4조-동글안경해적단

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 신소재종합설계

영문 :

과제 팀명

동글안경해적단

지도교수

정재필 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 이*태 (팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 변*환

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 신*철

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 안*원

서울시립대학교 신소재공학과 201545000** 유*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

제품 소개
- 얼굴 추적을 이용하여 손을 쓰지 않아도 거치대의 위치를 조정할 수 있는 거치대.
- 제품의 디자인은 기존 제품을 이용하고, 이에 추가적으로 캠 및 모터, 전원 공급 장치를 단다.

제품의 차별성
- 기존의 스마트폰 거치대와는 달리 손을 쓰지 않아도 각도를 조정할 수 있어서 장애인들이 이용하기에 편리하다.
- 일반인들도 손이 필요하지 않아 편리하게 스마트폰으로 영상을 시청할 수 있다.

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기존 거치대	얼굴 추적 거치대

개발 과제의 배경

장애인 보조기구 산업의 개발 의미 및 필요성

1. 최근 장애인 정책이나 서비스의 핵심적인 신념으로 자리잡아가고 있는 자립생활과의 부합성이다. 자립생활의 이념은 장애에도 불구하고 사회적으로 적절한 지원을 받아서 일상적인 삶에서 자기 결정을 실현하는 것을 목표로 한다. 이런 점에서 보조기구라는 필요한 사회적 지원을 통해서 장애인이 자립적인 생활을 할 수 있게 한다는 측면에서 중요한 의미를 가진다.

2. 과학기술의 발달과 함께 보조기구의 적용 범위가 크게 확대되고있어, 장애인의 광범위한 생활 영역에 적용가능성이 높아지고 있다. 초기의 보조기구는 전통적인 휠체어, 지팡이 등에 제한되었으나 최근에는 주거생활, 여가생활, 교육훈련 등의 일상의 전체 영역으로 그 적용범위가 확장되고 있어 보조기구의 사용을 통한 효용성은 계속 증가하고 있다.

3. 보조기구는 장애인에게 제공되는 서비스라는 측면에서 뿐만 아니라 한 국가의 새로운 산업분야로 주목받고 있다. 보조기구는 인구 고령화 등으로 해마다 그 수요가 증가하고 있으며, 수요의 증가는 정부가 지원하는 사회보장 차원에서 뿐만 아니라 일반 구매력의 측면에서도 나타나고 있다. 이런 점에서 보면 보조기구 산업은 한편에서는 장애인 사회보장정책의 핵심적인 축으로 설정될 것이며, 다른 한편으로는 저성장과 만성실업 상황에 있는 국가들의 전략 산업으로 자리잡게 될 것이다.

라즈베리파이를 이용한 코딩 설계

라즈베리파이는 프로그래머에게 나만의 컴퓨터를 만들 수 있는 좋은 재료가 된다. 사용자가 원하는 대로 기능을 확장하거나 용도를 변경할 수 있기 때문이다. 모니터와 마우스를 연결하고 그 안에 운영체제를 설치하면 라즈베리파이는 일반 PC가 되고, 그 안에서 문서를 작성하거나 웹브라우저를 실행할 수 있다. 카메라 모듈을 연결하면 디지털 카메라가 된다. 각종 센서 모듈을 연결하면 사물인터넷 제품을 만들 수 있고, 게임기 버튼과 디스플레이를 결합하면 휴대용 게임기도 만들 수 있다. 우리가 만들 거치대의 카메라 모듈의 부착 용이성과 파이썬을 이용한 설계를 위해 라즈베리파이를 활용한다.

개발 과제의 목표 및 내용

거치기능
- 기존 거치대와 비교하였을 때 같은 정도의 무게를 견딜 수 있도록 설계한다.
- 거치대를 작동시켰을 때 변위와 속도에 따른 추가적인 힘을 견딜 수 있도록 한다.

인식기능
- 지정한 사람의 얼굴을 인식하여 거치대가 정확한 각도로 조정되도록 한다.

