4조-노인들

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 의자 겸용 지팡이

영문 : A cane for chairs

과제 팀명

노인들

지도교수

이*일 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 서*영(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 김*재

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 박*서

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 조*재

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 고령화 시대에 맞게 노인을 대상으로 한 지팡이 제품에 의자를 결합하여 노인이 보행 중 휴식을 취하고 싶을 때 편하게 의자로 사용하며 휴식이 끝난 후에는 보행 보조장치인 지팡이로 사용하는 제품을 개발하는 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 배경

가) 사회적 배경

통계청에 따르면 22년 65세 이상 고령인구는 우리나라 전체 인구의 17.5%인 901만 8천명으로 우리나라의 고령인구 비중은 계속 증가하여 ‘25년에는 20.6%로 우리나라가 초고령 사회에 진입하고, ‘35년에는 30.1%, ‘50년에는 40%를 넘어설 것으로 전망이 된다.21년에 이미 우리나라는 고령인구 비중이 16.6%로 미국(16.7%), 영국(18.9%) 등과 함꼐 고령사회에 도달하였으며 초고령 사회에 도달하는 속도가 OECD 주요국에 비해 빠르게 진행되고 있다. 이와 같은 사회적 상황에서 노인 관련 사업에 대한 관심과 수요가 늘어나고 있다.이러한 고령화 사회에서 건강하고 활기찬 노년기를 보내기 위해서는 만성질환을 관리하고, 다방면의 기능저하로 인한 정신적 피로를 해소하기 위한 규칙적인 운동이 필요합니다. 노인운동에서 규칙적인 유산소 운동은 콜레스테롤, 고혈압, 혈당, 비만 등의 위험요인들을 개선시키고 심장질환을 예방하거나 진행을 지연시킵니다. 이와 관련하여 김희걸 외 2인은 노인을 대상으로 한 규칙적인 걷기 운동이 노인들에게 미치는 영향을 조사하였으며, 그 결과 걷기운동 참여 전후의 비만도 부분에서 과체중인 경우 0.5의 차이가 있는 것을 보여주었습니다.위 연구 사례처럼 걷기운동만 잘 해도 노년기 건강에 많은 도움이 되지만, 바르지 않은 자세에서의 걷기운동은 관절에 무리가 가며, 지속적인 보행에 어려움을 느끼게 합니다. 이러한 보행 장애에 도움이 되는 방법은 지팡이 보행기와 같은 보행 보조장치를 이용하는 방법과 보행 중 휴식이 있습니다. 다만 보행 중에 서서 휴식을 취하는 것은 노인에게 큰 부담이 되기 때문에 휴대용 의자의 필요성을 느꼈으며 그러한 의자가 지팡이와 결합된다면 노인에게 보다 큰 도움이 될 수 있다고 판단하였다.

나) 기존 제품 사례 및 개선 방향

의자 겸용 지팡이의 경우, 현재 판매하는 상품들 대부분은 의자 부분이 외부에 도출되어 있습니다. 이 제품들은 지팡이 본체에 접이식 의자를 결합한 제품들로 지팡이에서 의자로의 전환과 의자에서 지팡이로의 전환은 쉽고 빠르나 접었을 때 의자부분이 외부로 도출 되어있어 휴대하는데 거추장스러우며 지팡이 본연의 용도로 사용하기가 어렵다. 그렇기 때문에 의자 겸용 지팡이는 지팡이로써 역할을 할 때 지팡이 본체 외부에 튀어나온 부분이 적을 필요가 있다.

기대 효과

노인의 걷기 운동 활성화를 통한 건강 증진

기존에는 보행간 휴식이 필요해도 휴식할 공간이 부족하기 때문에 휴식을 취할 수 없었으며 그로 인해 걷기 운동이 활성화되기 힘들었으며, 휴식할 공간이 있는 특정 지리에서만 걷기운동이 가능했다. 하지만 본 과제에서 제작한 의자 겸용 지팡이가 있다면 휴식이 필요할 때 의자를 바로 사용할 수 있기 때문에 걷기 운동이 보다 활성화될 것이다.

