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2024년 11월 28일 (목) 01:31 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자동화 신발 클리너..

영문 : Automated shoe cleaner..

과제 팀명

클린슈만..

지도교수

박찬희 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430024 김태훈(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학부·과 2018430038 전현욱

서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430005 권준형

서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430009 박명규

서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430030 장동휘

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 프로젝트는 일상생활에서 신발 세척의 번거로움을 해결하기 위해 자동 신발 세척기를 개발하는 것을 목표로 한다. 이 기기는 다양한 신발 종류와 재질에 따라 최적화된 세척 과정을 자동으로 수행하여 사용자에게 편의성과 효율성을 제공한다. 이를 위해 신발 사이즈에 따라 자동 조절되는 유동형 고정장치를 개발하고, 적절한 세척 방법을 적용하는 시스템을 구축할 예정이다. 본 과제를 통해 사용자들의 신발 세척 비용을 줄이고, 세척에 소요되는 시간을 절약함으로써 사용자에게 편안한 신발 세척 솔루션을 제공한다.

개발 과제의 배경

1)개발 배경

최근 들어 여름철 국지성 호우가 예보 없이 발생하는 경우가 많아 신발 오염에 대해 즉각적인 세척의 필요성이 증가하고 있다. 신발을 세척하는 기존 제품의 경우 전체적인 신발이 젖게 되고, 이를 말리는 과정까지 다량의 시간이 소요된다. 추가적으로, 기본적인 먼지 제거와 생활 오염 등을 가볍게 세척하여 보관하여 현관을 청결하게 유지하는데 기여하고자 한다.

또한, 고가의 신발을 구매하고 전시하는 매니아 층이 생겨남에 따라 가볍게 신발을 세척 후 보관함에 넣고자 하는 소비 욕구가 나타나고 있다. 이러한 소비자층을 위해 가벼운 세척이 가능한 세척 제품을 개발하려고 한다.

기존 제품들의 경우 사용자가 신발을 신고 제품위에 올라가서 세척을 하는 방식으로 구성되어 있다. 또한, 신발의 밑면과 옆면을 동시에 세척해주는 제품이 없다. 따라서 사용자가 신발을 제품에 넣으면 자동으로 신발의 밑면과 옆면을 동시에 세척하는 제품을 개발하고자 한다. 기존 제품들의 특징은 다음과 같다.

1. 공장용 신발 세척기

-사용자가 직접 신발을 신고 제품위로 올라가야함.

-사용자가 직접 발을 움직이며 세척을 진행

-소독제 및 세제로 밑면 세척

-버튼식으로 구성

-양 발 동시에 세척 가능

2. 가정용 신발 밑창 세척기

- 한발만 세척 가능

- 소독제와 밑면 세척

- 사용자가 직접 제품에 올라가서 사용해야함.

3. 골프화 먼지 털이기

- 먼지만 털어 줌.

- 양측 솔과 앞에 솔, 밑면의 솔 총 4개의 솔로 구성되어 동시에 먼지 털이 진행

- 양 발 동시에 세척 불가능.

- 소독제 및 세제로 세척하지 않음.

- 사용자가 직접 제품에 발을 넣어야 진행됨.

기대 효과

기존 제품들과 달리 신발을 벗어 제품 속에 넣고 이를 세척하는 방식으로, 가정용 구비 가능성과 편리성을 확보할 수 있다. 구두와 같은 가죽 신발과 운동화 등 다양한 신발에 대해 세척이 가능하다. 신발을 벗고 제품 속에 넣어서 세척되는 것을 기다릴 수 있어 시간 절약 효과를 얻을 수 있다. 기본적인 먼지 제거와 생활 오염 등을 가볍게 세척하여 보관하여 현관을 청결하게 유지하는데 기여하고자 한다. 밑면을 소독제 및 세제로 닦아 세척력을 높일 수 있다. 또한, 세척 솔의 탈착이 가능하게 하여 제품의 내구성을 높일 수 있다. 스윙 암 형식으로 신발 고정부를 개발하여 신발 장착하여 넣고 뺄 때 편리성을 확보할 수 있다. 기존 제품과 유사하게 매트를 장착하여 간단히 밑면 물기를 제거할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 목표

본 과제의 목표는 일상생활에서 신발 세척의 번거로움을 해소하고 사용자 편의성을 극대화하는 자동 신발 세척기를 개발하는 것이다. 이를 위해 세 가지 핵심 목표를 설정하였다.

