LastDance

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 막힘 감지 및 해소 기능을 갖춘 스마트 변기 뚜껑

영문 : Smart Toilet Lid with Clog Detection and Unclogging Function

과제 팀명

LastDance

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 물리학과 20175500** 최*정(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 노*욱

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 배*윤

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 차*욱

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 공중화장실에서 누구나 겪을 수 있는 문제점을 해결하는데 목표를 두었다. 기존의 스마트 변기의 역할에 더불어 변기 막힘 감지와 막힘 해소의 기능을 갖추고 있으며 변기의 구조 자체를 바꾸지 않고도 변기에 즉각적으로 적용할 수 있도록 개발한다. 본 개발의 변기 뚜껑은 사용자 감지, 자동 물내림, 자동 개폐, 막힘 감지, 막힘 해소, 블루투스를 활용한 정보 전달을 포함한다.

개발 과제의 배경

기존 선행기술 ‘자동 물내림 기능과 막힘 알림 기능이 있는 스마트 변기’에서는 용변 유무를 확인하여 자동으로 물을 내린 뒤 수위 센서를 통해 물이 넘칠 시 이를 감지하여 담당자에게 알림이 가도록 한다. 하지만 이러한 선행기술은 다음과 같은 한계가 존재한다. 첫 번째, 변기 구조 자체를 바꿔야 하므로 기존 변기에 적용이 불가능하다는 문제가 있다. 두 번째, 센서가 변기 내에 존재하여 고장 시 교체 및 수리가 어렵다는 문제가 존재한다. 세 번째, 물이 넘치는 상황 시 이를 감지할 뿐 해결 및 방지할 대응책이 없으며, 수위 센서와 물이 직접 접촉하기에 고장의 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 변기 커버 내에 막힘 해소 기능을 갖추고 있으며 변기 커버만을 교체하여도 기존의 스마트 변기의 역할이 가능한 제품을 만들고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 개발과제는 공중화장실에서 변기 사용 시 겪을 수 있는 문제점(이전 사용자가 물을 내리지 않거나 변기가 막히는 등의 문제)에 집중 및 해결하는데 목표를 두었다. 또한 문제를 해결하는 방법에 있어 변기 자체의 설계가 아닌, 기존 변기에 즉각 적용할 수 있도록 변기 커버를 설계하는 데 의의가 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1) 자동 물내림 변기

인체 감지 센서(압력 감지 센서)가 내장되어 있고, 이를 통해 자동 시트 개폐 기능 및 자동 물내림 기능이 가능하게 한다. 또한 제트 분사용 배관을 추가로 설치하여 고속으로 세정수를 분사하는 제트 분사가 행해져 상기 변기 내부에 남아있는 오물을 배수관을 통해 배출시키는 기능 및 강한 분사압을 통해 막힘을 방지하고자 하는 기능을 가진다. 
이러한 기능은 남아있는 잔여 오물의 세척 성능 향상으로 청결함을 유지할 수 있다는 특징을 가진다. 하지만 자동 물내림 기능과 강한 분사압을 통한 막힘 방지에 집중하였기에, 막혀있는 상황을 감지하고 해결하기에는 적절하지 못하다. 또한 사용자 감지 시 압력 감지 센서만을 사용하기 때문에 오작동 확률이 존재한다.

2) 막힘 감지 및 알림 기능을 갖는 변기

압력 감지 센서를 통해 사용자의 착좌를 감지하여 사용자가 없으면 컬러 센서를 통해 용변의 유무를 파악하여 용변이 남아있으면 자동으로 물을 내리게 한다. 자동 물내림을 진행해도 용변이 남아있으면 컬러 센서를 통해 이를 감지하여 물내림을 최대 2회 반복하고, 이후에도 남아있다면 막힌걸로 간주하여 담당자에게 알림이 가도록 한다. 또한 물을 내렸을 때 물이 넘친다면 수위 센서로 이를 감지하여 사용자에게 바로 알림이 가도록 하는 기능을 가진다. 
하지만 이는 변기 구조 자체를 변형 시켜야 한다는 문제가 있다. 또한 막힘 현상을 감지할 수는 있지만 접촉식으로 감지하여 고장의 우려가 높고, 앞선 사례와 마찬가지로 막힘을 해소하는 방법을 가지지 못한다는 한계가 있다. 위와 마찬가지로 사용자 감지 시 압력 센서만을 사용하므로 정확한 사용자 감지에 문제가 있을 수 있다.

