The Korean Society Of Automotive Engineers

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 9
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Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 9, pp. 735-740
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Sep 2019
Received 14 Jun 2019 Revised 17 Jul 2019 Accepted 05 Aug 2019
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.9.735

주행 요통 예방을 위한 시트 Lower-Thoracic Support (LTS) 기술의 효용성 검증
이백희* ; 곽민혁
현대자동차 바디시험3팀

Effectiveness Validation of Seat Lower-Thoracic Support (LTS) Technology for Preventing Low Back Pain in Driving
Baekhee Lee* ; Minhyuk Kwak
Body Test Team 3, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Namyang-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280, Korea
Correspondence to : *E-mail: x200won@hyundai.com


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 166-09
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
Abstract

The present study analyzed the effectiveness of lower-thoracic support(LTS) seat technology for the fundamental prevention of lower back pain in long-term driving. LTS was applied to the T10 ~ T12 spine area on the back of the seat by integrating with the air cell in/deflation system. Spine posture bending amounts of non-lumbar and LTS were measured and compared by applying a spine posture estimation method. Posture and comfort satisfactions of non-lumbar and LTS for one-hour driving were evaluated every 5 minutes by eight seat experts using a questionnaire with 10-point scale(0: extremely dissatisfied, 5: moderate, 10: extremely satisfied). The LTS seat facilitates bended-spine posture to erect-spine posture by up to 44 % compared to non-lumbar seat. Posture and comfort satisfaction involving LTS were 1.5 ~ 2.8 times higher compared to when no lumbar support is used. The LTS can contribute to maintaining erect-sitting posture to prevent lower back pain during long-term driving.

Keywords: Seat, Lower-thoracic support, Low back pain, Long-term driving, Driving posture, Spine
키워드: 시트, 흉부 하단 지지, 허리 통증, 장시간 주행, 주행 자세, 척추
1. 서 론

장시간 주행간 시트 착좌 시 착좌자 상체의 하중이 허리(Lumbar)에 집중 및 축적됨에 따라 허리 통증(Low back pain)이 발생된다. 자동차 시트는 주행 시 다양한 인체크기를 가진 착좌자에게 컴포트 제공을 위하여 최적의 형상 및 물성을 설계에 적용하여 개발되고 있다.1) 동일한 시트에 착좌 하더라도 착좌자 선호 자세에 따라 느끼는 컴포트는 상이하다.2,3) 특히, 장시간 주행간 구부정한 착좌 자세(Slouched-sitting posture) 유지 시 시트 착좌자의 상체 하중이 허리부에 집중/축적되어 척추 부위 중 L1 ~ L5 부위의 스트레스 및 피로(Fatigue) 발생을 가중시켜 심각한 허리 통증이 유발될 수 있다(Fig. 1 참조). 현재 허리 통증 감소를 위해 파워시트의 경우 허리부 에어셀 흡입을 통해 허리부를 전방으로 돌출시켜 허리를 지지해 주는 럼버 서포트(Lumbar support)가 대부분 적용되어 있다. 럼버서포트는 국부적/일시적으로 상체 하중을 분산시켜 허리 통증을 일부 완화시켜 줄 수 있으나 장시간 주행 시 L1 ~ L5 부위의 상체 하중이 누적됨에 따라 허리 통증은 여전히 발생될 수 있어 보다 근본적인 개선안이 요구된다.


