파이널리

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 벤치 프레스 중 위험 방지를 위한 보조 안전장치

영문 : Supplemental safety devices to avoid hazards in bench presses

과제 팀명

파이널리

지도교수

이효선 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 정*환(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 안*빈

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 이*우

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 정*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 발명은 운동 중에 바벨(역기)에 깔려서 부상당하는 것을 방지하기 위한 운동보조기구에 대한 것이다. 이는 기존 운동기구에 별도로 사용할 수 있는 보조기구이다. 해당 기구는 양쪽에 하나씩 존재하며 바벨에 깔릴 경우 사용자가 바벨을 들어 올릴 수 있도록 가스스프링이 이를 보조한다. 기본적인 작동방식은 바벨이 가슴을 짓누를 경우 초음파 센서가 이를 감지하여 들어 올려주거나 바벨에 밴드형으로 부착된 블루투스 버튼을 직접 눌러 작동시킬 수 있다. 센서는 바벨 봉이 특정 거리 내(15cm, 혹은 그 이상)로 들어오면 이를 감지한다. 만약 수 초(5초)이상 해당 위치범위 내에 바벨의 봉이 지속적으로 있으면, 깔린 것으로 판단하여 스프링으로 들어 올려준다. 또한 위험시에 바벨에 밴드형으로 부착된 버튼을 눌러 해당 보조기구를 수동으로 작동시킬 수 있게 한다.

◇ 가스스프링을 이용해 장치 하나당 10kg~35kg을 들어주며, 양쪽 총 20kg~70kg을 들어준다. 이러한 보조적인 힘을 이용하여 사용자가 바벨에 깔리더라도 이를 쉽게 들어 올릴 수 있도록 도와준다. 또한 비접촉 방식의 초음파 센서를 이용하므로 작동 전 보조장치를 사람의 가슴보다 낮게 설정하여 운동 시 방해가 되지 않게 한다. 이는 가스스프링과 초음파 센서를 이용한 저가이면서 저전력 장치이다.

개발 과제의 배경

◇ 벤치 프레스 중에 높은 중량의 바벨을 이용할 경우 깔리는 경우가 생긴다. 흔히 운동을 보조할 사람이 있을 경우 이를 도와줄 수 있지만, 보조하는 사람이 없을 경우 빠져나가기 쉽지 않다. 바벨에 깔릴 경우 중량에 따라 가슴 근육 파열, 호흡 곤란 등에 위험이 발생할 수 있다. 벤치 프레스는 근력, 근비대, 근지구력 강화를 위한 웨이트 트레이닝에 해당한다. 웨이트 트레이닝은 운동 강도와 반복 횟수를 정하는 것이 효율적인 운동에 중요하다. 예를 들어, 근력 향상을 목적으로 한 운동은 강도를 높이고 반복 횟수를 줄인다. 반대로 근지구력 향상을 위해서는 낮은 강도로 반복 횟수를 늘리는 것이 도움이 된다. 이에 따라 본인의 운동 수행 능력에 맞게 운동 강도를 설정하는 것이 중요하다.

◇ 본인의 운동 수행 능력을 알기 위해 자주 이용되는 방식은 ‘1RM’(1 Repetition Maximum)을 측정하는 것이다. ‘1RM’이란 1회 최대로 들어 올릴 수 있는 중량을 의미한다. 하지만 실제로 ‘1RM’을 측정하는 것은 어렵다. 측정 도중에 바벨에 깔릴 수 있기 때문에 위험하기 때문이다. 자신의 운동 수행 능력을 모르는 상태에서 운동을 하게 되면 ‘1RM’보다 낮은 중량에서도 바벨에 깔릴 위험이 있다. 더 높은 중량의 바벨을 들 만한 운동 수행 능력이 있는지 본인도 알 수 없기 때문이다. 따라서 더 높은 중량을 들기 위해서는 보조하는 사람이 필요하다. 본 발명은 헬스클럽이나 개인 공간 등 다양한 곳에서 사용할 수 있다. 기존 다수의 사람이 이용하는 헬스클럽의 경우 보조하는 사람 없이 안전하게 벤치프레스를 할 수 있다. 특히 혼자만 이용하는 ‘1인 헬스클럽’이나 자택에서 개인 운동을 할 경우 그 효용은 커진다.

