정조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 자동 강도 조절이 가능한 운동기구
영문 : Automatically Strength Control Exercise Tool
과제 팀명
정조
지도교수
홍완식 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학부·과 20154500** 안** (팀장)
서울시립대학교 신소재공학부·과 20154500** 김**
서울시립대학교 신소재공학부·과 20184500** 김**
서울시립대학교 신소재공학부·과 20144500** 안**
서울시립대학교 신소재공학부·과 20184500** 이**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
집이나 회사 등 공간과 기구가 제한 되는 장소에서 단 하나의 운동 기구만으로 다양한 강도와 자세로 운동이 가능한 제품을 설계한다.
짐스틱 내부에 용수철 여러개를 병렬로 연결하고 필요에 따라 결속 수를 조절하여 다양한 강도로 운동을 가능하게 한다.
줄 길이 조절 매듭을 사용해 로프의 길이를 조절하여 진행할 운동과 신체 조건에 맞춰 효율적이고 폭 넓은 운동을 가능하게 한다.
개발 과제의 배경
코로나 사태로 인해 홈 트레이닝의 관심이 높아짐에 따라 실내 운동기구에 대한 관심이 증가했다.
기존의 짐스틱은 강도가 정해져있어 자유로운 강도조절이 어렵다.
무거운 덤벨은 층간소음, 이동의 어려움 등의 문제로 가정 내 사용이 부적절할 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
용수철을 병렬로 설치하여 하나의 제품으로 여러 강도의 운동이 가능하게 한다
움직도르래를 이용하여 가동 범위를 높인다.
줄의 길이를 조절하여 사용자의 신체조건에 맞춰 사용할 수 있게 한다.
운동 강도를 조절하는 과정을 간편하게 하여 사용자의 편의를 증대한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
스쿼트 밴드/짐스틱 기존에 개발된 이 운동 기구는 발에 장착하는 부분과 스틱 부분을 잇는 탄성체로 이루어져 있으며, 집에서도 편하게 스쿼트 연습을 할 수 있는 장점을 지닌다. 하중을 조절할 수 없는 탓에 보통 여성이나 자세교정용으로 활용되고 있다. 하중 부과가 용이하지 않거나, 사용자의 신체 조건에 적합하게끔 조절하기에 어려움이 있고 또한 그 하중 부하에 있어서의 불안정성을 가지고 있다는 문제점이 있었다.
밴드 형식의 벤치프레스 운동 기구 최근에 원활하게 거래되고 있는, 본 운동기구는 탄성체의 탄성력을 이용하여 지면 방향으로의 하중을 부여하는 기구로, 집에서도 편하게 벤치프레스의 운동효과를 볼 수 있다. 일반인의 벤치프레스의 필요하중이 스쿼트 보다 낮은 덕에 실 체감효과가 더 크다는 대체적인 평가가 있다.
완력기 용수철의 탄성을 이용한 운동기구로 양 쪽의 손잡이를 가운데로 모으는 형식으로 힘을 주며 운동을 하기 위한 기구이다. 기본 각도를 조절하여 어느정도 강도 조절이 가능하다. 가정에서도 간편하게 사용할 수 있기 때문에 대중화되어있다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
1. 스프링이 내장된 봉을 이용한 철봉 / 2020060030065 / 2006.11.21 출원
스프링을 활용한 웨이트 운동기구로, 철봉을 잡아당기면 스프링에 의해 부하가 생기고 그로 인해 잡아당기는 근력운동이 되는 원리를 활용하였다.
2. 실내운동기구 / 1020190055052 / 2019.05.10 출원
발판이나 줄을 밟고, 스틱(바)을 어깨 뒤에 거치한 상태로 근력운동을 실시하는 구조의 운동기구이다.
- 기술 로드맵
SWOT 분석
Strength : 1. 강도조절과 줄 길이 조절이 가능하여 사용자의 운동수행능력과 신체에 맞추어 사용할 수 있다. 2. 여러 개의 짐스틱이 필요하지 않아 경제적이다. 3. 가정 내 사용이 용이하며 소음 걱정이 적다.