3) 막힘 해소 장치를 갖는 변기

종래 양변기는 트랩의 형상(S자 트랩)으로 고질적으로 변기 막힘 문제를 안고 있고, 이를 해결하기 위해 고안된 기술이다. 변기 막힘 현상은 대부분 이물질이 S자 트랩에 유입되기 때문에 발생하고, 이물질의 종류(많은 양의 용변, 물티슈, 물에 녹지 않는 제품 등)와 상관없이 막힘을 해소하기 위해 용변부 하부에 그림과 같이 가압기가 설치된 변기를 설계한다. 순간적으로 높은 압력을 가하여 S자 트랩에 막힌 이물질을 배수관으로 배출하는 것을 특징으로 하는데, 이러한 기술 역시 기존의 변기 구조를 바꿔야 하며, 막힘 현상을 자동으로 감지하는 시스템이 없기에 다음 사용자가 막힘 현상을 직접 확인하고 작동시켜야 한다는 한계가 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1) 자동 물내림 기능과 막힘 알림 기능이 있는 스마트 변기(등록번호: 1019659390000, 등록일자: 2019.03.29)

기술 내용

압력 센서, 컬러 센서, 수위 센서를 사용하여 자동 물내림 기능 및 용변 유무 파악, 변기의 막힘을 감지하여 담당자에게 알림이 가도록 함

한계

변기의 구조 자체를 바꿔야 함
센서가 변기 내부에 위치하여 교체 및 수리가 어려움
물이 넘칠 시 이름 감지할 뿐, 해결할 대응책이 없음
수위 센서와 물이 직접 접촉하기 때문에 고장의 우려가 있음

2) 막힘 해소장치를 갖는 양변기(등록번호: 2004824290000, 등록일자: 2017.01.17)

기술 내용

S자 트랩내에 이물질이 막히는 것이 양변기 막힘현상의 주된 원인이므로 이를 해결하기 위함
용변부 하단에 가압기(20)를 설치하여 순간적으로 강한 압력을 가하여 S자 트랩 내의 이물질을 배수관으로 배출 시키는 것을 특징으로 함

한계

가압기를 설치하기 위해선 새로운 형태의 변기를 고안해야 함
막힘을 자동으로 감지하지 못하기 때문에 사용자가 막힌 현상을 직접 인지하고 기계를 작동시켜야 하는 불편함이 있음

3) 직수압식 양변기 세척방법(등록번호: 1020797430000, 등록일자: 2020.02.14)

기술내용

제트 분사용 배관을 추가로 설치하여 고속으로 세정수를 분사함
제트 분사가 행해져 상기 변기 내부에 남아있는 오물을 배수관을 통해 배출 및 강한 분사압을 통해 막힘을 방지하고자 하는 기능을 가짐 

한계

제트 분사용 배관을 설치하기 위해 새로운 형태의 변기를 고안해야 함
강한 분사압을 통한 막힘 방지에 집중하였지만, 막혀있는 상황을 감지하고 해결하기에는 적절하지 못함

특허전략

 1) 기존 변기에 즉각 적용 가능
기존 선행기술에서 공통적으로 나타나는 문제는 변기의 구조 자체를 변화 및 설계해야 한다는 점이다. 이는 기존 변기를 교체하는 공사가 필수적이므로, 공중화장실 같이 많은 사람들이 드나드는 곳에서는 소음과 이용의 어려움 등 큰 불편함을 야기할 수 있다. 따라서 우리는 앞선 문제들을 해결함과 동시에 기존 변기에 즉각 적용이 가능하도록 변기 커버만을 설계하는 데에 큰 의의가 있다.
 2) 사용 여부 감지
압력 감지 센서 혹은 초음파 센서만을 사용하여 사용자를 감지하는 기존 제품들과는 달리, 본 설계에서는 두 개의 센서를 조합하여 정확한 사용자 감지가 가능한 것을 특징으로 한다. 또한 사용자 감지에 사용되는 초음파 센서가 막힘 감지에 동일하게 사용되는 것을 특징으로 한다.
 3) 비접촉식 막힘 감지
변기 상판에 수위 감지 센서를 설치함으로써 기존 선행기술 대비 고장의 우려가 적고, 교체 및 세척이 용이하여 담당자의 편의성을 증가시킬 수 있다. 또한 본 기술을 구현하기 위해, 웜기어 모터를 이용한 변기 상판 자동 개폐 장치와 스텝 모터를 이용한 자동 물내림 장치가 유기적으로 작동한다는 것을 특징으로 한다. 또한 웜기어 모터와 IoT 기술을 연계하여 관리자만이 변기 상판을 열수 있도록 함으로서 다음 사용자가 불편한 상황을 겪지 않아도 되는 것을 특징으로 한다.

