시그널

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 가변 트랙을 갖는 공간절약형 강아지 실내 운동기구

영문 : Space-Saving Dog Runner with Expandable Track

과제 팀명

시너지

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 김*준(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 박*승

서울시립대학교 신소재공학과 20174500** 박*정

서울시립대학교 신소재공학과 20198600** 박*희

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 윤*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

대형견과 소형견이 모두 사용할 수 있는 강아지 실내 운동기구를 개발한다. 이를 위해 트랙 전체 길이는 변화시키지 않으면서 상단에 노출되는 트랙의 길이는 변화시키기 위해 트랙의 경로를 추가한다. 트랙의 경로를 추가하기 위해서 두 개의 축을 가진 기존의 런닝머신에 추가적으로 2개의 보조 축을 배치하였다. 또한 상단 트랙의 길이가 줄어들거나 늘어나는 만큼 측면 프레임도 길이를 변화시키기 위해 프레임을 이단으로 나누어 요철 모양과 요철에 결합될 수 있는 모양으로 제작하였다.

개발 과제의 배경

 최근 날씨나 코로나 19 등 특수 상황과 관계없이 반려견의 운동을 도울 수 있어, 실내 산책이나 재활 치료를 목적으로 하는 강아지용 런닝머신이 많이 사용되고 있다. 이에 실내에 런닝머신을 보관할 경우 기기 보관에 따른 자리차지가 불편으로 떠오르게 되었다. 또한, 반려견의 몸집에 따라 다른 크기의 런닝머신을 사용해야 하는 점도 이슈가 될 수 있다.

 예를 들어, 대형종 강아지가 어린 시절 사용하던 작은 런닝머신은 성견이 되면 사용할 수 없어 큰 런닝머신을 새롭게 구매해야 한다. 본 과제는 대형종 강아지가 성견이 되어서도 사용하던 런닝머신을 그대로 사용할 수 있으면서 보관 면적을 최소화 할 수 있도록 하는 런닝머신을 구현하고자 한다.

 기존 런닝머신의 구동 방식에 베어링을 추가하고 프레임을 변화시켜 벨트의 교체없이 편리하게 사이즈를 바꾸어 구동 및 보관할 수 있도록 한다. 이는 작은 강아지들이 사용하기 좋은 (이하 소형견 모드) 사이즈와 큰 반려견이 사용하기 좋은 (이하 대형견 모드) 사이즈 모두 구동이 가능하여 강아지의 몸집에 관계없이 사용할 수 있으며, 소형견 모드의 작은 사이즈로 보관할 수 있는 기대효과를 가진다.

개발 과제의 목표 및 내용

- 대형견 모드와 소형견 모드에서 각각 구동이 가능하도록 한다. 
- 운동기구의 전체 길이를 약 40% 감소시켜 보관 면적을 최소화한다.

[해결하고자 하는 과제]

기존의 강아지 실내 운동기구 제품들이 소형 견종에 맞춰져 있거나 대형 견종에 맞춰져 있다. 또한 대형견이 사용하는 운동기구의 경우 그 보관 면적이 크다. 본 발명은 이 문제점에서 착안하여, 강아지의 크기 구분을 두지 않고 하나의 운동기구만을 사용할 수 있게 하면서, 동시에 기구의 보관 면적 또한 최소화 하고자 한다.

[과제의 해결 수단]

기존의 런닝머신은 트랙을 구동하기 위해 전 후방에 하나의 큰 베어링 축만을 배치한다. 이와는 다르게 본 제품은 트랙 길이 변화를 위해 운동기구 내부에 작은 보조 베어링 축 2개를 넣었다[도 1]. 모터와 직접 맞닿는 맨 앞의 큰 베어링 하나와 바로 뒤에 위치한 작은 베어링 하나는 고정시킨 채, 뒤의 큰 베어링과 작은 베어링이 앞의 바퀴 쪽으로 움직인다[도 2]. 이러한 작동 원리를 통해 트랙의 벨트 전체 길이는 변하지 않지만, 경로의 길이를 늘여서 더 짧은 트랙을 가진 런닝머신을 구현할 수 있다.

