"졸업시켜조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 19일 (목) 22:37 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

1) 국문 : 배수관 노폐물 자동 제거 장치

영문 : Drainage Disposal Automatic Removal Device

2) 국문 : 오뚝이 전동 휠체어

영문 : A self-Righting Electric WheelChair

과제 팀명

졸업시켜조

지도교수

나영승 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 송*수(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 이*제

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 한*호

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 전*아

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 이*준

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

세면대나 싱크대의 배수관이 막힐 때 자동으로 배수관의 노폐물을 제거해 막힘을 뚫어주는 장치를 개발한다. 일반적으로 배수관의 노폐물을 제거하기 위해서는 사람이 직접 조처를 해야 하지만 이 장치를 이용하여 버튼을 누르는 것으로 배수관의 노폐물을 자동으로 제거해준다. 이는 압축공기를 배수관에 방출함으로 배수관 내부의 노폐물을 제거하는 원리를 사용한다. 이를 위해 압축공기를 생성하는 펌프와 그 압축공기를 저장할 탱크, 압축공기를 배수관에 방출할 때 압력의 역류를 막아주는 차폐막, 스위치와 차폐막을 제어하는 알고리즘을 이용한다.

개발 과제의 배경 및 효과

가정집에서 세면대를 사용할 때 일정한 기간이 지나면 세면대의 배수관이 막히는 모습을 볼 수 있다. 이러한 현상은 가정집에서는 빈도가 높지 않지만, 상대적으로 사용 횟수가 많은 공공시설의 화장실이나 음식점의 싱크대에서는 쉽게 볼 수 있다. 일반적으로 배수관의 노폐물을 제거하는 방법으로는 배수관에 노폐물을 녹이는 액체를 붓거나 직접 압축공기를 방출하는 도구로 노폐물을 제거하는 방식이 있다. 액체를 사용하는 방법은 액체를 붓고 나서 30분에서 1시간 이상을 대기해야 하는데, 사용 빈도가 높은 곳에서는 배수관에 계속 물이 흐르기 때문에 사용할 수 없다. 압축공기를 방출하는 도구는 사용하기 전에 압축공기를 통 안에 충분하게 채워야 하지만 이 공기를 채우는 과정에 힘이 많이 들기 때문에 직접적으로 시설을 관리하는 노동자분들이 자주 사용하기 힘들다. 게다가 싱크대 같은 경우에 이 도구를 사용하기 위해서는 위의 그릇들을 모두 치우고 해야 하는데 이 과정이 번거롭다. 이러한 과정들을 자동으로 가능하게 바꿔준다면 관리자가 아니더라도 누구나 쉽게 막힌 배수관을 뚫을 수 있고 배수관을 뚫는 시간도 훨씬 단축할 수 있어서 불필요한 시간 낭비를 줄일 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

압축공기를 충전하는 펌프와 압축공기를 저장하는 통, 배수관을 연결해 항상 사용할 수 있는 압축공기를 방출할 수 있는 상황을 조성한다. 이때, 압축공기의 압력은 기압 센서를 이용해 파악한다. 배수관이 막힌 것이 육안으로 확인되면 버튼을 눌러서 장치를 작동한다. 장치가 작동하면 먼저 압력의 역류를 방지하기 위해 배수관의 개폐 장치를 닫고, 탱크와 연결된 부위의 개폐 장치를 개방해 충전돼있는 압축공기를 방출해서 배수관의 노폐물을 제거한다. 예상 작동시간은 최대 1분으로 더 줄이는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

State of art

현재 판매되고 있는 압력을 이용한 여러 가지 배수구 청소용구 중 가장 발전된 제품은 ‘미스터펑 클리너’, ‘배수구 만능 머신건’ 두 가지 제품으로 각각 이산화탄소 카트리지를 이용한 압력분사와 손으로 공기를 압축하여 압축공기를 분사하는 제품들이다. 이처럼 최신 배수구 청소용구들은 사람의 힘을 최소로 들게 하거나 배수구의 막힌 오물들을 사람이 직접 손으로 만지지 않게 하는 방향으로 발전하고 있다.

