프로토타입

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 회전 손잡이 및 펼쳐지는 보조바퀴를 갖는 캐리어

영문 : Carrier with Rotary Handle and Auxiliary Wheel Frame

과제 팀명

프로토타입

지도교수

000 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 이**(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 가**

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 황**

서울시립대학교 신소재공학과 20224500** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 캐리어의 주행 방식을 '세워서 밀기(4륜형)', ‘기울여서 당기기(2륜형)’에서 '눕혀서 당기기(카트형)'로 전환하는 역발상 설계를 통해, 사용자 피로도 감소, 추가 적재 공간 제공, 주행 안정성 향상의 세 가지 핵심 가치를 제공하는 것을 목표로 한다. 이는 기존 캐리어 시장에 없던 새로운 사용성을 제안하는 것이므로 기술적 차별성 확보와, 그를 통한 특허 출원을 할 수 있을 것으로 기대된다.

본 프로젝트의 핵심 아이디어는 캐리어의 가장 넓은 면(기존 캐리어 기준 옆면)이 바닥을 향하도록 하고, 이 면에 4개의 바퀴를 매립형으로 설치하는 것이다. 기존 캐리어가 좁은 측면이나 바닥면에 바퀴를 다는 것과는 근본적으로 다른 접근으로, 이러한 설계를 통해 사용자는 캐리어를 눕힌 상태에서 손잡이를 잡고 앞에서 당기는 방식으로 이동시킬 수 있다. 이는 기존의 캐리어 구동 방식과 정반대의 사용성을 제공한다. 이를 구현하기 위하여 필요한 부분이 회전 손잡이부와 펼쳐지는 바퀴부이다. 각각의 구체적인 구동 방식에 대해서는 본 보고서의 아.상세설계안에서 다루었다.

개발 과제의 배경

팀 구성원 중 두 명이 교환학생 경험이 있었고, 공통적으로 이야기했던 불편함이 크게 두 가지였다. 먼저 20kg 이상 적재된 캐리어를 끌고 혼자 장시간 이동할 때 손목과 팔에 하중이 집중되어 금방 피로해지고, 통증을 겪었다. 또한 캐리어를 두개 이상 동시에 옮겨야 해 양손이 자유롭지 못함으로써 지도를 확인하는 등 다른 행위를 하는 데에 어려움을 겪었다. 이러한 경험을 기반으로 사용자의 편리함을 증대시키고자 하는 데에서 본 프로젝트가 개발되기 시작하였다. 기존 캐리어는 크게 4륜형 구동과 2륜형 구동으로 나눌 수 있다. 4륜형의 경우 매끄러운 평지에서는 이동이 용이하지만 사용자가 뒤에서 캐리어를 미는 방식으로 구동하기 때문에 조향 안정성이 낮다. 반면 2륜형의 경우 조향 안정성은 더 높지만, 기울여 이동하는 방식 때문에 사용자가 캐리어의 하중을 손목과 팔로 견뎌야 해 장시간 이동이 어렵다. 따라서 본 프로젝트에서는 손잡이를 회전시킬 수 있고, 그에 따라 펼쳐지는 보조바퀴를 탑재한 캐리어를 설계하여 이러한 기존 캐리어 구동의 단점을 보완하고자 하였다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 주요 기능 및 기대효과

1) 손목과 팔의 피로도 감소 기존에 보편적으로 사용되던 2륜형과 비교하였을 때, 본 설계안은 4개의 바퀴가 캐리어의 모든 무게를 지탱한 채 수평으로 구동되므로 하중이 바퀴로 분산된다. 따라서 사용자는 수평으로 당기는 힘만 가하면 되므로, 캐리어의 무게를 팔로 지탱할 필요가 없다. 이는 장거리 이동 시 사용자의 피로도를 획기적으로 줄여줄 수 있다. 2) 적재 효율성 증대 탈부착식 적재부를 제작하여 캐리어 윗부분을 실제로 활용할 수 있는 공간으로 만들고자 한다. 캐리어를 수평으로 눕혀 카트형 캐리어로 구동할 때, 넓은 윗면에 존재하는 적재부를 펼쳐 다른 캐리어나 물품을 추가로 적재할 수 있다. 따라서 여러 개의 짐을 편리하게 운반할 수 있어 사용자 편의성을 향상시킬 수 있다. 3) 주행 안정성 향상 두 가지 측면에서 주행 안정성을 향상시키고자 한다. 먼저, 사용자가 캐리어의 '앞'에서 이동 방향을 선도한다는 것이다. 기존의 4륜형의 세워서 미는 방식은 사용자가 뒤에서 조작하므로 캐리어의 진행 방향을 예측하고 제어하기 어렵다. 반면, 본 설계안의 당기는 방식은 사용자가 나아가는 방향대로 캐리어가 즉각적으로 따라오게 된다. 두번째로로, 무게중심 측면에서 기존의 4륜형 방식보다 본 설계안의 카트형 방식의 경우에 무게중심이 더 낮아 안정성이 높다. 이는 사용자에게 직관적인 조향 을 가능하게 하여, 복잡한 환경에서도 사용자가 원하는 대로 안정적인 제어를 할 수 있게 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

현재 캐리어 기술은 크게 '소재 경량화', '휠 성능 개선', '스마트 기능'의 세 가지 방향으로 발전하고 있다.