범용성
- 모든 사람(일반인, 장애인)이 쉽게 이용할 수 있도록 시스템의 작동이 편리하게 한다.

디자인
- 기존 거치대와 비교하여 공간을 차지하는 정도가 비슷하도록 한다.
- 대부분의 상황에 적용될 수 있도록 범용적 디자인을 설계한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

사전 설문조사를 통해 알아본 스마트폰 거치대 사용자들의 가장 큰 불편이었던 번거로운 조작 문제를 해결하여 사용자들의 편의를 극대화 시킬 수 있음.

일반 스마트폰 거치대의 경우 몸체의 잦은 구부림으로 몸체의 내구성이 손상되어 스마트폰 거치능력을 잃을 수 있지만, 얼굴추적 거치대의 경우 구부릴 필요가 없기에 오래 사용가능함.

절단 장애인들과 같이 전자기기의 사용이 어려운 사람들의 전자기기 사용을 도울 수 있음.

제품에 얼굴추적을 결합하는 방식을 다른 일상생활에서 사용하는 제품들에도 응용시킬 수 있음.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

몸이 불편한 장애인들의 경우에도 손으로 조작할 필요가 없기에 스마트폰의 사용에 있어서 편의를 제공할 수 있음. 얼굴 표정인식을 통한 기기 조작 기술과 더불어 사용할 경우 몸이 불편한 사람들도 일반사람들처럼 스마트폰을 이용하는데 무리가 없을 것임.

현재는 IOT의 활성화 초입단계임. 개발 작품에서 더 나아가 라즈베리파이 캠 대신 스마트폰 내장된 카메라를 이용하여 인식할 수 있는 어플을 제작한다면 실생활에서 간단하면서도 편의를 제공하는 IOT의 한 종류라 할 수 있음. 이러한 방식이 적용된다면 제작비도 상당히 줄어들 것이며, 일반 거치대의 경우처럼 내구성이 손상되어 새 제품을 구입할 염려가 적은 것을 감안하고 얼굴추적을 통해 스마트폰을 통한 영상시청시의 편의가 극대화 될 수 있다는 점을 고려하면 경제적이라 할 수 있음.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

이*태 : 조장 및 코딩 담당

유*우 : 재료선정 및 물품구매

안*원 : 코딩 담당

변*환 : 학과 서류 담당 및 외관 도면 제작

신*철 : 캡스톤 서류 담당 및 외관 디자인 설계

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

침대의 머리맡에 거치대를 고정시킬 수 있는 장치를 마련하고, 침대와 가장 가까운 관절이 180° 회전할 수 있도록 한다. 이는 라즈베리파이와 파이썬을 이용하며, 인터넷에서 쉽게 얻을 수 있는 얼굴 추적 오픈코드 ‘Open CV'로 제어한다. 적절한 알고리즘으로 라즈베리파이 캠이 사용자의 얼굴 위치 를 추적하여 거치대 프레임에 연결된 모터가 회전하도록 한다. 모터의 회전으로 인하여 거치대의 축 전체가 한꺼번에 회전하는 원리이다. 침대로부터 두 번째의 관절은 별도의 모터가 필요하지 않으며, 사용자의 필요에 따라 스마트폰의 거리를 조절할 수 있다.

거치대의 관절이 많아지면 많아질수록 거치대의 움직임이 부드럽고 가동 범위가 증가할 것이다. 그러나 관절의 개수가 증가함에 따라 움직임을 프로그램화하는 데에 어려움이 따르고 모터 등의 비용이 더 많이 들어가기 때문에 경제성이 떨어진다. 관절이 적을 때와 많을 때 각각의 장단점을 비교하여 분석한 결과 관절을 하나만 사용하는 것이 더 효율적이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

모터의 토크

반지름 r인 원형단면을 가지는 회전체가 중심축으로 받쳐져 있는 경우 원주의 접선방향으로 힘 F가 작용하고 있다면 회전체는 Fr의 모멘트로 회전운동을 한다. 이때 회전축의 모멘트가 토크이다. 더 넓게는 환봉의 중심선 방향에 대한 외력 모멘트를 총칭해서 토크라고 한다.

