루비

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 야구장 1인용 수평유지 테이블

영문 : The individual balance table at baseball stadium

과제 팀명

루비

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 천*현(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 김*수

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 이*경

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 조*규

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 강*민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

'야구장 1인용 수평유지 테이블’은 실시간으로 테이블 움직임(각속도, 가속도)을 감지해 테이블을 수평으로 유지하는 발명품이다. 테이블이 x축 방향(좌측 혹은 우측)으로 회전하면 x축 모터는 그와 반대 방향으로 회전한다. 테이블이 y축 방향(측면 혹은 후면)으로 회전하면, y축 모터는 그와 반대 방향으로 회전한다. 이는 간격이 좁은 야구장 좌석에서, 몸의 움직임이 발생해도 테이블이 수평을 유지해 음식이 쏟아지는 것을 방지한다.

우리는 이러한 작동 방식을 적용해, 야구장 내 격렬한 움직임에도 편안하게 음식물을 섭취 혹은 보관할 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

서울에서 가장 큰 서울종합운동장 야구장은 관람객 25,000명을 수용한다. 이때 테이블이 있는 좌석은 766석(약 3%)이다. 다른 야구장도 마찬가지로 일부 좌석만 테이블을 제공하고 있고, 관람객 대부분은 협소한 공간에서 음식을 섭취하고 있다. 특히 일어난 채 응원하면 음식을 바닥에 놓아야 하며 음식을 발로 차서 엎어지는 사고가 발생할 수 있다. 이 문제를 해소하고자 야구장 1인용 수평유지 테이블을 제작한다.

개발 과제의 목표

◇ 야구장 내 어떤 움직임에도 수평을 유지하는 1인용 테이블 설계 및 제작

◇ MPU-6050을 활용하여 각속도와 가속도를 실시간으로 감지하여 상대적인 기울기 값을 센싱하고, 이에 대한 보정값을 모터에 입력해 테이블 수평을 유지하는 테이블 시스템 설계 및 구현

◇ 야구장 좌석 크기와 간격을 고려해 테이블 크기 선정

◇ 휴대성, 안전성을 강화하는 수조형 테이블 설계 (마찰력이 높은 바닥, 탈부착 형태)

◇ 테이블과 몸통을 안정적으로 연결할 수 있는 디자인 설계

◇ 1인용 테이블을 장착한 후 움직임에 따른 수평 유지 정도를 테스트하고 평가해 테이블 성능 검증

개발 과제의 내용

◇ 테이블 디자인

야구장과 같은 좁은 장소에서 사용할 수 있는 휴대용 테이블을 제작한다. 테이블은 간이 테이블로 쉽게 옮기고 설치할 수 있어야 하며, 사용자가 편리하게 이용할 수 있는 크기와 기능을 갖추어야 한다. 테이블은 모터 부분과 벨크로 등을 이용해 탈부착이 가능하게 제작하여 보관과 이동을 용이하게 한다. 테이블 바깥쪽 테두리 부분을 턱이 있는 형태로 제작하여 보다 안전하게 설계한다. 마찰을 높일 수 있게 테이블을 요철과 같은 형태로 제작하여 음식물이 미끄러지지 않게 설계한다. 또한, 컵홀더를 테이블에 추가하여 음료를 안정적으로 보관할 수 있게 한다.

◇ 연결부 디자인

몸통과 테이블을 연결할 때는 허리에 찰 수 있게 벨트를 넣는 공간을 설계한다. 사람이 오랜 기간 무게를 감당할 수 있게 가볍게 제작한다. 실제 무게에 따른 시연 결과에 따라 신체와 연결하는 부분을 간소화할 수 있다.

◇ 센서와 제어 시스템

MPU-6050을 사용하여 테이블의 기울기와 각속도를 실시간으로 감지하고, 이 데이터를 활용해 모터를 제어하며 테이블의 수평을 조절한다. MPU-6050은 모터 접합부 상단에 부착한다.

◇ 안정성 평가

테이블이 안전하게 기능하고 사용자에게 어떤 부작용도 일으키지 않는지 확인하기 위해 안정성 테스트를 수행한다. 갑작스런 움직임에 대응하여 테이블이 수평을 유지할 수 있는 최대 각도와 반응 속도를 테스트하거나 테이블이 옆 사람에게 줄 수 있는 피해가 있을지에 대한 평가를 진행한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

1. 경쟁제품 조사 비교

A형제품

A형 제품은 위 그림과 같이 테이블을 봉과 지지대로 지지하는 형태다. 테이블의 높이는 봉의 길이를 조절하여 조절이 가능하다. 지지대를 바닥에 위치하여 하중을 지탱하는 원리이며 좌석과 좌석 사이의 공간이 충분히 있어야 설치가 가능하다. 경기를 관람하다가 자리를 이탈하거나 옆 사람이 이동할 때 이동의 자유를 제한할 수 있다. 세 제품군 중 가장 안정적으로 하중을 지탱할 수 있으나 좌석과 좌석 사이의 공간이 좁은 야구장의 특성 상 관람객 이동의 자유를 크게 제한하고 일어서서 관람을 불가능하게 한다.

