우리 학교 ‘IM3’팀이 ‘탈·부착식 전동 휠체어’를 개발해 ‘캡스톤디자인 경진대회’와 ‘대학생 창의디어 사업화 경진대회’에서 연달아 대상을 차지하며 주목받고 있다. 6명의 기계공학과 김희경(09학번), 기백(09학번), 박지웅(11학번), 박형곤(10학번), 안영종(09학번), 홍기상(09학번) 학우들이 바로 그 주인공이다. 그들을 만나 탈·부착식 전동 휠체어의 연구 과정과 원리, 그리고 앞으로의 계획에 대해 들어봤다.
복지관에서 사회복무요원으로 근무한 기백(기계 09) 학우의 경험에서 연구가 시작됐다. 장애인분들에게 도움이 되는 제품을 만들었으면 좋겠다는 생각에 휠체어라는 아이템을 선정했다. 사전 지식이 없었기 때문에 양천장애인종합복지관을 방문해 장애인분들에게 직접 이야기를 들었다. 그들은 입 모아 “싼 가격의 휠체어로 쉽게 이동했으면 좋겠다”고 말했다. 그래서 이에 초점을 맞추고 새로운 휠체어를 구상하기 시작했다.
IM3이 개발한 탈부착식 전동 휠체어는 어떤 것인가.
휠체어에는 수동휠체어와 전동휠체어 두 종류가 있다. 수동휠체어는 가볍지만 직접 뒷바퀴를 굴려 움직이기 때문에 장거리를 이동할 때 한계가 있다. 전동휠체어는 장거리 이동에는 용이하나, 가격이 높다. 또한 무겁고 부피가 커 차량 탑승 시 운반의 어려움도 존재한다. 그래서 우리는 기존 수동 휠체어에 탈·부착이 가능한 전동모듈을 개발했다. 이 전동모듈을 부착하면 수동휠체어를 전동휠체어로 사용할 수 있다. 탑승자가 스스로 전동모듈을 탈착시켜 모듈은 트렁크에, 수동 휠체어는 뒷좌석에 넣으면 일반 승용차에 탑승도 가능하다. 나아가 전동모듈이 기존 전동휠체어에 사용되는 것보다 더 작고 가벼워졌기 때문에 자연스럽게 가격은 낮아졌다. 휴대성과 경제성, 두 마리 토끼를 모두 잡는 휠체어다.
어떠한 과학적 요소와 원리를 고려했나.
알맞은 부품을 선택하기 위해선 휠체어를 둘러싼 힘의 정확한 계산이 필요했다. 국가표준인증종합정보센터가 제시한 요구조건에 따르면, 전동휠체어는 최소 6°의 경사로에서 2km 이상의 속도로 연속적인 주행이 가능해야 한다. ‘마찰에 의한 저항력과 경사각에 의한 저항력의 합은 모터에 필요한 힘의 크기와 같다’는 원리로 34.5N·m 크기의 *토크가 필요하다는 결론을 내렸다. 이는 동력대비 큰 토크로, 토크를 높여주는 350W 감속모터를 부품으로 선택했다. 바퀴가 헛돌지 않기 위해 접지력도 고려했다. 큰 접지력을 위해선 모듈과 탑승자의 질량은 커야 하고, 앞바퀴와 휠체어는 가까우며 탑승자와 뒷바퀴 사이의 거리는 멀어야 한다. 이렇게 직접 변수들을 조절하며 모든 휠체어의 규격을 맞췄다.
학우들 6명이서 많은 시행착오를 거쳤을 것 같다.
우리의 승부수는 ‘시간’이었다. 특히 휠체어의 ‘2륜+1륜’의 형태를 구현하기 위해 고난의 과정을 거쳤다. 우리가 만든 탈·부착식 전동 휠체어는 총 바퀴가 5개다. 앞바퀴 2개, 뒷바퀴 2개를 가진 기존 수동휠체어에 전동모듈이 달린 구동바퀴를 앞에 부착했기 때문이다. 5륜차의 형태로 언덕을 올라간다면, 언덕이 끝나는 지점에서 구동바퀴 1개가 공중에 뜨게 된다. 그러면 구동바퀴가 공중에서 헛돌며 뒤로 미끄러지는 상황이 발생한다. 많은 시행착오 끝에 앞바퀴 2개를 들어 올리기로 했다. 어린아이들이 타고 다니는 세발자전거를 생각하면 된다. 탑승자가 전동모듈을 탈착할 때, 앞바퀴 2개를 끌어올려 고정시켜 바닥에 닿는 바퀴의 수는 3개가 됐다. 언덕을 오르는 것은 물론, 바퀴가 5개일 때보다 훨씬 안정적인 구조다.
브레이크다. 탑승자가 갑작스레 정신을 잃게 되는 경우를 대비하기 위해선 브레이크에서 손을 놓았을 때 휠체어가 멈춰야 한다. 그래서 우리는 일반적으로 사용하는 자전거 브레이크를 반대로 적용했다. 손잡이를 잡으면 움직이고, 놓으면 제동기능을 하는 것이다. 하지만 탑승자가 장애인이라는 점에서 이는 많은 수정이 필요하다. 브레이크를 계속 잡고 있어야 움직이기 때문에 힘이 너무 많이 들어간다. 또한 한쪽 몸밖에 쓰지 못하는 장애인분들이 많은데 두 손을 모두 써야 하는 것도 문제다.
앞으로의 계획은 어떠한가.
현재 탈·부착식 전동 휠체어의 두 번째 버전을 계획하고 있다. 사업화에 대해서는 판매나 유통을 기존 휠체어 업체에 위탁하는 구조를 구상 중이다. 제품 개발부터 판매와 유통까지 우리가 직접 참여하기엔 초기 자본금이 너무 많이 필요해 사실상 불가능하기 때문이다. 아니면 정부에서 지원해주는 ‘사회적 기업’에 등록하는 것도 대안이다. 비록 졸업을 앞둔 6명이지만, 더 발전된 휠체어를 위해 열심히 연구 중이다. 우리가 직접 개발한 제품으로 장애인분들에게 도움이 된다는 사실이 아주 큰 보람이 되기 때문이다.
*토크=물체에 작용해 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량.