◇ 2020년 기준으로도 9.9천개의 피트니스 센터가 영업 중이며, 홈 트레이닝 및 퍼스널 짐까지 헬스 인구는 계속 증가하는 추세이다. 헬스에 대한 관심이 커지며 운동 중 안전사고에 대한 관심도 커지고 있다. 다양한 운동 중 벤치프레스는 긴급 상황 시 대처가 가장 어렵다. 데드리프트의 경우 위급 상황 시 바벨을 단순히 놓으면 되고, 스쿼트의 경우 최대 가동범위 아래에 안전바가 존재해 깔렸을 시 그대로 앉으면 된다. 하지만 벤치 프레스의 경우 안전바가 있지만 운동의 효율을 높이기 위해 안전바를 사용하지 않는 경우가 많다. 벤치프레스 안전바는 바벨이 사람의 가슴과 가깝게 내려오지 못하게 하므로 운동범위를 제한하기 때문이다. 안전바 없이 바벨에 깔리면 혼자 탈출하는 것이 어렵거나, 탈출하더라도 큰 상처를 입는 경우가 많다. 그래서 무거운 무게로 운동 시 운동을 보조하는 사람과 함께 운동을 한다. 혼자 운동하는 경우 모르는 사람에게 부탁하거나, 그렇지 않으면 위험하기 때문에 무거운 무게로 운동할 수 없다. 이런 상황에서 벤치 프레스 시 위험을 감지해 자동으로, 혹은 사용자가 수동으로 작동할 수 있는 벤치 프레스 안전 보조 장치를 고안하게 되었다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 목표

본 발명의 목표는 장치가 바벨의 높이를 감지하여 사용자가 바벨을 들어 올릴 수 있도록 보조하는 것을 목표로 한다. 그러기 위해서 해당 보조 장치는 바벨 봉의 위치를 센서로 정확히 감 
지하여 각 10kg (총20kg)이상 35kg (총70kg) 이하의 힘을 보조해야한다. 이를 통해 기존에 벤치프레스 중 바벨에 깔릴 경우 빠져나오지 못하는 문제를 해결한다. 
해당 보조 안전 장치는 벤치프레스의 가동범위를 제한하지 않으며 프리웨이트 효과를 제한하지 않고, 저전력이며 간편한 작동방식이고, 차지하는 부피가 작고, 가격이 싸며 기존 벤치프레 
스에 적용이 가능한 것을 목표로 한다. 따라서 이를 해결하고자 가스스프링, 비접촉 센서와 블루투스 버튼을 이용하여 저전력, 비접촉 방식의 장치를 고안했다.

◇ 내용

프레임의 구성요소는 크게 위에서 부터 상부 프레임, 중부 프레임, 가스스프링, 하부 프레임 영역으로 나뉘고 각각 연결되어있다.
1) 가스 스프링
- 보조적인 힘을 낼 수 있는 가스스프링은 최소 각 10kg (총20kg)이상의 하중을 들 수 있는 힘을 보조할 수 있어야 한다.
- 사용하기 전 사람이 해당 기구를 눌러서 작동 전의 상태를 만들 수 있어야한다. 즉, 사람의 체중으로 눌러 스프링을 압축시킬 수 있어야한다. 성인 몸무게를 기준으로 최소 몸무게 35kg 
정도로도 압축시킬 수 있게 한다.
2) 보조기구의 규격과 무게
- 보조기구의 높이는 벤치에 누웠을 때 사람의 가슴 높이보다 낮게 만든다. 가스스프링 상승 시에는 사용자가 빠져나갈 수 있도록 얼굴보다 높게 상승한다.
- 아래 프레임을 제외한 무게는 가스 스프링이 바벨과 함께 들어 올려주는 무게에 포함된다. 그렇기 때문에 바벨의 무게를 좀 더 들어주기 위해서 프레임의 무게를 충분히 가볍게 한다.
3) 초음파 센서
- 바벨 봉이 해당 센서와의 거리가 15cm 이내로 들어온 것을 1cm 내외의 오차로 정확히 감지할 수 있어야한다.
- 15cm 이내에 머물러 있는 시간이 5초 이상임을 감지할 수 있어야한다.
- 센서의 고장 시 안전을 위하여 그 즉시 무조건 장치가 작동할 수 있는 이중 트리거(버튼) 만든다. 이는 바벨의 부착하여 엄지손가락으로 쉽게 누를 수 있도록 한다. 또한 바벨 무게에 영 
향을 주지 않도록 가볍게 만든다.
4) 작동모터의 동작
- 작동모터는 압축된 상태의 스프링의 잠금을 풀어준다. (즉, 가스스프링의 버튼을 눌러 준다.)
- 센서와 연결되어 정확히 동작해야한다.
5) 고정 프로세스
- 가스스프링의 압축이 풀려 최고점에 도달했을 때, 그 위치에서 고정될 수 있게 하는 시스템이 존재해야한다.
- 다른 센서의 작동이 멈출 수 있게 한다. 이를 통해 사용자가 장치를 초기 상태로 만들 수 있게 하고, 장치가 작동이 끝났을 때 장치의 작동을 멈춘다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

