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| + | '''그림 19 전방 탈부착 전동보조화 장치-무브온(GN1027990960000)''' | ||
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| + | '''그림 19'''의 제품은 전방 탈부착형 보조장치로 수동식 휠체어의 전방에 결합됨으로써 전동식 휠체어의 기능을 수행한다. 휠체어 전방 앞쪽의 센터 체결부와 각도조절부, 포크부, 그리고 휠로 구성된 구조이다. | ||
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| + | '''그림 20 (좌) WO2018234303A1 (우) US20150183449A1''' | ||
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| + | '''그림 20'''의 왼쪽은 Steering arrangement for a wheelchair로 사용자 상체의 좌우 기울어짐 정도를 조향으로 설정하여 앞쪽의 캐스터를 조정한다. '''그림 20'''의 오른쪽은 Utility Machine with Dual-Mode Steering 으로 한 대의 차량에 두 개의 독립적 조향계를 두고 다양한 운동 조건에 맞게 사용한다. | ||
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| + | 위 제품의 장단점을 분석한 것은 위의 '''표 6'''과 같다. | ||
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| + | '''표 6 조향장치의 각 특허 현황에 따른 장점과 단점''' | ||
====시장상황에 대한 분석==== | ====시장상황에 대한 분석==== | ||
2025년 12월 17일 (수) 18:35 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Uni-Cart, 이동약자를 위한 다목적 모빌리티 플랫폼
영문 : Uni-Cart, A Versatile Mobility Platform for the people with limited mobility
과제 팀명
마리오 카트
지도교수
박찬희 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 2022650** 김**(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 2019430** 김**
서울시립대학교 기계정보공학과 2019430** 이**
서울시립대학교 기계정보공학과 2019430** 임**
서울시립대학교 기계정보공학과 2019430** 차**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 과제는 장애인 및 이동 약자를 위한 플랫폼을 개발하여 주행 편의성을 향상시키고, 수납 편의를 높이는 것을 목표로 한다. 이 과제는 수동 휠체어 사용자가 쇼핑 시 카트를 직접 몸으로 밀어야 하는 불편함과 기존 장애인용 쇼핑 카트의 제한된 수납 용량(57L)이라는 문제에서 착안했다. 이를 위해 전동화로 전환을 추진하고, 기존 캐스터 방식의 자유로운 바퀴에서 조향 구조를 결합한 이중 조향 모드를 가지도록 하여 다양한 환경에서 안정적이고 능동적인 주행을 가능하게 한다. 또한, 범용적인 플랫폼을 설계하여, 다양한 환경으로부터 사용할 수 있는 보편성을 갖춘 기구학적 구현을 추진한다. 궁극적으로 수동 휠체어 사용자 와 같은 이동 약자의 이동 부담을 줄이고 편리한 이동 경험을 제공하는 것을 목표로 하며, 캡스톤 디자인 완성과 시연을 통해 실질적 성과를 도출하고자 한다.
개발 과제의 배경
고령화와 더불어 장애인 및 이동 약자의 일상적 외출 수요는 꾸준히 증가하고 있으며, 이에 맞춘 생활 편의 플랫폼 개발의 필요성이 커지고 있다. 단순한 이동을 넘어 쇼핑, 여가, 의료 등 다양한 생활 영역에서 접근성과 자율성을 보장하는 것이 사회적 과제로 떠오르고 있다. 국내 장애인 쇼핑 환경의 근본적 한계는 수치를 통해 명확히 드러난다. 2020년 장애인실태조사에 따르면 전체 장애인 중 78.6%가 혼자 외출이 가능하며, 지체장애인의 87.4%가 단독 외출이 가능하다 답했다. 특히 약 24만 명의 장애인이 '쇼핑 목적 외출'을 하는데, 이는 장애인의 이동 수요는 결코 무시할 수 없는 규모에 이르고 있음을 방증한다. 이에 따라, 2022년 7월 28부터 「장애인·노인·임산부 등의 편의증진 보장에 관한 법률」 제16조는 장애인이 많이 이용하는 공공건물 및 공중이용시설에 휠체어, 보청기기, 장애인용 쇼핑카트 등의 비치를 의무화하고 있다. 특히, 3000m^2이상의 대형마트에서는 최소 3개 이상의 장애인용 쇼핑카트를 비치해야 한다. 그러나 현재 비치된 쇼핑카트는 대부분 수동 휠체어만 호환되는 단일 탈부착 구조를 갖추고 있고, 호환되지 않은 휠체어도 더러 있다. 또한, 수동 휠체어와 결합하더라도 한쪽만 연결되는 구조로 인해 사용자가 한 손으로 카트를 잡고 이동해야 한다는 문제점이 존재한다. 또, 짐이 많아 질 경우, 수동으로 휠체어 같이 밀어야 하는 부담 역시 크다.
