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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 피로 시 자동차 페달시스템 유형과 숙련도(숙련군과 비숙련군)에 따른 하지관절각의 3차원 패턴과 하지관절의 각범위, ROA(range of angle) 차이를 검정하고자 다음과 같은 가설을 설정하였다.
가설 설정
- 둘째, 페달시스템의 유형은 골반과 하지관절의 각범위(ROA)에 영향을 미칠 것이다.
- 셋째, 숙련도와 페달시스템의 상호작용이 골반과 하지관절의 각범위(ROA)에 영향을 미칠 것이다.
- 첫째, 숙련도는 골반과 하지관절의 각범위(ROA)에 영향을 미칠 것이다.
제안 방법
- 골반과 족관절 각범위의 two-way MANOVA에서 실시한 동일성 검정에서 [Table 6]과 같이 액셀페달을 제어할 때 골반 각범위의 p < .05보다 작아서 가정 (귀무가설: 공분산 행렬이 동일하다)에 위배되므로 더이상의 검정을 수행치 않고 나머지 변인에 대해서 검정을 실시하였다.
- 그리고 정확한 영상자료를 얻기 위하여 실험 전 모든 대상자들에게 실험복을 착용 시킨 후 전신의 관절점 및 분절 표면에 반사마커를 부착하고 측정에 앞서 대상자 신체의 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 스탠딩 캘리브레이션을 실시하였으며 스탠딩 캘리브레이션이 끝난 후 분절의 위치추적을 위한 트레킹마커를 제외하고 해부학적 정렬 상태를 측정하기 위해 사용된 마커는 모두 제거하였다.
- 앉은자세는 하지관절각을 좌우하므로 운전자는 자신이 선호하는 자세가 되도록 좌석을 조절하였다(좌석의 전·후와 높이). 그리고 주행구간은 브레이크와 액셀 페달의 충분히 작동할 수 있는 구간으로 선정하였으며 대상자가 동일한 구간을 3회 반복 주행하도록 하였다. 대상자는 무작위 순으로 이원급간설계(Two factors between subject design)로 배치하였으며 실험 진행자가 [Table 2]와 같은 주행 시나리오를 준수하도록 통제하였다.
- 그리고 주행구간은 브레이크와 액셀 페달의 충분히 작동할 수 있는 구간으로 선정하였으며 대상자가 동일한 구간을 3회 반복 주행하도록 하였다. 대상자는 무작위 순으로 이원급간설계(Two factors between subject design)로 배치하였으며 실험 진행자가 [Table 2]와 같은 주행 시나리오를 준수하도록 통제하였다.
- 연구 대상자들에게 실험의 필요성, 목적 및 실험 절차를 충분히 설명하고 참여 동의서를 득한 후 실험을 실시하였다. 대상자들은 동일 종류의 신발을 대상자에게 맞는 사이즈를 착용토록 하였으며 운전 시뮬레이터 환경에 익숙해지도록 실험 전 2개월 간 주 3회 이상의 개인별 연습을 시행하였다. 대상자는 [Figure 1]과 같은 장치를 통하여 탈진할 때까지 페달링하도록 하였으며 회복시간을 최소화하기 위하여 휴식 없이 바로 실험에 임하도록 하였다.
- 동일한 구간의 3회 주행한 영상자료의 위치좌표(raw data)를 Qualisys System의 QTM(Motion Capture Software)으로 획득한 후 Visual-3D software (Cmotion Inc., USA)를 이용하여 연구변인을 산출하였다. 또한, 고관절각, 슬관절각 및 족관절각은 상대각, 골반 각은 절대각으로 획득하고 3회 평균치를 사용하였으며 그래프화하였다.
- , USA)를 이용하여 연구변인을 산출하였다. 또한, 고관절각, 슬관절각 및 족관절각은 상대각, 골반 각은 절대각으로 획득하고 3회 평균치를 사용하였으며 그래프화하였다. 또한 통계적 검정을 위하여 PASW 18.
- 연구변인 중 골반각은 종축과 분절이 이루는 각인절대각으로, 고관절각, 슬관절각과 족관절각은 각 관절에서 두 분절이 이루는 각인 상대각으로 측정하였다. 축방향은 전방향이 Y축(좌·우 회전축), 상방향은 Z축 (수평면 회전축)이며 나머지 X축(전후 회전축)은 오른손 나사법칙에 준하였다.
