6조 - 5조와 7조 사이

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어

영문 : Manual attendant-propelled wheelchair with vehicle ride assistance function

과제 팀명

5조와 7조 사이

지도교수

이세정 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 장*언(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 금*일

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김*회

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 박*민

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 서*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

제안하는 제품은 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어이다.

개발 과제의 배경 및 효과

신체가 불편한 휠체어 사용자가 차량과 휠체어 사이를 환승할 때 다수의 인원이 동원되며, 인력 환승으로 인하여 환승시의 낙상 사고의 우려가 있다. 이를 위해서 환승 보조 기능을 갖춘 제품들이 존재하지만, 차량이나 침대 전용으로 사용 범위가 한정적이다. 따라서 휠체어를 이용함에 있어서 적용 범위에 구애받지 않고 사용자와 보조자 모두 적은 힘으로 편리하고 안전하게 환승할 수 있는 보조 기능 개발을 주요 과제로 한다.

개발 과제의 목표와 내용

환승 기능을 위해서 등받이 각도 조절 기술을 통해 휠체어의 등받이를 뒤로 90° 젖힐 수 있도록 하고 시트 프레임과 등받이 프레임을 레일 형태로 만들어 휠체어 시트가 레일을 따라 이동 가능 하게 한다. 또한, 적용 범위를 넓히기 위해서 높이 조절 기술을 통해 차량이나 침대 등 적용대상에 맞게 시트의 높이 조절을 할 수 있도록 한다. 이를 통해서 휠체어 이용자가 적용 범위에 구애받지 않고, 적은 힘으로도 안전하게 환승 할 수 있도록 한다. 따라서 휠체어 이용자의 환승에 많은 인력이 필요하지 않고, 차량이나 침대 등 대상에 구애받지 않아 휠체어 이용자의 이동성을 확보할 수 있다. 또한, 당 개발 제품을 통해 휠체어 이용자의 일반 차량 이용이 증가하여 휠체어 이용자를 위한 인프라 문제를 해소할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 레일식 구조와 높낮이 조절부 – 보조자의 편리성 증대

  - 보조자가 적은 힘으로도 환자를 원하는 공간으로 옮길 수 있다.
  - 중증환자 1명을 차량 혹은 침대로 옮길시 3~4명의 보조자가 필요했는데, 위의 기능을 통해 환자를       옮기는데 1명의 보조자만 있으면 충분해진다.
  - 페달을 발로 밟아서 의자의 높이를 조절하는 방식을 사용해 보조자의 편리성이 증가한다.

◇ 레일식 구조와 높낮이 조절부 – 안정성 강화

  - 기존의 보조자들이 부주의나 미숙함으로 인해 발생할 수 있는 낙상사고의 위험이 현저히 줄어든다.
    (레일이 침대 혹은 자동차 시트까지 걸쳐지면서, 환자가 레일을 타고 이동하기 때문) 
  - 높이조절부에 기술 특성상 진동이 적은 유압 펌프를 사용하여, 환자의 심리적인 안정감을 높여줄        수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

1. 경제적 효과

◇ 유사 기능 제품에 비하여 저렴함

    - 유사한 기능을 제공하는 다른 제품(자가운전 휠체어 복지차량, 침대 휠체어 콤보)에 비하여 값이         월등히 저렴하다.

◇ 값 비싼 간병 비 감소 전망

    - 기존의 휠체어 사용 시(중증환자 기준) 3~4명의 보조자가 필요했었는데, 개선된 휠체어를 사용하         면 보조자가 한명이면 충분하므로 간병 비 및 보조자에 사용되는 비용이 절감될 것이다.

2. 사회적 효과

◇ 휠체어 사용자와 보조자의 삶의 질 증대

    - 밖에 잘 못 나가거나 차량 탑승이 힘들었던 장애인들은 더 많은 사회생활이 가능할 것이다.
    - 병원 재원기간 환자의 낙상사고 비율을 줄여(3~20%) 환자의 안전을 도모한다.
    - 개선된 휠체어를 통해 기존 보조자들이 휠체어 사용자를 이동시킬 때 불편하고 힘들었던 점을          개선하였다.

◇ 사회적 비용 감소

    - 제안하는 휠체어를 사용하면 장애인의 활동성을 증가 시킨다. 이는 장애인의 활발한 사회적 참여         로 이루어 질 수 있으므로 사회적비용을 감소시킨다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

1) 레일을 통해 원하는 위치로 이동이 가능한가?

