신공이공

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 휠체어가 통과 가능한 이륜차 진입 방지 장치

영문 : Wheelchair-accessible two-wheeled vehicle entry prevention device

과제 팀명

신공이공

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 김*규(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 박*진

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 소*영

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 이*지

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 보행자의 안전을 보장하기 위해 차량 및 이륜차의 보도진입을 차단하고자 ‘자동차 진입억제용 말뚝’인 볼라드가 제작되었다. 하지만 보도에서 흔히 목격되는 이륜차인 오토바이의 크기는 대략 0.8m * 2m이고, 보도를 진입 및 이용해야 하는 휠체어의 크기는 대략 0.7m * 1m로, 오토바이와 휠체어의 폭이 비슷하다. 따라서 오토바이의 진입을 막기 위해 볼라드의 간격을 좁히면 휠체어 역시 진입이 불가능해진다.  이로 인해 일부 장소에서는 설치하였던 볼라드 중 중앙에 위치한 것을 제거하여 휠체어의 진입을 용이하게 하였다. 하지만 이로 인해 기존에 구비하였던 볼라드와 볼라드가 매립되어있던 구멍이 방치된 상태로 존재하며, 오토바이의 진입 역시 용이해지는 문제점이 발생하였다. 따라서 본 과제에서는 휠체어 이용자를 포함한 보행자의 진입 및 통행은 용이하게 하는 동시에 오토바이를 포함한 이륜차의 진입을 막을 수 있는 ‘휠체어가 통과 가능한 이륜차 진입 방지 장치’를 제작하고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 볼라드의 목적성

 1) 차량 및 이륜차의 보도진입 차단- 보행자의 안전 및 통행에 지장을 주는 것을 예방하기 위해 진입 차단- 보도 파손의 원인을 제거할 목적으로 진입 차단
 2) 주차장 주차 방지
 3) 지정주차 차량 관리

◇ 볼라드의 필요성 보도 위 보행자와 오토바이가 접촉 사고가 나는 것은 매년 흔히 발생하는 안전사고이다. 오토바이는 도로교통법 상 이륜차로, 자동차의 일종으로 분류된다. 따라서 이륜차는 보도와 차도로 구분되는 상황에서 차도로 주행해야 한다. 하지만 오토바이들이 보도로 주행하는 것은 매우 흔히 관찰되어 ‘보도 위 무법자’로 불릴 정도다. 이는 도로교통법 제 13조 제 1항에 따라 이륜차의 인도, 횡단보도 주행이 금지되어 있지만 이륜차 운전자들이 사고 발생 가능성을 간과하고 있기 때문이다. 따라서 이륜차의 보도 주행을 실효적으로 막을 수 있는 볼라드 장치가 필요하다.

◇ 볼라드 종류

 1) 스텐 우레탄 I형 볼라드
   

 2) 스틸 U형 볼라드
   

대체로 볼라드는 위와 같은 I형 혹은 U형을 사용하며 지면에 앙카로 고정하는 앙카식과, 땅에 구멍을 파 매립하는 매립식이 존재한다.

◇ 볼라드 설치규정

 1) 보행안전 및 편의증진 시설의 구조 및 기준(제 5조 제 2항)
   가. 자동차 진입억제용 말뚝은 보행자가 안전하고 편리하게 통행하는 데 방해가 되지 않는 범위에서 설치하여야 한다.
   나. 자동차 진입억제용 말뚝은 밝은 색의 반사도료(反射塗料) 등을 사용하여 쉽게 식별할 수 있도록 설치하여야 한다.
   다. 자동차 진입억제용 말뚝의 높이는 보행자의 안전을 고려하여 80～100 cm 내외로 하고, 그 지름은 10～20 cm 내외로 하여야 한다.
   라. 자동차 진입억제용 말뚝의 간격은 1.5 m 내외로 하여야 한다.
   마. 자동차 진입억제용 말뚝은 보행자 등의 충격을 흡수할 수 있는 재료로 하되, 속도가 낮은 자동차의 충격에 견딜 수 있는 구조로 하여야 한다.
   바. 자동차 진입억제용 말뚝의 0.3 m 앞쪽에는 시각장애인이 충돌할 우려가 있는 구조물이 있음을 알 수 있도록 점형블록을 설치하여야 한다.

