이츠 리얼 홍

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 분실물 및 무단 투기 방지를 위한 공유자전거 바구니 시스템

영문 : Shared Bicycle Basket System for Preventing Loss of Belongings and Unauthorized Waste Disposal

과제 팀명

이츠 리얼 홍

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 허*호(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 강*찬

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 공*환

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 김*형

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 본 과제는 공유자전거의 회전식 바구니이다.

• 입구가 위, 아래로 오도록 회전이 가능한 바구니를 설계하여 공유자전거의 분실물 및 무단 투기 문제를 해결한다.

• 볼 베어링 및 축을 이용한 회전 방식과 홀 센서 및 블루투스 모듈을 이용한 솔레노이드 구동 메커니즘을 이용하여 바구니의 회전과 고정을 가능하게 한다.

개발 과제의 배경

• 최근 공유자전거가 일상적인 교통수단으로 널리 확산하고 있다.

• 공유자전거 공급의 증가에 따라 바구니에 분실물 문제나 미사용자가 쓰레기를 버리는 문제가 빈번히 발생하고 있다.

• 이러한 문제는 사용자에게 불쾌감을 유발하고, 운영사의 관리 부담을 증가시키고 있다.

• 지금까지는 인력이나 자발성에 의존했으나 효과가 낮아 기술적 해결이 필요하다.

• 회전식 바구니 시스템은 분실물 및 무단 투기 방지를 통해 도시 환경 개선에 도움이 될 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 과제의 목표는 공유자전거 이용 과정에서 자주 발생하는 바구니 내 분실물 방치 및 쓰레기 투기 문제를 효과적으로 방지할 수 있는 구조적 해결책을 구현하는 것이다. 이를 위해 사용자가 수동으로 회전시킬 수 있는 바구니 시스템을 설계하였다.

• 바구니는 윗면이 개방된 육면체 형태로 제작되며, 자전거 프레임에 고정되는 고정부와 회전이 가능한 전면의 회전부로 구성된다.

• 바구니 회전은 축과 베어링을 통해 안정적으로 구현되며, 스프링이 달린 곡선형 돌기와 고정부의 홈을 통해 고정된다. 회전부의 자석과 고정부의 홀 센서가 바구니의 위치를 감지하고 신호를 전달한다. 솔레노이드와 홈 구조는 회전 상태를 제어하고 임의의 회전을 방지한다. 바구니를 위로 돌리면 센서가 이를 감지해 고정하고, 반납 시 다시 아래로 돌려 고정된다.

• 이러한 방식은 사용자가 바구니 내부를 자발적으로 확인하도록 유도함으로써, 분실물 회수와 쓰레기 투기를 동시에 방지할 수 있다. 특히 바구니가 뒤집힌 상태로 반납된 자전거는 돌기 구조, 홈, 솔레노이드에 의해 고정되어 있어 임의로 회전시킬 수 없으며, 이를 통해 무단 투기를 차단할 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

● 전 세계적인 기술현황

• 현재 대부분의 공유자전거는 단순한 철제 또는 플라스틱 재질의 고정식 바구니를 채택하고 있으며, 내부 물품 유무나 청결 상태를 확인할 수 있는 기능은 없다. 또한 바구니가 항상 개방된 구조로 되어 있어 무단 투기 및 분실물 문제가 빈번하게 발생하고 있다.

• 일부 고급형 공유자전거 시스템에서는 QR코드 기반 위치 추적, 전동 잠금, GPS 기능 등이 도입되고 있으나, 바구니 내부 상태 확인이나 분실물 방지를 위한 기능은 여전히 미비하다.

• 일본의 파나소닉, 중국의 모바이크 등 주요 기업들도 주로 자전거 프레임과 결합 방식 개선에 집중하고 있으며, 바구니는 정적이고 수동적인 구조에 머무르고 있다. 이처럼 공유자전거 선진국 사례에서도 회전식 바구니와 고정 장치를 결합한 구조는 매우 드물어, 본 시스템은 전 세계적으로도 희소한 기술로 평가된다.

