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2026년 6월 16일 (화) 22:08 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 공원 보행자를 위한 모바일 자판기

영문 : Mobile Vending Machine for Pedestrian

과제 팀명

123팀

지도교수

성민영 교수님

개발기간

2026년 3월 ~ 2026년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 이*민(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20214300** 권*민

서울시립대학교 기계정보공학과 20214300** 이*하

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 김*영

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 김*재

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 이동 기능과 냉장 자판기 기능을 결합한 야외용 모바일 자판기 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다. 자율 이동이 가능한 모바일 기능을 통해 자판기의 이동 범위를 확장하여 편의 서비스를 확장한다. 또한 야외 환경에 적합하도록 냉장 자판기의 단열 기능을 강화하여 보행자에게 저온의 음료를 제공한다. 이를 통해 기존 고정형 자판기의 접근성 한계를 보완하고, 공원 이용객의 편의성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

개발 과제의 배경

한강공원과 같은 대규모 공원의 경우, 매점이나 자판기와 같은 편의시설이 입구나 특정 고정 구역에만 집중 배치되어 있는 '서비스 편중 현상'이 나타난다.[3] 이용객이 산책로 중심부나 광장에서 갈증을 느낄 경우, 수백 미터 이상의 거리를 이동해야 하는 '물리적 접근성 저하' 문제가 발생하며 이는 휴식의 흐름을 단절시키는 요인이 된다. 고정식 자판기를 추가 설치하는 방안은 부지 확보, 전기 배선 공사, 경관 훼손 및 유지 관리 비용 등의 현실적인 제약으로 인해 설치 대수를 무한정 늘리기 어렵다.

이러한 접근성 문제를 보완하기 위한 대안으로 배달 로봇이 도입되고 있다. 그러나 현재의 배달 로봇 시스템은 사용자가 미리 목적지를 지정하고 주문을 요청하면 해당 위치까지 물품을 전달하는 방식으로 운영된다.[4] 이러한 운영 방식은 공원과 같이 이용객의 이동이 지속적으로 발생하고 수요가 특정 위치에 고정되지 않는 환경에서는 효율적으로 작동하기 어렵다. 특히 산책이나 휴식을 위해 이동 중인 이용자의 수요를 포착하거나 대응하기에는 인터페이스와 운영 방식 측면에서 한계가 존재한다. 또한 주문 기반 운행은 로봇이 호출 지점과 목적지 사이를 반복적으로 이동해야 하므로 넓은 공원 환경에서는 서비스 대기 시간 증가와 운영 효율 저하로 이어질 가능성이 있다.

이러한 이유로 공원 보행자를 목적으로 하는 경우, 기존의 배달 로봇과 다른 메커니즘이 필요하다. 또한 야외에서도 저온의 음료를 제공할 수 있도록 냉장 자판기를 도입한다. 이를 통해 공원 이용자에 대한 서비스 편중 현상을 완화하여 공원 이용객의 편의를 제공하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 주행 경로 맵 생성

가장 처음 Simultaneous Localization and Mapping(SLAM)을 이용하여 LiDAR로부터 공원 내부에서 특징이 되는 정적 물체(특징점)를 기준으로 공원 내 주행 경로 맵을 제작한다. 그 후 주행 경로 맵에 대해서 현재 위치에서 존재하는 특징점을 활용하여 자판기의 현위치를 파악한다.

• 기본 장애물 감지 및 회피

LiDAR를 장착하여 장애물 유무를 실시간으로 확인하고, 장애물을 감지했을 경우 장애물을 회피할 수 있는 새로운 경로를 만든다. 특히 보행자가 많은 공원 환경을 고려하여 장애물과 안전 거리를 유지하면서 서행할 수 있도록 설계한다.

• 그늘 감지 및 활용

사용 기기의 과열을 방지하고자 그늘을 활용한다. 그늘을 발견하면 그늘에서 잠깐 정차하여 기기를 식히고 보행자로부터 구매를 유도한다.