 2) 서울시 유니버설디자인 적용지침
   가. 보도 상의 시설물 등은 보행에 방해가 되지 않도록 보행안전공간 외의 구역이나 공간에 설치한다. 이때, 보행안전공간을 우선 확보하도록 한다.
   나. 차량의 진출입구, 횡단보도 대기 공간 등 보행자와 차량의 간섭이 있는 지점에는 보행자의 안전을 우선 고려하여 시설물을 설치한다.
   다. 보행자의 보행 편의를 위해 설치하는 시설물 등은 누구나 접근 가능한 공간에 편리하게 이용 가능하도록 설치하며, 주변과 조화롭게 설치한다.
   라. 차량 진입 억제용 말뚝은 다음의 기준을 준수한다.
     - 설치 간격 1.5m 이상, 높이 0.8~1m, 지름 0.1~0.15m
     - 보행자 충돌 시 충격 완화가 가능한 재질 적용
     - 야간 식별성을 위한 반사띠 필수, 반사 도료/발광 재질/조명 내장 권장
     - 차량 진입 억제용 말뚝 전면 0.3m에 점형 점자블록 설치

◇ 현 상황

               
 볼라드는 오토바이와 같은 이륜차가 보행자의 안전 및 통행에 지장을 주는 것을 막기 위해 제작되었으며 이를 설치함으로써 보도 진입을 차단하고자 하였다. 하지만 휠체어를 탄 보행자의 보도 통행이 가능하도록 통행에 방해가 되는 볼라드를 제거해야 하는 상황이 다수 발생하였고, 이로 인해 볼라드가 매립되어있던 구멍이 방치된 상태로 존재하게 되었으며 제거한 볼라드는 보도 주변에 놓여 있다. 

◇ 문제 상황

 1) 좁은 간격으로 볼라드를 설치한 경우 
   
   • I형 U형 볼라드 모두 이륜차 및 자동차의 진입을 방지할 수 있지만, 휠체어 및 보행자 통행에 불편함도  제공한다.
   • 휠체어의 폭은 대략 0.6 ~ 0.7m로 위와 같이 좁은 간격으로 I형 볼라드가 설치되어 있는 경우 휠체어의 통행이 어렵다. 
   • 좁은 간격으로 볼라드를 설치하였을 때, 오토바이와 같은 이륜차의 진입을 방지할 수는 있으나 휠체어 이용자의 통행 또한 막게 된 것이다.오토바이와 같은 이륜차의 진입을 방지하고자 한 것이 보행자인 휠체어 이용자의 통행도 막게 된 것이다. 

 2) 넓은 간격으로 볼라드를 설치하거나 볼라드를 제거하여 휠체어 통행을 허용한 경우
   
   • 휠체어의 보도 진입을 용이하게 하고자 넓은 간격으로 볼라드를 설치하거나 볼라드를 제거하면 볼라드의 본 목적인 이륜차의 진입 방지의 역할을 하지 못한다. 이로 인해 이륜차가 보도를 주행하는 상황이 발생하여 보행자의 안전 및 통행에 지장을 주게 된다.

◇ 볼라드 설치 및 배치에 대한 모순점 분석

 - 휠체어의 진입을 용이하게 하기 위해 볼라드의 간격을 넓히면 오토바이 역시 출입이 용이해져 이륜차 진입을 차단하기 위한 목적성이 상실된다.
 - 이륜차 진입을 차단하기 위해 볼라드를 추가로 설치하거나 간격을 좁혀 설치하면 휠체어의 진입 또한 차단하게 된다.
 - Contradiction : 4. Length of stationary object <-> 27. Relability (Trade-off 관계)