Weakness : 1. 스프링 하중이 특정 부위에 집중되는 형태이기에, 기구 접합부 내구성이 충분하지 않을 경우 내부의 구조가 파괴 가능성이 존재한다. 2. 봉 내부 스프링들의 병렬배치로 인해, 기존 짐스틱 등의 상품보다 원형 파이프의 직경이 확대될 가능성이 존재한다. 3. 그 외의 여러 부품들(결속 축, 도르래)의 구조물 간의 강한 결속을 통한 원활한 연속운동을 가능하게 해야 한다.
Opportunity :
1. 사회적 거리두기로 인한 홈트레닝의 수요가 증가했다.
2. SNS나 유튜브 등 헬스 컨텐츠를 통해 트레이너의 도움 없이 독자적으로 운동하는 사람이 증가했다.
3. 사회적으로 건강과 체형 유지에 대한 관심도가 높아졌다.
Threat :
1. 위드 코로나 방역 전환으로 인해 홈트레이닝의 수요가 감소할수 있다.
2. 간편하고 가벼운 기구를 선호하는 여성과 노년층의 관심을 얻지 못할 가능성이 있다.
3. 용수철과 도르래 등 부품의 가격을 합리적으로 설정해야 한다. 비싼 제품은 오히려 더 구매욕구가 사라진다.
기술/시장 니즈
1) 실내에서의 홈트레이닝 시간의 증가로 인한 실내 운동기구 수요가 증가했다.
2) 건강 및 몸매관리 등에 대한 관심으로 인한 근력운동 및 그 운동기구에 대한 수요가 증가했다.
3) 사람의 체형과 체력에 따른 운동강도의 조절이 필요하다.
핵심 요소 기술
1) 충분한 탄성을 가진 탄성체
인장용수철을 이용했다. 자유길이 350mm, 최대인장길이 1050mm, 최대허용하중 약 12kgf, 좌우에 각각 4개씩 총 8개 설치했다.
2) 탄성체의 이점을 활용할 수 있는 역학적 구조
모든 용수철이 결속되었을 때 무게조절장치, 내부 움직 도르래, 봉의 양 끝 고정 도르래 등 하중이 집중되는 부분이 버틸 수 있어야 한다. 전산나사와 알루미늄 파이프, ㄱ자 꺽쇠 등을 드릴과 톱 등을 이용하여 가공. 줄의 경우 등산용 로프를 사용했다.
3) 탄성체를 자유롭게 결속하고 해제할 수 있는 구조
총 8개의 용수철이 존재한다, 하나의 버튼으로 2쌍, 즉 4개의 용수철의 결속 여부를 결정하기 위해 용수철 갈고리 말단을 1열로 배치했고, 각각의 높이에 차등을 두어 단계별로 조절할 수 있도록 설계했다. 또한 버튼은 볼펜의 버튼과 유사한 작동원리를 가진 장치를 내장하여 사용자가 쉽게 단계를 조절할 수 있도록 하였다.
4) 움직도르래 사용
스쿼트 운동의 경우 줄의 길이에 변화가 크다. 좌우로 60cm 이상은 늘어날 수 있어야 하는데 용수철만으로 충분한 거리를 확보하지 못해 움직도르래를 적용했다. 용수철이 20cm 늘어나면 움직도르래가 이를 2배로 늘려준다. 다만 움직도르래 이용 시 하중이 절반으로 줄어들기 때문에 충분한 운동 효과를 위해 그 이상의 거리 확보는 어렵다고 판단하였다.
5) 줄 길이 조절을 위한 매듭
사용자의 신장에 맞게 줄의 길이를 조절할 수 있도록 로프에 매듭을 일정한 간격마다 만들고 끝에 갈고리를 달아 임의로 원하는 길이로 조절할 수 있도록 하였다.
기술 로드맵 목표 (시간순)
1) 적합한 성능의 탄성체 확보
2) 탄성체 역학 구조 구체화 (내구성 증대)
3) 내구성 증대 방안 구체화
4) 탄성체 결속방법 구조 구체화
5) 상용화 가능한 신체 맞춤형 기구 기술개발
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
기존의 짐스틱은 운동강도 조절이 되지 않는다. 운동강도 조절을 위해 짐스틱을 여러 개를 구매하는 것은 금전적, 자원 낭비이다. 덤벨을 끼우는 형식의 운동기구는 부피, 소음 등의 문제로 가정 내에서 사용하기 부적합하다.
