[논문]근전도 분석을 통한 시내버스 운전자 피로도 분석

김재준; 김경; 유창호; 오승용; 이찬기; 김동원; 황봉하; 문영주; 정구영; 권대규

doi:10.7736/kspe.2012.29.10.1149

근전도 분석을 통한 시내버스 운전자 피로도 분석
The Fatigue Analysis of Urban Bus Driver with Electromyography (EMG) Analysis 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.10, 2012년, pp.1149 - 1156

김재준 (전북대학교 헬스케어공학과) , 김경 (국립재활원) , 유창호 (전북대학교 바이오메디컬공학부) , 오승용 (전북대학교 바이오메디컬공학부) , 이찬기 (전북대학교 산업정보시스템공학과) , 김동원 (전북대학교 산업정보시스템공학과) , 황봉하 (현대자동차) , 문영주 (현대자동차) , 정구영 (전북대학교 헬스케어기술개발사업단) , 권대규 (전북대학교 바이오메디컬공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed the most efficient driving posture based on the analysis of quantitative muscular strength and fatigue degree according to posture. Since driving include complicated actions required by a variety of ability and cause by extremes concentration or strain, drivers tend to feel tired easily. However, drivers can't recognize the fatigue degree by themselves. Moreover, the method for measuring the quantitative fatigue degree exactly is quite difficult to be secured. 9 professional bus drivers were participated. We analyzed the quantitative legs' muscular strength when operating each pedal. And then we also analyzed the muscular strength and muscular fatigue degree according to driving pattern during bus driving. Therefore, we suggested the most efficient driving posture.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 버스 운전자의 운전 시 근육 사용량 및 피로도에 관한 정량적인 분석을 효과적으로 수행하기 위하여 시내버스용 가상 운전 시스템을 제작하였다. Fig.
본 연구에서는 운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대하여 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하였다. 정량화할 수 없는 피로도라는 개념을 근전도 신호를 측정하여 유추하고, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 고찰하였으며 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대해 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하였다. 피로도를 검출하고 정량화하기 위하여 근전도 신호를 측정 및 분석하였으며, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 최소화할 수 있는 방법을 고찰하였다.
본 연구에서는 운전 중 버스 운전자의 주요 동작에 대해 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하고자 한다. 실험은 1 차, 2 차로 나뉘어져 수행됐으며, 1 차는 등각도 및 거리에 따른 근전도 기초 평가를 하였고, 2 차는 조건 비교에 따른 근피로도 분석을 하였다.
본 연구에서는 피로도를 정량화하기 위하여 근전도 신호로부터 데이터를 분석하고, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 최소화할 수 있는 방법에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