• 본 시스템은 사용자의 물리적 동작과 단순한 구조, 최소한의 장치를 통해 문제를 해결할 수 있도록 설계되었으며, 기존 시장에 없는 독창적인 구조를 제안한다.

• 특히 솔레노이드와 돌기 및 홈 구조를 활용한 고정 방식은 직관성과 안정성을 동시에 갖춘 기계식 대안으로 주목된다.

● 특허조사 및 특허 전략 분석

• 본 특허 조사는 자전거라는 수단에 한정하지 않고, 바구니의 회전 및 고정 구조에 초점을 맞춰 기술적 특성을 중심으로 진행되었다. ‘회전식 바구니’, ‘베어링을 이용한 바구니’ 등의 키워드를 활용해 KIPRIS, USPTO 특허 데이터를 검색한 결과, 공유자전거에 직접 적용된 회전식 바구니 기술은 존재하지 않았으나, 유사한 기능을 가진 일부 사례는 확인되었다.

• 대표적인 사례로는 등록 특허 제10-2691745호(2023.03.10 공개)인 ‘자전거 거치용 접이식 휴대 바구니’가 있으며, 바구니가 자전거에 탈부착이 가능하고, 수납 시 편의성을 높인 점에서 바구니의 진보적 개선 사례로 볼 수 있다. 그러나 이 특허는 회전 기능을 포함하고 있지 않으며, 회전 안정성 확보나 자가 점검 기능 등 본 과제의 핵심 요소는 갖추고 있지 않다.

• 회전식 바구니 기술은 아직 자전거 응용 분야에서 상용화된 사례가 없으며, 본 기술은 솔레노이드와 돌기 및 홈 구조를 활용한 고정 메커니즘과 사용자의 물리적 회전을 통한 반납 제어 기능이 통합된 설계로 차별성과 신규성을 확보할 수 있다.

• 이러한 구조적 특성을 기반으로, 회전축 지지 방식, 솔레노이드와 베어링의 배치, 돌기 및 홈 구조 등 각 구성요소에 대해 독립적인 특허 출원이 가능하다. 향후 유사 기술이 등장할 경우, 방어적 특허로서도 기능할 수 있다.

• 본 과제에서는 바구니의 회전 구조와 솔레노이드 기반 자동 고정 메커니즘에 대해 실용신안 및 특허 등록을 추진한다. 회전 및 고정 구조는 기계적 설계 기반의 실용신안으로, 솔레노이드와 돌기 및 홈 구조를 활용한 자동 고정 기능은 별도의 발명 항목으로 특허 출원을 계획하고 있다.

• 사용자의 참여를 유도하는 상태 기반 연동 설계는 산업 및 구조 디자인 측면에서 별도의 디자인 등록이 가능하며, 사용자 행동과 구조적 원리가 연계된 형태로 차별화된 디자인 보호를 할 수 있다.

• 이후에는 전체 시스템을 모듈화하여 기술 이전 및 라이선스 기반 사업화가 가능하도록 발전시킬 계획이다.

●기술 로드맵

• 본 과제는 회전식 바구니 시스템의 설계부터 실증까지를 목표로, 단기 및 장기 단계로 나누어 체계적으로 진행하였다.

• 단기적으로는 약 1~2개월 내 회전 및 고정형 바구니의 개념 설계를 완성하고, 아크릴판 및 폼 보드를 활용한 목업을 제작한 후, 최종적으로 3D 프린팅을 통해 완성형 제품을 구현하였다. 이를 통해 수동 회전 구조, 솔레노이드, 돌기 및 홈 구조를 활용한 고정 메커니즘의 작동 가능성을 검증하고, 바구니의 무게, 회전 저항, 고정 강도 등 주요 물리적 요소에 대한 기초 데이터를 수집하였으며, 사용자 행위 기반 시스템이 반납 과정에서 사용자에게 미치는 영향을 분석하여 구조 설계에 반영하였다.

• 장기적으로는 3~4개월의 기간 동안 시제품 구조를 개선하여 실제 자전거에 적용할 수 있는 수준의 프로토타입으로 발전시켰다. 아울러 공유자전거 반납 시스템과의 물리적 연동 시뮬레이션을 구축하여 실질적인 운용 가능성을 높였다. 추후 사용자 피드백을 기반으로 구조를 최종 보완하고, 앱 기반 반납 연동 기능까지 구현할 계획이다.