기존 기술들의 경우 상승 보조 요소를 포함 시, 유압 및 전동기를 통해 구현했다. 하지만 본 기술의 경우 그렇게 강한 힘이 아닌, 보조를 해주었을 시 사용자가 바벨을 충분히 들 수 있을만큼의 힘을 가해주어 위급 상황에서 탈출할 수 있게 한다. 기존 기술과 같이 직접 전동기로 들어 올리거나, 유압을 통해 계속해 높이를 조절할 경우 에너지 소모가 심한데, 본 기술은 이용자가 직접 장치를 사용 전 압축하는 과정을 통해 그 힘을 가스스프링에 저장시켜 위급 상황 시 사용하게 한다. 또한, 따로 바벨 바에 탈부착 가능한 수동 버튼을 통해 수동으로 장치를 작동 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 작동부에 센서를 장착해 바벨의 거리를 측정하고, 그 거리가 일정 시간 동안 큰 변화가 없을 시(즉 위급 상황이 발생했음을 감지 시) 자동으로 장치가 작동하게 된다. 정리하자면, 에너지 소모 측면에서 유리하고 유압 장치 혹은 전동기로 직접 힘을 가하지 않아 높은 내구성 및 유지 보수의 편리성, 유연한 작동 방식을 갖는 벤치 프레스 안전장치를 개발하고자 한다.
주로 벤치프레스 중 깔림 사고 방지만을 위한 장치보다 전반적으로 벤치프레스를 보조해주는 장치가 많았다. 따라서 기존 벤치프레스를 완전히 새로 바꾸는 경우 많았고, 제품으로 나온 경우 대부분 비싼 가격으로 책정되어 있었다. 이러한 이유로 기존 벤치프레스에 적용이 불가능하다는 문제를 야기했다.
깔림 방지를 위한 장치들은 대부분 감압센서를 이용했다. 따라서 접촉 방식의 센서이기 때문에 안전바와 같이 벤치프레스의 가동 범위를 제한하거나 운동 궤적을 제한하여 프리웨이트를 효과를 내지 못했다. 또한, 센서가 바벨과 직접 접촉하는 방식은 고장우려가 있었다.
이를 해결하고자 만들어진 장치들 역시 부피가 너무 큰 문제, 모터를 이용하여 전력이 많이 들고 시끄러운 문제, 페달을 이용하는 등 부자연스러운 작동을 유도하는 문제를 갖고 있었다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 바벨의 추락을 방지하기 위한 벤치프레스

◇ 압력센서 및 유압기를 이용하는 바벨의 이동 각도를 조절 가능한 스마트 벤치프레스 및 그 구동제어방법

◇ 전동제어식 복합 피트니스 머신

• 기술 로드맵

◇ 운동(벤치 프레스) 안전장치의 발전 과정

벤치 프레스 등의 운동 안전장치의 발전은 최근 들어 더 급격히 진행되고 있는데, 웨이트 트레이닝 자체의 관심도가 커짐에 따라 이러한 경향이 나타나는 것으로 보인다. 위 사례에서 살펴봤듯이 벤치 프레스 안전장치는 원래 단순히 몸보다 높은 위치에 단순히 안전바를 두어 위급 상황에 대비하는 것이었지만, 최근 들어 주로 무게를 보조해주거나 바벨에 깔렸을 시 탈출을 도와주는 형태로 발전했다.

◇ 현재 기술의 한계

현재의 벤치 프레스 안전장치들은 대부분 유압 실린더 혹은 전동기 등으로 추가적인 힘을 가해주는 형식으로 고장이 쉽고 작동 메커니즘 자체가 복잡하며 에너지 소모가 지속적이다. 따라서 이러한 요소가 들어간 장치들은 가격대가 대부분 높아 접근성이 떨어진다.

◇ 기술 발전 방향

새로운 방식의 안전 장치는 높은 접근성과 비교적 단순한 메커니즘, 운동 범위를 제한하지 않는 정밀한 위험 감지를 필요로 한다. 기존의 방식들은 대부분 메커니즘이 복잡하거나 작동 방식에 따라 운동 범위를 제한하고, 수동으로 작동한다는 한계가 있었다. 따라서 본 기술은 비교적 간단한 메커니즘을 가지면서, 지속적인 에너지 소모를 줄이며, 운동 범위를 제한하지 않고, 자동으로 위험을 감지해 장치가 작동해 현 기술을 극복하려 한다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

◇ 1인 헬스장과 홈짐 수요의 증가

헬스 산업은 지속적으로 성장하고 있는 산업중 하나이다. 최근 IHRSA(International Health, Racquet & Sportsclub Association)에서 보고한 헬스 산업 보고서에서 발췌한 4년간의 증가추이를 보았을 때, 2017년 총 3,447개의 헬스장이 운영되었고 2020년에는 총 4,206개의 헬스장이 운영되어 꾸준히 증가함을 알 수 있다. 이는 건강과 라이프 스타일에 대한 관심이 증가하면서 발생한 현상이라 예상할 수 있다. 
하지만 코로나가 대유행하게 되면서 감염의 위험을 최소화하기 위해 1인 헬스장 대여 시스템과 홈짐(home gym)이 두각을 드러내고 있다. 이에 맞추어 운동기구 또한 발전을 거듭하고 있다. 하지만 여전히 벤치프레스에 대한 안전대책은 가동범위 보다 조금 위에 안전바를 두는 방식으로 위급 상황에 대처하고 있다, 따라서 이 운동을 수행하는 사람들은 최대 효과를 내기 위해 안전바를 제거하고 사용하는 등, 선호되지 않고 있다. 이에 최대 가동범위를 보장하기 위한 많은 운동기구가 개발되었지만 움직임이 제한 되는 등 여전히 개발의 여지가 남은 상황이다. 따라서 혼자서 벤치프레스를 진행할 때 사고에 대한 두려움을 줄이고, 최대 가동범위를 통한 운동 효과를 안전하게 극대화 할 수 있다는 현재 아이디어는 시장에서 충분히 경쟁력을 가질 수 있다고 예상된다.

