영운아해조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철-플랫폼 틈새 간격을 완전 차단하는 안전 장치

영문 : Safety device that completely blocks the gap between subway and platform

과제 팀명

영운아해조

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 민*운(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 노*빈

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 박*현

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 박*혁

서울시립대학교 신소재공학과 20184500** 조*균

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 스텝모터를 아두이노에 연결하여 발판의 전·후진을 제어한다. 발판의 가장자리에 설치된 압력센서를 통해 지하철과의 접촉을 감지하여 발판이 멈추도록 설계된 시스템으로 지하철-플랫폼 간 틈새를 완전 차단할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 2개의 스텝모터에 톱니를 결합하고 발판에 부착된 렉과 맞물려 회전할 수 있도록 하여 발판의 이동을 가능케 한다. 상판 및 하판이 발판과 롤러를 사이에 두고 밀착된 구조로 상판과 하판을 지면에 고정하고 해당 구조가 발판에 가해지는 무게를 지탱하는 원리로 설계되었다. 해당 구조는 플랫폼에 매립형 설치하는 것이 필요없어 설치비용 면에서 이점이 있다.

개발 과제의 배경

일반적으로 도시철도에서는 지하철 역사의 승강장과 철도차량 간 열차의 원활한 안전주행을 고려하여 승강장의 연단과 차량 출입문 사이의 공간이 존재한다. 이러한 공간으로 발 빠짐 사고 등 안전사고가 종종 발생하고 있는 실정이다. 그 동안 이러한 문제를 해결하기 위한 사고 예방책으로 경보음, 경고등에 의한 빛 발산 등의 경보장치와 차량부착형, 승강장부착형 안전발판이 개발되었다. 그러나 경보장치의 경우 틈새가 존재한다는 근본적인 문제를 해결할 수 있는 방안은 아니며, 시각 장애인의 경우 해당 경고 문구를 확인할 수 없다는 단점이 존재한다. 또한, 현재 개발된 차량부착형, 승강장부착형 안전발판의 경우 모두 발판의 길이 정해져 있어 역마다 상이한 틈새에 유동적으로 대응하는 데에는 한계가 있다.

종래에는 발판의 길이가 정해져 있는 안전발판만이 존재하여 지하철 역마다 상이한 틈새에 유동적으로 대응하지 못한다는 폐단이 있었다. 이러한 틈새 발생으로 인해 안전사고 및 소지품 분실사고에 완전히 대응하지 못한다는 점도 존재한다.

개발 과제의 목표 및 내용

플랫폼-열차 틈새 자동 차단기의 본질에 맞게 틈새 차단 성능을 최우선 목표로 설정한다. 발판에 압력센서를 부착하여 지하철과 매우 근접해 접촉이 감지되는 순간 사전에 설정한 임계값 이상의 압력이 감지되게 되고 그 즉시 발판의 전진을 멈추는 매커니즘으로 지하철과 플랫폼 간의 간격을 차단하는 기능성을 향상시킨다. 두 번째 목표는 차단기의 높은 안정성이다. 여기서 말하는 안정성이란, 장치가 무게를 견딜 수 있는 내구성과 발판이 같은 길이만큼 전진 및 후진을 하도록 하는 소프트웨어 설계 완성도 등을 뜻한다.

◇ 노유빈 : 발명품에 대한 피드백 후 디자인 수정, 최종 디자인 확정

◇ 민영운 : 영운아해조 팀장. 지하철 안전발판 시장조사, 소재 결정 및 단가 조사, 물품 구입

◇ 박재현 : 발명품 제작시제품에 예상되는 이론값 실제값과 비교, 회로 설계 및 코딩

◇ 박준혁 : 시제품 제작 및 테스트 진행, 발명품 제작, 시제품에 대한 보완점 확인

◇ 조민균 : 시제품 제작, 발명품 디자인 및 설계, 발명품 제작, 개선 방향 설정

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1. 일정 무게 이상을 버티는가? 방법 : 추를 올려 무게 계산 개발 목표치 : 10kg 이상