그림 1 장애인용 쇼핑 카트가 휠체어에서 빠져 다시 고정하는 모습
수납 용량의 현저한 차이도 중요한 문제점이다. 아래 그림2에서 나타낸 바와 같이, 기존 장애인용 쇼핑카트의 바스켓 용량은 57L로, 일반 쇼핑카트의 180L에 비해 현저히 적다. 일반적으로 대형마트에서 사용되는 쇼핑카트가 180L 규격인 점을 고려하면, 장애인용 쇼핑카트의 수납 용량은 일반 사용자 대비 약 30% 수준에 불과한 실정이다. 이러한 문제들은 실효성 측면에서 심각한 한계가 보인다.
그림 2 쇼핑카트 바스켓 용량 차이(좌: 장애인용 쇼핑카트 57L, 우: e-마트 쇼핑카트 180L)
수동 휠체어 사용자가 겪는 이동 부담은 단순한 불편함을 넘어 의료적 문제로 이어진다. 국내 동력보조장치 사용자 대상 조사에서도 47.2%가 휠체어 사용으로 인한 근골격계 통증을 경험했으며, 이로 인한 의료비 지출이 10만원 이상인 경우가 25.9%에 달한다. 해외 연구에서도 수동휠체어 사용자는 이동 장애가 없는 사람보다 어깨 통증이 생길 가능성이 6배 더 높은 것으로 나타났다. 즉, 이동약자들의 신체적 부담은 사회 참여와 일상 활동에 심각한 제반 요인으로 작용하고 있어, 전동으로의 대중화가 필요하다. 비단 이는 쇼핑 카트에 국한할 것이 아니라, 아니라 물건을 적재할 수 있는 다양한 이동 수단에 적용된다. 본 과제에서 수동 휠체어 사용 이동약자에 대해 견인하여 활용할 수 있는 적재형 이동 전장 플랫폼을 개발하고자 한다. 이를 통해 쇼핑뿐만 아니라, 실내 여가활동, 공항 이동 등 내부 공간이 좁고, 넓은 환경이 반복되는 복잡한 환경에서도 이동 편의의 자유로움을 제공하고자 한다.
개발과제의 기대효과
본 과제에서는 기존 수동 이동 수단과 장애인용 운반 플랫폼이 가진 구조적 한계를 분석하고, 이를 극복할 수 있는 설계 방향을 제시하고자 한다. 첫째, 전동화로의 전환이다. 캐스터의 바퀴는 조작이 간편하고 자유로운 이동이 가능하다는 장점이 있다. 다만, 이는 발로 동력을 전달하는 일반인에 한정한 것으로, 손으로 동력을 전달하는 수동 휠체어 사용자에게 있어 불편하며, 환경 변화에 대한 적응성도 부족하다. 이를 극복하기 위해 본 조는 전동화를 도입하고자 한다. 전동화를 통해서 신체적 부담을 줄이고, 장거리 이동이나 짐이 많은 상황에서도 안정적인 주행을 할 수 있다. 둘째, 새로운 조향 시스템 설계다. 캐스터는 민첩성이 뛰어나 좁은 공간에서는 유리하지만, 적재량이 많아지면 일반인조차 다루기 힘들다. 반면, 자동차는 이미 아커만 조향 원리를 통해 이상적인 선회 성능 및 직진성을 구현했다. 이에 본 과제에서 이들 모두의 구조에 통합하여 이중 조향 기능을 가진 플랫폼을 제안한다. 이를 통해 좁은 환경에서는 캐스터의 기동성을, 넓은 환경에서는 아커만 구조의 직진성을 발휘해 한계를 극복하고자 한다. 마지막으로, 다목적 플랫폼 설계다. 본 과제물은 단순히 마트용 카트에 국한되지 않다. 공항, 실내 여가 시설 등 여러 환경에서 많은 짐을 가지고 다닐 수 있도록 범용적인 플랫폼을 설계해 다양한 곳에 서 이동의 자유로움을 제공하려고 한다.
