과제의 목적, 개발동기 및 필요성

시각장애인은 길을 걸을 때 주변의 물체를 쉽게 파악하지 못한다. 지팡이를 이용한다고 하더라도 앞 방향의 물체만 파악할 수 있을 뿐이다. 따라서 모든 방향의 물체를 인지하고 물체와의 거리를 파악할 수 있게 하는 물체의 필요성을 느끼게 되었다. 여러 물체 중에서도 시각장애인들의 접근성을 낮추기 위해 누구나 많이 신고 다니는 신발을 이용하고, 따로 외부 시스템을 사용하지 않더라도 착용함으로써 바로 작동이 가능한 웨어러블 컴퓨터처럼 시각장애인들이 사용하기에 편리하게 하고 착용자의 부담을 줄이기 위해 기존의 신발에서 크기 변화를 최소한으로 만들고자 하였다.

과제의 해결방안 및 수행과정

본 과제의 효율적인 해결을 위해 팀을 둘로 나누었다. 3D프린터와 아두이노로 나누어 진행한 뒤 만나 서로의 결과물을 종합하기로 했다. 신발을 만들기 위해 3D프린터 팀은 Fusion 360이란 프로그램으로 신발을 설계하고 신발의 느낌을 살리기 위해 TPU 필라멘트로 만들기로 하였다. 프린터가 작아 문제가 있었지만, 설계도를 반으로 나눈 뒤 붙여 신발을 완성했다. 아두이노 팀은 신발에 들어갈 회로와 프로그래밍을 맡았다. 초음파센서의 거리측정과 이에 따른 진동 크기조절을 프로그래밍하고 아두이노 프로 미니에 이를 연결하여 회로를 구성했다. 이후 서로의 결과물을 확인하고 문제점을 고친 뒤 결과를 종합했다. 종합한 뒤 결과를 테스트하고 신발의 외견을 정리하는 마무리 작업을 진행했다.

과제의 내용

본 과제에선 Fusion 360을 이용하여 신발의 전체적인 틀, 초음파센서를 연결할 전선이나 스위치가 들어갈 자리 등을 미리 생각하며 신발을 설계하였다. 3D프린터로 신발과 회로에 연결된 전선 및 초음파센서를 가릴 판을 만들었다. 재료는 신발의 느낌을 살리기 위해 결과물이 휘어질 수 있게 TPU 필라멘트를 이용하였다. 신발의 작동은 3.3v 아두이노 프로 미니를 사용하여 이와 호환되는 초음파센서와 진동센서를 작동시키기 위해 3.7v 리튬 폴리머 배터리를 이용했다. 초음파센서는 각 신발에 전면, 후면, 측면 3개씩 연결하고, 이에 맞춰 진동모터도 3개씩 연결하였다. 초음파센서의 trig 핀에서 출발한 초음파가 장애물에 부딪히고 나와 다시 돌아오는 것을 echo 핀이 받을 때까지 걸린 시간을 알아내고 이를 통해 물체와의 거리를 측정하였다. 이 과정에서 프로그램이 작동하면서 생기는 시간 차이를 구하기 위해 여러 번의 실험을 거쳐 처음에 초음파의 속도를 이용한 계산 값과의 오차를 알아냈다. 초음파센서로 알아낸 거리와 음의 상관관계를 띄도록 진동센서의 진동 크기를 변화시켜 착용자가 물체와의 거리를 감지할 수 있도록 프로그래밍하였다. 또한, 장시간 작동을 위해 배터리에 충전모듈을 연결하여 충전이 가능하고 스위치로 전원을 끄고 킬 수 있게 설계하였다. 충전모듈에는 보호회로가 달려있어 과충전 방지를 가능하게 하였다.

기대효과 및 활용 방안

본 과제에서 제작한 신발은 모든 방향의 장애물을 탐지할 수 있다. 또한, 초음파센서의 긴 탐지거리로 지팡이보다 더 먼 거리의 장애물을 미리 알고 피할 수 있게 해주며 센서의 연속적인 탐지로 움직이는 장애물이나 작은 장애물까지 실시간으로 탐지할 수 있어 더욱 효과적인 모습을 보여준다. 실제 상황에서 시시각각 변하는 장애물을 빠르게 파악하고 피할 수 있다는 점이 본 과제의 가장 큰 장점이다. 기존의 신발에서 크기 변화를 최소한으로 하여 착용자의 부담을 덜고 복잡한 절차를 거치지 않는 쉬운 작동으로 누구나 쉽게 사용할 수 있다는 점 또한 본 과제의 장점이다.