◇ 종래의 해결방법

 1) 자동 볼라드 장치(특허 출원번호 : 10-2019-0144908): 통행로 바닥면에 매립 설치하여, 상부가 개방되는 레일홀이 형성되는 볼라드이다. 보행자 답압력에 의해 전기에너지를 자가발전하여 리프트부 구동 전원으로 이용해 전기공급을 한다.
   - 문제점 : 
     ⓵ 볼라드의 상하이동의 기준이 명확하지 않다.
     ⓶ 볼라드 상승한 후에, 휠체어 이용자가 통행하는 상황에 맞춰 볼라드가 신속하게 내려가는 기능이 탑재되어있지 않아 휠체어 통행에 불편함을 줄 수 있다.
     ⓷ 바닥면에 매립된 형태로 인해 평상시 이륜차의 진입을 방지할 수 없다.

 2) 상하 이동식 볼라드 (특허 출원번호 : 10-2011-0021373): 땅속에 매설되어있던 볼라드를 사용할 때 돌출시킨 후 잠금바를 이용하여 상기 물체를 지지 또는 고정하며 잠금바는 볼라드 상부에 손잡이 형태로 존재한다.
   - 문제점 : 
     ⓵ 잠금바 손잡이를 활용해 수동으로 상하이동을 시켜야 해서 번거롭다.
     ⓶ 매립되어있는 상황에서 이륜차가 지나갈 때 즉시 진입 방지를 할 수 없으며, 돌출되어있는 상황에서 휠체어가 지나갈 때 즉시 매립시킬 수 없다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제의 목표

 1) 기존 볼라드와 비교했을 때 보행자 통행의 편의성을 유지 또는 상승할 수 있을 것
 2) 휠체어 이용자의 통행이 볼라드를 좁은 간격으로 설치하였을 때 보다 우수할 것
 3) 휠체어 이용자가 존재하지 않은 상황에서 볼라드의 제 기능을 수행할 수 있도록 할 것
 4) 휠체어 이용자가 통행하는 상황에서 볼라드의 상하이동이 적절하게 수행할 수 있도록 할 것
 5) 볼라드의 상하이동의 구현 방식이 확실한 메커니즘을 통해 이뤄져야할 것

◇ 개발 과제의 내용

 1) 기존에 볼라드를 설치하기 위해 생성했던, 혹은 설치하고 제거하여 생성된 구멍을 이용하여 볼라드를 설치할 수 있도록 할 것이다.
 2) 휠체어가 지나가는 상황과 같이 통행의 편의를 고려해야 하는 상황이 아닐 때, 볼라드가 돌출되어 이륜차 및 자동차의 진입을 방지해야 한다.
 3) 휠체어 이용자의 통행 정보를 로드셀 센서를 통해 신호를 받아, 볼라드의 상하 이동이 구현되도록 한다.
 4) 로드셀 센서를 통해 볼라드의 상승 및 하강 메커니즘이 확실하게 구현되어야 한다. 로드셀 센서에 일정 시간 동안 특정 조건의 신호가 발생하였을 때 하강이 이루어지고, 완전히 하강 된 상태가 유지되어야 하는 시간 등을 적절하게 설정해야 한다.
 5) 센서의 배치가 알맞은 위치에 이루어질 수 있게 최적의 간격 등을 파악해야 한다.
 6) 보행자가 지나갈 때 발생하는 센서 신호와 휠체어 이용자가 지나갈 때 발생하는 센서 신호를 구별해야 한다. 무게의 차별화에 대한 명확한 기준을 설정하기 힘들므로 ‘시간’에 대한 차별화를 할 수 있어야 한다. 보행자가 지나갈 때는 짧은 시간 동안, 휠체어 이용자가 지나갈 때는 일정 시간 동안 센서 인식 및 신호가 발생하는 것을 이용한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 상하 이동식 볼라드 (특허 등록번호 : 1012519540000 등록일자 : 2013.04.02.)

1) 기술 내용

- 상하 이동이 가능하게 하여 차량 또는 사람의 진입을 통제할 때는 돌출시키고, 진입 시 상기 볼라드를 땅속으로 매몰시켜 각 상황에 맞춰 적절하게 대응이 가능하다.
- 땅속에 매설되어있던 볼라드를 사용할 때 돌출시킨 후 잠금바를 이용하여 상기 물체를 지지 또는 고정하며, 이때 잠금바는 볼라드 상부에 손잡이 형태로 존재한다.

