1조-NASA

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계 영문 :

과제 팀명

1조 NASA

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20154500** 최*길(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20154500** 김*훈

서울시립대학교 신소재공학과 20154500** 이*용

서울시립대학교 신소재공학과 20164500** 오*선

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 임*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 과제를 통하여 개발하려는 장치는 보행기의 전복방지와 및 장애물과의 충돌 방지에 관한 것으로, 실내에서 보호자의 관찰이 없을 때 발생하는 사고 가능성을 미리 인식하고 브레이크를 가동시켜 충돌 및 전복을 사전에 차단한다.

◇ 초음파 센서와 적외선 센서가 기준이 되는 장애물과의 일정 속도와 일정 거리를 초과함을 인식하면, 아두이노 프로그램을 가동시켜 브레이크를 작동하게 한다.

◇ 해당 개발 과제의 장치는 보행기의 하부에 부착된 적외선 센서와 초음파 센서, 기준 속도와 거리를 감지하는 아두이노 장치, 아두이노 키트의 명령을 받아 제어를 시행하는 브레이크 장치, 브레이크 작동 후 보호자에게 위험을 알리는 알림 장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.

◇ 아두이노 센서를 이용하여 보호자가 보행기 전복, 충돌 가능성을 인식하지 못하여도 본 제품이 작동되게 하여 사고를 미연에 방지하며, 영ㆍ유아에게 영향이 가장 적게 미치는 속도와 거리를 실험적으로 계산해 급제동의 영향을 최소화할 수 있다.

◇ 장애물 인식 및 충돌 가능성 인지가 어려운 영ㆍ유아가 보행기를 탑승한 상황에서, 보호자의 주의가 없을 경우 발생하는 사고 가능성을 차단함으로써, 외부 충격에 취약한 영ㆍ유아를 보호하는 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 학술지 소아과학(Pediatrics)에 실린 연구에 따르면 1990년부터 2014년 사이 23만 명에 달하는 15개월 미만 유아가 보행기와 관련한 골절, 뇌진탕 등으로 응급실 신세를 졌다는 자료가 존재한다. 보행기는 아직 걷지 못하는 아기들을 위해 고안됐으나, 바퀴가 달린 보행기를 제대로 조정할 능력이 없는 아기들은 뜻하지 않게 차도로 뛰어들거나 계단에서 구르는 사고를 당하기 쉽다.

◇ 클리블랜드의 웨스턴 리저브 대학교 소아 응급학 제리 로즈 교수는 “보행기에 탄 아기들은 평소에 혼자 힘으로는 접근하기 힘든 곳까지 이동하기 쉽다”며 “수영장, 부엌에 갔다가 물에 빠지거나 화상을 입는 경우도 적지 않다”고 말했다.

◇ 강병철(소아청소년과 전문의, 꿈꿀자유 서울의학서적 대표)는 “모든보행기를 이용한 아이의 약 절반 정도가 턱진 곳에서 넘어지거나 보행기에서 떨어지는 사고를 당한다. 보행기 때문에 다치는 아이들 10명 중 1명에서 두개골 골절이 발생한다.”라고 밝혔다.

◇ 기존에는 보행기의 전복사고를 막기위하여 “스토퍼”를 구비하여 사고가 발생했을 때 마찰력을 이용해 제동하고자 했다. 그러나 스토퍼의 경우, 빠른 속도로 보행기가 움직이는 상황에는 스토퍼로 위험 상황을 극복하는 것에 문제가 발생한다. 또한, 바닥 방향의 장애물만을 대비해 벽, 책장 등에 부딪혀 물체가 추락하는 위험이 발생할 때를 극복할 수 없다. 전방 장애물의 인지를 하지 못하는 유아는 벽, TV 등에 충돌할 가능성이 존재한다. 높은 천장에 위치한 물건들이 낙하할 가능성이 존재한다. 낙하사고가 유아에게 발생했을 경우 2차 충돌을 유발해 추가적인 안전 문제가 발생할 수 있다.

