"6조 - 5조와 7조 사이"의 두 판 사이의 차이

2018년 12월 19일 (수) 02:01 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어

영문 : Manual attendant-propelled wheelchair with vehicle ride assistance function

과제 팀명

5조와 7조 사이

지도교수

이세정 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430033 장동언(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430004 금동일

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430005 김건회

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430020 박형민

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430021 서민우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

제안하는 제품은 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어이다.

개발 과제의 배경 및 효과

신체가 불편한 휠체어 사용자가 차량과 휠체어 사이를 환승할 때 다수의 인원이 동원되며, 인력 환승으로 인하여 환승시의 낙상 사고의 우려가 있다. 이를 위해서 환승 보조 기능을 갖춘 제품들이 존재하지만, 차량이나 침대 전용으로 사용 범위가 한정적이다. 따라서 휠체어를 이용함에 있어서 적용 범위에 구애받지 않고 사용자와 보조자 모두 적은 힘으로 편리하고 안전하게 환승할 수 있는 보조 기능 개발을 주요 과제로 한다.

개발 과제의 목표와 내용

환승 기능을 위해서 등받이 각도 조절 기술을 통해 휠체어의 등받이를 뒤로 90° 젖힐 수 있도록 하고 시트 프레임과 등받이 프레임을 레일 형태로 만들어 휠체어 시트가 레일을 따라 이동 가능 하게 한다. 또한, 적용 범위를 넓히기 위해서 높이 조절 기술을 통해 차량이나 침대 등 적용대상에 맞게 시트의 높이 조절을 할 수 있도록 한다. 이를 통해서 휠체어 이용자가 적용 범위에 구애받지 않고, 적은 힘으로도 안전하게 환승 할 수 있도록 한다. 따라서 휠체어 이용자의 환승에 많은 인력이 필요하지 않고, 차량이나 침대 등 대상에 구애받지 않아 휠체어 이용자의 이동성을 확보할 수 있다. 또한, 당 개발 제품을 통해 휠체어 이용자의 일반 차량 이용이 증가하여 휠체어 이용자를 위한 인프라 문제를 해소할 수 있다.

관련 기술의 현황

State of art

우리의 프로젝트와 같은 목적을 갖는 기존 제품은 크게 일반 차량을 개조한 특수차량 제품과 기존 수동휠체어를 개선한 기능 휠체어로 나누어 볼 수 있다. 제안하는 휠체어가 가지는 기능은 크게 4가지로 ‘등받이 각도 조절’, ‘시트 높낮이 조절’, ‘시트 이동’, ‘시트 회전’이다. 우리는 각 기능에 관한 특수차량 제품과 기능 휠체어에 대해 조사 및 분석을 하여 제안하는 제품의 필요성, 경쟁력과 창의성에 알아보고자 한다.

기술 로드맵

제안하는 제품은 차량탑승 외 승하차를 보조하는 휠체어로써 목적을 위해 다양한 기술이 적용되어야 한다. 기능구현을 위해 필요한 기술은 등받이 조절기술, 높낮이 조절기술, 시트이동 기술, 시트회전 기술 총 4가지이다. 각 기술 기반들을 정리하고 현재 적용여부 및 특징을 바탕으로 기술로드맵을 작성하였다.

승하차 보조 휠체어 관련 기술로드맵

특허조사

1. 특수차량

1.1 자가운전 휠체어 복지차량

<기술적 특징>

‧ 등받이 기술 : 랙 피니언 또는 와이어를 통해 등받이를 조절 ‧ 높낮이 조절 기술 : 전동식으로 시트를 휠체어의 높이에 맞게 조절. ‧ 추가 기술 : 전동방식을 이용하여 시트가 이동하여 휠체어와 시트 간 거리를 좁힘 <장점> ‧ 자동으로 탑승 과정이 이루어지기 때문에 보조자와 휠체어 사용자에게 매우 편리