Fig. 1 
Low-back pain caused by slouched-sitting posture on seat

시트 컴포트 향상을 위한 시트 백 부위별 지지 전략은 Fig. 2와 같이 3가지(Lower-thoracic support, lumbar support, 그리고 sacrum support)로 구분된다. 본 연구는 기존 문헌들을 조사해 본 결과, 착좌 시 럼버서포트(Lumbar support)는 허리 지지에 도움을 주지만 과하면 건강에 악영향을 줄 수 있다는 결과,4,5) 흉부하단지지(Lower-thoracic support)는 곧은 척추 자세를 생성하여 허리 통증 예방을 할 수 있다는 결과,6) 천골지지(Sacrum support)는 안정성을 증대시켜 척추 디스크 등을 예방할 수 있다는 결과7)에 근간하여 시트 착좌 시 착좌자 상체 부위의 3가지 지지에 대한 척추(Spine) 부위 지지 효과를 Fig. 2와 같이 정리하였다.8,9) 중간등에 해당하는 흉부하단(Lower-thoracic, T10 ~ T12) 지지는 곧은 자세 형성에 도움을 주어 구부정한 자세를 펴주는 효과가 있는 것으로 파악되었다. 현재 적용되고 있는 허리(Lumbar, L1 ~ L5) 지지는 국부적 상체 하중을 분산시켜 허리 통증을 완화시켜주는 것으로 파악되었다. 마지막으로, 엉덩이 부위에 해당하는 천골(Sacrum) 지지는 주행 충격/진동 스트레스를 감소시켜 주행 안정성을 증대시키는 것으로 파악되었다. 문헌 조사 결과, Fig. 3에 나타낸 것과 같이 구부정한 착좌 자세 발생 시 척추를 근본적으로 펴주기 위한 힌지(Hinge) 부위인 T10 ~ T12를 지지하면 곧은 착좌 자세(Erect-sitting posture)를 형성시켜 피로 저감 및 허리 통증 예방에 효과적인 것으로 파악되었다.


Fig. 2 
Seat support strategies by body part for improving comfort


Fig. 3 
Spine supporting area for making erect-sitting posture

본 연구는 장시간 주행 시 허리 통증의 근본적인 예방을 위한 시트 Lower-thoracic support(LTS)의 효용성을 검증하고 적용할 수 있는 기술을 개발하였다. 본 연구는 LTS 적용 시트를 제작하여 착좌 시 척추(Spine) 자세 펴침 정도를 척추 자세 굽힘 정도(Spine bending amount, SBA)를 통해 정량적으로 분석하고, 주행 실험을 통하여 자세 만족도와 컴포트 만족도 측면의 효과를 검증하였다. 마지막으로, LTS를 시트에 적용하는 방법을 제안하였다.

2. 본 론
2.1 LTS 효용성 검증: 신체적

본 연구는 LTS가 시트 착좌자 척추 자세를 펴주는 지에 대한 검증을 위해 프로젝션 기반 척추 자세 5단계 추정 방법을 적용하였다. 본 연구는 Fig. 4와 같이 LTS 구현을 위해 시트 백 착좌 시 T10 ~ T12 위치를 계산하여 에어셀을 설치하였다. 첫째, 럼버 서포트 미적용(Non-lumbar support, NLS)된 기본 시트에 대해 볼스터를 회피하여 마커(Marker) 부착 후 측면에서 사진이 촬영되었다. 둘째, LTS 적용 시트에 대해 착좌자가 선호하는 만큼 LTS 부위에 에어셀 공기를 주입하였고, 참조치(Reference)로서 에어셀 공기를 최대로 주입하여 두 가지 조건에서 사진이 촬영되었다. 셋째, NLS 자세의 마커를 2D 평면상에서 구부정한 착좌 자세 척추 이미지에 투사(Projection) 함으로써 척추 위치별 마커와의 거리인 척추 위치별 보정량이 계산되었다. 넷째, 척추 위치별 보정량을 LTS 선호/최대 자세에 적용함으로써 LTS 선호/최대 척추 자세가 추정되었다. 마지막으로, 척추 최대 돌출 지점과 척추 마커별 수평 합을 계산(예: 직선 척추 자세 = 0)함으로써 척추 자세 굽힘 정도(Spine bending amount, SBA)가 계산되었다. LTS 자세 측정 분석 결과 Fig. 5와 같이 척추 굽힘 정도를 선호 자세에서는 약 20 %, 최대 LTS 적용 시에는 40 %까지 감소시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 추가로, 본 연구는 X-ray 등을 활용하여 실제 착좌자 척추 자세를 분석한 것이 아니라 사진 촬영 기법을 통한 2D 평면상 척추 추정 방법을 적용했기 때문에 측정 오차가 포함되어 있다는 한계가 있다.