위 필요사항은 시트이동 기술에 관련한 사항이다. 이는 시트 프레임과 좌석의 형태를 레일과 레일바퀴로 설계하여 작은 힘으로도 탑승자가 타고 있는 좌석이 레일을 따라 이동이 가능하도록 설계한다. 이때 레일과 레일바퀴의 규격은 안정적인 이동을 위해서 탑승자의 체중과 그 외의 추가적인 하중을 버틸 수 있도록 안전계수를 따라 설정한다. 또한 레일은 좌석부분과 등받이부분이 각도 조절을 위해 두 파트로  설계되고 동시에 최소한의 이격을 두고 연결이 가능하도록 형태를 결정한다. 실직적인 시트의 이동과 각도조절에 관련된 사항이기 때문에 중요도는 ‘상’으로 선정하였다. 그러나 두 파트로 나뉘어져 있는 레일이 목표범위 내의 이격으로 연결되도록 정밀한 설계와 제작이 필요하기 때문에 구현가능성은 ‘중’으로 선정하였다.

2) 다른 장소로 환승을 위한 높이 조절(최대 60cm)이 가능한가?

위 사항은 이동 목표대상이 되는 장소로 이동을 위한 높이 조절 기능에 관한 사항이다. 높이 조절을 구현하기 위해서는 미용실 의자에 사용되는 유압펌프를 사용하여 구현한다. 탑승자의 목표 최대 하중인 200kg을 안정적으로 버틸 수 있는 사양의 유압펌프를 사용하도록 한다. 이때 시트의 높이를 안정적으로 조절하기 위해 유압펌프에 집중되는 하중을 분산시켜줄 수 있는 구조적 설계를 필요로 한다. 이 사항 또한 제품의 목표에 대한 성능의 필요사항이기 때문에 중요도는 ‘상’으로 선정하였고 필요 사양의 유압펌프를 이용한 구현이기 때문에 구현가능성 또한 ‘상’으로 선정하였다.

3) 등받이의 각도조절이 가능하며 안정적으로 고정되는가?

등받이의 각도조절 기능을 위해서는 각도조절 기어를 사용하여 구현한다. 각도는 탑승자의 편의를 위해 90~180°까지 6단으로 조절이 가능하도록 한다. 레일을 통한 좌석 이동시 등받이는 기어에 의해 180°가 되고 하중이동에도 좌석의 안정적 이동을 위해 힌지로 좌석과 등받이가 수평을 유지되도록 고정할 수 있는 구조를 설계한다. 이는 탑승자가 기능을 사용함에 있어 안전에 관한 사항이니 만큼 중요도를 ‘상’으로 선정하였고 구조를 고정하기 위한 힌지를 창의적으로 설계해야하기 때문에 실현가능성은 ‘중’으로 선정하였다.

4) 최대 2000N 하중(200kg 성인기준)에서도 기능을 수행할 수 있는가?

탑승자의 목표 최대 하중 200kg에도 앞에서 말한 제안하는 제품의 4가지 기술을 사용할 수 있도록 설정한 안전계수에 따른 구조적 설계를 하고 제작한다. 이를 위해 프레임의 각 요소에 대해 하중분석 및 해석을 기반으로 최대 2000N 하중을 버틸 수 있는 설계한다. 이는 제안 제품의 사용자의 안전에 관한 사항으로 중요도는 ‘상’, 구조적 설계를 통한 구현으로 실현가능성은 ‘상’으로 선정하였다.

5) 제품 예상수명이 5년 이상인가?

위 사항은 사용자가 휠체어를 사용할 때 오랜 시간에 걸쳐 수없이 많은 반복사용에도 제안하는 기능이 정상적으로 작동할 수 있는지에 대한 필요사항이다. 각 프레임과 기어, 레일의 피로해석에 따라 최적의 수치와 규격을 선정하도록 한다. 제품 내구성은 실제 제품을 사용함에 있어서 중요한 요소이기 때문에 중요도를 ‘상’으로 선정하였고 내구성 테스트를 직접 해볼 수 없기 때문에 기간이 아닌 횟수로 변경하여야 한다. 따라서 제품수명에 대한 실현 가능성을 ‘중’으로 주게 되었다.

나. 요구 사항의 수학적 모델링

 1. 설계 문제 정리 및 단순화

본 프로젝트는 전체적인 휠체어 형상에서부터 여러 가지 기능구현을 위한 세부 설계문제가 혼합된 과제이다. 기능성 휠체어를 한번에 설계하는 것은 상당히 복잡한 일이므로 설계문제를 여러 수준의 세부 설계문제로 구분짓고 단계별로 진행함으로써 설계문제를 단순화하고자 한다. 효율적으로 설계를 진행하기 위해 전체 설계문제를 진행순서 따라 순서를 정하고 각 설계문제에 해당하는 설계변수를 정리한다. 이후 각 설계문제에 대한 목적을 기반으로 설계변수의 중요도를 결정함으로써 설계문제에 대한 모델링을 한다.

