[27호]센서를 이용한 유모차의 브레이크 시스템

센서를 이용한 유모차의 브레이크 시스템

글 | 단국대학교 죽전캠퍼스 최창훈, 이건주, 황인욱, 이현의, 안도건

심 사 평
싱크웍스 안전 장치로써 중요한 부분이나 결과 시험 데이터가 없어서 완성도를 알 수 없다.
jk전자 결과 보고서에도 언급이 되어있는 내용대로 서보 모터를 이용한 브레이크를 구현한 부분에서 브레이크의 역할을 제대로 하지 못할 수도 있는 부분이 아쉽다. 하지만 나머지 작품의 완성도와 보고서에 있는 팀원들간의 회의록을 보았을때 팀원 모두가 골고루 참여해서 만들어낸 작품이라는 생각이 들고 유모차에 제동장치는 반드시 필요한 기능인 것 같다.
뉴티씨 어린 아이가 있는 부모라면, 누구나 한번쯤은 유모차를 가지고 아차하는 생각이 들 때가 있을 것이다. 또한, 그런 상황이 생기지나 않을까 우려하는 생각들이 많이 든다. 이러한 부분에서, 좋은 생각이라고 생각이 들지만, 실제에 맞게 구현되지 못하였다는 점에서 작품 완성도와 기술성에 낮은 점수를 주었다. 하지만, 실제로 이러한 것들이 사용할 수 있을 정도로 구현된다면, 좋은 기술이 아닐까 생각된다. 잠시 비상 상황에 대한 대비를 하는 것으로 배터리의 무게 등을 줄일 수도 있을 것으로 생각된다. 알람등을 알려주어, 부모에게 잠시 버티는 동안 다시 유모차를 안전하게 할 수 있도록 하는 것도 필요하리라 생각된다.

1. 요약
유모차의 4가지 조건은 승차감, 핸들링, 편의성 그리고 마지막으로 안전성이다. 따라서 우리는 아이의 안전을 최우선으로 하여 안전성을 갖춘 유모차를 제작하고자 이러한 제품을 구상했다.
우리 조가 구상한 유모차는 초음파 센서와 서보모터를 이용한다. 먼저 유모차 손잡이에 부모의 손을 감지할 수 있는 초음파 센서를 달고 손이 센서에서 떨어지면 서브모터가 작동해 바퀴에 브레이크를 건다.
이번 프로젝트의 가장 기반이 되는 제어장치인 아두이노는 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다.
손잡이에 부착할 수 있는 기기 중 생각했던 것이 적외선 센서, 스위치, 그리고 초음파 센서이다.
반사된 빛의 값을 Analog 값으로 받아 들여서 그 값이 특정한 범위 내에 있을 때 작동하게 하려고 했던 적외선 센서는 시간과 장소에 따라서 그 값이 크게 변할 수 있기 때문에 부적절하다고 판단했다. 또한 스위치는 곡선인 손잡이의 모양 때문에 부착이 힘들고 신체가 손잡이로부터 떨어져 있는지 알아내기에 힘들다는 의견이 나와서 제외했다. 마지막으로 초음파 센서는 적외선 센서처럼 물리적으로 직접 힘을 가하지 않아도 사용이 가능하기 때문에 손잡이에 부착할 센서로 가장 적합하다는 결론을 내렸다.
정리된 내용을 바탕으로 본 디바이스를 제작함으로써 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 안전사고를 미리 차단하여 영유아 유모차 사고율의 감소를 기대할 수 있다.

