"10조-The Linkers"의 두 판 사이의 차이

2025년 12월 18일 (목) 07:48 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 다이나믹 QR

영문 : Dynamic QR

과제 팀명

The Linkers

지도교수

박찬희 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20224300** 조**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20184300** 변**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 라즈베리 파이와 매직미러(MagicMirror²) 플랫폼을 활용하여, 스마트 미러 화면에 렌더링된 정보를 사용자의 음성 명령을 통해 즉시 QR코드로 생성하여 개인 기기로 전송하는 새로운 방식의 스마트 미러를 개발한다. 핵심 기능은 사용자가 거울을 보며 qr코드와 관련된 키워드와 qr로 만들고 싶은 페이지를 말하면, 시스템이 즉시 공유 가능한 QR코드를 화면에 띄워주는 것이다. 이를 통해 스마트폰과의 연동이 어려웠던 기존 스마트 미러의 한계를 추가 하드웨어 비용 없이 해결하고, 사용자가 정보를 필요로 하는 바로 그 순간에 음성만으로 정보를 손쉽게 가져갈 수 있도록 구현하고자 한다.

개발 과제의 배경

개발 배경

기존 제품의 비싼 비용
- 단순형(LED·날씨 위젯) 스마트 미러: 20만~60만 원대
- 센서·헬스케어 기능 포함 고급형: 훨씬 고가(130만원)
- → 카메라·센서 생략 시 비용 절감 효과가 명확
시장 동향 분석 및 틈새 시장 발견
- 현재 상용 제품은 뷰티/헬스·욕실 특화 기능에 집중
- 스마트폰과의 정보 연동 허브형 제품은 부재 → 본 과제의 주제
QR 활용의 생활화
- 전 세계 모바일 사용자 중 약 84% 이상이 QR 코드 사용 경험이 있으며 ,
- 월 1회 이상 정기 스캔하는 사용자 비율도 꾸준히 증가 → QR 기반 정보 전달은 이미 보편적 습관.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제 '다이나믹 QR'은 라즈베리 파이와 매직미러 오픈소스 플랫폼을 기반으로, 사용자의 음성 명령에 실시간 반응하여 화면의 정보를 즉시 QR코드로 생성하고 개인 스마트 기기로 전송하는 스마트 미러 개발을 목표로 한다. 기존 스마트 미러가 가진 스마트폰과의 정보 단절 문제를 해결하기 위해, 사용자가 음성으로 QR 생성을 요청하면 해당 콘텐츠의 링크나 데이터를 즉시 화면에 표시한다. 또한, MediaPipe Face Mesh 라이브러리를 활용하여 사용자의 얼굴 위치와 3D 자세를 실시간으로 추적하고, 이 데이터를 서보모터로 전달하여 거울이 사용자를 능동적으로 따라 움직이게 함으로써, 사용자가 자세를 바꾸지 않아도 항상 최적의 시야를 확보할 수 있도록 사용성을 극대화한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

끊김 없는 정보 연동 구현
- 시스템이 의도대로 명령을 인지하는지 측정하기 위해 생성된 QR코드를 스캔했을 때 의도된 정보(링크, 텍스트)가 정확히 나오는지 확인할 것이고 이는 10회 반복해서 90% 이상 성공을 하고자 할 것이고 사용자가 음성 명령을 마친 시점부터 화면에 QR코드가 완전히 표시될 때까지의 시간을 스톱워치로 측정하여서 평균 2초 이내에 되도록 구현할 것이므로 이를 기반으로 끊김 없는 정보 연동이 구현 가능하다.
개인정보 보호와 안정성 확보
- QR코드 생성 및 숨김 명령을 2초 간격으로 연속 실행하여 시스템 오류나 중단 현상이 발생하는지 확인하여서 30초동안 15회반복하여서 시스템 중단 현상 없음을 확인해서 안정성을 확보하고 생성된 QR코드를 스캔했을 때 한 번 스캔 후 재스캔시에 그것이 만료된 것으로 나타나는 지를 테스트해서 90% 일치하도록 할 것이기에 필요할 때만 일회성 QR코드를 통해 암호화된 링크처럼 안전하게 전달하므로, 사용자는 개인정보 유출 걱정 없이 편리함만을 누릴 수 있다.
물리적으로 반응하는 능동적 인터페이스 구축
- 사용자가 얼굴의 위치나 자세를 바꾸고 그때마다 해당 스마트 미러가 바뀐 위치에 잘 따라오는 지를 확인해서 5회 테스트하여서 80% 이상 성공하도록 구현해서 물리적으로 움직이는 능동적 인터페이스를 구현하여서 이 제품이 제공하고자 하는 사용자 중심의 UX 워크 플로우를 좀 더 강화시킬 수가 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

