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문제 정의
- Matsumoto(12)와 Jeon(13)의 연구결과에서 보듯이 수직방향 진동에 대한 인체의 거동을 조금 더 정확하게 묘사하기 위해서는 질량편심에 따른 회전 방향의 응답특성에 대한 연구가 필요하다. 따라서 이 논문에서는 수직방향 전신진동에 노출된 인체에 대하여 3방향의 병진응답특성과 3방향의 회전응답특 성을 실험적으로 분석하고자 한다. 전자식 단축가진기(IMV-i220)를 이용하여 3~40Hz주파수 범위에서 0.
- 본 연구에서는 3~40Hz, 0.224m/s2 r.m.s.의 수직방향 진동에 노출된 16명의 피시험자에 대한 6축방향의 인체반응특성을 연구하였다. 3방향의 병진응답은 겉보기질량에 비해 전후방향 겉보기질량은 20%, 좌우방향 겉보기질량은 3%의 크기를 가지고 3방향의 회전응답은 피치방향의 겉보기편심질량에 비해 롤방향이 17 %정도의 크기를 갖는 것을 알 수 있었다.
제안 방법
- 5Hz로 하였다. A/D변환된 데이터는 해닝창함수(hanning window function)를 적용하여 스펙트럼으로 변환하였으며, 95% 중첩(overlap)한 스펙트럼을 평균화(spectrum averaging)하였다.
- 기존의 수직방향 진동에 대한 인체의 반응특성에 관한 연구는 20Hz미만의 주파수 영역에서 수행되었 으나, 본 연구에서는 차량의 아이들(idle) 진동을 고려하여 3~40Hz의 주파수 범위와 0.224m/s2 r.m.s.의 가진 크기를 갖는 랜덤신호를 이용하여 연구를 진행 하였다.
- Nawayseh(8,9)와 Mansfield(10)등은 수직방향 진동에 대한 수직방향 겉보기질량은 4~6Hz 에서 공진이 나타났고 2차 피크는 7~14Hz에서 나타난다고 보고하였다. 또한, 인체의 형상적 특징으로 인해 전후방향으로 비대칭적인 반응특성이 나타나며 이를 전후방향의 교차축 겉보기질량(fore-and-aft cross-axis apparent mass)으로 나타내었다. 전후방향의 교차축 겉보기질량은 5Hz부근에서 공진이 나타나며 정적질량의 60%정도의 크기로 나타난다고 보고하였다.
- 여기서, 기존의 연구와 같이 수직방향 진동에 대한 수직방향의 응답특성은 겉보기질량이라 하였고 수직방향과 교차 하는 전후방향과 좌우방향의 응답특성은 교차축겉보기질량이라 하였다. 또한, 회전방향의 응답특성은 겉보기편심질량으로 구분하여 분석하였다.
- 수직방향 진동에 대한 인체의 반응특성을 분석하기 위하여 가진기 플랫폼과 일체로 장착된 강체시트의 가속도를 측정하였고, 피시험자가 착석하고 있는 힘 측정 판에서 발생하는 힘의 양을 측정하였다. 랜덤가진으로 구하는 겉보기질량 또는 교차축겉보기질량은 가속도와 병진력의 관계를 표현한 것으로 다음과 같이 계산한다(1, 8-9).
- 이 논문에서는 ISO 2631-1(14)의 인체 좌표계를 기준으로 착석한 인체의 전후방향(X-direction), 좌우방향(Y-direction), 수직방향(Z-direction)으로 정의하고 힘 측정판에서 측정되는 3방향의 병진력과 3방향의 회전력에 대한 인체의 응답특성을 분석하였다. 입력신호와 응답신호의 계측 및 신호처리는 NI사의 Labview를 이용하였으며 후처리(post processing)는 Mathworks사의 Matlab을 이용하였다.