◇ 본 과제를 통해 보행기의 전복과 충돌 사전 예방을 목적으로 하는 센서형 자동 제어식 보행기를 제작함으로써 얻는 효과는 다음과 같다. 첫 번째로, 보호자가 주의를 줄 수 없는 상황에서도 보행기 사용이 가능하다. 두 번째로는, 보행기가 제동하는 과정에서 발생하는 흔들림을 최소화해, 유아에게 주는 영향을 최소화할 수 있다. 세 번째로는, 보행기 전복뿐 아니라, 벽과의 충돌과정에서 발생하는 2차 사고를 방지할 수 있다. 네 번째로, 보행기를 사용하는 유아에게 필수적으로 주의를 가지지 않아도 되므로, 보호자의 여유시간을 가질 수 있도록 하여 삶의 질을 향상시킬 수 있다. 다섯 번째로, 자동제어를 통한 안전한 보행기를 이용한 육아로 유아의 주변에 대한 호기심과 스트레스를 해소할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 과제의 궁극적인 목표는 장애물 인지 후 브레이크를 작동시켜 안전한 보행기를 제작하고자 한다. 이에 따라 다음 3가지의 목표를 달성하고자 한다.

1. 보행기 작동 시, 가장 효율적인 위치와 개수를 결정해 빠르고 정확하게 장애물을 인지하도록 한다.
2. 보행기 작동 시, 자동제어를 통하여 보호자와 사용자가 충돌 및 전복 가능성을 인식하지 못하여도 제품이 작동되도록 한다.
3. 보행기 작동 시, 아두이노를 활용한 제동 시 영ㆍ유아에게 미치는 영향을 최소화하고자 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 보행기 작동 시, 가장 효율적인 위치와 개수를 결정해 빠르고 정확하게 장애물을 인지하도록 한다.
◇ 보행기 작동 시, 자동제어를 통하여 보호자와 사용자가 충돌 및 전복 가능성을 인식하지 못하여도 제품이 작동되도록 한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 보호자가 주의를 기울일 수 없는 상황에서도 보행기 사용이 가능하다. 
◇ 보행기가 제동하는 과정에서 발생하는 흔들림을 최소화 해, 유아에게 주는 영향을 최소화할 수 있다.
◇ 보행기를 사용하는 유아에게 필수적으로 주의를 기울이지 않아도 되므로, 보호자의 여유시간을 가질 수 있도록 하여 삶의 질을 향상시킬 수 있다.
◇ 자동 제어를 통한 안전한 보행기를 이용한 육아로 유아의 주변에 대한 호기심과 스트레스를 해소할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ 김지훈 : 부품 탐색 및 구매 / 작동 테스트 및 성능평가
◇ 이재용 : 학과 서류 담당
◇ 최민길 : 조장 / 코드작성 및 회로설계 / 회귀분석
◇ 오진선 : 특허, 논문탐색 / 제품 조립
◇ 임소현 : 캡스톤 서류 담당

설계

설계사양

제품의 요구사항

◇ 센서 작동 및 브레이크 제동이 원활해야 한다
◇ 브레이크 제동 후 PIR 센서가 올바르게 작동한다
◇ 내구성이 좋다
◇ 실험 시 SOP를 맞추고 극한의 상황에도 제동한다
◇ 가격 경쟁력을 가진다

설계 사양

◇제품 요구사항은 크게 기능, 내구성, 가격, 실험 조건으로 나뉜다.

◇아이를 안전하게 보호하는 기능, 센서 감지 후 브레이크 제동 기능 및 알람모듈을 통한 경보기능, 보호자를 감지하면 PIR 센서로 브레이크를 해제하는 기능이 있다.
◇내구성은 고무 패드가 단단히 아크릴 및 솔레노이드 모터에 부착되어있는지, 센서가 점퍼와이어와 결합이 잘 되어있는지 등의 전반적인 제품 내구성을 의미한다.
◇가격은 안전성이 보장되는 한 최소한의 센서를 부착하여 기존 보행기 시장에서도 경쟁력을 갖출 수 있도록 많은 실험을 통해 최적 센서 수와 배치를 알아낸다.
◇실험 조건은 아이가 최대한 안전할 수 있도록 기존 보행기의 속도보다 한층 더 올린 최대 속력을 1.2m/s로 설정하여 최악의 상황에서도 안전성을 입증할 수 있도록 위 조건에서 실험한다.