2.1 설계 변수

1) 의자 가로 폭 2) 의자 깊이 3) 의자 등받이 높이 4) 기둥 단면 모양 5) 기둥 두께 6) 레일 형식 7) 레일 간격 8) 높낮이 조절 방식 9) 각도 조절 방식

2.2 제약 조건

1) 의자 등받이 높이 ≥ 45cm - 유아용의자 등받이 길이보다 높아야 된다.

2) 의자 깊이 ≥ 45cm - 편안한 착용감

3) 의자 가로 폭 ≥ 40cm - 일반인의 골반 넓이보다 넓어야 한다.

4) 기둥 두께 ≥ 1mm - 시중에 파는 두께가 1t 단위로 생산된다.

5) 레일 간격 ≤ 34mm - 시트 아래에 설치가능 해야 한다.

2.3 설계 문제별 설계 변수 선정

설계 단계별 변수 분류

2.4 목적

  : 예상 최대 하중인 200kg에 대해서도 기능사용 시 형태 변형 없도록 의자를 만든다.

▸ 하중지지 능력 2000N 이상

  : 예상 최대 하중이 가해졌을 때 휠체어가 뒤집어지지 않아야 한다.

▸ 모멘트의 합 = 0

개념설계안

1.1 제품의 간략 설명 및 동작 과정

본 프로젝트에서 제안하는 제품은 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어이다. 신체가 불편한 휠체어 사용자가 차량과 휠체어 사이를 환승할 때 다수의 인원이 동원되며, 인력 환승으로 인하여 환승시의 낙상 사고의 우려가 있다. 이를 위해서 환승 보조 기능을 갖춘 제품들이 존재하지만, 차량이나 침대 전용으로 사용 범위가 한정적이다. 따라서 휠체어를 이용함에 있어서 적용 범위에 구애받지 않고 사용자와 보조자 모두 적은 힘으로 편리하고 안전하게 환승할 수 있는 보조 기능 개발을 주요 과제로 한다. 환승 기능을 위해서 등받이 각도 조절 기술을 통해 휠체어의 등받이를 뒤로 90° 젖힐 수 있도록 하고 시트 프레임과 등받이 프레임을 레일 형태로 만들어 휠체어 시트가 레일을 따라 이동 가능 하게 한다. 또한, 적용 범위를 넓히기 위해서 높이 조절 기술을 통해 차량이나 침대 등 적용대상에 맞게 시트의 높이 조절을 할 수 있도록 한다. 이를 통해서 휠체어 이용자가 적용 범위에 구애받지 않고, 적은 힘으로도 안전하게 환승 할 수 있도록 한다. 따라서 휠체어 이용자의 환승에 많은 인력이 필요하지 않고, 차량이나 침대 등 대상에 구애받지 않아 휠체어 이용자의 이동성을 확보할 수 있다. 또한, 당 개발 제품을 통해 휠체어 이용자의 일반 차량 이용이 증가하여 휠체어 이용자를 위한 인프라 문제를 해소할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 각도조절 및 시트레일 기능부 상세설계

- 제안하는 휠체어는 시트를 180도 각도로 젖히고 사용자의 하중을 지지하면서 시트의 이동을 돕는 레일의 기능을 제공하고자 한다. 따라서 해당 부분을 모델링하고 예상되는 하중을 가하여 응력해석을 통해 구조적 안정성을 확인한다. 만약 최대 작용응력이 시트레일 재질인 탄소강의 항복강도를 넘어선다면 두께 조절이나 보강재를 사용하여 개선이 필요하다.

1.1 기존모델 분석

- 설계초안의 안정성을 확인하기 위해서 각도조절부에 걸리는 응력을 확인한다. 사용자 하중으로 인해 기어에 걸리는 모멘트를 바탕으로 기어이에 가해지는 하중을 계산하였다. 작용 하중은 평균몸무게인 60~70kg을 고려한 후 안전계수 3을 사용한 중력가속도 9.8를 적용한 값인 2000N으로 설정한다.

기어에 가해지는 하중을 구하기 위한 손계산

전체 2000N의 하중이 가해질 때 한쪽 레일에 가해지는 하중은 1000N이다. 사용자 하중(1000N)에 의한 모멘트의 크기는 1000*0.26 = 260 (N*m)이고 모멘트 평성식과 기어의 압력각을 고려해서 기어이에 가해지는 힘을 구하면 796N이 나온다.

각도조절기어 모델 해석

해당 하중을 시트레일 연결부인 기어빔에 적용하여 ANSYS로 해석해 본 결과 최대작용 응력은 541Mpa이었다. 이는 탄소강의 항복강도인 250Mpa을 훨씬 넘는 수치로 기능사용 시 파손의 우려가 있다고 판단하여 개선하기로 결정하였다. 각도조절 기어는 해당 기존 제품을 그대로 사용하기 때문에 치수적인 개선이 어려워 추가적인 하중지지 부분을 통해 안전성을 보강하기로 하였다.


