CopyrightⒸ2007 KSAE 1225-6382/2007/090- 06 Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 6, pp.38-43 (2007)
발판 높이와 의자밑판 각도에 따른 체압분포 변화와 불편함의 상관성 평가
박 동 운1)․안 세 진*2)․유 완 석3)
부산대학교 기계설계공학과1)․부산대학교 기계기술연구소2)․부산대학교 기계공학부3)
Study on Relationship between Discomfort and Body Pressure Distribution on the Seat under Height of Footrest and Angle of Seatpan
Dongwoon Park1)․Sejin Ahn*2)․Wansuk Yoo3)
1)Department of Mechanical Design Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
2)Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
3)School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea (Received 7 December 2006 / Accepted 8 May 2007)
Abstract : In this paper, a study is described on finding a relationship between discomfort and body pressure distribution. In the first step, experiments were conducted to find correlation between pressure distribution and discomfort. The experiments of 12 people on 9 seats were performed. In the second step, parameters and correlation coefficients were determined between the measured body pressure distribution and median values of the subjective evaluations of 12 subjects using psychophysical power law.
Key words : Body pressure distribution(체압분포), Subjective assessment(주관적 평가), Seat comfort(안락감), Physical characteristics(물리적 특성)
1. 서 론1)
시트에서 불편함은 등받이(backrest)와 시트밑판 (seatpan)의 형상, 발판 높이, 시트와 시트커버 재질 등 많은 요소들의 영향을 받고 있으며, 상호관계를 밝히는 연구들이 진행되어 왔다. 앉은 자세에서 인 체의 하중은 좌골골절(ischial tuberosity) 25cm2 부분 에 집중되고, 이것이 시트와 접촉하는 부위에서 높 은 체압이 형성되어, 불편함을 느끼게 하는 원인으 로 알려져 있다.1)그래서 시트의 불편함에 대한 연 구에서 체압분포를 사용하는 방법이 여러 가지 방 법으로 연구되어 왔다.2-5)
Park6)은 앉은 자세에서 체압분포의 변화를 통해
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
서 안락한 시트와 불편한 시트사이에는 명확한 차 이가 있으며, 좌골 결절을 중심으로 나타나는 체압 분포를 통하여 안락함의 정도를 분석하였다. Iagaki7) 은 등받이와 의자밑판이 승차감에 다른 영향을 주 며 등받이가 밑판에 비해서 승차감에 더 많은 영향 을 준다고 하였다. Milivojevich8)는 허리를 지지하는 부분의 평균압력과 승차감 사이에 상관성을 연구하 였으며, Oudenhuijzen9)은 두 대의 다른 차량(sedan, MPV)의 시트에서 발생하는 체압분포의 정도가 두 시트의 안락함의 정도를 평가하는 중요한 요인이 된다고 결론을 내렸다.
본 논문에서는 시트밑판과 발판의 높이가 변함에 따라 체압분포의 차이가 불편함에 주는 영향을 분 석하기 위한 실험을 실시하였다. 주관적 평가는 크
발판 높이와 의자밑판 각도에 따른 체압분포 변화와 불편함의 상관성 평가
기예측법(magnitude estimation method)10)을 이용하 여 수치화 하였고, 시트의 체압분포를 이용하여 객 관적 불편함을 수치화 하였다. 그리고 이러한 주관 적 수치와 객관적 수치의 상관도를 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1 평가자
시트의 밑판 각도와 발판의 높이 변화에 따른 불 편함의 변화를 주관적으로 평가하는 평가자(sub- jects)는 만 23세에서 31세 사이의 남자 12명을 대상 으로 하였으며, 피시험자에 대한 인체 측정 데이터 는 Table 1에 나타내었다.
실험에 참가한 평가자들은 실험 전 평가의 목적 및 방법에 대한 교육을 실시하여 충분히 숙지하도 록 하였다. 시각적인 선입견과 작동음으로 인한 평 가오차를 줄이기 위하여 평가자는 눈가리개(eye mask)와 귀마개(ear plug)를 착용하였다. 평가자들 은 실험 전 시트의 평가 방법 및 감각을 익히기 위해 서 몇 가지 상태에 대해서 예비실험을 실시하였다.
주관적 평가는 시험자의 질문에 평가자가 답하는 형식으로 이루어졌다. 평가는 3번 반복 수행하였으 며, 각 시험 사이에는 휴식시간을 두어서 평가자의 집중력이 떨어지지 않도록 하였다. 만약 주관 평가 자가 불편함의 정도를 결정하지 못할 경우에는 평 가항목을 건너뛰고 다음 항목을 먼저 평가하고 시 험 후반에 다시 평가하였다.