본 과제를 통해 개발되는 통합 플랫폼은 수동 휠체어 사용자의 이동 부담을 실질적으로 줄이고, 장거리 이동이나 적재물이 많은 상황에서도 안정적이고 편리한 주행을 가능하게 한다. 이를 통해 이동약자의 사회 참여 기회를 확대하고, 실질적이고 혁신적인 생활 지원 혁신적인 솔루션을 제공한다.
개발 과제의 목표 및 내용
본 개발 과제는 장애인 및 이동 약자를 위한 플랫폼의 모빌리티 능력 향상과 편의성 제공을 넘어, 공항이나 주차장 등 여러 환경에서 유연하게 활용할 수 있는 다목적 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 한다. 이 목표를 달성하기 위해 크게 세 가지 측면을 중심으로 프로젝트를 진행하고자 한다.
모빌리티 향상
첫 번째 목표는 장애인 및 이동 약자를 위한 향상된 전동화와 조향 기술을 통해, 어떤 환경에서도 안정적이고 능동적인 주행이 가능한 시스템 구현이다. 평상시에는 자유로운 회전이 가능한 캐스터 바퀴를 사용하여 360도 제자리 회전 및 전 방향으로 회전을 용이하게 설계하여 좁은 공간에서 뛰어난 기동성을 제공한다. 그리고 그림3에 나타낸 바와 같이, 자동차에 주로 사용되는 조향 시스템인 아커만 구조를 추가해 핸들로 차량의 회전반경을 조절하여 조향에서 발생하는 바퀴의 에너지 손실을 줄이고자 한다.
그림 3 자동차 조향에서 아커만 구조
이 두 가지 조향 방식을 결합하기 위해, 새로운 구조를 추가해 기존 캐스터 방식의 자유로운 바퀴에 조향 구조를 결합한 이중 조향 모드로 설계하고자 한다. 다음의 그림4에 해당 장치에 대한 개략적으로 모델링을 구성했다. 이 기구는 플랫폼의 전륜에 결합되어 아커만 구조와 캐스터 모드 간의 전환을 도와주도록 설계하려고 하고, 이를 이중 조향 변환 장치라고 칭하겠다.
그림 4 이중 조향 변환 장치 개략도
모드 전환이 필요한 경우 사용자 조작(버튼) 또는 환경 인식(예: 센서)을 기반으로 두 조향 모드를 자동으로 전환하여 상황에 맞는 최적의 주행을 가능하게 하고자 한다. 이때 각 바퀴에 장착된 인 휠 모터는 모드에 따라 다르게 작동하게 설계하고자 한다. 우선 캐스터 모드에서는 자유로운 방향 전환을 지원하고, 아커만 모드에서는 조향각에 맞춰 차동 제어를 수행하여 바퀴의 불필요한 마찰을 줄이고 에너지 효율을 극대화하고자 한다. 위 두 모드는 캐스터 바퀴 위로 아커만 구조를 씌우는 구조로 제작하여 조향 장치의 탈부착이 가능하도록 설계하는 걸 목표로 한다.