- 피로 시 각의 패턴비교는 AP(액셀페달)과 BP(브레이크 페달)을 우측발로만 사용하는 외발시스템과 좌측 발은 액셀페달, 우측발은 브레이크페달을 전담하여 제어하는 양발시스템과 숙련도(숙련자와 비숙련자)의 조합으로 그래프화하였다. 이하 그래프의 공통된 범례 표기는 축방향은 a: X축, b: Y축과 c: Z축이며 흑색실선 (ex_both)는 숙련 양발시스템, 흑색점선(ex_right)은 숙련 외발시스템, 적색사각형 포함 점선(be_both)은 비숙련 양발시스템, 적색삼각형 포함 점선(be_right)은 비숙련 외발시스템으로 하였다.
대상 데이터
- 본 실험을 위한 대상자는 강원도 소재 K대학교 재학생 24명의 남학생을 대상으로, 운전면허증을 소지하고 실제로 2년 이상 운전경험이 있는 학생 12명을 숙련군으로 운전경험이 전혀 없는 학생 12명을 비숙련군으로 분류하였으며 신체적 특성의 평균±표준편차는 [Table 1]과 같다.
- 숙련도와 페달시스템 유형이 골반 및 하지관절 각범위에 미치는 영향을 조사하기 위하여 독립변수 2개(숙련도와, 페달시스템 유형)와 종속변수 4개(골반 각, 고관절, 슬관절, 족관절 각범위)인 N = 24개(4 × 6)의 자료를 사용하였다.
- 실험용 운전 시뮬레이터는 브레이크 및 가속페달, 핸들, 가상 주행환경, 운전좌석 및 6대의 동작분석용 카메라로 구성되었다. 실험에 사용된 가상주행환경은 [Figure 2]의 Test Drive (Unlimited PC, 2007; Atari (USA)를 이용하였다.
데이터처리
- 고관절과 슬관절 각범위의 two-way ANOVA에서 실시한 Levene검정에서 브레이크페달을 밟을 때 슬관절 각범위(Y)와 액셀페달을 제어할 때 고관절(X, Y ,Z) 각범위와 슬관절 각범위(X, Y)의 유의확률 p < .05보다 작아서 가정에 위배되므로 더 이상의 검정을 수행치 않고 나머지 변인에 대해서 검정을 실시하였다[Table 9].
- 또한 통계적 검정을 위하여 PASW 18.0의 two-way MANOVA와 two-way ANOVA를 사용하였으며, 이때 유의수준은 α = .05 로 하였다.
- 숙련도와 페달시스템 유형이 골반 및 하지관절 각범위에 미치는 영향을 조사하기 위하여 독립변수 2개(숙련도와, 페달시스템 유형)와 종속변수 4개(골반 각, 고관절, 슬관절, 족관절 각범위)인 N = 24개(4 × 6)의 자료를 사용하였다. 브레이크페달과 액셀페달을 밟을 때 족관절과 골반 각범위는 모두 통계적으로 유의한 상관을 보여 two-way MANOVA의 검정을 수행하고 고관절과 슬관절 각범위는 유의한 결과를 보이지 않아 two-way ANOVA를 실시하였다.
이론/모형
- Visual 3D(C-motion Inc., USA)의 마커 시스템에 준하여 [Figure 3]과 같이 마커를 부착하였으며 인체는 NLT(Nonlinear transformation)방식으로 3차원 좌표화 하였다. 동작분석을 위하여 Qualisys system의 적외선카메라 MCU-240을 사용하였고 원자료 획득을 위하여 샘플링율은 100Hz.
- , USA)의 마커 시스템에 준하여 [Figure 3]과 같이 마커를 부착하였으며 인체는 NLT(Nonlinear transformation)방식으로 3차원 좌표화 하였다. 동작분석을 위하여 Qualisys system의 적외선카메라 MCU-240을 사용하였고 원자료 획득을 위하여 샘플링율은 100Hz.로 차단 주파수는 6Hz로 하였다.
- 축방향은 전방향이 Y축(좌·우 회전축), 상방향은 Z축 (수평면 회전축)이며 나머지 X축(전후 회전축)은 오른손 나사법칙에 준하였다.