시장상황에 대한 분석

● 경쟁제품 조사 비교

표 1. 기존 제품 및 경쟁 제품과 본 제품의 비교 분석표

● 마케팅 전략 제시

• 대도시, 대학가, 관광지 등 공유자전거 밀집 지역을 대상으로 시범 설치를 진행하고, 효과에 대한 데이터를 확보한다.

• 공유자전거 운영사를 대상으로 저비용 구조의 장착형 모듈로 제안하여, 유지 관리 비용 절감 효과를 강조한다.

• 환경미화 및 시민 불편 해소를 위한 도시 청결 관리 시스템으로서 가치를 강화한다.

• 사용자 행동 유도 기반 시스템으로 책임 있는 공유 문화를 확산시키는 데 공헌한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 물리적 회전과 솔레노이드, 돌기 및 홈 구조를 활용한 고정 메커니즘을 통해 분실물 확인과 무단 투기 방지가 가능하다.

• 사용자가 바구니를 직접 확인하고 회전 및 반납하는 과정에서 자연스럽게 청결 유지가 유도된다.

• 단순한 구조를 기반으로 다양한 자전거 모델에 손쉽게 장착할 수 있어 확장성과 적용성이 높다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 공유자전거 이용 환경 개선과 함께 공공장소의 청결 이미지를 개선할 수 있다.

• 사용자 불편함 예방 및 분실물 관련 민원 감소를 통해 운영자의 부담을 줄일 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

표 2. 단계별 개발 일정표

구성원 및 추진체계

• 2020450003 강예찬_조원

• 2020450006 공태환_조원

• 2020450011 김준형_조원

• 2020450042 허동호_조장

• 총괄 기획 (개발 일정 관리) : 조장

• 하드웨어 (회전부, 고정부 구조와 내부 설계) : 조원 전체

• 소프트웨어 (자동 고정 장치 및 앱/단말기 연동) : 조원 전체

• 품질 검증 (감지 성능 평가 및 사용자 테스트 진행) : 조원 전체

설계

설계사양

제품의 요구사항

표 3. 제품 요구사항

설계 사양

• 본 제품에서 홀 센서는 자석을 정확하게 인식하여 바구니의 위치 상태를 정확히 감지해야 하며, 외부 요인에 의한 오작동이 발생하지 않도록 해야 한다. 이를 위해 다양한 상황에서 구동 테스트를 통해 감지 정확도를 검증한다.

• 바구니의 입구가 아래를 향하지 않은 경우, 시스템은 반납을 정확하게 차단해야 하며, 아래를 향한 경우에만 정상적으로 반납이 이루어져야 한다. 반납 차단 기능이 일관되게 작동하는지에 대한 테스트가 필수적이다.

• 바구니 내에 물체를 싣고 주행할 경우, 회전부와 고정부는 물체의 하중과 주행 중에 발생할 수 있는 충격을 견딜 수 있어야 한다. 또한 무게와 비용 면에서 효율적이어야 한다. 회전부와 고정부가 실제 사용 환경에서 하중과 충격을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 다양한 방식의 내구성 테스트가 수행되어야 한다.

• 바구니는 사용자의 운행을 방해하지 않아야 하며, 주행 중 안정성을 확보해야 한다. 특히, 하중으로 인한 바구니의 흔들림을 최소화할 수 있도록 균형을 고려한 구조 설계가 필요하다. 센서 등 부착된 장치들은 사용자의 시야나 핸들 조작을 방해하지 않도록 배치되어야 하며, 주행 중에 발생할 수 있는 충격이나 진동에도 오작동이 발생하지 않도록 신뢰성 있게 작동해야 한다.

• 센서 및 전자 부품은 저전력으로 작동해야 하며, 배터리 교체 주기가 과도하게 짧지 않도록 설계되어야 한다. 에너지 효율이 높은 센서를 선택하고, 대기 상태에서는 불필요한 전력 소모를 최소화하여 전체 시스템의 전력 효율을 극대화해야 한다.