2. 서론
유모차가 경제성을 띄기 위해서는 4가지 조건을 필요로 한다. 첫 번째로 승차감이다. 유아가 이동할 때 느끼는 승차감이 부모들이 가장 우선시하는 요인 중 하나일 것이다. 어떤 부모이던 간에 아이의 편안함이나 안전을 먼저 생각하기 때문이다. 두 번째로 핸들링이다. 아이들을 데리고 다니는 것에 대한 부모들의 부담을 줄여주려면 핸들링 또한 유모차를 선택하는 데에 있어 중요 요인이 될 수 있다. 다음으로는 편의성이다. 아이와 원하는 곳까지 이동하고 나서 유모차의 수납공간이 문제가 될 것이다. 얼마나 부피를 차지하는지, 휴대하기 편한지 등등의 문제가 바로 그 것이다. 마지막으로 가장 중요한 것은, 아이의 안전성이다. 아무리 승차감이 좋고, 부모들이 운전하기 좋고, 휴대하기 편해도 아이의 건강에 문제가 될 위험이 있다면 부모들은 절대 그 제품을 구매하지 않을 것이다.
따라서 우리는 아이의 안전을 최우선으로 하여 안전성을 갖춘 유모차를 제작하고자 이러한 제품을 구상했다.
다음은 유모차 안전사고와 관련한 2010년의 한 기사를 발췌했다.
“사고내용은 타박상과 좌상, 부종이 81건(36.4%)으로 가장 많았고, 베인 상처와 열상 71건(32.0%), 뇌진탕 21건(9.4%) 등의 순이었다. 접이식 유모차에 유아의 손가락이 끼어 손가락이 절단되는 사고도 2건이 접수됐다. 사고원인의 절대다수는 추락이나 넘어짐, 미끄러짐(189건)이었고, 유모차에 눌리거나 끼어 발생한 사고(27건), 충돌, 충격(10건) 등의 순이었다.”
이를 통해 우리는 근본적인 유모차의 문제점은 ‘브레이크 시스템’이라는 것을 느꼈다. 따라서 수동으로 제어하는 기존 제품들의 브레이크보다는 조금 더 확실하고 안전한 브레이크 시스템이 도입되어야 한다고 생각했다. 우리가 생각한 큰 틀의 아이디어는 손잡이에 센서를 달아서 운전자의 손이 손잡이를 떠났을 때를 인식하고 브레이크를 잡는 시스템이다. 유모차 모형을 제작하여 여러 가지 센서들(초음파 센서, 스위치 센서, 적외선 센서)의 효율을 비교하여 결론을 도출할 것이다.

3. 본론
3.1 설계
(1) 아두이노(Arduino)
요즘 대부분의 가전 제품에는 아주 조그마한 컴퓨터가 들어가 있다. 예를 들어 우리가 항상 마주하고 있는 텔레비전의 경우에도 그 안에 조그마한 컴퓨터가 들어가 있어서 우리가 리모컨을 조작했을 때 동작을 인식하게 된다. 텔레비전 내부의 소형 컴퓨터처럼 회로기판 모양의 하드웨어 제어장치로는 아두이노, 아트메가 등이 있다. 그 중 우리는 디바이스 제작을 위해 아두이노를 사용한다.
아두이노(Arduino) 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러(MCU)이다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다. 또한 하드웨어 가격이 다른 모듈 제품에 비해 저렴하고, Windows, Mac, Linux 같은 여러 OS를 지원하는 멀티 플랫폼 환경이다.
아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야 하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다. 그리고 아두이노가 주목을 끄는 큰 이유는 하드웨어와 소프트웨어가 모두 오픈 소스를 바탕으로 만들어졌기 때문이다. 오픈소스 플랫폼으로 소스코드가 공개되어 있어 사용자가 원한다면 공개된 스펙을 바탕으로 손쉽게 새로운 기능을 추가하거나 기존 기능을 변경할 수 있다. 또한 다른 마이크로 컨트롤러와는 다르게 아두이노의 통합개발 환경은 다양한 운영체제에서 실행이 가능하도록 개발되었으며 IDE를 통해 한 번의 클릭으로 코드를 컴파일해서 아두이노 보드에 프로그램을 업로드할 수 있다. 따라서 코딩작업이 쉽고 수십가지의 프로그래밍 예제가 소프트웨어 안에 포함되어 있어, 전자, 전기, 컴퓨터 분야를 제외한 인문/사회, 예술 분야에서도 다양하게 활용되고 있는 추세이다.
아두이노의 또 다른 특징으로는 쉴드(shield)로 불리는 다양한 추가 모듈과 연결할 수 있는 표준 연결 방식이 정의되어 있다는 점이다. 쉴드 보드는 일종의 확장 보드로 생각할 수 있으며 아두이노 보드에 수직으로 장착하면 아두이노 보드에서 제공하지 않는 기능을 쉽게 구현할 수 있도록 해준다.