다른 말로, 토크는 회전력이라고 하는 것인데, 예를 들면 렌치로 볼트를 조일 때 회전중심에서 일정 거리가 떨어진 렌치의 한 곳을 힘주어 눌러야 볼트가 조여질 것이다. 이렇게 가해지는 힘이 토크다. 토크가 좋다는 것은 바퀴의 회전력이 좋다는 것에 상응한다.

토크는 kgf*m의 단위로, 중심에서 수평으로 1m점의 1kg의 무게를 돌릴 수 있는 힘으로 정의된다. 정리하면 토크는 원주의 접선방향의 힘 * 물체와 중심축간의 거리이므로 우리가 거치대에 사용 할 Robotis사의 AX-12A의 경우, 이에 대해 생각해보면 정격토크가 1.5N*m 이므로

T = 1.5Nm = 0.153kgfm

스마트폰 거치대 프레임의 길이를 30cm라고 가정하면 0.153kgfm = 0.51kgf/30cm 정도로, 이는 500g 무게를 회전하는 데에 충분한 힘이다. 보통 스마트폰의 무게는 100~200g 정도이므로 스마트폰 홀더의 무게를 모두 포함한다고 해도 모터가 회전시키기에는 충분하다고 판단된다.

모터의 출력은 토크×엔진회전수로 나타낸다. 높은 엔진회전수에서도 폭발력이 잘 유지되면 출력도 커진다. 출력=토크×엔진회전수 라는 공식에서 몇가지 사실들을 알 수 있다. 먼저 출력을 높이려면 엔진의 회전력 토크자체를 키우거나 높은 회전수에서도 토크가 떨어지지 않게하면 된다는 것이다.

토크는 힘 마력은 일을 한 양이다. 토크는 엔진의 회전력을 말하고 마력은 엔진의 출력을 표시하는 단위이다. 토크가 엔진의 힘을 표시한다면 마력은 엔진이 얼마나 많은 일을 할 수 있는가를 나타내는 것이다. 결론적으로 토크는 일꾼이 가지고 있는 힘이고 마력은 그가 하는 일의 양이다. 엔진이 돌아가는 회전수는 모터가 동작하는 속도로 보면 된다. 토크가 큰 엔진은 큰 힘을 낼 수 있는 것으로, 그 둘을 별개로 생각해야된다. 토크와 RPM이 비례하지 않기 때문이다.

이 점에서 모터의 구동 RPM도 중요 요소로 작용한다. AX-12A의 경우 부하 RPM은 59RPM 정도로 사용자 얼굴의 회전 속도와 상응하는 회전속도라고 판단된다. 따라서 거치대가 얼굴추적을 하는데에 문제가 없을 것이라 판단했다.

상세설계 내용

조립도

조립도

조립 순서

- 모터부

Floor(2)와 바닥-모터 연결부(30) 모터 케이스(모터 몸체부(5), 모터 동작부(6), 모터(7))를 연결해서 모 터-거치대 본체 연결부(9)와 결합한다.

- 라즈베리파이부

라즈베리파이(13)를 넣고 라즈베리파이 덮개(12)로 덮은 뒤에 F-M Connector(14)와 연결한다.

- 스마트폰 홀더부

F-H Connector의 동그랗게 튀어나온 부분에 스마트폰 홀더(22)를 연결하고 원기둥 막대 모양의 끝부 분에 라즈베리캠(25)을 위치시킨다.

최종적으로 모터부 - 라즈베리파이부 - 연마봉 - 스마트폰 홀더부 순서로 연결한다.

부품도

Floor

모터 밑 부분과 연결하여 거치대의 바닥 역할을 한다. 평평한 바닥을 만들어 스탠드형으로 세울 수 있게 만들어 준다.

