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문제 정의
- 본 연구에서는 차량에서의 시트를 통해 운전자에게 진동자극을 통한 적절한 운전정보를 제공함으로서 사고를 미연에 방지할 수 있는 역할을 수행하기 위한 차량용 햅틱시트 (haptic-seat)를 개발하고자 한다. 이를 위해 고령자층을 대상으로 가상운전상태에서의 시트 진동인지율을 측정 및 분석하여 그 유효성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 차량에서의 시트를 통해 운전자에게 진동자극을 통한 적절한 운전정보를 제공함으로서 사고를 미연에 방지할 수 있는 역할을 수행하기 위한 차량용 햅틱시트 (haptic-seat)를 개발하고자 한다. 이를 위해 고령자층을 대상으로 가상운전상태에서의 시트 진동인지율을 측정 및 분석하여 그 유효성을 평가하고자 하였다.
- 향후 더 많은 피험자를 대상으로 하는 실험과 인체의 촉각 분포와의 연관성을 통한 진동자극 위치와 강도, 면적 등의 개선 및 시․청각 전달방법과의 대조실험을 통해 복잡한 운전상황에서도 정확한 운전정보 전달이 가능하여 고령운전자 운전능력 개선에 매우 유용한 차량용 햅틱시트의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 이를 통해 인지기능 및 운전기능이 저하된 고령운전자의 운전수행능력 개선에 도움이 되고자 한다.
제안 방법
- TMT시험에 사용된 장비는 그림 4에 보여지는 터치기반의 Android OS를 탑재한 9.7“ 크기의 Smart-Pad와 Google-play[15] 에 등록된 “Trail Making Test App”[16]을 App의원 개발자인 Simone Sacchi의 허락을 얻어 국내 고령자에 맞게 한글화하여 사용하였다.
- 3개의 모드는 2분의 실험 설명시간을 포함하여 순차적으로 제공되었으며 훈련모드에 대해 피험자가 숙지하지 못했다고 판단한 경우 훈련모드를 다시 제공하였다. 경고종류에 대해 피험자의 혼동을 방지하기 위해 각 경고자극 간에는 6초 지연의 휴지기를 두고 진동자극을 제공하였다. 실험방법 및 순서는 그림 8에 도식화 하였다.
- 진동요소로는 스마트기기에 많이 사용되어지는 회전형 진동모터 MB-1203V[14]를 사용하였으며 진동모터의 프레임 장착을 위해 별도의 모터용 하우징을 제작하고 이를 프레임에 장착한 후 그림 2과 같이 시트커버(seat cover)에 내장하여 제작하였다. 그림 3과 같은 진동모터 작동용 드라이버 모듈을 별도 제작하였으며 PC를 사용하여 이를 제어하였고 제어용 소프트웨어는 LabVIEW 2009 (NI, Co., USA)을 사용하여 제작하였다.
- 3kg)을 대상으로 실험을 진행하였다. 모든 피험자는 실험에 앞서 관련된 내용을 충분히 숙지하고 고령자의 신체 상황을 감안하여 피험자에게 이상이 있을 시 즉시 비상정지가 가능하고 피험자의 안전이 충분히 보장되는 실험환경에서 실험을 진행하였다. 피험자 특이 사항으로 대부분의 피험자들이 고령에 의한 당뇨병을 보유하고 있고 혈압약을 주기적으로 복용 중이라 고답했으며 여성 피험자 1명은 파킨슨병 초기단계라고 답하였다.
- 본 연구에서는 6자유도 모션베이스 (Simuline, Co., Korea) 상에 구축된 가상의 운전장치(전북대학교)와 그림 1에서 보는 바와 같이 주행영상을 제공하기 위한 50인치 PDP 모니터를 사용하고 진동자극 제공을 위한 햅틱시트(haptic seat)는 6행 5열, 총 30개소의 진동요소를 내부 구조물에 설치하여 제작하였으며 진동요소간의 간격은 가로/세로 각 50mm이다. 진동요소로는 스마트기기에 많이 사용되어지는 회전형 진동모터 MB-1203V[14]를 사용하였으며 진동모터의 프레임 장착을 위해 별도의 모터용 하우징을 제작하고 이를 프레임에 장착한 후 그림 2과 같이 시트커버(seat cover)에 내장하여 제작하였다.