• 사용자가 별도의 학습 없이도 직관적으로 사용할 수 있어야 하며, 복잡한 조작 없이 간편하게 이용할 수 있어야 한다. 반납 차단 및 해제 과정이 자연스럽고 원활하게 이루어지도록 시스템을 설계해야 하며, 공유자전거의 반납 여부를 사용자에게 명확하게 전달할 수 있도록 시각적 피드백 등 직관적인 안내 요소를 제공해야 한다.

개념설계안

• 분실물 및 무단 투기 방지를 위한 공유자전거 바구니에는 다음과 같은 네 가지 핵심 아이디어가 적용된다.

1) 고정부와 회전부를 볼 베어링 및 축으로 연결하여 회전이 원활하도록 설계

2) 솔레노이드를 이용한 전자 도어락 방식의 구동 메커니즘

3) 회전부의 돌기와 고정부의 홈 구조를 활용한 고정 방식

4) 홀 센서를 활용한 공유자전거 잠금장치 구동 메커니즘

• 볼 베어링을 이용한 회전 방식

그림 1. 볼 베어링 이미지

이미지 출처: Wikimedia Commons. “File:BallBearing.gif.” Wikimedia Commons. https://ko.m.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:BallBearing.gif.

그림 1에 제시된 볼 베어링의 회전 방식과 이를 관통하는 축을 활용하여, 사용자가 바구니를 자유롭게 회전시킬 수 있도록 설계하였다. 고정부와 회전부를 연결하는 베어링과 축은 외부에서 힘이 가해졌을 때 회전 저항이 적고 부드러운 움직임을 제공한다. 본 과제에서는 이러한 베어링 구조를 응용하여, 사용자가 바구니를 이용 전후에 직접 손쉽게 회전시킬 수 있도록 구상하였다.

• 수평부재와 수직부재의 장부맞춤을 이용한 고정 방식

그림 2. 수평부재와 수직부재의 장부맞춤을 이용한 고정 방식

이미지 출처: 한국학중앙연구원. “이음맞춤.” 한국민족문화대백과사전. https://encykorea.aks.ac.kr/Article/E0071921.

그림 2의 방식을 참고하여, 본 시스템에서는 회전부의 돌기와 고정부의 홈을 이용한 고정 방식을 적용하였다. 이는 바구니가 사용되지 않을 때나 주행 중 사용할 경우, 외부의 물리적 충격으로 임의로 회전하는 것을 방지하기 위한 구조적 기능이다. 수평 부재와 수직 부재의 장부맞춤은 수직 부재의 나뭇결 방향에 장부 구멍을 파고, 수평 부재의 단면에 장부를 만들어 맞물리게 조립하는 방식으로, 전통적인 구조 결합 방법이다. 다만 장부맞춤은 수평 방향의 인장력에 취약하므로, 비녀 등의 핀을 장부에 박아 이탈을 방지한다. 본 과제에서는 이러한 비녀의 역할을 그림 3에서 설명할 솔레노이드가 수행하도록 설계하였다.

• 솔레노이드를 이용한 전자 도어락 구동 메커니즘

그림 3. 전자 도어락

이미지 출처: 오늘의집. “하이레버 M7 무타공 현관문 디지털도어락.” https://ohou.se/productions/1129990/selling.

그림 3의 전자 도어락에 사용된 솔레노이드의 작동 원리를 응용하여, 바구니가 사용되지 않거나 주행 중일 때 외부 물리적 충격으로 임의로 회전하는 것을 방지하는 기능을 구현하였다. 솔레노이드는 전기 신호에 따라 내부 코어가 전후로 이동하는 방식으로 작동하며, 이를 통해 물리적인 걸쇠를 구동하거나 차단할 수 있다. 본 과제에서는 자전거가 반납되면 시스템이 바구니의 위치를 확인한 후, 솔레노이드를 작동시켜 회전부의 돌기를 고정부의 홈에 고정함으로써 바구니의 회전을 차단하도록 설계하였다. 이를 통해 사용자 외의 외부 요인에 의한 불필요한 회전을 방지할 수 있도록 하였다.