2. 최대거리만큼 회전 후 멈추는가? 방법 : 정회전수 계산 개발 목표치 : 10cm 회전 후 정지

3. 센서가 감지되면 동작을 멈추는가? 방법 : 센서에 압력을 가한 후 멈추기 까지의 시간 측정 개발 목표치 : 0.1s 이내

4. 작동 후 원래자리로 돌아가는가? 방법 : 정회전수 측정 후 역회전 수 측정 개발 목표치 : 정회전수, 역회전수 일치

개념설계안

본 조는 기존의 열차-플랫폼 간격을 완벽히 차단하지 못하는 자동안전발판을 대체할 틈새 차단 기능이 더 우수한 자동 안전 발판 방안에 대하여 고민해 보았다. 이에 열차-플랫폼 간격에 따라 발판에 탑재된 접촉 감지 센서를 통해 틈새를 기존보다 완전차단할 수 있는 열차-플랫폼 틈새 차단기를 고안하였다. 이를 통해 열차-플랫폼 틈새가 차단되며 물품 분실 사고 및 발빠짐 등의 안전사고를 예방할 수 있다.

그림1은 실제 지하철역에서의 예상 배치도를 나타낸다. 설계 초기 발명품을 플랫폼 하단에 매립형 배치하는 것을 고려하였으나, 설치 초기비용이 많이 발생하여 경제성 측면에서 부적합하다고 판단하였다. 이에 본조는 스크린 도어 외부 플랫폼 공간을 활용하여 해당 공간에 틈새 차단기를 배치하는 설치형을 고안하였다.

설치형 방식의 제품 배치는 다음과 같다.

(1) 모터 구동부를 통로 바깥쪽에 배치

(2) ‘열차-플랫폼 틈새 차단기’를 플랫폼 바닥과 밀착시켜 배치

이와 같은 방식으로 배치한다면 모터 구동부가 통로 바깥쪽에 위치함으로써 통행 방해 요소가 최소화됨과 동시에 모터 구동부가 사람의 발에 치이는 등에 경우가 발생하지 않아 고장 발생 요소가 줄어드는 효과가 발생할 것이다. 플랫폼 바닥과 발명품이 밀착되어 설치된 배치는 사람이 발명품의 상판을 밟았을 때 가해지는 하중을 플랫폼 바닥에 분배되는 효과를 얻어낼 수 있다.

위 그림2,3은 설계하려는 제품의 모식도 및 3D 모델링을 나타낸다. 전체적인 구조는 양옆의 모터 구동부와 가운데에 위치한 강판 세 층, 그리고 접촉 감지 센서로 이루어진다. 강판 세 개의 층은 각각 하판, 발판, 상판으로 이루어져 있으며, 하판은 기존 플랫폼 바위땅 위에 그대로 배치한다. 하판은 발판과 전체적 구조를 안전하게 지지해주는 동시에, 울퉁불퉁한 플랫폼 표면을 고려하여 매끄럽게 발판이 전진할 수 있도록 하는 역할을 부여하였다. 하판의 가로 너비는 지하철 역 스크린도어의 너비 및 열차의 너비와 같으며, 세로 너비는 스크린도어 바깥 쪽 돌출되어있는 플랫폼의 너비와 같다. 하판은 전체적 구조의 무게를 플랫폼과 함께 지지해주는 역할을 하므로 이를 고려하였을 때 하판의 두께는 약 2mm로 설정하였다.