보강재	보강재 적용후


구조분석	구조분석해석	구조분석해석 확대


하중지지부	하중지지부_1.4	하중지지부_2


피로해석	피로해석_개선

결과 및 평가

완료작품 소개

제안하는 제품은 높낮이 조절기술, 등받이레일 기술을 바탕으로 차량 및 침대로 환승이 용이한 기능성 휠체어입니다.

프로토타입 사진


정면	측면	후면


시트레일 작동전	시트레일 작동후

포스터

포스터.jpg

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

완성된 휠체어의 각 기능, 내구성과 소요 시간에 대한 평가는 위에 첨부한 최종평가 평가표를 기준으로 평가한다. 이때 기능구현에 관한 평가는 10번의 반복 시험을 통해 평가를 내렸다.

최종평가표

1. 기능구현 평가

기능구현에 대한 평가는 직접 시험을 하여 평가한다. 탑승자의 목표 최대 하중 200kg을 맞추기 위해서 개당 100kg의 쇳덩어리를 시트의 좌석에 올려 기능을 평가한다.

1.1 높낮이 기능

200kg 하중이 주어진 상황에서 높낮이 기능 시험

개당 약 100kg의 하중인 쇳덩어리 두 개를 휠체어 시트에 올린 후 높낮이 기능을 구현해 보았다. 프레임의 무게까지 더한다면 실제로 200kg이상의 하중이 주어진 상황이다. 하중에 의해 휠체어의 이동이 다소 불편한 부분은 있었지만 높낮이 기능은 문제없이 구현하였다. 따라서 “높낮이 기능” 기능 시험은 “상”으로 평가한다.

1.2 등받이 레일

200kg 하중이 주어진 상황에서 등받이 레일을 통한 좌석 이동 시 하중지지 시험

높낮이 기능 평가와 같은 조건에서 휠체어와 같은 높이의 이동목표 대상으로 레일을 통한 시트의 이동 시 하중 지지에 관한 시험이다. 보조자는 레일을 통한 이동으로 작은 힘으로 시트를 밀어줌으로써 목표까지 쉽게 이동할 수 있었다. 다만, 보조자는 휠체어의 높이를 유압펌프로 목표 대상과 같은 높이로 해주어야 한다는 다소 불편할 수 있는 선 조건이 필요하지만 목표하중에 대한 하중지지는 충분히 구현하였기 때문에 “등받이레일의 하중지지”에 대한 기능 시험은 “상”으로 평가한다.

1.3 시트 회전 기능

시트 회전 기능은 지원금 부족에 의해 구현조차 못하였기 때문에 “0”점으로 평가한다.

2. 내구성

내구성은 설계과정에서 가장 취약하다고 판단되는 각도조절기어부와 유압펌프가 들어올리는 T자 구조 프레임에 대해 평가한다. 우선 각도조절기어부에 부하되는 하중은 추가 지지대를 설치해줌으로써 하중 분산을 통해 내구성을 높일 수 있었다. 이에 대한 결과는 앞의 해석과정에서 확인할 수 있다. 다음으로 T자 구조 프레임에 대한 내구성은 설계과정에서 예상할 수 있었던 집중하중이 생각보다 더 크게 작용하여 프레임이 휘어지는 현상이 발생하였다. 이를 보안하기 위해 1.4t 두께의 철판을 프레임에 덧대어 주어 집중하중을 버틸 수 있는 구조로 보강해주었다. 이에 대한 결과 또한 앞의 해석과정에서 확인할 수 있었다.
위의 두 취약 부분에 대해서는 매일 20~30회 반복 사용하여 개선된 내구성에 대해 시험해보았고 안정적으로 보안되었다는 결과를 얻었다. 따라서 “내구성”에 대해서 “상”으로 평가한다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 1. 진화하는 자가운전 휠체어 복지차량, 에이블 뉴스 ◇ 2. 다기능 휠체어 콤보 자료, SOLID FOCUS CO., LTD ◇ 3. 제품 및 환경디자인 부문 수상작 자료, 대구 디자인 전람회 ◇ 4. PRODUCT 자료, 와이비소프트(주) ◇ 5. 역대 수상작 자료, 대한민국 디자인 전람회 ◇ 6. BRUNO VALET SEATS 자료, M.C MOBILITY SYSTEMS, INC ◇ 7. 2012 의료용 전동 침대 시장 점유율 통계자료, 통계청 ◇ 8 2015 전동 휠체어를 이용하지 않는 이유에 관한 리서치, 컨슈머 리뷰 ◇ 9. 2015 장애인보장구급여체계 개선방안 정책토론회 자료, 국민건강보험공단 ◇ 10. 2014 장애인전동보장구 · 자세보조용구 급여제품 안내 자료, 국민건강보험공단