[캡스톤디자인] 2021년 캡스톤디자인 Sleep-tech Device

2021년 인천대학교 기계공학과 2학기 캡스톤 디자인 출품작인 Sleep-tech device(Smart Pillow)와 관련한 포스팅입니다. NX를 이용하여 구성 component를 설계하였으며, 해당 stl file과 arduino 코드는 다음 repository에서 확인할 수 있습니다. 발표 ppt 또한 같이 첨부되어 있으며, 본 포스팅에서는 일부만을 발췌하여 진행합니다.

해당 수업에서 당당히 1등을 차지하였음을 알려드립니다.

발표 ppt

Introduction

• 슬립테크 산업은 위와 같은 다양한 뉴스와 설문조사를 통해 코로나 이전부터 많은 사람들의 관심을 끌고 있음을 확인할 수 있습니다. 또한 코로나 시대에 접어든 이후로도 그 관심도가 꾸준히 증가하고 있는 상태입니다. 실제로 가격이 많이 나간다 하더라도 구매를 하고 펀딩을 하는 소비자 수요가 많은 시장입니다.

• 이케아 코리아의 설문조사에 따르면 약 1,090명을 상대로 응답자의 54.2%, 즉 과반수 이상이 현 수면시간 및 상태에 있어 불만족한 상태라고 합니다. 이와 동등하게 건강보험심사평가원의 조사 결과, 국내에서 수면장애를 겪는 환자의 수는 매해 증가하고 있습니다. 위의 그림을 살펴보면 이러한 증가추세를 가시적으로 확인할 수 있습니다. 배달 산업과 마찬가지로 수면 사업 또한 영역을 꾸준히 확장하고 있습니다.

• 슬립테크의 첫 단계는 ‘수면의 질’ 측정입니다. 실제로 자는 시간이 부족한지, 깊은 수면을 하는지 등을 파악해야 합니다. 저희는 본 프로젝트를 진행하기 이전에, 개발되고 있는 sleep tech device의 종류들을 살펴보았습니다.
• 시장이 성장함에 따라 각 IT업계들은 슬립테크에 뛰어들고 있습니다. 삼성전자, 애플 등 손목에 차는 스마트 워치 제조사가 선두 주자로 앞서가고 있고, 구글도 슬립테크 분야를 강화하기 위해 미국 스마트 워치 업체인 핏빗을 인수하였습니다. 그러나 스마트 워치의 경우, 수면의 과정에서 불편함이 존재한다는 문제점을 갖고 있습니다.

• 잠자는 과정에서 불편함을 최소화하기 위하여 결국 베개로 시선을 옮겼습니다. 기존의 제품들은 AI와 결합하여 코골이 치료 혹은 수면을 모니터링하는데 그 초점을 맞추고 있었습니다. 또한 가격적인 측면에서 바라보았을 때, 20만원에서 높게는 80만원선에서 가격대를 형성하고 있었습니다. 다양한 기능 및 기술들이 추가됨에 따라 가격이 고가로 형성되었지만, 고가일 지라도 그 만큼의 소비자 층이 존재하기 때문에 수요로 이어진다고 판단하였습니다.

• 개선할 방향이 무엇이 있을까 분석해 보았을 때, 다음과 같은 3가지 결론에 도달하였습니다.

• 베개를 새로 구매할 필요없이 기존의 제품을 그대로 사용함으로서 원가를 절감하고, 그에 따른 새로운 베개의 적응의 불편함을 최소화할 수 있습니다.
• 또한 사용자의 니즈와 기호도, 즉 수면 유도에 그 초점을 맞추고
• 가격적 접근성을 용이하게 하기 위해 진입장벽을 낮추는 것에 집중하였습니다.

Design & Manufacturing

• 저희의 아이디어는 크게 3가지로 구성됩니다.
• 수면 보조 컴포넌트 설계 / 수면 보조 패드 설계 / SW 설계입니다.

• 먼저 스케치를 통해 보조 컴포넌트를 디자인하고 베개와의 연결성을 구성하였습니다.
• 이후 종이 박스를 이용하여 초기 제작을 통해 본 구상을 시험 및 치수를 구체화하였으며,
• 최종적으로 NX 프로그램을 이용하여 구체적인 설계를 진행하였습니다.

• 다음은 수면보조 패드입니다.
• 처음 아이디어 구상 시, 수면 보조 컴포넌트와 수면 보조 패드 두 가지 아이디어 중 선택을 하고자 하였으나, 제작 과정에서 두 가지의 아이디어의 장점을 동시에 가져가는 방향성을 체택하였습니다.
• 마찬가지로 스케치를 통해 초기 도안을 구상하였으며, 본 과정에서는 센서를 통한 설계가 주가 됨에 따라 패드와 컴포넌트의 연결방법을 착안하는 과정이 추가되었습니다.

