1조 - 그냥책

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자전거를 위한 자동변속기

영문 : Auto Transmission for Bicycle

과제 팀명

그냥 책

지도교수

성민영 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 오**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 안**

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 박**

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 최**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 조**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

자동으로 자전거의 기어를 변속하는 자동 변속기를 개발한다. 사람이 직접 제어하던 종래의 자동 변속기와는 다르게 이 변속기는 자전거의 상태를 기반으로 변속을 자동으로 수행하며, 여기에는 운전자가 가속을 원하는 상황인지 파악하기 위한 페달 압력 측정 기능 노면의 오르막 및 내리막을 파악하기 위한 경사 파악 기능, 자전거의 속도를 파악하기 위한 속도 감지 기능이 필요하며 이러한 기능은 각 센서를 자전거의 적절한 위치에 부착함으로써 구현된다. 변속의 경우 측정된 센서 값들을 이용하여 일련의 알고리즘을 거쳐 목적 기어비를 도출할 수 있으며, 모터를 이용하여 기어를 조작하게 된다. 이러한 메커니즘은 일반적인 자전거 변속기에 쉽게 적용될 수 있는 구조로 제작하여 대부분의 자전거에 쉽게 적용할 수 있게 하는 것을 목적으로 하며, 이 장치를 통해 운전자는 변속에 대해 신경을 쓸 필요가 없으므로 운행 내내 전방을 주시할 수 있어 안전에 대한 효과를 얻을 수 있게 된다.

개발 과제의 배경 및 효과

자전거는 가볍고 다루기 쉬운 운송수단으로써 다양한 노면에서 주행할 수 있으며, 크기가 작기 때문에 넓은 도로를 필요로 하지 않는다. 운전자가 페달을 밟아 크랭크에 토크를 부여하면 이 힘이 기어와 체인을 통해 전달되어 바퀴에 힘을 전달함으로써 주행하는 인력을 사용하는 장치로 속도 또한 빠르기 때문에 현재 각광받는 운송 수단으로 부상하고 있다. 전국에 상당히 많은 무인 자전거 대여소가 존재하여, 각 대여소에서 자전거를 대여하여 다른 대여소에 반납하는 방식으로 인프라가 구축되어 상당히 많은 사용자들이 이용하고 있다. 대부분의 자전거 변속기는 와이어가 부착된 수동 조작 장치를 운전자가 직접 조작하는 방식으로, 변속 장치를 조작하면 와이어에 장력이 부여되고, 이 장력이 자전거의 체인을 감싸고 있는 가이드를 조작하여 체인이 걸려있는 기어를 바꾸는 방식으로 작동된다. 이 가이드는 페달 축과 뒷바퀴 축에 존재하기 때문에 두 기어의 조합에 따라 기어비가 결정되며, 사람이 가하는 토크가 이 회전비에 반비례하여 전달된다. 자전거가 주행하기 위한 힘은 기어비에 반비례하며 사람이 가하하는 힘에 비례하므로, 경사를 올라가는 경우 기어비를 낮추어 운전자에게 요구하는 힘을 줄일 수 있다. 반대로 내려가는 경우, 운전자가 자전거에 속도를 증가시키기 위해서는 바퀴의 회전 속도보다 빠른 속도로 페달을 밟아야 하는데, 기어비를 높여 회전비를 증가시킨다면 쉽게 이를 달성할 수 있게 된다. 각 상황에 따른 기어비 판단은 개인에 따라 편차가 있으나 공통적으로 힘이 드는 노면에서는 기어를 낮추고 속도가 빠른 상황에서는 기어비를 높이는 방식을 사용하기 때문에 사용자에 대한 특성을 정의하는 상수를 도입하여 구현하는 것은 가능하다고 판단된다. 이러한 장치를 적용하게 된다면 안전 측면에서 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 초보적인 자전거 운전자는 기어 조작을 능숙하게 하지 못하며, 대부분의 자전거 변속 장치는 손을 이용한 조작을 요구하기 때문에 조작에 집중하다 운전 부주의로 인해 사고를 당할 수 있다. 자동 변속기를 이용한다면 운전자는 변속에 대해 신경 쓸 필요가 없으므로 안전한 주행이 가능할 것이다. 전자장치를 자전거에 부착한다는 점에서도 장점이 존재하는데, 사용자의 변속 패턴을 인식하여 개인에게 최적화 된 패턴을 도출할 수 있을 것이다. 또한 플랫폼이 부착되었기 때문에 여기에 응용 프로그램을 추가하여 주행 상태 모니터링 등의 편의 기능을 구현할 수 있으며 건강을 위한 정보 등도 저장할 수 있을 것이다. 나아가 통신을 이용한 멀티 플랫폼 환경을 구축할 수도 있으므로 Smart 한 자전거가 되는 인프라를 구축하는 첫걸음이 될 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 자전거 동체와 페달 및 바퀴에 센서들을 부착하고, 각 측정값을 이용하여 자전거의 상태를 도출하는 관계식 개발 ◇ CPU와 통신 가능한 애플리케이션을 제작하여 사용하기 간편한 인터페이스 구축 ◇ 자전거 상태에 대한 기어비 도출 알고리즘 수립 ◇ (추가목표) 자전거 상태에 대한 변속 데이터를 수집 및 학습하여 자전거 상태에 대한 목적 기어비를 계산하는 변속 관계식 수립 ◇ 널리 사용할 수 있도록 종래의 변속 장치에 쉽게 적용할 수 있는 구조로 변속기 개발 ◇ 내구성을 보장하기 위한 응력 분산 설계 적용

