머리가 Real Thing

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 차량 승하차 보조 휠체어

영문 : Assistive folding wheelchair for vehicle transfer

과제 팀명

머리가 Real Thing

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 정*성(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 송*배

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 정*주

서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 정*성

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 조는 휠체어에 환자가 앉은 상태에서 시트와 그 하부 구조를 차량 방향으로 안전하게 빼낸 뒤 시트 높이를 조절하고, 상부 시트를 차량 시트 방향으로 회전시킴으로써 큰 힘을 들이지 않고도 환자를 승하차시킬 수 있는 휠체어를 제작하고자 한다. 결과적으로 본 특수 휠체어는 차량 문이 60~70도 정도 열리는 좁은 환경에서, 휠체어를 문과 평행하게 접근시킨 뒤 시트 슬라이드 및 회전 기능을 활용하여 기존 수동 휠체어 대비 훨씬 편리한 승하차를 가능하게 한다.

개발 과제의 배경

장애인 및 고령자의 차량 이용 시, 휠체어에서 차량 혹은 차량에서 휠체어로 옮겨 타는 과정이 매우 위험하고 부담스럽다. 휠체어 사용자의 이동 편의를 높이고, 보호자의 신체 부담을 줄이기 위한 기술 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 특히 차량 이용 빈도가 높은 현대 사회에서, 휠체어-차량 간 승하차 보조 기술은 높은 시장 가치를 지닌다. 차량 개조 방식이 편의성 측면에서 효과가 가장 좋지만, 차량 개조는 관련 법률에 의해 비용이 매우 높게 형성되어 있다. 따라서 차량 개조 없이 합리적인 비용으로 휠체어 사용자 이동의 편의성을 높일 필요가 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

목표

- 휠체어와 차량 간 승하차 시 불편함을 최소화할 수 있도록 시트를 지탱하는 내부 프레임의 레일을 통한 전방 슬라이딩 구조를 설계 및 구현한다.

- 핸드 잭 리프트를 통해 시트를 상승시켜 차량 시트와 높이 차이를 줄이고 안전한 이동 경로를 확보한다. 이때 양측 올라가는 높이가 일정하도록 설계한다.

- 상부 시트의 회전 및 팔걸이를 활용한 시트 연장 구조를 통해 휠체어와 차량 간 승하차 시 이동을 편리하게 한다.

- 휠체어 하부 구조를 개선하여 보조 바퀴가 내부 프레임 전방으로 이동 시 무게를 지지할 수 있게 한다.

내용

휠체어의 프레임을 외부 프레임과 내부 프레임으로 나눈다. 외부 프레임에는 등받이와 팔걸이 후방부, 메인 바퀴가 설치되고 내부 프레임에는 휠체어의 시트, 높이를 조절하는 핸드 잭, 보조 바퀴로 구성되어 있다.
내부 프레임은 시트의 양측 중앙부에 핸드 잭을 설치하여 최대 약 30cm까지 좌석 높이를 조절할 수 있도록 구성한다. 또한 내부 프레임의 하부에 레일을 설치하여 시트 및 내부 프레임이 인출될 수 있도록 한다. 이때 레일은 캔틸레버 구조로 안정성을 부여한다. 보조 바퀴가 시트 이동 시 하중을 지지함으로써, 좌석을 전방으로 안정적으로 이동시킬 수 있다. 이중 구조로 구성된 상부와 하부 시트 중, 상부 시트는 전방부가 곡선 레일을 통해 회전하고 팔걸이가 보조 시트 역할을 하여 차량 시트에 이어져 원활한 접근이 가능하다. 시트가 차량 쪽으로 전진하면 팔걸이가 스냅핏 구조로 자동 해제되어 브리지 판으로 전환되고, 필요 시 내부에 수납된 추가 보조판을 펼쳐 차량 시트에 안정적으로 걸 수 있어 별도의 픽업 플레이트 없이도 사용자를 부드럽게 이동시킨다. 시트 회전 구조에서 가운데 부분을 연결된 구조가 아니라 간격을 두었고, 좌우 병렬로 배치된 타일 리프트이기 때문에 가운데 축이 존재하지 않아 기존 휠체어와 같이 접이가 가능하여 보관이 용이하다. 그 밖의 뒷바퀴(24인치), 앞바퀴(8인치), 프레임, 등받이, 손잡이 등은 일반적인 수동 휠체어의 형태를 유지하되, 본 프로젝트에서는 실제 차 대비 길이를 2:1로 축소하여 모형(실물 치수의 절반 크기)으로 제작한다.