◇ 시중제품의 발전방향

헬스 중 한 번쯤 벤치프레스에 깔리는 것은 흔한 일이다. 그때마다 혼자 바벨을 치골까지 쓸어내리는 등 자칫 부상을 초래할 수 있는 방식으로 탈출하거나 혹은 모르는 사람에게 도움을 요청하는 번거로움을 경험한다. 이에 늘어나는 헬스의 수요와 1인 헬스장 등 혼자서 운동하는 환경의 수요에 맞추어 헬스기구의 안전성과 자동화기기도 많이 늘어나는 추세이다. 특히 론픽사에서는 로드셀 방식을 사용하여 혼자서도 깔림 사고 발생 시 탈출이 가능하게끔 하는 자동화 기기를 만들었다. 하지만 이는 결국, 안전바에 바벨이 닿아야하기 때문에 여전히 운동 가동범위를 제한하며, 1500만원이라는 매우 높은 단가로 형성이 돼있어 보급이 원활히 되지 않는 상태이다. 따라서 현재 개발하려고 하는 안전장치 아이디어는 혼자서도 탈출 가능함과 동시에 최대 가동범위로 운동을 할 수 있게 하여 운동효과 또한 극대화 할 수 있다는 방향에서 시중 제품의 발전 방향과 적합하다고 생각한다.

◇ SWOT분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 벤치프레스에 깔릴 경우에만 동작하기 때문에, 최대 가동범위와 자유로운 운동을 가능하게 해 운      동의 효율성을 높인다, 
◇ 가스 스프링을 사용하기 때문에 동작이 부드러워 탈출 시 충분한 힘과 안전성을 보장한다.
-최소 각 10kg (총 20kg), 최대 각 35kg (총 70kg) 이상의 무게를 보조할 수 있다. (실제로 가스스프링의 힘을 고려했을 때 각 35kg (총 70 kg)정도의 무게를 들어줄 수 있을 것으로 예상할 수 있다.)
◇ 비접촉 방식의 초음파 센서를 이용한 자동 방식 혹은 수동 버튼 방식을 이용하여 사용 편의성이 증대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 최근 1인 헬스장 혹은 헬스장 대여, 홈 트레이닝의 수요가 늘어가는 추세이다. 하지만, 혼자 운동을 하게 되면 운동 중 무리한 무게를 다룰 때 부상 위험에 더 크게 노출이 된다. 특히 벤치프레스의 경우 탈출 시 혼자의 힘으로 탈출할 경우, 부상의 위험이 크다. 이때 자동적으로 바벨을 받쳐 올려주는 안전바가 있다면, 혼자 탈출이 충분히 가능할 것이다.
◇ 기존에 있는 벤치프레스에도 설치 가능하여 상대적으로 생산 단가가 낮아 경제적인 효과가 있다.
◇ 직원의 도움이 불필요해지므로 추가적인 인건비를 절감할 수 있다.
◇ 초음파 센서의 경우 최대 의 전력량(12개 기준, 132mW)으로 1초에 5번씩 측정, 리니어 액추에이터는 매 작동 시 최대 의 전력량(2개 기준, 48mW)을 가진다. 따라서 운동시간 20분 동안 작동 시켰을 경우 총 158.5W가 소비된다. 리니어 액추에이터는 작동 시에만 전력을 사용하고, 초음파 센서 역시 on/off 스위치로 껐다 켤 수 있기 때문에 실제 작동 시간은 매우 적다. 선풍기의 하루 평균 전력량이 720W인 것을 감안했을 때도 적은 전력을 쓰는 것을 알 수 있다. 따라서 저에너지 장치로 사용가능하다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

◇장치의 동작

센서, 리니어 액추에이터 그리고 실리콘 밴드 버튼이 모두 잘 연결되어 있는 지 평가한다. 센서와 리니어 액추에이터는 유선으로 연결하여 연결부에 문제가 없는 지 확인하며 문제없이 작동하는지 확인한다. 실리콘 밴드 버튼은 블루투스로 작동시킨다. 블루투스 신호를 리니어 액추에이터가 잘 감지하는 지 평가한다. 지렛대는 힘을 충분히 줄 수 있는 길이와 모양으로 설계되어야하며, 사람이 직접 눌러 수동으로도 가스스프링을 작동시킬 수 있어야한다.