사용자 친화적인 조향 조작
본 플랫폼의 구상안은, 뒷바퀴 2개에 인 휠 모터를 고정하고, 앞 바퀴의 캐스터와 조향 장치를 결합한 구조를 채택해 사용자가 조작을 쉽도록 설계한다. 앞서 언급한 “모빌리티 향상 측면”에서 목표한 바를 이루더라도, 이를 사용자가 쉽게 사용하지 못하면 의미가 퇴색된다. 따라서, 사용자가 이용하기 편하도록, 가령 휠체어와 플랫폼 사이 공간이나 조향하는데 필요한 힘 등이 적합하도록 설계해야 한다. 본 목표는 이동 약자로 하여금 좁은 통로나 혼잡한 공간에서 벽이나 다른 사람과의 충돌 위험 같은 상황에서 손쉽게 방향을 전환할 수 있는 조향 시스템을 제공함으로써 보장된 직진성과 조향성을 향상시키고자 한다. 이에 대해 개략적인 조향 장치 모델링을 그림5에 나타냈다.
그림 5 핸들의 회전이 전륜으로 전달되는 조향 장치
위의 장치를 플랫폼 후방에 위치시켜 사용자가 쉽게 방향을 제어할 수 있도록 설계하고자 한다. 이 장치를 이용해 핸들의 움직임이 전륜으로 지연 없이 즉각적으로 전달되어 사용자가 원하는 대로 신속하게 방향을 제어할 수 있도록 하며, 핸들의 회전각을 조절해 전륜의 회전각을 더 크게 만들 수 있도록 설계하여, 좁은 공간에서도 민첩하게 회전할 수 있는 기동성을 확보한다. 세부적으로 핸들의 위치를 차량 후방에 두고 핸들 조작 시 회전 운동력을 그대로 전륜의 조향 축으로 연결하여 좌·우 조향을 용이하게 만들어 이동 약자가 손쉽게 이용할 수 있는 조향 시스템을 제공한다. 해당 장치는 앞으로도, 사용자 친화적이며, 큰 부피를 차지하지 않는 단순한 구조 그리고 동력전달이 쉽도록 지속적으로 개선하려고 한다.
다목적 수납 가능 플랫폼
수납이 가능한 플랫폼 설계 측면에서, 본 프로젝트는 단순히 이동 편의성을 넘어 다양한 환경의 사용처로 쓰이기를 목표한다. 이를 위해, 목적에 따라 쇼핑 바구니, 수하물 트레이, 짐 운반 모듈 등을 쉽게 탈부착할 수 있는 모듈형 본체를 설계하려 한다. 이 모듈형 디자인은 공항, 병원, 대형 마트 등 다양한 환경에 맞는 범용적인 해결책을 제공하며, 기존 시스템과의 호환성을 극대화한다. 위 기능을 통해 환경 별 수납공간을 확보할 수 있고 이동 약자도 일반 사용자처럼 충분한 양의 물품을 구매하고 운반할 수 있도록 실효성을 높인다. 나아가, 휠체어와 수하물 칸을 결합하여 이동 약자의 공간적 제약을 해소하고 자유로운 활동을 지원하는 새로운 형태의 모빌리티를 개발한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
개발하고자 하는 유니카트와 유사한 제품으로는 전동 카트, 전동 쇼핑 카트, 수동 휠체어용 수동 쇼핑 카트, 전동 휠체어가 있다.
전동카트 현재 시중에 판매되고 있는 전동 카트는 화물 운송용이 대부분이다. 이들은 일반적인 대차의 바퀴를 인 휠 모터로 치환하거나, 구동부를 추가로 장착한 것들이다. 조향 장치가 없어 일반적인 대차와 유사하게 사용자가 다른 방향으로 밀어서 회전시킨다. 아래 그림 6~9는 시중에 판매되는 전동 대차이며 비교한 것을 표로 정리하면 표 1과 같다.