4) 자동 막힘 해소 장치

변기 뚜껑에 설치된 자동 막힘 해소 장치가 본 설계의 핵심 전략이다. 직선 운동을 위한 DC모터(1)와 회전 운동을 위한 DC모터(2)를 분리하여 효율적인 작동을 가능케 한다. 모터(2)에 막힘 해소 장치를 연결하고, 막힘이 감지될 시 해소 장치가 S자 트랩 내부로 이동하여 막힘의 원인이 된 이물질을 회수하는 것을 특징으로 한다. 막힘 해소 후 IoT 기술을 도입하여 구역 관리자에게 연락이 가도록 하여 신속한 조치를 가능케 한다.

• 기술 로드맵

기존 양변기는 사용자가 물내림을 통해 용변이 S자 트랩을 타고 배수관으로 배출되는 구조를 가진다. 이후 자동으로 사용자 감지 및 물을 내리는 스마트 변기가 사용자의 편의를 증가시킬 뿐 아니라 위생 측면에서도 발전시켰다. 위 기술이 대중화되고, 더 발전된 형태인 막힘을 감지하는 기술까지 발전하여 사용자의 불편함을 최소화하는 방향으로 발전하였다. 하지만 이는 공중화장실에서 사용되기에 비용적 문제가 있고, 또한 변기 자체를 변형시켜야 하므로 화장실 공사가 필수적이다. 따라서 우리는 비용을 낮추면서 기존의 변기에 즉각 적용 가능하도록, 스마트 변기 기능을 수행하면서 막힘을 감지하는 변기 커버를 설계하는 데에 목표를 두었다.

또한 ‘화장실 휴지통 없애기 운동’이 시행되면서 시행 전 대비 변기 막힘이 3배 이상이나 증가하여 구역 담당자들의 부담이 더욱 심해졌다는 통계가 존재한다. 따라서 우리는 이를 일차적으로 해결하기 위해 막힘 해소 장치를 추가적으로 설계하였다. 즉, 막힘을 감지하고 해결하는 장치가 유기적으로 작동하도록 한다.내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

경쟁 제품으로 스마트 변기와 수동 변기 막힘 해소 기구(뚫어뻥 등) 등이 있다. 스마트 변기의 경우 변기의 막힘을 해소하지 못하며, 수동 변기 막힘 해소 기구는 사용자가 직접 변기의 막힘을 해소해야 한다는 불편이 존재한다.

• 마케팅 전략 제시

S-O 전략: 공중화장실에 비슷한 제품이 설치된 곳이 적고 막힘 현상이 ‘화장실 휴지통 없애기 운동’ 시행 전 대비 크게 증가하였기 때문에, S-O 전략을 통해 기존 변기에 즉각 적용 가능하고 막힘을 해결하는 본 개발과제의 강점을 최대한 살릴 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 변기 내에 수위 감지 센서가 설치되는 선행기술 대비, 본 개발과제에서는 변기 상판에 비접촉식 수위 감지 센서가 설치된다. 비접촉식으로 수위를 감지하기 위해서는 상판 개폐와 자동 물내림이 선행되어야 하는데, 이는 앞서 서술했듯이 모터를 이용하여 구현할 수 있었다.

2. 사용자 감지 시 압력 감지 센서와 초음파 센서를 조합하여 사용 여부를 판단하므로, 오작동 확률을 획기적으로 낮출 수 있으며, 이는 절수 측면에서도 매우 효과적이라고 판단할 수 있다.

3. 막힘 감지 신호를 받고 자동으로 막힘을 해소하는 장치가 작동한다. 기존 선행기술에서는 위와 같은 유기적인 작동이 변기 구조 자체를 변형시키지 않고서는 불가능했지만, 본 개발 과제에서는 변기 상판을 설계하여 가능하다는 점에서 의의를 가진다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 2017년부터 꾸준히 시행되고 있는 ‘화장실 휴지통 없애기 운동’은 쾌적한 화장실 문화를 만들어가자는 데 의의를 둔다. 하지만 휴지통이 없어지면서 시민들은 휴지가 아닌 이물질들(빨대, 물티슈, 비닐 등)을 변기에 넣게 되고, 이로 인해 변기 막힘 현상이 시행 전 대비 3배 이상 증가하였다는 통계를 확인할 수 있다. 담당구역 청소원 분들은 한정된 상황에서 노동력 부담이 크게 증가하였음 역시 알 수 있었다. 따라서 본 개발과제를 통해 일차적으로 문제 해결하는 기능을 통해 노동력 부담을 크게 줄일 것으로 기대할 수 있다.

2. 사용자의 편의성 증대 및 위생적인 측면의 향상을 위한 스마트 변기의 판매율이 최근들어 매우 증가하였다. 다만 이러한 기능을 갖는 제품은 변기 자체를 변경하여야 하고, 비싼 가격대를 형성하고 있다. 이는 공중 화장실에 즉각 도입되기에는 어려움이 예상되기에, 즉각 적용 가능하고 비교적 저렴한 본 개발 과제가 이를 해결할 수 있다.