◇ 센서의 작동여부

센서가 반응해 바벨이 일정 거리 안에 들어가고 5초 뒤 장치가 작동하는지를 확인한다.
또한 바벨이 15cm 내로 들어 온 것을 정확히 인식하는 지 평가한다. 실제 거리와의 오차를 측정한다.

◇ 장치가 보조할 수 있는 힘

장치를 만든 뒤 20kg 이상의 실제 빈 바 혹은 원판이 끼워진 상태의 바를 활용해 충분한 힘이 가해지는지 시험해본다. 이론적으로는 스프링의 사양에 따라 힘이 가해질 것으로 생각할 수 있지만, 정확히 스프링의 스트로크 위에 바가 정확히 위치하지 않을 수 있으므로 그 점을 고려해 사양을 선택해야 한다.
1RM을 측정하는 공식 중 가장 많이 사용되는 Epley공식은 다음과 같다.
(W=무게, R=10회 이하의 반복횟수)
(즉, 90kg으로 6회의 벤치프레스를 수행 가능 한 사람의 1RM은 공식에 의해 이론상 108kg임을 알 수 있다. 이는 1RM보다 높은 110kg을 들다 실패해도, 20kg의 하중을 부담해주는 장치가 있다면 충분히 들어 올릴 수 있다는 것을 의미한다.) 
따라서 장치가 바벨과 맞닿은 상태로 20kg 이상의 무게를 부담할 수 있어야한다. 본 발명은 좀 더 안전한 동작을 위하여 20kg 이상의 하중을 들어 올려 줄 수 있는 것을 최종 목표로 한다. 실제로 가스스프링의 힘을 고려했을 때 각 35kg (총 70kg)정도의 무게를 들어줄 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

◇ 장치의 균형

작동시 안전이 가장 중요하므로, 여러 무게의 바벨로 테스트해보며 장치가 넘어지거나 상태가 불안정하지 않은지 확인한다. 또한, 어느 정도의 무게까지 지탱할 수 있는지 정량적으로 확인한다. (120kg이상 올려도 버티는 것을 확인한다.)
이때, 바벨이 한쪽으로 치우쳐져 들려지지 않는지 균형 부분 또한 평가해야한다.

개념설계안

◇기본 작동 원리와 효용

다음은 가스 압력을 이용한 가스스프링의 반력을 이용하여 사용자가 바벨을 들어 올릴 때 보조적인 힘을 주는 장치이다. 가스스프링은 초음파 센서로 바벨을 인식하여 작동하거나 블루투스 버튼을 이용하여 사용자가 직접 작동시킬 수 있도록 한다. 가스스프링의 반력을 이용하기 위해서 사용자의 힘을 미리 퍼텐셜 에너지로 저장하여 이용한다. 즉, 사용자의 무게를 이용해 수동으로 압축시킨 뒤 사용한다.
비접촉 방식의 초음파 센서를 이용하여 상승 전 보조장치를 사람의 가슴높이 보다 아래에 위치하게 한다. 그렇기 때문에 기존 벤치프레스 기구에 설치된 안전바와 다르게 운동 범위를 제한하지 않고, 사용자가 바벨에 깔렸을 때 바벨을 드는 힘을 보조해준다.

◇가스스프링의 이용

의자에 이용되는 가스스프링을 상승 장치로 이용한다. 가스스프링은 밀폐된 실린더에 매우 높은 압력의 가스가 봉입되어 있는 상태이다. 이 때 한쪽의 면적(A)와 반대쪽의 면적(A-B)사이의 면적 차이가 발생하면 한 쪽에서 반력이 발생한다. 이렇게 발생하는 반력에 의해서 하중을 들어 올려준다.
특히, 의자용 가스스프링은 버튼으로 제어 가능한 밸브가 존재하는데, 이는 외부 실린더(D)의 가스가 내부 실린더(C)로 들어올 수 있게 제어한다. 외부 실린더와 내부 실린더 사이의 가스 출입이 가능해지면 피스톤이 상승할 수 있다. 또한, 역으로 외부의 힘으로 가스스프링을 압축시킬 수도 있다.

그림 1 가스스프링 원리

◇작동 과정

1. 초음파 센서가 바벨을 인식한다. 혹은 블루투스 리모컨으로 직접 장치를 작동시킨다.

본 장치는 기본적으로 사용자가 바벨에 부착하는 실리콘 밴드 형태의 블루투스 리모컨으로 직접 작동하거나, 비상시를 대비해 높이 감지 초음파 센서로 바벨의 장치로부터의 거리를 측정해 일정 시간 동안 특정 거리 내에 바벨이 존재한다면, 즉 사용자가 바벨을 들지 못하는 경우에 자동으로 작동하게 된다.

2. 리니어 액추에이터로 작동 신호를 보낸다.

