The Korean Society Of Automotive Engineers

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 9

[ Article ]
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
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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
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