졸업시켜조
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 - 배수관
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 - 휠체어
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.
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.
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
- 아두이노 : 압축펌프가 압축공기를 통에 주입할 때 기압 센서로 공기의 기압을 측정해 압축펌프를 멈춘다. 배수관이 막혔을 때 버튼을 누르면 스텝 모터를 가동해 배수관의 차폐막을 닫고 압축공기 통의 차폐막을 열어 공기를 방출한다. - 기압센서 : 압축공기 통의 내부 압력값을 인식해서 아두이노에 전달한다. - 스텝 모터 : 아두이노에서 신호가 전달되면 랙기어를 이동시켜 차폐막을 개방, 차단한다. - 압축공기 통 : 압축 펌프에서 생성되는 공기를 보관한다. - 차폐막 : 압축된 공기가 배출될 때 배수관의 압력이 역류되지 않도록 배수관을 차단한다.
나. 오뚝이 휠체어 조립도
- 모터 : 원래 전동휠체어의 모터라 가정하고 클러치에 동력을 생성한다. - 모터 축 : 모터의 동력을 전자 클러치에 전달한다. - 전자클러치 : 휠체어가 기울어지면 전면부와 후면부가 접촉하며 모터의 동력을 전달한다. - 클러치 축 : 클러치에 전달된 모터의 동력을 랙·피니언에 전달한다. - 베어링 : 클러치의 전면부와 후면부가 잘 접촉할 수 있도록 축의 위치를 고정해준다. - 랙·피니언 : 클러치에서 동력을 전달받아 레일 축 위에 있는 배터리를 이동한다. - 레일 축, 축 베어링 : 배터리를 지지하고 랙·피니언에서 전달된 동력으로 배터리를 이동한다. - 축 서포터 : 레일 축을 지지하고 고정시킨다.
결과 및 평가
완료작품 소개
제안하는 제품은 클러치, 랙 피니언 기어를 바탕으로 배터리 모듈이 이동하여 안정성을 높인 전동휠체어이다.
프로토타입 사진
배터리에서 공급되는 전력으로 인해 모터에 연결된 축은 항상 회전상태를 유지한다. 자이로센서에서 휠체어가 기우는 것을 인식하고, 아두이노에 신호를 보낸다. 기운 방향에 따라 클러치의 전자석에 전류가 흐르고, 모터의 축과 피니언 기어의 축이 연결된다. 이에 따라 프로토타입은 휠체어가 기울어지는 경우에만 배터리 모듈을 이동시키는 구조이다.
포스터
특허출원번호 통지서
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
프로토타입의 평가항목과 기준은 표x 에 도시된 바와 같다. 우선 본 프로젝트의 본질적 목적이라 할 수 있는 휠체어의 안정성 증가 항목에서는 기존 34도 -> 프로토타입 42도로 8도가 증가했다. 다음으로 안정성 증가량에 가장 큰 영향을 미치는 배터리 모듈 가동범위의 경우 총 300mm였던 당초 목적에 비해 70%로 감소한 결과를 얻었다. 마지막으로 무게 증가량과 전력 소모량은 휠체어의 최대 주행거리를 확보하기 위해 최소화 해야 하는 항목이다. 무게 증가를 무시할 경우 시판되고 있는 전동 휠체어의 주행거리는 약 85%로 줄어든다. 따라서 적절한 주행거리를 확보하기 위해 전력 소모량은 최대 80W로 설정하였다. 설계 결과 무게 증가량은 15kg, 전력 소모량은 100W로 각각 목표의 125%, 75%를 달성하였다. 비중*달성도로 계산한 최종 점수는 아래와 같다.
40*0.8 + 20*1.0 + 10*0.7 + 30*0.75 -> 81.5 / 100
향후평가
프로토타입에서 초기 목표치에 도달하지 못한 것은 배터리의 가동범위, 최대기울기, 전력 소모량이다. 가동범위와 최대기울기에 대해서는 가로 길이가 짧은 형상의 배터리를 사용할 경우 가동범위를 더 넓힐 수 있고, 그에 따라 최대 기울기 또한 늘림으로써 안정성을 더욱 강화할 수 있다. 또한 전력소모량의 경우 프로토타입을 제작하는 과정에서 안전계수를 고려해 고출력 모터를 사용했다. 랙, 피니언의 마찰을 고려해 최적의 모터를 선정한다면 무게와 전력소모량을 줄이고, 기존 휠체어의 주행거리에 영향을 주지 않는 선에서 구현이 가능할 것이다.
부록
참고문헌 및 참고사이트
① Motion control of joystick interfaced electric wheelchair for improvement of safety and riding comfort, 논문
② [[1]] 전동휠체어 제품 자료
③ 겨울철 고령자 안전사고의 절반 이상이 ‘낙상사고’, 케미컬뉴스
④ 35%가 사고 경험... 전동휠체어 ‘안전 비상’, YTN 뉴스
관련특허
① 근전도 신호 제어형 전동휠체어 및 그 제어방법, Electronotive wheelchiar for controlling anelectromyogram an its controlling method, 1020040010333
② 장애물을 용이하게 오르내릴 수 있는 삼단 상하 운동 바퀴를 구비한 전동휠체어, Electrix Wheelchair equipped with Vertical motion wheels, 1020150167103
③ 휠체어 낙상사고 대응 시스템, Wheelchiar fall Accident Response System, 1020190009076
④ 휠체어용 안전 장치, Safety Device for Wheelchair, 1020160045567