B형제품

B형 제품은 테이블의 받침을 신체로 지탱하여 하중을 지지하는 형태다. 테이블 아래에 위치한 지지대 부분을 의자 위에 위치하고 허벅지 사이에 끼워서 단단히 고정하는 원리다. 형태가 매우 단순하고 운반이 간편하다는 장점이 있으나 음식을 섭취할 때 반드시 앉아있어야 하며 A형과 마찬가지로 관람중 이탈하려고 할 때 이동의 자유를 크게 제한한다.

C형제품

C형 제품은 야구장 좌석의 컵홀더에 테이블의 지지대를 위치시켜 하중을 지지하는 구조다. 컵홀더에 위치시키므로 하중을 효과적으로 지지하고 안정적으로 음식물을 지탱할 수 있다. 하지만 잠실구장의 외야석과 같이 컵홀더가 존재하지 않는 좌석의 경우에 설치가 불가능하다는 단점이 존재한다. 컵홀더는 좌석과 좌석 사이에 있기 때문에 옆 사람의 동의를 얻지 못한 경우에 설치가 불편하다는 단점이 있다. 관람중 일어서서 관람할 때는 테이블 위치를 회전하여 문제 해결이 가능하나, 이 경우 다른 관람객이 좌석을 이탈하여 이동하고자 할 때 이동의 자유를 제한한다는 단점이 존재한다.

2. 마케팅 전략 제시

본 제품은 기존 A, B, C형 제품의 단점을 보완하고 야구장에서 편안한 취식환경 제공을 위해 다음과 같이 제품을 설계했다

◇ 목표 시장 및 고객층

야구장을 자주 이용하는 관중을 타겟으로 마케팅을 진행한다. 본 제품은 다회용 제품으로 설계되었고 기존 야구장 간이 테이블 제품들보다 구조의 복잡성과 높은 생산비용으로 고급화 전략이 동원되어야 한다. 야구장을 자주 이용하는 관중들이 다회 경기를 관람할 때 기존의 제품들보다 편안한 취식환경을 경험할 수 있고 이를 위해 다소 비싼 가격을 충분히 지불할 필요성을 느낄 수 있어야 한다. 야구 스포츠의 팬들을 대상으로 한 설문 결과 야구장이 불편한 이유 중 가장 큰 이유는 야구장의 좌석 간 좁은 간격이 꼽혔다. 좁은 간격에서 취식 때문에 겪었던 불편함을 해결할 수 있는 제품으로 본 제품을 마케팅한다.

3. 제품의 특징을 활용한 마케팅

◇ 구조와 기능

- 안정성 : 본 제품의 2축 회전운동 제어 짐벌 구조는 강력하고 안정된 지지효과를 제공하고 사용자에게 편안한 취식환경을 제공한다. 짐벌구조를 도입하여 야구장에서 앉거나 일어섰을 때 다른 관람객 또는 본인의 신체의 자유를 제한하지 않고 자유롭게 취식이 가능하다. 응원하는 팀의 공격 상황에 일어서서 관람하는 것이 당연시되는 야구장의 특성상 일어서서 취식이 가능케 하는 야구장 간이 테이블의 역할을 강조한다.

- 조절 가능성 : 하네스의 길이 조절이 가능한 디자인을 도입하여 다양한 사용자들에게 적응성을 제공함한다. 길이 조절 버클을 도입하여 신체 사이즈에 상관없이 제품을 사용할 수 있다.

- 내구성 : 야외에서 사용되므로 내구성이 뛰어나야 하고 가볍고 단단한 플라스틱 소재를 활용하여 충분한 내구성을 확보한다. 고토크 서보모터를 설계에 사용해 충분한 지지효과를 제공하고 내구성이 강하다.

- 사용 편의성 : 이동이 쉽고 조립이 간편한 설계를 고려하여 제품의 각 부분을 분리가 가능하고 쉽게 조립이 가능하게 설계한다. 제품은 크게 3가지 파트인 하네스, 짐벌, 테이블 부분으로 나누어 설계하고 각 부분은 해체 및 조립이 가능하다. 이를 통해 충분한 사용자 편의성 확보가 가능하다.

