"4조-노인들"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 16일 (토) 06:32 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 의자 겸용 지팡이

영문 : A cane for chairs

과제 팀명

노인들

지도교수

이*일 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 서*영(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 김*재

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 박*서

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 조*재

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 고령화 시대에 맞게 노인을 대상으로 한 지팡이 제품에 의자를 결합하여 노인이 보행 중 휴식을 취하고 싶을 때 편하게 의자로 사용하며 휴식이 끝난 후에는 보행 보조장치인 지팡이로 사용하는 제품을 개발하는 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 배경

가) 사회적 배경

통계청에 따르면 22년 65세 이상 고령인구는 우리나라 전체 인구의 17.5%인 901만 8천명으로 우리나라의 고령인구 비중은 계속 증가하여 ‘25년에는 20.6%로 우리나라가 초고령 사회에 진입하고, ‘35년에는 30.1%, ‘50년에는 40%를 넘어설 것으로 전망이 된다.21년에 이미 우리나라는 고령인구 비중이 16.6%로 미국(16.7%), 영국(18.9%) 등과 함꼐 고령사회에 도달하였으며 초고령 사회에 도달하는 속도가 OECD 주요국에 비해 빠르게 진행되고 있다. 이와 같은 사회적 상황에서 노인 관련 사업에 대한 관심과 수요가 늘어나고 있다.이러한 고령화 사회에서 건강하고 활기찬 노년기를 보내기 위해서는 만성질환을 관리하고, 다방면의 기능저하로 인한 정신적 피로를 해소하기 위한 규칙적인 운동이 필요합니다. 노인운동에서 규칙적인 유산소 운동은 콜레스테롤, 고혈압, 혈당, 비만 등의 위험요인들을 개선시키고 심장질환을 예방하거나 진행을 지연시킵니다. 이와 관련하여 김희걸 외 2인은 노인을 대상으로 한 규칙적인 걷기 운동이 노인들에게 미치는 영향을 조사하였으며, 그 결과 걷기운동 참여 전후의 비만도 부분에서 과체중인 경우 0.5의 차이가 있는 것을 보여주었습니다.위 연구 사례처럼 걷기운동만 잘 해도 노년기 건강에 많은 도움이 되지만, 바르지 않은 자세에서의 걷기운동은 관절에 무리가 가며, 지속적인 보행에 어려움을 느끼게 합니다. 이러한 보행 장애에 도움이 되는 방법은 지팡이 보행기와 같은 보행 보조장치를 이용하는 방법과 보행 중 휴식이 있습니다. 다만 보행 중에 서서 휴식을 취하는 것은 노인에게 큰 부담이 되기 때문에 휴대용 의자의 필요성을 느꼈으며 그러한 의자가 지팡이와 결합된다면 노인에게 보다 큰 도움이 될 수 있다고 판단하였다.

나) 기존 제품 사례 및 개선 방향

의자 겸용 지팡이의 경우, 현재 판매하는 상품들 대부분은 의자 부분이 외부에 도출되어 있습니다. 이 제품들은 지팡이 본체에 접이식 의자를 결합한 제품들로 지팡이에서 의자로의 전환과 의자에서 지팡이로의 전환은 쉽고 빠르나 접었을 때 의자부분이 외부로 도출 되어있어 휴대하는데 거추장스러우며 지팡이 본연의 용도로 사용하기가 어렵다. 그렇기 때문에 의자 겸용 지팡이는 지팡이로써 역할을 할 때 지팡이 본체 외부에 튀어나온 부분이 적을 필요가 있다.

기대 효과

노인의 걷기 운동 활성화를 통한 건강 증진

기존에는 보행간 휴식이 필요해도 휴식할 공간이 부족하기 때문에 휴식을 취할 수 없었으며 그로 인해 걷기 운동이 활성화되기 힘들었으며, 휴식할 공간이 있는 특정 지리에서만 걷기운동이 가능했다. 하지만 본 과제에서 제작한 의자 겸용 지팡이가 있다면 휴식이 필요할 때 의자를 바로 사용할 수 있기 때문에 걷기 운동이 보다 활성화될 것이다.