- 마케팅 전략 제시
설치 등 복잡한 과정이 불필요하여 가정에서 사용이 간편하다. 무게추 불필요하여 실내 소음 방지가 가능하다. 간단한 방식으로 강도조절이 가능하여 사용이 편리하다. 하나의 제품으로 여러 강도의 운동이 가능하다. 본인의 신장에 맞춰 사용이 가능하다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
다양한 강도의 운동 가능(약 10~40kg 하중 조절) 간편한 운동 강도조절 무거운 덤벨이 불필요하여 안전성 증가 가정에서 사용해도 층간 소음 걱정이 적음 다양한 신장에 맞춰 사용 가능
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
하나의 봉으로 여러 강도의 운동이 가능하여 여러 개의 짐스틱을 구매할 필요가 없어 경제적이다. 코로나19 등으로 인해 사람이 많은 곳을 꺼리게 되는 시대에 가정에서 사용하기 좋은 물건이다. 줄 길이를 조절하여 스쿼트 외에도 인장력을 이용한 다양한 운동이 가능하다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
1) 적합한 성능의 탄성체 확보
2) 탄성체 역학 구조 구체화 (내구성 증대)
3) 내구성 증대 방안 구체화
4) 탄성체 결속방법 구조 구체화
5) 상용화 가능한 신체 맞춤형 기구 기술개발
구성원 및 추진체계
구성원: 안송광, 안영준, 김경원, 김동호, 이종원
3d 도안 작성: 안송광
구조 설계: 안송광, 안영준, 김경원, 김동호, 이종원
부품 탐색: 김동호, 이종원
제작: 안송광, 안영준, 김경원, 김동호, 이종원
설계
설계사양
제품의 요구사항
| 번호 | 요구사항 | D or W | 비고 |
|---|---|---|---|
| 1 | 용수철 허용 길이 - 자유 길이가 20cm 도달 | D | (중요도 大) |
| 2 | 용수철 허용 하중이 100 kgf 도달 | D | (중요도 中) |
| 3 | 하중 부하 전과 하중 부하 중의 줄 길이 차 60cm 이상 | D | (중요도 大) |
| 4 | 용수철 외경의 2배 (OD) <알루미늄 파이프 내경 | D | (중요도 大) |
| 5 | 사용자가 큰 힘을 가하지 않고도 부하가 걸리는 용수철 수량 제어 가능 | W | 중요도 (中) |
| 6 | 움직도르래의 축버튼이 사용자가 원할 때 움직임 제어 가능 | W | 중요도 (中) |
개념설계안
기존의 고무줄을 이용하는 운동기구에서 하중을 가하는 방식을 용수철로 바꾸어 내구성을 높이고 더 크고 다양한 하중을 걸 수 있게 하였고, 운동을 할 때에 기구의 무게는 동일하나 운동 강도를 자유롭게 조절하여 운동의 편리성을 추구하는 운동기구이다.
어깨에 걸치는 바에 내장되어있는 병렬 스프링의 결속 수를 조절하여 스프링에 부하되는 하중을 조절해 운동 강도를 조절할 수 있으며, 또한 줄의 길이를 조절할 수 있는 장치를 추가하여 사용자의 신체에 적합하게 조절이 가능하다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
한 개당 10kgf의 인장강도를 가진 용수철을 한쪽에 4개씩 양쪽에 총 8개를 병렬 연결한다. 줄에 용수철이 연결되는 수를 단계별로 나누어 총 4단계 강도의 운동이 가능하다 양쪽에 1개씩 연결 되었을때 1단계, 양쪽에 4개씩 모두 연결되었을때 4단계.
운동 도르래와 고정 도르래 한 쌍을 사용, 에너지보존 법칙에 의거해 F(하중)과 s(이동거리)의 값은 항상 같다. 운동 도르래가 이동거리를 두배로 늘려주므로 용수철 하나의 인장하중은 5kgf으로 이해된다. 따라 이론적으로 최소 10kgf에서 최대 40kgf (+ 기구 자체 하중) 강도의 운동강도 조절이 가능해 보인다.