관련 기술의 현황

State of art

◇ 변속 타이밍을 위한 센서 기술

표

IMU 센서 압력 센서 속도 측정 센서

변속 시점을 정하기 위해 자전거의 상태를 파악할 수 있는 센서들이 요구된다. 자전거의 상태에는 노면의 경사, 자전거의 속력, 페달에 가해지는 힘이 포함되며, 노면의 경사는 각도를 측정하는 IMU센서를 이용하여, 속력은 바퀴에 자석을 부착하고 몸체에 자기력 스위치를 부착하여 Encoder를 구현하여 계산할 수 있으며, 페달에 가해지는 압력은 압력 센서를 부착하여 측정할 수 있다.

1. IMU 센서

IMU는 Inertial Measurement Unit의 약자로 가속도계와 회존 속도계 및 자력계를 조합하여 각도 비율을 측정한다. 본 프로젝트에서는 IMU 센서를 자전거 본체에 부착하여 자전거가 주행하는 노면의 각도와 자전거의 속도를 계산하고 이 정보를 변속을 위한 변수로 사용한다.

2. 압력 센서

압력 센서는 장치에 가해지고 있는 압력, 즉 수직 응력을 계산한다. 본 프로젝트에서는 Load Cell이라는 형태의 센서를 이용하는데, 이 장치는 다양한 형태가 존재하며 그중 한 가지 형태인 Strain Gage Load Cell을 이용하여 응력을 측정할 수 있다. 이 센서를 페달에 장착하여 해당 위치에서의 압력을 측정한다면 동력의 입력 축에 가해지는 토크를 계산할 수 있으며, 이 힘은 운전자가 자전거에 가하는 힘이기 때문에 변속을 위한 변수로 사용된다.

3. 속도 측정 센서

속도 측정의 경우 Rotary Encoder를 사용하는 방법이 가장 일반적이나, 자전거의 경우 이러한 장치를 부착할 위치를 선정하기 어려우며, 부착하더라도 바퀴의 상태에 따라 안정적인 측정이 어려울 수 있다. 따라서 바퀴에 자석을 부착하고, 프레임에 자기력 스위치를 부착하여 Rotary Encoder를 구현한다. 이를 통해 자전거의 진행 속력을 계산할 수 있으며, 이를 변속을 위한 변수로 사용한다.