노인의 횡단보도 보행 사고 방지

일반적으로 횡단보도 보행 시간은 보행 진입시간 7초 + 횡단보도 1m당 1초를 기준으로 산정하는데, 노인의 경우 느린 보행속도로 인해 횡단시간이 부족하다. 국가에서는 보행섬을 설치하고 바닥형 보행신호등, 횡단보도 대기 쉼터를 통해 고령자의 편의를 보장하였습니다. 다만 현존하는 보행섬의 경우 대다수가 별다른 휴식공간을 가지고 있지 않으며 횡단 보도 대기 쉼터의 경우 대다수의 횡단보도에는 존재하지 않습니다. 그렇기에 고령자가 횡단보도를 건너는 중 혹은 건너기 전에 휴식이 필요한 경우에도 별다른 휴식공간이 없어 휴식을 취할 수 없기 때문에 횡단 보도 사고가 빈번하게 일어납니다. 본 과제에서 제작한 의자 겸용 지팡이는 노인이 필요시 그 자리에서 의자로 사용할 수 있기에 위와 같은 사고를 예방할 수 있습니다.

해외 시장 공략

현재 세계는 고령화 사회를 당면하였으며, 일본, 이탈리아의 경우 이미 21년에 초고령사회에 진입하였습니다. 본 과제의 제품은 이러한 고령화 사회에서 필수품으로 자리 잡을 수 있으며, 다른 지팡이 제품보다 노인의 건강에 큰 도움을 줄 수 있기 때문에 해외 시장 공략에도 용이하다고 생각합니다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

본 과제의 목표는 지팡이에 의자를 부착하여 노인이 보행 중 휴식이 필요할 때 편하게 휴식을 할 수 있는 제품을 만드는 것이다. 이를 만족시키기 위해 지팡이의 무게는 가벼워야 하며 지팡이 상태일 때와 의자 상태일 때 충분한 하중을 견뎌야 한다. 또한 지팡이일 때 의자가 외부에 도출되는 상태면 휴대가 불편하기 때문에 의자가 외부에 도출되지 않은 형태로 제작을 해야 한다. 위의 목표를 달성하기 위한 세부목표는 아래와 같다.

(1) 지팡이 형태에서 휴대가 용이하기 위해 외부에 도출되는 부분은 최소화하며 노인이 들 수 있을 만큼 충분히 가벼워야 한다. 일단 초기 목표는 700g으로 설정하였으며, 의자 형태가 외부에 도출되지 않도록 하여 휴대가 편하게 한다.

(2) 의자 형태에서 사람이 앉고 쉴 수 있도록 충분한 하중을 견뎌야 하며 초기 목표는 100kg으로 하며, 하중을 효율적으로 분배할 수 있도록 하단 지지부가 삼각형을 이루도록 한다.

(3) 지팡이-의자 형태간 변환이 쉽고 빨라야 하며 변환 소요 시간은 초기에는 10s로 설정하며, 간단한 동작으로 이루어지게 한다. 

또한, 본 과제에서 최종 물품을 제작하고 수정하는 것은 어렵기 때문에 최종적으로 물품을 제작하기전 3d프린터를 이용하여 사전제작을 진행하며, 사전 제작품에서 의도대로 작동을 하는지 확인을 한 후에 최종 물품을 제작한다.

개발 내용

본 과제의 주요 개발 부분은 4단계로 나뉘어지며 각 단계는 하부설계, 상부설계, 구조 해석, 인간 공학 디자인으로 명명한다.

하부 설계

하부 설계에서 중요한 부분은 크게 2가지로 1)의자 형태일 때 하중을 어떻게 지지를 할 것인가, 2)지팡이에서 의자로의 변환을 어떠한 매커니즘으로 구현할 것인가이다.

1) 하중을 지지하는 부분은 지팡이 외부에 3개의 지지발을 설치하여 삼각형을 그리며 지면을 지지하는 방안을 채택하였다. 각 지지발은 중앙 중심봉과 링크로 연결이 되어 하중을 분산시킬 수 있으며, 트러스 구조를 이루어 균형을 이루게 제작한다.