• 공유자전거 전자 홀 센서 구동 메커니즘

그림 4. 자전거 전자 센서

이미지 출처: Omni. “스마트 자전거 자물쇠의 자동 잠금 해제 시스템이란?” November 13, 2023. https://www.smartlockssupplier.com/kr/news/What-is-Auto-Unlocking-System-of-Smart-Bike-Lock.html.

그림 4의 자전거 전자 센서 구조에 사용된 홀 센서 방식을 응용하여, 바구니 회전 후 자석을 인식하는 기능을 구상하였다. 홀 센서 방식은 자석이 특정 위치에 도달했을 때, 센서가 이를 감지하여 장치의 현재 위치를 판단하는 원리이다. 본 과제에서는 고정부와 회전부가 맞닿은 면에 회전부 오른쪽 위에 자석을 부착하고, 고정부의 오른쪽 위와 왼쪽 아래에 각각 홀 센서를 하나씩 설치하였다. 이를 통해 자석이 감지되는 위치를 기반으로 바구니의 위상을 확인할 수 있으며, 해당 정보를 바탕으로 반납 여부를 판단하고 솔레노이드 제어가 가능하도록 설계하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

• 회전 구조

1) 바구니는 기본적으로 뒤집힌 상태(입구가 아래로 향한 상태)로 고정되어 있음

2) 공유자전거 대여 시, 블루투스 모듈을 사용하여 솔레노이드 제어(솔레노이드 축 후진)

3) 바구니 사용 시 바구니를 수동으로 180도 회전시켜 입구가 위로 향하도록 조작

• 고정 및 해제 구조

1) 바구니 입구가 아래로 향했을 때를 기준으로, 고정부 하단에 솔레노이드 1개 설치 → 솔레노이드의 축이 돌기의 구멍으로 들어가 돌기를 홈에서 고정 및 해제

2) 블루투스 모듈을 통해 솔레노이드가 후진하여 바구니가 회전할 수 있는 상태로 만듦

• 바구니 위상 인식 (홀 센서 + 돌기 구조 + 솔레노이드)

1) 바구니의 입구가 아래로 향하였을 때를 기준으로, 고정부 면의 오른쪽 위, 왼쪽 아래에 각각 홀 센서 1개씩 설치

2) 바구니의 입구가 아래로 향했을 때를 기준으로, 회전부 면의 오른쪽 위에 자석 1개 설치

3) 바구니가 회전을 완료하였을 때마다 자석이 특정 위치의 홀 센서에 의해 인식되고, 이때 작동하는 홀 센서에 따라 위/아래 위상 판단 가능

• 곡선 모양의 바구니 하단과 지지부

1) 바구니가 위상에 관계없이 지지부에 의해 받쳐짐

• 반납 조건

1) 사용자가 공유자전거 이용 완료 후, 블루투스 모듈을 통해 솔레노이드를 후진시키고, 자전거의 바구니를 입구가 아래로 오도록 수동으로 회전시키면, 홀 센서가 자석을 인식하여 솔레노이드를 전진시켜 돌기를 홈으로부터 고정함 (이로써 반납 과정이 완료됨)

2) 바구니가 뒤집힌 상태(자석이 특정 홀 센서에 의해 인식)일 경우에만 반납 가능

• 외부 조작 방지

1) 자전거가 반납된 상태일 때는 돌기가 홈에 체결되어 있고, 솔레노이드의 축이 돌기의 구멍에 들어가 있어, 바구니가 고정되어 있음.

2) 미사용자가 반납된 공유자전거의 바구니를 강제로 돌릴 수 없도록 돌기 및 홈 고정과 솔레노이드 고정 장치 적용

상세설계 내용

● 조립도

• 제품의 전체 조립도는 다음과 같다. 아래는 전체 벤치의 조립도와 상면도, 측면도, 정면도를 나타내고 있으며, 각각의 치수는 상면도, 측면도, 정면도에 나타내었다.