개념설계안

◇우리는 보행기 사고로부터 아이를 어떻게 지킬 수 있을지 생각했다. 아이들이 보행기를 타고 벽에 부딪히거나 계단이나 턱에 걸려 추락하는 사고를 방지하고자 한다. 이를 방지하기 위해 아두이노와 센서를 활용한다. 센서가 위험을 감지해서 브레이크를 작동시켜 보행기를 멈춘다.

◇첫 번째로, 적외선 센서를 보행기에 부착시킨다. 그리고 적외선을 방출하고 반사되는 적외선을 측정해서 거리를 계산한다. 결과적으로 브레이크를 작동시킨다. 적외선 센서로 벽과의 충돌을 예방할 수 있을 것이다.

◇다음으로 초음파 센서를 보행기 하단에 부착하는 것이다. 이것은 보행기가 문턱에 걸려 전복이 될 경우를 예방한다. 적외선 센서와 마찬가지로 초음파를 쏘고 반사된 초음파를 측정하여 거리를 측정한다. 그 다음에 브레이크를 작동시킨다.

◇일단 브레이크가 작동되면, 부모가 와서 PIR센서에 손을 대기 전까지 브레이크가 풀리지 않게 됨으로써 추가적인 사고를 예방한다. PIR센서는 사람을 인식하는 센서로, PIR센서가 작동되면 적외선 센서와 초음파 센서의 인식을 무력화시킴으로써 브레이크를 풀 수 있다.

◇사운드보드는 부모에게 보행기가 멈췄을 때 경보를 울려 알려주는 역할을 한다. 그럼 부모가 와서 PIR센서에 손을 대서 브레이크를 풀어주고 아이는 안전한 곳으로 이동된다. 그 다음에 아이는 다시 마음대로 움직일 수 있게 된다.

◇브레이크를 작동시키는 전력은 충전식 배터리로부터 공급된다. 하지만 이 배터리의 전압은 마더보드를 손상시키기 때문에, 릴레이 보드를 사용하여 브레이크 작동용 전원과 센서 작동용 전원을 분리시켰다.

◇다음은 우리 제품이 어떠한 방식으로 만들어지는지에 관한 설명이다. 브레이크 작동 방법, 브레이크의 재료, 센서의 개수에 따른 실험을 통해 최적의 조건을 찾았다.

브레이크 작동 방법

첫 번째로, 위쪽 방향에서 브레이크 블록이 바퀴 휠을 누르는 방식을 생각해보았다. 평소에는 브레이크 블록이 위쪽에 붙어있지만, 신호를 받으면 이 블록이 내려와 제동력을 가하여 바퀴를 멈추게 된다. 하지만 바퀴가 360도 돌아가기 때문에, 슬립링을 사용한다 하더라도 실제로 적용시켜 좋은 내구성과 안정성을 가지기는 힘들어 이 아이디어는 보류했다.

두 번째로, 바퀴 내부에 브레이크를 부착하는 방식이다. 브레이크 바퀴 안쪽에 리니어 솔레노이드를 이용하여 신호를 받으면 블록 브레이크가 바퀴에 닿아서 마찰력을 일으키게 된다.

세 번째로, 림 브레이크 방식이다. 림 브레이크는 자전거 브레이크의 일종으로, 바퀴가 돌고 있을 때 바퀴 테두리를 잡음으로써 회전을 멈출 수 있게 한다. 주로 사용되는 자전거용은 유압식 림 브레이크이지만, 우리는 전기 에너지를 기계적 에너지로 전환하여 제어를 할 계획이었다.

하지만 위와 같은 아이디어들은 360도 회전하는 바퀴 때문에 전부 슬립링을 필요로 하기 때문에 경제성 문제와, 안정성 문제가 있었다. 따라서 바퀴에 직접 브레이크를 잡기보다는 바닥에 브레이크를 대서 보행기를 멈추는 아이디어를 떠올렸다.