하판 상부에 위치하는 발판은 모터 구동부에 연결된 톱니와 연결되어있으며, 모터와 함께 톱니가 돌아가기 때문에 이와 연결된 레일을 따라 발판이 앞뒤로 동작할 수 있다. 발판과 톱니의 연결부는 레일 홈으로 구성하고, 이는 그림 2에 모식도로 나타내었다. 강판과 모터 구동부가 겹치는 부분 (그림 2 좌측)이 레일의 위치이며, 톱니가 레일 위에서 앞뒤로 움직임에 따라 발판도 움직인다. 발판의 가로 및 세로 너비와 두께는 하판과 동일하다. 발판 상부에 위치하는 상판은 하부 판들을 보호해주고, 발판이 앞으로 전진하였을 때 생기는 빈 공간을 가려주는 역할을 한다. 또한, 상판의 양옆은 모터 구동부를 보호하는 직사각형의 판에 용접을 통해 고정한다. 이로써 상판이 사람의 무게에 의해 하부로 꺼지는 것을 방지하고, 발판의 표면과 미세한 틈을 생성해 매끄러운 발판 이동을 의도한다. 상판의 가로 너비는 나머지 하판의 너비와 같으며, 세로 너비는 모터구동부의 너비와 동일하게 설정한다. 현재, 상판의 세로 너비는 전체 플랫폼 세로 너비의 약 절반으로 예상되는데, 이럴 경우, 의도하지 않은 불필요한 턱이 생길 수 있으므로 이는 경사가 있는 모서리로 강판을 제작하여 불편을 최소화하도록 한다. 그림 2에 파란 사각형으로 표현한 감지센서 2개는 발판 양 측면 끝에 각각 위치한다. 본 센서는 발판이 전진하여 지하철 열차와 맞닿았을 때, 접촉 감지를 하여 이를 모터 구동부로 신호를 전달하는 역할을 한다. 센서는 고무 재질로 된 포장층으로 보호되어있으며 고무 재질 보호층이 열차와 부딪히면 연쇄적으로 고무가 센서 접촉부를 터치하며 신호가 모터 구동부로 전송되는 원리이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 마찰력 계산은 마찰력의 크기를 구하는 수식으로, F는 마찰력, 는 마찰계수, N은 수직항력을 뜻한다. 마찰 계수 μ는 실험으로 측정된 경험값이다. 접촉면들의 물리적 특성에만 연관된 것으로 잘못 알려져 있지만 사실은 온도나 기압 같은 계의 특성에도 영향을 받는다.

본 조는 기존 설계에서 미끄럼 마찰력(Sliding friction)과 roller를 도입한 개선 설계의 구름 마찰력(Rolling friction)을 비교해볼 것이다.미끄럼 운동 마찰력(sliding friction)은 물체가 접촉면에 대해 움직이고 있을 때 받는 마찰력이다. 일반적으로 운동 마찰력은 최대 정지 마찰력보다 작거나 같다. 미끄럼 운동 마찰력의 크기는 수직항력과 Fk = μkN 의 관계에 있다. 여기서 μk 는 미끄럼 운동 마찰계수이다.구름 마찰력은 물체가 접촉면에 대해 회전할 때 받는 마찰력이다.회전한다는 조건을 수식으로 표현하면, 물체의 질량중심을 기준으로 물체의 각속도 ω (오메가) 와 물체의 병진 속력 v 그리고 물체의 반지름 r 이 v = ω × r 의 관계에 있을 때를 말한다.(구름 마찰력의 크기)=(구름 마찰계수)*(수직항력)

물체의 미끄럼 마찰력과 롤링 마찰력을 비교하기 위해 예시를 들어 마찰력을 계산해 볼 수 있다. 예시로 사용할 물체는 공이라고 가정하고, 간단한 값을 사용하여 미끄럼 마찰력과 롤링 마찰력을 계산해본다면, 물체의 무게를 10N으로 고정하고 미끄럼 마찰계수가 0.4 롤링 마찰계수가 0.2라고 가정해보자.그렇다면 미끄럼 마찰력은 4N, 롤링 마찰력은 2N으로 롤링 마찰력이 2배 가량 더 작은 것을 알 수 있다. 따라서 본 조가 설계한 롤링 마찰을 유도한 구조 개선안은 마찰력 감소 측면에서 이점을 가져갈 수 있다.

상세설계 내용

1. 서론

본 상세 설계안 부문에서는 개념 설계안의 내용을 기반으로 개선점을 추가하여 최종 제품을 완성한다.

