"8조-설계말랑즈"의 두 판 사이의 차이

2025년 12월 17일 (수) 08:07 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트 안전 유모차

영문 : Smart Safety Stroller

과제 팀명

설계말랑즈

지도교수

이수일 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 조**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 이**

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 터치 감지 기반의 제동 제어와 자동 난방 시스템을 통합하여, 영아의 탑승 안전성과 열적 쾌적성을 극대화한 스마트 안전 유모차 개발을 목표로 한다. 핵심이 되는 제동 시스템은 핸들의 터치 센서를 통해 사용자의 파지 여부를 감지하고, 브레이크를 자동으로 체결 또는 해제하는 방식을 채택하였다. 특히 센서나 모터의 고장 상황을 대비하여 수동으로 제동을 해제할 수 있는 이중 안전장치(Fail-safe)를 설계하였다. 이를 통해 사용자가 제동을 걸어야 하는 기존의 수동적 안전 시스템을, 사용자가 잡고 있을 때만 주행 가능한 능동적 안전 시스템으로 전환하여 사고 위험을 원천적으로 차단하였다. 아울러 쾌적성 향상을 위해 펠티어 소자와 팬을 활용한 자동 온도 제어 시스템을 구축하였다. 이는 겨울철 영아의 예상 온열감(PMV) 지수를 기반으로 최적의 온도를 실시간으로 제어하며, 보호자는 탑재된 LCD 화면을 통해 내부 온도 및 미세먼지 농도 등의 환경 정보를 직관적으로 모니터링할 수 있다.

개발 과제의 배경

일반적인 수동 유모차는 평지나 실내 환경에서 사용하는 데에는 큰 문제가 없으나, 실제 일상 동선은 보도 경사, 주차장 램프, 공원 내 오르막/내리막 등 다양한 경사 조건이 존재한다. 이때 보호자가 잠시 손을 놓는 순간이 생기면, 유모차는 무게중심과 중력 방향에 따라 미끄러져 내려갈 위험이 발생한다. 이는 단순한 부주의의 문제가 아니라, 시중 제품 다수가 채택해 온 ‘기본-해제’ 브레이크 구조의 한계에서 비롯된다. 현행 구조는 손잡이 레버 조작이나 발 브레이크 페달 고정 등 별도의 수동 행위를 전제로 정차 안전을 확보하므로, 돌발 상황에서 즉시적이고 자동적인 안전 확보가 어렵다. 실제로 전동 보조가 없는 수동 유모차가 경사로에서 그대로 굴러 사고로 이어진 사례는, ‘손을 놓는 행위가 곧바로 제동으로 연결되지 않는’ 구조적 취약점을 드러낸다.

또한 기존 유모차는 주로 온열패드와 같은 수동적 대응 방식에 머물러 있어, 겨울철 외부 환경 변화에 따라 영아가 추위에 노출되는 한계가 존재한다. 시중에서 사용되는 단순 온열 패드의 경우에는 별도의 제어 장치가 없어 사용 시간이 길어질수록 문제가 발생한다. 온열 패드는 전원을 인가하면 지속적으로 발열만 하기 때문에, 시간이 지남에 따라 표면 온도가 점점 상승하여 화상 등 안전사고로 이어질 수 있다. 즉, 이러한 패드류는 온도를 일정 범위 내에서 유지하거나, 사용자의 열 쾌적성을 고려하여 조절하는 기능이 전혀 없기 때문에, 시간이 지남에 따라 오히려 불편하거나 위험을 초래할 수 있다. 특히 영아는 성인에 비해 체온 조절 능력이 미숙하고, 열적 불쾌감을 언어로 표현하기 어려워 열쾌적성 관리가 필수적이다. 따라서 겨울철 외부 기온 변화에도 능동적으로 대응할 수 있는 난방 기능이 탑재된 스마트 유모차 시스템 개발의 필요성이 제기된다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

본 과제는 터치 센서 기반 자동 브레이크와 저온 환경에 대응하여 유모차 내부의 열환경 개선, 휴대성을 통합하여 스마트 안전 유모차를 구현하는 것을 목표로 한다.