그림 5. 제품 전체 조립도

그림 6. 제품 전체 상면도

그림 7. 제품 전체 측면도

그림 8. 제품 전체 정면도

• 아래는 제품에서 각각의 소조립체가 소요되는 부분을 기재한 그림이다.

그림 9. 소조립체를 표시한 제품 전체의 조립도

• 소조립체의 목록은 다음과 같다.

1) 바구니

2) 스프링 보호부

3) 회전부

4) 고정부

5) 센서부

6) 센서 보호부

7) 바구니 지지부

• 고정부와 맞닿는 회전부 면의 전체적인 도면을 아래에 나타냈다.

그림 10. 회전부 전체 도면

그림 10의 1은 회전부 면의 뒷면에 장착된 용수철과 결합된 곡선 모양의 돌기이다. 이때, 용수철이 완전히 압축되어도 회전부의 홈으로부터 돌기는 빠지지 않는다. 그림 10의 2는 1(돌기), 3(볼 베어링), 4(축)를 외부로부터 보호하기 위한 보호부, 그림 10의 3은 바구니 회전 및 이탈 방지를 위한 볼 베어링, 그림 10의 4는 바구니 회전 및 이탈 방지, 하중 지지를 위해 볼 베어링의 내륜에 장착되는 축, 그림 10의 5는 그림 11의 5의 홀 센서가 인식하여 바구니의 위상을 파악할 수 있는 자석이다.

• 센서부와 맞닿는 고정부 뒷면의 전체적인 도면을 아래에 나타냈다.

그림 11. 고정부 전체 도면

그림 11의 1은 솔레노이드 구동을 위한 6V 전원이며, 그림 11의 2는 곡선 모양 돌기의 고정을 위한 솔레노이드이다. 그림 11의 3은 그림 10의 1(돌기)과의 결합을 위한 홈 구조, 그림 11의 4는 전기회로 구동을 위한 아두이노 모듈, 그림 11의 5는 그림 10의 자석 인식 여부를 통해 바구니의 위상 파악을 위한 홀 센서, 그림 11의 6은 전기 소자 연결을 위한 브레드보드이다. 그림 11의 7은 아두이노와 솔레노이드를 연결시키기 위한 릴레이 모듈이다. 그림 11의 8은 아두이노의 전원 공급을 위한 9V 전원이다.

• 회전부와 맞닿는 고정부의 후면을 아래에 나타냈다.

그림 12. 고정부 후면 도면

그림 12의 1은 바구니 회전 및 이탈 방지, 하중 지지를 위한 축, 그림 12의 2는 그림 10의 1(돌기)의 원활한 회전을 위한 경사 구조, 그림 12의 3은 그림 10의 1(돌기)의 회전 공간을 위한 원형 궤도이다.

• 조립 순서

1) 본 제품의 조립은 회전부, 고정부, 센서부, 센서 보호부, 바구니 지지부, 자전거 순서로 진행한다.

2) 스프링 보호부에는 스프링과 돌기를 결합한 후 내륜에 축을 결합한 베어링이 결합된 회전부의 홈과 돌기가 맞게 결합한다.

3) 바구니 소조립체들과 회전부를 결합한다.

4) 고정부에 축을 연결하여 회전부와 연결한 후 제어부 및 회로를 결합한다.

5) 고정부에 센서 보호부를 결합한다.

6) 자전거 앞바퀴에 바구니 지지부를 결합한 후, 고정부를 자전거에 결합한다.

● 부품도

• 조립 순서에 따라 부품도를 정리하였다.

• 돌기 구조

그림 13. 주행 및 미사용 시 고정을 위한 돌기 구조

그림 13의 돌기 구조는 용수철과 결합 된 상태로 그림 10의 회전부 면의 홈에 체결된다. 돌기 구조는 곡면으로 설계되어 그림 15의 경사면과 원형 궤도를 따라 곡면이 밀려남과 동시에 용수철이 압축되어 회전을 가능하게 한다. 또한, 홈의 위치에서는 용수철의 복원력에 의해 돌기가 홈에 체결된다. 이때, 돌기가 홈에 체결되었을 때, 홈으로부터의 이탈을 방지하기 위해 솔레노이드가 돌기를 고정하도록 설계하였다. 따라서 돌기의 옆면에는 솔레노이드의 축이 전진하여 체결될 수 있는 구멍이 있다.