3. 변기 자체를 바꾸는 것은 대규모 공사가 필수적이므로, 한정된 예산 내에 도입되는데 어려움이 있다. 또한 공사 도중 발생하는 소음, 공사 중 이용의 어려움 등의 문제 역시 무시할 수 없다. 이러한 문제를 본 개발과제를 통해 효과적으로 개선됨을 기대할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

10월: 개념설계(전원) 10~11월: 사용자 감지부 제작(차동욱) & 막힘 감지부 제작(배강윤) 11~12월: 막힘 해소부 제작(최창정) & 코딩 및 회로 구성(노정욱) & 최종 평가(전원)

구성원 및 추진체계

차동욱 – 사용자 감지부

압력 감지 센서와 초음파 센서를 활용하여 보다 정확한 사용자 감지부를 제작한다. 압력 감지 센서는 어느 정도 무게를 사용 중으로 인식할지 초음파 센서는 어느정도 범위 안에 사용자가 감지되어아 사용 중으로 인식할지 기준점을 설정한다. 또 한 각 센서들의 오류값을 배제하고 측정을 하여야 보다 정확한 감지가 가능하므로 오류값을 배제할 수 있도록 제작한다.

배강윤 – 막힘 감지부 제작

상판의 무게를 고려하여 적절한 토크를 가진 모터를 선정하여야 하며 자동 물내림시 수압을 이겨낼 정도의 모터를 고려해야 한다. 또한 막힘을 감지하기 위해 초음파 센서는 수위의 변화량을 감지하여야 하는데 보다 정확한 막힘 감지를 위한 방법을 고안하여 제작한다.

최창정 – 막힘 해소부 제작

막힘을 해소하는 데 있어 적절한 힘의 모터를 선정하고 효율적인 막힘 해소를 위해 모터와 부착될 막힘 해소 기구를 선정한다.

노정욱 – 코딩 및 회로

전체적인 제품 알고리즘을 짜고 코딩을 진행한다. 각 부품들의 작동 시간을 조절하며 필요 전압등을 고려하여 코딩 및 회로도를 제작한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

사용 여부를 정확히 인식하는 능력

변기가 막혀있는 상황을 정확히 인식하는 능력

막힘 해결을 수행하는 능력

교체 및 수리가 용이

15만원 이내의 가격

2분 이내의 작동 시간

설계 사양

1. 변기 사용 여부를 정확히 인식하는가 압력 감지 센서가 변기 사용 여부를 정확히 판단하는지 평가함 개발 목표치: 정확도 90% 이상 비중(%): 15

2. 변기가 막혀있는 상황을 정확히 인식하는가 초음파 센서가 얼마나 정확하게 막힘을 파악할 수 있는지 평가함 개발 목표치: 정확도 90% 이상 비중(%): 15

3. 막힘 현상을 해결하는 방법이 얼마나 효과적인가 변기가 막혀있는 상황을 다회 반복해서 몇 회나 해결하는지 평가함 개발 목표치: 성공률 60% 이상 비중(%): 15

4. 자동 물내림 작동이 원활히 진행되는가 변기가 막혀있는 상황을 다회 반복해서 몇 회나 문제없이 작동하는지 평가함 비중(%): 15

5. 교체 및 수리가 용이한가 부품의 교체 및 수리가 필요할 시 얼마나 용이한지 평가함 개발 목표치: 4점(용이함) 비중(%): 10

6. 가격이 저렴한가 완성된 작품이 제작되는 데 들어간 비용을 계산함 개발 목표치: 15만원 이내 비중(%): 10

7. 작동 시간이 빠른가 변기가 막혀있을 시 작동 알고리즘이 몇 분 이내에 완료되는지 평가함 개발 목표치: 2분 이내 비중(%): 10

8. 외부 환경에 대한 내구성이 좋은가 다양한 온도, 습도, 충격이 가해지는 상황을 통해 부품의 교체 주기를 평가함 개발 목표치: 100회 이상 비중(%): 10

개념설계안

1. 변기 사용 여부 판단부 –로드셀 & 초음파 센서

변기 사용 여부를 판단하기 위해서 1차로 로드셀을 이용하여 압력을 감지하는 방식을 사용한다. 기존 변기 커버는 앉는 사람의 편안함을 위해서 전체적으로 굴곡이 있는 형태로 구성된다. 그리고 이런 굴곡진 형태의 변기커버와 변기 사이의 접촉을 담당하는 4개의 받침부가 기존 변기에 존재한다. 따라서 기존의 받침부 위치에 로드셀을 이용하여 변기 사용 여부를 감지한다. Capacity가 50kg인 3선식 로드셀 2개로 받침부를 구성함으로써 100kg까지 버틸 수 있도록 설계한다. 또한, 최소 감지 중량이 2kg 이하인 로드셀을 사용하여 무게 감지에 실패하는 일을 방지한다. 