• 냉장 자판기의 단열 기능 강화

냉장 자판기 외부에는 단열재를 부착하여 야외에서도 냉장 자판기가 과열되거나 냉장 자판기의 틈새로 냉기가 빠져나가는 것을 막는다. 냉장 자판기 내부에는 아이스팩을 두어 냉장 자판기 내부의 냉기를 오랫동안 유지시킨다. 따라서 효율적으로 음료를 저온 상태로 유지하는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

[ 관련 기술의 현황 및 분석(State of art) ]

1.전 세계적인 기술현황

1) 서비스용 모바일 로봇 관련

-1 배달 로봇

• 개념: 배달 로봇은 실외 환경에서의 자율주행을 기반으로, GPS, LiDAR, 카메라, IMU 등의 다중 센서 융합을 통해 위치를 추정하고 경로를 생성하는 시스템이다. 동적 장애물이 많은 환경에서 안정적인 주행을 위해 딥러닝 기반 객체 인식과 실시간 경로 재계획 기술이 적용된다.
• 장점: GPS와 SLAM 기반의 global 및 local 위치 추정이 가능하다. 동적 장애물 환경에서 실시간 장애물 회피 및 경로 재계획이 가능하다. 다수 로봇 운영 시, 효율적인 업무 분패를 통한 시스템 확장성 확보하며 비정형 환경에서도 robust perception을 기반으로 주행 안정성을 유지한다.
• 단점: 보행자 밀집 환경, 복잡한 도로 구조에서 인지 및 주행 안정성이 저하된다. 날씨가 좋지 않을 경우 센서 성능 저하로 인한 오작동 발생률이 올라간다. 법이나 제도 및 보안 관련한 한계점이 존재한다.

-2 서빙 로봇

• 개념: 서빙 로봇은 실내 환경에서 LiDAR 기반 SLAM을 활용하여 고정밀 지도 생성 및 위치추정을 수행하며, 안정적인 경로 추종을 기반으로 서비스 작업을 수행한다. 또한 인간과의 공존 환경에서 동작하기 위해 사회적 네비게이션 및 HRI 기술이 적용된다.
• 장점: 정적 환경에서 정밀 localization과 반복 주행이 가능하다. 사전에 구축된 맵 기반으로 안정적인 global 경로 계획 및 local path tracking을 수행한다. 사람의 위치 및 이동을 반영한 navigation이 가능하다. 비교적 낮은 계산 비용으로 실시간 주행 안정성을 확보한다.
• 단점: 복잡한 실내 환경(혼잡, 장애물 변화)에서는 localization 오류 발생률 이 높아진다. 인간 행동의 불확실성으로 인해 경로 계획이 비효율적이거나 정지 상황이 발생한다. 서비스 상호작용이 제한적이므로 자연스러운 대응 능력이 부족하다.

-3 보안 및 순찰 로봇

• 개념: 보안·순찰 로봇은 자율주행 기반 이동 시스템과 함께 카메라, LiDAR 등을 활용한 지능형 감시 및 상황 인지 시스템을 결합한 형태이다. 딥러닝 기반 영상 분석을 통해 객체 인식뿐 아니라 이상 상황 탐지 및 행동 분석 기능을 수행한다.
• 장점: SLAM 기반으로 넓은 영역에 대한 경로계획 및 순찰 업무 수행이 가능하다. 영상 기반 객체 인식에서 실시간 detection 및 tracking 수행 가능하다. 이벤트 기반 시스템을 통해 이상 상황 발생 시 즉각적인 알림 및 대응 연동 가능하다. 다중 센서 융합을 통해 환경 변화에 대한 인지 및 강건성을 확보한다.
• 단점: 이상 상황 판단에서 오탐 및 미탐 문제가 존재함. 복잡한 환경(밝기 변화, 밀집 구간)에서 인식 성능이 저하된다. 사생활 및 윤리 문제에 대한 한계점이 존재한다.

2) 냉동 및 열관리 관련

-1 증기 압축식 냉장 사이클

• 개념: 증기 압축식 냉장 사이클은 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 순환하며 상변화를 통해 열을 흡수하는 가장 표준적인 냉각 방식이다.
• 장점: 투입 전력 대비 냉각량(COP)이 가장 뛰어나며 신뢰성이 높다. 물체를 목표 온도까지 떨어뜨리는 시간이 매우 짧고, 부하가 큰 환경에서도 안정적이며, 용량 확장이 용이하다.
• 단점: 필수 구성 부품이 많아 시스템 부피가 크고 무겁다. 초기 구동 시 순간적으로 큰 피크 전력이 발생해 전원 설계 시 여유 용량이 필요하며, 기계적 회전으로 인해 필연적으로 진동과 소음이 발생하여 방진 설계가 요구된다.