표 1 전동카트간 성능 및 가격 비교
전동 쇼핑 카트 현재 시중에 판매되고 있는 전동 쇼핑 카트들의 대부분은 그림 10와 같이 전동 스쿠터에 바구니를 추가한 구조이다. 해당 제품의 정보는 표 2와 같다.
그림 10 EZ-Shopper 8000
표 2 EZ-Shopper 8000 성능
수동 휠체어용 쇼핑카트 수동 휠체어용 쇼핑 카트들의 대부분은 일반적인 쇼핑 카트와는 다르게 두 쌍의 캐스터 위에 프레임에 부착되어 있고, 그 위에 바구니가 있는 구조이다. 그림 11, 12에서 알 수 있듯이 손잡이가 없고, 휠체어에 연결하는 클램프만 존재한다.
그림 11 Wanzl사의 카트 그림 12 삼보사의 휠체어 카트
전동 휠체어/전동 스쿠터 화물적재 능력이 없는 일반적인 전동 휠체어와 달리 의료용 전동 스쿠터 형태는 그림 8, 9, 10, 11에서 알 수 있듯 적은 양의 화물 적재가 가능하다. 아래 표 3은 그림 13~16 9, 10, 11의 제품 정보이다.
표 3 의료용 전동 스쿠터의 성능 및 가격 비교
- 기술 로드맵
그림 17 휠체어와 일반 쇼핑 카트간 결합 장치
전동 카트는 1964년, 수동 휠체어용 쇼핑 카트는 1981년에 등장하였다. 반면, 전동 쇼핑 카트는 전동 스크터가 개량되어 1954년에 수동 휠체어용 쇼핑 카트보다 먼저 나왔다. 이들 모두 등장 이후 구조적인 변화는 없었으며, 개선된 모터와 배터리를 이용하는 것 이상의 개량은 없었다. 수동 휠체어용 쇼핑 카트의 경우, 그림 17의 보행기와 수동휠체어 겸용 쇼핑 카트, 일반 쇼핑 카트와 수동 휠체어 간의 연결장치 등 개선된 특허가 있었다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 전동보조장치 관련 특허 현황
- 착탈식 전동 장치 및 이를 구비한 휠체어
- 전동보조장치 관련 특허 현황
그림 18 측면 탈부착 전동보조화 장치- 토토 드라이브 시스템(KR101756296B1)
그림 18은 측면 탈부착형 보조장치로 손잡이와 연결된 프레임에 각각 체결하는 결합부와 상기 결합부에 부착하여 수동휠체어의 바퀴에 동력을 전달하는 구동부를 갖는다.
- 휠체어 추진장치
그림 19 전방 탈부착 전동보조화 장치-무브온(GN1027990960000)
그림 19의 제품은 전방 탈부착형 보조장치로 수동식 휠체어의 전방에 결합됨으로써 전동식 휠체어의 기능을 수행한다. 휠체어 전방 앞쪽의 센터 체결부와 각도조절부, 포크부, 그리고 휠로 구성된 구조이다.
- 장단점
앞에 두 특허의 장단점을 비교하면 아래 표 4와 같다.
표 4 전동보조장치 특허 현황 장점과 단점
- 본 발명과 비교
아래의 표 5는 비교 대상과 유니카트를 비교한 것이다.
표 5 전동보조장치 특허 현황과 유니카트의 비교
- 조향 시스템 관련 특허 현황
- 특허 현황
- 조향 시스템 관련 특허 현황
그림 20 (좌) WO2018234303A1 (우) US20150183449A1
그림 20의 왼쪽은 Steering arrangement for a wheelchair로 사용자 상체의 좌우 기울어짐 정도를 조향으로 설정하여 앞쪽의 캐스터를 조정한다. 그림 20의 오른쪽은 Utility Machine with Dual-Mode Steering 으로 한 대의 차량에 두 개의 독립적 조향계를 두고 다양한 운동 조건에 맞게 사용한다.
- 장단점
위 제품의 장단점을 분석한 것은 위의 표 6과 같다.
표 6 조향장치의 각 특허 현황에 따른 장점과 단점
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
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
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