<단점>

‧ 차량을 직접 변화시키기 때문에 많은 자본이 소모됨 ‧ 제작 제품이기 때문에 시간이 오래 걸림 ‧ 차량과 휠체어만 사용가능

특허전략

- 우리가 제안하는 제품은 휠체어를 필요로 하는 중증장애인을 대상으로 한 보호자용 휠체어로, 휠체어 사용자가 차량 또는 침대 간 이동시 이를 보조한다. 또한 기존 휠체어에서 목표하는 기능만이 추가된 휠체어로, 기존의 모습에서 크게 달라지지 않고 사용자 혹은 보호자가 공간적, 시간적 제한 속에서도 쉽게 기능이 가능하도록 함과 동시에 기능의 오류로 인한 사고를 대비한 안정장치로 사용자를 보호한다.

- 위 목표를 달성하기 위해서는 간단한 링크를 이용한 기구학적 설계를 통해 휠체어를 구현하도록 해야 한다. 위에서 조사한 특허 제품은 하나의 목표를 위한 하나의 기능으로 작동을 구현한다. 또한 기존의 휠체어에 이를 적용되거나 적용될 제품은 구조적인 제한으로 큰 공간과 이로 이한 기능의 접근성이 다소 낮다는 단점이 있다. 하지만 우리 제품은 각 기능이 독립적으로 작동하기 때문에 이용이 용이하고 침상에서 휠체어, 휠체어에서 차량으로 2차 환승도 제공이 가능하다. 즉, 우리의 제품은 하나의 기능이 하나의 목표를 이뤄내는 타 제품 및 특허와 달리 기존의 휠체어 속에 각 기능을 통해 다양한 목표대상으로의 이동이 가능하다는 점을 우리의 특허 전략으로 갖도록 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

1) 레일을 통해 원하는 위치로 이동이 가능한가?

위 필요사항은 시트이동 기술에 관련한 사항이다. 이는 시트 프레임과 좌석의 형태를 레일과 레일바퀴로 설계하여 작은 힘으로도 탑승자가 타고 있는 좌석이 레일을 따라 이동이 가능하도록 설계한다. 이때 레일과 레일바퀴의 규격은 안정적인 이동을 위해서 탑승자의 체중과 그 외의 추가적인 하중을 버틸 수 있도록 안전계수를 따라 설정한다. 또한 레일은 좌석부분과 등받이부분이 각도 조절을 위해 두 파트로  설계되고 동시에 최소한의 이격을 두고 연결이 가능하도록 형태를 결정한다. 실직적인 시트의 이동과 각도조절에 관련된 사항이기 때문에 중요도는 ‘상’으로 선정하였다. 그러나 두 파트로 나뉘어져 있는 레일이 목표범위 내의 이격으로 연결되도록 정밀한 설계와 제작이 필요하기 때문에 구현가능성은 ‘중’으로 선정하였다.

2) 다른 장소로 환승을 위한 높이 조절(최대 60cm)이 가능한가?

위 사항은 이동 목표대상이 되는 장소로 이동을 위한 높이 조절 기능에 관한 사항이다. 높이 조절을 구현하기 위해서는 미용실 의자에 사용되는 유압펌프를 사용하여 구현한다. 탑승자의 목표 최대 하중인 200kg을 안정적으로 버틸 수 있는 사양의 유압펌프를 사용하도록 한다. 이때 시트의 높이를 안정적으로 조절하기 위해 유압펌프에 집중되는 하중을 분산시켜줄 수 있는 구조적 설계를 필요로 한다. 이 사항 또한 제품의 목표에 대한 성능의 필요사항이기 때문에 중요도는 ‘상’으로 선정하였고 필요 사양의 유압펌프를 이용한 구현이기 때문에 구현가능성 또한 ‘상’으로 선정하였다.

3) 등받이의 각도조절이 가능하며 안정적으로 고정되는가?