첫째, 신발 사이즈에 따라 자동 조절되는 유동형 고정장치를 개발한다. 이 장치는 사용자가 별도의 조작 없이도 다양한 크기와 형태의 신발을 기기에 쉽게 고정할 수 있게 한다. 적절한 기구학적 설계를 적용하여 이 기능을 구현할 예정이다.

둘째, 신발의 종류와 재질에 따라 최적화된 세척 과정을 자동으로 수행하는 시스템을 구축한다. 이를 위해 신발의 종류에 따른 적절한 세척 방법, 세척 시간 등을 설정할 수 있는 기능을 탑재한다. 예를 들어, 가죽 신발과 운동화는 세척 방법이 다르므로 이에 맞는 프로세스를 자동으로 적용하여 신발 손상을 최소화하고 세척 효율을 높인다.

셋째, 솔과 세척액을 이용한 세척 메커니즘을 구현한다. 이 메커니즘은 신발의 종류와 오염 정도에 따라 적절한 솔의 압력과 움직임을 조절하여 최상의 세척 효과를 달성한다. 모터와 제어 시스템을 통해 솔의 회전 속도와 방향을 제어한다. 이를 통해 다양한 종류의 오염물질을 효과적으로 제거하고 신발의 손상을 최소화할 수 있다.

이러한 목표를 달성함으로써 사용자는 복잡한 설정이나 조작 없이도 다양한 신발을 손쉽게 세척할 수 있으며, 이는 시간 절약과 생활의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

2) 개발 내용

1. 하드웨어

제품의 개략적인 형태는 위의 그림4와 같다. 신발은 구동부 스윙암의 형태로 제작한 링크에 부착되어 앞뒤로 움직이며 세척되게 된다. 밑면부와 옆면부에 다양한 세척 솔을 장착하고, 모터를 이용하여 축을 회전시켜 세척을 진행한다. 신발을 고정하는 집게의 경우 기성품을 사용한다. 밑면의 서랍 형식의 물통을 제작하여 소독제 밑 세제를 물에 섞어 넣게 되고, 솔이 회전하며 신발의 밑면을 세척한다. SMPS와 모터의 경우 물이 튀지 않게 제품 외부에 설치하거나 아크릴판으로 막아 방수처리를 할 예정이다.

모터의 경우 신발을 움직일 정도의 힘을 낼 수 있는 제품을 사용할 것이다.

2. 모터 및 센서 제어

밑면의 솔의 회전 움직임을 부여하기 위해 소형 유성 모터를 사용할 예정이다. 신발이 달려있는 링크를 움직이기 위해서는 큰 토크가 필요하고, 따라서 기어가 장착된 모터를 사용하여 움직임을 구현할 예정이다. 옆면의 경우 신발 폭에 따라 솔에 위치를 다르게 지정해야 함으로 리니어 모터를 장착하여 솔의 위치를 조정할 수 있도록 설계할 것이다. 해당 솔에는 앞서 장착된 모터보다는 작은 힘을 필요로 하므로 적당한 힘을 낼 수 있는 모터를 장착할 예정이다.

신발의 사이즈와 상관없이 솔이 신발과 적절한 거리만큼 떨어져 세척하기 위해서, 초음파 센서를 활용할 예정이다. 초음파 센서는 신발의 옆면과 떨어진 거리를 계산하여 솔이 적절한 위치에서 신발을 세척하도록 한다.

모터와 센서의 제어는 Arduino Uno가 담당한다. Arduino Uno는 모터, 센서 외에도 사용자 인터페이스인 버튼, 제품의 상태를 알려주는 LED도 제어할 예정이다.