2) 지팡이에서 의자로의 변환은 우산, 악보 거치대와 유사한 형태를 가지게 설계를 진행한다. 3개의 지지발을 중앙중심봉에 연결하기 위해 3개의 지지발의 연결부를 중앙 중심봉과 연결하였고 각각의 지지발이 중앙중심봉과 링크로 연결되어 연결부의 상하 운동이 3개의 지지발의 운동으로 연결이 되게 한다. 

상부 설계

상부 설계에서 중요한 부분은 외부에 1)의자가 하중을 충분히 잘 분산해야 한다는 점과 2)의자가 외부에 보이지 않게 숨기는 것이다.

1) 의자가 하중을 분산하는 방법은 하부 설계와 동일하게 의자를 지지하는 3개의 지지봉이 삼각형 구조를 이루어 하중을 전달하면서 각 지지봉을 서로 연결하는 축을 달아 보다 분산이 쉽게 일어나게 설계하였다. 또, 의자가 펼쳐진 후에 잠금장치를 돌려 의자를 고정하고 외봉에 하중을 분산한다.

2) 의자가 외부에 보이지 않게 하기 위해 의자부분을 캠핑의자처럼 천으로 구현하기로 결정하였으며, 그런 천도 외부에 드러나 있으면 쉽게 더러워지고 손상이 쉽게 이루어진다고 판단하여 중심봉 내로 천이 수납이 될 수 있도록 설계한다. 그 과정에서 천으로 된 의자를 지지하는 지지봉 또한 중앙 봉 내부로 들어갈 수 있게 설계하여 천의 수납이 용이하도록 한다

구조 해석

구조적으로 하중이 잘 분산이 되도록 이전 단계에서 설계를 하였으나, 그러한 구조가 의도대로 되었는지 확인하기 위하여 Ansys를 이용하여 하중이 주어졌을 때 어떻게 전달이 되는지 확인하는 과정을 거치며, 원하는 대로 하중이 분산되지 않거나 뜻하지 않은 곳에서 하중이 집중되는 것을 확인하고 보충한다. 

인간 공학 디자인

인간 공학 디자인은 제품을 설계할 때 인간의 신체적 특성을 고려하여 과학적인 방법으로 기존의 제품보다 사용하기 편하게 만드는 디자인이다. 본 제품의 경우 사용 대상이 노인이므로 이러한 인간 공학 디자인 부분이 중요한 요인이다. 지팡이가 너무 길거나 짧으면 자세가 부자연스럽게 되어 어깨 결림 허리통증의 원인이 되므로 적절한 길이가 중요하다. 일반적으로 지팡이 기준 길이 산정은 “(사용자의 키 /2) + 3cm” 이므로, 그러한 기준을 맞추어서 제작을 하되, 어느 정도의 길이 조절이 가능하도록 디자인한다. 또한 손잡이의 경우 사람의 손이 편하게 쥘 수 있도록 디자인하여 손의 피로를 줄이는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 국내기술 현황

1. 인간공학적 디자인 : 최근 지팡이 기술들 중 인간공학적 디자인과 관련되어 3d 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 손잡이를 개발하는 기술이 발달하고 있다. 이러한 기술은 보행자가 실제 사용하던 지팡이에 부착물을 부착하는 형태로 추가적인 지팡이의 구매가 아니라는 점에서 보다 경제적이며, 각 사용자마다 손의 크기, 손가락의 두께 등이 다르고 선호하는 쥐는 방식이 다르다는 점에서 사용자의 만족도가 높게 나왔다.
2. 다기능 지팡이 : 다기능 지팡이는 지팡이 손잡이에 손전등을 달거나, 나침반을 다는 등산용 지팡이부터 다양한 스마트 기능을 장착한 스마트 지팡이가 있다.

특히 최근 IoT 기술이 발전함에 따라 다양한 기능을 수행하는 스마트 지팡이 개발에 대한 관심이 커졌다. 그 예로는 눈앞에 가슴 높이 이상 장애물이 있을 경우 손잡이에 있는 초음파 센서가 이를 감지하고 진동을 통해 알려주는 역할을 하는 시각장애인용 지팡이가 있다.