[그림 1.1]은 이더넷과 LCD 표시 장치를 위한 쉴드의 예를 보여주고 있으며 [그림 1.2]에서처럼 여러 개의 쉴드를 적층하여 동시에 사용하는 것도 가능하다.

아두이노는 C++을 기반으로 만들어졌으므로 스케치를 컴파일하고 실행시키기 위해서는 시작점인 main 함수가 반드시 필요하다. 하지만 아두이노 프로그램은 스케치를 위한 코딩을 최소화하기 위해 자동으로 main 함수를 추가하고 이를 프로그래머가 직접 작성하지 않아도 되도록 해줌으로써 쉽고 빠르게 프로그램을 작성할 수 있도록 해준다. 현재 가장 많이 사용되는 보드는 Arduino UNO로 Arduino UNO, Arduino UNO R2, Arduino UNO R3로 개정되어 왔다. 그 중 우리가 사용하는 아두이노 보드는 Arduino pro mini다. arduino pro mini는 일종의 아두이노 미니 버전으로 3.3V 시스템이며 8Mhz 부트로더가 동작한다. 본 제품은 아두이노 UNO와는 다르게 헤더나 USB 등이 없다. 미니 버전답게 가격이 저렴한 것이 장점이며, 보드 상에 전압 레귤레이터가 있어 12V DC까지의 전압을 받아들일 수 있다. 만약 정류되지 않은 전원을 사용중이라면 VCC가 아닌 RAW핀에 연결하여야 한다.

(2) 적외선 센서

적외선 센서는 적외선을 이용해 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 검지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환하는 장치이다. 스스로 적외선을 복사하여 빛이 차단됨으로써 변화를 검지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 우리가 사용할 적외선 센서의 종류는 능동식이다.
그 외에도 여러 가지 종류의 적외선 센서가 있다. 크게 나누면 양자형과 열형으로 나누고, 양자형에는 광기전력 효과를 중심으로 포토다이오드, 태양 전지 등이 있고, 광도전 효과를 이용한 PbS, CdS 셀 등이 있다. 반면 열형 센서는 열기전력 효과를 중심으로 서모 파일, 초전효과를 중심으로 PZT, LiTaO3 등이 있으며, 열전도 효과를 이용한 것은 서미스터와 볼로미터가 있다.
또한 인간센서라 부르는 적외선 센서도 존재하는데, 말 그대로 인간의 존재를 감지하는 센서를 말한다. 예를 들면 CCD 카메라로 촬영화상을 분석한다든가 이동체의 형상, 통과 물체의 크기, 중량, 체온 등을 종합적으로 분석하여 판단하는 방법이 있다. 그러나 이 가운데 가장 신뢰성이 있는 것은 인체에서 나오는 적외선을 감지하는 방법이다. 인체에서 나오는 적외선 크기는 6~14㎛의 파장영역을 가지고 있으므로 이 파장을 검출하는 초전 적외선 센서를 이용하면 된다.
초전 적외선 센서가 가지고 있는 특징은 필터를 거쳐 센서내로 조사되는 적외선을 열로 바꾸어 검출하므로 측정 대역이 0.2~20㎛로 넓기 때문에 특정파장만 통과할 수 있도록 실리콘이나 밴드패스 필터를 자재로 사용한다.