2.2 실험 장치
실험에 사용된 시트는 시트 밑판의 각도를 지면 에 대해 0°에서 15°까지 3°단위로 설정가능하며, 평
Table 1 Subject characteristics
구분 평균 표준편차 최대/최소값
몸무게 (kg) 69.5 10.5 97.5/46.5
키 (cm) 172.0 3.5 179.5/166.0
앉은키 (cm) 93.4 1.8 98.5/90.0
엉덩이둘레 (cm) 96.7 3.9 112.0/90.0
허벅지둘레 (cm) 54.9 3.8 64.0/47.5
다리길이 (cm) 79.7 4.2 102.0/73.5
허벅지길이 (cm) 31.2 1.3 33.5/28.0
가 중 밑판의 각도와 발판의 높이를 제외하고 불편 함에 영향을 주는 요인을 배제하기 위하여 단단한 나무를 사용하여 밑판과 발판을 제작하였다. 시트 의 발판은 신속히 높이를 변화 시킬 수 있도록 실험 에 사용할 발판을 제작하여 교환하는 방식으로 시 트와 발판 사이의 높이를 조절하였다. 실험에 사용 된 시트를 Fig. 1에 나타내었다.
압력측정 장치는 체압센서인 압력매트(pressure mat), 측정된 데이터를 아날로그에서 디지털 신호로 바꾸어주는 컨버터, 데이터의 저장 및 소프트웨어 가 들어있는 PC로 구성되며, 실험에 사용된 체압분 포 측정 장치는 X-sensor Technology Inc.의 박막필 름형 FSR(force sensing resister)로 × 격자 구조 로 되어있으며, 센서의 각 cell의 크기는 이며, Fig. 3에 센서의 실물과 컨트롤 측정 장비의 화면을 나타내었다.
Fig. 1 Equipment for variable seat position
Dongwoon Park․Sejin Ahn․Wansuk Yoo
2.3 실험 절차
평가자의 자세는 Matsuoka11)와 Park12)이 제안한 운전자의 자세가 될 수 있도록 시트 밑판과 발판의 높이를 조절하였고, 이 자세를 기준자세로 설정하 였다. 기준자세를 중심으로 시트 밑판의 각도를 0°, 6°, 12°의 3단계로 나누었으며, 발판의 높이도 0cm, 3cm, 6cm 로 3단계로 나누어 총 9가지 종류의 자세 조합으로 시트를 평가하였다. 평가 가능한 9가지 자 세의 조합을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서 가운데 위치한 사각형 안이 기준자세가 되도록 하여 기준 자세를 중심으로 시트 밑판은 ±6°의 3단계로 각도 를 조절하며, 발판은 ±3cm로 3단계로 나누어 높이 를 조절하였다. 시트의 등받이는 평가자의 허리가 직립한 자세를 잡기위한 용도로만 사용하였으며, 등받이에 등이 직접 닿지 않게 하여 실험에는 직접 적인 영향을 주지 않도록 하였다.
실험의 순서는 평가자가 인지하지 못하도록 임의 로(random)로 생성하였으며, 3번 반복 실험하여 중 간값(median value)을 이용하였다.
Fig. 2 Pressure measurement and data acquisition system
Fig. 3 Seated posture for test
3. 평가방법
3.1 분석 및 심리물리학 법칙
3.1.1 Magnitude Estimation Method
주관적 평가를 수치화 하기위해 심리물리학(psy- chophysics) 측정법의 한가지인 크기예측법을 사용 하였다. 기준시트의 불편함을 100점으로 설정하여 주관 평가자로 하여금 불편함의 정도와 평가지수를 기억하게 하고, 기준 시트보다 더 불쾌할 경우에는 100~500점사이의 값을 결정하도록 하였으며, 기준 시트보다 덜 불쾌할 경우에는 0~100점 사이의 값을 결정하도록 하였다. 예를 들어 기준 신호에 비해 불 편함이 2배 커졌으면 200점, 반으로 줄었으면 50점 을 주도록 하였다. 예비실험에서 종이에 그려진 원 의 크기를 비교하는 방법을 통하여 평가자에게 크 기예측법을 숙달시켰다.
3.1.2 Stevens power law
본 실험에서는 평가자들의 주관적 평가 결과와 체압분포 결과 사이의 상관관계를 분석하기 위해 Stevens의 심리물리학적 급수 법칙(psycho-physical power law)10)을 이용했으며, 다음식과 같다.