리니어 액추에이터가 가스스프링의 압축을 푸는 버튼을 눌러줌으로써 장치가 작동하게 되며, 이 신호는 센서 -> 중앙 회로 -> 액추에이터로 유선 (혹은 블루투스의 경우 무선)으로 전해진다. 반대쪽 장치와도 유선으로 연결돼 한쪽이라도 조건이 만족되면 동시에 작동을 시작한다.

3. 리니어 액추에이터가 지렛대를 누르고, 지렛대가 버튼을 누른다.

가스스프링의 버튼을 자동으로 눌러주게 되는데, 버튼 위 지렛대(수동 레버)의 위를 리니어 액추에이터가 누르는 형식이다.

4. 가스스프링이 상승한다.

가스스프링 상부의 버튼이 눌리면서 가스스프링의 스트로크가 상승해 위로 힘을 가해준다.

5. 최고점이 될 경우 센서와 리니어 액추에이터의 작동이 멈춘다.

사용자의 힘과 가스스프링의 힘이 더해져 바벨과 장치가 상승해 최고점이 된 경우, 바닥과의 거리를 측정하는 상승 감지 초음파 센서를 통해 이를 감지해 리니어 액추에이터가 다시 줄어들어 버튼이 눌리지 않게 된다. 버튼이 눌리지 않으면 가스스프링은 고정되어 무게가 가해져도 압축되지 않는다.

-초기 상태로 복구

사용자가 지렛대를 수동으로 내린 후 가스스프링을 압축한다. 이에 따라 가스스프링의 스트로크가 초기위치에 고정된다. 일반적인 사람의 체중 정도면 쉽게 압축할 정도의 힘이 저장된다.

그림2. 보조장치의 전체구조

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 가스스프링 복원력과 1rm

가스스프링은 일반 코일스프링에 비해 작은 크기로도 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있다. 본 제품에 사용할 가스스프링의 스트로크는 대략 200mm이며, 해당 가스스프링 면적에 대한 복원력(압축력)은 40kgf로 상부 프레임의 질량이 5kg 내외일 것을 생각했을 때, 최소 10kg 이상 최대 35kg을 들어주는 힘 이상을 저장해둘 수 있다. 물론 상부 프레임의 구조가 30cm가량 되어 끝부분에 바벨이 위치할 경우에 균등한 힘을 주지 못할 수 있지만, 어느 위치에 바벨이 있든 10kg의 무게를 드는 힘을 추가해줄 수 있어야 하고, 하부 프레임의 설계를 통해 균형을 잃지 않게 해야 한다. 결과적으로 양쪽 장치가 총 20kg ~ 70kg의 힘을 보조할 것으로 예상한다.
추가로 1RM을 측정하는 공식 중 가장 많이 사용되는 Epley공식은 다음과 같다.
(W=무게, R=10회 이하의 반복횟수)
즉, 90kg으로 6회의 벤치프레스를 수행 가능 한 사람의 1RM은 공식에 의해 이론상 108kg임을 알 수 있다. 바꾸어 말하면 1RM보다 높은 110kg을 들다 실패해도, 20kg의 무게를 함께 들어주는 장치가 있다면 6회 이상 수행하는 정도의 난이도로 들어 올릴 수 있다는 것을 의미한다. 본 제품은 좀 더 나은 성능을 위하여 양쪽 35kg씩, 총 70kg 보조를 최대 목표로, 최소 10kg씩, 총 20kg 보조를 최소한의 목표로 잡고 설계했다.

2) 개인차를 아우르는 범용성

누워 있을 때 사람의 가슴 높이는 모두 다르다. 극단적인 경우를 제외하면, 일반적으로 사람이 누웠을 때 등부터 가슴의 높이는 17~25cm 정도로 알려져 있는데, 따라서 본 제품은 몸이 가장 낮은 사람부터 가장 큰 사람까지 모두 사용할 수 있게 사양을 결정했다. 일반적인 벤치 높이는 40cm 정도이고, 가장 몸이 낮은 사람이 누웠을 때 57cm 정도이다. 따라서 초기 상태, 즉 가장 압축되어있을 때 장치의 높이를 55cm 정도로 설계했고, 압축이 풀렸을 때 최고 높이는 75cm 정도로 설정했다. 따라서 가슴 높이가 가장 높은 사람도 탈출할 수 있도록 가슴 높이 기준 6cm이상의 높이로 설정했다.

센서의 감지 범위와 탈출 가능한 높이에 대한 수치는 다음과 같다.
-벤치 높이: 40cm~44cm
-벤치+누운 사람 높이: 57cm~69cm (사람의 가슴 높이:17~25cm)
-장치 높이: 55cm (사람 가슴보다 2~14cm 아래에 있다.)
-감지 범위(15cm 이내): 55cm~70cm (필요시 15cm보다 크게 감지 범위 설정 가능)
-가스스프링의 스트로크 상승: 75cm (20cm 상승)
결과적으로 감지 범위 (55cm~70cm)는 벤치+누운 사람 높이인 57cm~69cm를 포함한다. 또한, 가스스프링의 스트로크가 상승한 뒤 최소 6cm~최대 18cm의 탈출할 수 있는 공간이 생긴다.