 발판 프레임을 2개로 나누어 프레임의 이동에 따라 발판 프레임의 총 길이가 변하도록 설계한다[도 3, 4]. 또한 발판 프레임은 고정 프레임과 이동 프레임에 각각 하나씩 고정하여 설치한다. 이를 통해 프레임이 이동하게 되면 발판 프레임이 동시에 이동하게 된다. 즉, 사용자의 외력이 프레임에 작용하면 발판에도 동시에 작용하게 하여 길이 변화가 용이하게 한다.

기존 런닝머신의 중앙 하단부에 베어링 두 개를 추가하여 별도의 벨트 교체 과정 없이도 런닝머신 구동력과 벨트의 길이를 그대로 유지한 채 사이즈를 변화시킬 수 있도록 한다. 전체적인 프레임은 대형견 구동모드에서 소형견 구동모드로 전환 시 줄어드는 길이만큼 쉽게 줄어들 수 있도록 슬라이딩으로 겹쳐지게 설계하며, 소비자가 적은 힘으로 프레임이 사이즈를 변화시킬 수 있도록 한다. 또한 하단에는 바퀴를 설치하여 지면과의 마찰을 적게 하고자 한다.

프레임 중앙부, 발판 아래 부분에 두 개의 보조 베어링을 위 아래로 설치한 뒤, 해당 보조 베어링에 런닝머신 벨트를 감아 배치한다[도 5]. 이때, 대형견 모드에서 소형견 모드가 될 때 상단에 있는 보조 베어링은 고정하고, 하단에 있는 보조 베어링은 이동한다. 그러면서 감긴 벨트의 길이가 길어지게 하여 실제 상단에 드러나 강아지가 밟는 벨트의 면적은 줄어들면서도 구동이 가능하도록 한다. 이 때 벨트가 서로 맞닿지 않으면서 구동하게 하여 소형견 모드에서도 안전하게 사용할 수 있도록 한다.
프레임 하단에 고정가능한 바퀴를 설치하여 강아지 런닝머신의 이동이 수월해지도록 한다. 이 때, 앞면과 뒷면 외에 중간에도 바퀴를 설치하여 하중이 바퀴에 의해 안정적으로 지지되도록 한다[도 6]
서랍 레일을 프레임 하단에 설치하여 길이 조절 시 마찰을 최소화하였다. 이 때 서랍 레일을 중앙부에 설치하여 바퀴와 위치가 겹치지 않게 한다[도 7].

개발 일정

-단계별 세부개발 내용 담당자 개발단위(월단위) 1. 아이디어 선정 김민준 3 2. 설계안 구체화 및 실현 가능성 박범승 4 3. 실제 제작 모든 조원 5 4. 성능 테스트 윤서현 5 5. 테스트 후 피드백 사항 반영 박상정 5 6. 개선점 고찰 및 상호 피드백 박선희 6

구성원 및 추진체계

◇ 조장 - 회의 진행 및 회의록 작성 ◇ 조장/조원 - 의견 및 피드백 제시, 아이디어 설계 및 추진, 제작 참여

설계

설계사양

제품의 요구사항

번호 요 구 사 항 D or W 비고 1 강아지의 크기에 따라 런닝머신의 길이를 조절할 수 있어야 한다. D 대 2 길이를 짧게 조절한 후 구동하여 런닝머신을 사용하는 동안 이상없이 안정적으로 구동할 것 D 대 3 길이를 짧게 조절한 후 구동간에 강아지가 편안하게 달릴 수 있어야 한다. W 중 4 런닝머신을 사용하지 않을 때에는 트랙을 접음으로써 보관 면적을 최소화 할 수 있어야 한다. D 대

설계 사양

◇ 평가 기준

1. 구동간에 런닝머신 전체의 흔들림 정도 2. 사이즈를 조절할 때 필요한 힘

◇ 평가 내용 1. 런닝머신이 정지한 상태에서 길이 조절 기능을 작동하여 트랙의 길이를 원하는 길이만큼 조절할 수 있는지 여부를 확인한다.

2. 런닝 머신 길이를 줄인 상태에서, 강아지 정도의 무게를 가지는 물체가 흔들림 없이 앞뒤로만 이동을 하는지 확인하고, 이때 런닝머신의 각 부분이 고장이나 부서짐 없이 잘 구동되는지 확인한다.

3. 런닝머신의 벨트가 굴곡 없이 원활하게 구동하는지, 적절한 속도를 유지하며 구동하는지를 확인한다.