이렇게 바닥을 잡아 브레이크가 작동되게 하는 것의 장점은 어떠한 재질의 바닥이라도 쉽게 브레이크를 잡을 수 있다는 점과 설치가 쉽다는 점, 다른 부가적인 재료가 적게 든다는 점에서 경제성과 안정성에서 모두 좋은 모습을 보인다는 것이다.

브레이크 재질

브레이크 재질에 따라서도 제동효율이 달라지므로 다양한 브레이크 재료들을 같은 조건으로 실험하였다. 주로 보행기는 실내에서 사용되기 때문에, 실내의 바닥 재질 (주로, 대리석, 장판, 플라스틱장판 등) 과 브레이크 재질의 마찰력에 관한 실험을 진행하고 최적의 효율을 내는 재료를 선택했다.

브레이크 고무의 종류로는 폴리우레탄, 폴리클로로프렌, 니트릴, 스틸렌부타딜렌 고무(SBR) 등을 철물점에서 구입하여 구동횟수에 따른 마모도, 제동까지 걸리는 시간 등의 실험을 했다. 이러한 실험 결과, SBR이 제동성과 안정성, 내구성에서 뛰어난 성능을 보였기 때문에, 브레이크 재질로 SBR을 선택하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 실험 시 실제 아이가 탑승한 환경을 최대한 비슷하게 구현하고자 크게 두 가지 요인을 고려하여 실험하였다.

1. 전주예수병원 소아과 이지영 외 4명이 발표한 <보행기가 유아 운동발달에 주는 영향에 관한 연구> 자료에 의하면 보행기는 1.0m/s 정도의 속도로 움직인다고 한다. 따라서 실험 시 측정 오차를 고려하여 1.0 ~ 1.2m/s 이상으로 보행기가 움직인다고 가정하고 줄자를 바닥에 고정시켜 출발선부터 120cm 떨어진 거리에 매트리스를 설치한 후 보행기를 뒤에서 밀어 보행기가 1초 이내에 매트리스에 도달할 경우의 데이터만 실험에 사용하였다.

2. 보행기를 사용하는 5~6개월 아이의 평균 몸무게는 약 7~8kg 정도이다. 따라서 이를 최대한 비슷하게 구현하고자 보행기의 좌석 부분에 7kg의 아령을 올려 놓고 테이프로 고정하여 실험을 진행하였다.

◇ 위의 그래프는 솔레노이드 모터 브레이크 개수를 다르게 했을 때의 제동력을 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 3개의 솔레노이드 모터를 사용했을 때 제동 거리 및 제동 시간이 가장 낮을 것을 확인할 수 있다. 따라서 자동 제어 보행기의 솔레노이드 모터는 3개로 설정하여 제동력의 효율을 극대화시켰다.

◇ 위의 그래프는 센서의 종류에 따른 제동 감지 거리 및 센서 감지 시간을 나타낸 그래프이다. 초음파 센서와 적외선 센서 둘 다 브레이크가 작동되기까지 걸리는 시간은 비슷하게 측정되었다. 하지만 초음파 센서의 경우 코드 상에서 감지 거리를 설정할 수 있어 가장 최적의 제동력을 가질 수 있다. 따라서 초음파 센서를 자동 제어 보행기의 주 감지 센서로 설정하고 적외선 센서를 초음파 센서가 감지하기 힘든 부분을 감지하는 보조 센서로 설계하였다.

상세설계 내용

제품 설명

◇ 센서 부착형 자동제어 보행기는 보행기 상단부, 보행기 하단 외곽부, 보행기 하단 내곽부, 보행기 하단부로 나뉜다.

◇ 보행기 상단부에는 영유아를 위한 보행기 좌석, 보행기 좌석 전면 거치대가 존재한다. 보행기 하단 외곽부에는 적외선 센서와 초음파센서, PIR센서가 존재한다. 이에 적외선 센서는 장애물을 감지하며 사방의 장애물을 감지 할 수 있도록 13개의 센서를 부착한다.