Fig. 4 
Air cell installation location for LTS (T10 ~ T12)


Fig. 5 
Spine posture: NLS vs. LTS

2.2 LTS 효용성 검증: 감성적

본 연구는 LTS의 감성적 효용성 검증을 위하여 흉부하단지지(LTS)와 천골지지(sacrum support, SS)를 조합하여 4가지 조건(NLS, LTS, LTS+SS, 그리고 SS)에서 인간공학적 주행 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 Size-Korea의 신장과 몸무게의 95 %를 수용할 수 있는 다양한 인체크기를 가진 시트 시험 엔지니어 8명(신장: 171.4 ± 6.1 cm, 몸무게: 71.6 ± 1.0 kg)을 대상으로 1시간 주행간 5분 단위로 자세 및 컴포트 만족도에 대해 10점 척도로 평가되었다. 자세 만족도는 착좌자가 선호하는 자세에서 실험 조건(예: LTS) 적용 시 자세가 변화함에 따라 만족하는지에 대한 평가 항목이며, 컴포트 만족도는 실험 조건 적용 시 피팅감, 허깅감, 소프트니스 등의 전반적인 시트 편안함이 만족하는지에 대한 평가 항목이다. 본 연구에서는 착좌자 각각의 인체크기를 측정하여 착좌자별 LTS 및 SS 위치에 에어셀을 설치하여 실험이 수행되었다.

전반적 만족도 분석 결과, LTS+SS와 LTS는 NLS보다 약 2배 이상 자세 만족도가 우수하고, 1.5배 이상 컴포트 만족도가 우수한 것으로 파악되었다. 전반적 자세 만족도(Fig. 6 참조)는 LTS+SS(6.7±1.3점)와 LTS(6.5±1.3점)은 통계적으로 가장 우수 (Tukey method 사후검정 결과: Fig. 6 상단 A)하였으며, SS(4.0±1.8점, B)와 NLS(2.8±1.3점, C)순으로 나타났다[F(3, 360) = 165.77, p < 0.001]. 전반적 컴포트 만족도(Fig. 7 참조)는 LTS+SS(5.1±1.5점)와 LTS(5.0±1.5점)은 통계적으로 가장 우수(A)하였으며, SS(3.9±1.7점, B)와 NLS(3.5±1.6점, C)순으로 나타났다[F(3, 360) = 22.78, p < 0.001].


Fig. 6 
Posture satisfactions of NLS, LTS, LTS+SS, SS: Overall


Fig. 7 
Comfort satisfactions of NLS, LTS, LTS+SS, SS: Overall

시간별 만족도 분석 결과, LTS+SS와 LTS는 최초와 1시간 후 모두 최초 대비 자세 만족도 저하 정도가 0.3배 이하로 낮았고, LTS는 최초와 1시간 후 모두 최초 대비 컴포트 만족도 저하 정도가 0.1배 낮아 LTS 성능이 우수한 것으로 파악되었다. 자세 만족도는 최초 착좌 시 LTS(7.4점) > LTS+SS(6.7점) > SS(5.8점) > NLS(4.6점)순이었고, 1시간 주행 후 LTS+SS(5.9점) > LTS(5.4점) > SS(2.8점) > NLS(1.9점)순이었으며, 1시간 주행 후 저하 정도는 NLS(0.6배) > SS(0.5배) > LTS(0.3배) > LTS+SS(0.1배)순으로 나타났다(Fig. 8 참조). 컴포트 만족도는 최초 착좌 시 NLS(5.9점) > LTS(5.1점) > SS(5.0점) > LTS+SS(4.7점)순이었고, 1시간 주행 후 LTS(4.6점) > LTS+SS(3.9점) > SS(3.1점) > NLS(2.0점)순이었으며, 1시간 주행 후 저하 정도는 NLS(0.7배) > SS(0.4배) > LTS+SS(0.2배) > LTS(0.1배)순으로 나타났다(Fig. 9 참조). 요약하면, Fig. 10에 나타낸 것과 같이 LTS가 자세 및 컴포트 만족도 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다.