• 해외기술 현황

1. 인간공학적 디자인 : 일본에서는 지팡이의 하단부가 사람의 발목처럼 작동하게 지팡이를 설계하였다. 보행자가 지팡이를 사용할 때 지면과 맞닿는 부분은 수평을 유지하여 지팡이가 미끄러지는 것을 방지하였고 그로인한 낙상사고를 예방하는 효과가 있다.
2. 다기능 지팡이 : 미국에서는 지팡이의 주 사용자가 노인인 점에서 착안하여 사용자가 갑작스럽게 쓰러지는 경우 사용자의 가족에게 소식이 전하는 스마트 지팡이 시스템을 구축하기 위한 스마트 지팡이 알고리즘을 개발하는 중이다. 이 알고리즘은 지팡이에 설치된 다양한 종류의 센서들을 이용하여 갑작스럽게 지팡이가 쓰러지는 경우와 지팡이가 회전 혹은 보관을 위해 눕히는 경우를 구분하였고 이는 스마트 지팡이 시스템 구축에 도움이 되는 기술이다.

• 기술 로드맵

지팡이의 기술 로드맵의 경우 2020년 이전의 기술은 대부분 경량화와 소재 관련 내용이므로 제외하고 작성하였다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

지팡이의자 관련 특허 부분에서는 등록된 특허인 ‘접이식 의자를 갖는 지팡이’의 청구항을 침해하지 않게 설계를 한다. 위 특허의 경우 지팡이 본체의 일측에 시트 프레임을 설치하여 시트부재를 결합하는 지팡이로 우리가 만들 의자 겸용 지팡이의 경우 외부 시트 역할을 할 천이 지팡이 내부로 수납이 되는 구조이기 때문에 침해하지 않는다고 판단하였다

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

목재 지팡이의 경우 대체로 가격이 저렴한 편이지만, 길이 조절이 안된다는 단점이 있다. 금속 지팡이의 경우 대체로 알루미늄 합금이나 스테인리스를 사용한다. 무게도 400g 이하인 제품들이 많지만 라니핏의 지팡이의 경우 하단의 4발로 인해 무게가 680g으로 하단 4발을 제외하는 경우에는 320g이 된다. 가격 면에서는 목재 지팡이에 비해 비싼 편이지만 길이 조절이 가능하다는 장점이 있으며 또 목재 지팡이에 비해 외부 충격에 잘 견디며 관리가 수월하다. 의자 지팡이의 경우 의자 구조와 하중을 충분히 견뎌야 하기 때문에 일반 지팡이에 비해 무게가 무거운 것을 확인하였고, 가격도 비교적 비싼 것을 확인했다. 다만 길이 조정 부분에서 구조상 길이조정이 불가능하였다. 우리가 만드는 제품은 시장에 존재하는 일반 목재 혹은 금속 지팡이에 비해 상대적으로 무게가 많이 나갈 수밖에 없지만 시장에 현존하는 타사의 의자 지팡이에 비해서는 가볍다. 또한 기존의 타사 제품들의 경우에는 길이 조정이 불가하였지만 우리의 제품은 길이조정이 가능하며 그 범위 또한 일반적으로 사용되는 금속 지팡이의 조정 가능 길이와 같다.

• 마케팅 전략 제시

1) swot 분석

2) swot 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 3d 프린팅 본 제품의 경우 제품을 모델링 한 이후에 제품의 결함을 찾기 위해 3d 프린팅을 이용하여 제 품을 사전 제작한 후에 제품이 설계 과정에서 의도한 대로 구조적으로 움직이는지 확인을 하 는 과정을 거친다. 이처럼 제품을 설계하고 3d 프린팅을 이용하여 사전제작을 하는 과정은 설 계 과정에서 미처 확인하지 못한 제품의 결함을 찾을 수 있으며, 비용적인 측면에서도 완성품 을 바로 제작하는 것보다 적은 비용을 사용한다.