설계를 진행하면서 상/하판과 발판 간의 마찰력이 발판 구동에 영향을 미칠 가능성이 존재한다고 판단하였다. 시연제품에서와는 달리 실제품에서는 스테인리스 재료를 사용하여 시간당 10회 이상 작동이 되며, 이에 수명이 길고 유지보수가 가능한 구조로 제작해야 한다. 마찰이 크면 에너지 소비가 커지고 마모가 발생해 기계의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미치기 때문에 본 조는 TRIZ 기법을 통해 문제 해결 방안을 모색하였다. Improving parameter로 22. Loss of energy, Worsening parameter로 31. Object generated harmful factors를 선택하여 Solution을 조사하였다. 그 결과, 22. Blessing in disguise가 도출되었고, 기존의 미끄럼 마찰 설계에서 ‘Roller’를 도입해 구르기 마찰로 마찰력을 최소화하는 방안을 고안해내었다.

위 설계도와 같이 기존에 상판, 하판 및 발판의 큰 접촉면적 설계에서, 중간에 삽입되어있는 발판 위/아래로 roller를 삽입하여 발판이 나올 때 roller가 구르면서 마찰력을 최소화하는 방안으로 재설계하였다.

Roller를 도입하기 위해서는, 발판이 전/후진하는 과정에서 roller를 지지해줄 지지대가 필요하였다. 이에 반원 형태의 구조가 roller를 50% 감싸는 구조로 roller가 앞뒤로 흔들리지 않도록 설계하였다. 그러나 제작 도중 지지대가 roller를 감싸는 구조로 인해 roller의 회전력이 급격히 감소하는 문제가 발생하여 roller의 홈에 철사를 집어 넣는 구조를 설계해 roller의 회전력이 감소하는 문제를 해결하였다.

2. 부품도

본 조의 발명품을 제작하기 위해 소요된 부품은 다음과 같다.

시연 제품을 만들기 위해 소요된 아크릴판 수치는 위 그림과 같다.

3. 조립도

위 그림은 발명품을 정면에서 바라보았을 때의 층별 모식도를 나타낸 그림이다. 해당 도면의 맨 아래에는 하판(220) 및 상하판 전면 가림부(230)가 위치하며, 그 위에는 발판을 지지하며 부드럽게 앞으로 나아가게 할 롤러(120)가 위치한다. 롤러의 양 끝에는 롤러 지지대(121)가 위치하여 롤러(120)가 발판의 전후진에 의해 회전하더라도 자체는 움직이지 않도록 하였다. 또한 롤러(120)와 롤러 지지대(121)는 롤러 지지핀(122)에 의해 고정되며, 롤러(120) 및 지지핀(122)의 내부는 지지핀 반경보다 큰 구멍이 있어 지지핀을 롤러 내부에 끼울 수 있게 하였다. 두 롤러(120) 층 사이에는 전후진 할 수 있도록 기어랙(110)을 붙인 발판(100)이 위치하며, 그 위에는 톱니 기어(111) 및 모터 구동부(112), 상판(200)과 상판 지지대(210)가 위치한다. 상판(200)과 상판 지지대(210)는 분리되어 있는데 분리된 틈 사이에 롤러 지지대(121)가 위치한다. 지지대의 높이는 제품을 결합하였을 때 상판(200) 및 상판 지지대(210)의 높이와 일치하도록 한다.

도면 가운데 위치한 발판(100)에 부착된 기어랙(110)의 중앙 기준으로, 도면과 같이 발판(110)의 2/3 지점에 위치하며, 이는 후에 톱니 기어(111) 위치에 따라 최대 전/후진 거리를 계산하여 위치하였다. 톱니 기어(111)는 상판 지지대(210)의 측면에서 보았을 때 1/2 지점에 위치한다. 본 위치 조정을 통해 모든 역 그리고 모든 열차에 본 제품 하나로 열차-플랫폼 간 틈새를 완전히 매꿀 수 있도록 하며, 기어랙(110)의 길이는 발판(100)이 최대로 전후진 하였을 때 모두 톱니 기어(111)가 기어랙(110)에 걸리도록 충분히 길게 제작한다.