기술 로드맵

개발하고자 하는 기술은 압축공기를 만들고 저장하는 공기 저장 장치, 역류를 방지하면서 공기를 분사하는 노즐 장치, 적절한 분사 타이밍과 압력을 조절해 주는 제어장치로 3가지이다.

본 프로젝트 기간 동안 배수구를 뚫을 수 있는 압력을 계산하고 그에 따른 배수관의 재질, 압축모터, 노즐, 역류방지용 차단막, 배수구 자동청소 시스템 제어부를 개발한다.

배수관의 재질은 압축공기의 분사 시 압력을 관벽이 버텨야하며 더 나아가 관의 이음새들도 압력에 손상이 가지 않아야 한다.

압축모터의 경우 부피가 크지 않아야 하고 적정 공기압을 생성할 수 있는 모터로 선정하게 된다. 노즐과 차단막의 경우 공기 분사 시 배수구 입구로 오물이 역류하는 것을 막아주어야 하며 노즐로 공기가 분사되기 전 차단막이 전개되어야 한다.

제어장치는 배수관이 막힐 때는 파악할 수 있는 센싱 기술과 사용자가 입력을 주었을 때 동작을 시작하는데 이 때 압축모터 동작, 차단막 전개, 노즐 분사 타이밍을 적절히 조절할 수 있도록 개발을 진행한다.

장치의 설계와 제어시스템 개발을 완료한 후 시뮬레이션을 통해 테스트를 진행한 후 시제품 제작에 들어간다.

특허조사

특허전략

본 프로젝트는 배수구의 막힘에 대해 공기압 분사를 이용하고 이를 자동화하는 장치를 개발할 것이다. 특허조사 결과 배수구의 막힘을 방지하거나 막히는 것을 청소하기 위한 특허는 많았지만 해당 프로젝트와 일치하는 특허는 조사되지 않아 없는 것으로 판단한다. 따라서 완성도 있는 장치 개발을 바탕으로 특허 취득의 가능성을 높일 수 있는 전략을 취한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

나-1. Strength-Opportunity 전략

공용세면대는 청소인력들이 청소를 진행하면서 세면대 수가 많고 배수관이 막혀 있는 것을 발견하지 못하는 경우가 많아 사용자가 사용할 때는 배수구가 막혀 있어 사용하기 어려운 경우가 많다. 본 장치는 설치 이후 사용자가 막혔다고 판단되거나 장치 스스로 막혀 있다고 판단되면 바로 배수구를 청소하는 것이 가능하기 때문에 공용세면대 배수구 관리에 강점을 가지고 있다. 또한 기존의 U자관을 본 장치로 교체를 진행하면 되기 때문에 설치가 편리하며 배수구의 입구가 보이지 않을 경우에도 배수관을 뚫을 수 있다는 장점이 본 프로젝트 SO전략이다.

나-2. Weakness-Threat 전략

본 장치는 기존의 경쟁제품들에 비해 가격대가 높으며 장치와 U자관이 일체형으로 되어 있어 수리가 어렵고 고장이나 파손이 발생하면 교체를 해야 한다는 단점이 있다. 따라서 비용적인 측면에서 경쟁제품들에 비해 부족하므로 가격을 높이는 요소들을 최대한 줄여 저렴한 가격대를 형성하여야 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

압축공기 생성 장치

본 장치에 사용되는 압축공기 생성을 위한 장치는 세면대의 U자관에 장착이 되어야 하기 때문에 부피 소형화와 가벼운 무게를 지녀야 하고 배터리를 사용하기 때문에 소비전력도 낮아야한다. 따라서 압축공기 생성 장치의 소형화가 된다면 본 프로젝트의 장착형 배수구 청소용구가 아닌 휴대용 청소용구에도 응용이 가능할 것으로 생각된다.