◇ 초음파센서는 바닥을 감지하며 사방의 장애물을 감지 할 수 있도록 4개의 센서를 각 면의 중앙에 배치한다. 본체 하단 내곽부에는 브레이크 작동 모듈과 알람 모듈, 배터리 홀더가 존재한다. 브레이크 작동 모듈이란 리니어 솔레노이드, 고무, 아두이노 메인보드, 릴레이보드, 브레드보드로 구성되어있다. 전자석의 힘으로 직선운동을 진행하는 모터인 리니어 솔레노이드를 통해 브레이크를 제동하는 장치이다. 알람 모듈은 스피커, 노래 소리가 내장된 칩, 아두이노 메인보드로 구성되어 있다. 보행기 하단부는 바퀴로 구성되어있다.

부품 설명

◇ 보행기의 하단부 외곽에는 1. 초음파센서, 2. PIR센서, 3. 적외선 센서를 포함한다.

1. 초음파센서는 센서 전방의 장애물을 감지하여 특정 조건에 만족할 경우 브레이크를 작동시킨다.

2. PIR센서는 움직이는 사람이 감지가 될 경우 기존에 작동되고 있던 초음파 센서와 적외선센서의 감지를 취소시켜 브레이크를 해제한다.

3. 적외선 센서는 전방의 벽이나 장애물을 감지해서 장애물이 인식될 경우 브레이크를 작동시킨다.

◇ 또한, 보행기의 하단부 내곽에는 4. 브레이크 모듈, 5. 피에조 부저, 6. 배터리 홀더를 포함한다.

4. 브레이크 모듈은 솔레노이드, SBR 고무, 아두이노 메인보드, 릴레이 보드, 브레드 보드를 포함한다. 센서로 입력받은 값은 아두이노 메인보드에서 연산하여 모터 드라이버에 연결된 리니어 솔레노이드에 신호를 가해서 리니어 솔레노이드가 작동되고 부착돼있는 고무가 바닥에 닿으면서 마찰에 의해 보행기가 정지한다.

5. 피에조 부저는 브레이크가 작동될 경우 소리가 내장된 칩에서 소리가 스피커를 통해 보호자에게 전달된다.

회로 설계

◇ 첫 번째로, 적외선 센서를 보행기 앞쪽에 부착시킨다. 그리고 적외선을 방출하고 반사되는 적외선을 측정해서 거리를 계산한다. 결과적으로 브레이크를 작동시킨다. ◇ 다음으로 초음파 센서를 보행기 하단에 부착하는 것이다. 이것은 보행기가 추락하거나 난간에서 떨어지는 사고를 예방한다. 적외선 센서와 마찬가지로 초음파를 쏘고 반사된 초음파를 측정하여 거리를 측정한다. ◇ 그 다음에 브레이크를 작동시킨다. 피에조 부저는 부모에게 보행기가 멈췄을 때 경보를 울려 알려주는 역할을 한다. 그럼 부모가 와서 PIR 센서를 통해 브레이크를 풀어주고 아이는 안전한 곳으로 이동된다. 그 다음에 아이는 다시 마음대로 움직일 수 있게 된다.

알고리즘 설계

◇ 초음파 센서가 바닥과의 거리를 감지했을 때, 브레이크를 작동시키고 알람이 작동된다. 이에 따라 소리를 듣고 보호자가 접근했을 때 PIR 센서가 감지된다. 보호자가 접근하여 PIR 센서가 아두이노 모듈에서 브레이크 해제가 되고 알람이 종료되어, 보호자가 보행기를 안전한 곳을 옮길 수 있다. 그 외에 적외선 센서가 바닥과의 거리를 감지하여 센서가 감지된다면 똑같이 브레이크와 알람이 작동된다. 그후, PIR 센서가 감지되면 앞선 상황과 똑같이 브레이크가 해제되고 알람이 종료된다. 이는 센서가 부착된 보행기의 알고리즘 회로이다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

◇먼저 브레이크 작동방법에 따른 제동력은 최종 설계 결과 바닥을 잡는 브레이크 형식으로 결정하였다. 위에서 누르는방식, 바퀴 안에서 옆으로 잡는 방식, 림 브레이크 모두 보행기에 적절하지 않았고, 바닥에 직접 고무를 닿게 했을 때 제동력이 우수했기 때문이다. 완전히 제동하는 데 걸리는 시간은 적외선과 초음파 센서 모두 1초 이내로 매우 우수한 성능을 보였으므로 20점을 부여하였다.