(3) 초음파 센서
초음파란 20kHz 이상의 주파수를 가지는 음파이다. 인간이 청취할 수 있는 가청주파수가 16Hz~20,000Hz이기 때문에, 초음파는 우리의 귀로 듣는 것을 목적으로 하지 않는다. 초음파가 쓰이는 용도로는 비파괴 검사 기기, 인체 진단 및 치료, 두께 혹은 점도 측정기, 세척기, 용접 등등이 있다.
초음파의 종류로는 크게 종파, 횡파로 나뉘며 종파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 같은 파이며 고체, 액체, 기체 중에서도 진행이 가능하다. 음파 중에서 가장 빠르다는 장점을 가지고 있다. 횡파는 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 수직인 파이며 액체와 기체 중에서는 소멸되는 특징이 있다. 속도는 종파속도의 절반 정도이다.

계측수단으로서의 초음파의 장점은 다음과 같다. 첫 번째로, 파장이 공기 중에서는 10mm, 액체·고체 중에서는 1mm 이하로 짧기 때문에 지향성, 직진성이 높다. 두 번째로는 전파속도가 공기 중에서는 340m/s, 고체 중에서는 5000m/s 정도로 일정하다. 세 번째로 투과매질이 기체, 액체, 고체, 투명체, 불투명체 다양하다. 마지막으로, 액체와 고체의 경계면에서 반사, 굴절, 회절 성질을 가진다. 즉, 계면에서 반사 및 투과, 공기층과 만나면 100% 반사한다.

초음파 센서의 작동원리는 다음과 같다. 대부분의 BWS용 초음파센서는 40kHz의 초음파를 발산하게 되는데 음파가 물체에 부딪쳐 되돌아올 때까지의 시간을 측정함으로서 물체까지의 거리를 측정한다. 음파는 15℃에서 초당 약 340m/s의 속도를 갖는다. (거리를 측정할 때에는 반드시 속도에 대한 정보가 필요하다.)
△t초 동안 발신된 주파수가 물체에 부딪쳐 다시 수신되기까지의 거리는 V(340m/s)× △t(s)이다. 하지만 거리는 초음파를 발신해 수신된 왕복거리이므로 이것을 L ½한 V×△t×½이 물체까지의 거리임을 알 수 있다.

(4) Servo Motor
서보모터(servo Motor)는 모터와 제어구동보드(적당한 제어 회로와 알고리즘)를 포함하는 것으로 모터 자체만 가지고 서보모터라 하지 않는다.
즉 서보모터라는 개념이 모터의 구동시스템까지 포함하는 것이기에 모터 자체만 가지고 이게 서보모터냐 아니냐를 따지는 것은 아니다.

서보(servo)라는 용어는 추종한다, 혹은 따른다는 의미로서 명령을 따르는 모터를 서보모터라고 한다. 공작기계, CCTV카메라, 캠코더, DVD, 프린터 등에 사용되는 모터처럼 명령에 따라 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있는 모터를 서보모터라 한다. 어떠한 종류의 모터라 하더라도 적당한 알고리즘과 회로를 가지는 구동시스템을 갖다 붙여서 위치와 속도를 추종할 수 있도록 만들면, 서보시스템이 이루어지는 것으로 모터와 기계부, 제어구동 S/W가 결합된 제어추종시스템을 말한다.
즉, 서보시스템의 블록도를 보면, 명령 장치로부터 제어목표값(위치, 속도, 기타)을 지시받고 검출기를 통해서 현재값(위치, 속도, 기타)을 검출하여 목표값 대비 현재값의 차이가 항상 작게 만드는 피드백 회로임을 알 수 있다.

(5) 결론
1) 스위치

스위치는 물리적으로 버튼을 눌렀을 때 작동을 하기 때문에 상대적으로 오차가 적다. 반면, 버튼을 직접 눌러야하기 때문에 생기는 불편함과 손잡이가 곡선인 것을 감안하면 유모차로부터 떨어져있는지 여부를 판단하는 용도로는 부적절하다는 결론을 내렸다.