◇ 머신러닝

머신러닝은 인공지능 분야의 기술 중 하나로 데이터를 분석하여 특성을 추출하고, 추출한 특성을 이용하여 변수에 대한 결과를 예측하는 방법이다. 핵심은 Feature라고 불리는 변수와 결과값의 상관관계를 도출하는 것으로 이를 위하여 데이터 수집이 요구된다. 데이터를 수집하기 위하여 제어 인터페이스를 구축하여 수동 변속을 활성화시키고 주행 데이터를 수집한 뒤, 이 데이터를 적절한 모델을 통해 학습하여 패턴을 학습한다. 다만 변속에 대한 전체적인 경향을 파악하는 것이 주 목적이기 때문에 Overfitting을 방지하기 위한 단순한 모델이 요구되며, 데이터의 가공이 중요하게 작용한다. 나아가 충분한 데이터가 수집된다면 운전자 개개인에 대한 변속 패턴의 차이를 나타내는 변수를 추가하여 추가적인 학습 없이 사용자의 간단한 특성만을 이용하여 개개인에게 맞는 변속 패턴을 제공할 수 있을 것이다.

기술 로드맵

그림

기술 개발은 크게 Actuator에 해당하는 변속기, 알고리즘에 해당하는 인공지능 부분, 정보 수집 기능에 해당하는 센싱 기술로 나누어 개발한다. 본 종합설계 기간에 해당하는 단기적인 목표는 앞에서 제시한 과제의 목표를 충족하는 것이며, 장기적으로는 자전거를 위한 모듈식 통합 제어 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다. 변속기의 단기적인 목표는 와이어를 이용하는 변속기에 대해 모터를 이용해 변속이 가능한 프로토타입 변속기를 제작하는 것으로 정확한 변속이 가능한지에 대해 중점을 둔다. 이는 기능 자체만을 목적으로 둔 것으로, 기존의 부품에 의존할 수 있으며 크기의 경우 상관하지 않으며 내구도의 경우 재료가 아닌 구조적인 내구도에 대해서만 목적을 둔다. 장기적으로 갈수록 성능과 효율성에 중점을 두며, 최종적인 목표로는 저전력 소형 변속기를 제작하는 것을 목적으로 한다. 변속 관계식에 해당하는 인공지능의 경우 단기적으로는 직관에 바탕을 둔 관계식을 수립하고, 나아가 데이터를 학습하여 이 관계식을 보완하는 것에 중점을 둔다. 부가 기능은 존재하지 않으며 변수에는 자전거의 상태, 출력에는 기어의 단수를 제외한 다른 항목은 해당되지 않는다. 초기 개발이 완료된다면 더 다양한 데이터를 처리하는 통합 플랫폼 지원 인공지능으로 확장되며, 단지 기어 변속이 아닌 사용자의 이용 시간이나 운동 데이터 수집, 혹은 GPS 등을 이용한 주행 경로 저장 등이 기능도 지원하도록 한다. 이를 통해 변속기를 넘어선 스마트 변속기를 제작할 수 있으며 이는 자전거를 위한 통합 플랫폼을 위한 소프트웨어가 된다. 센싱 기술의 경우 초기 목표는 안정적인 데이터 수집이다. 각 센서들에서 측정된 데이터를 필터링하여 안정적인 데이터를 제공하도록 하며 이를 통해 안정적인 알고리즘을 제공할 수 있도록 한다. 초기 개발에는 3종류의 센서만이 사용되나 후기에는 인공지능의 확장에 맞추어 각종 센서를 추가하여 인공지능에 교통 정보나 운전자의 정보까지 제공할 수 있도록 한다.

특허조사

표 표

특허전략

앞에서 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 변속기와 유사한 특성을 갖는 두 개의 특허, ‘자전거용 자동변속장치 (출원 번호 10-2011-0092515)’와 ‘전자 프로세서를 이용한 자전거용 전동 변속기 (출원 번호 10-2015-0148573)’를 확인하였다. 이 특허들의 특징을 파악하고 본 프로젝트와의 차이점을 확인하여 특허 취득의 가능성을 높인다.

