1. 문제 정의
주제를 선정할 때 완성물을 판매하게 된다면 어떤 제품이 가장 잘 판매 될지 고민해 보았다. 보통의 전자 제품 중 가사노동을 줄여주는 제품이 하이마트와 같은 대형마트에서 많이 판매 된다는 것을 알 수 있다. 일상 생활 속에서 어떤 일이 우리와 밀접한 관련이 있을지에 대해 고민해본 결과, 많은 가사노동 중에서 빨래를 개는 기계를 설계하면 어떨까 라는 생각을 하였다. 주된 가사노동에는 빨래, 청소, 설거지가 있는데 보통 왠만한 가사노동들은 청소기나 식기세척기와 같이 가사노동을 줄일 수 있는 제품이 있다. 하지만 빨래에 관한 기계들인 세탁기와 건조기 등과 같은 기계들은 기술이 진보함에 따라 기능이 개선되고 소비자의 만족도를 높여갔지만 빨래를 개주는 기계는 볼 수 없었다. 그래서 빨래를 하게 되면 빨래를 개는 일에 있어서는 기계에게 맡기지 못해 사람이 직접 해야 했고 가사활동을 주로 담당하는 주부들이나 자취생들에게 작은 노동피로가 쌓이게 되어 결국에는 ‘손목터널증후군(carpal tunnel syndrome)’이라는 질병까지 초래하게 되었다. 수근관 증후군이라 불리는 이 질병에 걸리게 되면 신경이 압박 되고 신경 압박이 지속되면 해당 부위가 무감각 상태에 이르고 무지구 근의 심한 위축이 나타나 손의 기능이 현저하게 감소된다. 본 조는 현재 시장에 없는 제품을 생산해서 미개척 시장을 공략할 뿐만 아니라 가사노동으로 인한 질병을 예방하기 위해서 불필요한 가사노동을 줄일 수 있고 활용성과 접근성을 동시에 가진 수건 접기 로봇(Tower Folding Machine)을 설계하게 되었다.
2. 문제 분석
빨래를 개는 로봇을 설계함에 있어서 빨래의 종류에 대해 고찰을 할 필요가 있다. 문제 정의에서 언급했듯이 본 조는 활용도가 넓은 기계를 제작하는 것을 목표로 하였다. 여러 빨래를 종류에 상관없이 유동적으로 빨래를 갤 수 있는 기계를 설계하기 위해 ‘빨래의 종류와 사이즈에 따라 유동적으로 빨래를 갤 수 있는가?’ 라는 문제를 정의하였다. 빨래의 종류에는 수건, 티셔츠. 바지, 속옷 등과같이 여러 종류가 있고 가족 구성원에 따라 성인에서 유아까지 사이즈의 차이가 있을 수 있다. 본 조는 간편하게 조립할 수 있는 레고의 특성을 살려 빨래 개는 로봇의 날개 부분을 탈부착식으로 하였다. 그 결과 옷의 종류나 사이즈에 상관없이 자신이 원하는 규격에 맞는 날개를 부착하여 빨래를 갤 수 있었다. 가족 구성원들의 쉬운 접근을 위해서 EV3의 버튼을 누르면 기계가 작동하는 간단한 인터페이스로 기계를 제작하였다. 그에 따라 누구나 사용하는데 어려움이 없을 것이라고 생각하여 접근성 또한 갖추었다고 생각한다.
3.자료수집
빨래를 연속적으로 개는 일로 발생할 수 있는 ‘손목터널증후군’이란 손목 앞쪽의 작은 통로인 수근관이 좁아지면 이 곳을 통과하는 정중신경이 눌려 손목 통증과 함께 엄지, 검지 및 중지 및 손바닥 부위의 저림 증상이 나타나는 병이다. 이 증후군이 심해지면 손의 힘이 약해지고 손목을 잘 못 쓰는 운동 마비 증세가 발생하기도 한다. ‘손목터널증후군’은 수술을 통해 치료할 수는 있지만 수술 후 후유증이 발생할 수 있기 때문에 사전에 손목을 보호해 주어야 한다.
티셔츠를 접기 위해서는 티셔츠를 기계 위에 올려 놓은 후에 접어야 한다. 그래서 접어야 할 티셔츠의 크기를 알아보아야 한다.
성인용과 아동용 티셔츠들의 사이즈별 가슴둘레, 총 기장 등을 알 수 있었다. 총 기장의 평균은 60.6cm이었고, 가슴둘레의 평균은 48.4cm 였다. 하드웨어를 설계할 때 수집한 자료를 참고해 기계의 길이와 너비를 조절하도록 하였다.
