9조 - 딱총나무지팡이

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 쿠션조절 등산용 지팡이..

영문 : Cushion-controlled climbing staff..

과제 팀명

딱총나무지팡이..

지도교수

이수일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20139200** 권**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

등산스틱에는 쿠셔닝이 가능한 지팡이와 가능하지 않은 지팡이가 있다. 개인은 2가지 선택지 중에 하나를 선택해야 한다. 우리는 쿠셔닝 성능이 조정 가능한 지팡이를 개발하여 사용자의 편의에 맞는 쿠셔닝을 선택 가능하도록 할 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

 ◇ 사회적으로 건강에 대한 인식이 증가하며 운동을 취미생활로 갖는 사람들이 증가하였고 유산소운동과 함께 관절, 근육을 강화시켜주는 등산이 중, 장년층을 대상으로 많은 인기를 가지고 있다.
 ◇ 등산용 지팡이는 등산 시 하체로의 체중 집중을 방지하고 팔, 어깨 등 다방면의 근육을 동시에 사용하게 함으로서 운동에 매우 효과적이다.
 ◇ 기존의 등산용 지팡이의 경우 스프링이 있는 것과 없는 것으로 구분된다.
 ◇ 스프링이 있는 지팡이의 경우 등산자가 지팡이로 땅을 짚을 때 발생하는 충격을 흡수함으로써 손목 피로효과 절감에 효과적이나 지팡이의 지면반발력에 의해 무게중심이 이동한다는측면과 지탱하는데 많은 에너지를 사용하게 한다는 측면에서 힘이 약한 사람에게는 위험요소가 될 수 있다.
 ◇ 이와 반대로 스프링이 없는 지팡이의 경우 안정적이기는 하나, 등산자가 지팡이를 짚을 때에충격이 손목에 가해져 쿠션감(편안함)의 측면에서는 좋지 않은 모습을 보인다.
 ◇ 이러한 스프링이 있는 것과 없는 것 사이에서, 스프링의 강도와 댐퍼의 강도를 조정하여 사용자에게 최적화된 쿠션감을 가지는 지팡이를 만들 필요성이 있음을 확인하였다.

개발 과제의 목표와 내용

안티쇼크 기능을 갖춘 제품들이 스프링 조절이 불가하여 사용자에 맞는 충격완화 효과를 갖추지 못한다는 점에 주목을 하게되었다. 예를 들어서 스프링상수가 큰 제품을 사용하면, 상대적으로 등산스틱에 가하는 힘이 작은 여성분들의 경우 충격완화를 거의 누리지 못하는 편이다. 스프링 상수가 작은 제품을 사용하면 반대로 가하는 힘이 많은 남성의 경우, 제대로 지지하지 못하여 안정적이지 못하다는 느낌을 받게 된다. 9조는 스프링 길이를 조정하여 사용자의 편의에 맞게 쿠셔닝 성능을 조정할 수 있는 제품을 만들고, 댐퍼를 통해 발생되는 진동을 감쇠시키고자 하였다. 이를 위해 스프링이 내재된 스틱에 가변댐퍼를 넣어 진동과 반발력을 조절하여 안정적인 산행이 가능하게 하는 등산스틱을 만들게 되었다.

관련 기술의 현황

State of art

◇등산스틱의 제대로된 사용법을 알 수 있는 영상 링크를 하나 첨부한다. https://www.youtube.com/watch?v=EluEUU7KrRo 이 영상에서의 의사선생님에 따르면, 등산스틱을 이용하는 경우 하체뿐만이 아닌 상체까지 사용하여 등산을 가능하게 한다. 또한, 속도도 15%가량 증가한다. 스틱에서 손잡이는 쎄게 잡지 않아야 하고, 팔꿈치는 스틱의 각도의 90도임이 바람직하다. 올라갈때는 스틱을 짧게 잡고, 내려올때는 연골에 손상이 있으므로 허리보다 10~15cm 높게 잡는다.