실험은 총 1 차, 2 차로 나누어서 진행이 되었으며, 자세한 실험방법 및 절차는 다음과 같다. 1 차 실험은 기본 운전 자세에 대한 근전도 특성 분석으로 등각도 및 거리에 따라서 클러치, 액셀 및 브레이크 작동시의 근력 특성을 확인하였다. 운전석 등받이 각도와 발뒤꿈치 점 (heel point)과 고관절 점 (hip point)의 거리를 달리하여 자세에 변화를 주었으며, 클러치-액셀-브레이크 순으로 총 5 회의 실험을 진행하였다.
2 단계로 진행된 실험은 운전 동작 조건에 따른 근전도 특성 분석으로 풋레스트 사용 여부와 액셀-브레이크를 사용하는 방법에 따라서 근전도의 경향을 분석하여 중간주파수를 비교 분석하였다.
2 차 실험은 주요 동작 조건에 대한 근피로도를 고찰하였다. 실험은 Fig.
본 연구에서는 버스 운전자의 운전 시 근육 사용량 및 피로도에 관한 정량적인 분석을 효과적으로 수행하기 위하여 시내버스용 가상 운전 시스템을 제작하였다. Fig. 1 과 같이 실제 운행 상황을 재현하기 위하여 가상의 버스 운전석 (슈퍼에어로시티 04MY)을 제작하였으며, 실제 운전하고 있는 시각적인 상황을 부여하기 위하여 운전석 정면에 대형 모니터를 설치고 주행화면을 제시함으로써, 시각 및 청각적 자극을 제공하였다.
근전도 측정은 MP150 (BIOPAC Systems, Inc., USA)을 이용하였으며, Fig. 7 과 같이 대퇴직근 (rectus femoris, RF), 대퇴이두근 (biceps femoris, BF), 전경골근 (tibialis anterior, TA), 비복근 (gastrocnemius, Gn)에서 근전도를 측정하였으며, 측정된 근전도 신호는 주파수 스펙트럼 분석을 이용하여 근력의 활성화 정도를 고찰하였다. 이때 근력의 크기는 FFT (Fast Fourier Transform) 방법을 통하여 얻어지는 파워 스펙트럼의 면적으로 구할 수 있다.
이때 근력의 크기는 FFT (Fast Fourier Transform) 방법을 통하여 얻어지는 파워 스펙트럼의 면적으로 구할 수 있다. 근피로도는 파워 스펙트럼 분석을 통한 중간주파수 (median frequency)의 감소율을 통하여 분석하였다. 측정된 근전도 신호에서 처음, 중간, 끝부분의 신호를 잘라 파워스펙트럼 분석을 통한 중간주파수 비교 시 운동이 오래 지속될수록 중간주파수의 감소율이 커짐이 확인 되었다.
기본 운전동작 실험은 출발, 가속, 변속, 감속의 순서로 구성되고 피험자 1 명당 5 번의 사이클을 반복하도록 하였으며 1 사이클당 시험시간은 300 초이다. 아래의 Fig.
운전석 제작 시, 강성 스프링을 이용하여 클러치의 밟는 압력과 같은 조건을 제공하였고, 회전형 MR 댐퍼 브레이크를 스티어링 휠 끝단에 부착하여 실제 구동 시와 유사한 스티어링휠 구동력을 제공하였다. 또한, 운전 시, 운전자의 생리 신호 분석을 위하여 실시간으로 근전도를 측정하였다.
본 연구에서는 운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대해 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하기 위하여 각 실험은 실제 시내버스 운전자 9 명 (169.3±3.4 cm, 67.8±2.6 kg)을 대상으로 수행하였으며, 신장에 따라 3 개의 그룹으로 나누어 실험을 진행하였다.
실제 운행 상황을 재현하기 위해 가상의 버스 운전석 목업 (슈퍼에어로시티 04MY)을 제작하였으며, 실제 운전하고 있는 시각적인 상황을 부여하기 위하여 운전자 정면에 대형 모니터를 설치하여 주행화면을 디스플레이 함으로써, 시각 및 청각적 자극을 제공하였다. 디스플레이 화면은 실제 버스에 차량용 CCTV 카메라를 장착하여, 일정 구간의 운전 동안 운전자의 시각과 일치하는 화면을 녹화함으로써 제공되었다.
본 연구에서는 운전 중 버스 운전자의 주요 동작에 대해 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하고자 한다. 실험은 1 차, 2 차로 나뉘어져 수행됐으며, 1 차는 등각도 및 거리에 따른 근전도 기초 평가를 하였고, 2 차는 조건 비교에 따른 근피로도 분석을 하였다. 각 실험마다 10 명의 시내버스 운전자들을 대상으로 실험을 하였다.
실험은 Fig. 5 와 같이 주요 동작 패턴으로 1 차 실험에서 관찰된 클러치 조작 전·후 왼발을 올려놓는 곳인 풋레스트 (footrest) 활용여부에 따른 클러치 조작방식과 Fig. 6 와 같이 액셀-브레이크 조작 방식에서 뒤꿈치를 붙이고 액셀과 브레이크를 밟는 V 자 형식과 다리를 들어 액셀과 브레이크를 밟는 11 자 형식으로 나누어 진행하였다.
1 차 실험은 기본 운전 자세에 대한 근전도 특성 분석으로 등각도 및 거리에 따라서 클러치, 액셀 및 브레이크 작동시의 근력 특성을 확인하였다. 운전석 등받이 각도와 발뒤꿈치 점 (heel point)과 고관절 점 (hip point)의 거리를 달리하여 자세에 변화를 주었으며, 클러치-액셀-브레이크 순으로 총 5 회의 실험을 진행하였다.
모션베이스와 실제 영상을 보여줌으로써, 시각과 청각자극 및 도로의 진동 조건을 나타내는 체성 감각 자극이 제공되는 실제 운전 상황을 연출할 수 있었다. 운전석 제작 시, 강성 스프링을 이용하여 클러치의 밟는 압력과 같은 조건을 제공하였고, 회전형 MR 댐퍼 브레이크를 스티어링 휠 끝단에 부착하여 실제 구동 시와 유사한 스티어링휠 구동력을 제공하였다. 또한, 운전 시, 운전자의 생리 신호 분석을 위하여 실시간으로 근전도를 측정하였다.
본 연구에서는 운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대하여 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하였다. 정량화할 수 없는 피로도라는 개념을 근전도 신호를 측정하여 유추하고, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 고찰하였으며 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
좌석의 등받이 각도는 1°, 6°, 11°로 나누었으며 발뒤꿈치 점에서 고관절 점까지의 거리는 피험자 개개인이 편하게 생각하는 위치 (comfortable position)에서 전, 후 방향으로 +3 cm, -3 cm 로 나누었다.
클러치와 마찬가지로 좌석의 등받이 각도는 1°, 6°, 11° 로 나누었으며 발뒤꿈치 점에서 고관절 점까지의 거리는 피험자 개개인이 편하게 생각하는 위치 (comfortable position)에서 전, 후 방향으로 ±3 cm 로 구분하였다.
본 연구에서는 운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대해 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석하였다. 피로도를 검출하고 정량화하기 위하여 근전도 신호를 측정 및 분석하였으며, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 최소화할 수 있는 방법을 고찰하였다.