그림 3. 브레이크&난방 시스템이 탑재된 기대되는 프로젝트 완성 사진

개발 내용

1. 브레이크

1.1 브레이크 구현 과정

본 프로젝트의 브레이크는 공항 카트의 데드맨 원리를 기본으로 하되, 유모차 사용성에 맞게 설계 방식을 재구성한다. 핵심 개념은 ‘기본 상태는 잠금, 사용할 때만 해제’이다. 사용자가 손잡이를 붙잡지 않는 평상시에는 바퀴가 자동으로 고정되고, 주행이 필요할 때에만 해제가 허용된다.

이를 위해 손잡이에 터치 센서를 내장하고, 터치를 감지하면 해제 조건을 만족시키도록 한다. 전원이 공급되는 정상 상태에서는 스텝 모터를 배치하여, 터치가 인식되지 않았을 때 스텝 모터가 일정 각도로 회전한 상태로 와이어를 당겨 브레이크 패드를 디스크에 조이는 구조를 구현한다.

전력 부족이나 센서 오류가 발생하더라도 안전 기능이 무력화되지 않도록, 브레이크 시스템은 항상 제동이 기본 상태가 되도록 설계하였다. 돌발 상황에서 수동으로 유모차를 이동해야 하는 경우에는 스위치를 이용해 모터 전원을 차단함으로써 제동을 해제할 수 있다.

브레이크 제동은 자전거의 기계식 디스크 브레이크 메커니즘을 기반으로 한다. 일반 자전거는 레버를 당기면 와이어가 캘리퍼 암(caliper arm)을 당겨 패드가 디스크를 누르며 제동되고, 레버를 놓으면 내부 토션 스프링에 의해 캘리퍼 암이 초기 위치로 복귀하면서 브레이크가 해제된다. 본 프로젝트에서는 이 메커니즘을 반대로 적용하여, 터치가 인식되지 않은 상태에서는 캘리퍼 암이 위쪽에 위치하여 제동이 유지되고, 터치가 인식되면 캘리퍼 암이 아래로 이동하면서 브레이크가 해제되도록 구성한다.

그림 4. 자전거 기계식 디스크 브레이크 원리

그림 5. 캘리퍼 구조

1.2 브레이크 하드웨어

1.2.1 스텝 모터

스텝 모터는 회전각을 정밀하게 제어할 수 있는 회전 구동기이다. 본 프로젝트에서는 캘리퍼 암의 위치를 조절하기 위해 와이어를 당기는 용도로 적용한다.

그림 6. 스텝 모터

1.2.2 터치 센서

터치 센서는 보호자의 접촉 여부를 감지하여 브레이크 해제 허용 여부를 판단하는 인터록 역할을 수행한다. 사용자가 손을 떼는 즉시 신호가 차단되어 모터가 제동 방향으로 작동하며, 시스템은 기본 잠금 상태로 복귀한다. 이를 통해 하드웨어 차원의 데드맨 기능을 구현한다.

본 시스템에서는 압력 기반 정전 센서를 사용하며, 스텝 모터 회로와 함께 만능 기판에 구성한다. 전원은 10.89V 충전형 배터리를 사용한다. 터치 입력의 유무에 따라 모터 제어 상태가 전환되도록 회로를 설계하여, ‘접촉 유지 시 해제’ 및 ‘접촉 해제 시 즉시 잠금’이 이루어지도록 한다.

그림 7. 터치 센서(압력 기반 저항 센서)

1.2.3 캘리퍼

캘리퍼는 와이어 장력에 따라 브레이크 패드로 디스크를 양측에서 눌러 제동력을 발생시키는 장치이다. 터치가 인식되어 스텝 모터가 회전할 경우에는 해제 방향으로 작동하며, 전원 차단 또는 터치 미인식 시에는 자동으로 제동 방향으로 복귀한다. 필요에 따라 스프링 변경 또는 외부 스프링 추가를 통해 복귀 특성을 조정한다.