경제적 파급효과 : 본 과제는 2030년대 초반 최대 124억 달러 규모로 성장이 예상되는 스마트 미러 시장에서, 특히 고부가가치 틈새시장을 공략하여 직접적인 경제적 가치를 창출할 잠재력이 있다.
- 리테일 분야의 매출 증대 기여: 본 과제의 '음성-QR 연동' 기술은 리테일 샵에서 피팅룸의 고객이 "이 셔츠 온라인 구매 링크 보내줘" 또는 "이 바지와 어울리는 상품 추천 QR코드 줘"와 같이 음성으로 요청하면, 즉시 개인 스마트폰으로 관련 링크를 전송하는 방식으로 사용될 수 있다고 생각한다.오프라인 경험과 온라인 구매를 즉시 연결함으로써, AR 기술 도입 시 확인된 구매 전환율 최대 94% 증가 및 반품률 25~40% 감소와 같은 실질적인 매출 증대 효과에 기여할 수 있다.
- 호텔 산업의 비용 절감: 투숙객이 "와이파이 비밀번호 QR코드로 보여줘"라는 간단한 음성 명령으로 즉시 인터넷에 접속하게 하여, 프런트 데스크의 업무 부담을 줄임으로써, 인력 운영 효율성을 개선하고 정량적인 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
- 새로운 B2B 라이선스 사업 모델 창출: 본 과제의 핵심 기술인 음성 명령을 통해 상황적 데이터를 인식하고, 이를 보안 QR코드로 변환하는 소프트웨어 모듈을 기존 스마트 미러 하드웨어 제조사에 라이선스 형태로 판매하는 새로운 B2B 사업 모델을 통해, 직접적인 수익 경로를 확보할 수 있다.
사회적 파급효과
- 윤리적 기술 모델 제시: 사용자가 자신의 데이터를 통제하고, 명시적인 명령을 통해서만 일회적으로 공유하는 방식을 통해 데이터 주권을 강화한다. 이는 무분별한 데이터 수집이 만연한 스마트 기기 시장에, 사용자의 프라이버시를 존중하는 윤리적인 기술 활용 모델을 제시한다는 사회적 의미를 가진다.

구성원 및 추진체계

변*영 : 기본 시스템 환경 구축 (OS, MagicMirror), 음성 제어 기능 구현, 핵심 기능(음성-QR 연동) 모듈 개발, 기본 정보 모듈(날씨, 뉴스 등) 설치, Google Assistant 환경 구축 및 API 연동 김*윤 : 배선 정리, 해당 제품을 지탱해줄 수 있는 거치대 제작, 최종 H/W 조립 조*찬 : 상황에 맞는 조명 제작, 내부부품들을 고정시킬수 있는 케이스 제작, 최종 H/W 조립

업무계통도

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

제품 요구사항을 만족시키기 위해 가장 합리적인 하드웨어 및 소프트웨어 설계사양을 다음과 같이 정한다.

H/W (제어 및 연산): 라즈베리 파이(Raspberry Pi)를 메인 컨트롤러로 사용한다. 이는 MagicMirror 플랫폼 구동, MediaPipe 라이브러리를 이용한 실시간 컴퓨터 비전 연산, 음성인식 모듈 처리 등 핵심 S/W 스택을 총괄한다.
H/W (모터 제어): 아두이노 나노(Arduino Nano)를 서보모터 제어 전용 서브 컨트롤러로 사용한다. 라즈베리 파이로부터 계산된 사용자의 3D 자세(Yaw, Pitch) 값을 시리얼 통신으로 수신받아, 2축 서보모터를 정밀하게 제어하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성한다.
H/W (구동부): 2축(Pan/Tilt) 서보모터, 힌지(pivot) 시스템을 구축하여 거울 모듈을 물리적으로 구동한다.
S/W (플랫폼): 오픈소스 플랫폼인 '매직미러(MagicMirror²)'를 기반으로 시스템 UI를 구축한다. 날씨, 뉴스, 일정 등 기본 정보 표시는 매직미러의 모듈을 활용한다.
S/W (컴퓨터 비전): Google의 'MediaPipe Face Mesh' 라이브러리를 사용하여 카메라 영상으로부터 사용자의 3D 얼굴 랜드마크를 실시간으로 감지하고, 이를 통해 얼굴의 위치 및 자세(Yaw, Pitch, Roll) 값을 계산한다.
S/W (음성인식 및 연동): Google Assistant API 또는 유사 음성인식 모듈을 활용하여 사용자의 음성 명령("QR코드 생성" 등)을 인식한다. 인식된 명령은 매직미러의 특정 모듈(뉴스, 캘린더 등)과 연동되어, 해당 모듈이 담고 있는 URL이나 텍스트 정보를 추출한 뒤 QR 코드 생성 라이브러리를 통해 즉시 화면에 오버레이한다.