2) 응력 해석 본 제품은 설계 과정에서 ANSYS 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 통해 지팡이 구조에 대해 구조 역학적인 해석을 진행합니다. 이러한 해석방법은 기존 지팡이보다 구조적으로 보다 복잡한 의자 지팡이에서 발생할 수 있는 응력 집중 문제를 미리 해결할 수 있으며, 과설계를 막아 효율적인 제품 생산에 도움을 준다.

3) 기존 제품 대비 품질 향상 기존 제품에 비해 무게 측면에서는 10%~30% 감소하여 보다 가볍지만, 최대하중의 경우 동 등한 성능을 가진다. 또한 기존의 제품들의 경우 길이가 조정이 불가능하여 인간 공학적인 측 면에서 성능이 부족하였지만 자사의 제품의 경우 길이가 조정이 가능하며 그 범위 또한 70cm~100cm로 30cm의 조정이 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

우리나라는 고령화가 가속화되고 베이비붐 세대의 대거 은퇴로 고령친화산업이 급부상하고 있습니다. 특히 베이비붐 세대들은 경제적인 측면에서 과거의 고령자 계층과는 달리 구매 잠재력이 풍부한 계층으로 분석되기 때문에 시니어 시장의 규모가 점차 성장할 것으로 예측됩니다. 이러한 사회 · 경제적인 상황에서 본 제품은 다른 일반 지팡이와 달리 보행 중 휴식을 취할 수 있기 때문에 경쟁성이 뛰어나다. 현재 세계는 고령화 사회를 당면하였으며, 일본, 이탈리아의 경우 이미 21년에 초고령사회에 진입하였습니다. 본 과제의 제품은 이러한 고령화 사회에서 필수품으로 자리 잡을 수 있기에, 다른 지팡이 제품보다 해외 시장 공략에 용이하다고 생각합니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1) 지팡이 최대 하중 100kg 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 의자 지팡이는 제품의 특성 상 최대 하중을 우선시되어야 한다. 지팡이 형태일 때뿐만 아니라 의자 형태일 때 최대 하중을 100kg으로 설정하여 목표 값을 만족하는 설계를 진행할 것이다.

2) 지팡이 안전 계수 2 이상 지팡이는 내구성이 뛰어나야 하므로 내구성을 갖춘 설계를 진행할 것이다. 목표 값은 안전계수 2이상을 만족하는 것으로 결정하였다.

3) 지팡이의 무게 700g 이하 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 지팡이는 휴대성이 뛰어나야 하므로 지팡이의 무게는 700g 이하를 만족하도록 제작을 진행할 것이다.

4) 외부 돌출부 최소화 지팡이로 사용할 때 불편한 부분이 없도록 하기 위해 지팡이 외부로 돌출되는 부분을 최소화할 계획이다.

5) 인간 공학 디자인 지팡이 손잡이 부분에서 인간 공학적 디자인을 이용하여 손잡이를 사용할 때 편하게 쥘 수 있도록 디자인하여 제작을 진행할 것이다.

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 이론적 계산

우리가 만들고자 하는 지팡이의 두께와 길이, 의자 형태일 때의 길이와 앉는 부분의 넓이를 고려하여 지팡이를 설계한다.

 요구 조건

 지팡이

- 원하는 길이 = 90cm

- 원하는 두께 = 3cm

 의자

- 원하는 길이 = 55cm

- 원하는 의자 면적 > 지름 30cm 원에 내접하는 삼각형의 면적

 손잡이

- 원하는 길이 <= 10cm

- 원하는 면적(손으로 쥐는 부분의 길이) >= 10cm

위 요구조건을 토대로 지팡이 형태일 때와 의자형태일 때를 도식화하였다.

지팡이 형태일 때의 직경은 3cm인데 의자 형태일 때의 직경은 30cm로 10배 증가하고 지팡이 손잡이 부분을 제외한 봉의 길이는 80cm인데 의자 형태일때는 55cm의 높이를 가져야 한다.

우리가 원하는 삼각의자의 경우에는 의자일때의 3개의 지지봉이 지팡이 형태에서는 한 개의 지지봉으로 변환을 해야 하는데 의자 형태의 세 지지봉을 한 개의 봉으로 변환하는 과정은 너무 복잡하고 구현을 하기 난해하기 때문에 아래와 같이 구현하기로 결정하였다.