◇ 자전거용 자동변속장치 (출원 번호 10-2011-0092515)

이 특허의 경우, 기존 자전거에 부착함으로써 자동 변속이 가능하게 한다. 다만, 기계적인 방법으로 변속이 되도록 하고, 체인에 걸리는 장력을 이용하여 변속하는 방식이다. 하지만 본 프로젝트에서는 전자식 변속을 이용하고, 언덕의 경사도, 페달에 걸리는 압력 및 자전거의 속도를 이용하여 탑승자의 현재 상태를 고려하기 때문에 이 특허와는 명확한 차이가 있다고 판단된다.

◇ 전자 프로세서를 이용한 자전거용 전동 변속기 (출원 번호 10-2015-0148573)

위의 특허와 달리, 이 특허는 본 프로젝트와 유사한 전자식 자동 변속기이다. 다만, 이 특허에서는 자동 변속에 도로의 경사도만을 이용한다. 본 프로젝트에서는 도로의 경사도뿐만 아니라, 탑승자가 페달에 가하는 압력과 자전거의 속도도 이용하여 종합적으로 변속 타이밍을 계산한다. 특허의 유사성이 다소 존재하나, 이 특허보다 변속 타이밍을 계산하는데 이용되는 정보가 많은 점을 활용해야 할 것으로 판단된다. 특히, 본 프로젝트에서는 이 특허에서는 사용되지 않은 인공지능 기술을 활용하여 탑승자 개개인의 특성에 맞추어 변속을 하게 되므로, 탑승자를 고려한 변속이라는 점에서 큰 차이가 있다고 판단된다.

표

마. 당 개발과제의 수준 및 위치

기존의 자전거 자동 변속기는 단순히 기울기 혹은 토크만을 이용하여 변속을 하며 복합적인 연산 없이 구동되며, 심지어 토크를 이용한 변속기는 무게 또한 무겁다. 하지만 본 개발과제에서 개발하는 자동 변속기는 토크, 기울기, 가속도 등을 이용한 복합적 판단으로 자동변속을 수행하며 머신러닝을 이용해 사용자의 주행 습관, 신체 조건에 맞춰 최적화가 가능하다. 특히, 기계적 자동 변속기 대비 매우 가볍다는 장점이 있으며 모듈 구조로 장착, 탈착이 간편하며, 추가적인 기어박스 설계로 모터의 전력 소모를 줄이고 수명을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 본 개발과제의 제품은 기존의 방식들의 장점만을 합치며, 최신 기술 중 하나인 머신 러닝을 통한 최적화로 앞으로 자전거 자동변속기가 어떻게 발전해야 할지를 보여주는 사례가 될 수 있다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

표 시장에 진출해있는 기존 제품들 중 인지도가 높은 두 개의 제품을 선정하였다. 이 두 제품의 공통적인 특징은 기존의 자전거에 부착하여 사용하는 제품이라는 점으로 각 부품이 위치에 알맞게 모듈식으로 구성되어 있다. 따라서 기존의 자전거에 그대로 사용할 수 있다는 편의성이 제공된다. 다른 공통점은 변속 인터페이스를 제공한다는 점이다. 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공함으로써 사용이 용이하며 자전거 본연의 기능을 위해 경량화를, 이중 오른쪽 제품의 경우 주행의 안전성을 위해 배터리의 탈부착을 제공한다. 그러나 두 제품의 공통적인 단점은 매우 고가의 장비라는 것이다. 따라서 경량화 및 모듈화에서 단점이 존재할 것이나 가격 경쟁성을 확보한다면 시장에서 우위를 점할 수 있을 것이라 생각된다. 또한 차별화되는 점으로 인공지능을 제공하여 별도의 관리 없이 필요한 기어로 변속하도록 한다. 이러한 기술적 차별성이 충분히 확보된다면 시장에서 경쟁할 수 있다고 생각된다.

