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문제 정의
- 그럼에도 불구하고 현재까지 한국에서 한국인을 대상으로 페달시스템 유형(외발 vs 양발시스템)과 숙련도를 고려한 3차원 하지자세 변화에 관한 연구는 거의 이루어지지 않은 상황이다. 그러므로 본 연구에서는 자동차 페달시스템유형에 따라 숙련자와 비숙련자의 하지 관절각의 3차원 패턴과 하지관절각의 ROA(range of angle) 차이를 검정하고자 다음과 같은 가설을 설정하였다.
가설 설정
- 둘째, 비숙련군은 페달시스템의 유형에 따라 골반 및 하지 관절의 각범위(ROA)가 차이가 있을 것이다.
- 첫째, 숙련군은 페달시스템의 유형에 따라 골반 및 하지관절의 각범위(ROA)가 차이가 있을 것이다.
제안 방법
- 하지 각범위는 운전좌석에 매우 종속적인 요인이므로 운전자가 가장 편안한 자세를 취할 수 있도록 좌석의 전·후와 높이를 조정하게 하였다. 그리고 대상자의 주행구간은 운전하는 동안 브레이크와 액셀 페달의 작동 상황이 충분히 발생할 수 있는 구간으로 선정하였으며 동일한 구간을 3회 반복 주행하도록 하였다. 반복으로 인한 피로, 학습 효과, 전이효과를 줄이기 위해서 한 대상자를 연속으로 실험하지 않고 무작위 순으로 실험을 수행하였다.
- 두 페달시스템에 대한 하지 관절각의 변화는 적색선은 숙련자 흑색선은 비숙련자를 나타내며 실선은 양발 페달시스템이고 점선은 외발 페달시스템이다. 그리고 브레이크페달을 사용할 때의 관절각을 BP(Break Pedal)-관절각으로 액셀페달을 사용할 때의 관절각을 AP(Acceleration Pedal)-관절각으로 표기하였다.
- 승용차의 페달시스템 유형이 운전자의 자세에 미치는 영향을 평가하고자 양 발을 사용하는 양발 페달시스템(왼발: 액셀페달 전담/ 오른발: 브레이크 페달 전담)과 외발 페달시스템(오른발만을 사용하는 기존 자동차 페달시스템)에 대하여 두 집단(숙련군과 비숙련군) 으로 분류하였으며 신발 차이에 의한 자료의 오염을 방지하기 위하여 동일회사의 동일 종류의 신발을 대상자가 편리한 크기를 선택하도록 하였다. 그리고 연구 대상자들에게 실험의 필요성, 목적 및 실험 절차를 충분히 설명하고 참여 동의서를 득한 후 실험을 실시하였다. 실험설계는 각 숙련자와 비숙련자에 대하여 일원 급내설계(one-way factorial and within subject design)를 하였으며 대상자들이 운전 시뮬레이터에 익숙해지도록 하기위해 본 실험 전에 2개월 간 주 3회 이상의 개인별 연습일정을 계획하여 실행하였다.
- 기술통계 처리를 위하여 상대각(고관절각, 슬관절각및 족관절각) 및 절대각(골반각)의 평균치를 사용하였으며 그래프화하였다. 또한 통계적 검정을 위하여 SPSS 16.
- 반복으로 인한 피로, 학습 효과, 전이효과를 줄이기 위해서 한 대상자를 연속으로 실험하지 않고 무작위 순으로 실험을 수행하였다. 대상자가 실험하는 동안 운전에 집중할 수 있도록 주행시간 내에 3대의 차량을 추월해야 하는 과제를 부여하였으며, 충돌사고 시에는 주행을 처음부터 다시 하도록 하였다. 또한, 운전 중에 대상자가 신호나 제한속도 등을 준수하며 주행하도록 대상자의 운전 상태를 실험 진행자가 통제하였으며 주행 시나리오는 <표 2>와 같다.
- 동작분석을 위하여 동일한 구간을 3회 주행한 영상 자료를 Qualisys System의 QTM (Motion Capture Software)을 이용하여 위치좌표(raw data)로 변환한 후 이 원자료를 Visual-3D software(C-motion Inc., USA) 로 강체분절로 모델링한 인체에 적용하여 연구변인을 산출하였다.