F-M Connector

나무봉으로 제작한 프레임과 모터와 연결된 회전축을 이어주는 역할이다. 연결 부위를 나무봉 둘레와 맞춰서 제작해야 한다. 모터의 힘을 스마트폰 홀더까지 전달해 주는 아주 중요한 부품이다.

F-H Connector

나무봉으로 제작한 프레임과 스마트폰 홀더를 연결해 주는 역할을 한다. 동그란 부분의 존재로 스마트폰 홀더가 회전하여 고정시킬 수 있도록 제작하여 스마트폰의 가로/세로 방향을 조절할 수 있다.

회로 설계

- 외부에서 전력을 전원 공급 장치에 보내주면 전원 공급 장치가 라즈베리파이, 스위치, 모터 동작부의 구동에 필요한 전력을 각각 공급한다.

- 카메라는 라즈베리파이와 전기적으로 연결되어 있고, 라즈베리파이에 의해 전력을 공급 받는다. 라즈베리파이는 카메라의 신호를 수신 받아 모터 동작부를 작동하게 하는 신호를 전달한다.

- 모터 동작부를 일정 시간마다 작동시켜 모터 - 거치대 본체 연결부를 회전시킨다. 이에 따라 카메라는 사용자의 얼굴에 대한 정보를 지속적으로 수신하고 이를 라즈베리파이에 송신하는 과정을 반복한다.

소프트웨어 설계

- 작동을 시작하면 사용자 얼굴 감지 모드(S1)가 활성화된다. 사용자 얼굴 감지 모드는 모터를 일정 시간마다 작동시켜 모터-거치대 본체 연결부를 회전시켜 카메라와 라즈베리파이가 서로 사용자 얼굴에 대한 정보를 송수신하게 한다.

- 사용자의 얼굴이 확인(S2)되면 사용자 얼굴 추적 모드(S3)로 작동 방식을 전환한다.

- 사용자 얼굴 추적 모드(S3)는 사용자의 얼굴이 카메라의 중앙에 오도록 모터 동작부를 회전시킨다. 사용자의 얼굴이 중앙에 올 경우 모터 동작부를 고정시킨다.

- 사용자의 얼굴이 인식이 되지 않을 경우에는 초기 작동 방식인 사영자 얼굴 감지 모드(S1)으로 전환되고, 이 알고리즘을 반복한다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

본 조의 얼굴추적 스마트폰 거치대는 사람의 얼굴과 회전방향을 정확히 인식하고 추적하는 것이 핵심기능이다. 이 면에서 우수한 성능을 보여주었으며, 안정적으로 스마트폰의 하중을 견디는 것을 확인하였다. 가동범위 역시 사용자의 편리함을 충족시켰으며 기존 스마트폰 거치대를 훌륭하게 대체 할 수 있는 것으로 판단된다.

본 조는 모터의 조작을 라즈베리파이 컴퓨터를 활용, 제작하였다. 모터의 동작을 명령하기에 라즈베리파이는 과분한 컴퓨터 시스템이나, 설계 측면에서 Python 코딩의 용이함을 위해 활용하였다. 보다 간단한 임베디드 시스템으로 설계가 이뤄진다면 설계 비용과 부피를 극적으로 줄일 수 있을 것이다.

전력선에 대한 문제는 보통 거치대는 한 곳에 고정적으로 위치해 두고 사용하기 때문에 우선순위를 뒤로 두었다. 그러나 전력선 역시 C-type 또는 USB포트로 충전할 수 있는 배터리를 달 수 있는 기능을 추가하여, 편리성을 극대화 시킬 수 있을 것이다.

본 조가 얼굴인식에 사용하는 openCV 코드는 라즈베리파이사에서 제공하는 질이 그다지 높지 않은 오픈 소스 프로그램이다. 그로 인하여 생기는 문제를 디자인 설계와 프로그래밍으로 극복하였으나, 기업체에서 제공하는 수준 높은 얼굴 인식 프로그램을 연계 시킬 수 있다면 더욱 정밀하고 정확하게 얼굴인식이 가능해질 것으로 보인다.