2) 한계

- 잠금바 손잡이를 활용해 수동으로 상하이동이 가능해 번거로울뿐만 아니라 휠체어 이용자나 시각 장애인에게 불편함을 제공한다.
- 매립되어 있는 상황에서 이륜차가 지나갈 때 즉시 진입방지가 불가능하다.
- 돌출되어 있는 상황에서 지나갈 때 즉시 매립이 불가능하다.
- 상하이동에 대한 메커니즘이 존재하지 않아 분별성이 존재하지 않는다.

◇ 자동 볼라드 장치 (특허 등록번호 : 1021125330000, 등록일자 : 2020.05.13.)

1) 기술 내용

- 차량 및 보행자가 이동하는 통행로 바닥면에 매립 설치하여, 상부가 개방되는 레일홀이 형성되며, 레올홀을 통해 상하방향으로의 이동이 가능하다.
- 볼라드 기둥부가 체인을 포함하는 유동성이 우수한 리프트부에 의해 작동되도록 구조 개선되어 외부충격으로부터 안전성이 확보됨에 따라 볼라드 기둥부 변형에 의한 리프트부의 작동불능이 방지되고, 차량 및 보행자 답압력에 의해 전기에너지를 자가발전하여 리프트부 구동 전원으로 이용한다.

2) 한계내용

- 푸시부재를 통한 상하이동이 가능하지만, 보행자와 휠체어 간의 푸시를 분별할 수 있는 명확한 조건이 존재하지 않는다.
- 바닥면에 매립된 형태로 평상시 이륜차의 진입을 방지할 수 없다.
- 리프트부를 통한 상하이동 속도 및 유지 시간등에 의해 보행자 및 휠체어 이용자, 시각 장애인에게 피해를 줄 수 있다.

◇ [미국] Electro mechanical operated bollard (일렉트로 기계적 조종된 볼라드)(특허 등록번호 : 11591192, 등록일자 : 2023.02.28.)

1) 기술 내용

- 볼라드 내부의 볼 스크류 너트에 피스톤을 탑재하고, 고정시킨 후 기계적으로 회전시킨다. 이때 볼 스크류의 회전은 막아 볼 스크류 너트가 회전할 수 있도록 하여 피스톤의 상하이동을 가능하게 함으로써 볼라드의 상하이동을 구현한다. 
- Mechanical Actuator를 통해 볼라드의 상하이동을 구현하여 볼라드의 상승 및 하강을 원할 때 기계적으로 조종할 수 있도록 한다.

2) 한계내용

- 볼 스크류의 길이만큼 볼라드의 상하이동을 구현할 수 있으므로 볼라드가 하강하였을 때 완전히 매립되기 위해서는 추가적인 시공이 필요하다.
- 일반 보행자와 보행 장애인을 분별하여 자동으로 볼라드의 상하이동을 구현하는 명확한 조건이 존재하지 않는다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 신영안전, 일자형 스텐볼라드 216Ø 앙카형이동식

- 216.3mm 지름, 3T 기준
1. 높이 700mm : 160,000 원
2. 높이 900mm: 183,000 원
3. 높이 1100mm: 212,000 원
4. 높이 1200mm: 233,000 원
해당 제품은 앙카식으로 보도블록 등에 시공을 하여, 앙카 베이스를 매설한 후 해당 볼라드를 뽑아 이동할 수 있고, 사용하지 않는 경우에 제거해놓을 수 있다.