• 스프링이 결합 된 돌기와 보호부 구조

그림 14(a). 스프링 보호부

그림 14(b). 돌기가 결합 된 스프링 보호부

그림 14(b)는 그림 13의 돌기 구조를 실제 제작한 모습이다. 돌기 구조는 곡면 모양을 갖고 있고, 그 아래는 용수철과 결합 되어 있다. 이러한 돌기 구조는 용수철의 이탈을 방지하는 막과 함께 보호부에 장착된다. 보호부는 62mm * 110mm * 17mm의 규격이고, 각 면의 두께는 2mm이다. 용수철의 선경은 0.4mm, 외경은 10mm, 높이는 10mm이다. 이러한 돌기 구조는 용수철의 압축 및 복원으로 작동한다. 이때, 용수철이 압축되었을 때, 돌기 구조는 고정부의 홈에서는 완전히 이탈하지만, 회전부의 홈에서는 약간 걸친 상태로 완전히 이탈하지 않는다.

• 고정부와 맞닿는 회전부

그림 15. 고정부와 맞닿는 회전부

그림 15는 그림 14의 돌기 구조가 결합되는 180mm * 180mm * 5mm 규격의 바구니 회전부이다. 그림 14의 돌기 구조는 용수철이 결합된 상태로 그림 15의 양쪽 홈에 체결된 상태로 장착된다. 용수철이 완전히 압축되어도 돌기는 홈으로부터 이탈하지 않고, 걸쳐 있게 된다.

• 정육면체 형태의 바구니 구조물

그림 16(a). 바구니 구조물 top view

그림 16(b). 바구니 구조물 측면

그림 16은 그림 15의 회전부 면과 결합되는 바구니를 형성하는 구조물의 도면이다. 바구니는 180mm * 180mm * 180mm 규격의 정육면체 구조를 가진다. 각 면은 180mm*180mm(두께 5mm)의 규격이며, 가장자리에는 바구니 조립을 위한 45도의 경사면을 가진다.

• 곡선 모양의 지지부와 바구니 밑단

그림 17. 곡선 모양의 지지부와 바구니 밑단

공유자전거 운행 중 외부 충격으로 회전부가 고정부로부터 이탈하지 않고, 회전이 원활하도록, 자전거 앞바퀴의 프레임으로부터 바구니를 향하여 회전부를 받칠 수 있는 곡선 모양의 지지부가 제작되어 있다. 회전부의 밑면에는 평평한 다른 면과 다르게, 자전거 프레임에 장착된 곡선 모양의 지지부에 의해 받쳐질 수 있도록 곡면의 모양을 갖고 있다. 이때, 그림 17에 나타낸 d의 거리는 37.3mm이다. 반납된 상태에서는 바구니가 뒤집어져 있기 때문에, 지지부로부터 바구니는 떨어져 있다. 공유자전거를 사용할 시에 바구니의 밑면은 지지부와 붙어 있어, 외부 충격으로 인한 이탈을 방지할 수 있다. 지지부와 바구니의 밑면이 곡선 모양으로 제작된 이유는 반납 시에 바구니를 뒤집는 과정에서 회전이 쉽게 하기 위해서이다.

• 고정부의 원형 궤도

그림 18. 회전부와 맞닿는 고정부

그림 18은 그림 11의 바구니 회전부와 맞닿는 180mm * 180mm * 10mm 규격의 고정부 면이다. 해당 고정부 면에는 그림 14의 돌기 구조가 삽입될 수 있는 홈이 위치한다. 이때 돌기의 원활한 이동 및 압축을 위해서 돌기의 회전 경로를 따라 원형 궤도 및 홈의 바로 옆 부분에 경사진 구조를 형성하였다. 원형 궤도는 돌기가 회전할 때 이탈 방지를 위해서 5mm 깊이의 경로로 설계한다. 바구니가 회전하면서 회전부의 돌기는 원형 궤도 내에서 홈이 아닌 부분에서는 용수철이 압축되어 이동하고, 홈 부분에서는 용수철의 복원력에 의해 돌기가 홈 내부로 체결되도록 구성하였다.