성능/효과
- 개체간 효과 검정을 통해서 브레이크페달을 밟을 때 족관절의 각범위(X, Y, Z)는 숙련도에 차이가 있고(p< .05), 액셀페달을 밟을 때 족관절의 각범위는 숙련도 (Y, Z), 페달시스템(Y, Z)과 숙련도와 페달시스템의 상호작용에 따라 차이가(p < .05) 나타났다[Table 8].
- 그리고 숙련군 액셀페달의 슬관절 각범위 제외한 고관절과 슬관절 각 범위는 양발시스템에서 작게 나타나고[Table 3]. 견관절 각 범위는 브레이크페달을 밟을 때 숙련도와 관계없이 양발시스템이 외발시스템보다 크거나 같고 액셀페달을 밟을 때는 외발시스템이 양발시스템보다 크게 나타났다. 또한, 골반 각범위는 숙련도와 페달에 관계없이 양발시스템에서 크거나 같게 나타났다[Table 3].
- 대형교통사고는 인적요인에 의해서만 약 72% 발생하며, 인적요인과 함께 도로환경 및 차량적요인이 간접적으로 작용한 경우가 23%, 차량적요인이 5%인 것으로 나타났다. 결과적으로 직간접적인 요인을 포함할 경우 인적요인이 95%를 차지하였다. 이러한 결과는 대형교통사고의 주요 원인이 인적요소에 집중되어 일반 교통사고와 크게 다르지 않으나, 도로환경과 차량적요인이 복합적으로 작용하여 인명피해가 커지게 되는 경우가 많은 것으로 나타났다[1].
- 셋째, 숙련도와 페달시스템의 상호작용은 액셀페달을 밟을 때 족관절 각범위(Z)에 영향을 미쳤다. 결론적으로 숙련도와 페달시스템 유형은 운전자의 하지자세에 영향을 미치므로 페달시스템의 개선을 고려할 만하다.
- 그리고 운전 숙련도에 따른 페달시스템 유형은 숙련 군과 비숙련군 모두 골반 각범위를 제외한 하지관절의 각범위(ROA)에서 유의한 차이가 있으며 특히, 숙련군보다 비숙련군에서 차이가 더 많고 숙련군의 유의한 변인은 비숙련군과 공통적으로 나타났다. 그러므로 운동학적 측면에서 외발시스템을 양발시스템으로 개선할 수 있는 여지가 있다고 판단된다[3].
- 대형교통사고는 인적요인에 의해서만 약 72% 발생하며, 인적요인과 함께 도로환경 및 차량적요인이 간접적으로 작용한 경우가 23%, 차량적요인이 5%인 것으로 나타났다. 결과적으로 직간접적인 요인을 포함할 경우 인적요인이 95%를 차지하였다.
- 첫째, 숙련도는 브레이크페달을 밟을 때 족관절의 각범위(X, Y, Z)와 액셀페달을 밟을 때 족관절 각 범위(Y, Z)에 영향을 미쳤다. 둘째, 페달시스템은 액셀 페달을 밟을 때 족관절 각범위(Y, Z)와 슬관절 각범위 (Z)에 영향을 미쳤다. 셋째, 숙련도와 페달시스템의 상호작용은 액셀페달을 밟을 때 족관절 각범위(Z)에 영향을 미쳤다.
- 둘째는 이와 상반되는 것으로 숙련군의 큰 관절각은 페달링과 관계없는 과도한 동작을 수행하는 것인지 그렇치 않으면 완전한 동작을 위한 것으로 생각된다. 셋째, 숙련도와 관계없이 양발시스템에서의 작은 관절각은 중립자세에 근사하므로 바람직한 자세임을 시사한다.
- 둘째, 페달시스템은 액셀 페달을 밟을 때 족관절 각범위(Y, Z)와 슬관절 각범위 (Z)에 영향을 미쳤다. 셋째, 숙련도와 페달시스템의 상호작용은 액셀페달을 밟을 때 족관절 각범위(Z)에 영향을 미쳤다. 결론적으로 숙련도와 페달시스템 유형은 운전자의 하지자세에 영향을 미치므로 페달시스템의 개선을 고려할 만하다.
- 이상에서 피로 시와 안 피로 시의 골반 및 하지관절의 회전 각범위를 비교하면[3] 전반적으로 상이한 패턴을 보였고 피로 시에 대부분의 관절에서 양발시스템이 외발시스템보다 더 작은 관절회전을 통하여 페달링하므로 회전이득을 얻는 것으로 판단되어 상해예방에 도움이 될 것으로 생각된다.