대상 데이터

실험은 1 차, 2 차로 나뉘어져 수행됐으며, 1 차는 등각도 및 거리에 따른 근전도 기초 평가를 하였고, 2 차는 조건 비교에 따른 근피로도 분석을 하였다. 각 실험마다 10 명의 시내버스 운전자들을 대상으로 실험을 하였다.

성능/효과

(1) 주행 동작 중 하지 근전도 분석 결과 페달 조작을 위한 대기 자세에서 가장 큰 피로도가 발생함을 확인했다. 특히 클러치 페달의 경우 페달 높이가 높아 변속 전후로 부자연스런 발목 각도를 유발하여 정강이 앞쪽 전경골근 (TA)의 근피로도가 빠르게 누적되었다.
(2) 풋레스트 활용 시 피로도를 감소시킬 수 있으나, 변속 시 반응속도가 불리하여 실제 운전자의 풋레스트 활용도가 매우 떨어졌다. 즉, 잦은 정차 및 변속이 요구되는 주행 조건에서 운전자들이 안락한 자세보다 반응속도가 유리한 위치를 선호하는 경향을 나타낸 것이다.
(3) 액셀-브레이크 전환방식은 2 가지 패턴으로 구분되며 신장별, 지역별로 선호하는 방식이 상이하다. 11 방식은 브레이크 조작 피로도를 줄여줄 수 있으나, 반응속도가 느려서 수도권 운전자의 경우 선호도가 높지 않다.
하지만 이를 방지하기 위한 풋레스트는 그 활용도가 낮아 그 위치를 조정할 필요가 있다. 또한, 실험 중 신장별로 느끼는 불편도에 차이가 존재함을 확인하였다. 현 시내버스 운전석은 키가 큰 운전자를 기준으로 설계되었다.
버스 운전 시 도로의 불규칙적인 표면 조건을 인가하기 위하여, 제작된 운전석을 6-자유도 모션베이스 위에 장착하였다. 모션베이스와 실제 영상을 보여줌으로써, 시각과 청각자극 및 도로의 진동 조건을 나타내는 체성 감각 자극이 제공되는 실제 운전 상황을 연출할 수 있었다. 운전석 제작 시, 강성 스프링을 이용하여 클러치의 밟는 압력과 같은 조건을 제공하였고, 회전형 MR 댐퍼 브레이크를 스티어링 휠 끝단에 부착하여 실제 구동 시와 유사한 스티어링휠 구동력을 제공하였다.
근피로도는 파워 스펙트럼 분석을 통한 중간주파수 (median frequency)의 감소율을 통하여 분석하였다. 측정된 근전도 신호에서 처음, 중간, 끝부분의 신호를 잘라 파워스펙트럼 분석을 통한 중간주파수 비교 시 운동이 오래 지속될수록 중간주파수의 감소율이 커짐이 확인 되었다. 이는 근육의 피로도가 증가 할수록 중간주파수의 감소가 커짐을 알 수 있다.
페달 조작은 주로 발목 관절 운동에 해당되기 때문에, 이에 관여하는 전경골근과 비복근에서 주로 근력이 활성화되었으며, 거리가 멀어질수록 발목관절의 배측굴곡 운동범위가 감소하므로 전경골근의 활성화 정도가 감소되고, 반면 페달을 밟을 때 발생하는 비복근의 활성화가 커지는 경향을 보였다.
풋레스트 미활용 시 클러치 조작 반응속도가 향상되었지만, 발목관절의 배측굴곡이 커지며, 발앞 끝으로 딛고 서있기 때문에 근피로도가 높게 측정되었다. 그러나 실제 운전자의 운전 자세는 클러치 조작 반응 속도가 빠른 풋레스트 미활용 자세를 선호하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	운전 중 관찰된 버스 운전자의 주요 동작에 대하여 근전도 신호를 측정하여 운전자의 피로 수준을 정량화하고, 피로도를 유발하는 원인을 분석한 결과는?	정량화할 수 없는 피로도라는 개념을 근전도 신호를 측정하여 유추하고, 이를 이용하여 운전 시 누적되는 피로의 양을 고찰하였으며 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 주행 동작 중 하지 근전도 분석 결과 페달 조작을 위한 대기 자세에서 가장 큰 피로도가 발생함을 확인했다. 특히 클러치 페달의 경우 페달 높이가 높아 변속 전후로 부자연스런 발목 각도를 유발하여 정강이 앞쪽 전경골근 (TA)의 근피로도가 빠르게 누적되었다. (2) 풋레스트 활용 시 피로도를 감소시킬 수있으나, 변속 시 반응속도가 불리하여 실제 운전자의 풋레스트 활용도가 매우 떨어졌다. 즉, 잦은 정차 및 변속이 요구되는 주행 조건에서 운전자들이 안락한 자세보다 반응속도가 유리한 위치를 선호하는 경향을 나타낸 것이다. (3) 액셀-브레이크 전환방식은 2 가지 패턴으로 구분되며 신장별, 지역별로 선호하는 방식이 상이 하다. 11 방식은 브레이크 조작 피로도를 줄여줄 수있으나, 반응속도가 느려서 수도권 운전자의 경우 선호도가 높지 않다. 한편, V 방식은 정강이 뒤쪽 비복근 (Gn)의 근피로도가 빠르게 증가하며, 현재 페달 장착상태에서 신장이 작은 운전자에게는 오작동의 위험이 있다.
	시트의 안락감 및 피로도 평가는 어떤 방법이 주로 사용되었는가?	한편, 시내버스 운전자의 피로도 및 안락감은 자동차의 성능을 평가하는 가장 중요한 요소 중의 하나이며, 현재까지 시트의 안락감 및 피로도 평가는 운전자가 시트에 직접 앉아서 설문지를 작성하는 것과 같은 주관적인 방법이 보편적으로 제시되었다. 그러나 최근 자동차 업계에서는 자동차 시트의 안락감에 대한 객관적이고 정량적인 평가의 필요성이 제기하고 있으며, 현재 정량적인 운전자 피로도 측정을 위하여, 근전도 (Electromyogram, EMG), 심전도 (Electrocardiogram, ECG), 뇌전도 (Electroencephalogram, EEG)등과 같은 생리신호를 이용하는 방법이 제안되고 있다.
	정량적인 운전자 피로도 측정을 위해 제시되는 방법들은 무엇이 있는가?	한편, 시내버스 운전자의 피로도 및 안락감은 자동차의 성능을 평가하는 가장 중요한 요소 중의 하나이며, 현재까지 시트의 안락감 및 피로도 평가는 운전자가 시트에 직접 앉아서 설문지를 작성하는 것과 같은 주관적인 방법이 보편적으로 제시되었다. 그러나 최근 자동차 업계에서는 자동차 시트의 안락감에 대한 객관적이고 정량적인 평가의 필요성이 제기하고 있으며, 현재 정량적인 운전자 피로도 측정을 위하여, 근전도 (Electromyogram, EMG), 심전도 (Electrocardiogram, ECG), 뇌전도 (Electroencephalogram, EEG)등과 같은 생리신호를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 근전도를 이용한 피로도 분석방법으로 한정수 1 등은 근전도로부터 척추 근육의 피로도를 정량화하였으며, 척추 근육의 피로도가 척추 손상에 미치는 영향에 대해서 고찰하였고, 안재용 2 등은 근전도를 이용한 근 피로도 측정 기법을 제안하였다.