3. 사용자 인터페이스(UI)

제품은 2가지 모드로 사용할 수 있다. 첫번째는 쾌속모드로, 신발이 가볍게 더러워졌을 때 빠르게 세척할 수 있는 모드이다. 두번째는 일반모드로, 신발이 평상시처럼 더러워졌을 때 일반적으로 세척할 수 있는 모드이다. 사용자가 이 두가지 모드를 선택할 수 있기 위하여, 제품에 버튼 2개를 장착할 예정이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황
  • 신발 관리 기기

현재 신발 관리기의 최고 기기는 위의 두 제품이다. 해당 제품들은 스팀과 살균기능을 통해 신발건조 및 관리를 해준다. 두 제품 모두 신발에 묻은 오염은 제거 후 사용하기를 권장하고 있고 다양한 신발 소재에 맞춰 여러가지 모드가 있다. Lg 제품은 TrueSteam™ 기술과 Zeo-Dry 필터를 바탕으로 살균, 탈취 기능을 제공하고 삼성 제품은 AirDresser 기술과 UV 살균 및 에어워시 시스템으로 공기 순환으로 신발을 관리한다. 하지만 해당 제품들은 신발 세척의 기능은 제공하고 있지 않아 본 프로젝트에서 개발하는 제품은 경쟁력을 가질 것으로 생각한다.

1)국내 기술 현황

i.초정밀 펄스비행시간(TOF) 센서: KAIST 김정원 교수 연구팀은 펄스 레이저와 전광 샘플링 기법을 이용해 기존 기술을 뛰어넘는 초고속, 초정밀 펄스 비행시간(ToF) 거리 측정 센서를 개발했다. 이 기술은 수소 원자 2개 크기인 180 피코미터 수준의 위치 차이를 200분의 1초 안에 측정할 수 있으며, 높은 분해능과 넓은 측정 범위를 동시에 제공한다. 연구팀은 이 기술을 통해 스마트팩토리 등에서 다기능성 복합센서 시스템 구현 가능성을 제시했다.

(출처: https://www.e-patentnews.com/6451

ii.SPAD 기반의 거리측정 3D 이미지 센서: 이 기술은 열 공유 비교기와 2단계 히스토그램 시간-디지털 변환기(TDC)를 활용한 단일 광자 애벌란치 다이오드(SPAD) 기반 TOF(time-of-flight) 센서다. 이 기술은 50 klux의 배경 조명에서도 16m 거리에서 8cm의 정밀 오차를 유지하고, 히스토그램 누적을 통해 면적과 IO 밴드위스를 효율적으로 줄인 것이 특징이다.

(출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=DIKO0015302437)

2) 해외 기술 현황

i.초광대역(UWB) 센서를 이용한 실시간 원격 거리 측정: 이 기술은 UWB 센서를 활용한 거리 측정 정확도를 개선하기 위해 두 가지 머신 러닝 접근법을 제시한다. 첫번째는 CNN, LSTM, 회귀 모듈을 결합한 방식이고, 두번째는 두 개의 랜덤 포레스트 모델을 통합한 방식이다. 이를 통해 기존보다 더 높은 정확도와 출력 주파수를 달성해 구조물의 거리 측정과 변형 모니터링 성능을 크게 향상시켰다.

(출처: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926580523001097)

• 특허조사 및 특허 전략 분석
  • 특허조사
  • 특허전략
• 기술 로드맵
  • 신발 관리 장치 로드맵
  • 거리 측정 센서 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