마케팅 전략

◇ SWOT 분석

표

1. Strength-Opportunity Strategy

현재 시중에는 전자식 수동 변속기는 존재하나 자동 변속기의 경우 찾아볼 수 없다. 아직 경쟁할 상대가 없는 점을 기회로 삼고 미리 시장을 선점하고, 특히 가볍고 설치가 간단하다는 점을 강조하면 소비자들의 이목을 끄는 것이 가능할 것으로 생각된다. 꾸준히 자전거 이용자의 수가 늘어나고 있다. 이렇게 소비자가 증가하는 상황에서 최근 인공지능에 대한 관심이 높아지고 있는 것을 이용하여 탑승자의 상태를 고려한 스마트한 변속기라는 점을 강조하여 소비자에게 어필한다.

그림

2. Strength-Threat Strategy

현재 서울시에서는 공공자전거 서비스인 ‘따릉이’를 운영하고 있다. 기존 자전거의 개조 없이 간단히 장착하는 것으로 자동 변속을 가능하게 하므로 이러한 서비스와의 연계가 용이할 것으로 생각되고, 이를 이용한다면 소비자들에게 널리 알릴 수 있는 기회로 삼을 수 있다. 기존에는 없었던 전자식 변속기 관련 사업이 증가하고 있는 추세이다. 하지만 대부분 수동 변속기이고, 자동 변속과 인공지능을 이용한 점을 강조하면 이러한 위협을 피할 수 있을 것으로 생각된다.

3. Weakness-Opportunity Strategy

본 프로젝트에서 개발하려 하는 변속기는 기존 자전거에 쉽게 장착하는 것으로 자동 변속을 가능하게 하지만, 추가적인 비용이 든다는 단점이 있다. 이를 위해 제품 생산에 있어 소비자가 부담을 느끼지 않을 가격대의 조사가 필요하고, 이를 바탕으로 설계를 할 필요가 있다. 그리고 생산에 들어가고 대량 생산이 이루어진다면, 생산 단가를 낮추어 단가를 절감할 수 있다. 기존 자전거에 비하면 회로 및 센서 등이 장착되므로 소비자가 직접 유지·보수하는데 어려움이 있고, 특히 먼지나 이물질에 의한 잔 고장에 취약한 점이 있다. 이러한 문제는 외부 디자인을 철저하게 설계함으로써 잔 고장을 줄일 수 있도록 해야 한다고 생각된다. 그리고 유지·보수의 문제에 있어서는 유지·보수에 관련된 매뉴얼 등을 소비자가 이해하기 쉽도록 작성하여 소비자가 제품을 구입할 때 같이 제공하는 것이 필요하다.

4. Weakness-Threat Strategy

기존 자전거 구입 이외에 드는 추가적인 비용은 생산 단가를 낮추더라도 모든 소비자들을 만족시키는 것은 힘들 것으로 생각된다. 이를 위해 소비자에게 전자식 자동 변속기의 필요성을 알리고, 제품에 회의적인 소비자들을 이해시키는 과정이 필요하다. 이를 통해 소비자의 인식을 개선할 수 있다면, 제품의 판매가 늘어나게 되고 제품의 단가를 절감할 수 있을 것으로 생각된다. 전자식 자동 변속기는 기존 자전거에 비해 먼지나 이물질에 의한 잔고장이 많고, 유지·보수가 번거롭다. 이는 Weakness-Opportunity Strategy에서 언급한 바와 같이 설계의 개선과 매뉴얼 등의 제작으로 보완할 수 있다. 이에 따라 다른 전자식 변속기와 비교해서 잔고장이 적고 유지·보수가 간편한 점을 들어 추후에 생길 경쟁자들의 위협을 피할 수 있다. 더불어 소비자들의 인식도 개선할 수 있어 시장의 확대를 불러올 수 있다.

◇ GE 맥킨지 매트릭스 분석

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GE 맥킨지 매트릭스는 사업 강점과 산업 매력도를 바탕으로 만들어진다. 아이템의 외적 및 내적 요인을 모두 고려하여 평가한다. 이 관점에 따라 아이템을 분석하고자 한다.

