"9조-클린슈만"의 두 판 사이의 차이

2024년 11월 28일 (목) 01:51 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 이태훈(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.

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

세척솔 접촉 방식
1. 밑면 세척 방식
2. 측면 세척 방식
구동 부분
1. 측면 솔 회전축 이동 메커니즘
2. 스윙 암 구동
상세부품 비교
1. 솔
2. 모터
  1. 회전부(DC)
  2. 위치 제어 모터
  3. 제어 장치
  4. 싱글 보드 컴퓨터
  5. 초음파 센서

이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산
1. 스윙암 하중조건 이론적 계산

서보모터가 축, 이와 결합된 스윙암 및 슈트리를 움직일 수 있어야 하므로 이것이 가능한 지 이론적 계산을 통해 확인해보았다. 신발이 외부 프레임과 간섭이 나지않게 움직여야 하므로, 이에 맞춰서 스윙암의 링크과 결합 각도를 구하였다. 신발과 스윙암과의 각도가 적을수록 들어가는 힘이 줄어들기 때문에 스윙암 축과 스윙암 길이를 변경해가며 최적의 위치를 찾았고, 이는 아래의 그림과 같다. 해당 최적 값은 길이는 271mm, 각도는 30도였다. 슈트리의 형상은 위와 같고, 링크와 밑면과의 각도는 30도이다. 토크가 21.3 kg·cm일 때, 링크가 지탱할 수 있는 무게를 계산해보겠다.

힘 계산 공식
힘 계산
결론

따라서, 21.3 kg·cm의 토크로 회전시킬 경우 약 1.70 kg의 무게를 지탱 가능하다. 신발과 슈트리를 저울로 재서 확인한 결과 750g으로 넉넉하다고 판단하였다. 따라서 해당 서보모터를 이용하는 것이 가능하다고 여겼고, 보수적으로 설계하기 위해 스윙암의 경량화를 이후 진행하였다. 이 내용은 바로 다음에 서술하였다.

시뮬레이션

스윙암 구조해석

위상 최적화를 진행하기 앞서 해당 구조의 링크가 구조적으로 안정한지 ANSYS를 이용하여 해석을 진행하였다. 초기 설정한 스윙암의 형상과 물성치는 아래와 같다.

초기 형상 스윙암의 total deflection을 구한 결과 하중이 작용하는 끝 부분에서의 변형이 가장 크게 일어났다. 수치는 0.016mm로 아주 적은 변형을 보여 변형이 일어나지 않는다고 봐도 무방하다고 판단하였다.

응력 분포 또한 양측의 경계조건부와 하중조건부를 제외하면 0에 가까운 응력을 보이며 최고 응력 또한 자재로 사용한 steel의 항복강도가 250MPa인 것을 고려하면 매우 적은 수준으로 안전하다고 볼 수 있다.

스윙 암 위상 최적화

앞선 구조해석 결과 해당 구조가 매우 안전하다고 판단하였고, 경량화를 추가적으로 진행하였다. ANSYS Topology Optimization을 활용하여 해석을 진행한 후 최종 형상을 정하였다.

20% 경량화를 목표로 한 위상 최적화 결과이다. 구조 해석에서 진행한 응력 분포의 형상과 비슷하게 스윙암의 가운데 부분을 제거하여 경량화 하여도 안전하다는 결론을 얻었다.

스윙암의 최종 형상은 그림 9와 같다. 그림 10을 통해 알 수 있듯이 무게는 기존보다 30g 감소하였고 이는 약 21% 경량화 된 수치이다.

기존 형상의 Deflection과 마찬가지로 하중이 작용하는 끝부분 에서의 값이 0.072mm로 기존의 형상보다 약 5배 증가하였지만 매우 작은 수치로 변형이 일어나지 않는다고 판단하였다.

응력 분포 또한 기존보다 2배정도 증가하였으나 steel의 항복 강도에 미치지 않는 정도로 경량화를 진행하여도 매우 안전하다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들을 바탕으로 스윙암의 최종 형상을 결정하여 제작 진행하였다.

상세설계 내용

조립도 및 부품도

1. 조립도 파란색으로 보이는 부품들은 모두 3d 프린팅을 활용하여 제작할 계획이다. 제품에 대한 전체적인 사이즈는 다음 사진과 같다.

2. 조립 순서

1.전면부

이 파트는 기성품으로 구매한 솔 내부의 직경이 너무 넓고, 베어링 사이즈에 맞추어 축 설계를 진행하였고, 그에 맞는 베어링 브라켓과 베어링을 아크릴판 사이에 넣어 모터를 통한 축의 회전에서 마찰을 최소화하고자 설계하였다. 서보모터 역시 아크릴판에 바로 연결하지 않고 브라켓을 직접 설계하여 link와 연결하였으며, 링크가 움직일 때 좌우 운동에서 마찰을 줄이기 위한 slide 파트도 들어간다. 위 사진과 같은 절차를 옆면 솔 회전부의 경우 서보모터-링크-slide&bearing-아크릴판-shaft&bearing 순으로 조립할 것이며, 아랫면 솔 회전부는 베어링하우징&베어링-아크릴-베어링하우징-베어링-축 순으로 조립할 것이다

2.모터 회전부(후면부)

밑면부의 모터는 DC 모터의 무게를 고려해 모터에 나있는 나사선을 이용하여 아크릴판에 직접 부착할 예정이다. 좌우 운동을 해야하는 서보모터의 부분의 경우 1)과 동일하게 브라켓과 slide를 함께 결합하여 솔과 연결되는 축에 연결되도록 구상하였다. 따라서 이 부분의 경우 아래솔 파트는 모터-아크릴판-아랫솔과 연결되는 축 순으로 조립할 것이며, 옆솔은 dc모터-링크-slide&아크릴-옆면부 솔과 연결되는 축 순으로 조립한다. 서보모터는 1)과 동일하다.