- 또한, 운전 중에 대상자가 신호나 제한속도 등을 준수하며 주행하도록 대상자의 운전 상태를 실험 진행자가 통제하였으며 주행 시나리오는 와 같다.
- 그리고 대상자의 주행구간은 운전하는 동안 브레이크와 액셀 페달의 작동 상황이 충분히 발생할 수 있는 구간으로 선정하였으며 동일한 구간을 3회 반복 주행하도록 하였다. 반복으로 인한 피로, 학습 효과, 전이효과를 줄이기 위해서 한 대상자를 연속으로 실험하지 않고 무작위 순으로 실험을 수행하였다. 대상자가 실험하는 동안 운전에 집중할 수 있도록 주행시간 내에 3대의 차량을 추월해야 하는 과제를 부여하였으며, 충돌사고 시에는 주행을 처음부터 다시 하도록 하였다.
- 분석 국면은 두 시스템 모두 발이 브레이크 페달 (break pedal)과 액셀 페달(acceleration pedal)에 접촉하는 순간부터 이지하는 순간으로 2 국면 4 이벤트로 다음과 같이 설정하였다.
- 숙련도에 따라 페달시스템 유형이 골반 및 하지관절 각범위에 미치는 영향을 조사하기 위하여 숙련군과 비숙련에 대한 4개의 변인, 3차원, 2국면(4×3×2)의 2 종류의 페달시스템 총 24개의 대응표본 t - test의 결과 중에서 통계적으로 유의한 대응표본은 다음과 같다.
- 승용차의 페달시스템 유형이 운전자의 자세에 미치는 영향을 평가하고자 양 발을 사용하는 양발 페달시스템(왼발: 액셀페달 전담/ 오른발: 브레이크 페달 전담)과 외발 페달시스템(오른발만을 사용하는 기존 자동차 페달시스템)에 대하여 두 집단(숙련군과 비숙련군) 으로 분류하였으며 신발 차이에 의한 자료의 오염을 방지하기 위하여 동일회사의 동일 종류의 신발을 대상자가 편리한 크기를 선택하도록 하였다. 그리고 연구 대상자들에게 실험의 필요성, 목적 및 실험 절차를 충분히 설명하고 참여 동의서를 득한 후 실험을 실시하였다.
- 그리고 연구 대상자들에게 실험의 필요성, 목적 및 실험 절차를 충분히 설명하고 참여 동의서를 득한 후 실험을 실시하였다. 실험설계는 각 숙련자와 비숙련자에 대하여 일원 급내설계(one-way factorial and within subject design)를 하였으며 대상자들이 운전 시뮬레이터에 익숙해지도록 하기위해 본 실험 전에 2개월 간 주 3회 이상의 개인별 연습일정을 계획하여 실행하였다. 실험에 사용된 운전 시뮬레이터는 브레이크 및 가속페달, 핸들, 가상 주행환경, 운전좌석 및 6대의 동작분석용 카메라로 구성되었다.
- 연구변인은 주행 중 운전자의 페달시스템에 따른 숙련자와 비숙련자의 골반 절대각(Absolute angle of pelvis), 고관절각(Relative angle of hip), 슬관절각 (Relative angle of knee)과 족관절각( (Relative angle of ankle)의 변화패턴과 각범위(ROA)이며 축방향은 전 방향이 Y축(좌우 회전축), 상방향은 Z축(수평면 회전축)이며 나머지 X축(전후 회전축)은 오른손 법칙에 따라 방향을 정하였다.
- 또한, 다른 연구자들은 기존의 페달 배치를 피하고 브레이크 반응시간(brake reaction time)감소로 야기되는 페달 오동작으로 인한 사고율을 감소시키기 위한 획기적인 디자인의 변화가 필요하다고 하였다[5]. 이러한 연구자들은 중심축을 중심으로 앞꿈치를 밟아 가속기능을, 뒷꿈치를 밟아 브레이크 기능을 가지는 일체형 페달시스템을 자체적으로 평가하였다. 이 연구에서 실험 대상자들은 새로운 페달시스템의 장치사용법을 빨리 익히고 오류동작도 거의 없었으므로 기존의 페달시스템보다 우수하다고 하였다.