이에 더불어 용수철 병렬 구조의 실증적 인장 결과를 확인해보고자 별도의 실험을 진행하였다. 검은 심볼은 한개의 용수철, 빨간 심볼은 두개의 용수철을 병렬로 결속한 결속체를 의미한다. 하중을 연속적으로 늘려가며, 인장력으로 인해 늘어나는 용수철의 길이를 그래프로 나타내었다. 용수철은 각 용수철마다 고유의 탄성계수 k를 가지고서 F=kx를 만족하게 되는데, 위와 같이 두 그래프는 하중과 길이의 두 축에서 후크의 법칙을 만족하는 1차 그래프 형을 보여주었다. 두 그래프의 추세선은 약 2배의 기울기 차이를 보여주어 용수철 병렬 구조의 강도조절효과를 입증할 수 있었다.
위와 같이, 한 쪽 기준 용수철 최대 인장길이 약 20cm, 움직 도르래는 그 두 배인 40cm로 총체적으로 약 60cm의 거리를 확보한다. 사용자가 Half-Squat를 하였을때와 정상적으로 기상했을 때의 신장 차이가 약 60cm임을 감안해 설계 진행하였다.
길이 조절부의 범위는 약 300mm로 사용자의 신장에 맞게 조절가능하다.
조립도
조립순서
1. 꺽쇠(원형판)에 스프링 장착 2. 스프링을 원형 봉에 넣고 고정도르래 설치 3. 고정도르래 외부에 줄을 고정하고 발판 설치 4. 양쪽 스프링이 겹치도록 위치를 조절하고 강도 조절장치 삽입
부품도
파이프
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/mse/includes/limit.sh: line 101: 7268 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-
Error code: 134
(1-1) 규격 및 수치 내경 : 49mm, 외경 : 51mm, 두께t2 : 2mm, 길이 : 1600mm
(1-2) 재질 6061-T6 알루미늄 합금
(1-3) 가공/처리 방식 (3) 파이프 중앙부에 수직하게 인접한 두 구멍을 뚫는다.
스프링
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/mse/includes/limit.sh: line 101: 7277 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-
Error code: 134
(1-1) 규격 및 수치 외경 : 18mm, 자유길이 : 300mm, 허용길이 : 600mm, 양단고리 외경 : 25~30mm
(1-2) 재질 스테인레스 스틸
(1-3) 가공/처리 방식 용역 (금호스프링)
제어부설계
파란색 튜브와 빨간색 본체가 사진처럼 합쳐져서 스프링 결속개수를 조절한다. 버튼을 누르면 압축 스프링과 함께 파란색 튜브가 버튼의 머리쪽 톱니 경사와 맞물린다. 톱니의 경사를 타고 살짝 비틀리면 버튼의 돌출부가 튜브의 다음 경사로로 이동하는데, 버튼을 떼면 압축 스프링의 탄성으로 버튼은 위로 올라오며 돌출부는 튜브의 경사면을 타고 다음 높이로 이동하게 된다.
자재소요서
| 품목 | 규격 | 단위 | 수량 | 재질 | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|
| 알루미늄 파이프 | 직경 50 / 두께 1 / 길이 1600 | EA | 1 | 알루미늄합금 | |
| 무게조절장치: 머리 | 직경 16 | EA | 2 | PLA | 3D 프린팅 |
| 무게조절장치: 몸통 | 직경 14 / 두께 2 | EA | 2 | PLA | 3D 프린팅 |
| 용수철 | 자유길이 350 / 소선경 1.8 / 외경 18 | EA | 8 | 강선 | |
| 전산나사 | M10 / 길이 1000 | EA | 1 | 합금 | |
| 수나사 | M10 / 길이 70 | EA | 2 | 합금 | |
| 암나사 | M10 | EA | 6 | 합금 | |
| 다용도로프 | 직경 5 / 길이1000 | EA | 2 | 나일론 | |
| 도르래 | 길이 86.7 / 본체폭 30.2 / 롤러폭 10.3 | EA | 2 | 스테인리스 | |
| 깊은홈 볼 베어링 | 내경 10 / 외경 30 / 두께 9 | EA | 2 | 합금 | |
| 와셔 | M10 / 외경 38 / 두께 1.5 | EA | 4 | 합금 | |
