저하를 우려해서다. 개발과제는 배달 과정에서 발생할 수 있는 요리의 질 저하를 막아 기존에 배달을 진행하지 않던 업체의 배달을 담당하여 새로운 시장을 열 것이고 나아가 새로운 배달통의 원가가 하락한다면 일반 배달시장에도 진출하여 소비자들에게 편익을 가져올 수 있다.
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
- 요구사항 목록
- 목적 계통도
- 안전성
제품에는 고전류는 아니나 전기가 흐르는 모터 등이 있고, 전자 장비가 사용되므로 사용자의 감전을 방지할 필요가 있다.
- 기능 성능
제품의 크기는 기존 배달통과 유사하여야 오토바이에 장착이 용이하고 내부의 크기가 음식물을 적재할 수 있을만큼 충분해야 한다. 제품의 외관은 우천시 등의 야외 환경에서도 내구성을 유지할 수 있어야 하고 기존 제품 수준의 심미성을 달성해야 한다. 제품은 가장 중요한 성능으로 내용물의 수평과 온도를 유지할 수 있어야 한다.
- 경제성
제품은 가격 경쟁력이 확보되어야 하고 무게가 가볍고 작동 시 에너지 소모가 적어 오토바이의 연료 소모를 최소화하여야 한다.
- 편의성
제품은 사용이 편리하여 운전자가 쉽게 현재 상태를 파악하고 조작할 수 있어야 한다.
- 설계변수
- 설계변수의 중요도 계수
개념설계안
◇수평 유지 장치 – 서보 모터
배달통의 수평 유지를 위해 센서와 모터를 이용한 수평 유지 장치를 설계하였다. 빨간색 평판 위에 음식물이 올라가게 되고 평판의 아래에는 자이로스코프, 가속도 센서가 통합된 MPU-6050 센서 보드를 부착하여 평판의 자세를 지속적으로 모니터링한다. 센서에서 측정한 값을 바탕으로 평판의 x와 y중심축에 장착된 모터가 움직임을 보상하는 방향으로 작동하여 빨간색 평판이 수평을 유지하게 한다. 모터로는 정밀한 제어에 용이한 서보 모터를 사용할 것이고 토크와 반응 속도를 확보하기 위해 각 축에 2개씩 장착한다. 검정색 외부 프레임은 배달통에 부착되는 부분이다. 이러한 구조를 통해 수평 유지 장치가 배달통 내에서 차지하는 부피를 줄일 수 있어 내부 적재 공간을 확보하는 데에 유리하다.
◇수평 유지 장치 – 리니어 액추에이터
배달통의 수평 유지를 위해 MPU-6050 센서 보드와 리니어 액추에이터를 이용한 수평 유지 장치를 설계하였다. 평판 위에 음식물이 올라가게 되고 평판의 아래에는 자이로스코프, 가속도 센서가 통합된 MPU-6050 센서 보드를 부착하여 평판의 자세를 지속적으로 모니터링하고 x와 y중심축에 부착된 리니어 액추에이터가 움직임을 보상하는 방향으로 작동하여 평판이 수평을 유지하게 한다. 리니어 액추에이터는 같은 파워 입력에서 토크와 작동 속도가 반비례 관계에 있다는 특성이 있다.
◇전자 제어 회로
배달통에 장착된 센서들로부터 입력을 받아 모터를 제어하고 현재 온도를 출력하는 회로를 우선 설계 소프트웨어를 통해 구성해보았다. 우선 좌측에서 배터리를 통해 전원을 입력받게 되고 두 개의 브레드보드를 이용해 회로를 구성한다. 첫 번째 회로에는 자이로스코프가 장착되어 있고 이 센서와 4개의 서보 모터가 아두이노에 연결되어 있어 센서의 출력을 아두이노에서 처리하여 이에 맞춰 모터를 구동한다. 두 번째 회로에는 온도 센서와 LCD가 아두이노에 연결되어 있어 센서의 신호를 입력받아 현재의 온도를 LCD에 출력한다.
이전 개념설계안 검토를 통해, 서보모터와 비드법 네오폴 2종으로 선택했다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 이론적 계산 및 시뮬레이션의 목적 -이론적 계산을 통해 선정한 치수의 타당성과 안전계수를 검사한다. -선정된 모터 스펙을 통해, 무게별 평형유지가 가능한지 검사한다. -선정된 배터리 용량을 통해 이론적 사용횟수와 경제성을 검토한다.
나. 초기 설정 모델 -판의 크기는 285x285x25(mm) 사이즈의 크기로 제작한다. -판의 재료는 아크릴로 제작한다. -자이로 평형은 45°까지 극복을 목표로 한다.(과속방지턱 기준) -1회 사용시 시간은 15분으로 고정시킨다.