- 하지 각범위는 운전좌석에 매우 종속적인 요인이므로 운전자가 가장 편안한 자세를 취할 수 있도록 좌석의 전·후와 높이를 조정하게 하였다.
대상 데이터
- 본 실험을 위한 대상자는 K대학교 재학생 14명의 남학생을 대상으로, 운전면허증을 소지하고 실제로 2년 이상 운전경험이 있는 학생 7명을 숙련군으로 운전경험이 전혀 없는 학생 7명으로 비숙련군으로 분류하였으며 신체적 특성의 평균±표준편차는 과 같다.
- 실험에 사용된 가상주행환경은 과 같이 Atari사(USA)의 Test Drive (Unlimited PC, 2007)를 이용하였다.
- 실험설계는 각 숙련자와 비숙련자에 대하여 일원 급내설계(one-way factorial and within subject design)를 하였으며 대상자들이 운전 시뮬레이터에 익숙해지도록 하기위해 본 실험 전에 2개월 간 주 3회 이상의 개인별 연습일정을 계획하여 실행하였다. 실험에 사용된 운전 시뮬레이터는 브레이크 및 가속페달, 핸들, 가상 주행환경, 운전좌석 및 6대의 동작분석용 카메라로 구성되었다. 실험에 사용된 가상주행환경은 <그림 1>과 같이 Atari사(USA)의 Test Drive (Unlimited PC, 2007)를 이용하였다.
데이터처리
- 또한 통계적 검정을 위하여 SPSS 16.0의 대응표본 t-test를 사용하였으며, 유의수준은 α = .05 로 하였다.
이론/모형
- 인체는 NLT(Nonlinear transformation)방식으로 3차원 좌표화하였고 Visual 3D(C-motion Inc., USA)의 마커 시스템에 준하여 와 같이 부착하였다.
성능/효과
- 전술한 바를 요약하면 액셀 및 브레이크 페달을 밟을 때 골반각은 시간축에 평행한 일정한 상수함수 패턴을 보였다. 그리고 브레이크를 밟을 때 고관절, 슬관절과 족관절의 패턴은 곡선패턴을 보였으며 하지관절로 갈수록 변화 패턴이 크게 나타난 반면 액셀을 밟을때 고관절, 슬관절과 족관절의 패턴은 브레이크를 밟을 때의 고관절 패턴과 유사한 패턴을 보였다. 액셀 페달보다 브레이크 페달에 더 민감하게 반응한 것은 장애물에 대한 반응으로 생각된다.
- 이는 브레이크 페달이 두 페달시스템에서 모두 오른쪽발로 작동하기 때문이라고 생각된다. 그리고 브레이크를 밟을 때 두 페달시스템에서 숙련군의 내전이 비숙련군보다 크게 나타났고, 페달을 완전히 밟았을 때 외발 시스템의 내전이 크게 나타났으며 특히 숙련군의 외발 시스템에서 가장 큰 내전을 보였다 (그림 9, 중). 이 동작은 페달시스템간의 동작의 차이 (모두 오른쪽발)가 없음에도 불구하고 차이를 보이는 것은 페달시스템에 대하여 각 대상자들의 심리적인 요인이나 습관적인 요인 때문에 발을 다른 기전으로 적응하여 사용한다고 생각된다.
- 그리고 숙련군은 국면1에서 고관절과 슬관절의 전·후각범위와 국면2에서 고관절과 족관절의 좌·우 각범위가 통계적으로 유의한 차이를 보였으며(표 6), 비숙련군은 국면1(브레이크페달 조작시)에서 고관절과 슬관절의 전·후 각범위, 슬관절 좌·우 각범위와 국면 2(액셀페달 조작시)의 고관절 전·후 각범위 및 좌·우 각범위, 슬관절의 전·후 각범위 및 종축 각범위, 그리고 족관절의 좌·우 각범위와 종축 각범위가 통계적으로 유의한 차이를 보였다(표 7).