◇ 주식회사 해광, 스텐(스틸)볼라드 스텐볼라드 (상하이동식)

- 152.3mm 지름, 2T 기준
- 높이 750mm : 300,000원
해당 제품은 앙카식으로 보도블록 등에 시공을 하여, 앙카 베이스를 매설한 후 해당 볼라드를 상하이동하여 사용하지 않는 경우에 일반적인 보도블록의 높이로 매립해 놓을 수 있다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 현재 개발하고자 하는 과제는 보행 장애인 및 시각 장애인에게 친화적인 부분이 있다는 이점이 있다.
◇ 이륜차 진입 금지 구역이 시작되는 부분에서 이륜차의 통행을 방지하여 장애인뿐만 아니라 비장애인들의 통행권 또한 보장할 수 있다는 점에서 이점이 있다.
◇ 상승 시 기존 볼라드의 높이는 유지하면서 하강 시 접이식으로 매립할 수 있게 하여 시공을 해야 하는 구멍이 얕아 경제적 이점을 가진다.

• SWOT 분석

1. S-O 전략 : 현재 이륜차의 진입을 막기 위해 좁은 간격으로 설치되어있는 볼라드 중 중앙에 위치한 볼라드를 상하이동이 가능하게 하여 평상시에는 이륜차의 진입을 막고, 휠체어 이용자가 통행하려고 할 때는 볼라드가 하강하여 보행장애인의 편의성을 높인다. 볼라드로 인해 시각 장애인들이 통행에 불편을 느끼지 않도록 센서를 점자블록에 적용하여 설계함으로써 볼라드 사이로 통행을 유도한다.
2. S-T 전략 : 무게 센서를 사용하여 휠체어 이용자가 통행하려고 할 때만 볼라드가 하강하도록 하여 상하이동 기준이 명확하지 않은 기존 장치와 차별성을 둔다. 동시에 유도블록을 설치하여 볼라드로부터 멀리 있는 센서에서부터 휠체어가 진입하여 무게를 인식하게 하여 휠체어가 볼라드를 향해 이동하는 것을 인식하여 볼라드의 하강 신호를 생성함으로써 볼라드의 하강을 기다리는 시간을 최소화한다.
3. W-O 전략 : 무게 센서를 점자블록형으로 제작하여 보도에 추가적인 시공이 필요하지만, 시각장애인의 통행을 볼라드 사이 공간으로 유도하여 시각장애인의 통행에 대한 편의성과 안전성을 고려하였으며, 보행장애인이 원거리에서부터 센서의 위치를 파악할 수 있도록 색깔이 다른 유도블록을 설치하였다는 점을 강조한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 휠체어 이용자가 통행하는 상황에 맞게 볼라드의 상하이동이 적절하게 수행할 것
◇ 휠체어 이용자가 존재하지 않은 상황에서 볼라드가 제 기능을 수행할 수 있도록 할 것
◇ 볼라드의 상하이동의 구현 방식이 확실한 메커니즘을 통해 이뤄져야할 것

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 기존 볼라드와 비교했을 때 보행자 통행의 편의성이 유지 또는 상승할 수 있을 것
◇ 휠체어 이용자의 통행이 볼라드를 좁은 간격으로 설치하였을 때 보다 우수할 것
◇ 차량의 진입과 오토바이와 같은 이륜차의 진입을 확실히 막을 것

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

 ◇ 단계별 세부개발 내용은 신공이공 조의 김명규, 박현진, 소은영, 이예지 전원 참여하여 개발함.

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

◇ 볼라드 디자인

1) 충격 흡수

- 볼라드는 보행자 등의 충격을 흡수할 수 있어야 하고, 속도가 낮은 자동차의 충격에 견딜 수 있는 구조로 제작되어야 한다. 따라서 탄성, 내마모성, 가소성이 우수한 폴리우레탄을 사용할 것이다. 폴리우레탄 커버를 제작하여 스테인글라스 소재의 볼라드 위에 씌워 보행자와 차량의 충격을 흡수할 수 있도록 한다.

2) 반사 도료 혹은 반사지

- 볼라드가 보행자에게 쉽게 식별될 수 있도록 맑고 선명한 색상의 반사도료 혹은 반사지를 시인성을 향상시키고자 한다. 또한, 야간에 뛰어난 반사 성능을 발휘하여 보행자의 안전성을 높이고자 한다. 반사지를 사용한다면 반사지 부착 부분에 홈을 형성하여 반사지 훼손이 적도록 할 것이다.