톱니 기어(111)에 연결된 모터 구동부(112)는 상판 지지대(210)에 부착되며, 후에 결합하였을 때, 발판(100)에 부착된 기어랙(110)과 알맞게 맞물려 돌아가도록 한다. 롤러(120) 양 끝의 롤러 지지대(121)는 상판(200)의 측면과 하판의 지지대(222)와 연결되어 튼튼하게 고정되어 움직이지 않도록 한다. 또한, 롤러 지지대(121)를 비롯하여 상판(200)과 상판 지지대(210)은 하판 지지대(222)와 연결 및 고정되어 제품 전체의 무게 및 승객의 무게를 충분히 버틸 수 있도록 한다. 발판(100)과 연결 및 고정된 부분은 기어랙(110)과 접촉감지센서부(130)이며, 발판의 측면(131)을 통해 접촉감지센서부(130)에 연결된 선이 부착되어 제품의 뒤로 빠진다. 이때, 센서 및 센서 연결 전선 등은 하판의 중앙 지지대에 고정하여 발판(100)이 전후진 하는 데에 걸리지 않도록 깔끔히 부착한다. 또한, 덮개부(240)에도 후면 아래 부분에 작은 구멍을 뚫어 모터 구동부(112)에 연결되는 전선이 상판 측면 지지대(210) 바닥에 부착되어 깔끔히 빠져나오도록 한다. 양 끝에 위치하는 모터 구동부(112)에 연결되는 선은 최종적으로 하판 지지대의 후면(222)에 부착되어 빠져나오도록 한다.

본 조립 방식으로 최종 설계한 도면(발판 전진시)은 다음과 같다.

4. 제어부 및 회로 설계

제어부 및 스위치부는 위 그림처럼 아두이노 임베디드 시스템 보드, 브레드보드, 접촉감지센서 2개, 모터 드라이브 2개로 이루어진다. 모터 구동은 12V 외부전원을 이용하며, 접촉감지센서 및 스위치는 컴퓨터의 5V 전원을 이용한다. 그림과 같이 스위치는 브레드보드 위 2개로 이루어지며, 각각 전진 스위치와 후진 스위치를 담당한다. 즉, 실제 지하철 열차가 도착하면 스크린 도어 혹은 열차 문이 열리기 전, 기관사로 하여금 전진 스위치를 누르게 한다. 이후, 접촉감지센서부가 달린 발판이 앞으로 전진하다가 열차와 접촉하면, 센서부에서 신호를 보내 발판이 정지하도록 한다. 틈새가 없이 완전히 발판이 전진 후 정지하면 스크린 도어 혹은 열차 문이 열리고 승객들이 승하차를 하게 되며, 본 과정이 끝나면 열차 문 혹은 스크린 도어가 닫히고 기관사로 하여금 후진 스위치을 누르게 하여 발판이 제자리로 후진하게 한다. 열차를 인식할 때까지 발판이 전진하므로 틈새가 없게 작동시킬 수 있으며 후진 시에는 전진한 만큼의 거리를 기억하여 자동으로 후진해 제자리로 돌아오도록 할 수 있다.

5. 소프트웨어 알고리즘 설계

위 설명을 기반으로한 회로 작동 알고리즘은 다음과 같다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

1-1. 프로토타입 CAD 스케치 발명품의 프로토타입 스케치 모식도

1-2. 초기 프로토타입 초기프로토타입 발판이 앞으로 전진한 모습

포스터

완료작품의 평가

(평가/비중)

1. 일정 무게 이상을 버티는가?(20/20)

2. 최대거리만큼 회전 후 멈추는가?(20/20)

3. 센서가 감지되면 동작을 멈추는가?(20/20)

4. 작동 후 원래 자리로 돌아가는가?(20/20)

5. 조원 모두가 참여하였는가?(20/20)

향후계획

1. 실제 사이즈 제품 제작 본 설계는 재료종합설계 시연 목적의 설계로 실제 지하철 크기에 맞는 제품 제작 필요, 구성품 철제 제작, 더 큰 토크의 모터 사용, 원거리 배선문제 해결 등이 필요함

2. 특허 출원 후 국내·외 지하철 운용사 컨택 특허 출원 후 제품화를 위해 국내·외 지하철 운용사에 연락하여 실제 제품화 예정

영운아해조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

1. 서론

2. 부품도

3. 조립도

4. 제어부 및 회로 설계

5. 소프트웨어 알고리즘 설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

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