(1)
where : Sensation magnitude
: constant
: Stimulus intensity
여기서 는 감각의 크기, 는 자극의 강도, K는 척도단위를 결정하는 임의적인 상수, 그리고 는 감각 양상과 자극 조건들에 의존하는 지수이다. 급 수함수의 지수 값은, 가 의 함수로 그려질 때 그 래프 상의 곡선의 모양을 결정한다. 식 (2)의 양변을 대수변환하면 지수의 값에 동등한 기울기를 가진 식 (3)과 같은 일차함수(linear function)가 된다.
(2)
실험결과들의 특정한 집합에 대한 급수 법칙의 지수 는 심리적 척도값 의 대수에 대응하는 자극 값 의 대수들에 대해, 그 점들에 적합(fitting)된 직 선의 기울기를 찾음으로써 발견할 수 있다. 이 기법 은 또한 실험 자료들에 대한 급수 법칙의 적합의 근 사성을 평가하는 데 아주 유용하다. 대수-대수 그래
Study on Relationship between Discomfort and Body Pressure Distribution on the Seat under Height of Footrest and Angle of Seatpan
프(log-log graph) 상의 직선으로부터 그 자료 점들의 어떤 체계적인 이탈은 그 정신물리학적 크기 함수 가 급수함수가 아니라는 표시이다. 만일 특정한 실 험의 정신물리학적 함수가 급수함수인 것으로 드러 나면, 최소자승법(least squares methods)을 이용하여 그 자료에 가장 잘 적합한 급수 방정식의 상수들인
와 를 결정할 수 있다.
3.2 비매개변수 통계학
주관평가에서 평가자의 수는 결과의 신뢰성과 매 우 밀접한 관련이 있으며 많을수록 바람직하고 그 경우 대표 값으로 평균값을 사용하였다. 하지만 평 가자의 수가 적을 경우 평균값을 사용하면 편차가 큰 특정한 주관 평가자에 의해서 평균값이 지나치 게 과대평가 되거나 과소평가 될 수 있기 때문에, 본 실험에서는 중간값 분석을 이용하는 비매개변수 통 계학(nonparametric statistics)13)을 활용하였다. 이 경 우 평가자 수가 많지 않아도 비교적 신뢰성 있는 통 계 결과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 평가자가 임의로 선택한 순서에 따라 평가를 수행한 12명의 주관적 평가 결과와 시 트의 밑판 및 발판 상관도를 분석하기 위하여 Fried- man의 이원 분산분석(the Friedman two-way ANalysis Of VAriance by rank)을 사용하였으며, 다음 식에 나 타내었다.
(3) where : number of rows (subjects) : number of columns (variables)
: sum of rank in the th column
데이터는 n열과 k행의 이원배치(two-way table)로 표현되며, 조건 k가 같은 수의 모집단으로부터 추출 되어지는 귀무가설(null hypothesis)을 테스트하기 위해 사용된다. 열은 피실험자 또는 피실험자에 매 치되는 세트를 나타내고 행은 다양한 조건을 나타 낸다. 만약 여러 조건하에서 피실험자의 점수가 연 구대상일 때 각 열은 k 조건하에서 피실험자의 점수 를 나타내며, 각 열의 점수는 1부터 k까지 순위로 매 겨진다. 데이터가 무작위라면 각 열에서 순위의 합 이 n(k+1)/2가 될 것이다. 번째 조건 또는 열에서 순
위의 중간값이 와 같다고 귀무가설을 설정하고, 유의수준에 해당하는 기각치 보다 의 값이 크거 나 같으면, 은 로 대체되며, 귀무가설은 기각된 다. 즉, 실험 조건이 상관성을 가진다고 평가할 수 있다.
4. 평가 결과 및 분석
첫 번째, 평가자들이 발판 높이 및 밑판 각도에 따 라 불편도를 평가한 주관적 평가를 수치화한 결과 를 아래에 나타내었다. Fig. 4에는 발판의 높이 변화 에 따른 주관적 평가 결과를 중간값을 적용하여 시 트 밑판의 각도에 따라 나타내었다. Fig. 4에서의 결 과는 대부분의 평가자가 기준자세보다 발판의 높이 가 높거나 낮을 때 더욱 불편함을 느꼈음을 나타낸 다. 이유로는 발판 높이가 0cm가 되면, 발이 공중에 뜬 상태가 되어 허벅지 앞쪽에 불편함을 느끼기 때 문이며, 이와는 반대로 발판의 높이가 6cm일 때는 마른 사람일수록 엉덩이뼈(ischium) 부분에 불편함 을 높게 평가하였기 때문이다. Fig. 5에는 시트밑판 각도의 변화에 따른 주관적 평가 결과를 나타내었 다. Fig. 5에서는 Fig. 4에서와는 반대로 시트 밑판의 각도가 증가하면 허벅지 앞쪽에 불편함을 느꼈고, 각도가 감소하면 엉덩이뼈 부분에 불편함을 느꼈 다. Fig. 4와 Fig. 5에서의 결과에서 평가자들은 시트 의 밑판이 수평을 이룰 때 보다 일정 각도, 일정 높 이의 시트밑판과 발판의 조합에서 더욱 편안함을 느끼고 있음을 알 수 있다.