사용자 여부를 정밀하게 판단하기 위해 2차로 초음파 센서를 이용한 사용자 감지를 사용한다. 상판에 초음파 센서를 부착하여 일정 거리 이하에서 사물이 인식될 시 사용자가 사용중 인 것으로 판단하고, 사용 중 단계에 진입하며 이후에 일정 거리 이상에서 사물이 인식 되지 않을 경우 사용 완료 단계에 진입하여 자동 물내림, 변기 개폐 막힘 감지 등의 이후 과정을 진행한다. 초음파 센서는 저가형이면서 최소 3cm에서 최대 1.5m의 측정 거리를 가진 HC-SR04를 사용함으로써 단가를 줄이면서 적합한 성능을 낼 수 있다.

2. 자동 물내림 장치

변기의 물탱크 벽면에 스텝 모터를 설치하여 물내림을 조절한다. 자동 물내림 장치는 변기 물탱크의 부속품 중 하나인 배출 마개와 연결된 선이 스텝모터와 실로 연결한 구조를 가진다. 정회전과 역회전 제어가 가능한 스텝모터의 특성을 이용하여, 정회전 시 스텝모터를 따라 마개와 연결된 실이 상승 운동을 하여 마개가 열리고, 그에 따라 물내림이 진행된다. 스텝모터 역회전 시 선이 하강 운동을 하고, 느슨해진 선에 의해 마개가 중력에 기인한 하강 운동으로 마개를 막아 물내림이 끝난다.

3. 변기 커버 자동 개폐 장치

변기 커버의 상판을 여닫기 위해 토크힘이 좋은 웜기어 모터를 사용한다. 적절한 기어비의 웜기어 모터를 사용하여 원하는 속도를 보여주며 상판의 무게를 견딜 수 있는 변기 커버 자동 개폐 장치를 제작할 수 있다. 웜기어 모터는 DC 모터의 변형이므로, 전류 방향 제어가 모터만으로는 불가능하다. 따라서 전류 방향을 제어하여 모터의 운동 방향을 조절하고자 모터 드라이버를 함께 사용한다. 정회전 명령 시 상판이 열리고, 역회전 명령 시 상판이 닫히는 구조로 설계한다.

4. 변기 막힘 여부 판단부 – 초음파 센서

변기 막힘 여부는 초음파 센서를 통한 수위 감지로 판단한다. 이전 사용자 감지를 위해 상판에 부착하였던 초음파 센서를 그대로 사용하여 비용을 절감하였다. 초음파 센싱은 자동 물내림 장치가 가동하기 전과 가동한 직후 두 번 측정하여 둘의 변화를 비교하는 식으로 진행된다. 0.3초 간격으로 10번, 3초간 수위를 측정하고 그 평균값을 구하여 값을 아두이노 내에 저장하고 물내림 장치 가동 후 수위의 평균 값이 감소하였으면 막히지 않는 것으로, 증가하였으면 막힌 것으로 판단한다.

5. 변기 막힘 해소 장치

변기 막힘 해소 장치에 사용되는 해소를 위한 부품은 시중에 판매하는 관통 스프링을 사용한다. 사용의 편리성과 위생을 위하여 평시에는 스프링이 변기 커버에 부착되어 있다가 막힘을 판별했을 때 직선 이동을 통해 커버에서 나와 변기 내부로 투입되는 구조를 채택하였다. 스프링의 이동을 위해 장볼트를 사용하여 레일을 만들었고, 레일 위에는 장볼트와 딱 맞는 연결너트 구비하여 레일과 연결된 모터에 의해 레일이 회전운동을 할 시 연결너트가 직선운동을 할 수 있도록 설계하였다. 또한, 연결 너트는 스프링을 회전시키기 위한 스프링 모터와 연결되어 있어, 연결너트의 직선운동이 곧 스프링과 스프링 모터의 직선 운동으로 이어져서 스프링의 직선 이동이 가능하게 되는 구조를 가진다. 스프링은 직선 이동을 하며 스프링 모터에 의해 회전운동이 이루어져 막힘 유발 물질에 관통이 용이하도록 설계되었다. 