개념설계안

[개념안 1: 2축 서보모터 (Pan/Tilt) 직렬 결합형]

설명: 프로젝트의 기본 골격이 되는 안. 베이스에 수평 회전(Pan)을 담당하는 서보모터 1개를, 그 위에 수직 회전(Tilt)을 담당하는 서보모터 2를 직렬로 연결하는 표준 2축 짐벌(Gimbal) 구조이다. 라즈베리 파이에서 계산된 얼굴 좌표(Yaw, Pitch)가 아두이노를 거쳐 두 모터를 직접 구동함. '음성-QR 연동' 기능은 3가지 안 모두 동일하게 S/W로 구현된다.
독창성: '음성-QR 연동'과 '능동형 추적'을 결합한 통합 시스템 (SW+HW).
장점: 구조가 직관적이고 표준 라이브러리를 활용한 제어가 용이하다.
단점: Pan 모터가 Tilt 모터 및 미러 모듈 전체의 무게를 지지해야 하므로 하중 부담이 크고, 전원 차단 시 Tilt 축이 중력에 의해 처질 수 있다 (별도 대책 필요).

이론적 계산 및 시뮬레이션

3.1 구조해석 조건 Tilt 링크 및 디스플레이 지지 구조의 처짐과 응력을 확인하기 위해 선형 정적 구조해석을 수행하였다. 해석 조건은 다음과 같다.

해석 소프트웨어: Ansys
재료: Plastic, PC (copolymer, heat resistant)
- 밀도: 1.16×10³ kg/m³
- Young’s modulus: 2.18×10⁹ Pa
- Poisson’s ratio: 0.4
- 인장 항복강도: 61.9 MPa
하중 조건
- 중력: −Y 방향 작용
- 디스플레이 전면에 등분포 하중: 6.5 N (Distributed Force) → 실제 디스플레이+브라켓 자중(0.66 kg)을 반영한 값
경계 조건
- 하부 받침대 저면을 Fixed Support로 완전 고정
- 모든 접촉부는 Bonded Contact로 가정

3.2 구조해석 결과 – 변위

해석 결과, 최대 변위는 디스플레이 패널의 자유단(상부 모서리 부근)에서 발생하였으며, 변위 크기(Max Displacement) ≈ 0.00356 m ≒ 3 mm 로 나타났다. Tilt 링크 및 지지대, 하부 베이스의 변위는 모두 0.5 mm 미만으로, 시각적으로 거의 느껴지지 않는 수준이다. 즉, 링크 및 베이스 구조에서는 유의미한 처짐이 발생하지 않으며, 디스플레이 판 자체에서만 약 3 mm 정도의 탄성 변형이 나타난다. 디스플레이의 대각 길이가 약 300 mm 수준임을 고려하면 3 mm 처짐은 전체 길이의 1% 이하에 해당하는 매우 작은 값으로, 사용자가 거울을 사용할 때 기구적 불편이나 기능상 문제를 야기하지 않는 범위로 판단된다.

3.3 구조해석 결과 – 응력 및 안전계수

동일한 해석 조건에서 Von Mises 등가응력을 확인한 결과, 최대 응력은 Tilt 서보모터와 링크가 연결되는 하부 필렛 부근에서 발생하였다.

최대 Von Mises 응력 : von Mises,max≈3.44 MPa
재료의 인장 항복강도 : yield=61.9 MPa

따라서 안전계수(Factor of Safety)는 다음과 같이 계산된다. FOS= σyield/von Mises,max =61.9 MPa/3.44 MPa≈17.99 즉, PC 재질의 허용 응력 대비 실제 작용 응력이 약 18배 이상 낮은 수준이므로, 반복 사용 및 동적 하중을 고려하더라도 충분한 구조적 여유를 갖는 설계임을 확인할 수 있다.

3.4 서보모터 동적 토크 검증 (Simulink)

Tilt 축 서보모터의 동적 토크 여유를 검증하기 위해 Simulink 환경에서 링크–디스플레이 시스템의 운동 방정식을 구현하여 Step 응답 시뮬레이션을 수행하였다. 링크와 디스플레이의 총 질량은 0.66 kg이며, Tilt 축에서 디스플레이 무게중심까지의 암 길이는 0.124 m로 모델링하였다. 중력에 의한 회전 토크는 다음 식으로 고려하였다. τg=mgLsinθ 서보모터는 보수적으로 상수 0.5 N·m의 토크를 출력하는 모델로 이상화하였다(정격 스톨 토크 0.92 N·m의 약 54% 수준).