두 번째, 주관적 평가 결과와 시트 밑판의 각도 및
Fig. 4 Subjective rating for footrest height change
박동운․안세진․유완석
Fig. 5 Subjective rating for seatpan angle change
발판 높이 변화 사이의 상관도는 Friedman의 이원분 산분석을 이용하여 Table 2에 나타내었다. 더 높은 유의수준을 만족한다고 상관도가 더 높은 것은 아 니지만, 상관성을 가질 확률이 증가한다. 발판 높이 가 고정일 때 밑판 각도의 변화와 불편도 평가값 사 이가 상관도를 가질 확률이 밑판 각도를 고정시키 고 발판 높이를 변화시킬 때 보다 높다고 하겠다. 특 히 밑판 각도가 6°, 12°일 때는 주관적 평가 결과와 상관이 없는 것으로 평가되었다.
세 번째, 12명의 평가자가 크기 예측법을 사용하 여 평가한 주관적 평가값과 체압분포 센서를 통해 서 측정된 압력과의 상관도를 분석하기 위하여 선 형회귀(linear regression)법을 적용하여 상수와 지 수 및 상관계수(correlation coefficient)를 구하였다.
Table 3에 시트 발판의 높이 변화에 따른 체압분 포 센서에서 측정된 최대압력과 주관적 평가값 사 이의 상수 K와 지수 및 상관계수를 나타내었다.
최대압력과 주관적 평가 결과 사이의 상관도는 시 트 밑판이 고정이고 발판의 높이가 변화할 때가 시
Table 2 Correlation coefficients for subjective rating
Subjective rating Friedman ANOVA by rank
0 ° 5.54 5.17 -
6 ° 3.29 - -
12 ° 1.79 - -
0 cm 10.04 8.67 **
3 cm 10.17 8.67 **
6 cm 6.79 6.17 *
where * : ≪ , ** : ≪
Table 3 Correlation coefficients for maximum pressure
Max pressure Body pressure distribution
0 ° -0.01 2.51 0.96
6 ° -0.01 2.52 0.97
12 ° -0.02 2.49 0.98
0 cm -0.02 2.54 0.50
3 cm 0.04 2.54 0.59
6 cm 0.03 2.53 0.87
트 발판이 고정이고 밑판을 변화시킬 때 보다 높았 다. 밑판이 0cm로 고정일 때를 제외하고는 0.59
~0.98 사이의 상관도(결정치)를 나타내고 있어서 시 트의 밑판 및 발판의 변화가 불편함에 영향을 준다.
5. 결 론
12명의 평가자를 대상으로 9가지 착석 자세에 대 한 주관적 평가 결과를 크기예측법을 사용한 결과 평가자들은 시트의 밑판이 수평을 이룰 때 보다 일 정 각도, 일정 높이의 시트밑판과 발판의 조합에서 더욱 편안함을 느끼고 있었다.
주관적 평가 결과와 시트 밑판의 각도 및 발판 높 이 변화 사이의 상관도를 Friedman의 이원분산분석 을 이용하여 평가하면, 시트 밑판의 각도 변화가 시 트 발판의 높이 변화보다 불편함에 더 많은 영향을 주고 있다.
주관적 평가 결과와 체압분포 측정치중 최대 압 력값 사이의 상관도를 시트 밑판의 각도 및 발판 높 이 변화에 대하여 정신물리학적 법칙을 사용하여 분석하면, 시트의 발판의 높이 변화가 체압분포 변 화에 더 많은 영향을 준다.
시트 밑판 높이의 변화는 체압분포 변화에 많은 영향을 주며, 밑판 각도의 변화가 발판 높이의 변화 보다 피시험자의 불편함에 더 높은 상관도를 가지 고 있다.
후 기
본 연구는 산업자원부 미래형자동차 사업(과제번호 10016789)의 지원으로 이루어졌으므로 지원기관에 감 사를 드립니다.
발판 높이와 의자밑판 각도에 따른 체압분포 변화와 불편함의 상관성 평가
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