◇ 지면 고정장치

- 종래 방식인 앙카식과 매립식 중 매립식을 채택한다. 매립식 볼라드를 고정하기 위해 미리 파놓은 바닥 아래의 공간을 볼라드 상하운동 시 필요한 공간으로 이용한다. 이때 장치의 기어가 잘 작동할 수 있게 하기 위한 부품도 바닥 아래의 공간에 삽입하여 함께 고정한다.

◇ 로드셀 무게 센서

- 로드셀(Load cell)은 금속 혹은 세라믹스로 만들어진 작은 블록형태로, 로드셀 무게 센서는 스트레인 게이지가 있는 스프링 요소로 구성된다. 무게가 가해지면 스트레인 게이지가 변형되고, 이러한 변형이 전기 저항 변화를 초래하며, 이는 다시 출력 전기신호를 변화시켜 중량을 계산해내는 것이다. 
본 과제에서 사용할 스트레인 게이지 로드셀은 셀에 작용하는 로드를 전기 신호로 전환하는 것으로, 보상 절차를 더하여 정확도가 개선되어 현재 많이 사용되고 있다. 이는 무게가 가해졌을 때 변형되는 만큼 게이지의 전기저항을 로드에 비례하도록 변화시킨다. 이 기술을 활용해 휠체어의 무게를 고려하여 일정 압력이 일정 시간동안 무게 센서에 가해져 기계적 변화가 일어나면, 전기적인 신호가 발생하도록 한다. 양쪽 휠체어 바퀴에 해당하는 곳에 각각 무게 센서를 위치시켜 양쪽에 모두 전기적인 신호가 발생하면 볼라드가 하강하도록 한다.

◇ 점자블록형태의 로드셀 센서

- 선형블록은 방향 유도용으로 보행 동선의 분기점, 대기점, 시발점에서 목적 방향으로 일정한 거리까지 설치하여 정확히 직선 방향을 잡는데 사용된다.
- 볼라드 수가 증가하면 시각 장애인의 통행에 대한 편의성과 안전성을 악화시킬 수 있다. 이에 볼라드 사이 경로에 선형 점자블록을 설치해야 한다는 점을 이용하여, 점자블록 형태의 로드셀 무게 센서를 사용하고자 한다. 이를 통해 시각 장애인들에게 볼라드의 존재를 인식시킴과 동시에 시각 장애인의 통행을 볼라드 사이 공간으로 유도할 수 있다. 블록1의 중간 부분과 블록2의 중간 부분의 거리를 휠체어의 바퀴 간 거리인 약 0.7m 정도로 배치하여 휠체어를 인식할 수 있도록 한다. 양쪽의 점자블록에 바퀴가 모두 올라가야 센서를 통한 볼라드의 상하이동이 가능하게 할 것이다.

◇ 상하 이동 메커니즘 (베벨기어 및 도르래 원리 이용)

- 도르래는 바퀴에 사슬이나 밧줄을 걸어 물건을 움직이는 장치로 힘의 작용 방향을 바꾸거나 적은 힘으로 물체를 이동시키기 위해 사용된다. 도르래는 움직 도르래와 고정 도르래로 나뉘며, 움직 도르래는 절반의 힘으로 물체를 이동할 수 있지만, 이동 거리의 두 배만큼 줄을 움직여야 하며, 고정 도르래는 힘의 크기는 줄어들지 않지만, 힘의 방향을 바꿔줄 수 있다는 장점이 있다. 볼라드 내부에 두 유형의 도르래를 이용하여 볼라드의 상하이동을 조절하게 할 것이다.

◇ 볼라드 공간배치

- 볼라드는 지면 내부의 구멍을 효율적으로 차지해야 한다. 이에 접이식 사다리 모형을 채택하여 높이가 낮은 구멍에서도 볼라드의 상하이동이 가능할 수 있도록 한다. 위 사진에서 볼 수 있는 프로토타입은 1단으로 접히도록 제작한 것으로, 차후에는 3단으로 접히게 하여 차지하는 부피를 최소화하고자 한다.