◇http://www.nocutnews.co.kr/news/1088845 이 기사의 자료에 따르면 여러 가지 가격대에 따른 등산용스틱의 강도 및 제원이 있다. 길이조절부 압출 능력, 편심하중 능력, 손목길이에 하중이 가하는 것이 얼만큼인지 알 수 있으며, 무게 및 길이 또한 적혀있고, 스틱굵기도 있다. 또한, 손잡이 모양은 일자형 손잡이의 등산용 스틱의 성능이 더 우수하다고 나타났다.
◇http://news.mk.co.kr/newsRead.php?no=560058&year=2014 이 기사에 따르면 등산스틱이 무조건 가볍다고 좋은 것도 아니라, 자신에게 맞는 적합한 것이 좋다고 나와있다. 또한, 안티쇼크 장치가 있는 스틱을 사용하면 팔에 부담감을 덜어주어 이용을 권장한다. 또한, 자신의 체중에 맞는 강도 및 재질의 선택을 권고한다.
◇https://blog.naver.com/jejusangdre/70167896787 아래의 링크에서는 현재 등산용 스틱의 여러 가지 기술 현황을 알 수 있다. 스틱 고정 시스템은 물론, 가벼운 무게, 안티쇼크의 존재 등이 그러한 현대 등산용 스틱의 현기술이다. 또한, 불빛에 반사되는 재료로 끈부분을 처리하여 야간 산행도 가능하도록 하였다.
◇http://www.outdoornews.co.kr/news/articleView.html?idxno=5468 이 기사에서는 등산용 스틱의 재질에 관하여 발전이 이루어지는 것을 확인할 수 있는데, 기존의 알루미늄 또는 듀랄루민이 아닌 티타늄을 활용한 초경량 등산스틱의 기술을 활용함을 확인할 수 있다. 이뿐 아니라, 손잡이를 15도 정도 꺾어 사용자에게 최적의 착용감을 주고, 기존 안티쇼크에서 더 나아가 소프트 안티쇼크 시스템을 사용한다.

기술 로드맵

내용

특허조사

◇ 출원번호 20-2013-0006501

한쪽 손으로 사용 길이를 조절하는 등산스틱.

◇ 출원번호 10-2015-0161187

셀카봉기능을 갖는 등산스틱

◇ 출원번호 10-2016-0055165

등산스틱 완충장치

특허전략

◇ 기존의 등산용 스틱에 관련된 특허가 다수 존재함을 확인하였다.
◇ 그러나 우리가 개발하려는 등산용 스틱에 쿠셔닝에 관한 등록된 특허의 경우 위에 보이는 것처럼 1개 존재함을 확인하였다. 그러나, 위의 등산용스틱의 완충장치의 경우 쿠셔닝 성능의 조절에 초점이 맞추어지지 않고, 단순히 완충에 우수한 성능을 가지는 것에 초점을 두어 우리의 기술방향과 다름을 확인할 수 있고, 이에 따라 우리의 기술이 위의 특허기술에 침해되지 않는다 판단할 수 있었다.
◇ 다만, 우리의 개발기술에 쿠셔닝 존재 자체에 있어서는 위의 특허기술에 의하여 출원시 등록이 거절될 수 있으므로, 출원시 청구항을 복수개로 작성하여 쿠셔닝의 구현부분을 청구항 1로 작성하고, 쿠셔닝 성능 조절을 청구항 2로 작성하여 특허기술의 등록을 도모할 것이다.
◇ 즉, 현존하는 특허기술에 우리 기술은 저촉되지 않으므로 자유롭게 시행함은 물론이고, 우리의 기술을 특허출원하여 등록받아 우리의 독자적인 기술로 사용함을 목표로 한다. 
◇ 이에 따라 마케팅 적으로도 특허등록임을 홍보할 뿐만 아니라, 독점적 기술의 사용으로서 우리 제품의 성능을 높이고 또한 이를 홍보함을 최종 목표로 추구한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

 ◇ 등산용 지팡이의 지면반발력을 사용자 체형과 기호에 맞게 조절하게 하여 몸에 무리가 가지않고 안전한 등산 효과를 가진다.
 ◇ 제품을 다른 사람이 빌려 사용하더라도 사용자에게 맞출 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

경제적으로 15만원으로 마케팅하여 이윤을 추구한다. 사회적으로 안전하고 편안한 등산문화를 장려하여 건강한 대한민국을 만든다.

