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2020년 6월 27일 (토) 22:27 판

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.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 현재의 보행기의 전복사고를 막기 위한 장치를 고려한 보행기는 “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.

◇ 실내가 아닌, 실외에서 사용되는 유모차의 경우는 센서를 이용하여 브레이크를 작동할 수 있으나, 이는 보호자의 손잡이 등을 이용하여 보호자의 감지를 판별하여 제동장치를 해제하는 역할로 작동하여 보호자의 유무에 따라 제동의 여부를 결정한다.

◇ 자동속도 제어형 보행기에 따르면, 바퀴에 부착된 센서가 회전수를 측정해 속도를 계산한다. 속도가 일정 수준에 도달하면 전기적으로 연결된 브레이크에 신호를 보내 속도를 줄인다.

• 특허조사 및 특허 전략

◇ 충북대학교 산학협력단, 2019, 유아의 안전을 보장하기 위한 스마트 유모차(SMART STROLLER FOR ENSURING BABY'S SAFETY)에 따르면 유모차가 이동할 때 일정 가속도 이상이 되면 가속도 센서가 인지하여 브레이크 작동한다. 기울기 센서에 의해 유모차가 오르막길에 있는지 내리막길에 있는지 판단하여, 오르막길인 경우 모터를 동작시켜 유모차 조작을 돕는다.

◇ 한상윤, 2013, 자동속도 제어형 보행기(a walker with auto locomotion control).의 특허는 바퀴에 부착된 센서는 바퀴의 회전수를 측정해 속도를 계산한다. 속도가 일정 수준에 도달하게 되면 전기적으로 연결된 브레이크에 신호를 보내 속도를 줄인다. 

◇ 유영배, 2015, 유모차 브레이크 시스템(Baby Carriage Brake System).에 따르면 평상시에는 유모차의 브레이크가 잠금 상태로 작동하고, 보호자가 손잡이를 잡는 경우 이를 감지하여 브레이크가 자동 해제되어 이동이 가능하게 제어됨으로써 보호자가 유모차를 끄는 과정에서 유모차를 놓침으로 인해 발생하는 안전사고를 미연에 방지한다.

◇ 정종락, 2017, 스토퍼를 구비한 유아용 보행기(Baby walker)의 특허 시스템은 전방 운행과 측면 운행 시에 문턱을 넘어가거나 계단에 진입하는 경우에 스토퍼를 구비해 전복이나 추락을 방지한다.

 라. 특허전략

◇ 기존의 보행기는 일정 가속도 이상이 되면 가속도 센서가 인지하여 브레이크를 작동시킨다. 그러나 우리 조의 센서부착형 자동제어 보행기를 통해 벽에 부딪히기 전에 적외선 센서가 인식해서 멈추기 때문에 가속도센서를 사용할 필요가 없고, 또한 평지인 실내에서만 사용할 제품이기 때문에 기울기 센서를 사용할 필요가 없다.

◇ 또, 회전수를 측정해 속도를 계산하여 브레이크의 속도를 줄일 때 속도에 의해 정지하게 되면 갑작스런 사고에 대응할 수 없다. 따라서 센서 감지에 의한 제동 방식을 채택하였다.  

◇ 기존의 유모차 브레이크 시스템은 보호자가 손잡이를 잡는 경우에 브레이크가 자동 해제되어 제어함으로써, 보호자가 유모차를 미는 과정에서 유모차를 놓쳐 발생하는 안전사고를 사전에 방지한다. 따라서 4면의 센서들이 장애물과의 거리를 계산하고 브레이크가 작동하여 제동한다. 보호자가 없어도 안전사고를 방지할 수 있다.