◇ 디자인 요소

- 주제 연관성 : 테이블 윗부분에 각 구단과 관련된 그래픽 및 색상을 활용하여 시각적인 인상을 준다. 각 구단의 상징을 활용하여 목표 고객층에게 마케팅한다.

- 제품의 크기 : 휴대성과 간편한 사용을 고려하여 테이블 부분의 크기와 무게를 최적화한 설계를 홍보한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 벨트를 활용해 안정적으로 테이블을 몸에 결합할 수 있다. 즉, 테이블을 몸에 밀착시켜 좁은 공간에서도 불편함 없이 테이블을 이용할 수 있다.

◇ 몸 움직임에 따라 x축, y축 모터가 그에 반대되는 방향으로 움직여 테이블이 수평을 유지할 수 있다. 이는 일어선 상태에도 안정적으로 음식 섭취가 가능할 수 있도록 한다.

◇ 테이블을 탈부착할 수 있어 사용하지 않을 경우 부피를 최소화할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 야구장 1인용 수평유지 테이블은 배터리만 교체하면 반영구적으로 사용할 수 있다. 그래서 한 번 구매한다면 일반석보다 2~3배 비싼 테이블석 티켓을 구매하지 않아도 되어 경제적 이점이 있다.

◇ 테이블이 없는 좌석에서 일어서서 응원할 경우 음식을 바닥에 놓아야 하는 위생 문제가 있다. 또한 관람객이 이동하면서 음식물이 쏟아지는 경우도 대개 발생한다. 하지만 야구장 1인용 수평유지 테이블을 사용할 경우 음식을 테이블 위에 올려놓을 수 있어 위생적인 음식 섭취가 가능하다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1. 설계 기준

◇ 안정성 (20%) : 테이블에 놓은 물체 무게를 상승시킨다. 이후 무게에 따른 테이블 각도가 10도 이내로 측정된다.
◇ MPU-6050, 모터 민감도q (30%) : 몸 회전에 따른 MPU-6050 각속도, 가속도를 측정한다. 이후 보상값이 모터에 입력되고, 모터가 작동되는 시간이 0.5초 이내인지 확인한다.
◇ 본체(테이블, 접합부) 무게 (15%) : 본체 무게 1kg 이하
◇ 최대 하중 (35%) : 최대 하중이 1kg 이상인가?

2.설계 평가 내용

◇ 안전성 : 테이블에 놓은 물체 무게를 상승시킨다. 무게에 따른 테이블 각도 변화를 확인한다.
◇ MPU-6050, 모터 민감도 : 테이블 회전 이후 0.5초 이내로 모터가 회전하는지 확인한다.
◇ 본체(테이블, 접합부) 무게 : 본체 무게를 저울로 측정한다.
◇ 최대 하중 : 각 부품의 무게를 측정해 합한다.

개념설계안

어떤 움직임에도 수평을 유지하는 야구장 1인용 테이블 제작

1. 물체를 안정적으로 보관하는 테이블

앞뒤로 폭이 좁은 야구장의 좌석을 고려하여 음식물과 음료를 올려둘 수 있을 만큼 최소한의 크기로 테이블 디자인을 갖는다. 야구장에서 가장 즐겨 먹는 먹거리인 치킨박스와 맥주(혹은 콜라)와 같은 음료를 보관할 수 있게 총 2개의 부분을 갖는다. 그림1의 A부분은 마찰력을 높일 수 있게 하여 수평유지에 더불어 물체가 미끄러지는 것을 방지하고, 컵홀더는 밑으로 구멍이 있는 형태로 제작한다. 마지막으로 테이블 밑바닥 부분에는 벨크로 스티커를 부착하여 수평유지를 제어하는 모터부와의 탈부착을 가능하게 제작한다.

