1조-NASA

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

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