6. 기타 장치

1) 담당자 알림 및 원격제어 담당자 알림 및 원격제어는 HC-0 5블루투스 모듈을 이용한다. 블루투스 모듈과 아두이노를 연결한 뒤 코딩을 통해 신호를 받거나 원격 제어를 할 수 있다. 2) 해소 장치 고정 장치 해소 장치를 상판에 고정하기 위해 스텝 모터를 사용한다. 스텝모터는 역회전과 정회전이 자유로우면서, 정지 토크가 크지 않아 자동으로 모터를 움직이는 것 뿐만아니라 수동으로 회전을 조절할 수 있다. 스텝 모터 샤프트에 적절한 브라켓을 착용하고 브라켓에 해소기구를 거는 형태로 사용한다. 막힘을 감지하고 막힘 해소 단계 진입시 스텝모터가 회전하여 해소 장치가 변기 구멍을 향하는 방향으로 떨어지도록 설계한다. 막힘 해소가 종료 후 관리자가 원상으로 복구할 시 간단히 브라켓을 돌려 원래 상태로 돌려 해소 장치를 걸 수 있도록 제작한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 변기 사용 여부 판단부 – 압력 감지 센서(로드셀) 성인의 몸무게를 기준으로 했을 때, 원활한 사용자 감지를 위해 최소 30kg, 최대 100kg의 몸무게를 목표 인식 체중으로 설정하였다. 이를 위해 Capacity가 50kg인 3선식 로드셀 2개로 받침부를 구성함으로써 최대 100kg까지 버틸 수 있도록 설계하였다. 그리고 16bit HX711 증폭기를 사용하여 로드셀에서 전송하는 신호를 증폭시켜 보다 작은 신호를 보다 정확하게 인식할 수 받을 수 있도록 조정함으로써 이론적으로 0.1kg 이상의 무게를 감지할 수 있도록 하였다. 그리고 한 로드셀의 최대 인식 가능 하중이 50kg이기에 너무 큰 하중이 가해질 시 고장의 우려가 있어, 로드셀의 부착 위치를 하중의 집중이 적은 앞쪽으로 설정하였다. 이와 같은 설정은 체중보다 적은 하중에 의한 사용자 인식 오류를 유발할 수 있지만, 증폭기에 의한 미세 신호 증폭으로 3kg 이상의 하중이 좌판에 가해질 시 로드셀이 충분히 인식 가능한 것을 시뮬레이션을 통해 확인하여 사용자 인식에는 문제가 없을 것으로 판단하였다. 2. 변기 커버 자동 개폐 장치 자동 개폐를 위해 변기커버와 그 위에 부착된 막힘 해소장치의 하중을 견디면서 작동할 수 있도록 충분한 토크힘을 가지는 웜기어 모터를 사용해야 했다. 변기 커버 상판의 무게가 0.32kg, 막힘 해소장치가 1.2kg이고 상판의 무게 중심에서 모터의 힘점까지의 거리가 12cm 이기에 최소 18.24kg*cm 토크힘을 가지는 모터를 사용해야 했다. 이를 위해 기어비 1:1000, 토크힘 20kg*cm의 웜기어 모터를 사용하였고, 모터의 원활한 작동을 위해 12V 외부 전원을 사용하여 작동시키는 설계를 계획했다. 3. 변기 막힘 여부 판단 – 초음파 센서 변기 막힘 여부 판단을 위해 초음파 센서가 사용된다. 물내림 전과 후의 수위 변화를 측정하고, 수위가 증가하였을 시 막힘으로 판정하는 설계를 채택하였다. 하지만, 초음파 센서의 한계로 연속 측정 시 튀는 값이 나올 경우가 존재하고, 초음파는 수면만이 아닌 변기 자체에서도 반사가 일어나므로 좁은 변기 속을 측정 시 변기 벽면에서의 반사로 인해 잘못된 값이 수위로 측정될 우려가 있었다. 이를 방지하기 위해 10번 측정 후 그 평균값을 도출하여 수위를 비교하는 방법을 사용하였다. 물내림이 진행될 시 수위의 변화가 이루어지는 시간을 측정한 결과 3초가 측정되었고, 이를 고려하여 물내림 후 수위 변화를 3초가 측정하고 그 간격을 0.3초로 설정하여 총 10번의 측정이 이루어지도록 하였다. 이와 같은 방법은 센싱 오류로 인한 튀는 값과 벽면에서의 오신호로 인한 측정값이 실제 수위 측정값의 30% 내외이고, 발생 확률이 10%이내 인 것을 고려하여 설계되었다.

상세설계 내용

1. 조립도

1.1 변기 사용 여부 판단부 – 압력 감지 센서(로드셀), 초음파센서

변기 사용 여부 판단을 위한 로드셀을 그림과 같이 좌판 앞쪽 두 부분에 설치하였다. 초음파 센서는 상판 안쪽에 부착하여 상판이 열렸을 때는 사용자 감지를, 상판이 닫혔을 때는 수위 측정을 할 수 있도록 하였다.