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추가적으로 B2C 사업뿐만 아니라 B2B 사업도 노려볼 수 있을 것이다. 특히 따릉이의 올해 사업개요를 살펴보면 안전경영이 눈에 띈다. 즉, 따릉이를 이용하는 시민의 안전을 우선한다는 것인데 자동변속기를 도입하게 된다면 잘못된 변속으로 인한 사고나, 무리한 기어조작으로 인한 고장 등을 해결할 수 있을 것이다. 이를 잘 어필하여 B2B 사업에 먼저 진출한다면 이를 마케팅에 이용하여 좀 더 수월하게 B2C 시장 공략이 가능할 것이다.

1. 외적 요인

우선 우리나라의 자전거 보급률을 살펴보면 다른 나라에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있다. 자전거 관련 인프라와 관련 법규 제정이 다른 나라에 비해 늦었기 때문인데 정부 정책 기조 상 자전거 이용 활성화가 활발히 이루어 질 것이다. 이에 따라 자전거뿐만 아니라 에프터 마켓 시장도 자연스레 관심도가 증가할 것이다. 하지만 ‘시마노’라는 자전거 부품업체의 전 세계 시장점유율이 85%가 넘기 때문에 이를 어떻게 돌파하는지가 관건일 것이다. 따라서 우리나라에서 ‘자전거 자동변속기’의 산업적 매력도는 중간정도로 볼 수 있다. 그림

2. 내적 요인

앞선 경쟁제품 분석을 통해 우리가 개발하고자 하는 ‘자전거 자동변속기’의 장점은 다음과 같다.‘

- 쉬운 설치 - 저렴한 가격 - 딥러닝을 통해 환경에 맞는 최적화된 자동변속

이러한 요인을 고려해 봤을 때 경쟁 제품대비 충분한 경쟁력이 있다고 전망할 수 있다. 하지만 브랜드 인지도 즉, 시장 인지도 면에서 봤을 때 ‘시마노’라는 기업이 월등하게 우수하다. 따라서 이를 극복할 방안을 생각해야 될 것이다. 이러한 상황을 종합적으로 고려해 봤을 때 사업 강점 또한 중간으로 평가할 수 있다.

3. 종합 평가

외적 요소와 내적 요소 모두 고려하면 위의 매트릭스에서 우리의 제품 포지션은 프라임 정도에 위치한다. 이는 매력도 면에서 중간정도이며 이를 올리기 위해서는 자전거 시장 상황이 좋아져야 하는 불가항력적 요소가 있으며 나아가 시장인지도가 전무하기 때문에 고객행동분석 구조에 따라 마케팅 자극이 필요하며 앞서 언급한 따릉이와의 제휴를 통해 체험형 마케팅이 적절할 것으로 보인다.

◇ 마케팅 믹스 전략

그림

마케팅에서 말하는 4P(Product, Place, Price, Promotion)은 고전적인 방식이지만 이를 잘 조합하면 마케팅효과가 극대화된다. 이를 마케팅 믹스라고 하며 이러한 관점에서 제품을 분석해보고자 한다.

- Product : 경쟁사 대비 첨단기능(딥러닝) 접목 - Price : 상대적으로 저렴한 가격 - Place : 비용 저감을 위해 온라인 및 모바일 마켓 운영, B2B 채널도 동시에 운영 - Promotion : 체험형 마케팅을 통해 고객이 직접 체험하고 편리하다는 것을 적극 홍보

그림

위의 사진은 전략의 조합을 나타낸 그림으로 (고품질-고가격), (고품질-대등가격), (고품질-저가격), (대등품질-고가격), (대등품질-대등가격), (대등품질-저가격), (저품질-저가격)의 7 가지가 존재한다. 본 프로젝트를 진행함에 있어 Market Share와 인지도를 높이기 위해 (고품질-저가격) 정책으로 가려고 한다. 하지만 이는 제품이 강력한 원가 우위를 지니거나 이윤을 희생해야하는 방법에 해당하므로 도전 기업이 한시적으로 사용하는 방법이다. 따라서 우선 인지도를 높인 후 수익을 위해 다른 전략을 구사하는 것이 바람직해 보인다. 장기적으로는 고품질-대등가격 전략으로 수정해 원가우위를 확보하면서 이익을 추구해야 할 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 변속기에 이용되는 기술의 변화