• 본 프로젝트의 핵심은 결국 SW 부분입니다. 아이디어를 실현화하기 위해서는 센서의 장점을 이용함과 동시에 앱을 통한 제어가 가능해야 합니다.
• 따라서 아두이노를 통해 회로를 설계하였고, 스마트폰에서 제어가 가능하도록 App을 제작하게 되었습니다. 센서와 아두이노, 그리고 App의 연동성을 확인함으로써 작동성을 평가하였습니다.

• 주요한 작동원리는 다음과 같습니다. 자이로 센서를 부착한 수면보조패드가 사용자의 뒤척임을 감지하여, 백색 소음, 자장가, ASMR등 수면 유도기능을 활성화하게 됩니다.
• 또한 앱을 통한 연동을 이용하여, 뒤척임을 기반으로 한 실제 수면시간을 체크하게 됩니다.
• 핵심 기능은 다음과 같습니다. 사용자가 원하는 시간 (ex: 1 hours)을 설정하면 실제 수면시간을 측정하게 됩니다. 잠들기 이전에 뒤척임이 감지되면 기존에 설정한 수면 유도 종료시간이 reset되며, 이를 통해 초기 설정시간으로 돌아가 다시 작동하게 됩니다.
• 사용자마다 다른 뒤척임 정도에 따라 센서의 민감도 또한 설정할 수 있습니다.

시연영상

prototype 영상은 다음 링크에서 확인할 수 있습니다.

최종 결론 및 기대 효과

• 제작 과정에서 자이로 센서를 부착함으로써 사용자의 불편함 정도가 있을 것으로 예측되었습니다. 그 결과 패드와 모듈 사이에 메모리폼을 삽입하여 불편함 정도를 해소하였습니다.
• 본 제품을 사용할 시 베개 사용자에게는 66[dB]로 정확한 소리가 전달이 되지만, 사용자가 아닐 경우 주위에서는 56[dB]로 소리의 전달이 적었습니다.
• 이를 통해 외부에 피해를 주지 않고 사용자 만을 위한 작동이 가능함을 확인할 수 있었습니다.

• 예상되는 질의 응답 및 문제점들을 의논해보았습니다.

• 영국 로햄프턴 대학의 음악치료 전문가 닉 피켓 교수의 연구에 따르면 적당한 백색 소음은 수면에 긍정적인 영향을 끼친다고 합니다.
  • 자장가의 경우 심리적인 안정감을 주면서 자연스러운 수면을 돕는데 도움을 주며,
  • 백색 소음의 경우 뇌에서 알파파의 배출량이 증가하고 베타파는 반대로 감소한다고 합니다.
  • 이때 알파파는 ‘정신을 집중했을 때나 안정을 취하고 있을 때’, 베타파는 ‘뇌가 불안할 때’ 발생합니다.
• 본 아이디어의 백색 소음, 자장가와 같은 수면 유도 음악을 통해 수면의 질을 향상시킬 수 있습니다.
• 또한 추후 앱을 발전시켜, 음악 앱과의 연동이 가능합니다.
• 가격 진입장벽을 낮추는 것을 목표로 하였는데, 계산을 해보면 총 제작비는 22,170원으로 이윤을 남긴다고 하더라도 재료 대량 매수 시, 20~30%의 원가 절감이 예상됩니다.

• 스피커를 쓰면 되지 않느냐? 혹은 폰을 통한 음악 재생을 하면 되지 않느냐? 라고 말씀하실 수 있습니다. 본 아이디어를 구상하기 전, 본인 또한 수면과 관련한 스트레스가 많았고 잠들기 위해 노래도 틀어놓고, ASMR도 애용하였습니다. 그 과정에서 설정해놓은 타이머가 지나, 잠이 들지도 않았는데, 꺼지는 경우도 더러 있었고, 다른 사람의 수면을 방해하지 않을까 걱정도 했습니다.
• 저희는 본 제품, 본 아이디어를 통해 적어도 잠이 드는 과정에서 그 수면 유도 서비스가 종료되는 문제점을 해결하고자 프로젝트를 구상 및 진행하였습니다.
• 모두를 위한 스피커가 존재하듯이, 개인을 위한 아이템 또한 필요하다고 생각하였고, 보다 저렴하고, 타인의 수면에 방해되지 않게, 또 보다 간편하게 접근하여 이를 통해 수면에 조금 더 쉽게 다가갈 수 있기를 바라며 발표(포스팅)를 마치도록 하겠습니다.