구성원 및 추진체계

서울시립대학교 기계정보공학과 20139200** 권**(팀장) : 특허출원서 작성, 보고서, 발표

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김** : 기술총괄, 부품 규격 조사 및 분석

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김** : CAD이용한 설계 모델링 및 시스템해석

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 이** : 예산담당, 디자인 및 외형담당

설계

설계사양

등산스틱을 사용하면 땅에 찍을 때 반발력으로 손에 무리가 가게 되는데 이를 방지하기 위해 완충효과, 일명 안티쇼크 기능을 갖춘 제품이 나오게 되었다. 단 이 안티쇼크 기능은 잘못 사용 시 중심이 흔들리는 문제가 발생할 수 있기 때문에 사용자가 자신의 상황에 맞춰 조절할 수 있는 것이 중요하다. 예를 들어 등반 시에는 힘의 분산을 최소화하기 위해 안티쇼크 기능이 없거나 최소화된 스틱을 사용하는 것이 좋으며, 하산 시에는 스틱에 많은 힘을 의지하는 만큼, 충격 흡수를 위해 일정량의 쿠셔닝 기술이 적용된 상태가 좋다. 위 요구를 충족해줄 수 있는 스틱을 만드느데에 있어 필수적인 사항들은 아래와 같습니다.

-튼튼해야 한다. (100kg의 사람이 수직하중을 가할 때를 가정) -적정 무게 범위 내에 들어가야 한다. (200~300g) -제품 길이 조절이 가능해야 하며 일정 길이 이상이여야 한다. (130~140cm) -쿠셔닝 성능 조절이 원활해야 한다. -충격 흡수가 이루어져야 합니다. -가격이 저렴해야 한다. (10만원 이하)

그 이외에도 희망하는 요구사항들은 아래와 같습니다.

-제작이 용이해야 한다. -최대 쿠셔닝 성능이 높아야 한다. -최소 쿠셔닝 성능이 낮아야 한다. -사용에 불편함이 따르지 않아야 한다. -외형이 세련되어야 한다 -하자 시 보수가 용이해야 한다. -편심하중의 SG기준을 만족해야 한다. -두랄루민 스틱을 사용한다. -사용시에 편리해야 한다

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

전체 시스템에 대한 모델링 mx + bx' + kx = F 변형식 mx + bx' + k(x-x0) = F

완제품에서 조정 가능한 파라미터 x0:기본적인 쿠셔닝파워 조정 b:쿠셔닝파워에 따른 최적화된 댐핑

조립도

내용

저희조는 먼저 스틱 내부에 넣어 안정적으로 고정할 수 있는 가벼운 댐퍼를 찾았습니다. 22개의 부품을 조립하여 피기백 댐퍼를 만들었습니다. 카티아 프로그램을 이용해 제작한 피기백 댐퍼를 기준으로 등산스틱과 댐퍼가 결합한 모델을 구현하여 외부에 가공을 맏겼습니다. 댐퍼를 스틱과 결합하기 위해 홈을 가공하고 쇽 엔드 볼을 제거하고 피스톤과 팁을 단단하게 연결하였습니다. 또한 직경에 맞는 고무링을 찾아 스프링 축에 넣어 충격 흡수의 안정성을 확보하였습니다.

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

1020180145815

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

설문조사

위 제품은 기존의 제품에 스프링-댐퍼 구조를 추가하여 안티쇼크 기능을 향상시킨 제품입니다.

1.두 제품을 비교했을 때 충격의 차이가 느껴지는가?

2.충격의 차이가 느껴진다면 얼마나 느껴지는가 (1~5)

3.스프링을 조절 시 차이가 느껴지는가?

4.차이가 느껴진다면 얼마나 느껴지는가? (1~5)

5.개선점이 있다면?

분석 툴의 한계로 충격과 진동에 대한 비교가 어려워 교내 학생들 50 명 대상으로 설문조사 진행

예(50명), 아니오(0명)

1(2명), 2(2명), 3(5명), 4(26명), 5(15명)

예(31명), 아니오(19명)

1(3명), 2(12명), 3(10명), 4(3명), 5(3명)

안티쇼크 오프기능 쿠셔닝 조정의 불편함 외형

향후평가

설문조사의 의견을 반영하여 스프링 조절의 차이 개선을 위한 금형 스프링 교체

이상적 모델링: 1번째 사진 : 고강성의 스프링을 갖춘 스프링-댐퍼 시스템이 외부에 노출되지 않도록 배치 2번째 사진 : 지팡이 손잡이 부분에 보조배터리를 추가하여 스마트폰 충전, USB 모기향 작동과 같은 추가기능 제공 3,4번째 사진 : 스프링-댐퍼 지지부의 직경을 늘려 편심하중에 대한 저항력 개선