현재 이용되는 대부분의 자전거는 기계적인 장치만을 이용한 변속기가 장착되어 있지만, 앞으로는 인공지능 등 최신 기술이 접목되어 스마트한 변속기로 변화할 것으로 기대된다. 이렇게 변속기가 발전한다면 지금보다 탑승자의 안전 및 원활한 주행을 도울 수 있을 것으로 생각되며 자전거뿐만 아니라 다른 분야에도 응용할 수 있을 것이라 생각된다.

◇ 다양한 센서를 이용한 정보수집과 적용

해당 프로젝트에서 사용되는 다양한 센서들은 많은 정보를 전달한다. 이번 프로젝트를 진행할 때 이러한 센서들의 효율적인 정보 수집 방법과 실제 알고리즘에 적용하는 법을 개발함으로써 최근 보급률이 높아진 IMU 센서와 같은 장비의 사용법을 개선 개발할 수 있다.

◇ 머신러닝의 응용 범위 확대

현재 머신러닝은 다양한 분야에서의 적용되고 있으며 지속적으로 발전해오고 있다. 또한 앞으로 다양한 분야에서 사용 될 것으로 예측되며 해당 프로젝트에서의 응용 또한 머신러닝의 기법을 응용하고 적용법을 개발함으로써 기계학습 분야에도 영향을 끼칠 수 있을 것으로 생각된다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 기존 부품을 이용한 비용과 기술력 절감

기존 자전거는 대부분 전 후륜 변속기가 기본적으로 장착되어있다. 이때 기존 시장의 튜닝용 자동변속기들을 사용하기 위해선 휠, 혹은 변속기와 스프라켓 등을 교체해야하는 비용적인 문제와 기술적 문제가 발생하게 된다. 하지만 해당 제품의 경우에는 단순히 변속기 케이블을 제품에 연결하고 차체에 장착하기만 하면 되기 때문에 낮은 기술력을 요구하며 비용 절감 또한 이룰 수 있다.

◇ 전자식 자동 변속기에 대한 인식의 변화

현재 대부분의 자전거는 기계적인 장치를 이용한 수동 변속을 이용하고 있으며, 아직까지는 자동 변속기에 대한 소비자들의 인지도가 많이 부족하다. 이번 프로젝트로 개발될 변속기가 널리 이용된다면 자전거에는 수동 변속기가 장착된 것을 당연한 것으로 생각하던 소비자들의 인식을 변화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 퍼스널 모빌리티의 적용

2016년 기준 약 6만대 수준이던 퍼스널 모빌리티 시장이 2020년에는 약 20만대 수준으로 증가할 것으로 예상된다. 자전거 이외에도 이러한 퍼스널 모빌리티에 스마트한 변속기가 적용될 수 있을 것으로 생각된다.

◇ 4차 산업혁명과 DIY 문화의 확대 

최근 사회적으로 DIY 문화와 4차 산업혁명이 대두되고 있다. 해당 제품은 다양한 정보수집 기법과 머신러닝을 통하여 사람들의 빅데이터와 머신러닝기법의 접근성을 향상시킬 수 있으며 사용자가 직접 장착해야하는 장치이기 때문에 사람들의 DIY적 흥미를 충분히 유발할 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