다. 이론적 계산과 시뮬레이션
(1) 판을 보로 단순화하여 25x25(mm) 크기로 보고, 최대응력과 안전계수를 검사한다. 실제론 아래의 판에서 힘을 받는 상황이지만, 이론적계산을 위해 판의 중앙에 5kgf의 집중하중으로 치환하여 계산하되 이 때의 보는 단순지지보로 가정하여 계산한다. 이때 지지부에서는 충분한 지지반력을 제공하고, 전단력에 의한 효과는 작다고 가정하여 무시하여 계산한다.(중력가속도는 10라 가정)
따라서 최대응력은 1.36Mpa이고,
로, static load로 가정했을 경우 과도할 정도로 안전하다고 할 수 있다. 추가적으로 판의 안정성의 추가적으로 검토했을 때 F.S=4일 때 16kg의 버틸 수 있다는 이론적 결론이 나온다.
(2) 선정된 모터 스펙을 통해, 무게별 평형유지가 가능한지 검사한다. DC 7V을 공급 하는 것을 고려하여, 선택가능한 모터을 나열해 보면 아래와 같다.
반응속도가 너무 빠를 경우, 내용물이 평형을 유지하는 것이 아니라 오히려 흔들릴 가능성이 있으므로 0.12sec/60degree이고, 토크출력은 가장 높은 25N*m로 선택하여 이론적 계산을 진행하겠다. 한판의 경우 모터를 2개 사용할 것을 고려하여 모터 선정 타당성 검토를 하면 아래와 같다.
1) 구동기구 결정 : 단순한 회전체부터, 볼 스크류, 벨트풀리, 랙피니언등이 선택될 수 있다. 부하계산에 필요한 치수, 질량이나 계수 등을 결정한다.
2) 요구 사양의 확인 : 요구사양으로 운전속도, 운전시간, 분해능, 정지정도, 전원전압, 주파수, 사용환경, 출력토크, 반응속도가 있지만, 이론적 계산을 단순히 하기 위해 토크와 반응속도만을 고려하겠다.
3) 부하토크 계산
(3) 선정된 배터리 용량을 통해 이론적 사용횟수와 경제성을 검토한다.
- DC 모터의 경우, 통상 2~3A를 소비한다고 가정하고, DC 6~7.4V를 공급한다.
- 아두이노의 경우, 최대 20mA를 소모하고, DC 6~7.4V를 공급한다.
- 1회 사용당 15분 사용한다고 가정하겠다.
위의 선택지중 많은 배터리용량이 필요하고, 출력전압은 6~7.4V 가 가능한 1번 선택지로 선정하여 이론적 계산을 진행하겠다. 회로도상에서 아두이노, DC모터 4개로 각각 전압과 전류를 보내기 때문에 모두 고려하여야 하지만, DC 서보 모터 4개에 비하여, 아두이노 전력소모 영향을 작아 무시하여 진행하겠다.
1) 기구부 전력 사용량 이론적 계산을 위해, 서보모터만이 전력을 소모하며 총 서보 모터 4개의 1회당 사용전력량을 구한다. 서보 모터 디지털 서보모터 1개당 전력: min=6V*2A=12W, max=7.4*3A=22.2W 디지털 서보모터 4개 전력: min=48W, max=88.8W 1회(15분)당 기구부 사용 전력: min=12Wh, max=22.2Wh
2) 신호부 전력 사용량 사용 횟수 검토에서 아두이노 전력 사용량을 무시 하였지만, 검증을 위해 계산해 보겠다. 아두이노 사용 전력 : min=6V*20mA=0.12W, max=7.4*20mA=0.148W 1회(15분)당 신호부 사용 전력 : min=0.3Wh, max=0.037Wh
3) 전력사용비=신호부 전력 사용량/총 전력 사용량 ×100=0.16%로 그 영향이 작아 무시하겠다.
조립도
조립도
◇ 전체 조립도
◇ 전개도 (제어부 조립도는 따로 설명)
◇ 전체 조립도 – 케이스
◇ 전체 조립도 – 케이스 측면
조립순서
구동부
◇ 서보모터 두 개는 기둥, 다른 서보모터 두 개는 외부 고리에 장착하여 각각의 축을 돌려준다.
아래는 각각 전원부와 회로부를 설치하고, 구성은 다음 장에 설명하겠다.
전원부
◇ 전원공급은 파워뱅크를 통해 공급한다. 실제 제작할 때는 오토바이 배터리와 직결하여 사용한다면, 훨씬 사용이 간편하다.