센싱을 통한 정보 수집 및 기계학습을 통한 정보처리

본 장치는 기본적으로 사용자가 막힘을 인지하여 버튼을 작동시키지만 배수관 내 센서를 통하여 정보를 수집하고 기계학습을 통해서 장치 스스로가 배수관이 막히지 않도록 조절하게 하는 것이 목표이다. 리를 통해 센서의 정보를 효율적으로 처리하는 능력과 기계학습을 통해 다양한 조건에서도 정상적으로 작동하는 장치를 개발함으로써 정보처리 능력과 기계학습 분야에 영향을 줄 것으로 생각된다.

경제적 및 사회적 파급효과

본 프로젝트는 기존의 U자관의 규격을 사용할 것이기 때문에 호환성 문제를 해결하여 배수관을 즉시 교체할 수 있도록 설계될 것으로 사용자가 쉽게 교체를 할 수 있고 추가로 부품을 사지 않게 하여 추가적인 비용이 들어가지 않도록 할 것이다.

본 장치는 기존의 배수구 막힘 청소용구 속칭 뚫어뻥이 사용자가 직접 압력을 주어 막힌 배수구를 뚫었고 개선되어 나온 경쟁제품들도 사용자가 직접적으로 배수구의 압력을 주어 뚫진 않지만 사용자가 도구를 막혀있는 배수구에 사용해야 한다는 단점들이 존재했다. 해당 프로젝트의 장치가 개발이 되면 사용자가 배수구 근처에 있지 않더라도 막혀있는 배수관을 뚫을 수 있어 사용자가 느끼는 불쾌한 감정들이 많은 부분 해소될 것으로 예상된다.

또한 청소인력들이 인지하지 못한 막힘으로 인해 발생하는 재청소를 줄일 수 있어 인력의 효율적인 관리와 비용절감을 이끌어 낼 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

팀 구성원 및 인원 배치

추진체계

설계

설계에 대한 내용을 다루기에 앞서 기존 프로젝트 주제(배수관)에서 오뚝이 전동휠체어로의 주제 변경이 있었다. 회의 결과 기존 제품에 비해 배수관의 실용성과 상품성을 확보하는 데 제한사항이 있다고 판단하였다. 따라서 배터리 모듈의 이동을 통해 무게중심을 유지함으로써 안정성을 높인 휠체어를 주제로 삼았으며, 아래 설계에 관련한 사항은 배수관과 휠체어에 관한 내용을 모두 포함하고 있다.

설계사양

가. 제품 요구사항

나. 평가 내용

◇ 정확성

● 본 프로젝트 장비의 주된 목적인 배관 청소 능력이 보장되어야 한다.

● 적정 수준의 압력은 배관 청소 능력 뿐 아니라 피로파괴에도 영향을 미친다. 따라서 적당한 범위 내의 압력을 생성할 수 있도록 압력 측정 해상도가 준수해야 한다.

● 차단막과 트리거 제어가 정확해야 한다.

◇ 안정성

● 사용자에게 불쾌감을 주지 않기 위해 누수, 역류를 방지해야 한다.

● 반영구적인 사용을 위해 피로파괴 수명을 반영구적을 목표로 한다.

◇ 편의성

● 각 부품이 조립, 해체에 용이하여 유지 보수가 쉽도록 각 부품을 모듈화한다.

● 각 부품은 역할이 명확하도록 직관적인 구조를 갖는다.

● 사용자가 커스터마이징하기 쉽도록 소스 코드를 오픈한다.

◇ 경제성

● 제작과 유지 비용을 줄여 사용자의 부담을 줄이고 시장성을 확보한다.

● 모듈의 다양한 규격을 제작하여 여러 환경에서 사용 가능하도록 한다.

개념설계안

◇ 고압 생성

● 압축 펌프

압축 펌프는 고압 공기에 필요한 압력을 역학적으로 생성한다. 펌프에 전력만 인가되면 출구에서 고압기체가 출력되므로 구조적으로 용이하다. 초기 비용이 비싸지만 유지 비용이 저렴하다.