• 센서 보호부

그림 19. 센서 보호부 측면

그림 19는 제어부 및 회로가 연결된 그림 18과 결합 되는 센서 보호부이다. 해당 부분은 회로부 파손을 방지함과 동시에 실제 자전거와 결합 되는 부분이다. 180mm * 180mm * 100mm 규격으로 제작하였다.

● 제어부 및 회로 설계

그림 20. 아두이노를 이용한 전체 회로

그림 21. 아두이노를 이용한 전체 회로도

• 사용되는 회로 부품은 다음과 같다.

1) 아두이노 우노

2) 브레드보드

3) 홀 센서_KY-003

4) 솔레노이드_전자석 푸쉬 풀타입 6V

5) 스위치 모듈

6) 릴레이 모듈

7) 블루투스 모듈_4.0 BLE BT-05 호환 모듈

8) 전원(6V 및 9V)

본 설계에서 아두이노 우노를 사용하여 설계를 진행하였으며, 여러 모듈을 연결하고, 사용하기 위해 브레드보드를 함께 사용하였다. 고정부 면에 장착된 홀 센서를 이용하여 바구니가 회전함에 따라 회전부에 장착된 자석을 인식하여 솔레노이드를 전진시킨다. 블루투스 모듈 및 스위치 모듈을 이용하여 앞서 전진된 솔레노이드를 후진시킨다. 이때, 릴레이 모듈은 내부에 전자석과 기계적 스위치가 있어, 아두이노와 고전압 회로를 물리적으로 분리하며, 고전력 장치인 솔레노이드를 분리하는 역할을 한다. 전원은 6V와 9V를 사용하였으며, 6V는 솔레노이드를 작동시키는 역할을 하고, 9V는 아두이노 전원을 공급하는 역할을 한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

● 프로토타입 사진

그림 22. 사용 전 프로토타입

그림 23. 사용 중 프로토타입

● 프로토타입 작동 장면

● 구동 메커니즘

• 대여 전

그림 24. 대여 전 솔레노이드 전진 상태

• 대여 시 앱 구동

그림 25. 앱 구동 후 솔레노이드 후진 상태

• 사용자가 바구니 180도 회전

그림 26. 바구니 회전 후 홀 센서 구동 및 솔레노이드 전진

• 반납 시 앱 구동

그림 27. 앱 구동 후 솔레노이드 후진 상태

• 사용자가 바구니 180도 회전

그림 28. 바구니 회전 후 홀 센서 구동 및 솔레노이드 전진

• 공유자전거 반납 완료

포스터

관련사업비 내역서

표 4. 개발사업비 내역서

완료작품의 평가

● 평가 기준

표 5. 자체 평가 기준표

● 평가 내용

• 작동 정확도 - 센서가 바구니 위상을 정확히 감지하고, 반납 차단이 안정적으로 작동하는지 평가한다.

• 창의성 – 구조와 설계의 독창성을 판단하여 기존 제품과의 차별화 정도를 평가한다.

• 사용자 편의성 – 사용자가 직관적으로 이용할 수 있으며, 불필요하거나 불편한 시스템이 없는지 검토 및 평가한다.

• 비용 – 시스템 구현에 필요한 부품 및 제작 비용을 고려하여 경제성을 평가한다.

향후계획

• 확장 가능성 및 응용성 다른 도시 공유자전거 시스템에도 쉽게 적용 가능한지를 평가하기 위해 전기자전거 등 다양한 유형의 자전거에 응용 가능성 분석

• 사회적 기여 및 기대 효과 분실물 감소, 무단 투기 방지 효과 입증을 위해 공유자전거 운영사와의 협력을 통한 상용화 후 도시 미관 개선 및 운영사 관리 비용 절감 평가

• 선행 기술 대비 차별성 기존 제품과의 기능적, 구조적 차별화 입증을 위해 특허 출원 가능성을 평가

특허 출원 내용

내용