- 이상의 검정에서 숙련도와 페달시스템 유형은 주로 족관절에 영향을 미쳤다. 이는 패턴분석에서 도출된 원위분절로 갈수록 각범위가 커지기 때문이라고 생각된다.
- 그리고 이러한 페턴은 크게 세 가지 특징으로 기술할 수 있다. 첫째, 비숙련군의 작은 관절각의 움직임은 부정적인 측면에서 숙련도가 미숙하여 완전한 동작을 수행하지 못하는 것으로 한편, 긍정적인 측면에서 중립자세에 근사하므로 아직 불합리 자세가 고착되지 않아 피로에 영향을 덜 받는 것으로 생각할 수 있다. 둘째는 이와 상반되는 것으로 숙련군의 큰 관절각은 페달링과 관계없는 과도한 동작을 수행하는 것인지 그렇치 않으면 완전한 동작을 위한 것으로 생각된다.
- 그리고 통계적 검정을 통한 연구가설의 결과는 다음과 같다. 첫째, 숙련도는 브레이크페달을 밟을 때 족관절의 각범위(X, Y, Z)와 액셀페달을 밟을 때 족관절 각 범위(Y, Z)에 영향을 미쳤다. 둘째, 페달시스템은 액셀 페달을 밟을 때 족관절 각범위(Y, Z)와 슬관절 각범위 (Z)에 영향을 미쳤다.
- 패턴분석을 통하여 피로 시와 안 피로 시의 골반 및 하지관절의 회전각은 전반적으로 상이한 패턴을 보였으며 피로 시에 대부분의 관절에서 양발시스템이 외발 시스템보다 더 작은각으로 페달링하고 원위분절로 갈수록 관절 각범위가 커지는 일관된 경향을 보였다.
- 피로 시 골반 및 하지관절 종축 회전 각범위는 브레이크페달 사용 시 비숙련군의 슬관절 각범위와 숙련군의 족관절 각범위를 제외하고 숙련도와 관계없이 양발 시스템에서 모두 작게 나타났다[Table 5].
- 피로 시 골반 및 하지관절 좌·우방향의 각범위는 숙련도와 관계없이 양발시스템에서 모두 작게 나타났고 슬관절 각범위를 제외하고 원위관절로 갈수록 크게 나타났다[Table 4].
- 이 현상은 피로하게 되면 숙련자는 기존의 익숙한 외발시스템에 무의식적으로 반응하는 것으로 생각된다. 피로 시 골반의 종축회전은 비숙련군의 양발시스템에서는 거의 회전하지 않았으며, 숙련군의 모든 시스템에서 우측회전을 보였고 숙련도와 관계없이 외발시스템에서의 우측회전이 나타났다[Figure 5, C].
- 이것은 숙련도에 따른 차이로 생각된다. 피로 시 브레이크를 밟을 때 슬관절 회전은 숙련도와 페달시스템에 관계없이 매우 유사한 패턴을 보였으며 전반적으로 숙련군이 비숙련군보다 더 큰 회내를 보였다. 비숙련군의 회외로 접지하고 회내한 후 중립자세를 보였으나 숙련군은 줄곧 회내만을 보였다[Figure 9, C].
- 피로 시 액셀을 밟을 때 숙련도와 관계없이 외발시스템보다 양발시스템의 외전이 더 크게 나타났으며 숙련군은 페달시스템과 독립적으로 외전만을 보였으나 비숙련군의 외발시스템은 거의 중립자세를 보였다[Figure 8, B]. 그리고 외발시스템에서의 페달의 접지 및 이지 시의 그래프의 기울기 변화는 급작스런 동작의 변화를 의미하며 반복적인 이러한 동작은 상해의 위험성을 증가 시킨다고 생각된다.
- 피로 시 액셀을 밟을 때 회내는 숙련도에 관계없이 모두 양발시스템에서 크게 나타나고 비숙련군이 더 크게 나타났다. 외발 시스템은 숙련도와 관계없이 거의 동일한 외전을 유지하는 패턴을 보였다[Figure 8, C].
후속연구
- 향후, 일반 운전자의 피로 유무에 따른 근활성도 평가와 고령 운전자의 오류동작 방지를 위한 노인 전용 페달시스템의 개발이 필요하다.
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