● 탄산 카트리지

탄산 카트리지는 공기가 이미 카트리지 내부에 압축되어 있다. 카트리지에 트리거를 사용하여 고압의 공기를 내보내는 형식의 구조를 만들어야 한다. 재장전에 용이하도록 설계하려면 구조적인 어려움이 있을 것으로 예상된다. 초기 비용은 저렴하지만 유지 보수 비용이 발생한다.

◇ 차단막

● 랙 기어

랙기어는 모터의 회전 운동을 직접적으로 직선 운동으로 변환한다. 직선 운동의 단순함은 밀폐 수준을 정밀하게 하고, 설계 난이도를 낮춘다.

● 회전 축

회전 축 방식은 모터의 회전을 그대로 사용한다. 단순한 구조를 가지므로, 밀폐 수준을 정밀하게 하고, 설계 난이도를 낮춘다.

● 체크 밸브

체크는 위의 아이디어와는 달리 추가적인 동력원을 필요로 하지 않는다. 파이프 내에서의 압력 차이에 의해 전달되는 힘이 체크 벨브를 도작시킨다. 체크 벨브는 유체의 방향을 압력에 따라 결정시켜 역류를 막을 수 있다. 찌꺼기가 많을 것으로 예상되는 시스템에서의 체크 밸브 개발은 밀폐 수준을 보장할 수 없고 설계 난이도를 높인다.

평가 및 분석 - 배수관

탄산 카트리지 방식은 사용자가 가동 시마다 탄산 카트리지를 장전해야 하며, 탄산 카트리지가 소진될 경우 재구매해야 한다. 또한 탄산 카트리지를 동작시키는 기구학적인 설계가 필요하다. 압축 펌픈는 한번 설치할 경우 추가적인 유지 보수가 필요 없다. 전기세만이 유일한 유지 비용이 될 수 있다. 역학적인 설계만 필요하므로, 설계 난이도가 낮다고 할 수 있다. 따라서 압축 펌프를 사용한다.

가. 평가 기준

◇ 고압 생성

● 편리성: 사용자 입장에서 편리함을 제공해야 한다.

● 유지 비용: 유지 비용을 줄여, 사용자의 부담을 줄인다.

● 설계 난이도: 유지 보수가 용이하도록 간단한 구조로 설계한다.

◇ 차단막

● 확실한 밀폐: 본 프로젝트 주제의 가장 주된 성능이다.

● 서계 난이도: 유지 보수가 용이하도록 간단한 구조로 설계한다.

나. 평가 내용

◇ 고압 생성

◇ 차단막

이론적 계산 및 시뮬레이션 - 휠체어

가. 휠체어의 구조해석

제안하는 휠체어는 하단부에 배터리모듈이 이동하는 레일이 포함되어있다. 또한 배터리 모듈을 이동시키는 모터와 베어링 등의 부품이 추가된다. 따라서 해당 부분을 모델링하고 예상되는 하중을 가하는 응력해석을 실시함으로써 구조적 안정성을 확인한다. 추가적으로 랙과 피니언 부분에 발생하는 변형을 통해 안정성을 확인한다.

레일

랙&피니언기어

연결축

전체구조

모든 해석조건은 각 부품의 재질과 하중을 고려하였으며, 70kg의 사람이 시트에 앉아있다는 가정 하에 진행되었다. 배터리 이동 모듈 메커니즘의 경우 변형률이 구동에 큰 영향을 끼친다. 따라서 변형률을 기준으로 해석을 실시하였으며, ANSYS를 이용해 해석한 결과 모든 부위에서 탄소강의 항복강도인 250Mpa에 비해 모든 부분에서 안전계수 3 이상을 확보하였다.

나. 동적 시뮬레이션

다음으로 휠체어의 최대 기울기를 측정하기 위해 동적해석을 진행하였다. 휠체어가 지면과 특정 각도를 이루며 정지한 상태에서 시간이 지남에 따라 낙상이 발생하는지, 지면으로 복귀하는지를 판단하였다.

배터리가 중앙에 있는 경우

배터리가 움직인 경우

동적해석에서는 좌우 무게중심이 중요한 요인이므로 단순화 된 모델을 사용했다. ANSYS를 사용해 해석한 결과 배터리의 위치가 중앙에 있을 경우 최대 경사각은 34도, 최대로 움직인 경우 경사각은 44도로 약 10도 증가한 결과를 얻었다.