노인의 횡단보도 보행 사고 방지

일반적으로 횡단보도 보행 시간은 보행 진입시간 7초 + 횡단보도 1m당 1초를 기준으로 산정하는데, 노인의 경우 느린 보행속도로 인해 횡단시간이 부족하다. 국가에서는 보행섬을 설치하고 바닥형 보행신호등, 횡단보도 대기 쉼터를 통해 고령자의 편의를 보장하였습니다. 다만 현존하는 보행섬의 경우 대다수가 별다른 휴식공간을 가지고 있지 않으며 횡단 보도 대기 쉼터의 경우 대다수의 횡단보도에는 존재하지 않습니다. 그렇기에 고령자가 횡단보도를 건너는 중 혹은 건너기 전에 휴식이 필요한 경우에도 별다른 휴식공간이 없어 휴식을 취할 수 없기 때문에 횡단 보도 사고가 빈번하게 일어납니다. 본 과제에서 제작한 의자 겸용 지팡이는 노인이 필요시 그 자리에서 의자로 사용할 수 있기에 위와 같은 사고를 예방할 수 있습니다.

해외 시장 공략

현재 세계는 고령화 사회를 당면하였으며, 일본, 이탈리아의 경우 이미 21년에 초고령사회에 진입하였습니다. 본 과제의 제품은 이러한 고령화 사회에서 필수품으로 자리 잡을 수 있으며, 다른 지팡이 제품보다 노인의 건강에 큰 도움을 줄 수 있기 때문에 해외 시장 공략에도 용이하다고 생각합니다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

본 과제의 목표는 지팡이에 의자를 부착하여 노인이 보행 중 휴식이 필요할 때 편하게 휴식을 할 수 있는 제품을 만드는 것이다. 이를 만족시키기 위해 지팡이의 무게는 가벼워야 하며 지팡이 상태일 때와 의자 상태일 때 충분한 하중을 견뎌야 한다. 또한 지팡이일 때 의자가 외부에 도출되는 상태면 휴대가 불편하기 때문에 의자가 외부에 도출되지 않은 형태로 제작을 해야 한다. 위의 목표를 달성하기 위한 세부목표는 아래와 같다.

(1) 지팡이 형태에서 휴대가 용이하기 위해 외부에 도출되는 부분은 최소화하며 노인이 들 수 있을 만큼 충분히 가벼워야 한다. 일단 초기 목표는 700g으로 설정하였으며, 의자 형태가 외부에 도출되지 않도록 하여 휴대가 편하게 한다.

(2) 의자 형태에서 사람이 앉고 쉴 수 있도록 충분한 하중을 견뎌야 하며 초기 목표는 100kg으로 하며, 하중을 효율적으로 분배할 수 있도록 하단 지지부가 삼각형을 이루도록 한다.

(3) 지팡이-의자 형태간 변환이 쉽고 빨라야 하며 변환 소요 시간은 초기에는 10s로 설정하며, 간단한 동작으로 이루어지게 한다. 

또한, 본 과제에서 최종 물품을 제작하고 수정하는 것은 어렵기 때문에 최종적으로 물품을 제작하기전 3d프린터를 이용하여 사전제작을 진행하며, 사전 제작품에서 의도대로 작동을 하는지 확인을 한 후에 최종 물품을 제작한다.

개발 내용

본 과제의 주요 개발 부분은 4단계로 나뉘어지며 각 단계는 하부설계, 상부설계, 구조 해석, 인간 공학 디자인으로 명명한다.

하부 설계

하부 설계에서 중요한 부분은 크게 2가지로 1)의자 형태일 때 하중을 어떻게 지지를 할 것인가, 2)지팡이에서 의자로의 변환을 어떠한 매커니즘으로 구현할 것인가이다.

1) 하중을 지지하는 부분은 지팡이 외부에 3개의 지지발을 설치하여 삼각형을 그리며 지면을 지지하는 방안을 채택하였다. 각 지지발은 중앙 중심봉과 링크로 연결이 되어 하중을 분산시킬 수 있으며, 트러스 구조를 이루어 균형을 이루게 제작한다.

2) 지팡이에서 의자로의 변환은 우산, 악보 거치대와 유사한 형태를 가지게 설계를 진행한다. 3개의 지지발을 중앙중심봉에 연결하기 위해 3개의 지지발의 연결부를 중앙 중심봉과 연결하였고 각각의 지지발이 중앙중심봉과 링크로 연결되어 연결부의 상하 운동이 3개의 지지발의 운동으로 연결이 되게 한다. 

상부 설계

상부 설계에서 중요한 부분은 외부에 1)의자가 하중을 충분히 잘 분산해야 한다는 점과 2)의자가 외부에 보이지 않게 숨기는 것이다.