◇ 소리 발생 장치

- 볼라드가 상하이동을 할 때 추가적인 보조 신호가 없으면 시각장애인은 볼라드의 움직임을 인지하지 못하여 안전사고가 발생할 수 있다. 또한, 시각장애인 외 통행인 역시 핸드폰을 보거나 앞선 상황을 제대로 인식하지 못하면 상하이동을 하는 볼라드에 부딪히는 불편함을 겪을 수 있다. 이에 현존하는 시각장애인 신호등 보조 신호처럼 소리 발생 장치를 도입하여 볼라드가 상하이동을 할 때 소리를 발생시켜 통행인들의 안전성 및 편의성을 향상시키고자 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 볼라드 Size

- 실제 볼라드 크기 : 대략 0.2m (지름) * 0.8m (높이) *높이 : 지면으로부터 볼라드 끝까지의 길이
- 제작하고자 하는 볼라드 크기 : 0.2m (지름) * 0.4m (높이)

◇ 실제 휠체어 Size 및 무게

- 크기 : 대략 0.7m(가로) * 1m(세로) * 0.5m(높이) *높이 : 지면으로부터 좌석까지의 길이
- 무게 : 대략 10~20kg (전동휠체어의 경우 대략 100kg)

◇ 실제 이륜차(오토바이) Size 및 무게

- 크기 : 대략 0.8m(가로) * 2m(세로) * 1.2m(높이) 
- 무게 : 대략 100~200kg

◇ 선형 점자블록 Size

- 실제 선형 점자블록 크기 : 대략 0.3m (가로) * 0.3m (세로) * 0.07m (높이)
- 제작하고자 하는 선형 점자블록의 크기 : 0.15m (가로) * 0.15m (세로) * 0.05m (높이)

◇ 볼라드 간격

- 자동차 진입억제용 말뚝, 즉 볼라드에 관한 법률에서 볼라드 사이 간격에 대한 규정이 1.5m 안팎이라 모호하다. 이로 인해 설치 시 목적에 따라 상이하게 설치되어 있다.
- 본 과제에서는 ‘보행자 전용 도로’와 같이 이륜차 진입이 금지 되어있는 곳을 타겟으로 설정하여, 대표적인 이륜차인 오토바이의 너비가 0.8m임을 바탕으로 볼라드 간의 간격을 0.6m로 설정하고자 한다. 휠체어의 평균 너비가 약 0.7m이지만, 휠체어 통행 시 볼라드 하강이 이루어지며, 너비가 0.5m인 휠체어도 존재하지만, 해당 휠체어는 충분히 볼라드 사이를 지나갈 수 있으므로 볼라드 간격을 0.6m로 설정하였을 때 볼라드 간격으로 인한 휠체어 통행 방해는 없을 것이라 판단한다.

상세설계 내용

가. 부품도

◇ 아두이노 4선식 로드셀 무게 센서

- 본 과제에서 로드셀 무게 센서는 20kg까지 무게를 감지할 수 있는 제품으로 선택하여 사용한다. 
- 일련의 선형 점자블록1, 선형 점자블록2에 각각 로드셀 무게 센서를 각각의 블록의 내부 네 꼭짓점에 위치할 것이며, 모든 선형 점자블록에 동일하게 적용한다.

◇ 아두이노 로드셀 엠프

- 로드셀 무게 센서로 무게 측정 시 사용되는 전압이 아주 미세하기 때문에 신호를 증폭시켜주는 장치인 엠프가 필요하다. 이에 아두이노 로드셀 엠프 24비트 A/D 컨버터 HX-711 모듈 / HX711를 4개 사용한다.

◇ 아두이노 브레드보드 400홀(불투명) / Arduino Breadboard

◇ 아두이노 브레드보드용 점퍼케이블 세트

◇ 아두이노 우노 호환보드

- 총 44개의 핀과 단자로 구성된 아두이노 우노 Uno R3 SMD 호환보드는 각 핀과 단자들을 통해 아두이노와 다른 보드 또는 센서들을 제어한다.