-2 진공단열패널(VIP)

• 개념: 다공성 심재를 내부에 포함시키고 이를 진공 상태로 유지하여 전도, 대류, 복사에 의한 열전달을 극도로 억제한 고성능 단열재이다.
• 장점: 열전도율이 약 0.002~0.004 W/m·K 수준으로 기존 단열재 대비 현저히 낮아 매우 우수한 단열 성능을 제공하며, 얇은 두께로도 높은 단열 효과를 구현할 수 있어 내부 공간 활용도를 크게 향상시킬 수 있다.
• 단점: 제조 비용이 높고, 패널 표면이 손상될 경우 내부 진공이 유지되지 않아 단열 성능이 급격히 저하되는 문제가 있다. 구조적 특성상 절단이나 나사 체결과 같은 2차 가공이 어려워 설계 및 제작 단계에서의 제약이 존재한다.

-3 상변화물질(PCM)

• 개념: 특정 온도에서 고체에서 액체로(또는 그 반대로) 상이 변할 때 다량의 잠열(Latent Heat)을 흡수하거나 방출하여 주변 온도를 일정하게 유지하는 열에너지 저장 물질이다.
• 장점: 외부 전력 공급이 일시적으로 중단되거나 능동 냉각/가열 장치(압축기 등)가 가동을 멈추더라도, 상변화가 진행되는 동안에는 내부를 목표 온도로 장시간 유지할 수 있다. 시스템의 열적 관성(Thermal Inertia)을 극대화하여 전력 피크 부하(Peak Load)를 분산시키고 전체 에너지 효율을 높이는 데 기여한다.
• 단점: 설계된 잠열 용량을 초과하여 물질이 완전히 녹아버리거나 굳어버리면 온도 유지 효과가 급격히 상실됨. 물질 자체의 열전도도가 낮아 본래 상태로 다시 얼리거나 녹이는(열 충전) 데 오랜 시간이 걸리며, 상변화 시 부피 팽창과 누액을 막기 위한 견고한 특수 패키징이 필수적이어서 시스템 전체의 무게와 부피가 증가할 수 있음.

2.특허조사 및 특허 전략 분석

1) 특허 조사

특허조사 정리표

2) 특허 전략 분석

-1 특허 개발 전략

• 야외용 주행/정차: 단순히 경로를 이동하는 것을 넘어, 자판기의 과열을 방지하고자 그늘에서 정차하는 알고리즘을 구현한다.
• 모바일 냉장 자판기: 냉장 자판기와 모바일 로봇을 합쳐, 기존에 융합되지 않은 기술을 개발한다.

-2 특허 구매전략

• 자체 개발이 어려운 실시간 동적 장애물 회피 원천 기술이나 고정밀 위치 추정 알고리즘은 라이선스 인 또는 오픈소스 특허 활용 계약을 통해 기술적 완성도를 빠르게 보완한다.
• 로봇 베이스와 자판기 간의 전력 공유 시 발생하는 에너지 관리 시스템(EMS) 관련 표준 특허를 분석하여, 공원 내 장시간 운용을 위한 배터리 효율화 기술을 확인한다.

-3 상호 라이선스 전략

• ‘야외 특화 열관리 모듈’과 상대사의 ‘안정적 주행 제어 기술’을 맞바꾸는 상호 라이선스를 통해, 신규 시장 진입 시 발생할 수 잇는 특허 분쟁 리스크를 해소하고 기술적 우위를 점한다.

3.기술 로드맵

1) 자율주행 기술 로드맵

2) 냉동 및 열관리 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

1. 경쟁제품 조사 비교

회사/제품	Panasonic / PIMTO	Starship Technologies / Starship robots	hyMOBILITY / 뉴 코코 3.0
자율주행 방식	원격 조작 기반	Level 4 자율주행 + 원격 개입	수동 운전 기반 + 주행 보조 시스템
냉장 기능	없음	단열 보냉 시스템	냉장 기능 (약 5도 유지)
용도	무인 모바일 자판기	음식 및 물품 배달	실외 이동형 냉장판매
기타	단순 이동 플랫폼	비, 눈 일부 대응 일정 거리마다 충전하며 주행 대규모 상용화	전자 잠금/결제 시스템 존재
가격	가격 정보 없음 (실증 단계)	약 800만원	약 1,400만원
사진

2. 마케팅 전략 제시

1) 강점(Strengths)

• 공원 내부에서 지속적인 서비스 제공이 가능하다.
• 그늘 정차를 통해 사용 기기의 과열을 방지할 수 있다.
• 효율적인 열관리 방법(단열재)으로 냉장 자판기의 효율을 보다 높일 수 있다.