- 시트진동부위의 전압별 진동강도를 측정하기 위하여 진동계측기(vibration meter – Type-3116 ACO Co., Ltd. Japan)를 사용하였으며 진동모터의 동작전압에 따른 시트표면에서의 진동강도를 나타내는 가속도는 표 1과 같다.
- 05로 하였다. 실험결과에 대한 통계분석을 실시하기 위해 인지평균 점수가 가장 높은 피험자와 가장 낮은 피험자 각 1명씩의 점수를 제외한 8명의 피험자 점수를 정리하여 분석을 실시하였다.
- 실험은 신호의 숙지를 위한 훈련모드, 주행상황에서의 경고신호를 제공하는 주행실험모드, 후방주차 상황에서의 후방주차실험모드 등 3개의 모드로 진행되었다. 각 모드의 세부내용은 다음과 같다.
- 시트 진동자극에 대한 인지율은 피험자가 시트에서의 경고자극을 인지하지 못한 경우 0, 경고자극을 인지하여 해당되는 인지스위치를 누르는 경우 1로 표현하였다. 이때 인지한 결과를 별도의 PC에 설치 된 제어 프로그램을 사용하여 이 데이터들을 수집하여 기록하였다. 각 경고신호별 점수는 인지한 경우를 합산하여 통계처리하였다.
- 피험자들은 본 실험에 앞서 피험자 정보 작성 및 TMT 시험을 수행하였다. 이후 정지된 상태의 운전 시뮬레이터에 착석하여 안전벨트를 착용한 후 모션 베이스를 차량주행 시 엔진진동수준 주파수인 2Hz[17]로 상하방향으로 가진시키며 전면의 PDP에는 고속도로 주행 영상을 제공하여 가상운전환경을 구현하였다. 경고신호 별 제공되는 진동자극에 대해 피험자가 인지할 경우, 스티어링 휠에 구비된 인지 스위치를 누르게 하였다.
- 훈련모드로는 주행모드와 후방주차 모드의 모든 경고진동자극이 순차적으로 4회씩 제공되며 진동자극의 종류를 숙지하고 익숙해지는 과정으로 실험모드 전 실시하였다. 주행실험모드는 차량 주행 중 제공되는 모드로 좌회전, 우회전, 좌/우 후방사각지대 경고, 과속 및 추돌경고 등 5가지 경고로 구성하였으며 모든 경고를 불규칙한 순서로 4회씩 제공하여 이때 피험자가 인식하는 경고에 해당되는 인지스위치를 누르게 하고 이를 기록하였다 .
- 경고신호 별 제공되는 진동자극에 대해 피험자가 인지할 경우, 스티어링 휠에 구비된 인지 스위치를 누르게 하였다. 진동모터의 촉각자극과 진동음의 혼란을 피하기 위하여 별도의 이어폰을 통해 주행음향을 제공함으로서 진동음을 차단하였으며 진동모터의 동작전압은 5[Vdc]를 인가하였다.
- 피험자들은 본 실험에 앞서 피험자 정보 작성 및 TMT 시험을 수행하였다. 이후 정지된 상태의 운전 시뮬레이터에 착석하여 안전벨트를 착용한 후 모션 베이스를 차량주행 시 엔진진동수준 주파수인 2Hz[17]로 상하방향으로 가진시키며 전면의 PDP에는 고속도로 주행 영상을 제공하여 가상운전환경을 구현하였다.
- 피험자들은 실험에 앞서 시, 청각 기반의 인지기능테스트인 선추적검사 (TMT : Trail Making Test Part-A&B)를 실시하여 이때 소요되는 시간을 측정하여 점수화 하였다.
- 후방주차 실험모드는 후방주차 시 제공되는 모드로 좌 후방, 중앙 후방, 우 후방 등 3가지 자극으로 구성되며 모든 경고를 불규칙한 순서로 4회씩 제공하여 이때 피험자가 인식하는 경고에 해당되는 인지스위치를 누르게 하고 이를 기록하였다 .
- 훈련모드로는 주행모드와 후방주차 모드의 모든 경고진동자극이 순차적으로 4회씩 제공되며 진동자극의 종류를 숙지하고 익숙해지는 과정으로 실험모드 전 실시하였다. 주행실험모드는 차량 주행 중 제공되는 모드로 좌회전, 우회전, 좌/우 후방사각지대 경고, 과속 및 추돌경고 등 5가지 경고로 구성하였으며 모든 경고를 불규칙한 순서로 4회씩 제공하여 이때 피험자가 인식하는 경고에 해당되는 인지스위치를 누르게 하고 이를 기록하였다 .