Fully automatic intelligent sole cleaning machine 가정용으로 구비가 가능한 제품으로, 세척액을 사용하여 신발 밑창을 세척한다. 가정에 구비하기 적합한 사이즈와 가격이지만, 사용자가 신발을 신고 제품위에 올라가야 한다는 단점이 있다. Cleanroom Shoe Cleaners(CRW-SC3014-4RB-INV-HE) 가정용으로 구비가 가능한 최대 범위의 제품으로, 사용자가 신발을 신고 기기에 넣으면 밑창 1개, 앞 1개, 옆면2개로 총 4개의 솔이 신발을 세척해준다. 내부의 흡입기 장착으로 먼지나 이물질 등을 빨아들인다. 제품의 높이가 높아 신발장에 구비하기 어려운 점이 있다. Solamat90 4개의 솔이 신발의 밑창을 세척한다. 밑면에 떨어진 이물질을 보관하는 통이 있어 이를 분리하여 버리는 형식으로 이물질을 관리한다. 옆면부는 2개의 디스크 솔이 회전하며 세척해준다. 제품 높이가 114cm가량 되므로 신발장에 구비하기 어려운 점이 있다. Neptun SC1 물탱크에 연결된 호스를 통해 물을 분사하고 솔에 적셔준다. 이로 인해 물과 세척액을 통해 신발 밑창과 윗면을 세척한다. 큰 1개의 솔이 회전하여 밑창을 세척한다. 집에 구비하기에 물 탱크와 제품의 너비가 너무 넓은 단점이 존재한다.

• 마케팅 전략 제시

업계 관계자들은 신발 관리 가전이 의류 관리 가전과 비슷한 판매 추세를 보일 것으로 예상하고 있다. 삼성과 LG가 이 시장에 진출하면서 시장이 크게 성장할 것으로 보인다. 예를 들어, 지난해 의류 관리 가전 시장 규모는 연간 약 60만 대로, 2018년의 30만 대보다 두 배 증가했고, 2016년의 7만 대와 비교하면 거의 10배 성장했다. 금액으로 보면 시장 규모는 더욱 급격하게 성장했다. LG전자에 따르면, 2015년 294억 원이었던 국내 의류 관리 가전 시장 규모가 2020년에는 3,937억 원으로 5년 만에 13배 이상 성장했다. 또한 의류 관리 가전이 출시된 국가 수는 2015년 7개국에서 2020년에는 20개국으로 3배 증가했다. 이와 관련된 기술 특허 출원도 크게 증가했다. 이에 신발 클리너를 포함한 신발 관리 가전의 수요와 시장이 계속 증가할 것이라고 보인다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 자동화 기술 발전: 유동형 세척장치와 자동 세척 솔 메커니즘은 가정용 자동화 기기의 정밀성과 효율성을 높이는 데 기여할 것이다. 이 기술은 향후 다른 가전기기에 응용될 수 있으며, 신발 관리 분야에서 기술 향상 효과를 기대할 수 있다.

• 센서 기반 제어 기술 강화: 초음파 센서를 활용한 정밀 제어 기술은 신발의 위치와 크기를 감지해 맞춤형 세척을 가능하게 한다. 이는 가전 및 자동화 기기 분야에서 센서 기술 발전에 기여할 수 있는 기술적 이점을 제공한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 가전 시장 성장 기여: 최근 삼성 및 LG 전자에서 슈케어 제품을 판매하고 있으므로, 자동 신발 클리너 기술의 도입으로 신발 관리용 가전 시장이 매년 성장할 것으로 예상된다. 이는 가정용 기기 수요와 더불어 신발 관리 제품의 수요 증가에도 영향을 미칠 것이다.

• 시간 및 비용 절감: 소비자는 세탁소 이용 대신 가정에서 자동 클리너를 사용함으로써 세척 시간을 절약하고, 신발 관리 비용을 절감할 수 있다. 이는 가정에서 시간과 비용 절감의 실질적인 혜택을 제공한다.

• 환경적 영향: 기존 세탁기 형식의 세척시스템에 비해 자동화 세척 시스템은 물 사용량을 최적화함으로써 물 절감 효과를 제공할 것으로 기대된다.

• 사회적 파급효과: 소비자의 생활 편의성을 증대시키고, 활성화되지 않은 신발 클리너 시장이 넓어질 수 있다는 점에서 파급력이 있을 것으로 추측된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

• 팀원 및 역할

이태훈 :팀장, 소프트웨어부 설계

전현욱 : 구동부 설계 및 모터제어

권준형 : 기구부 설계

박명규 : 기구부 설계 및 응력해석

장동휘 : 기구부 설계

• 추진 체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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