2) 약점(Weaknesses)

• 기술적인 구현(모바일 로봇, 냉장 자판기 단열 시스템)의 난이도가 어려운 편이다.
• 위치가 고정되어 있는 자판기와 비교했을 때, 모바일 자판기 내부의 온도가 비교적 높을 수 있고 적재 용량이 작다.
• 모바일 로봇의 경우, 예측 가능한 상황이 발생하기도 하므로 주기적인 피드백을 통해 주행 기능을 강화해야 한다.

3) 기회(Oppurtunities)

• 한강 공원 이용객 증가에 따른 편의 시설 수요 증가 및 수익 창출 예상
• 모바일 로봇(배달 로봇)에 대한 규제 완화로 운영에 상용화 가능성에 대한 기회가 크다.

4) 위협(Threats)

• 모바일 로봇의 시스템 오작동 시, 공원 이용객의 안전에 직접적인 위험 요소가 될 수 있다.
• 불균일한 노면으로 인해 냉장 자판기의 미세한 파손이 일어날 경우, 단열 성능이 저하될 수 있다.
• 실외 온도가 높을 경우, 배터리 사용 가능 시간 단축이나 냉장 시스템의 회로 이상으로 인한 단열 성능 저하가 야기될 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 정해진 경로 기반 자율주행 기술 확보

경로 추종 알고리즘을 적용함으로써 공원과 같이 비교적 단순한 지형에서 모바일 자판기가 정해진 경로를 반복 주행할 수 있는 기술적 기반을 확보할 수 있다. 이를 통해 향후 공원 뿐만 아니라 캠퍼스, 리조트, 행사장, 산업단지 등 유사한 보행자 중심 공간으로 적용 범위를 확장할 수 있다.

• 보행자와 모바일 로봇의 공존 가능성 향상

사람 인식 알고리즘을 적용하여 주행 중 보행자를 인식하고, 보행자와의 충돌 위험을 줄일 수 있다. 이를 통해 단순 이동 로봇이 아닌, 사람이 많은 공공장소에서 안전하게 운용 가능한 서비스 로봇 플랫폼으로 발전할 수 있는 가능성을 확보할 수 있다.

• 실외 서비스 로봇 운용 데이터 확보

공원 주행 중 LiDAR, 카메라, 조도센서 데이터를 수집하면 향후 실외 자율주행 로봇의 경로 계획, 장애물 인식, 정차 조건 판단 알고리즘 개선에 활용할 수 있다.

• 냉장 유지 성능 향상

ANSYS와 StarCCM+ 해석을 통해 가장 효과적인 단열재를 찾아, 외기 30℃ 이상의 고온 환경에서도 내부 온도를 5~10℃범위로 안정적으로 유지 가능하다.

• 시스템 전력 소모량 절감

그림자 구역을 활용한 자연 냉각을 통해 하드웨어에 가해지는 열적 부하를 최소화하고 전력 효율 극대화한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 물리적 접근성 및 편의성 증대

대규모 공원 내 편의시설이 특정 구역에 집중되는 문제를 완화하고, 이용객이 음료를 구매하기 위해 이동해야 하는 거리와 대기 시간을 줄일 수 있다. 특히 어린이, 고령자, 가족 단위 방문객 등 이동 부담이 큰 이용객에게 높은 편의성을 제공할 수 있다.

• 고정 인프라 설치 비용 절감

영구적인 매점이나 고정형 자판기를 추가로 설치하지 않고도 공원 내 편의 서비스를 제공할 수 있다. 이를 통해 전력 인입, 토목 공사, 고정 구조물 설치 등에 필요한 초기 인프라 구축 부담을 줄일 수 있다.

• 도시 공간 활성화 기여

서울시 '2040 서울도시기본계획'의 수변 중심 공간 재편 방향과 연계하여, 한강공원과 같은 수변 공간의 이용 편의성을 높일 수 있다. 영구 건축물 설치 없이도 시민에게 이동형 편의 서비스를 제공하여 공공 공간의 활용도를 높일 수 있다.

• 보행자와 로봇이 공존하는 공공 서비스 환경 조성

공원과 같이 보행자가 많은 공간에서 사람 인식 기반 주행 기술을 적용함으로써, 로봇과 사람이 함께 이용하는 서비스 환경을 조성할 수 있다. 이는 시민들이 실외 자율주행 로봇 서비스를 자연스럽게 경험하고 수용하는 계기가 될 수 있다.