그림3. 보조장치의 높이와 감지 범위 (mm 단위)

3) 사용자가 직접 힘을 저장

운동 시 10kg~35kg (총 20kg~70kg) 이상의 힘이 더해지는 것은 큰 힘이지만, 운동하지 않을 때 그 정도의 힘으로 장치를 압축하는 것은 상대적으로 쉽다. 또한, 성인의 체중은 일반적으로 35kg 이상으로 이기 때문에 압축 시 체중을 이용할 수 있다면, 강한 힘의 가스스프링을 사용해도 누구나 쉽게 압축할 수 있다. 본 제품은 일반적인 벤치 프레스 안전바와 비슷한 상부 구조를 가져 그 위를 무릎으로 누르거나 깔고 앉을 수 있어 비교적 힘이 약하거나 체중이 가벼운 사람도 쉽게 압축할 수 있는 형태이다.

상세설계 내용

◇ 조립도

그림4. 보조장치의 전체구조 및 부품 명칭

그림 5.실제 벤치 프레스 적용 예(작동 전)

그림 6.실제 벤치 프레스 적용 예(작동 후)

1) 상부 프레임

바벨을 무게를 받아주는 부분으로, 측면에 센서가, 하단부에 회로가 부착되며, 센서와 회로부는 아크릴 가림막으로 보호한다. 아크릴 가림막은 벨크로를 사용해 상부 프레임과 쉽게 탈부착이 가능하게 설계했다. 상부 프레임 하부에 150N 하중의 리니어 액추에이터가 고정되는데, 기본적으로 리니어 액추에이터를 둘러싸는 플라스틱 구조물을 프레임 내부에 함께 넣어서 고정한다. 시연을 위한 장치는 내부를 에폭시 레진을 이용해 틀을 만들어 고정한다. 상부 프레임 최상단 바벨이 직접 닿는 부분은 우레탄 패드를 깔아 바벨이 장치에 닿을 때 발생하는 충격을 줄여주고 상단의 양쪽 올라와 있는 날개 구조는 바벨이 장치에서 이탈하지 않게 한다. 상부 프레임의 규격은 기존 벤치의 안전바 사양을 참고했다.
바벨을 무게를 받아주는 부분은 측면에 센서가, 하단부에 회로가 부착되며, 센서와 회로부는 아크릴 가림막으로 보호한다. 아크릴 가림막은 벨크로를 사용해 상부 프레임과 쉽게 탈부착이 가능하게 설계했다. 상부 프레임 하부에 150N 하중의 리니어 액추에이터가 고정되는데, 기본적으로 리니어 액추에이터를 둘러싸는 플라스틱 구조물을 프레임 내부에 함께 넣어서 고정한다. 시연을 위한 장치는 내부를 에폭시 레진을 이용해 틀을 만들어 고정한다. 상부 프레임 최상단 바벨이 직접 닿는 부분은 우레탄 패드를 깔아 바벨이 장치에 닿을 때 발생하는 충격을 줄여주고 상단의 양쪽 올라와 있는 날개 구조는 바벨이 장치에서 이탈하지 않게 한다. 상부 프레임의 규격은 기존 벤치의 안전바 사양을 참고했다.

그림 7. 상부 프레임 구조와 초음파 센서 배치

그림 8. 상부 프레임 도면

그림 9. 상부 프레임과 리니어 액츄에이터

2) 중부 프레임 및 가스스프링

상부 프레임과 연결되는 중간 부분으로, 하부는 가스스프링의 상부와 결합된다. 구멍이 있어 내부에 가스스프링의 버튼이 노출되고, 수동으로 버튼을 누를 수 있게 지렛대가 포함되어 있다. 이때 가스스프링이 상부의 구조물을 받치는 형태이기 때문에 가스스프링의 버튼만 중부프레임 위로 노출된다.(그림 11)
리니어 액추에이터가 지렛대와 함께 가스스프링 버튼을 눌러 장치가 작동한다. 중부 프레임의 상부 4개의 구멍은 상부 프레임의 하부의 4개의 구멍과 나사를 통해 결합된다. 가스스프링의 스트로크는 200mm 정도로 최대로 늘어났을 때 누구든 원활히 탈출할 수 있다.

그림 10. 중부 프레임과 지렛대 구조

그림 11. 가스스프링 구조(작동 전, 후)

그림 12. 상부 프레임 하단, 중부프레임과 가스 스프링 결합

그림 13.중부프레임과 가스 스프링 결합

3) 가스스프링 및 하부 프레임

가스스프링을 포함하는 하부 프레임으로, 장치가 쓰러지지 않게 다리 부분을 십자 모양으로 한다. 초기에는 사각형 형태를 고안했지만 구조적으로 큰 차이가 없고 원가 측면에서 유리하다 판단해 기존 운동에 사용하는 랙의 하부 구조를 참고해 그림과 같은 형태로 설계했다. 해당 장치를 지탱해줄 수 있도록 상부 프레임의 길이 (300mm)보다 크게 총 길이 350mm로 설계했다.