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 정준성: 아이디어 및 개념설계, 상세설계, 제작, 예산정산
◇ 송현배: 아이디어 및 개념설계, 상세설계, 제작
◇ 정동주: 아이디어 및 개념설계, 상세설계, 제작
◇ 정제성: 아이디어 및 개념설계, 상세설계, 제작

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

1) 슬라이딩 시트 구조

- 시트 하부 구조에 연결된 양측 레일을 이용하여 시트를 포함한 하부 구조가 30cm 이상 앞으로 빠져나오도록 설계. - 시트가 전방으로 이동해도 무게중심이 유지되도록, 10cm이상의 오버랩 구조를 갖는 레일을 활용하고, 보조바퀴를 하부구조에 일체화. - 시트가 끝까지 빠져나오지 않는 기능을 레일 구조에 반영.

2) 핸드 잭 적용

- 휠체어 내부 프레임의 양측에 타일 리프트 핸드 잭을 수직 배치하여, 시트 전체를 상하로 움직일 수 있음. - 작동 중 흔들림이 없도록 전체적인 구조 안정성 개선 예정.

3) 이중 구조 시트 & 70도 회전

- 하부 시트는 하부 프레임에 고정, 상부 시트는 보조 레일을 통해 회전 가능. - 시트 회전 시 좁은 각도로 열린 차량 문에도 접근이 용이.

4) 팔걸이 연장 구조

- 팔걸이를 두 부분으로 분리하여 전방 부분은 보조 시트화 - 하부 구조 이동 시, 팔걸이 전방부가 함께 따라나오며, 연장되어 추가 보조 시트로 활용

5) 기존 휠체어 프레임 유지

- 휠체어 접이 구조는 변경 없이 보존, 필요한 부위에만 추가 프레임이나 레일을 설치. - 전체 무게와 부피 증가를 최소화하기 위해 경량 알루미늄 합금이나 고강도 스틸을 선택. - 뒷바퀴는 24인치(air 타이어), 앞바퀴는 8인치(solid)이며, 등받이·손잡이·프레임 등은 일반 수동 휠체어와 같은 형태로 제작. - 전장 1040mm, 전고 875mm, 시트폭 420mm라는 일반적 사양에 기반하되, 본 프로젝트에서는 2:1 축소 모형으로 제작

개념설계안

1) 개념설계 요약

- 슬라이딩 시트 + 핸드 잭 구조 + 이중 구조(회전) 시트의 결합으로, 휠체어 사용자의 차량 승하차 과정을 단순화하고 안전성을 높임. - 차량에 휠체어를 가깝게 붙인 뒤, 하부 구조를 슬라이드하여 승하차 위치를 조절하고, 핸드 잭으로 시트를 차량 시트 높이에 맞춤. - 시트 상부는 회전이 가능해, 좁은 문 개방각도에서도 원활히 탑승 자세를 만들 수 있음.

이론적 계산 및 시뮬레이션

실제는 100kg의 하중을 견디는 구조이지만 본 설계에서는 길이축소비를 2:1 하였다. 따라서 그에 따라 전체적인 구조가 작아지는 점을 고려하여 10kg 미만의 하중을 견디는 휠체어 모형을 제작하는 것을 목표로 한다.

1. 이론적 계산

◇ 지렛대 원리

지렛대는 고정된 축점(받침점, fulcrum)을 기준으로 회전 운동을 통해 작은 힘으로 큰 하중을 들어올릴 수 있도록 해주는 대표적인 단순 기계이다. 이 원리는 다음과 같은 모멘트 평형 조건을 바탕으로 한다.

F1*d1=F2*d2

여기서 F1: 작용점에서의 힘 (입력 힘) d1: 작용점에서 받침점까지의 거리 (입력팔, input arm) F2: 하중이 걸린 점의 힘 (출력 힘 또는 하중) d2: 하중점에서 받침점까지의 거리 (출력팔, load arm)

◇ 캔틸레버 모델

d=k(F*L^3)/(E*I)

F: 하중 (N) ≈ 30N (레일 하나 기준) L: 인출 길이 (m) = 0.18m E: 탄성계수 (재질에 따라 상이, 예: 알루미늄 70GPa, 강철 200GPa) I: 단면 2차 모멘트 (슬라이드 레일 단면 형상에 따라 결정)