◇ 기존의 스토퍼를 구비한 유아용 보행기는 전방 운행과 측면 운행 시에 문턱을 넘어가거나 계단에 진입하는 경우에 스토퍼를 구비해 전복이나 추락을 방지한다. 그러나 우리 제품은, 전방 운행, 측면 운행 뿐만 아니라 장애물, 벽 등에 의한 충돌도 방지할 수 있다. 이를 통해 충돌 위험을 좀 더 일찍 감지하여 사고를 예방한다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교◇엔픽스 보행기는 스텝360 5.5kg, 재질: PP/ABS/TPR/ 폴리에스테르

가격은 163,000원, 안전성 측면에서, 안전검사, 스토퍼, 위치고정, 단계조절, 바퀴 TPR를 사용한다. 높이 조절 시스템이란, 아이의 성장 속도에 맞춰 조절이 가능한 시스템을 말한다. 기존 대비 3cm가 연장이 되고, 정확한 단계별 위치가 확인이 가능하다. 계단이나 고르지 않은 바닥면에서 발생되는 낙상사고를 방지하는 스토퍼가 구비되어 있지만, 우리의 보행기는 사고가 일어나기 전 미리 브레이크를 잡아줌으로써 충격과 사고를 미연에 방지할 수 있다. 기존의 스토퍼는 단차가 있는 바닥에서 보행기를 걸려서 멈추게 하지만 아이가 조금만 앞으로 몸을 기울이거나 발버둥 칠 경우 전복될 가능성이 존재한다. 우리의 보행기는 이러한 작은 가능성조차 미리 차단하는 의의를 갖는다. TPR: 고무와 플라스틱의 중간 형태의 재질이다. 일반 고무보다 가볍고 신축성과 복원력이 우수하여 소음을 줄일 수 있다.

◇콤비코리아- 콤비 YT-Belle는 .65kg, 스토퍼, 2중 위치 고정장치, 안전벨트, 발끼임 방지, 안전범퍼 및 캐스터 가격은 179,000원으로, 바퀴: 우레탄 :우레탄 바퀴는 플라스틱 바퀴에 비해 소음 발생이 적고, 충격흡수는 높다. 회전이나 이동시 소음이 적고 바닥 긁힘을 최소화한다. 움직임이 부드럽고 충격 흡수가 좋아 바퀴가 없는 휴대용 간이 의자보다 안정적이다. 2중 위치고정장치-보호자가 잠시 자리를 비울 경우, 범퍼의 앞면과 뒷면 중앙에 있는 고정장치를 고정하여 예상치 못한 안전사고의 발생률을 줄여줄 수 있다. 한쪽 또는 양쪽 모두 고정하여 사용이 가능하다.

◇압소바-루시드 보행기 가격은 169000원으로 스토퍼, 안전띠 등의 안전 장치가 있다. 상대적으로 우리의 보행기가 안전장치가 많이 구비되어있는 것을 알 수 있다.

• 마케팅 전략 제시

◇3C- Customer, Company, Competitor 먼저 고객은 생후 5개월 이후의 아기를 키우는 부모들이 주된 고객층이다. 점점 아이를 위한 산업은 프리미엄화 되어가고 있으므로, 고객은 보다 더 안전한 보행기 구매를 원할 것이다.

이에 비해 보행기 회사는 기존 스토퍼만 구비해놓은 상태들이다. 아직 어떠한 보행기 회사도 센서를 구비한 자동제어 보행기를 출시하지 않았으므로, 동종업계에서 같은 제품으로 경쟁하기엔 블루오션이 될 것이라고 예상된다.

◇STP- Segmentation, Targeting, Positioning

시장세분화는 보행기 시장 중 프리미엄 보행기 시장을 선점할 것을 목표로 한다.

◇4P-Product, Price, Place, Promotion

제품, 가격, 유통 판매 촉진 영역 중 제품이 안전성을 입증한 보행기이므로 수요가 많을 것으로 예상된다. 가격은 보통 보행기에 대비하여 안전성은 높였지만, 부품 가격대가 높지 않기 때문에 충분히 가치를 지불할 정도의 수준일 것으로 예상된다. 무엇보다 아이의 목숨은 어떤 것과도 바꿀 수 없기 때문에 부모들은 아이를 위해 아낌없이 투자할 것이므로 가격 문제는 크지 않다. 보행기 판매의 유통경로, 재고, 운송 등 제품과 고객이 접촉하도록 하기 위해 인터넷, 오프라인 등 가능한 많은 소스를 활용한다. 광고, PR, 인적판매 등 원활한 의사소통을 통해 프로모션을 진행하여 소비자의 구매를 이끌어내도록 노력한다.

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, 보     호자를 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 속력         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.

①브레이크 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.

②브레이크 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

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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