◇ 아두이노 나노용 USB to Btype 케이블

◇ 아두이노 보드 전원 공급용 어댑터

◇ 볼라드 내부 도르래

나. 결선 회로도

다. 소프트웨어 설계

◇ 아두이노 코드

#1,2 모두 1kg 이상 Or #3,4 모두 1kg 이상이 아니라면 계속 대기모드에서 머물도록 함. 1초 한 번씩 센싱하여 위 시그널이 입력된다면 대기모드를 탈출하게함.

#1,2번 센서에 시그널이 5초 이상 인식된다면 하강함.

최저 높이까지 하강 후 볼라드 8초 후에 상승함. 3초동안 통과, 5초 동안 소리 정보 발생.

#3,4 번에 시그널 입력된 경우 #1,2 번에 시그널이 입력되는 것을 기다림.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

- 점자블록 및 유도블록, 볼라드 하강 및 상승 시 모습

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가?

본 과제의 초기 목표는 평상시에는 상승해있던 볼라드가 점자블록형 무게 센서 위로 휠체어의 무게가 인식되면 지면 아래로 하강하여 휠체어의 통행을 보장하는 것이었다. 휠체어와 이륜차, 일반 보행자를 구분하기 위해 점자블록 위 무게가 인식되는 상황을 4가지로 나누어 알고리즘을 확립했다. 그 결과 양쪽의 센서에 휠체어의 무게가 인식되었을 때에만 볼라드가 하강 운동을 시작하는 결과를 프로토 타입으로 확인했으므로 본 과제의 목표를 달성했다고 평가한다.

2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가?

볼라드의 지름을 제외한 모든 부분에서의 규격을 1/2로 줄여 제작하여 센서와 볼라드의 배치를 쉽게 알아볼 수 있도록 제작하였다. 또한 센서부에 인식되는 무게에 따라 볼라드가 선택적으로 상하운동을 보여 실제 상황에서의 경우를 재현하여 보여줄 수 있었다는 점에서 프로토 타입이 해당 과제를 잘 나타낸다고 판단한다.

3. 심미성이 좋은가?

점자블록과 유도블록의 색을 노란색과 붉은색으로, 볼라드 모형에도 실제 볼라드처럼 노란 반사지를 표현하여 실제 보도 위 설치된 모습과 비슷하게 제작했다. 또한 프로토타입 상 점자블럭과 휠체어의 크기 비율을 실제 상황과 동일하게 제작하여 실제 상황을 잘 표현했기에 심미성이 우수하다고 판단한다.

4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가?

제작한 프로토타입이 실제 보도에서의 상황을 잘 보여주는 비율과 색상으로 제작되었으며, 최종 발표 포스터 또한 신빙성 있는 자료와 사진들을 이용하였기에 처음 본 과제를 접하는 이들도 쉽게 이해할 수 있을 것이라 기대된다. 

5. 조원 모두가 참여하였는가?

회의부터 설계, 제작까지의 모든 과정에 있어서 모든 조원이 참여했다. 따라서 모든 조원이 모든 과정을 파악하고 이해하고 있어 회의 진행에 있어 시간의 지연 없이 과제를 진행할 수 있었다.

향후계획

현재 설계한 과제는 볼라드가 상승할 때 볼라드 위를 지나는 보행자에 대한 보호가 없지만 볼라드의 상승과 하강 시 소리 신호가 발생하도록 하여 볼라드의 상하운동으로 일어날 수 있는 안전사고를 방지하고자 한다. 이 소리 신호 장치는 보행장애인뿐만 아닌 모든 보행자들의 보행 안전을 보장할 수 있을 것이다.

현장조사

교내 보도 진입로에 설치된 좁은 간격의 볼라드
-> 이륜차와 휠체어 모두 진입할 수 없는 상황

보도를 통행하는 이륜차
-> 보행자의 안전을 보장할 수 없는 상황

볼라드 중 일부가 제거된 채 방치된 구멍
-> 미관상 좋지 않고 휠체어뿐만 아니라 이륜차 또한 볼라드 사이를 통행할 수 있는 상황

특허 출원 내용

내용