◇두 번째로, 브레이크 재질은 SBR을 선택하였다. 폴리우레탄, 폴리클로로프렌, 니트릴, 스틸렌 부타딜렌 고무 등을 구동횟수에 따른 마모도, 제동까지 걸리는 시간, 등을 종합적으로 고려한 결과 SBR이 가장우수한 성능을 보였기에 채택하였다. SBR은 또한 시중에서 쉽게 볼 수 있기 때문에 적절하다고 판단하였다. 완전히 제동하는데 걸리는 시간은 1과 마찬가지로 1초 이내였기 때문에 20점을 부여하였다.

◇세 번째로, 센서 개수는 초음파 4개, 적외선 9개를 선택하였다. 초음파로 전방의 물체를 감지하고 예비로 적외선이 미처 잡지못한 위험물을 감지하는 역할을 한다. 이 때 예상했었던 최소 개수보다 늘어났기에 이 항목은 7점을 부여하였다.

◇네 번째로, 센서배열은 최적의 경우가 초음파가 120도의 각도를 잡으므로 각변의 중점에 위치하고, 적외선은 각 꼭짓점에 배치하는 것이 최적의 배치도라는 것을 알 수 있었다. 따라서 이 항목은 10점을 부여하였다.

◇다섯 번째로, 경보작동률은 센서 감지 성공률에 비례했는데 실험결과 약 97%의 성공률을 보였다. 따라서 기존 평가기준 80%를 넘겼기에 20점을 부여하였다.

◇여섯 번째로, 시장 경쟁력은 우리 보행기는 약 52280원 정도의 가격만 추가한다면 보행기 시장에서 블루오션의 이익이 있기 때문에 경쟁력이 있을 것이라고 판단된다. 하지만 보행기 시장 전체의 감소 등의 불확실성이 존재하기 때문에 5점을 부여하였다.

◇일곱 번째로, 내구성 및 유지성은 점퍼와이어를 아무리 단단하게 결합해도 아두이노 점퍼와이어 자체의 결함이 존재할 확률이 있기 때문에 프로토타입에서의 내구성은 약간 떨어졌다. 하지만 이 문제는 대량양산 시 문제될 것이 없다. 작동 전력 및 교체 주기는 12V 충전식 배터리를 사용하므로 제품을 유지하는데 전기가 필요할 것으로 예상된다. 따라서 이 항목은 5점을 부여하였다.

◇ 최종 우리 제품의 점수는 100점 만점에 20+20+7+10+20+5+5=87점이라고 평가하였다.

향후계획

◇ 현재 보행기 시장은 꾸준히 큰 규모를 유지하고 있다. 특히 맞벌이 부모의 비율이 커지면서, 밀린 집안일을 할 때 아이가 보행기를 타고 있어야 안심하는 부모들이 있기 때문에 보행기 시장의 규모는 줄어들지 않을 것이라고 생각한다. 하지만 그와 함께 대두되고 있는 보행기의 안전사고 문제도 큰 이슈이다. 매년 보행기사고가 꾸준히 발생하고 있으며, 이와 함께 보행기를 사용하지 말아야 한다는 의견도 제시되고 있다. 이번 프로젝트를 통해, 우리는 이러한 안전사고를 미리 예방할 수 있는 보행기를 만들어냈다. 특히 장애물 인식 및 충돌 가능성 인지가 어려운 영ㆍ유아가 보행기를 탑승한 상황에서, 보호자의 주의가 없을 경우 발생하는 사고 가능성을 차단함으로써, 외부 충격에 취약한 영ㆍ유아를 보호하는 효과를 기대할 수 있다.

◇ 부모들은 아이들을 위해 돈을 아끼지 않는 경향이 있다. 기존의 보행기 가격에 대략 5만원만 추가한다면 안전함이 보장되는 보행기를 구매할 수 있다면, 부모들은 아이의 안전을 위해 아낌없이 투자할 것이기 때문에 경제적인 면에서도 만족스러운 결과를 만들어냈다고 자부한다. 아직 미흡한 점도 있지만 이러한 부분들은 향후 개선을 통해 해결할 수 있을 것이다.