1.2 자동 물내림 장치

물통 내부에 스텝모터를 설치하고, 스텝 모터 샤프트에 그림과 같이 실이 붙어 있는 뾰족한 브라켓을 준비하여 스텝 모터 정회전에 의해 뾰족한 부분이 위를 향할 시 물탱크의 고무 마개가 열려 물내림이 이루어지고 반대로 역회전에 의해 뾰족한 부분이 아래를 향할 시 고무 마개가 닫히도록 설계하였다.

1.3 변기 커버 자동 개폐 장치

변기 커버 자동 개폐를 위한 웜기어 모터를 상판 왼쪽에 구비하고 박스를 만들어 마감을 하였다. 모터와 연결된 전선은 배선함의 모터 드라이버와 연결되어 있어 전류의 방향 제어를 통한 역회전, 정회전이 가능하도록 설계하였다. 모터의 동력은 12V의 외부 전원에서 공급받고, 모터 드라이버의 전원은 아두이노에서 받도록 회로를 구성하였다.

1.4 변기 막힘 여부 판단부 – 초음파 센서

20mm x 45mm x 15mm의 초음파 센서를 위 사진과 같이 상판이 닫힐 시 자동으로 초음파 센서가 변기의 수면을 향하도록 상판 내부에 부착하였다.

1.5 변기 막힘 해소부

막힘 해소 장치는 변기 상판 겉면에 부착되어 있고, 막힘 해소 스프링이 상판 겉면의 구멍을 통해 상판 안쪽으로 이어져 있다. 막힘 해소 장치의 구성은 레일부와 스프링 부로 이루어져 있다. 스프링부는 막힘 해소 스프링과 막힘 해소 스프링에 부착되어 스프링에 회전운동을 가하는 스프링 모터(DC모터), 스프링 모터와 연결된 연결 너트로 이루어져있다. 레일부는 스프링부의 연결 너트와 맞물린 장볼트로 된 레일과 레일에 회전운동을 가하는 레일 모터(DC모터)로 이루어져 있다. 막힘 해소 장치가 가동 될 시 레일 모터가 가동되어 레일이 회전한다. 그에 따라 연결너트가 전진을 하고, 연결 너트와 이어진 스프링 모터 및 막힘 해소 스프링도 전진을 한다. 스프링이 전진을 통해 변기 구멍에 들어간 직후, 레일 모터와 함께 스프링 모터가 가동되어 스프링이 직선운동과 회전운동을 동시에 하여 막힘 유발 물질을 관통하고 꿸 수 있는 힘을 받는다. 막힘 유발 물질을 관통하고 스프링에 꿰어진 후에 스프링 모터가 작동을 멈추고, 레일 모터가 역회전을 하여 후진을 함으로써 스프링과 막힘 유발 물질이 S자 관에서 변기 내부로 빠져나오게 된다.

1.6 기타 장치

1) 담당자 알림 및 원격제어

담당자 알림 및 원격제어를 위한 블루투스 모듈이 배선함 내부에서 아두이노와 연결되어 있다. 블루투스 신호를 통해 담당자에게 막힘 알림과 해소 처리 진행 상황을 전달할 수 있고, 반대로 담당자가 아두이노에 신호를 보내 변기에서 물내림, 수위 감지 등의 기능을 원격으로 작동시킬 수 있다.

2) 해소 장치 고정 장치

해소 장치 고정을 위한 스텝 모터와 그 브라켓이 각각 상판 겉면과 안쪽에 부착되어 있다. 평소에는 위의 그림과 같이 브라켓에 의해 상판 겉면에서 안쪽으로 이어진 막힘 해소 스프링이 고정되어 있고, 해소 장치 가동 시 스텝모터가 회전하여 막힘 해소 스프링의 고정이 풀리고 변기 구멍을 향해 떨어진다. 막힘 해소 단계가 종료된 후 담당자가 수동으로 브라켓을 움직여 해소장치를 다시 고정상태로 되돌릴 수 있다.