대상 데이터
- 본 연구에서는 촉각에 이상이 없고 인지기능 실험을 위한 한글 읽기가 가능한 65세 이상의 남녀 고령자 11명 (남: 5명, 여 6명, 평균연령: 68.6±3.0세, 키: 160.1±6.9cm, 체중: 63.0±8.3kg)을 대상으로 실험을 진행하였다.
- , Korea) 상에 구축된 가상의 운전장치(전북대학교)와 그림 1에서 보는 바와 같이 주행영상을 제공하기 위한 50인치 PDP 모니터를 사용하고 진동자극 제공을 위한 햅틱시트(haptic seat)는 6행 5열, 총 30개소의 진동요소를 내부 구조물에 설치하여 제작하였으며 진동요소간의 간격은 가로/세로 각 50mm이다. 진동요소로는 스마트기기에 많이 사용되어지는 회전형 진동모터 MB-1203V[14]를 사용하였으며 진동모터의 프레임 장착을 위해 별도의 모터용 하우징을 제작하고 이를 프레임에 장착한 후 그림 2과 같이 시트커버(seat cover)에 내장하여 제작하였다. 그림 3과 같은 진동모터 작동용 드라이버 모듈을 별도 제작하였으며 PC를 사용하여 이를 제어하였고 제어용 소프트웨어는 LabVIEW 2009 (NI, Co.
데이터처리
- TMT 점수와 전체평균 점수 간에는 유의한 상관관계가 발견되지 않았으며 이는 시각기능과 인지기능에 의존하는 TMT 점수와 촉각기능에 의존하는 진동인지점수 간에 유의한 상관관계가 없다는 것을 의미하며 이를 확인하고자 TMT 점수그룹간의 진동인지 점수별 유의성분석을 위해 독립2-표본(Mann-Whitney)검정을 실시하였다.
- 이때 인지한 결과를 별도의 PC에 설치 된 제어 프로그램을 사용하여 이 데이터들을 수집하여 기록하였다. 각 경고신호별 점수는 인지한 경우를 합산하여 통계처리하였다.
- 각 변수 및 TMT 점수와 경고신호별 인지율의 상관관계 분석을 위해 비모수 상관계수인 Spearman 상관계수를 구하였고, TMT 점수별 그룹간의 경고 신호별 인지율 유의성분석을 위해 독립2-표본(Mann-Whitney)검정을 실시하였으며 통계학적 유의수준은 p<0.05로 하였다.
- 본 연구 결과의 통계처리는 PASW Statistics 18(SPSS Inc., USA) 통계프로그램을 사용하였다. 각 변수 및 TMT 점수와 경고신호별 인지율의 상관관계 분석을 위해 비모수 상관계수인 Spearman 상관계수를 구하였고, TMT 점수별 그룹간의 경고 신호별 인지율 유의성분석을 위해 독립2-표본(Mann-Whitney)검정을 실시하였으며 통계학적 유의수준은 p<0.
성능/효과
- 이는 나이가 들수록 운전수행능력이 감소한다는 기존의 고령자 대상 운전기능 연구의 결과들과 부합한다고 볼 수 있다. TMT 점수별 그룹의 매개변수는 TMT 우수: 1, TMT 저조: 2 를 대입하였으며 이에 대한 상관관계는 Part-A, Part-B, Part-AB, 그룹매개변수 간에 유의한 양의 상관관계를 보임으로서 이러한 분류는 통계적으로 합리적임을 보여주고 있다.
- 표 6 에 인지기능 TMT 점수별 그룹 간에 유의한 차이가 있는 점수항목을 음영처리하여 보여주었다. TMT 점수에서의 유의한 차이는 이를 기준으로 그룹을 나누었기 때문에 타당한 결과라고 할 수 있으며 그 외의 경고신호 인지 점수별 차이는 후방중앙을 제외한 모든 경고신호에서 유의하지 않은 차이를 보였다. 이는 시각기능과 인지기능에 의존하는 TMT 점수가 우수한 그룹이 촉각기능에 의존하는 진동 자극의 인지점수 역시 우수하지는 않다는 것을 통계적으로 보여주는 결과이다.
- 그룹매개변수와 후방중앙 인지점수의 음의 상관관계가 발견되었으며 이는 TMT 점수가 우수한 그룹이 후방중앙 신호를 더 잘 인지하였다는 것을 의미하고 이 차이는 인지기능이 우수한 그룹이 좌, 중앙, 우의 위치에 대한 구분을 더 잘했다는 것을 의미한다.