조립도

가. 배수관 조립도

배수관 조립도

- 아두이노 : 압축펌프가 압축공기를 통에 주입할 때 기압 센서로 공기의 기압을 측정해 압축펌프를 멈춘다. 배수관이 막혔을 때 버튼을 누르면 스텝 모터를 가동해 배수관의 차폐막을 닫고 압축공기 통의 차폐막을 열어 공기를 방출한다.

- 기압센서 : 압축공기 통의 내부 압력값을 인식해서 아두이노에 전달한다.

- 스텝 모터 : 아두이노에서 신호가 전달되면 랙기어를 이동시켜 차폐막을 개방, 차단한다.

- 압축공기 통 : 압축 펌프에서 생성되는 공기를 보관한다.

- 차폐막 : 압축된 공기가 배출될 때 배수관의 압력이 역류되지 않도록 배수관을 차단한다.

나. 오뚝이 휠체어 조립도

휠체어조립도

- 모터 : 원래 전동휠체어의 모터라 가정하고 클러치에 동력을 생성한다.

- 모터 축 : 모터의 동력을 전자 클러치에 전달한다.

- 전자클러치 : 휠체어가 기울어지면 전면부와 후면부가 접촉하며 모터의 동력을 전달한다.

- 클러치 축 : 클러치에 전달된 모터의 동력을 랙·피니언에 전달한다.

- 베어링 : 클러치의 전면부와 후면부가 잘 접촉할 수 있도록 축의 위치를 고정해준다.

- 랙·피니언 : 클러치에서 동력을 전달받아 레일 축 위에 있는 배터리를 이동한다.

- 레일 축, 축 베어링 : 배터리를 지지하고 랙·피니언에서 전달된 동력으로 배터리를 이동한다.

- 축 서포터 : 레일 축을 지지하고 고정시킨다.

제어부 및 회로설계

휠체어조립도

소프트웨어 설계

본 프로젝트의 시스템은 전자석 클러치를 모터에 부착시켜 모터의 출력을 공유한다. 여기서 모터 제어는 시스템 내부에 있지 않다. 릴레이 모듈은 전자석에 전력을 허용하여 모터에 부착시키지만, 반응속도가 duty rate 제어를 할 만큼 빠르지 않다. 따라서 소프트웨어는 피드백 제어는 하되 duty rate 제어가 되지 않는 시스템을 제어하는 것을 목표로 한다.

소프트웨어의 프로세스 모델은 폭포수 모델을 이용하였다. 프로세스는 크게 알고리즘 제작, 모듈 코드 검증, 전체 코드 검증, 최적화 순서로 진행되었다.

휠체어조립도

◇ 알고리즘 제작

센서부와 제어부의 시나리오를 고려하여 알고리즘을 pseudo 코드로 제작한다. pseudo 코드에서는 구체적인 수치나 명세 없이 추상적인 개념으로 제작하였다.
자이로 센서로부터 항상 X 축 값을 수신한다.(여기서 X 축은 휠체어가 기우는 축을 의미한다.) X, Y축이 지표면에 평행하여 Z축이 중력 가속도를 대표할 수 있다면, X 축의 값은 위 그림에서의 theta로 표현될 수 있다. 초음파 센서는 항상 배터리와의 길이(d)를 한쪽 끝에서 측정한다. 알고리즘은 theta에 의해 분기된다. theta가 절대값 theta(cr)(임계 각도값)을 초과하면 모드 1로 동작한다. 그렇지 않으면 모드 2로 동작한다.
모드 1에서 초음파 센서와 가속도 센서는 배터리가 목표 위치(Target Position)를 오버 슈팅하지 않고, 빨리 수렴할 수 있도록 하기 위한 엔코더의 역할을 한다. 오버 슈팅하지 않기 위해 거리가 목표 위치에 가까워지면 릴레이 모듈을 제어하여 클러치가 부착되지 않게 한다. 일반적으로는 목표 위치에 빨리 도달하기 위해 모터 속도를 제어하지만 본 시스템에서 모터의 duty rate를 제어한다. 하지만 본 시스템에서는 모터의 duty rate가 시스템 외부이기 때문에 클러치의 부착 시간을 duty rate와 유사하게 제어한다. 따라서 theta가 충분히 커서 많은 힘을 필요로 할 경우 부착 시간을 theta에 선형적으로 증가하도록 한다.
모드 2에서는 theta가 theta(cr)보다 작기 때문에 기울어짐이 없는 상황으로 간주한다. 이 때는 초음파 센서가 무게 중심을 중앙으로 조절하기 위한 엔코더의 역할을 한다. 만약 중앙 범위에서 배터리가 벗어날 경우 반대 방향으로 클러치를 부착하여 중앙에 오도록 한다. 이 때의 부착 시간은 매우 미소하게 하여 바퀴로 가는 동력의 손실을 최소로 한다.