1) 의자가 하중을 분산하는 방법은 하부 설계와 동일하게 의자를 지지하는 3개의 지지봉이 삼각형 구조를 이루어 하중을 전달하면서 각 지지봉을 서로 연결하는 축을 달아 보다 분산이 쉽게 일어나게 설계하였다. 또, 의자가 펼쳐진 후에 잠금장치를 돌려 의자를 고정하고 외봉에 하중을 분산한다.

2) 의자가 외부에 보이지 않게 하기 위해 의자부분을 캠핑의자처럼 천으로 구현하기로 결정하였으며, 그런 천도 외부에 드러나 있으면 쉽게 더러워지고 손상이 쉽게 이루어진다고 판단하여 중심봉 내로 천이 수납이 될 수 있도록 설계한다. 그 과정에서 천으로 된 의자를 지지하는 지지봉 또한 중앙 봉 내부로 들어갈 수 있게 설계하여 천의 수납이 용이하도록 한다

구조 해석

구조적으로 하중이 잘 분산이 되도록 이전 단계에서 설계를 하였으나, 그러한 구조가 의도대로 되었는지 확인하기 위하여 Ansys를 이용하여 하중이 주어졌을 때 어떻게 전달이 되는지 확인하는 과정을 거치며, 원하는 대로 하중이 분산되지 않거나 뜻하지 않은 곳에서 하중이 집중되는 것을 확인하고 보충한다. 

인간 공학 디자인

인간 공학 디자인은 제품을 설계할 때 인간의 신체적 특성을 고려하여 과학적인 방법으로 기존의 제품보다 사용하기 편하게 만드는 디자인이다. 본 제품의 경우 사용 대상이 노인이므로 이러한 인간 공학 디자인 부분이 중요한 요인이다. 지팡이가 너무 길거나 짧으면 자세가 부자연스럽게 되어 어깨 결림 허리통증의 원인이 되므로 적절한 길이가 중요하다. 일반적으로 지팡이 기준 길이 산정은 “(사용자의 키 /2) + 3cm” 이므로, 그러한 기준을 맞추어서 제작을 하되, 어느 정도의 길이 조절이 가능하도록 디자인한다. 또한 손잡이의 경우 사람의 손이 편하게 쥘 수 있도록 디자인하여 손의 피로를 줄이는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 국내기술 현황

1. 인간공학적 디자인 : 최근 지팡이 기술들 중 인간공학적 디자인과 관련되어 3d 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 손잡이를 개발하는 기술이 발달하고 있다. 이러한 기술은 보행자가 실제 사용하던 지팡이에 부착물을 부착하는 형태로 추가적인 지팡이의 구매가 아니라는 점에서 보다 경제적이며, 각 사용자마다 손의 크기, 손가락의 두께 등이 다르고 선호하는 쥐는 방식이 다르다는 점에서 사용자의 만족도가 높게 나왔다.
2. 다기능 지팡이 : 다기능 지팡이는 지팡이 손잡이에 손전등을 달거나, 나침반을 다는 등산용 지팡이부터 다양한 스마트 기능을 장착한 스마트 지팡이가 있다.

특히 최근 IoT 기술이 발전함에 따라 다양한 기능을 수행하는 스마트 지팡이 개발에 대한 관심이 커졌다. 그 예로는 눈앞에 가슴 높이 이상 장애물이 있을 경우 손잡이에 있는 초음파 센서가 이를 감지하고 진동을 통해 알려주는 역할을 하는 시각장애인용 지팡이가 있다.

• 해외기술 현황

1. 인간공학적 디자인 : 일본에서는 지팡이의 하단부가 사람의 발목처럼 작동하게 지팡이를 설계하였다. 보행자가 지팡이를 사용할 때 지면과 맞닿는 부분은 수평을 유지하여 지팡이가 미끄러지는 것을 방지하였고 그로인한 낙상사고를 예방하는 효과가 있다.
2. 다기능 지팡이 : 미국에서는 지팡이의 주 사용자가 노인인 점에서 착안하여 사용자가 갑작스럽게 쓰러지는 경우 사용자의 가족에게 소식이 전하는 스마트 지팡이 시스템을 구축하기 위한 스마트 지팡이 알고리즘을 개발하는 중이다. 이 알고리즘은 지팡이에 설치된 다양한 종류의 센서들을 이용하여 갑작스럽게 지팡이가 쓰러지는 경우와 지팡이가 회전 혹은 보관을 위해 눕히는 경우를 구분하였고 이는 스마트 지팡이 시스템 구축에 도움이 되는 기술이다.