그림 14. 하부 프레임 구조 및 도면

4) 수동 제어 버튼

사용자가 직접 작동시킬 수 있는 버튼을 포함한 실리콘 밴드로, 바벨에 부착해 사용한다. 이때 실리콘 밴드는 엄지손가락으로 닿을 위치에 위치시키는 것이 좋다. 이를 통해 위급한 경우 혹은 5초보다 빠르게 작동시키고 싶을 경우 엄지손가락으로 직접 눌러서 작동한다. 해당 버튼은 40g 정도로 바벨무게의 영향을 주지 않을 정도의 무게이다.

그림 15. 바벨과 실리콘 밴드 수동 제어 버튼

◇ 조립순서

1. 가스스프링의 하부를 하부 프레임의 상부 구멍에 끼우는 방식으로 삽입해 조립한다. 의자의 구조를 참고해서 하부 프레임 상부 기둥을 내경 50mm로 설계해 구조적으로 안정된 형태를 구현했다.
2. 가스스프링의 상부와 중부 프레임 역시 규격에 맞게 설계해 끼워 조립한다.
3. 중부 프레임의 상부와 상부 프레임의 하부는 각 프레임에 타공한 부분을 나사를 통해 고정한다.
4. 상부 프레임 하단 내부에 규격에 맞는 에폭시 레진 틀을 제작해 리니어 액추에이터를 고정시킨다. 혹은 비슷한 강도의 다른 재료를 이용한다.
5. 센서는 센서틀에 넣어 상부 프레임 측면에서 바벨이 닿는 부분보다 아래에 위치하게 부착하고(직접 접촉을 막아 손상 방지) 그 주위를 아크릴 등 플라스틱 판을 활용한 가림막으로 덮는다. 가림막은 벨크로나 자석을 활용해 상부 프레임과의 탈부착이 쉽다.
6. 회로부는 상부 프레임 하단에 부착하고 센서와 마찬가지로 아크릴 판 등으로 보호한다.
7. 상부 프레임 상부 바벨이 맞닿는 곳과 하부 프레임 바닥면에 4.8mm 두께의 우레탄 패드를 부착해 장치 작동 시 충격을 완화한다.

◇ 제어부 및 회로설계

표. 회로 구성품목

그림 16. 작동 알고리즘

그림17. 회로 구성도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

그림 18. 설치 모습

그림 19. 완성품 모습

그림 20. 하중을 견디는 사진 (150kg)

그림 21. 장치 작동 후 탈출 모습

포스터

관련사업비 내역서

1. 물품검사(수) 내역서

2. 물품 사진

그림 22. 상부 프레임

그림 23. 하부 프레임

3. 활동비 지출내역

완료작품의 평가

1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가?

-초기 목표로 잡은 70kg이상 들어 올려주고, 120kg이상의 무게에서 밸런스를 유지하는 목표를 달성했다.
-초기에 설계한 규격과 거의 비슷한 규격으로 제작되었다.
-장치의 작동이 원활하게 이루어졌고 이중 트리거가 오류 없이 작동했다.
-장치 내, 장치 간 연결이 오류 없이 되었다.
-초음파 센서의 오차나 장치 작동의 지연 속도가 초기 목표로 정한 수용 범위 내에 있다.

2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가?

-프로토 타입은 설계한 장치의 모든 기능을 수행할 수 있고, 규격에 맞게 잘 만들어졌다.

3. 심미성이 좋은가?

-금속 프레임은 주문 제작하여 마감이 깔끔하다.
-회로부에는 보호막을 설치하였고 검정색으로 칠해 장치 전체 색을 검정색으로 통일했다.
-전반적으로 돌출된 곳 없이 깔끔하게 제작되었다.

4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가?

-기능과 형태가 모두 설계한 그대로 나왔기 때문에 이해하기 쉽다.

5. 조원 모두가 참여하였는가?

-조원 모두가 열심히 참여했다.

향후계획

1. 센서 가리는 가림막 프레임이랑 같은 재료로 만든다.
2. 가이드가 있는 가스스프링으로 교환하여 회전을 방지한다.
3. 두 프레임 유선 연결말고 블루투스 통신을 가능하게 하여 회로부 부피를 줄인다.
4. 바벨 블루투스 버튼 통신 방식 개선(휴대폰 거치지 않고)한다.
5. 전원 스위치 통일한다.
6. led 전구 추가하여 실행되는지 안되는지 색으로 표시(초록색, 빨간색)하여 육안 확인 가능하게 한다.
7. 점퍼 케이블 사용 않고 직접 회로 설계해 장치의 부피 줄인다. 또한 이를 상부 프레임 속에 내장한다.

특허 출원 내용

추가예정