◇ 모듈 코드 검증

각 모듈의 코드를 검증한다. 각 모듈이 해야하는 동작은 기본 동작들이므로 예제 수준으로 동작을 확인한다. 센서의 경우 노이즈가 있음을 확인할 수 있었다. 특히 자이로 센서의 노이즈는 심각하였다. 노이즈를 줄이기 위해 구간 측정값의 평균값을 사용하는 방식을 채택하였다. 검증 단계에서는 15회의 측정값을 하나의 평균값으로 내어 오작동을 제거한다.

◇ 전체 코드 검증

하드웨어가 완성되어 제어부가 부착되어있고, 모듈 코드들이 검증된 경우 전체 코드를 검증한다. 앞에서 작성한 pseudo 코드를 실제 코드로 구현한다. 실제 코드의 알고리즘이 제대로 동작하는 지 확인한다. 이 단계에서는 각 코드들이 정상적으로 동작하는 지 알고리즘 수준으로만 검증한다.

◇ 최적화

코드 내에서 상수들을 최적화한다. 최적화 대상의 상수는 센서 측정 반복 횟수와 기울어짐 경곗값 부착시간 비례 상수이다. 각각의 상수 최적화는 종속적이기 때문에 중요한 상수, 제어 순서를 고려하여 순차적으로 최적화하였다.
센서 측정 반복 횟수는 자이로 센서의 노이즈 제거를 위한 상수다. 센서 측정 반복 횟수가 클수록 노이즈에 강건성이 증가하지만, 지연 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다. 따라서 목표함수는 반복 횟수의 최소화이고, 제약 함수는 Err(오작동 확률) < 1%이다. i_max의 초기값은 15회로 진행하였다. 하지만 실제 주행이나 외부 충격에 의한 진동을 고려한 실험에서 15회는 아웃라이어에 취약하였다. 순차적으로 횟수를 늘렸고 100회 근방에서 오작동 확률이 0%에 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 i_max의 최적값은 100회로 결정하였다.
자이로센서에 의해 측정 반복 횟수만큼 측정한 값들의 평균이 기울어짐 경곗값을 넘어설 경우 릴레이 모듈이 동작한다. 기울어짐 경곗값은 몸체가 10° 기울어졌을 때 자이로센서로 i_max만큼 측정한 값들의 평균값 집합을 표본으로 할 때의 99%의 신뢰도를 갖는 값으로 설정하였다. 정확한 각도만큼 휠체어를 들어올리는 것은 불가능했기 때문에 대략적인 값이 설정되었다. 결정된 값은 5번의 이터레이션에 의해 1000으로 결정하었다.
부착시간 비례 상수는 전자석 클러치로부터 충분한 힘을 받기 위해, 모터에 클러치를 부착하는 시간이다. 휠체어가 기울어질수록 더 많은 힘을 필요로 하기 때문에 비례상수를 적용한다. 부착시간 비례 상수가 커질수록 목표 위치에 빠르게 도달할 수 있지만, 오버 슈팅이나 진동이 증가할 수 있다. 오버 슈팅의 경우 휠체어가 파손될 수 있고, 진동과 더불어 사용자에게 불편함을 제공한다. 따라서 오버 슈팅이 절대 발생하지 않게 하고 진동이 체감되지 않는 내에서 최대의 비례 상수를 설정한다. 비례상수는 0.008로 결정하였다.