1. 소재 및 경량화 리모와(Rimowa)사의 알루미늄, 샘소나이트(Samsonite)의 커브(Curv®) 소재 등 더 가볍고 내구성이 강한 폴리카보네이트(PC) 계열 신소재 개발이 주를 이룬다.

2. 휠 성능 일본 히노모토(Hinomoto)사의 저소음/고내구성 휠처럼, 360도 스피너 휠의 부드러운 주행감과 내구성을 높이는 방향으로 기술이 집중되어 있다.

3. 스마트 기능 GPS 추적, 자동 잠금, 배터리 충전 기능이 탑재된 스마트 캐리어, 탑승 가능한 캐리어, 사용자를 따라오는 자율주행 캐리어 등이 등장했으나, 높은 가격 및 최근 항공사 배터리 규제로 시장 확장 가능성이 낮다.

분석 결과, 기존 기술들은 소재나 부가 기능에 집중할 뿐, 캐리어의 근본적인 주행 방식과 사용자-캐리어 간의 역학 관계 자체를 혁신하려는 시도는 매우 드물었다. 본 과제의 수평 주행 방식은 이처럼 정체된 기구학적 설계에 대한 새로운 접근이다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

현재 여행용 캐리어 관련 특허는 ‘손잡이 구조’와 ‘바퀴 접힘 메커니즘’, ‘내구성 향상’에 집중되어 있으며, 주로 세워서 밀거나 기울여 끄는 방식의 개선에 국한되어 있다. 본 과제의 핵심 개념인 '눕혀서 당기는 수평 주행 캐리어’와 유사한 형태는 아직 공개된 바 없다.

인출 타입 보조휠을 가지는 캐리어(Carrier with withdrawal type auxiliary wheel)

출원번호(일자) : 1020180123539(2018-10-17)

내용 요약

캐리어의 손잡이 및 휠 결합부의 구조를 개선하여 내구성을 높이는 기술.

한계:

사용자가 캐리어를 기울여 끌 때 손잡이부에 집중되는 응력을 완화하는 수준에 그치며, 캐리어 전체를 눕혀 사용하는 새로운 주행 개념은 제시하지 않음.

문제점:

구조 복잡화로 인한 중량 증가, 발에 걸리는 문제로 인체공학적 불편 존재.

실내용 바퀴가 탑재된 캐리어(Carriers with Interior Wheels)

출원번호(일자) : 1020190162080(2019-12-06)

내용 요약:

실내용 캐리어로서 손잡이 회전 및 바퀴 접힘 기능을 통해 보관성을 높이는 기술.

한계:

이동 방식은 여전히 수직(4륜) 또는 경사(2륜) 구조에 머물러 있으며, 외부 이동 중의 안정성 및 조향성 향상에 대한 고려 부족.

차별점:

본 과제는 바퀴 접힘이 아닌 ‘프레임 전체의 자세 전환을 통해 주행 모드 자체를 변경한다는 점에서, 기존 기술과 기구학적 접근이 근본적으로 다름.

기타 선행기술 검토

자율주행형 또는 스마트 캐리어(미국, 일본 등록특허 등)는 센서·모터 제어 중심으로, 기계적 구조는 전통적인 4륜 기반에 머물러 있음

• 기술 로드맵

10월: 아이디어 구체화 및 상세 설계

목표: 제작 가능한 3D 모델 및 도면 확보

Key Tasks

-선행 기술 및 특허 자료 분석 완료

-회전하는 핸들부, 펼쳐지는 바퀴부의 핵심 메커니즘 스케치 및 목업 제작

-프로토타입 제작을 위한 재료(3D프린터 필라멘트, 기존 휠셋, 프레임 등) 선정

11월: 핵심 프로토타입 제작 및 1차 테스트

목표: '눕혀서 당기기'가 가능한 워킹 목업 1종 제작 완료

Key Tasks

-회전하는 핸들부, 펼쳐지는 바퀴부 등의 주요 부품 제작

-기성품(휠, 프레임, 핸들 봉) 조달 및 가공

-1차 워킹 목업 조립 및 구동성 테스트

-1차 테스트에서 발견된 설계 오류 및 구조적 문제점 파악

12월: 결과물 보완 및 최종 결과 보고

목표: 최종 결과물 성능 시연 및 프로젝트 완료 보고

Key Tasks

-테스트 결과를 바탕으로 한 결과물 수정 및 보완 (설계 변경 최소화)

-다양한 환경에서 기존 4륜 캐리어와의 비교 주행 테스트 (조향성, 안정성)

-핵심 기능(조향성, 피로도 감소, 추가 적재)을 시연하는 영상 촬영

-최종 결과 보고서 및 발표 자료 작성

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

◇ Strength

-명확한 차별성: '조향과 '피로도'라는 기존 캐리어의 고질적 문제를 동시에 해결함.