- 5%의 유의율을 보였다. 그리고 숙련군의 유의한 변인은 국면 1(브레이크페달 조작구간)에서 50%, 국면 2(액셀페달 조작구간)에서 50%를 보였으며 비숙련군의 유의한 변인은 국면 1에서 33.3%, 국면 2에서 66.7%를 나타냈다.
- 페달시스템의 유형에 따라 숙련군과 비숙련군의 골반 및 하지관절각의 발현 패턴은 상이하게 나타났으며 골반에서 원위로 갈수록 하지관절 각범위는 커지고 양발시스템의 하지관절 각범위가 외발시스템보다 작게 나타났다. 그리고 운전 숙련도에 따른 페달시스템 유형은 숙련군과 비숙련군 모두 골반 각범위를 제외한 일부 하지관절의 각범위(ROA)에서 유의한 차이가 있었다. 특히, 숙련군보다 비숙련군에서 차이가 더 많이 나타났으며 숙련군의 유의한 변인은 비숙련군과 공통적으로 나타났다.
- 또한, 브레이크를 밟는 초기에 회외는 비숙련군에 비하여 숙련군이 다소 크게 나타난 후 일정한 패턴을 보였으며 숙련군이 페달시스템에 관계없이 약간 크게 나타났다(그림 11, 하). 이는 족관절의 회외는 숙련정도나 페달시스템에 영향을 받지 않는 것으로 생각된다(초기 제외).
- 브레이크를 밟을 때 골반의 좌·우 회전각은 비숙련군의 양발시스템에서 좌측회전을 보인 반면 숙련군의 외발 및 양발 시스템과 비숙련군의 외발시스템은 우측회전을 하는 것으로 나타나 비숙련군은 시스템에 따라 다른 방향의 회전을 보였으며 숙련군은 동일한 방향의 회전을 보였다.
- 비숙련군의 외발시스템 각범위는 양발시스템보다 크게 나타났으며 숙련군의 골반각만을 제외하고 비숙련군과 동일한 패턴을 보였다. 이는 페달링 시 전반적으로 외발시스템의 좌우 회전범위가 양발시스템보다 크게 일어나 외발시스템의 하지관절 부하가 더 크다고 생각된다.
- 숙련정도와 페달시스템의 유형과 관계없이 전후방향의 골반 및 하지관절 각범위는 원위관절(distal joint)로 갈수록 크게 나타났으며, 액셀페달 숙련자의 슬관절과 브레이크 페달의 족관절 경우를 제외하고 모든 양발시스템의 각범위가 외발시스템보다 작게 나타났다(표 3).
- 액셀을 밟을 때 골반의 전·후경각은 숙련정도와 페달 시스템에 관계없이 모두 후경각만을 보이며 비숙련군이 좀 더 크게 나타났다.
- 액셀을 밟을 때 숙련군의 외발시스템과 비숙련군의 양발시스템의 골반 좌·우경각은 거의 없는 것으로 나타났고 숙련군의 양발시스템의 골반각은 우경각을 보인반면 비숙련군의 외발시스템은 좌경각을 보였다(그림 6, 중).
- 액셀을 밟을 때 슬관절의 회내는 숙련정도에 관계없이 모두 양발 시스템에서 크게 나타나고 비숙련군의 외발시스템은 거의 중립 상태를 유지하는 패턴을 보였으나 숙련군의 외발시스템 에서는 약간의 회내를 보였다(그림 10, 하). 이러한 패턴은 숙련정도와 관계없이 양발시스템이 회전범위가 크므로 활동성이 좋다고 생각된다.
- 이는 족관절의 회외는 숙련정도나 페달시스템에 영향을 받지 않는 것으로 생각된다(초기 제외). 액셀을 밟을 때 족관절의 배측굴곡은 모두 유사한 패턴과 크기를 보였으며 단지 비숙련군의 양발시스템이 약간 크게 나타났다(그림 12, 상).
- 액셀을 밟을 때 회내는 숙련정도에 관계없이 모두 양발 시스템에서 크게 나타나고 비숙련군이 더 크게 나타났다. 외발 시스템은 숙련정도와 관계없이 거의 동일한 외전 상태를 유지하는 패턴을 보였다(그림 8, 하).