2. 수평유지를 제어하는 모터 접합부

음식물과 음료가 올려져 있는 테이블의 수평 유지를 위해, X축과 Y축을 제어할 수 있게 서보모터 2개를 활용한다. 서보모터에 회전값을 입력하여 제어하고, 원리는 다음과 같다. 처음 수평 상태의 기울기값(오프셋값)을 측정하고 그 뒤 움직임에 따라 변하는 기울기값(각도값)을 모터에 음수값(각도값)으로 입력해주면 X, Y축에 대하여 초기상태의 수평을 유지할 수 있다. 서보모터는 고토크 값을 가져 테이블 위에 물건이 올라와 있어도 안정적으로 작동해야 하며, 기울기값 변화에 빠르게 반응하여 수평유지를 연속적으로 할 수 있어야 한다. 따라서, 32kg/cm의 고토크 및 0.12 sec/60°의 빠른 응답속도를 가지는 서보모터를 활용한다. (6 V 기준)

서보모터에 입력해줄 각도값을 추출은 아두이노로 MPU6050 센서와 코딩을 통해 수행한다. MPU6050은 ‘ㄱ’자 모양의 핀을 납땜을 통해 연결하여 사용하여야 안정적으로 사용한다. 전체적인 전원은 1.5 V AA건전지 4개를 직렬로 연결하여 총 6 V의 전압을 공급하여 모터, 아두이노, MPU6050의 작업을 수행하게 한다.

3. Y축 모터 접합부

- Y축 모터 접합부 상단에 MPU-6050을 부착한다.

- Y축 모터 접합부 하단에 Bread board를 부착한다.

4. 벨트

- 벨트는 허리 사이즈를 조절할 수 있도록 제작한다.

- 벨트는 Y축 모터 접합부 구멍에 넣어 결합한다.

5. 테이블 장치를 사람의 몸과 연결하는 방식

테이블과 모터 접합부가 합쳐진 장치를 사람의 몸에 연결하여 두 손을 자유롭게 한다. 그림 3과 같이 모터 접합부와 밸트를 결합한다. 모터 접합부와 벨트를 안정적으로 결합한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 부품별 사용 전력

사용하는 부품들의 사용전력을 전류*전압 = 전력으로 계산하여 나타내었다. 이 부품들은 외부전원 6V (1.5 V 건전지 4개 직렬연결)로 전원을 공급한다.

◇ 수평유지 테이블과 기존 간이 테이블의 비교

1년 동안 한국 야구리그에서 한 야구팀이 치르는 경기의 수는 정규시즌 144경기와 더불어 한국시리즈 7경기를 포함하면 최대 151경기를 치른다. 만들고자 하는 제품의 경우 모터, 아두이노, 건전지 등의 사용으로 비용적인 측면에서 기존의 야구장용 간이 테이블에 비해서 비싸다는 단점이 있다. 하지만 1년에 개최되는 경기수가 100경기 이상인 것과 1년이 아닌 수년 동안 사용할 수 있는 것을 감안한다면 일회용 간이 테이블을 사용하는 것 보다 상기 제품을 사용하는 것이 합리적이라고 판단할 수 있다.

온라인에서 구매할 수 있는 야구장 간이 테이블은 앉아서만 사용이 가능한 경우가 대부분이므로, 서서 응원하는 경우에는 사용할 수 없을 뿐 아니라 다른 사람들의 통행까지도 방해할 수 있다. 하지만 개발하고자 하는 제품의 경우 사람의 몸에 직접 착용하므로, 지나가는 사람의 통행을 방해하는 경우도 없고, 자유롭게 일어서서 경기를 관람할 수 있다는 점에서 장점이 된다.

◇ 야구장 좌석 공간 활용성

야구장은 많은 사람을 수용해야 하는 특성상 앞뒤 양옆으로의 공간이 좁다. 특히 옆 사람과의 거리는 약 3cm이고 앞뒤로의 간격은 약 70~90cm이며 야구장 좌석의 넓이는 약 48cm이다. 이 상황에서 사람이 좌석에 착석하거나 일어서 있는 경우 전면 방향으로 남는 공간은 거의 없다고 할 수 있다. 이에 우리 팀은 사람의 상체 높이의 공간을 활용하고자 본 제품을 고안하였다. 테이블을 사람의 상체와 연결하여 공간적으로 제약을 받지 않으면서 두 손도 자유롭게 쓸 수 있다. 또한 테이블 크기를 가로*세로 25cm*14.5cm로 설정하여 좌석의 너비보다 좁아 옆 관람객의 좌석으로 넘어가는 경우도 발생하지 않는다.