티셔츠를 접을 때 라지모터를 사용하기 때문에 라지모터의 특징을 살펴보았다. 라지모터는 미디엄모터에 비해 상대적으로 힘이 좋지만 속도는 느리다. 티셔츠를 접기 위해서 더 필요한 부분이 모터의 힘이기 때문에 라지모터를 선택하였다. 힘의 세기를 –100부터 100까지 조절 할 수 있는 모터로 정밀한 조절이 가능하다.
4.설계구현 및 내용
TFM(T-shirt Folding Machine)을 설계해 구현해 보았다.
TFM의 작동순서는 첫 번째로 왼쪽 날개의 모터가 작동하여 티셔츠의 왼쪽 팔이 접히게 되고, 두 번째로 오른쪽 날개의 모터가 작동하여 티셔츠의 오른쪽 팔이 접히게 된다. 마지막으로, 로봇 중앙의 모터가 작동하여 팔이 접힌 티셔츠를 반으로 접어 마무리한다.
위 사진은 티셔츠를 접기 위해서 처음으로 설계한 하드웨어이다. 처음으로 설계한 하드웨어에서는 TFM이 티셔츠를 접기 위해서 필요한 부분만 생각해 조금 부실한 모습을 볼 수 있었다. 티셔츠의 팔 부분이 제대로 접히지 않는 경우가 발생하였다. 라지모터 2개를 사용하였을 때는 양쪽의 날개가 힘이 없어 추가적으로 다리를 부착하여야 했지만 다리를 부착하게 되면 무게가 늘어나 더욱 더 많은 힘이 필요했다. 그에 따라 고안한 방법은 처음 설계한 것과 다르게 라지모터를 5개 사용하였다. 라지모터 3개는 EV3브릭과 연결해 움직이지만 티셔츠의 팔 부분을 접어주는 날개의 아래부분에 달린 2개의 라지모터는 EV3브릭과 연결하지 않았다. 이 2개의 라지모터의 역할은 양쪽 날개의 라지모터에 가해지는 힘을 분산시켜 균형을 맞추어 주는 역할을 한다. 또 기계가 팔 부분을 접어준 후 티셔츠를 반으로 접을 때 티셔츠의 아래 부분을 받쳐주지 않아 티셔츠가 예쁘게 접히지 못했다. 그래서 티셔츠를 반으로 접어주는 모터의 아랫부분을 받쳐줄 수 있는 부분을 추가하였다. 그 결과 아래의 사진과 같은 하드웨어 모양을 완성하게 되었다.
하드웨어가 티셔츠를 접기 위해 필요한 프로그래밍을 하였다.
전체적으로는 무한루프를 통해 진행시켜준다. 세부적인 것은 모터 조작을 통해 이루어지도록 하였다. 앞의 두 명령은 B에 연결된 라지모터를 제어한다. B에 연결된 라지모터는 왼쪽 날개에 해당하며, 팔을 접어주기 위해 세기를 최대 100으로 설정하였고, 접어준 팔을 정밀하게 펼쳐 주기 위해 60의 세기로 설정하였다. 여기서 팔을 접어주고, 펴주는 방향은 +와 –로 구분할 수 있다. 같은 방식으로 A에 연결된 오른쪽 모터, C에 연결된 중앙의 모터를 제어해 프로그래밍을 하였다.
5. 구현된 작품의 기능평가
라지모터의 기능에는 탱크모드, 조항모드, 일반모드가 있는데 저희 조는 일반 모드를 이용했다. 일반모드를 이용하여 왼쪽 팔부분과 오른쪽 팔부분과 옷을 반으로 접는데 모터가 제 역할을 하였고 아래 부분의 라지모터 2개를 이용하여 왼쪽과 오른쪽 팔 부분을 접을 때 아래쪽 부분을 안정적으로 받칠 수 있었다. 하지만 원래 설계했던 대로 모든 종류의 옷을 접을 수는 없었다. EV3 모터의 특성상 완전한 기능을 하지 못하기 때문에 무거운 옷을 드는데 무리가 있었다. 하지만, 일반적인 모터를 사용하여 EV3의 약점을 보완한다면 모든 옷을 갤 수 있을 것이다.
6. 구현된 작품의 성능평가
성능평가는 responsiveness(응답), thruput(효율), cost(비용)의 세 가지 개념으로 나누어 측정된다. 먼저 응답 부분에서의 성능평가를 하면 EV3브릭의 버튼을 눌렀을 때 바로 티셔츠를 접는 일이 실행이 되었다. 효율면에서는 불필요한 가사 노동을 이 기계를 통해 해결할 수 있기 때문에 효율적이라고 볼 수 있다. 또한 비용을 생각했을 때 티셔츠를 접을 수 있는 최소한의 3개의 모터와 티셔츠를 받쳐줄 부분만 있으면 실현 가능하기 때문에 많은 비용이 필요하지 않을 것으로 예상된다.
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