지팡이에서 의자로 변환하는 과정은 상하 운동 메커니즘을 이용하여 구현하기로 결정하였다. 그렇기 때문에 기존 지팡이 형태일 때의 1개의 지지봉에서 3개의 지지봉으로 나뉘어지며 그 과정이 상단부와 하단부에서 각각 이루어져야 한다. 위 메커니즘을 구현하는 아이디어는 기구학에서 배운 4 링크 메커니즘을 이용하였다.

기존에 배운 4링크 매커니즘의 경우에는 양 끝점이 고정된 형태이나 이러한 4링크 매커니즘은 우리가 원하는 메커니즘을 구현하기 어렵기 때문에 락커나 크랭크를 이용한 4링크 매커니즘이 아닌 슬라이더가 있는 4링크 매커니즘을 이용하였다. 아래 그림을 보면 슬라이더를 이용하여 상하 운동으로 의자가 펴지는 형태를 구현하였다.

상부에서 의자가 펴지는 형태를 이용하여 하부에서 다리가 펴지는 것도 동일하게 구현하였다. 그 결과 의자 형태에서 위-아래로 펴지면서 지팡이 형태로 변환이 가능해졌다.

지팡이 손잡이 부분은 갈라지는 세 지지봉의 한 봉에 부착을 해야 한다. 단 지팡이 손잡이의 경우 무기를 지지하는 역할을 수행하기 때문에 지팡이 손잡이와 봉의 위치를 적절하게 조정하지 않으면 손잡이가 부숴지는 결과를 초래할 수 있다. 이를 해결하기 위해 지팡이 손잡이와 봉의 위치를 적절하게 정립해야 한다. 지팡이 손잡이와 봉의 위치 관계는 아래 그림과 같이 두가지로 구분된다.

위 그림에서 A의 경우에는 지팡이 손잡이에 가해지는 힘이 지팡이 손잡이와 봉의 연결부와 봉에 전체적으로 힘이 전달되는 반면 B의 경우에는 지팡이 손잡이와 봉의 연결부에 집중적으로 힘이 가해지는 것을 확인할 수 있다. 그렇기 때문에 우리는 A의 디자인으로 지팡이 손잡이와 봉을 연결하기로 결정하였다.

의자 형태일 때의 안정성을 높이기 위해 사람이 실질적으로 앉는 상부 지지부의 단면적이 지면에 맞닿는 하부 지지부의 면적보다 작게 하였으며, 지면에 맞닿는 하부 지지부의 면적이 넓을수록 보다 안정적인 형태를 이루지만 그러한 경우에는 사람이 앉았을 때 다리와 간섭이 일어날 확률이 높아 지면에 맞닿는 하부 지지부의 단면의 직경은 45cm보다 작게 설정하였다. 또 돌림 힘을 잘 견디기 위해 상부와 하부가 엇갈리는 형태로 의자를 만들었다.

실제로 사람이 앉는 부분은 무게 경량화와 수납의 용이성을 위해 천으로 결정하였는데 이때 천을 고정하는 부분은 상부의 3개의 지지부 상단에 틈을 만들어 천을 고정하기로 하였다. 천을 지지부 상단에 고정하기 때문에 사람이 앉을 때 지팡이 손잡이와 천 위에 앉은 사람 사이에 간섭이 존재하기 때문에 이를 고려하여 디자인하였다.

나. 시뮬레이션

위에서 결정된 사항들을 가지고 제품을 제작한 후 제품을 시뮬레이션을 진행한 후 수정하는 과정을 가졌다. 시뮬레이션은 의자 형태일 때 상부와 하부 해석, 지팡이 형태일 때는 상부 하부를 나누지 않고 해석을 진행하였다. 시뮬레이션은 CATIA 환경에서 GSD 툴을 이용하여 진행하였다. 이때 지팡이 형태일 때는 의자 형태일 때 보다 외력에 강하기 때문에 의자 형태일 때를 먼저 해석을 진행한 후 수정을 진행하여 보완을 진행한 뒤에 지팡이 형태 해석을 진행한다.