| 꺽쇠 | 가로 - / 세로 - / 높이 - | EA | 4 | 황동 | |
| 금속 케이블타이 | 길이 30 / 너비 5 | EA | 4 | 합금 |
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
| 항목(품명,규격) | 수량 | 단가 | 금액 |
|---|---|---|---|
| 용수철 | 8 | 24,750 | 198,000 |
| 각종 소요자재 | 1 | 48,950 | 48,950 |
| 알루미늄 파이프(본체) | 1 | 30,800 | 30,800 |
| 제작용 드릴날 | 2 | 12,500 | 25,000 |
| 제작용 홀쇼 | 1 | 6,600 | 6,600 |
| 3D 프린팅 | 1 | 3,000 | 3,000 |
| 합계 | - | - | 312,350 |
완료작품의 평가
| 평가항목 | 평가방법 | 적용기준 | 개발목표치 | 비중(%) | 평가결과 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.강도 단계 구분 | 사용자가 원하는 하중을 조절하여 운동 효과를 볼 수 있는가? | 조절에 따라 결속이 조절 가능, 용수철의 선별적 하중 부하 가능 | 용수철 8개의 하중까지 차이를 두어 강도 단계를 구분 (결속 가능 범위 : 2~8개) | 30 | 중 |
| 2. 충분한 안정성 | 운동을 여러 번 시행해도 안정성 문제가 발생하지 않는가? | 10회 이상 시행하였을 때 줄이탈 등의 이상이 없어야 함 | 제품의 파손, 사용자의 안정성 문제가 없을 것 | 30 | 하 |
| 3. 신장에 맞게 조절 | 다른 신장을 가진 여러 사람이 기구 사용에 불편함이 없는가? | 줄 길이를 조절하여도 운동에 있어서 불편함이 없어야 함 | 사용자 신장 160~180cm 이내에서의 사용 가능 | 20 | 상 |
| 4.가동범위 확보 | 스쿼트 동작이 전 범위에서 무리없이 가능한가? | 움직도르래가 충분히 이동하며 줄의 마찰을 줄여야 함 | 사용자의 꼬리뼈부터 오금까지 길이가 확보되어야 함 | 20 | 상 |
향후계획
개선점
1. 금속가공 : 금속 가공에 있어서 큰 어려움이 있었기에 가공하기 더 간편하면서도 내구성도 좋은 재료를 찾거나 더 쉬운 가공법을 적용해야할 필요가 있을 것이다.
2. 중간에 멈추는 기능 : 줄 이탈 및 마찰력으로 인한 중간 멈춤 기능을 추가한다면 안정성과 내구성을 높일 수 있을 것이다.
3. 강도조절 버튼 : 사용자가 버튼은 누름으로써 여러 단계로 결속을 조절할 수 있는 버튼 기능은 가공과 비용 문제로 인해 프로토 타입에 포함되지 못하였다. 내구성을 확보한 버튼 부품을 취한다면, 완성도 있는 프로토타입을 다시 제작할 수 있을 것이다.
4. 곡률을 가진 강도조절장치와 압축스프링 : 본체 파이프 자체에 곡률이 있기 때문에 강도조절장치와 압축스프링 결속이 원활이 이루어지지 않았다. 더 원활한 기능수행을 위해 강도조절장치와 압축스프링에도 곡률이 부여된다면 좋을 것이다.
5. 소형화 : 프로토타입이 크다고 볼 수 있는 여지가 있는데 소형화에 성공한다면 더 다양한 운동을 수행할 것으로 기대된다.
6. 부착: 신체나 벽 등에 부착시켜 사용이 가능하다면, 인장력을 필요로 하는 다양한 운동이 가능할 것이다.
기대효과
1. 간단한 무게조절장치와 줄의 길이 조절을 통해 제품 하나만으로 기타 보조 기구 없이 다양한 단계의 운동이 가능할 것이다.
2. 덤벨 등을 사용하지 않기 때문에 가정 내 사용에 적합하며, 특히 코로나 시국에 있어서 가장 활용성이 높은 실내 운동기구가 될 것으로 기대된다.
3. 다양한 기능을 추가하고 마감의 완성도를 높이면 홈트레이닝 운동기구 시장에서 경쟁력을 갖춘 제품이 될 것이다.
특허 출원 내용
내용
부록
참고문헌 및 참고사이트
1. 짐스틱
2. 완력기
m.danawa.com/product/productList.html?cateCode=13330435
3. 밴드 벤치 프레스
4. 기술 로드맵 참고 (중소기업기술로드맵 Technology Roadmap for SME - 로봇 -)