• 친환경적인 공공 서비스 모델 제시

단열재와 그늘 정차를 활용하여 냉기 손실과 열적 부하를 줄임으로써 에너지 효율적인 운영이 가능하다. 또한 고정 시설물 설치를 최소화하면서 필요한 위치로 이동해 서비스를 제공할 수 있어 공원 경관 훼손을 줄일 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

추진체계흐름도

설계

설계사양

제품의 요구사항

• 26,000 lux 이하일 때 정지

맑은 날 기준, 햇빛이 있는 구역의 조도는 약 50,000 lux 이상이고 그늘이 지는 자리는 약 26,000 lux 이하이다. 따라서 조도 센서가 26,000 lux이하를 감지할 경우, 그림자로 판단하여 정지한다. 또한 냉장 자판기나 모바일 로봇의 과열을 방지하고자 그늘 영역에서 정지 상태를 n초 유지한다. 정차하는 동안 공원 보행자들로부터 구매를 유도할 수 있다.

• 주행 코스 한 바퀴 완주

지정 주행 코스를 서울시립대학교 대강당 앞 공터로 설정한다. 약 100m 길이의 사각형 코스를 돌면서 주변 정적 장애물을 기준으로 현재 위치를 파악하여 결과적으로는 초기 위치로 돌아오는지 확인한다. SLAM의 성능을 확인하는 항목이므로 장애물이 없는 환경에서 진행한다.

• 3m 앞 장애물 회피 주행

모바일 로봇이 주행 방향에 대하여 전방 3m 이내 범위에서 장애물을 감지할 경우, 기존 정해진 경로에서 벗어나서 주행하며 다시 기존 경로로 돌아오는 방식으로 진행한다.

• 사람 인식

냉장 자판기 전후방에 설치된 카메라 모듈로 사람을 객체로 인식하여 사람을 인식했을 경우 정지한다. 카메라 모듈에서 사람이 인식되지 않을 시 다시 주행한다.

• 온도 균일성

배출구 개방 후 온도가 크게 변하지 않아야 한다. 따라서 배출구가 열렸다가 다시 닫힌 상태가 유지되었을 때 내부 온도가 크게 변하지 않고 저온의 온도로 유지되어야 한다.

목적계통도

설계 사양

설계사양계통도

개념설계안

1. 자율주행 시스템

1) Localization

-1 카메라 기반 Visual SLAM 자율주행 시스템 (1안)

스테레오 카메라를 활용한 Visual SLAM을 기반으로 차량의 위치를 추정하고 자율주행을 수행한다. Stereo Image에서 특징점을 추출하고 이를 기반으로 지도 생성과 위치 추정을 동시에 수행한다.

LIO-SAM

-2 GPS 기반 자율주행 시스템 (2안)

GPS를 활용하여 차량의 절대 위치를 추정하고 자율주행을 수행한다. 사전에 취득된 경로를 기반으로 차량의 위치를 지속적으로 추적하며 주행한다.

GPS로 취득한 경로

2) 그늘 활용 주행 시스템

-1 조도 센서 기반 주행 시스템 (1안)

차량에 부착된 조도 센서를 활용하여 차량 주변 밝기를 실시간으로 측정하고 조도가 특정 임계값 이하로 낮아질 경우 해당 영역을 그늘로 판단한다. 차량은 그늘 영역에 진입하면 일정 시간 정지하여 자판기 판매 유도 및 냉장고 온도 내부 상승을 억제한 후 다시 주행하는 방식으로 동작한다.

조도 센서 원리

-2 카메라 기반 그늘 인식 주행 시스템 (2안)

카메라 Image를 기반으로 BDRAR (Boundary-aware Dual-level Recurrent Attention Network) 모델을 활용하여 그늘 영역을 Segmentation 한다. 이를 통해 생성된 shadow binary mask를 이용하여 차량 전방의 그늘 영역을 추출하고 주행 가능 영역 내에서 그늘이 존재하는 방향으로 경로를 생성하여 주행한다.

Shadow Detection

2. 냉장 단열 시스템

1) 기제품에 외부 단열재를 추가한 시스템 (1안)

최외곽에 복사 반사판을 추가하여 복사열 차단, 반사판 내부에 단열재를 추가하여 전도열 차단

2) 기제품 내부에 아이스팩을 설치한 단열 시스템 (2안)

제품 내부 상단에 아이스팩을 설치하여 부력에 의한 자연대류를 활용한 목표 냉장 온도 유지 능력 확보

3) 기제품에 1안 + 2안을 전부 결합한 시스템 (3안)

1안

2안

3안

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용