-직관적 사용성: 사용자가 앞에서 끌고 가는 대로 따라오는 직관적 조향성을 갖춤.

-안정성: 낮은 무게 중심으로 인한 주행 안정성 및 전복 위험 최소화.

-인체 부담 저하: 캐리어를 드는 힘을 줄임으로써 사용자 손목의 부담을 감소시킴.

◇ Weakness

-사용자 인식: 캐리어는 세우는 것이라는 기존의 고정관념을 깨기 위한 초기 인식 전환 비용(광 고 등) 발생.

-공간 차지: 주행 시 바닥 면적을 더 넓게 차지할 수 있음

-구조적 과제: 휠 매립으로 인한 내부 수납 용량 손실을 최소화하는 설계 필요.

◇ Opportunity

-여행 시장 회복: 여행 수요 급증으로 새로운 여행용품에 대한 관심 증가.

-편의성 중시 트렌드: 소비자들이 스트레스 없는 편안한 여행 경험을 위해 기꺼이 비용을 지불하 는 경향을 보임.

-틈새 시장 공략: 짐이 많은 가족 여행객 및 유학생과 이민자, 백팩과 캐리어를 동시에 운반하는 비즈니스 출장자, 조작이 쉬운 캐리어가 필요한 시니어 여행객 등 명확한 타겟 설정 가능.

◇ Threat

-거대 기업의 시장 지배력: 샘소나이트, 리모와 등 기존 강자들이 구축한 유통망과 브랜드 파워.

-모방 제품 출현: 아이디어가 성공할 경우, 거대 자본이 즉각적으로 유사 제품을 출시할 위험.

-가격 민감성: 초기 생산 단가가 높아질 경우, 가격 경쟁력에서 밀릴 수 있음.

◇ 전략적 시사점

S-T 전략(강점을 활용해 위협 대응)

-해당 제품의 성능의 핵심 구조의 특허 등록으로 모방 제품 방지

-해당 제품만의 강점으로 다른 기업 제품과의 차별화

W-O 전략(약점을 개선해 기회를 활용)

-내부 구조 개선으로 수납공간 손실 최소화

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇새로운 캐리어 주행 방식 표준 제시: 기존의 '밀기(Push)'와 '끌기(Pull)'로 양분된 시장에, '눕혀 당기기(Lay-flat Pull)'라는 제3의 표준을 제시한다.

◇여행용품의 인체공학적 설계 기준 향상: 단순한 수납을 넘어 '이동체'로서의 캐리어와 사용자 간의 상호작용 및 인체공학적 연구를 촉발시킨다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇신규 시장 창출 및 고부가가치 확보: 기존 캐리어 시장이 아닌 '고편의성 프리미엄 캐리어'라는 신규 시장을 창출한다.

◇독점적 지위 확보: 핵심 특허 확보를 통해 출시 후 3~5년간 시장에서 독점적 지위를 누리며, 기술 라이선싱을 통한 추가 수익 창출도 가능하다.

◇교통 약자의 여행 장벽 해소: 캐리어 무게를 지탱할 필요가 없고 조향이 쉬워, 근력이 약한 노약자나 어린이도 스스로 짐을 운반할 수 있게 되어 여행의 보편성을 높인다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

◇ 이**(팀장)

회전 손잡이부 제작 담당, 부품 구매 총괄,이론적 계산 진행

◇ 가**

회전 손잡이부 제작 담당, 적재부 제작, 활동비 정산 서류 작성

◇ 김**

펼쳐지는 바퀴부 제작 담당, 적재부 제작, 활동비 정산 서류 작성

◇ 황**

펼쳐지는 바퀴부 제작 담당, 적재부 제작, 제품의 전반적 조립 및 완성도 향상

◇ 조원 전체

선행기술 및 자료조사, 주간 보고 ppt 제작 및 발표, 완성품 제작, 완성품 기능 및 내구성 검증 테스트, 각종 보고서 작성

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

◇ 회전 손잡이부 -기존 캐리어 핸들 방식을 그대로 이용하였을 때의 문제점

기존 다단봉은 상단 틀이 내측부로, 하단의 틀이 외측부로 포개어지면서 상단 틀이 하단 고정핀을 눌러 해제하는 방식으로 접히는 구조이다. 그러나 다단봉 하단에 회전 관절을 추가할 경우, 이러한 접힘 메커니즘만으로는 관절 아래에 위치한 최하단 고정핀을 독립적으로 제어할 수 없다. 특히 고정핀은 크기가 서로 다른 각 봉 사이마다 각각 존재하며, 다단봉은 상단에서 하단 방향으로 순차적으로 접히는 구조이기 때문에, 기존 메커니즘에서는 최상단 고정핀과 최하단 고정핀 사이에 위치한 고정핀들이 해제되지 않은 상태에서 관절 하부의 최하단 고정핀만을 단독으로 작동시키는 것이 구조적으로 불가능하다.