2. 시뮬레이션

◇ 휠체어 시트의 슬라이드 레일

슬라이드 레일 전체 길이: 20cm 인출 거리: 약 15cm 시트 위 하중: 10kg 시트 하부 구조 하단은 보조 바퀴로 지지

보조 바퀴가 일부 하중을 분산하더라도, 좌우 슬라이드 레일에는 여전히 수직 하중 + 부분 모멘트가 걸린다. 따라서 레일 강도 및 처짐(Deflection)을 검토할 때, 기본적인 단순보(캔틸레버) 모델을 가정해보면 최악의 경우(가장 많이 돌출되어, 중앙 레일이 충분히 지지해주지 않는 상황)에 대한 안전여유를 확인할 수 있다.

d=k(F*L^3)/(E*I)

총하중: 10kg (≈ 98N) 중앙 레일 지지율: 예컨대 30~50%로 가정할 수 있음 30% 지지 시: 중앙이 3kg, 남은 7kg을 좌우 슬라이드 레일이 나눔 → 한쪽 레일당 3.5kg(34N) 50% 지지 시: 중앙이 5kg, 남은 5kg을 좌우 슬라이드 레일이 나눔 → 한쪽 레일당 2.5kg(25N) 즉, 한쪽 슬라이드 레일은 대략 2.53.5kg(2535N) 정도를 지지한다고 볼 수 있다. 레일이 15cm 정도로 길게 돌출될 수 있으므로, 이를 단순 캔틸레버로 보고 처짐(1~2mm 이하)을 목표로 설계하면 안전율을 어느 정도 확보할 수 있다.

상세설계 내용

1. 설계도

1) 휠체어 프레임(메인) 안에 ①레일을 포함한 ②시트 하부 구조(인출가능)를 장착. 2) 시트 하부 구조에 ③핸드잭(2개)가 시트 양측 중앙에 수직으로 설치. 각 핸드잭은 ④이중 시트 중 하부 시트 프레임을 지지. 3) 상부시트 아래에 ⑤반원형 슬라이드 레일. 4) 상부시트 위의 양 측면에 시트 하부 구조와 함께 인출 가능한 ⑥팔걸이(보조 시트 연장에 활용). 5) 뒤쪽은 ⑦12인치 후륜, 앞쪽은 ⑧4인치 전륜 장착. 6) 뒤로 접히는 ⑨발걸이.

2. 수치기입도 휠체어의 길이 및 각도는 다음과 같다.

1) 평상시 2) 승하차시

3. 부품도

높이를 조절하기 위한 핸드잭 구조는 부품도는 다음과 같다.

1) 핸드잭 시스템

레일 시스템을 활용하여 시트를 앞으로 인출함으로써 충분한 공간을 확보.

2) 레일 구조

휠체어 시트 양쪽에 핸드 잭을 설치하여 높이 조절이 가능하도록 하고, 눈금 표시를 통해 양쪽 높이를 동일하게 맞출 수 있도록 설계함.

3) 휠체어 시트 구조

휠체어 시트가 레일 구조를 따라 앞으로 인출됨. 인출된 후 시트 앞부분이 레일을 따라 약 60° 회전하도록 하여 자동차 좌석에 보다 가까이 접근할 수 있도록 함. 이후 팔걸이를 내려 보조시트로 활용함.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

본 과제의 완성도를 높이기 위해 다음 세 가지 개선 작업을 진행하고자 한다.

먼저, 레일 설치 방식을 재검토하여 실제 차량 환경에서 레일이 보다 견고하게 지지되도록 하고자 한다. 기존 단일 고정 방식 대신 간단한 보강대나 다중 고정 포인트를 적용하여 흔들림을 줄이고 안정성을 높이도록 한다. 두 번째로 핸드잭 하강 시 안전 기능 추가를 통해 사용자가 내림 동작에서도 손쉽고 안정적으로 컨트롤할 수 있도록 할 예정이다. 잠금 장치나 속도 제어 장치를 더해 과속 낙하를 방지하고, 중간 락 포인트를 마련해 원하는 높이에서 시트를 고정할 수 있게 개선하고자 한다. 마지막으로, 실제 크기 시제품 제작 및 평가를 통해 전체 무게, 조작감, 동력(전동화 옵션 포함) 구성의 타당성을 검증할 예정하고자 한다. 실제 운반·조작 환경에서 사용자의 부담과 동력 요구사항을 확인하고, 필요 시 배터리 용량이나 모터 성능 기준을 구체화하여 상용화 준비를 하고자 한다.

위 과제들을 차례로 수행함으로써 본 휠체어 시스템의 실용성, 안전성, 완성도를 높이도록 할 것이다.

특허 출원 내용

내용

머리가 Real Thing

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

특허 출원 내용

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