"졸업시켜조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 19일 (목) 02:10 판

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

기술 로드맵

특허조사

특허전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적 및 사회적 파급효과

구성원 및 추진체계

설계

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

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

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.

평가 및 분석

가. 배수관 조립도

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 1. 진화하는 자가운전 휠체어 복지차량, 에이블 뉴스 ◇ 2. 다기능 휠체어 콤보 자료, SOLID FOCUS CO., LTD ◇ 3. 제품 및 환경디자인 부문 수상작 자료, 대구 디자인 전람회 ◇ 4. PRODUCT 자료, 와이비소프트(주) ◇ 5. 역대 수상작 자료, 대한민국 디자인 전람회 ◇ 6. BRUNO VALET SEATS 자료, M.C MOBILITY SYSTEMS, INC ◇ 7. 2012 의료용 전동 침대 시장 점유율 통계자료, 통계청 ◇ 8 2015 전동 휠체어를 이용하지 않는 이유에 관한 리서치, 컨슈머 리뷰 ◇ 9. 2015 장애인보장구급여체계 개선방안 정책토론회 자료, 국민건강보험공단 ◇ 10. 2014 장애인전동보장구 · 자세보조용구 급여제품 안내 자료, 국민건강보험공단

관련특허

1. 등받이 각도 조절장치 및 편 하중 발생 방지 구조를 갖는 휠체어 (wheelchair having back support angle adjusting device and partial load prevention structure), 1008546580000 2. 차량용 승객 좌석의 등받침대 각도 조절장치 (SEAT DEVICE), 1002928600000 3. 사다리 힌지 장치 (A hinge device for collapse and spread ladder), 1013100610000 4. 높낮이 조절 기능이 구비된 착탈식 휠체어 (A mounting and removal type wheel chair), 1006263990000 5. 사이클로이드 기어를 이용하여 간소하면서도 안전한 휠체어 시트의 높낮이 조절장치 (Simple and safe height adjustment device of wheelchair seat using cycloid gear), 1017366980000 6. 휠체어 (Wheel Chair), 1002651550000 7. 차량의 휠체어 수납장치 (Wheel chair storage apparatus of car), 1006156920000 8. 자동차의 휠체어 겸용 운전석 시트 구조 (Structure of a combined wheel chair and driver seatfor automobile), 1010396740000 9. 환자용 침대, 30-0916021 10. 침대에 환자의 왕래가 용이한 휠체어

(Wheelchair accessible to the patient on the bed), 1020180104432