I. 의자 형태에서 시뮬레이션 진행

1. 의자형태 (상부)

실제 우리가 만드는 지팡이 의자의 경우 천 위에 사람이 앉는 형태이지만 CATIA 환경에서 천을 구현하는 것이 어렵기 때문에 천을 구현하지 않은 상태에서 해석을 진행하였다. 사람이 앉는 형태를 구현하기 위해 각 지지부에서 힘의 방향이 아래 그림과 같이 향하도록 진행하였다. 힘의 크기는 990N(약 100KG)으로 진행하였다.

1) 경계조건 경계조건은 다음과 같다.

- Contact Connection Property : Surface와 Surface가 접촉하는 경우는 모두 Contact Connection으로 설정하여 오브젝트간 충돌 및 하중의 전달을 고려하였다.

-Fastened Connection Property : 다만 Surface간의 충돌의 경우에서 힌지와 쉘이 접하는 Surface는 정확한 하중의 전달 해석을 위하여 Surface가 상호간 고정된 Fastened Connection으로 설정하였다.

-Slider Connection Property : 내봉과 외봉의 사이에서는 Surface간의 하중으로 인한 Sliding도 고려해야 하기에, Slider Connection으로 설정하였다.

-Virtual Bolt Connection Property : 후에 조립시 볼트를 채결하는 부분의 경우 볼트로 인하여 고정되는 부분을 고려해야 하기에, 볼트와 접촉하는 Surface들을 Virtual Bolt Connection으로 설정하여 700N의 힘으로 고정하였다.

-Pressure Fitting Connection Property: 각 힌지들의 연결지점 및 Plate와 쉘등의 Pin으로 연결되는 지점의 경우, 원형 핀을 채결하여 Pressure Fitting Connection으로 설정하였다.

-Clamp: 하중에 의한 해석을 하기 위해서는 해당 오브젝트가 고정되는 지점이 필요하다. 본 해석에서는 중앙 연결부의 하부 Surface를 Clamp로 고정하여 하중에 의한 해석이 이루어질 수 있도록 설정하였다.

2) 물성치

3) mesh 조건

각 3D 오브젝트의 Mesh의 경우, 기본적으로 1:10 비율의 사이즈의 값을 Absolute sag값으로 설정하여, OCTREE Tetrahedron Mesh로 설정하였다. 각 Element Type은 Linear로 설정하였다. 다만 중앙 플레이트 고정부(부품 6)의 경우 절댓값으로 사이즈를 설정할 경우 해석시 오류가 발생하여 0.2의 Proportional sag로 설정하였다.

4) 해석 결과

1. 최종 설계의 하중해석

하중 해석은 CAITA Generative Structual Analysis를 사용하여 해석하였다. Fabric으로 이루어진 의자로 인한 하중의 방향을 고려하여 하중을 부여하였다. 각 고리에 330N씩, 총 990N의 하중을 가하여 해석한 결과, 최대 Von Mises Stress는 1.4e+008 N/m2으로 계산되었다.

다만 최대 Stress가 발생하는 지점은 쉘과 중앙 플레이트 고정부를 연결하는 플레이트로, 해당 Material이 Steel에 해당하기에 Steel의 항복 강도인 2.5e+008 N/m2에 못 미치는 값이며, 플레이트에서 안전계수는 약 1.8이 나오게 된다. 해당 핀이 연결되는 지점 부근에서 쉘에 최대 Stress가 발생하며, 쉘의 Stress 최대값은 약 7.0e+007 N/m2값이 나온다. 이를 해당 Material의 항복강도인 1.3e+008 N/m2와 비교하여 보면 안전계수는 대략 1.9가 나오게 된다. 따라서, 상부의 안전계수는 1.8이 되게 된다. 힌지 부분(위 그림의 우측)의 경우, 위에서 언급한 최대 Stress 지점에 비하여 낮은 Stress의 부하가 발생하여 문제가 없는 것으로 판단하였다.

2. 의자형태 (하부)

해석을 보다 쉽게 하기 위해 상부 하부를 나누어서 진행을 하였기 때문에 상부에서 전해지는 힘은 앞서 상부에서 전해지는 힘의 방향과 크기(990N)를 고려하여 시뮬레이션을 진행하였다.