등받이의 각도조절 기능을 위해서는 각도조절 기어를 사용하여 구현한다. 각도는 탑승자의 편의를 위해 90~180°까지 6단으로 조절이 가능하도록 한다. 레일을 통한 좌석 이동시 등받이는 기어에 의해 180°가 되고 하중이동에도 좌석의 안정적 이동을 위해 힌지로 좌석과 등받이가 수평을 유지되도록 고정할 수 있는 구조를 설계한다. 이는 탑승자가 기능을 사용함에 있어 안전에 관한 사항이니 만큼 중요도를 ‘상’으로 선정하였고 구조를 고정하기 위한 힌지를 창의적으로 설계해야하기 때문에 실현가능성은 ‘중’으로 선정하였다.

4) 최대 2000N 하중(200kg 성인기준)에서도 기능을 수행할 수 있는가?

탑승자의 목표 최대 하중 200kg에도 앞에서 말한 제안하는 제품의 4가지 기술을 사용할 수 있도록 설정한 안전계수에 따른 구조적 설계를 하고 제작한다. 이를 위해 프레임의 각 요소에 대해 하중분석 및 해석을 기반으로 최대 2000N 하중을 버틸 수 있는 설계한다. 이는 제안 제품의 사용자의 안전에 관한 사항으로 중요도는 ‘상’, 구조적 설계를 통한 구현으로 실현가능성은 ‘상’으로 선정하였다.

5) 제품 예상수명이 5년 이상인가?

위 사항은 사용자가 휠체어를 사용할 때 오랜 시간에 걸쳐 수없이 많은 반복사용에도 제안하는 기능이 정상적으로 작동할 수 있는지에 대한 필요사항이다. 각 프레임과 기어, 레일의 피로해석에 따라 최적의 수치와 규격을 선정하도록 한다. 제품 내구성은 실제 제품을 사용함에 있어서 중요한 요소이기 때문에 중요도를 ‘상’으로 선정하였고 내구성 테스트를 직접 해볼 수 없기 때문에 기간이 아닌 횟수로 변경하여야 한다. 따라서 제품수명에 대한 실현 가능성을 ‘중’으로 주게 되었다. 

나. 요구 사항의 수학적 모델링

 1. 설계 문제 정리 및 단순화 

본 프로젝트는 전체적인 휠체어 형상에서부터 여러 가지 기능구현을 위한 세부 설계문제가 혼합된 과제이다. 기능성 휠체어를 한번에 설계하는 것은 상당히 복잡한 일이므로 설계문제를 여러 수준의 세부 설계문제로 구분짓고 단계별로 진행함으로써 설계문제를 단순화하고자 한다. 효율적으로 설계를 진행하기 위해 전체 설계문제를 진행순서 따라 순서를 정하고 각 설계문제에 해당하는 설계변수를 정리한다. 이후 각 설계문제에 대한 목적을 기반으로 설계변수의 중요도를 결정함으로써 설계문제에 대한 모델링을 한다.

2.1 설계 변수

1) 의자 가로 폭 2) 의자 깊이 3) 의자 등받이 높이 4) 기둥 단면 모양 5) 기둥 두께 6) 레일 형식 7) 레일 간격 8) 높낮이 조절 방식 9) 각도 조절 방식

2.2 제약 조건

1) 의자 등받이 높이 ≥ 45cm - 유아용의자 등받이 길이보다 높아야 된다.

2) 의자 깊이 ≥ 45cm - 편안한 착용감

3) 의자 가로 폭 ≥ 40cm - 일반인의 골반 넓이보다 넓어야 한다.

4) 기둥 두께 ≥ 1mm - 시중에 파는 두께가 1t 단위로 생산된다.

5) 레일 간격 ≤ 34mm - 시트 아래에 설치가능 해야 한다.

2.3 설계 문제별 설계 변수 선정

설계 단계별 변수 분류

2.4 목적

  : 예상 최대 하중인 200kg에 대해서도 기능사용 시 형태 변형 없도록 의자를 만든다.    