- 따라서 이 논문에서는 수직방향 전신진동에 노출된 인체에 대하여 3방향의 병진응답특성과 3방향의 회전응답특 성을 실험적으로 분석하고자 한다. 전자식 단축가진기(IMV-i220)를 이용하여 3~40Hz주파수 범위에서 0.224m/s2 r.m.s.의 진동크기를 가지는 랜덤신호를 가진하였으며, 3방향의 병진력과 3방향의 모멘트를 측정할 수 있는 스트레인게이지 타입의 힘측정판을 이용하여 인체의 반응특성을 분석하였다. 여기서, 기존의 연구와 같이 수직방향 진동에 대한 수직방향의 응답특성은 겉보기질량이라 하였고 수직방향과 교차 하는 전후방향과 좌우방향의 응답특성은 교차축겉보기질량이라 하였다.
- 2와 같이 양손을 무릎위에 가지런히 놓고, 허리를 곧게 세우고 정면을 응시하는 자세를 취하도록 유도하였으며 실험이 진행되는 동안 자발적인 움직임을 하지 않도록 주문하였다. 피시험자가 시트에 착석할 때 신체의 무게중심과 힘측정판의 무게중심이 일치시키기 위하여 힘측정판의 모멘트 성분이 0이 되는 지점에 착석하도록 하였다. 피시험자는 허벅지가 수평시트에 편안한 느낌으로 닿고, 발바닥은 발판위에 가지런히 놓여지는 상태로 무릎과 허벅지는 대략 90°를 유지 하는 Average thigh contact 자세를 유지할 수 있도록 가변형 발판을 제작하였다.
- 피시험자는 실험이 시작될 때 Fig. 2와 같이 양손을 무릎위에 가지런히 놓고, 허리를 곧게 세우고 정면을 응시하는 자세를 취하도록 유도하였으며 실험이 진행되는 동안 자발적인 움직임을 하지 않도록 주문하였다. 피시험자가 시트에 착석할 때 신체의 무게중심과 힘측정판의 무게중심이 일치시키기 위하여 힘측정판의 모멘트 성분이 0이 되는 지점에 착석하도록 하였다.
- 피시험자는 허벅지가 수평시트에 편안한 느낌으로 닿고, 발바닥은 발판위에 가지런히 놓여지는 상태로 무릎과 허벅지는 대략 90°를 유지 하는 Average thigh contact 자세를 유지할 수 있도록 가변형 발판을 제작하였다.
- 피시험자를 80초 동안 진동에 노출시켰으며 과도 신호인 시작과 끝의 10초를 제외한 60초 동안의 신호를 이용하여 인체의 반응특성을 분석하였다. 이때 Frequency span은 1,000Hz이며 Frequency resolution은 0.
대상 데이터
- IMV i-220의 상세사양은 Table 1에 나타내었다. 가진기 상부에 부착된 가속도계는 저주파영역에서 안정적인 응답특성을 가지는 스트레인 게이지 타입(strain gauge type) ICP 가속도계 kistler 8310B10을 이용하였다. 가진기 상부에 설치된 힘 측정판(AMTI OR 6-7)은 4개의 마운트 (mount)마다 두께가 얇은 원통에 스트레인게이지 (3-axis transducer)를 부착시켜 외부의 힘에 의해 스트레인게이지가 변형을 하게 되면 전기적 저항값이 변함에 따라 출력전압이 달라지는 원리를 이용한다.
- 피시험자는 임의로 선정된 16명의 남성으로 구성되어 있으며 이들의 신체적 특성에 대한 통계적 데이터는 Table 3에 나타내었다.
데이터처리
- 또한 공진주파수에서 겉보기질량에 비해 전후방향 교차축곁보기질량은 20%, 좌우방향 교차축겉보기질량은 3%정도의 크기를 갖는 것을 알 수 있으며 이는 기존의 연구결과(11)와 잘 일치하였다. 각 방향 인체반응특성의 상관성을 분석하기 위하여 비모수통계 기법(nonparametric statistics method)의 하나인 프리드만 검증(Friedman test)(15)을 실시한 결과 모든 주파수 영역에서 p-value가 0.001이하의 값을 나타내었다.