자재 소요서

휠체어조립도

결과 및 평가

완료작품 소개

제안하는 제품은 클러치, 랙 피니언 기어를 바탕으로 배터리 모듈이 이동하여 안정성을 높인 전동휠체어이다.

프로토타입 사진

배터리에서 공급되는 전력으로 인해 모터에 연결된 축은 항상 회전상태를 유지한다. 자이로센서에서 휠체어가 기우는 것을 인식하고, 아두이노에 신호를 보낸다. 기운 방향에 따라 클러치의 전자석에 전류가 흐르고, 모터의 축과 피니언 기어의 축이 연결된다. 이에 따라 프로토타입은 휠체어가 기울어지는 경우에만 배터리 모듈을 이동시키는 구조이다.

포스터

휠체어조립도

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

재료비 내역

완료 작품의 평가

평가항목 및 결과

프로토타입의 평가항목과 기준은 표x 에 도시된 바와 같다. 우선 본 프로젝트의 본질적 목적이라 할 수 있는 휠체어의 안정성 증가 항목에서는 기존 34도 -> 프로토타입 42도로 8도가 증가했다. 다음으로 안정성 증가량에 가장 큰 영향을 미치는 배터리 모듈 가동범위의 경우 총 300mm였던 당초 목적에 비해 70%로 감소한 결과를 얻었다. 마지막으로 무게 증가량과 전력 소모량은 휠체어의 최대 주행거리를 확보하기 위해 최소화 해야 하는 항목이다. 무게 증가를 무시할 경우 시판되고 있는 전동 휠체어의 주행거리는 약 85%로 줄어든다. 따라서 적절한 주행거리를 확보하기 위해 전력 소모량은 최대 80W로 설정하였다. 설계 결과 무게 증가량은 15kg, 전력 소모량은 100W로 각각 목표의 125%, 75%를 달성하였다. 비중*달성도로 계산한 최종 점수는 아래와 같다.

40*0.8 + 20*1.0 + 10*0.7 + 30*0.75 -> 81.5 / 100

향후평가

프로토타입에서 초기 목표치에 도달하지 못한 것은 배터리의 가동범위, 최대기울기, 전력 소모량이다. 가동범위와 최대기울기에 대해서는 가로 길이가 짧은 형상의 배터리를 사용할 경우 가동범위를 더 넓힐 수 있고, 그에 따라 최대 기울기 또한 늘림으로써 안정성을 더욱 강화할 수 있다. 또한 전력소모량의 경우 프로토타입을 제작하는 과정에서 안전계수를 고려해 고출력 모터를 사용했다. 랙, 피니언의 마찰을 고려해 최적의 모터를 선정한다면 무게와 전력소모량을 줄이고, 기존 휠체어의 주행거리에 영향을 주지 않는 선에서 구현이 가능할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

① Motion control of joystick interfaced electric wheelchair for improvement of safety and riding comfort, 논문

② [[1]] 전동휠체어 제품 자료

③ 겨울철 고령자 안전사고의 절반 이상이 ‘낙상사고’, 케미컬뉴스

④ 35%가 사고 경험... 전동휠체어 ‘안전 비상’, YTN 뉴스

관련특허

① 근전도 신호 제어형 전동휠체어 및 그 제어방법, Electronotive wheelchiar for controlling anelectromyogram an its controlling method, 1020040010333

② 장애물을 용이하게 오르내릴 수 있는 삼단 상하 운동 바퀴를 구비한 전동휠체어, Electrix Wheelchair equipped with Vertical motion wheels, 1020150167103

③ 휠체어 낙상사고 대응 시스템, Wheelchiar fall Accident Response System, 1020190009076

④ 휠체어용 안전 장치, Safety Device for Wheelchair, 1020160045567