특허 출원 내용

센서부착형 자동제어 보행기는, 보행기 본체의 상단부의 좌석 전면 거치대; 본체의 하단 외곽부에 대응하는 적외선 센서, 초음파 센서; 본체의 하단 내곽부에 대응하는 브레이크 작동 모듈, 브레이크 해제 모듈, 알람모듈, 배터리 홀더, PIR 센서; 본체의 하단부에 대응하는 바퀴; 상기 본체 상단부, 하단 외곽부, 하단 내곽부, 하단부 사이에 위치하는 구동 회로; 및 상기 구동 회로에 의해 구동되고, 상기 본체 하단 외곽부 및 하단 내곽부에 대응하여 센서로부터 브레이크 작동모듈을 포함하고, 상기 구동 회로는, 상기 보행기 본체로부터 9V건전지 전력을 수신하여 상기 보행기 본체의 브레이크를 구동할 수 있다. 기존은 보행기의 전복사고를 막기 위하여 “스토퍼”를 구비하여 사고가 발생했을 때 마찰력을 이용해 제동하고자 했다. 그러나 스토퍼의 경우, 빠른 속도로 보행기가 움직이는 상황에는 스토퍼로 위험 상황을 극복하는 것에 문제가 발생한다. 또한, 바닥 방향의 장애물만을 대비해 벽, 책장 등에 부딪혀 물체가 추락하는 위험이 발생할 때를 극복할 수 없다. 전방 장애물의 인지를 하지 못하는 유아는 벽, TV 등에 충돌할 가능성이 존재한다. 높은 천장에 위치한 물건들이 낙하할 가능성이 존재한다. 낙하사고가 유아에게 발생했을 경우 2차 충돌을 유발해 추가적인 안전 문제가 발생할 수 있다.

위에 언급한 문제점을 개선하기 위해 본 발명은 초음파 센서와 적외선 센서가 기준이 되는 일정 속도와 장애물과의 일정 거리를 초과함을 인식하면, 아두이노 프로그램을 가동시켜 브레이크를 작동하게 한다. 아두이노 센서를 이용하여 보호자가 보행기 전복, 충돌 가능성을 인식하지 못하여도 본 제품이 작동되게 하여 사고를 미연에 방지하며, 영ㆍ유아에게 영향이 가장 적게 미치는 속도와 거리를 실험적으로 계산해 급제동의 영향을 최소화할 수 있다. 해당 개발 과제의 장치는 보행기의 하부에 부착된 적외선 센서와 초음파 센서, 기준 속도와 거리를 감지하는 아두이노 장치, 아두이노 키트의 명령을 받아 제어를 시행하는 브레이크 장치, 브레이크 작동 후 보호자에게 위험을 알리는 알림 장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.

첫 번째로, 적외선 센서를 보행기 앞쪽에 부착시킨다. 그리고 적외선을 방출하고 반사되는 적외선을 측정해서 거리를 계산한다. 결과적으로 브레이크를 작동시킨다. 다음으로 초음파 센서를 보행기 하단에 부착하는 것이다. 이것은 보행기가 추락하거나 난간에서 떨어지는 사고를 예방한다. 적외선 센서와 마찬가지로 초음파를 쏘고 반사된 초음파를 측정하여 거리를 측정한다. 그 다음에 브레이크를 작동시킨다. 사운드보드는 부모에게 보행기가 멈췄을 때 경보를 울려 알려주는 역할을 한다. 그럼 부모가 와서 브레이크를 풀어주고 아이는 안전한 곳으로 이동된다. 그 다음에 아이는 다시 마음대로 움직일 수 있게 된다.

【청구항 1】 센서부착형 자동제어 보행기에 있어서, 보행기 본체 상기 보행기 본체에 연결된 위험 감지 센서, 상기 위험 감지 센서의 신호에 대응하여 보행기를 자동 제동하기 위한 브레이크 모듈, 상기 위험 감지 센서의 신호에 대응하여 위험 경고 신호를 생성하는 알람 모듈, 상기 보행기 본체에 부착되고 상기 위험 감지 센서, 브레이크 모듈 및 알람 모듈에 연결된 구동 회로를 포함하는, 자동제어 보행기.