이론/모형
- 이 논문에서는 Fig. 1에서 보는 것처럼 수직방향 임의진동(random vibration)을 발생시키기 위하여 코일에 전류를 흘려 만들어지는 자기장에 의한 힘을 이용하는 전자식(Electro-dynamic type) 단축가진기 (IMV i-220)을 이용하였다. IMV i-220은 가진기 상부에 부착된 가속도계(kistler 8310B)의 신호를 실시간으로 피드백 제어하여 진동의 크기와 주파수를 제어 목표치를 유지할 수 있도록 한다.
- 의 인체 좌표계를 기준으로 착석한 인체의 전후방향(X-direction), 좌우방향(Y-direction), 수직방향(Z-direction)으로 정의하고 힘 측정판에서 측정되는 3방향의 병진력과 3방향의 회전력에 대한 인체의 응답특성을 분석하였다. 입력신호와 응답신호의 계측 및 신호처리는 NI사의 Labview를 이용하였으며 후처리(post processing)는 Mathworks사의 Matlab을 이용하였다.
성능/효과
- 의 수직방향 진동에 노출된 16명의 피시험자에 대한 6축방향의 인체반응특성을 연구하였다. 3방향의 병진응답은 겉보기질량에 비해 전후방향 겉보기질량은 20%, 좌우방향 겉보기질량은 3%의 크기를 가지고 3방향의 회전응답은 피치방향의 겉보기편심질량에 비해 롤방향이 17 %정도의 크기를 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, 요방향의 겉보기편심질량은 뚜렷한 특성이 나타나지 않았다.
- Cheung(5,6)등은 한국인의 수직방향 전신진동에 대한 수직방향 응답 특성을 실험적으로 연구하여 ISO 5982와 비교하였다. 그 결과 한국인은 ISO 5982에 비하여 위상값이 크게 나타나며 겉보기질량의 경우 10Hz이상에서 적지 않은 차이가 나타났고, 이는 서양인과 한국인의 체격차이에서 나타나는 결과라 설명하였다. Kitazaki(7) 등은 유한요소모델을 이용하여 수직방향 진동에 대한 겉보기질량과 척추, 골반, 내장, 머리의 거동을 분석하였다.
- 여기서 굵은 실선은 16명의 피시험 자에 대한 주파수별 중간값을 나타낸 것이다. 롤 방향의 겉보기편심질량은 피시험자의 신체적 특성에 따라 다소 차이가 있으나 대체적으로 7Hz부근에서 피크를 가지는 것을 확인하였다. 피치방향의 겉보기 편심질량은 롤방향의 겉보기편심질량과 비슷한 주파수에서 최대피크를 가지며 부분적으로 12Hz에서 2차 피크주파수를 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 수직방향의 겉보기질량에 비해 전후, 좌우방향의 교차축겉보기질량이 매우 작은 것을 알 수 있었고, 전후, 좌우방향의 교차축겉보기질량은 겉보기질량의 공진주파수와 동일한 주파수에서 피크를 갖는 것을 알 수 있다. 또한 공진주파수에서 겉보기질량에 비해 전후방향 교차축곁보기질량은 20%, 좌우방향 교차축겉보기질량은 3%정도의 크기를 갖는 것을 알 수 있으며 이는 기존의 연구결과(11)와 잘 일치하였다.
- 롤 방향의 겉보기편심질량은 피시험자의 신체적 특성에 따라 다소 차이가 있으나 대체적으로 7Hz부근에서 피크를 가지는 것을 확인하였다. 피치방향의 겉보기 편심질량은 롤방향의 겉보기편심질량과 비슷한 주파수에서 최대피크를 가지며 부분적으로 12Hz에서 2차 피크주파수를 가지고 있음을 알 수 있었다. 요방향의 겉보기편심질량은 뚜렷한 특성을 보이지 않았다.
후속연구
- 또한, 요방향의 겉보기편심질량은 뚜렷한 특성이 나타나지 않았다. 향후 연구에서는 더 다양한 자세와 다양한 크기의 진동에 대해서는 이 연구의 결과와 어떤 차이를 보이는지를 알아볼 필요가 있고 아울러 인체반응의 특성치의 증가와 감소에 따른 불편함과의 상관성을 분석하는 연구도 필요하리라 사료된다.
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