Fig. 8 
Posture satisfactions of NLS, LTS, LTS+SS, SS: By time


Fig. 9 
Comfort satisfactions of NLS, LTS, LTS+SS, SS: By time


Fig. 10 
Posture and comfort satisfactions of NLS, LTS, LTS+SS, SS: Summary

2.3 LTS 적용 방안

본 연구는 LTS를 시트에 적용하는 방안으로 Fig. 11과 같은 두 가지(기본 시트 백 스킨 적용, LTS 작동 시스템 개발)를 개발하였다. 파워시트가 아닌 레버를 수동으로 조작하여 시트를 조절하는 매뉴얼 시트(NLS 적용)의 경우 Fig. 11(a)와 같이 기본 스킨(Default skin)대비 중간등(Mid-back) 부위(T10 ~ T12)의 스킨을 전방으로 돌출(LTS skin)시켜 척추의 힌지(Hinge) 부위를 지지함으로써 곧은 자세 형성시킨다. 시트 스위치를 사용하여 시트를 조절하는 파워 시트의 경우 현재 럼버 서포트(Lumbar support) 상단에 LTS 에어셀을 추가하고 On/off 스위치를 구현함으로써 LTS의 돌출량 및 상하 위치를 조절할 수 있는 시스템으로 개발될 수 있다.


Fig. 11 
Application methods of LTS technology

3. 결 론
  • 1) 시트 흉부하단지지(Lower-thoracic support, LTS)는 착좌자의 척추(Spine) 자세를 곧은 자세로 형성 및 유지시켜줌으로써 장시간 주행 요통 예방에 기여할 수 있다.
  • 2) 시트에 에어셀을 사용하여 착좌자 척추 T10 ~ T12 부위에 LTS를 적용하면 구부정한 착좌 자세를 최대 약 40 %까지 펴줄 수 있어 다양한 인체크기 및 선호 자세를 가지는 착좌자들 대상으로 적용될 수 있다.
  • 3) 시트 착좌자 상체 지지의 네 가지 전략(Non-lumbar, lower-thoracic support, lower-thoracic support + sacrum support, 그리고 sacrum support)에 대한 자세 및 컴포트 만족도 실험 결과, lower-thoracic support(LTS)가 전반적/시간별 측면에서 가장 우수한 것으로 파악되어 시트 럼버 서포트와 같이 실제 차종 개발에 적용될 수 있다.
Acknowledgments

A part of paper was presented at the KSAE 2019 Spring Conference

Subscripts
LTS : lower-thoracic support
NLS : non-lumbar support
SS : sacrum support
References
1. H. K. Park, Y. S. Kim, and J. W. Lee, “Quantification of Seat Comfort Feeling Long-term Comfort”, Transactions of KSAE, 22(5), p1-4, (2014).
2. D. Kim, H. Choi, J. Lee, S. Ahn, and S. Lee, “A Study on Characterizing a Healthy Driving Posture”, Transactions of KSAE, 21(5), p121-129, (2013).
3. D. Zacharkow, Posture: Sitting, Standing, Chair Design and Exercise, Thomas, Springfield, (1988).
4. D. Zacharkow, ZACKBACK Sitting, ZACKBACK International, Rochester, (1998).
5. J. R. Romaniuk, G. S. Supinski, and A. F. DiMarco, “Reflex Control of Diaphragm Activation by Thoracic Afferents”, Journal of Applied Physiology, 75(1), p63-69, (1993).
6. D. Zacharkow, 3 Reasons to Avoid Driving with Lumbar Support, http://www.yogaback.com/3-reasons-to-avoid-driving-with-lumbar-support.html, (2019).
7. D. Zacharkow, Driving with Sacral Support: The Key to Preventing a Herniated Lumbar Disc, http://www.yogaback.com/driving-with-sacral-support.html, (2019).
8. A. A. White, and M. M. Panjabi, Clinical Biomechanics of the Spine, Lippincott, Philadelphia, p84, (1978).
9. B. H. Lee, M. H. Kwak, Y. S. Kim, and S. C. Ahn, “Development of a Seat Lower-Thoracic Support (LTS) Technology for Anti-Low Back Pain in Long-Term Driving”, KSAE Spring Conference Proceedings, p867-873, (2019).
 
Trans. Korean Soc. Auto. Eng. (KSAE) [pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149]
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