【청구항 2】 제 1항에 있어서, 상기 위험 감지 센서는 본체 하단 외곽부에 부착된 적외선 센서를 포함하고, 상기 적외선 센서는, 본체 하단에 45도씩 센서가 배치되어, 상기 보행기가 구동 중 벽 및 장애물을 만났을 때, 알고리즘의 입력값이 되어 브레이크가 작동하도록 하는 자동제어 보행기.

【청구항 3】 제 1항에 있어서, 상기 위험 감지 센서는 본체 하단에 부착된 초음파 센서를 포함하고, 상기 초음파 센서는, 본체 하단에 45도씩 센서가 배치되어, 바닥의 단차를 만났을 때, 알고리즘의 입력 값이 되어 브레이크가 작동하도록 하는 자동제어 보행기.

【청구항 4】 제 1항에 있어서, 상기 브레이크 모듈은 보행기 본체 하단 내곽부에 부착되고, 리니어 솔레노이드, 고무, 아두이노 메인보드, 모터 드라이버, 브레드 보드, PIR센서 중 하나 이상을 포함하는 자동제어 보행기.

【청구항 5】 제 4항에 있어서, 상기 리니어 솔레노이드는, 9V의 전력으로 전류가 흐르면 전자석의 힘으로 직선 운동을 하는 모터가 부착된 자동제어 보행기.

【청구항 6】 제 4항에 있어서, 상기 고무는, 리니어 솔레노이드의 힘으로 마찰력을 가할 수 있는 브레이크 블록이 되는 폴리우레탄, 폴리클로로프렌, 니트릴, 스틸렌 부타딜렌 중 적어도 어느 하나의 조합의 재질로 이루어지는 자동제어 보행기.

【청구항 7】 제 4항에 있어서, 상기 PIR센서는, 보행기가 위험상황을 감지 후 제동 상태에 있을 경우, 보호자가 멈춰 있는 보행기에 가까이 올 때 적외선 센서, 초음파 센서가 감지되어, 보행기 이동이 제한될 경우를 막기 위한 역할을 하며, PIR센서로 보호자를 감지 시 적외선 센서, 초음파 센서의 감지를 해제하는 알고리즘을 탑재한 자동제어 보행기.

【청구항 8】 제 1항에 있어서, 보행기 본체 하단 내곽부에서 알람모듈은, 스피커, 노래소리가 내장된 칩, 아두이노 메인보드로 구성된 자동제어 보행기.

【청구항 9】 제 10항에 있어서, 상기 스피커는, 상기 보행기 본체가 위험상황을 감지하고 브레이크를 작동할 때 알람소리가 동시에 나올 수 있도록 알고리즘의 출력 부분에 해당하는 스피커가 부착된 자동제어 보행기.

【청구항 10】 제 10항에 있어서, 상기 노래소리가 내장된 칩은, 상기 보행기 스피커에 연결된 칩으로서, 보호자에게 알려주는 노래소리가 내장 되어있는 모듈 및 칩으로 구성되는, 자동제어 보행기.

【청구항 11】 제 10항에 있어서, 상기 아두이노 메인보드는, 위험이 감지되어 알고리즘의 입력에서 특정 기능이 발휘될 수 있도록 각 부품의 작동 여부를 제어하는 부분이 장착된 자동제어 보행기.

【청구항 12】 상기 보행기 하단 외곽부의 초음파센서 및 적외선 센서가 바닥을 감지했을 때, 센서는 입력신호를 받아와 출력신호를 보내면, 브레이크가 작동하고 알림이 작동하여 위험으로부터 아이를 보호할 수 있는 안전한 자동제어 보행기의 구동방법.

【청구항 13】 제 14항에 있어서, 브레이크가 작동된 후, 보호자가 아이와 보행기를 안전지대로 이동시킬 수 있도록, PIR센서가 감지되어 브레이크가 해제되고, 알림이 종료되는 자동제어 보행기의 구동방법.