- 5/4점이고 주행모드에 비해 후방주차모드에서 약간 높은 점수를 보여주었다. 또한 모든 피험자가 과속경고를 인지하는 결과를 보여주었으며 TMT우수그룹이 저조그룹보다 후방중앙 신호를 잘 인지하는 결과를 보여주었다.
- 이는 5개의 신호를 숙지하고 전후방향을 구분해야 하는 주행모드보다 3개 신호의 위치만 구분하면 되는 후방주차모드에서의 실험이 인지부하를 덜 부가하였기 때문으로 사료되며 또한 과속경고의 경우 모든 피험자가 4번의 신호를 모두 인지하는 결과를 보여주었다. 특이사항으로 파킨슨병 초기 증세를 가진 여성 피험자의 경우 진동신호는 인지하였지만 신호의 방향을 전혀 인지하지 못하는 결과를 보였으나 4번의 과속경고는 모두 인지하는 결과를 보여주었다. 이는 과속경고신호의 경우 점멸이 아닌 연속 신호로 진동강도가 다른 경고신호에 비해 강하며 방향성을 가지지 않고 중앙 앞쪽 부분을 전체적으로 진동해 줌으로써 해당 인지스위치를 선택하기가 용이하였을 것으로 판단된다.
- 피험자들의 전체 진동 인지점수 평균은 3.5/4점이고 주행모드에 비해 후방주차모드에서 약간 높은 점수를 보여주었다. 또한 모든 피험자가 과속경고를 인지하는 결과를 보여주었으며 TMT우수그룹이 저조그룹보다 후방중앙 신호를 잘 인지하는 결과를 보여주었다.
- 피험자들의 전체 진동인지 점수 평균은 3.5/4점으로 87.5%의 인지율을 보여주었으며 주행모드에 비해 후방주차모드에서 약간 높은 점수를 보여주었다. 이는 5개의 신호를 숙지하고 전후방향을 구분해야 하는 주행모드보다 3개 신호의 위치만 구분하면 되는 후방주차모드에서의 실험이 인지부하를 덜 부가하였기 때문으로 사료되며 또한 과속경고의 경우 모든 피험자가 4번의 신호를 모두 인지하는 결과를 보여주었다.
후속연구
- 따라서 기존의 시․청각 기반의 운전정보전달 체계에 더불어 시트의 진동자극을 통한 운전정보를 부가하면 원근감각과 인지기능이 감소한 고령운전자들에게 효과적인 방법이 될 것이며 이를 통해 고령운전자의 운전수행능력 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 비록 본 실험을 통해 시트를 통한 진동자극의 운전정보 전달통로로서의 높은 가능성을 증명하였으나 대상 피험자수가 적었고 경고 신호별 진동자극에 대한 충분한 훈련을 실시하지 못하였으며 또한 기존의 시각, 청각을 이용한 운전 정보 전달에 대한 대조실험이 이루어지지 못한 것은 본 연구의 한계라고 판단된다.
- 따라서 기존의 시․청각 기반의 운전정보전달 체계에 더불어 시트의 진동자극을 통한 운전정보를 부가하면 원근감각과 인지기능이 감소한 고령운전자들에게 효과적인 방법이 될 것이며 이를 통해 고령운전자의 운전수행능력 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 비록 본 실험을 통해 시트를 통한 진동자극의 운전정보 전달통로로서의 높은 가능성을 증명하였으나 대상 피험자수가 적었고 경고 신호별 진동자극에 대한 충분한 훈련을 실시하지 못하였으며 또한 기존의 시각, 청각을 이용한 운전 정보 전달에 대한 대조실험이 이루어지지 못한 것은 본 연구의 한계라고 판단된다.
- 향후 더 많은 피험자를 대상으로 하는 실험과 인체의 촉각 분포와의 연관성을 통한 진동자극 위치와 강도, 면적 등의 개선 및 시․청각 전달방법과의 대조실험을 통해 복잡한 운전상황에서도 정확한 운전정보 전달이 가능하여 고령운전자 운전능력 개선에 매우 유용한 차량용 햅틱시트의 개발이 가능할 것으로 예상된다. 이를 통해 인지기능 및 운전기능이 저하된 고령운전자의 운전수행능력 개선에 도움이 되고자 한다.
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