2) 적외선 센서

적외선 센서는 스위치처럼 물리적으로 버튼을 누르지는 않지만, 반사되어 들어오는 빛의 값에 일정한 임계치를 설정해서 센서의 전방에 물체가 있는지 파악할 수 있는 원리이다. 하지만, ‘반사된 빛’이라는 것은 시간과 장소에 따라서 크게 변할 수 있기 때문에 사람과 유모차 간의 거리를 판단하는 용도로는 부적절하다는 결론을 내렸다.

3)초음파 센서

초음파 센서는 적외선 센서처럼 물리적으로 직접 힘을 가하지 않아도 사용이 가능하기 때문에 1차적으로 용의하다는 의견이 나왔고, 적외선 센서처럼 시간이나 장소에 크게 영향을 받지 않기 때문에 초기에 나왔던 세 가지의 센서 중에서 초음파 센서가 가장 적합하다는 결론을 내렸다.

(6) 제품 예상도

(7) 회로도

(8) 코딩

4. 결론
4.1 연구결과의 문제점 및 한계점
이번 연구의 목적은 유모차의 안전성 중 가장 중요한 브레이크 시스템을 자동으로 제어하는 것이다. 즉, 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 추락, 미끄러짐 사고를 예방하기 위한 것이다. 이 제품가 상용화가 되었을 때, 이미 보유하고 있는 수많은 유모차들을 외면하고 새로운 유모차를 구입했을 때 발생 할 수 있는 금전적 손실을 방지하기 위해서, 이 제품은 기존에 존재하는 유모차에 탈부착이 가능한 방식을 채택하였다. 하지만 비용적 측면의 한계로 인해 유모차를 구입하지 못하여 모형을 제작하여 사용했다는 점과 여러 가지 경우(브레이크의 종류, 바퀴의 종류 등에 따라 발생 할 수 있는 변수) 등에 대해 실험하지 못하였다는 점에서 이 제품은 향후 개선되고 더 발전 할 가능성이 크다.
실험을 통해 알게 된 한계점은 DC모터와 같이 보다 torque가 높은 장치를 사용하면 보다 높은 안전성을 보장할 수 있지만, 전력공급을 아두이노만으로 했기 때문에 DC모터를 구동시키기에는 전력이 부족했다. 이에 대한 개선책으로는 Li-Polymer 전지를 직렬로 연결하고 보다 높은 전압과 전류를 제공하고, 이를 LM7806 등과 같은 Voltage Regulator 등으로 전압을 안정화시켜주는 등의 방법이 있다.

4.2 본 연구의 기대효과
본 디바이스를 제작함으로써 유모차 운전 중 부주의로 발생할 수 있는 안전사고를 미리 차단하여 영유아 유모차 사고율을 감소시킬 수 있다. 사용자들의 편의를 위하여 센서와 브레이크를 탈부착이 가능한 타입으로 제작하면, 기존의 유모차를 사용하고 있던 사람들 또한 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 이런 브레이크 제품의 새로운 시장을 기대할 수 있고, 유모차 자체에 이 시스템을 도입하는 새로운 형태의 유모차도 출현할 것이다.

5. 회의록 요약 정리

■ 유모차 바퀴 종류

(1) 한쪽에 바퀴가 2개인 경우 : 바퀴 양 옆에가운데 축에 브레이크를 설치해 안쪽에서 양옆으로 브레이크를 가해 정지시킨다.

(2) 한쪽에 바퀴가 1개인 경우 : 바퀴 브레이크를 설치해 바깥에서 가운데로 브레이크를 가해 정지시킨다.

6. 참고문헌
■ ARDUINO, Open Physical Computing Platform-아두이노 참고문헌
■ 소비자원 “유모차 안전사고 매년 증가” 연합뉴스 2010년 01월 19일 자http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=001&aid=0003080501
■ 유모차용 자동브레이크 시스템 개발저자명 : 김민호(M.H. Kim)외 8명
■ http://www.riss.kr/link?id=A82453611