• 기술 로드맵

지팡이의 기술 로드맵의 경우 2020년 이전의 기술은 대부분 경량화와 소재 관련 내용이므로 제외하고 작성하였다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

지팡이의자 관련 특허 부분에서는 등록된 특허인 ‘접이식 의자를 갖는 지팡이’의 청구항을 침해하지 않게 설계를 한다. 위 특허의 경우 지팡이 본체의 일측에 시트 프레임을 설치하여 시트부재를 결합하는 지팡이로 우리가 만들 의자 겸용 지팡이의 경우 외부 시트 역할을 할 천이 지팡이 내부로 수납이 되는 구조이기 때문에 침해하지 않는다고 판단하였다

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

목재 지팡이의 경우 대체로 가격이 저렴한 편이지만, 길이 조절이 안된다는 단점이 있다. 금속 지팡이의 경우 대체로 알루미늄 합금이나 스테인리스를 사용한다. 무게도 400g 이하인 제품들이 많지만 라니핏의 지팡이의 경우 하단의 4발로 인해 무게가 680g으로 하단 4발을 제외하는 경우에는 320g이 된다. 가격 면에서는 목재 지팡이에 비해 비싼 편이지만 길이 조절이 가능하다는 장점이 있으며 또 목재 지팡이에 비해 외부 충격에 잘 견디며 관리가 수월하다. 의자 지팡이의 경우 의자 구조와 하중을 충분히 견뎌야 하기 때문에 일반 지팡이에 비해 무게가 무거운 것을 확인하였고, 가격도 비교적 비싼 것을 확인했다. 다만 길이 조정 부분에서 구조상 길이조정이 불가능하였다. 우리가 만드는 제품은 시장에 존재하는 일반 목재 혹은 금속 지팡이에 비해 상대적으로 무게가 많이 나갈 수밖에 없지만 시장에 현존하는 타사의 의자 지팡이에 비해서는 가볍다. 또한 기존의 타사 제품들의 경우에는 길이 조정이 불가하였지만 우리의 제품은 길이조정이 가능하며 그 범위 또한 일반적으로 사용되는 금속 지팡이의 조정 가능 길이와 같다.

• 마케팅 전략 제시

1) swot 분석

2) swot 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 3d 프린팅 본 제품의 경우 제품을 모델링 한 이후에 제품의 결함을 찾기 위해 3d 프린팅을 이용하여 제 품을 사전 제작한 후에 제품이 설계 과정에서 의도한 대로 구조적으로 움직이는지 확인을 하 는 과정을 거친다. 이처럼 제품을 설계하고 3d 프린팅을 이용하여 사전제작을 하는 과정은 설 계 과정에서 미처 확인하지 못한 제품의 결함을 찾을 수 있으며, 비용적인 측면에서도 완성품 을 바로 제작하는 것보다 적은 비용을 사용한다.

2) 응력 해석 본 제품은 설계 과정에서 ANSYS 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 통해 지팡이 구조에 대해 구조 역학적인 해석을 진행합니다. 이러한 해석방법은 기존 지팡이보다 구조적으로 보다 복잡한 의자 지팡이에서 발생할 수 있는 응력 집중 문제를 미리 해결할 수 있으며, 과설계를 막아 효율적인 제품 생산에 도움을 준다.

3) 기존 제품 대비 품질 향상 기존 제품에 비해 무게 측면에서는 10%~30% 감소하여 보다 가볍지만, 최대하중의 경우 동 등한 성능을 가진다. 또한 기존의 제품들의 경우 길이가 조정이 불가능하여 인간 공학적인 측 면에서 성능이 부족하였지만 자사의 제품의 경우 길이가 조정이 가능하며 그 범위 또한 70cm~100cm로 30cm의 조정이 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

우리나라는 고령화가 가속화되고 베이비붐 세대의 대거 은퇴로 고령친화산업이 급부상하고 있습니다. 특히 베이비붐 세대들은 경제적인 측면에서 과거의 고령자 계층과는 달리 구매 잠재력이 풍부한 계층으로 분석되기 때문에 시니어 시장의 규모가 점차 성장할 것으로 예측됩니다. 이러한 사회 · 경제적인 상황에서 본 제품은 다른 일반 지팡이와 달리 보행 중 휴식을 취할 수 있기 때문에 경쟁성이 뛰어나다. 현재 세계는 고령화 사회를 당면하였으며, 일본, 이탈리아의 경우 이미 21년에 초고령사회에 진입하였습니다. 본 과제의 제품은 이러한 고령화 사회에서 필수품으로 자리 잡을 수 있기에, 다른 지팡이 제품보다 해외 시장 공략에 용이하다고 생각합니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용