2. 부품도

2.1 변기 사용 여부 판단부 – 압력 감지 센서(로드셀)

50kg load cell HX-711 증폭기 Wires HC-SR04 초음파 센서

2.2 자동 물내림 장치

스텝모터 ULN 2003 스텝모터 드라이버 Wires 브라켓

2.3 변기 커버 자동 개폐 장치

웜기어 모터 기어비 1000:1 L298N 모터 드라이버 Wires

2.4 변기 막힘 해소부

DC 모터 (2EA) L298N 모터 드라이버 Wires 레일용 장볼트 연결 너트 막힘 해소 스프링 모터 커플링 해소 장치 거치대

2.5 배선함 구성품 및 기타 장치

Arduino Mega 블루투스 모듈 Wires 스텝모터

3. 소프트웨어 설계

본 설계는 서로 다른 아날로그 신호(압력, 초음파 감지 시간...)를 받아들여서 다양한 출력(사용자 감지, 변기 막힘 감지, 모터를 이용한 상판의 움직임...)을 내보낸다. 따라서 위의 알고리즘을 참고하여, 입력 신호와 출력 신호 간의 상호 출력이 원활하게 되도록 프로그래밍을 진행하였다.

위의 사진과 같이 먼저 아두이노 연결핀을 설정한 후 코딩에 사용할 조절 변수를 설정하여 조절 변수의 값을 바꿔주는 것만으로 전체 작동을 수정할 수 있도록 코딩하였다.

메인 루프에서는 센싱에 의한 자동 작동보다 담당자의 원격 제어를 우선으로 처리 하기 위해 자동 제어 코딩에 앞서 블루투스 모듈을 통한 원격 제어 코딩을 먼저 작성하였다. 다음으로 자동 작동의 순차적 진행을 위해 ‘user’라는 전체 통제 변수를 설정하고 초기값을 0으로 설정, 자동화 각 단계를 0~5까지의 user 변수로 설정하여 user 값에 해당하는 단계만 반복되도록 코딩하여 오작동을 방지하였다. user 값에 해당하는 각 자동화 단계는 0~1: 사용자 감지, 2: 사용 후 상판 닫기, 3: 자동 물내림 및 초음파 센서를 통한 막힘 감지, 4: 막힘 해소 장치 가동, 5: 상판 열기에 해당한다. 부품 작동이 많은 막힘 해소 장치 가동 단계에서는 rail이라는 부조절 변수를 도입하여 레일 모터와 스프링 모터의 작동을 조절하였다. 각 단계에 해당하는 코딩은 아래와 같다.

[[파일:131313.png]

[[파일:141414.png]

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가? 1) 사용자 감지와 막힘 감지의 정확도 90% 이상 결과 – 95% 2) 상판개폐와 자동물내림 장치의 동작 여부 결과 – 동작 성공 3) 막힘 해소 장치의 성공률 60% 이상 결과 – 성공률 70% 4) 교체 및 수리의 용이 커버만 교체하면 되기에 교체가 용이하며 각 부품들이 독립적이기에 수리가 용이 2. 프로토타입이 과제를 잘 나타내는가? 프로토타입 시연시 사용자 감지, 막힘 감지, 상판 개폐, 자동 물내림, 막힘 해소 등 모든 기능 구현에 성공하였으며 블루투스 모듈을 이용한 관리자와의 소통 또 한 가능함을 보여주었다. 3. 심미성이 좋은가? 프로토타입의 경우 작동 과정을 보여주기 위해 모터나 센서등이 바깥에 노출 된 형태로 제작하였다. 이에 따라 심미성에서 부족한 모습을 보이지만 실제 제품으로 제작 시 심미성도 올라갈 것으로 보인다. 4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가? 대부분의 사람이 공중화장실에서 겪을 불쾌한 감정이 있기에 본 과제의 필요성에 대해 공감하였다. 또한 프로토타입이 작동 과정을 모두 볼 수 있도록 제작되었기에 제품 이해에 도움을 줄 수 있었다. 5. 조원 모두가 참여하였는가? 대부분의 제품 제작 과정에서 조원들 모두가 참여하였으며 각자가 맡은 부분에 대해 잘 수행하는 모습을 보여주었다.

향후계획

현재 막힘 해소의 성공률은 약 70%이지만 막힘 해소 장치의 끝단을 더 유용한 장치로 바꾸면 성공률은 높아질 것으로 예상되는데 성공률을 90%이상으로 올리는 것이 목표이다. 또한 본 과제의 프로토타입 제작에 필요한 부품들의 가격은 약 12만 원 정도다. 다만 필요한 토크보다 강한 모터가 사용된 부분들이 있었기에 이를 적절한 모터로 교체하고 양산 과정에 들어간다면 제조 단가를 8만원 이하로 낮출 수 있다고 기대된다. 기존 스마트 변기의 경우 변기 자체를 바꿔야 하기에 50만 원 이상의 비용을 요구하지만 본 작품은 기존 변기에 변기 커버만을 교체하기에 기존의 스마트 변기에 비해 경쟁력을 갖는다. 이에 따라 본 작품이 시장에 나오게 된다면 가격, 성능 면에서 큰 이점을 가질 것이라 생각된다.

특허 출원 내용

추가 예정