1) 조건

상부와 동일하다.

2) 해석 결과

하중 해석은 CAITA Generative Structual Analysis를 사용하여 해석하였다. 상단부에서 하단부로 하중이 이동하는 경로를 고려하여 하중을 부여하였다. 중앙 연결부와 접촉하는 외부봉의 Surface에 990N의 하중을 가하여 해석한 결과, 최대 Von Mises Stress는 6.65e+007 N/m2으로 계산되었다.

해당 최대 Stress 부하가 발생하는 지점은 힌지의 볼트 삽입부였다. 힌지의 Material은 Steel이기에, 항복 강도인 2.5e+008 N/m2와 비교하면, 약 3.8의 높은 안전계수를 보여주었다. 외부 쉘의 경우, 최대 Stress값은 1.33e+007 N/m2정도로, 해당 항복 강도와 비교하여 거의 10에 달하는 높은 안전계수를 보여주었다. 플레이트 고정부와 내부봉이 연결되는 볼트 구멍에서도 비교적 높은 Stress값이 나왔으나, 3.32e+007 N/m2의 값이기에 Steel의 항복 강도인 2.5e+008 N/m2와 비교하면, 약 7.5의 높은 안전계수를 보여주었다. 전체적으로 하단부는 상단부에 비하여 높은 안전계수를 보여주었다.

II. 지팡이 형태에서 시뮬레이션 진행

3. 지팡이 형태

지팡이 형태일 때에는 의자 형태일 때에 비해 외력의 크기가 작으며 손을 쥐는 부분의 상부에 힘이 작용하도록 하였다. 원활한 해석을 위하여 손잡이와 지팡이를 분리하여 해석하였다. 힘의 방향은 아래 그림과 같으며 그 크기는 990N이다.

1) 조건

위와같다.

2) 해석 결과

(1) 손잡이 응력 해석 결과

손잡이의 경우 손으로 쥐는 부분 상부에 분산된 하중을 가하여 해석하였다. 해석 결과 손잡이의 형상에서 꺾이는 지점에 가장 큰 Stress가 발생하였다. 해당 Material의 항복강도인 6.0e+007 N/m2에 비하여 1.04e+007 N/m2의 최대 Stress는 5를 초과하는 높은 안전계수를 보여주었다.

(2) 손잡이 제외 응력 해석 결과

손잡이를 제외한 지팡이 부분의 경우 힌지의 볼트 체결부 및 외봉과 내봉을 고정하는 핀 지점에서 높은 Stress를 보여주었다. 힌지 부분의 경우 최대 6.16e+007의 Stress를 보여주었으며, 이는 Steel의 항복강도를 고려하면 4를 넘는 안전계수를 보여주었다. 그리고 외봉과 내봉의 상하운동을 고정하는 핀 지점의 경우, 최대 Stress는 4.31e+007정도이다. 이는 PLA의 항복강도를 고려하면 1.4정도의 안전계수를 보여준다. 해석을 통하여 전체적으로 지팡이 형태에서 하중 990N에 대하여 충분히 버틸 수 있음을 보여주었다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

1. 자동화

현재 프로토타입의 경우 손으로 외부에 튀어나온 스프링 클립을 눌러서 고정을 푼 뒤 손으로 움직이는 구조로 지팡이 의자간 변환이 이루어지는데 이러한 구현과정을 한가지 동작으로 버튼을 누르면 자동으로 펴지거나 접히는 구조로 만들 계획이다.

2. 길이 조정기능

현재 프로토타입의 경우, 길이 조정기능을 가운데 부품을 교체하는 방식으로 구현하였다. 이러한 방식은 실제 사용하는데 불편하기 때문에 길이 조정 기능을 가지는 새로운 부품을 가운데 부품 대신 사용하여 부품을 교체하는 방식이 아닌 다른 방식으로 길이 조정이 가능하도록 하고 싶으며, 프로토 타입의 경우에는 길이 조정이 가능한 범위가 5cm로 매우 작은 범위이기 때문에 이 범위를 넓힐 계획이다.

특허 출원 내용