3.스윙암 구동부

스윙암 구동부의 경우 축을 d컷을 내어 미리 제작을 하였기 때문에 d컷을 낸 축에 알맞은 브라켓과 아크릴판에 서보모터를 고정시키기 위한 브라켓을 너트를 통해 서보모터와 연결하여 아크릴, 축을 고정시킬 것이다. 세 파트 모두 부품에 대한 자세한 사이즈는 부품도에 명시되어 있다.

3.부품도

3D-Print 출력오차 고려한 보정설계, 공차설계

3D 프린트로 원형 축이나 홀을 출력하면 설계 치수보다 작게 출력되는 경향이 있다. 오차 정도는 3D 프린트 모델 종류에 따라 다르다. 원하는 치수와 끼워맞춤 공차를 얻기 위해서는 테스트를 통한 보정설계가 필수적이다.보정설계를 진행하기 위해 Bambu Lab X1E 모델의 출력오차를 다양한 크기의 샘플로 시험하여 확인하였다. 시험으로 확인된 보정치는 아래와 같다.

위 치수를 적용하였을 때 원하는 끼워 맞춤 정도의 출력물을 얻을 수 있었다. 시험을 통해 미리 보정치를 확인하여 시행착오를 줄일 수 있었다. 이는 필라멘트 사용량을 최소화하고 개발시간을 단축시키는데 큰 도움이 됐다.

1.스윙암(레이저 커팅)

서보모터 축과 슈트리를 연결하는 연결 링크인 스윙암은 다음과 같다.

2.스윙암 브라켓(3D프린팅)

서보모터와 결합되는 축을 연결하는 브라켓은 다음과 같다.

3.스윙암 서보모터 브라켓(3D프린팅)

스윙암에 사용하는 서보모터를 아크릴 프레임에 고정하기 위한 브라켓은 다음과 같다.

4.스윙암 축 프레임 브라켓(3D프린팅)

반대편에 축과 프레임을 고정시키기 위한 브라켓은 다음과 같다. 브라켓에 스토퍼를 설계하여 서보모터 축이 정해진 각도내로만 움직이게 설계하였다.

5.슈트리 브라켓(레이저 커팅)

슈트리와 스윙암을 연결하기 위한 브라켓은 다음과 같고, 둘을 용접하여 연결 시킬 예정이다.

6.서보모터 브라켓(3D프린팅)

옆면 세척 솔을 움직이게 하는 서보모터를 아크릴 판에 고정시키기 위한 브라켓은 다음과 같다.

7.측면부 슬라이드 링크 및 DC모터(3D프린팅)

솔에 회전력을 부여하기 위한 DC모터와 아크릴 판의 슬라이드를 연결하기 위한 브라켓이다.

8.측면부 솔-슬라이드 링크 어댑터

솔과 아크릴 판에 연결될 슬라이드 링크와 연결하기 위한 축을 설계하였다.

9.측면부 베어링-솔 어댑터

반대편 아크릴 판의 슬라이드 링크과 솔을 연결하기 위한 축을 설계하였다.

10.밑면부 솔-DC 모터 어댑터

밑면 부 솔에 회전력을 부여하는 DC모터와 연결하기 위한 브라켓을 설계하였다.

11.밑면 부 솔-베어링 어댑터

반대편에 솔과 아크릴 판을 연결하기 위한 축을 설계하였다.

12.밑면 부 솔 베어링 하우징

측면부는 7번 부품안에 베어링을 삽입하게 설계하여 베어링 하우징이 추가로 필요하지 않았지 만, 밑면 부는 없으므로 추가적으로 베어링 하우징을 설계하였고 다음과 같다.

13.슈트리

신발을 고정시키기 위한 슈트리는 기성품을 구매하여 이용하였다.

14.세제통

신발 세척을 위한 물을 담기 위한 통은 기성품을 구매하여 이용하였다.

제어부 및 회로설계

1.회로설계도 전력은 외부 전원(SMPS)를 통해 공급받는다. 3개의 DC 모터는 모터드라이버를 거쳐 전원을 공급받는다. 3개의 서보모터와 네오픽셀은 가변 컨버터(6V)를 통해 전원을 공급받는다. 초음파 센서는 아두이노 메가를 통해 전원을 공급받는다. 라즈베리파이는 가변 컨버터(5.2V)를 통해 전원을 공급받고, 아두이노 메가는 라즈베리파이와 USB 케이블을 통해 전원을 공급받는다. 자세한 전력 계산은 6-3절에서 설명하도록 하겠다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===구성원 소개===
-서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430024 김태훈(팀장)
+서울시립대학교 기계정보공학부·과 2019430024 이태훈(팀장)
 서울시립대학교 기계정보공학부·과 2018430038 전현욱