얼굴인식을 활용한 기술은 활용 가능성은 무궁무진하다. 어느 부문의 사업체든지 인간의 목소리, 얼굴을 인식하여 이를 활용하는 시스템은 다방면으로 활용중에 있으며, 이를 생활과 밀접한 스마트폰 거치대에 성공적으로 활용한 것은 큰 의미가 있다. 본 발명이 일반 사람들 뿐만 아니라 장애인을 위한 기술에, 나아가 더 사회 전체의 삶의 질 상승에 기여할 수 있는 작은 발걸음이 되리라 생각된다.

부록

참고문헌

“python Opencv 웹캠 얼굴인식” 2020년 05월 10일 접속, https://circlestate.tistory.com/5

“opencv로 얼굴 인식하기” 2020년 05월 10일 접속, https://hoony-gunputer.tistory.com/entry/machineLearning-opencv%EB%A1%9C-%EC%96%BC%EA%B5%B4-%EC%9D%B8%EC%8B%9D%ED%95%98%EA%B8%B0

임근식(2019).라즈베리파이로 시작하는 핸드메이드 IoT.비제이퍼블릭(BJ퍼블릭)

박응용(2019).Do it! 점프 투 파이썬.이지스퍼블리싱

“인공지능으로 얼굴 인식을 해보자-python” 2020년 05월 11일 접속 https://www.youtube.com/watch?v=3LNHxezPi1I

Strength	Weakness
사용자가 누운 상태에서 별 다른 힘을 가하지 않고 스마트폰의 위치를 조절할 수 있다. 스마트폰 영상시청의 시간이 증가하고 있기 때문에 스마트폰을 자주 사용하는 사람들에게 유익한 제품이다. 일반인뿐만이 아닌 거동이 불편한 노약자, 장애인들이 힘을 가하지 않고도 거치대를 조절할 수 있다.	전기장치의 도입으로 가격이 증가한다. 전력을 필요로 하여 부가적인 지출을 필요로 한다. 전자제품이기 때문에 오작동의 가능성이 존재한다.
Opportunities	Threats
스마트폰의 보급화로 인해 대부분의 사람들이 스마트폰을 사용하고 있다. 이 스마트폰 이용자층은 특정 계층에 대한 차별이 없다. 즉 노약자와 장애인들도 사용하고 있다. 장애인 처우 및 인식개선의 과정에서 본 스마트폰 거치대는 장애인의 처우를 개선하는 제품이 될 수 있다.	이미 침대용 스마트폰 거치대를 많이 사용하고 있다. 부가적인 제품이기 때문에 사용자들의 선호도는 미지수이다. 최근 코로나19 사태로 평균소득이 감소한 상황에서 고가의 거치대를 살지 의문이다.
SO 전략	ST 전략
모든 사람이 같은 제품을 차별없이 누릴 수 있는 것을 강조한다. 본 제품을 이용한다고 하더라도 몸이 불편해서 사용한다던지 혹은 몸이 건강하기 때문에 사용한다던지에 대한 차별을 없애는 측면을 강조한다. 대부분의 사람들이 스마트폰과 스마트폰 거치대를 사용하고 있기 때문에 새로운 형태의 스마트폰 거치대가 등장하는 것에 대해 강조한다.	기존의 스마트폰 거치대와 다른 점을 강조한다. 가격이 증가한 만큼 이상의 성능을 가지고 있는 것을 강조한다. 대부분의 사람들이 같은 형태의 스마트폰 거치대를 사용하지만, 본 제품을 이용하는 데에 차별성과 희귀성을 강조한다.
WO 전략	WT 전략
몸이 불편한 사람들도 스마트폰 거치대를 쉽게 이용할 수 있도록 하는 측면을 강조한다.	새로운 제품인 것을 강조한다. 코로나19 사태로 사회적 거리두기 상황속에서, 사람들이 집에 있는 시간이 증가했는데, 집에서 쉽게 사용할 수 있는 거치대의 장점을 부각한다.