▸ 하중지지 능력 2000N 이상

  : 예상 최대 하중이 가해졌을 때 휠체어가 뒤집어지지 않아야 한다.     

▸ 모멘트의 합 = 0

개념설계안

1.1 제품의 간략 설명 및 동작 과정

본 프로젝트에서 제안하는 제품은 차량 탑승 보조 기능을 추가한 보호자용 휠체어이다. 신체가 불편한 휠체어 사용자가 차량과 휠체어 사이를 환승할 때 다수의 인원이 동원되며, 인력 환승으로 인하여 환승시의 낙상 사고의 우려가 있다. 이를 위해서 환승 보조 기능을 갖춘 제품들이 존재하지만, 차량이나 침대 전용으로 사용 범위가 한정적이다. 따라서 휠체어를 이용함에 있어서 적용 범위에 구애받지 않고 사용자와 보조자 모두 적은 힘으로 편리하고 안전하게 환승할 수 있는 보조 기능 개발을 주요 과제로 한다. 환승 기능을 위해서 등받이 각도 조절 기술을 통해 휠체어의 등받이를 뒤로 90° 젖힐 수 있도록 하고 시트 프레임과 등받이 프레임을 레일 형태로 만들어 휠체어 시트가 레일을 따라 이동 가능 하게 한다. 또한, 적용 범위를 넓히기 위해서 높이 조절 기술을 통해 차량이나 침대 등 적용대상에 맞게 시트의 높이 조절을 할 수 있도록 한다. 이를 통해서 휠체어 이용자가 적용 범위에 구애받지 않고, 적은 힘으로도 안전하게 환승 할 수 있도록 한다. 따라서 휠체어 이용자의 환승에 많은 인력이 필요하지 않고, 차량이나 침대 등 대상에 구애받지 않아 휠체어 이용자의 이동성을 확보할 수 있다. 또한, 당 개발 제품을 통해 휠체어 이용자의 일반 차량 이용이 증가하여 휠체어 이용자를 위한 인프라 문제를 해소할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 각도조절 및 시트레일 기능부 상세설계

- 제안하는 휠체어는 시트를 180도 각도로 젖히고 사용자의 하중을 지지하면서 시트의 이동을 돕는 레일의 기능을 제공하고자 한다. 따라서 해당 부분을 모델링하고 예상되는 하중을 가하여 응력해석을 통해 구조적 안정성을 확인한다. 만약 최대 작용응력이 시트레일 재질인 탄소강의 항복강도를 넘어선다면 두께 조절이나 보강재를 사용하여 개선이 필요하다.

1.1 기존모델 분석

- 설계초안의 안정성을 확인하기 위해서 각도조절부에 걸리는 응력을 확인한다. 사용자 하중으로 인해 기어에 걸리는 모멘트를 바탕으로 기어이에 가해지는 하중을 계산하였다. 작용 하중은 평균몸무게인 60~70kg을 고려한 후 안전계수 3을 사용한 중력가속도 9.8를 적용한 값인 2000N으로 설정한다.

기어에 가해지는 하중을 구하기 위한 손계산

전체 2000N의 하중이 가해질 때 한쪽 레일에 가해지는 하중은 1000N이다. 사용자 하중(1000N)에 의한 모멘트의 크기는 1000*0.26 = 260 (N*m)이고 모멘트 평성식과 기어의 압력각을 고려해서 기어이에 가해지는 힘을 구하면 796N이 나온다.

각도조절기어 모델 해석

해당 하중을 시트레일 연결부인 기어빔에 적용하여 ANSYS로 해석해 본 결과 최대작용 응력은 541Mpa이었다. 이는 탄소강의 항복강도인 250Mpa을 훨씬 넘는 수치로 기능사용 시 파손의 우려가 있다고 판단하여 개선하기로 결정하였다. 각도조절 기어는 해당 기존 제품을 그대로 사용하기 때문에 치수적인 개선이 어려워 추가적인 하중지지 부분을 통해 안전성을 보강하기로 하였다.

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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