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2023년 6월 13일 (화) 07:48 판

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.

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 살펴 
봤듯이 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. 따라 
서 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 방 
식에 따라 운동 범위를 제한하고, 수동으로 작동한다는 한계가 있었다. 따라서 본 기술은 비교적 간단한 메커니즘을 가지면서, 지속적인 에너지 소모를 줄이며, 운동 범위를 제한하지 않 
고, 자동으로 위험을 감지해 장치가 작동해 현 기술을 극복하려 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 *경쟁제품 조사 비교
-  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.
+  내용
- 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.
 *마케팅 전략 제시
 내용