0°에서 20°로의 Step 입력을 인가한 결과, 출력 각도는 0 rad에서 약 1.4 rad(≈80°)까지 증가하였다(그림 X-Y). 이는 단순 제어기(PID 및 PWM 한계)가 튜닝되지 않은 상태임에도 불구하고 모터가 중력 토크를 충분히 상회하는 구동력을 제공하여 구조물을 쉽게 가속시킬 수 있음을 의미한다. 안전율(Safety Factor)이란 구조물이나 기계 장치가 파괴되거나 기능 상실 없이 안전하게 작동할 수 있는 여유 정도를 나타내는 척도이다. 본 설계에서 사용된 동적 안전율은 서보모터가 낼 수 있는 최대 능력(정격 토크)이 실제 구동 시 필요한 최대 부하(소요 토크)에 비해 얼마나 여유가 있는지를 나타내며, 다음과 같이 정의된다.

SFdyn = Rated Stall Torque/Max Dynamic Load Torque ≈1.84

이는 모터가 낼 수 있는 힘이 실제 필요한 힘보다 약 1.84배 크다는 것을 의미하므로, 급격한 가동이나 외란에도 충분한 토크 여유를 확보하고 있음을 나타낸다. 향후 실제 구현 단계에서는 서보모터의 비선형 속도–토크 특성을 반영한 모델을 사용하고, PID 이득 및 PWM 제한 값을 재설정하여 목표 각도(약 20°)에 과도한 오버슈트 없이 안정적으로 수렴하도록 제어기를 최적화할 예정이다. 그러나 본 시뮬레이션 결과만으로도 현재 선택한 서보모터 사양이 본 구조물의 하중 요구조건을 만족하며, 동적 구동에 충분한 성능을 제공함을 검증했다고 볼 수 있다.

기기(PID 및 PWM 한계)가 튜닝되지 않은 상태임에도 불구하고 모터가 중력 토크를 충분히 상회하는 구동력을 제공하여 구조물을 쉽게 가속시킬 수 있음을 의미한다. 본 설계에서 사용된 동적 안전율(SFdyn)은 약 1.84로 계산되었으며, 이는 모터가 낼 수 있는 힘이 실제 필요한 힘보다 약 1.84배 크다는 것을 의미하므로 급격한 가동이나 외란에도 충분한 토크 여유를 확보하고 있음을 나타낸다. 향후 실제 구현 단계에서는 서보모터의 비선형 속도–토크 특성을 반영한 모델을 사용하고, PID 이득 및 PWM 제한 값을 재설정하여 목표 각도(약 20°)에 과도한 오버슈트 없이 안정적으로 수렴하도록 제어기를 최적화할 예정이다. 그러나 본 시뮬레이션 결과만으로도 현재 선택한 서보모터 사양이 본 구조물의 하중 요구조건을 만족하며, 동적 구동에 충분한 성능을 제공함을 검증했다고 볼 수 있다.

상세설계 내용

조립도

1. 베이스 베이스의 조립도는 다음과 같다. 플라스틱 재질의 하판과 M3나사, 서보 모터를 사용한다. 서보 모터는 end effector의 yaw 방향 회전을 담당하는 joint 역할을 한다.

[조립순서] 1. 제작된 플라스틱 하판 구멍 내에 서보 모터를 넣은 뒤, 2. 하판의 볼트 구멍과 M3 볼트를 이용하여 서보 모터와 하판을 고정시킨다.

2. 링크1 링크1은 하단의 모터와 결합되어 pitch 방향 회전을 담당하는 모터를 고정시키는 역할을 한다

[조립순서] 1. 가공된 PC판을 렉산 접착제를 이용하여 결합시킨다. 이가 링크1이다. 2. 하단 모터의 서브혼과 링크1을 M3나사를 이용하여 고정시킨다. 3. 링크의 홈 내에 서보 모터를 넣고 M3나사와 너트를 이용하여 고정시킨다.

3. 링크2 링크2는 링크1과 마찬가지로 가공된 PC판을 결합하여 제작한다.

[조립순서] 1. 링크1과 동일한 방법으로 렉산 접착제, M3볼트를 이용하여 서브혼과 링크2를 결합한다. 2. M4 접시머리 나사를 이용하여 링크2와 스위블 힌지를 결합한다. 3. M4나사를 통해 스위블 힌지와 뒤판을 결합한다.

부품도

아래의 도면들은 척도 1:1, 삼각법을 따른다.

1. 베이스의 부품도는 다음과 같다.

2. 링크1의 부품도는 다음과 같다.

3. 링크2의 부품도는 다음과 같다.

4. 뒤판의 부품도는 다음과 같다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

파일:제품사진.jpg

포스터

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

@@ 286번째 줄: / 286번째 줄: @@
 ===관련사업비 내역서===
-내용
+[[파일:10조관련사업비내역서.jpg]]
 ===완료작품의 평가===