◇ 위에서 계산한 스펙과 규격이 맞는 SMPS(Switch Mode Power Supply)를 18AWG선으로 연결한다.
◇ SMPS를 아래의 DC-DC 스텝다운 모듈과 연결한 후, 아래 표시된 부분을 돌려, 적정 전압을 맞춰준 후, 서보모터와 아두이노에 전원을 공급해준다.
회로부
◇ 앞서 구상한 회로도를 토대로 회로부에 설치한 후, 아래에 표시되어 있는, 압력센서, 온도센서, LCD는 구동부에 부착해준다.
부품도
◇ 서보모터 4개 부품도
◇ 기둥 부품도
◇ 작은 고리 부품도
◇ 큰 고리 부품도
◇ 케이스
제어부 및 회로설계
◇ 제어부는 크게 전원부, 구동부, 출력부로 구성된다. 전원부는 제어부에 전원을 공급하는 역할을 하고 구동부는 센서를 이용하여 서보 모터를 제어한다. 출력부는 센서에서 필요한 정보를 받아 사용자에게 출력한다.
◇ 구동부에는 1개의 아두이노 나노, 1개의 자이로 센서(GY-521), 4개의 디지털 서보 모터(DM-CLS250TD)가 연결되어 있다. 아두이노 나노 보드는 ATmega328P 프로세서를 기반으로 아날로그, 디지털 출력을 지원한다. 가속도 센서 GY-521은 MPU-6050 자이로 센서가 장착되어 3+3축의 움직임 데이터를 제공한다. 디지털 서보 모터 DM-CLS250TD는 6~7.4V 범위의 전압으로 구동되고 180도 범위에서 움직인다. 구동부는 먼저 자이로 센서에서 얻은 X, Y축의 회전 각 정보를 아두이노 나노의 아날로그 핀을 통해 I2C 방식의 통신으로 전달받는다. 아두이노 나노는 입력받은 현재 통의 각도 정보를 이용하여 같은 각도이지만 반대 방향으로 서보 모터가 회전하게 하여 수평을 유지한다. 이 때 서보 모터 4개의 펄스 입력 단자를 각각 아두이노 나노의 디지털 I/O핀과 연결하여 PWM 방식으로 제어한다. 서보 모터는 2개가 한 쌍을 이뤄 한 축씩 담당하게 되고 서로 마주보고 있으므로 한 쌍의 모터 두 개는 각각 반대 방향으로 움직인다. 아두이노 나노는 USB 포트를 통해 5V 전원을 공급받고 장착된 5V 핀을 통해 자이로 센서에 전력을 공급한다. 서보 모터는 따로 7V 전원을 공급받는다.
◇ 출력부는 1개의 아두이노 나노 보드, 1개의 LCD 구동 보드(LCM1602), 1개의 LCD 스크린(2004A), 1개의 온습도 센서 모듈(KY-015), 1개의 압력 센서(FSR 402), 1개의 10 킬로옴 저항으로 구성된다. LCD 구동 보드와 LCD 스크린은 핀 번호 순서대로 서로 연결된다. LCD 구동 보드에서 4개의 핀은 아두이노 보드와 연결되는데 두 개의 핀은 전원 공급에 이용되고 두 개의 핀은 아두이노 보드의 아날로그 핀에 연결되어 I2C 방식으로 통신한다. 온습도 센서 모듈 KY-015에는 온습도 센서 DHT11과 저항이 장착되어 0~50도 범위의 온도와 20~90% 범위의 습도를 측정한다. 온습도 센서 모듈의 세 개의 핀 중 두 개는 전원 공급에 이용되고 나머지 한 개의 핀은 아두이노 보드의 디지털 핀에 연결되어 측정된 값을 전달한다. 압력 센서 FSR 402는 0.1~100N 범위의 힘을 측정할 수 있다. 센서의 핀은 전원부에 연결되는데 이 중 GND 핀을 아두이노 보드의 아날로그 핀에도 연결하여 측정값을 전달한다. 압력 센서는 누르는 힘에 따라 저항이 변하는 일종의 가변 저항인데 제조사(Interlink Electronics, Inc.)에서 제공하는 데이터시트를 확인해보면 각각 3k, 10k, 30k, 47k, 100k 저항과 조합하여 사용하였을 때 무게에 따른 전압값의 변화가 표로 제시되어 있다. 회로에서는 그 중 무게에 따른 전압 변화를 가장 확인하기 쉬운 10 킬로옴 저항과 조합해서 사용했다. 아두이노 나노 보드는 센서들에서 배달통 내부 온도와 음식물 적재 여부를 확인하여 이를 LCD에 출력한다. 구동에 필요한 모든 전원은 아두이노 보드의 5V 전원 출력 핀을 이용했다.