참고문헌 (9)

Han, J. S. and Kwag, H. S., "Quantification of degree of fatigue in back muscle and It's influence on back injury using electromyography measurement," J. Biomed. Eng. Res., Vol. 21, No. 2, pp. 219-224, 2000.
Ahn, J. Y., Han, J. S., and Min, K. S., "Measurement of the muscle fatigue patterns using electromyography technique," J. of Korean Orthop. Assoc., Vol. 33, No. 4, pp. 1184-1192, 1998.
Lee, I. H., Mun, M. S., and Choi, H. Y., "Muscular activation of bracing driver," J. of the KSPE, Vol. 22, No. 11, pp. 7-15, 2005.
Kim, S. W., Park, S. J., and Seong, H. M., "An Assessment Method of Fatigue in a Long-term Driving," Proceedings of the Korean Operations and Management Science Society Conference, pp. 785-791, 2002.
Kim, S. W., Park, S. J., and Lee, Y. S., "Development of Evaluation Method of Driver's Fatigue by Physiological Signal," Proc. of KSAE Spring Conference, Vol. 2, pp. 1208-1212, 2003.
Park, S. J., Kim, S. W., Kim, C. J., and Kwon, K. S., "A study on the assessment of driver's fatigue," SAE Paper, No. 2002-01-0784, 2002.
Lee, J. and Ferraiuolo, P., "Seat comfort," SAE Paper, No. 930105, 1993.
Reed, M. P., Saito, M., Kakishima, Y., Lee, N. S., and Schneider, L. W., "An investigation of driver discomfort and related seat design factor in extended duration driving," SAE Paper, No. 910117, 1991.
Bush, T. R., Mills, F. T., Thakurta, K., Hubbard, R. P., and Vorro, J., "The use of electromyography for seat assessment and comfort evaluation," SAE Paper, No. 950143, 1995.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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