이로 인해 상단 봉이 펼쳐진 상태에서는 관절 하부의 고정핀을 제어할 수 없으며, 상단 봉이 완전히 접힌 이후에야 하단 고정핀이 작동하게 된다. 결과적으로 2륜형 구동 모드와 카트형 구동 모드를 명확히 구분하여 제어하기 어려워진다. 따라서 상단 봉이 펼쳐진 상태에서도 최하단 고정핀을 독립적으로 작동시킬 수 있는 구조가 필요하다.

-본 설계안의 동력 전달 매커니즘

이를 해결하기 위해 사용자가 누르는 다단봉 푸쉬버튼을 최하단 고정핀과 직접 연결하고, 동력 전달 매개체로 복원력과 장력 내구성이 우수한 낚시용 케블러 와이어를 사용하고자 한다. 와이어는 다단봉 하단 고정핀에 타공된 내부 통로를 통해 내측부로 이동하며, 기존에 고정핀을 누르던 막대와 연결되어 상단 입력이 와이어에 전달되도록 구성된다.

그러나 와이어 기반 동력 전달은 구조적으로 미는 동작이 불가능하고 당기는 동작만 가능하다는 제약이 존재한다. 이로 인해 기존 다단봉과 같이 고정핀이 위쪽으로 정렬되어 압입에 의해 해제되는 구조는 적용할 수 없으며, 최하단 고정핀을 하부 방향으로 뒤집어 배치하여 와이어의 인장력에 의해 해제되는 메커니즘을 사용할 수밖에 없다.

또한 최하단 고정핀을 작동시키기 위해서는 다단봉 푸쉬버튼을 누르는 방향과 반대 방향으로 와이어를 당겨야 하므로, 힘의 방향 차이를 해결하기 위해 동력전달부 근처의 핸들부 플라스틱 파츠에 도르래 역할을 수행하는 핀을 삽입하여 힘의 방향을 전환하도록 하였다.

그림04. 와이어 방식을 적용한 회전 관절부 예상도

◇ 펼쳐지는 바퀴부 -바퀴부 회전 고정 방식

그림05. 바퀴부 회전 고정 방식. a. 평상시 핀과 누름막대의 모습 b. 누름막대가 눌리며 핀이 해제된 모습

바퀴부의 경우, 앞뒤 바퀴가 한 쌍으로 된 틀을 두개 제작해 그 틀이 회전함으로써 바퀴가 전개되고 다시 수납되도록 한다. 이를 위해 틀에 고정 핀을 두개 삽입하고, 이를 제어하는 누름 막대를 하나로 통일시켜 두개의 핀이 동시에 제어될 수 있다. 이때 핀의 작동 방식은 그림에서 보는 바와 같이 막대가 눌리면 핀이 안으로 해제되는 방식이고, 누름 막대가 다시 올라갔을 때 핀이 복원되어야 하므로 용수철을 삽입해 복원력을 가지도록 한다. 이때 용수철의 세기에 따라 누름 막대를 누르는 힘, 핀이 복원되는 정도가 달라지므로 적절한 용수철을 찾는 과정이 필요할 것이다.

그림06. a. 바퀴부 조립 예상도 b. 상부 형태 예상도

바퀴부에서 하중을 견뎌야 하는 것은 상부와 하부에 위치한 회전축이다. 하부의 경우 베어링 등을 이용한 장치를 활용하여 안정적인 구동과 하중 부담을 해결할 수 있지만, 상부는 누름막대가 움직일 수 있는 공간을 확보해야 하고, 하단과 동일한 베어링으로 진행할 경우 상단의 회전 다이얼을 돌려도 다이얼만 돌아가고 정작 바퀴부는 회전하지 않기 때문에 상부 틀을 직접 제작하고자 한다. 회전이 되어야 하므로 원형이어야 하며, 이탈을 방지하기 위해 최상부 프레임과 틀이 맞아떨어지며 추가적인 보조 장치가 있어야 한다.

그림07. 전체 캐리어 형태 예상도. a. 정면도 b, c. 카트형일 때 전체 캐리어 형태의 대각선, 측면 모습

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용