◇ 위의 두 제어부를 구동하는 데에는 직류 5V와 7V 전원을 공급하는 전원부가 필요하다. 5V 전원은 아두이노 나노를 USB 포트를 통해 공급하면 얻을 수 있다. 7V 전원은 서보 모터 구동을 위해 필요하다. 1.2V 니켈 배터리 6개를 직렬로 연결하거나 3.7V 리튬 배터리 2개를 직렬로 연결하면 서보 모터의 구동에 필요한 전압을 얻을 수 있지만 배터리는 충전량에 따라 최대 전압이 변하므로 서보 모터의 허용 전압을 넘을 수 있다. 그리고 서보 모터는 한 개당 순간 최대 전류가 2A정도 이므로 순간 최대 60W까지의 출력이 필요하다. 전원을 하나의 배터리 팩만으로 공급하고 전압을 안정적으로 공급하기 위해 인버터가 장착되어 AC 220V 출력과 DC 5V 출력 2포트가 동시에 가능한 배터리 팩을 사용하였다. AC 220V 출력은 SMPS 어댑터를 통해 DC 12V 출력으로 변환하고 이를 다시 DC 1V~8V로 변환이 가능한 레귤레이터를 이용하여 DC 7V의 출력을 얻어 서보 모터에 공급했다.
소프트웨어 설계
◇ 아두이노의 코드는 void setup()과 void loop() 함수로 구성된다. 아두이노를 구동하면 setup() 함수가 프로그램을 구동하기 전 I/O핀 등을 설정하고 loop() 함수를 반복하여 실행한다.
◇ 제작 단계에서 자이로 센서는 센서마다의 오차를 보정하기 위한 코드를 실행하여 그 센서 고유의 보정값을 파악해야 한다. MPU-6050의 보정을 진행하는 코드는 MIT 라이센스로 공개된 코드를 사용하여 3개 축의 가속도 센서 보정값과 3개 축의 자이로 센서 보정값을 얻을 수 있었다.
◇ 구동부의 아두이노 코드는 서보 모터, I2C 통신, MPU-6050 센서, 핀 설정 라이브러리를 포함한다. setup() 함수에 앞서 실행한 센서의 보정값을 입력하고 사용하는 각 핀의 입출력 모드를 설정한다. loop() 함수는 먼저 자이로 센서에서 현재의 yaw, pitch, roll값을 받아온다. 이 중 우리는 yaw, pitch 방향의 움직임만 보정하는 것이 목적이므로 이 두 값을 각 축에 대한 각도값으로 변환한다. 변환된 각도 값을 각 축에 해당하는 서보 모터에 전송한다. 이 때 한 축을 담당하는 두 서보 모터 중 하나의 서보 모터에는 해당하는 각을 전달하고 나머지 하나에는 반대 방향의 각을 전달하여 모터가 서로 마주보았을 때 같은 방향으로 회전하도록 한다. loop() 함수는 이 과정을 반복한다.
◇ 출력부의 아두이노 코드는 온도 센서, I2C LCD, 핀 설정 라이브러리를 포함한다. 먼저 setup() 함수에서는 온도 센서와 LCD를 초기화한다. 이어서 loop() 함수에서는 온습도 센서에서 온도 값을 읽어와 LCD의 첫 줄에 출력한다. 이어서 압력 센서에서 검출된 압력값을 읽어와 약 50g 이상의 압력이 검출되었을 때에는 LCD에 적재물이 있다고 출력하고 아닌 경우에는 적재물이 없다는 정보를 출력한다. 이 과정을 loop() 함수가 반복한다.
자재소요서
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
◇ 프로토타입 1
◇ 프로토타입 2
포스터
특허출원번호 통지서
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
향후평가
평가 결과 모든 항목에서 중상 이상의 평가를 받아 성공적인 프로젝트라고 할 수 있다. 하지만 가장 중요한 부분인 오토바이에 탑재하는 부분은 비교적 미흡한 점이 있었다. 하지만 이 부분은 재료를 사서 손수 제작하는 부분으로 인해 시스템 적인 문제가 아닌 하드웨어적인 문제이기 때문에, 물성을 정해서 설계한 부품도 대로 주문제작한다면, 충분히 목표를 달성할 수 있을 것으로 보인다.
부록
참고문헌 및 참고사이트
A Study on Flight Stabilization of Drones by Gyro Sensor and PID Control
Automatic Brake System For Stroller Using Gyro Sensor
A Study on the Number of Domestic Food Delivery Services
관련특허
1. 배달용 오토바이의 배달통 진동 감쇠 시스템 - 2002530070000
2. 흔들림 없는 배달장치 - 1020140158427