- 액셀을 밟을 때 회외는 숙련정도에 관계없이 모두 양발 시스템에서 가장 작고 일정한 패턴으로 나타났으며 비숙련군의 외발시스템, 숙련군의 외발시스템 순으로 크게 나타났다(그림 12, 하). 외발시스템의 차이는 숙련정도의 차이에 기인하며 양발시스템이 같은 것은 왼쪽발이 액셀페달을 전담하여 밟기 때문인 것으로 생각된다.
- 운전자는 원위관절로 갈수록 각 범위를 크게 하여 자동차를 제어하는 것으로 나타났으며, 양발시스템은 외발시스템보다 작은 관절회전(low intensity)으로 페달링을 함으로써 운전자의 부하를 감소시킬 수 있다고 생각된다. 또한, 외발 페달시스템은 운전자의 하지 정렬이 바르지 않은 채로 운전을 하므로 즉, 오른쪽발을 내측으로 회전시켜 액셀페달을 밟게 되므로 골반 및 하지관절의 변위를 초래하여 근골격계 질환을 야기시킬수 있다고 생각된다.
- 이러한 연구자들은 중심축을 중심으로 앞꿈치를 밟아 가속기능을, 뒷꿈치를 밟아 브레이크 기능을 가지는 일체형 페달시스템을 자체적으로 평가하였다. 이 연구에서 실험 대상자들은 새로운 페달시스템의 장치사용법을 빨리 익히고 오류동작도 거의 없었으므로 기존의 페달시스템보다 우수하다고 하였다. 그러나 스웨덴의 볼보자동차 회사가 디자인의 공학적 가능성을 실증하고 몇 가지 시제품을 만들어 실험한 결과, 연구자들은 페달 디자인과 페달 오작동과의 상관성을 도출하는데 실패하였다[6].
- 종축 회전은 액셀페달을 작동할 때 숙련정도에 관계없이 외발시스템의 하지관절 각범위가 크게 나타났다. 그러나 브레이크페달 사용 시 각범위는 일정한 패턴을 보이지 않았다(표 5).
- 좌우방향의 골반 및 하지관절 각범위는 숙련자의 브레이크 페달의 양발시스템과 액셀페달의 외발시스템을 제외하곤 원위 관절로 갈수록 크게 나타났다(표 4).
- 그리고 운전 숙련도에 따른 페달시스템 유형은 숙련군과 비숙련군 모두 골반 각범위를 제외한 일부 하지관절의 각범위(ROA)에서 유의한 차이가 있었다. 특히, 숙련군보다 비숙련군에서 차이가 더 많이 나타났으며 숙련군의 유의한 변인은 비숙련군과 공통적으로 나타났다. 그러므로 운동학적 측면에서 외발시스템을 양발시스템으로 개선할 수 있는 여지가 있다고 판단된다.
- 페달시스템 유형 간 24개의 대응변인 중 숙련군은 4개의 대응변인이, 비숙련군은 9개가 유의하게 나타나 숙련군은 약 16.7 %, 비숙련군은 약 37.5%의 유의율을 보였다. 그리고 숙련군의 유의한 변인은 국면 1(브레이크페달 조작구간)에서 50%, 국면 2(액셀페달 조작구간)에서 50%를 보였으며 비숙련군의 유의한 변인은 국면 1에서 33.
- 페달시스템의 유형에 따라 숙련군과 비숙련군의 골반 및 하지관절각의 발현 패턴은 상이하게 나타났으며 골반에서 원위로 갈수록 하지관절 각범위는 커지고 양발시스템의 하지관절 각범위가 외발시스템보다 작게 나타났다. 그리고 운전 숙련도에 따른 페달시스템 유형은 숙련군과 비숙련군 모두 골반 각범위를 제외한 일부 하지관절의 각범위(ROA)에서 유의한 차이가 있었다.
후속연구
- 향후, 운전자의 피로 유무에 따른 운전자세 분석, 근활성도 및 주관적 평가가 이루어져야 하며 특히, 고령자 운전자가 급격히 늘어나는 사회 현상을 고려할 때 고령자에게 적합한 페달시스템에 대한 연구가 요구된다.
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