4. 런닝 머신을 사용하지 않을 때, 접을 수 있게 할 수 있는지를 확인하고, 접은 트랙을 펼쳐서 런닝머신을 사용할 때, 앞서 구동했을 때와 동일하게 구동하는지 확인한다.

개념설계안

1. 런닝머신의 트랙을 구동하는 베어링 축의 위치 변화

큰 베어링 지지대 2개만으로 구동했던 기존 런닝머신과는 다르게, 내부에 작은 보조 베어링 축 2개를 추가하였다. 모터와 직접 맞닿는 앞 상단 큰 베어링 하나와 같은 프레임에 위치한 작은 베어링 하나는 고정시킨 채, 뒤의 큰 베어링과 아래 작은 베어링이 안쪽으로 움직이도록 한 작동 원리를 통해 벨트 전체 길이는 변하지 않지만, 벨트가 지나는 경로의 길이를 늘려 더 짧은 길이 가진 런닝머신을 구현할 수 있도록 설계하였다.

2. 런닝머신의 길이 조절을 위한 발판 프레임의 자유로운 길이 변화

프레임과 발판을 두 부분으로 나누어 슬라이딩하는 구조를 사용함으로써 프레임이 이동하게 되면 발판 또한 동시에 이동하게 되는 구조를 설계하였다. 따라서, 총 기기의 길이 변화가 용이하도록 하였다.

3. 가변 트랙을 활용하여 런닝머신의 보관 공간 최소화

별도의 벨트 교체 과정 없이도 런닝머신 구동력과 총 벨트의 길이를 그대로 유지한 채 사이즈를 변화시킬 수 있도록 한다. 전체적인 프레임은 모드 전환 시 줄어드는 길이만큼 쉽게 줄어들 수 있도록 슬라이딩으로 겹쳐지게 설계하며, 소비자가 적은 힘으로 프레임의 사이즈를 변화시킬 수 있도록 하였다. 또한 하단에는 바퀴를 설치하여 지면과의 마찰을 적게 해 런닝머신의 이동의 편리성을 더하였다. 베어링 축에 런닝머신 벨트를 감아 지지대의 움직임에 따라 프레임 내에서 트랙이 겹쳐지는 정도가 변화할 수 있도록 하였다. 이때, 크기 변경 시 보조 베어링은 고정하고, 하단에 있는 보조 베어링은 이동시켜 실제 상단에 드러나 강아지가 밟는 벨트의 면적은 줄어들면서도 동일한 조건으로 구동이 가능하도록 하였다. 감긴 벨트가 서로 맞닿지 않으면서 구동하게 하여 소형견 모드에서도 안전하게 사용할 수 있도록 설계하였다.

4. 레일 구조 도입으로 인한 매끄러운 슬라이딩 구현

하단 프레임에 서랍에 주로 사용되는 레일 구조를 도입하여 많은 외력을 가할 필요없이 손쉽게 사용자가 대형견 및 소형견 모드를 전환할 수 있도록 설계하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

모터는 12V 90각 120W 사양을 사용하였다. 이때 DC 전환을 위한 어댑터와 토크를 높이기 위한 감속기도 동시에 배치하였다. 이때, 15:1의 감속비를 가지는 감속기를 이용하여 약 10.5배의 토크 향상률을 구현했다.

본 제작 당시 모터는 3000rpm을 사용하였으며, 15:1 감속기를 사용하여 이론적으로 200rpm으로의 감속을 계산하였다. 모터의 동력이 기어와 외부재에 완전히 전달됨을 가정하면 초당 3.33회의 회전수임을 알 수 있다.

모터와 맞닿아 있는 베어링 축의 외경은 약 3.5cm이다.

(1)

r : 베어링 축의 외경 rps(revolutions per second) : 초당 회전수

(1)식을 통해 계산하면 약 72.534cm 즉, 73cm/s의 속력을 가짐을 계산해내었다. 이는 일반인의 평균 보행속도인 1.2m/s보다 약간 낮은 수준으로 실제 반려견과 산책하는 속도와 유사하다.

개념설계 당시 앞, 뒤 프레임 제외 180cm에서 110cm까지 70cm의 길이 감소를 예상하였으나, 프레임 두께와 모터 부피 등을 고려하여 최종 런닝머신 길이는 196.4cm에서 126.5cm로 약 35.6%가량의 변화율을 보였다.

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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목차