그림 8. 캘리퍼

1.2.4 디스크 로터

디스크 로터는 패드와의 마찰을 통해 제동 토크를 전달하는 핵심 요소로, 반복 제동 시의 안정성이 중요하다. 본 프로젝트에서는 자전거용 디스크 로터를 적용하고, 유모차 바퀴 치수에 맞는 부품을 제작 또는 구매하여 중심 정렬과 캘리퍼 정합을 확보한다. 이후 패드 간극 및 접촉면을 정밀 조정하여 제동력과 재현성을 확보한다.

그림 9. 디스크 로터

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

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 본 과제는 터치 센서 기반 자동 브레이크와 저온 환경에 대응하여 유모차 내부의 열환경 개선, 휴대성을 통합하여 스마트 안전 유모차를 구현하는 것을 목표로 한다.
-[[설계말랑즈_그림3.jpg]]
+[[파일: 설계말랑즈_그림3.jpg]]
 '''그림 3.''' 브레이크&난방 시스템이 탑재된 기대되는 프로젝트 완성 사진
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 브레이크 제동은 자전거의 기계식 디스크 브레이크 메커니즘을 기반으로 한다. 일반 자전거는 레버를 당기면 와이어가 캘리퍼 암(caliper arm)을 당겨 패드가 디스크를 누르며 제동되고, 레버를 놓으면 내부 토션 스프링에 의해 캘리퍼 암이 초기 위치로 복귀하면서 브레이크가 해제된다. 본 프로젝트에서는 이 메커니즘을 반대로 적용하여, 터치가 인식되지 않은 상태에서는 캘리퍼 암이 위쪽에 위치하여 제동이 유지되고, 터치가 인식되면 캘리퍼 암이 아래로 이동하면서 브레이크가 해제되도록 구성한다.
-[[설계말랑즈_그림4.jpg]]
+[[파일: 설계말랑즈_그림4.jpg]]
 '''그림 4.''' 자전거 기계식 디스크 브레이크 원리
-[[설계말랑즈_그림5.jpg]]
+[[파일: 설계말랑즈 그림5.jpg]]
 '''그림 5.''' 캘리퍼 구조
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 스텝 모터는 회전각을 정밀하게 제어할 수 있는 회전 구동기이다. 본 프로젝트에서는 캘리퍼 암의 위치를 조절하기 위해 와이어를 당기는 용도로 적용한다.
+[[파일: 설계말랑즈_그림6.jpg]]
 '''그림 6.''' 스텝 모터
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 본 시스템에서는 압력 기반 정전 센서를 사용하며, 스텝 모터 회로와 함께 만능 기판에 구성한다. 전원은 10.89V 충전형 배터리를 사용한다. 터치 입력의 유무에 따라 모터 제어 상태가 전환되도록 회로를 설계하여, ‘접촉 유지 시 해제’ 및 ‘접촉 해제 시 즉시 잠금’이 이루어지도록 한다.
+[[파일: 설계말랑즈_그림7.jpg]]
 '''그림 7.''' 터치 센서(압력 기반 저항 센서)
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 캘리퍼는 와이어 장력에 따라 브레이크 패드로 디스크를 양측에서 눌러 제동력을 발생시키는 장치이다. 터치가 인식되어 스텝 모터가 회전할 경우에는 해제 방향으로 작동하며, 전원 차단 또는 터치 미인식 시에는 자동으로 제동 방향으로 복귀한다. 필요에 따라 스프링 변경 또는 외부 스프링 추가를 통해 복귀 특성을 조정한다.
+[[파일: 설계말랑즈_그림8.jpg]]
 '''그림 8.''' 캘리퍼
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 디스크 로터는 패드와의 마찰을 통해 제동 토크를 전달하는 핵심 요소로, 반복 제동 시의 안정성이 중요하다. 본 프로젝트에서는 자전거용 디스크 로터를 적용하고, 유모차 바퀴 치수에 맞는 부품을 제작 또는 구매하여 중심 정렬과 캘리퍼 정합을 확보한다. 이후 패드 간극 및 접촉면을 정밀 조정하여 제동력과 재현성을 확보한다.
+[[파일: 설계말랑즈_그림9.jpg]]
 '''그림 9.''' 디스크 로터