◇ 사람의 움직임에 대한 반응 속도

본 제품은 MPU6050이 실시간으로 변하는 기울기를 측정하고 이를 상쇄할 수 있는 값을 모터에 입력하여 수평을 유지하는 장치이므로 센서와 모터의 작동 속도가 가장 중요한 부분 중 하나이다. 따라서 우리팀은 MPU6050의 기울기값 센싱을 0.01초에 한번씩 센싱하고, 그에 상응하는 음수값을 모터에 입력하게 코드를 작성하였다. 더불어 서보모터의 작동속도는 0.12초/60°이므로 제품을 착용한 상태로 급격하게 허리를 숙이거나 넘어지지 않는 한, 작동속도 범위 내에서 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

◇ 회로 구성도

◇ 회로 설계

/* Get tilt angles on X and Y, and rotation angle on Z
 * Angles are given in degrees
 * 
 * License: MIT
 */
#include <Servo.h>
#include "Wire.h"
#include <MPU6050_light.h>
MPU6050 mpu(Wire);
unsigned long timer = 0;
Servo servo1, servo2;
void setup() {
 Serial.begin(9600);
 Wire.begin();
 servo1.attach(3);
 servo2.attach(5);
 servo1.write(97);
 servo2.write(95);
 byte status = mpu.begin();
 Serial.print(F("MPU6050 status: "));
 Serial.println(status);
 //while(status!=0){ } // stop everything if could not connect to MPU6050
 Serial.println(F("Calculating offsets, do not move MPU6050"));
 delay(1000);
 // mpu.upsideDownMounting = true; // uncomment this line if the MPU6050 is mounted upside-down
 mpu.calcOffsets(); // gyro and accelero
 Serial.println("Done!\n");
}
void loop() {
 mpu.update();
 if((millis()-timer)>10){ // print data every 10ms
  Serial.print("X : ");
  Serial.print(mpu.getAngleX());
  Serial.print("\tY : ");
  Serial.print(mpu.getAngleY());
  Serial.print("\tZ : ");
  Serial.println(mpu.getAngleZ());
  timer = millis();  
  servo1.write(97-mpu.getAngleX());
  servo2.write(95+mpu.getAngleY());
 }
 }

상세설계 내용

1. 설계도

1.1 조립도

◇ 모터 접합부 제작

◇ 모터 접합부, 35kg 서보 모터 결합

1) y축 , x축 모터 접합부와 서보 모터를 볼트와 너트를 통해 연결시킴

2) y축 모터 접합부와 x축 모터 접합부를 서로 수직이 되게 배치시킴.

3) 서브 모터의 블레이드부와 모터 접합부 기판을 볼트와 너트를 통해 연결시킴.

◇ 테이블과 서브 테이블

1) 간이 테이블에는 음식물과 음료등을 안정적으로 둘 수 있게 규격에 맞는 홈을 팜.

2) 간이 테이블과 x축 모터 접합부를 수직이 되게 배치시킴

3) x축 서브모터의 블레이드부와 테이블 밑면을 볼트와 너트로 연결시킴.

◇ 테이블, 서브 테이블 결합

2. 조립순서

3. 부품도

◇ 제작

- y축 모터 접합부

- x축 모터 접합부

- 테이블

- 서브 테이블

◇ 구매

- 서보 모터

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

1. Over Shooting 문제점 개선

순간적으로 몸이 움직이면, 테이블은 수평을 유지할 수 있다. 하지만 테이블 위에 놓여 있는 물체는 관성에 의해 튕겨 나갈 수 있는 문제점이 있다. 즉, over shooting 문제가 발생한다. 이를 개선하기 구간별로 모터 구동 속도를 나눈다.

예를 들어 모터가 40o를 움직여야 할 때 10°~30° 구간의 모터 구동 속도, 30°~40° 구간의 모터 구동 속도를 다르게 설정한다. 10°~30° 구간은 모터 구동 속도를 빠르게 설정하고, 30°~40° 구간은 모터 구동 속도를 느리게 설정한다. 이를 통해 over shooting 문제를 개선한다.

2. 외부 전원 방전 문제점 개선

최종 작품은 외부 전원을 사용해 구동한다. 하지만 배터리 방전 시 갑작스럽게 작동이 멈춰 물품이 쏟아지는 문제점이 발생할 수 있다.

‘야구장 1인용 수평유지 테이블‘의 경우 야외에서 사용하는 경우가 대다수다. 이 점을 고려해 외부 전원과 함께 태양광 패널을 장착해 외부 전원이 방전되어 갑작스럽게 멈추는 문제점을 개선한다.

3. 최대 하중이 낮은 문제점 개선

이번 작품에 사용한 모터는 35kg/cm 하중을 가진다. 하지만 물체를 놓는 부분과 모터 중심부까지의 거리를 길게 설계해 최대 하중이 500g 이하인 문제점이 발생했다. 이를 개선하기 위해 물체를 놓는 부분과 모터 중심부까지 거리를 줄인다.

4. 야구 구단과의 협업 계획

위 양식으로 각 구단에게 협업 요청 이메일을 전송한다.

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