◇ 제품 요구사항 목록

표

제품의 필수 요구사항에서 가장 중요도가 높은 항목은 제품의 퍼포먼스에 대한 부분으로 적절한 변속이 가능한지에 대해 중점을 둔다. 가령 오르막에서는 기어가 자동으로 낮추어져 운전자의 부담을 덜어줄 수 있어야 하며 내리막에서는 감소하여 운전자가 자전거 속도를 제어할 수 있도록 해야 한다. 운전자가 계속 가속을 수행한다면 기어가 올라가 더욱 가속할 수 있도록 하는 기능은 핵심 기능은 아니지만 자전거의 페달에서 측정된 압력과 자전거의 속도를 기반으로 측정될 수 있을 것으로 보인다. 다음으로 중요도가 높은 필수 요구사항은 안전에 대한 항목으로 자전거의 정상적인 제어가 가능한지를 보는 항목이다. 여기서는 체인의 이탈 여부나 기어 변속이 불안정하게 계속되어 정상적인 운행이 불가능한 경우가 해당된다. 희망 사항의 경우 안전에 관련 항목인 비가 오는 날에도 사용할 수 있는지에 대한 여부는 중요도가 매우 낮게 책정되었는데, Actuator의 케이스를 위한 3D 프린터 예산이 충분하지 않으며 같은 이유로 컴퓨터를 포함할 케이스를 정교하게 제작할 수 없기 때문에 설계안과는 다르게 구현상에 문제가 발생할 것으로 판단하였다. 장착이 간단하도록 제작하는 것 또한 예산에 제약을 받기 때문에 희망 사항으로 분류하였다. 운동 기록을 보여주는 것은 편의 기능에 해당하기 때문에 낮게 책정하였으며, 이는 장치의 기능보다는 인터페이스에 더 관련이 있는 것으로 판단하였다. 또한 학습 알고리즘의 경우 부가적인 목표였기 때문에 희망 사항에 포함되었으며, 비용의 경우는 대략적으로 판단할 수는 있으나 시제품이 매우 고가인 관계로 크게 문제가 될 부분에는 해당하지 않아 필수 요구사항에서 제외되었다.

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

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참고문헌 및 참고사이트

[1] 한국교통연구원, “퍼스널 모빌리티 증가 추세”, http://www.fnnews.com/news/201707181332357582 [2] 서울시설공단, “따릉이 회원수”, https://www.sisul.or.kr/open_content/main/bbs/bbsMsgDetail.do?msg_seq=421&keyfield=title&keyword=%EB%94%B0%EB%A6%89%EC%9D%B4&listsz=10&bcd=report [3] road.cc, “Shimano vs SRAM review”, https://road.cc/content/buyers-guide/216660-head-head-shimano-dura-ace-r9150-di2-v-sram-red-etap [4] 키프리스, ”1020110092515”, http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame [5] 키프리스, “1020150148573”, http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame [6] 서울시립대학교 송지희 교수 마케팅관리 자료 [7] 네이버 블로그, “마케팅 믹스”, https://blog.naver.com/zkfltmak9888/221378161275 [8] 네이버 블로그, “GE 맥킨지 매트릭스”, https://blog.naver.com/cobanet/220933031086 [9] 중앙일보, “[정영재·김원의 스포츠 & 비즈 (8)] 자전거 시장, 꼬부랑길이냐 전용도로냐”, https://news.joins.com/article/20795030 [10] 공공자전거운영처 2018 공공자전거 종합현황 [11] Inertial Measurement Unit, https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_measurement_unit [12] Load Cell, https://en.wikipedia.org/wiki/Load_cell [13] Adafruit 16Channel Servo Hat Manual, https://learn.adafruit.com/adafruit-16-channel-pwm-servo-hat-for-raspberry-pi/ [14] Adafruit Imu Manual https://learn.adafruit.com/bno055-absolute-orientation-sensor-with-raspberry-pi-and-beaglebone-black/hardware [15] nrf24l01 Manual https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/nRF24L01Pluss_Preliminary_Product_Specification_v1_0.pdf

관련특허

◇ 자전거용 자동변속장치 (출원 번호 10-2011-0092515) ◇ 전자 프로세서를 이용한 자전거용 전동 변속기 (출원 번호 10-2015-0148573)

소프트웨어 프로그램 소스

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