KR101394742B1 - 인체공학적 시트조절 장치 및 방법 - Google Patents

인체공학적 시트조절 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운전자의 체형/자세에 따라 능동적으로 시트를 조절하여 장시간 운전시에도 운전자에게 안락감을 제공할 수 있도록 한 인체공학적 시트조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 운전자 착좌시의 시트백 반력을 비롯하여 시트쿠션 및 페달 반력을 계산한 다음, 각 반력을 기반으로 운전자의 체형 및 운전 자세에 따른 요추 모멘트를 계산하고, 계산된 요추 모멘트에 따라 시트내의 에어셀 압력을 조절함으로써, 장시간 운전시 발생하는 요추 근육의 피로도를 저감시키는 동시에 시트 안락감을 향상시킬 수 있도록 한 인체공학적 시트조절 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

인체공학적 시트조절 장치 및 방법{Seat control device and method be considered human engineering}
본 발명은 인체공학적 시트조절장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전자의 체형/자세에 따라 능동적으로 시트를 조절하여 장시간 운전시에도 운전자에게 안락감을 제공할 수 있도록 한 인체공학적 시트조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 실내에 장착되는 시트는 운전자 및 승객의 엉덩이 부분이 닿는 시트쿠션과, 등 부분이 닿는 시트백을 기본 구성으로 하고, 이러한 시트의 기본 구성에 운전자의 체형 및 자세를 고려하여 허리를 받쳐주는 요추지지대와, 운전자에게 안락한 착좌감을 주기 위해 착좌압력에 따라 쿠션감이 자동 조절되는 장치 등과 같은 시트조절수단들이 내설되고 있다.
종래의 시트조절수단에 대한 일례로서, 요추플레이트를 요추 형상에 맞게 만곡시켜 요추를 지지해줌으로써, 요추 피로를 저감시키는 수동형의 럼버서포트 장치가 공개특허 2005-0047594(2005.05.23)에 개시되어 있고, 또한 요추 지지장치를 운전자의 신장에 맞게 자동 조절하여 요추 피로를 저감시킬 수 있는 능동형 요추지지장치가 공개특허 2004-0043298(2004.05.24)에 개시되어 있지만, 공통적으로 사람마다 다른 몸무게 및 신장 등의 체형을 면밀하게 고려하지 않아 요추만을 단순히 지지해주는 받침 기능에 불과한 단점이 있다.
종래의 시트조절수단에 대한 다른 예로서, 시트쿠션 및 시트백내에 내장된 에어튜브의 압력을 운전자가 원하는 수준으로 조절하는 장치가 공개특허 1997-0036396(1997.07.22)에 개시되어 있고, 시트쿠션내에 탄성장치를 상하 조절하여 시트쿠션력을 변화시키는 시트쿠션 조절장치가 공개특허 1998-023225(1998.07.06)에 개시되어 있지만, 사람마다 다른 인체공학적 특성을 반영하지 못하고 단순히 시트의 쿠션압력만을 변화시키는 기능에 불과한 단점이 있다.
종래의 시트조절수단에 대한 또 다른 예로서, 미국특허출원 2010/0036567에는 광섬유센서를 이용하여 시트압력분포를 센싱하고, 지능형 재료 물성을 변화시켜 안락감을 제공하는 시트 장치가 개시되어 있고, 또한 미국특허출원 2010/0289301에는 시트 표면의 응력을 통하여 그 내부의 에어백 압력분포를 체형에 맞게 조절하는 시트조정장치가 개시되어 있지만, 운전자의 운전자세에 따른 페달 반력 및 요추 모멘트 등과 같은 사항들을 면밀하게 고려하지 않아 장시간 운전시 요추 피로가 증가할 수 있는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 운전자 착좌시의 시트백 반력을 비롯하여 시트쿠션 및 페달 반력을 계산한 다음, 각 반력을 기반으로 운전자의 체형 및 운전 자세에 따른 요추 모멘트를 계산하고, 계산된 요추 모멘트에 따라 시트내의 에어셀 압력을 조절함으로써, 장시간 운전시 발생하는 요추 근육의 피로도를 저감시키는 동시에 시트 안락감을 향상시킬 수 있도록 한 인체공학적 시트조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 몸무게 및 신장을 비롯한 체형과, 착좌시 자세정보가 저장된 인체 데이타베이스와; 운전자가 시트에 착좌시, 시트백 반력을 측정하는 센싱부와; 착좌시 인체 데이타베이스의 데이타를 기반으로 착좌 좌세의 무게 중심을 계산하고, 계산된 무게 중심 및 센싱부로부터의 시트백 반력을 기반으로 시트쿠션 반력 및 페달 반력을 계산하여, 요추모멘트를 분석하는 제어부와; 분석된 요추모멘트에 따른 압력조절신호를 받아서 시트내의 시트폼 압력을 조절하는 압력조절장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 센싱부는 시트백의 좌우 리클라이너에 설치된 2개의 6축 힘토크 센서로 채택된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 시트폼은 다수의 에어셀을 갖는 구조로서, 압력조절장치의 구동에 의하여 에어셀내의 압력이 조절되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 시트에 운전자가 착좌시, 체형을 파악하는 동시에 착좌 자세의 무게 중심을 계산하는 제1단계와; 착좌시 운전자의 등이 시트백에 닿을 때, 시트백 반력을 측정하는 동시에 엉덩이 및 허벅지가 닿을 때의 시트쿠션 반력과 브레이크 또는 가속페달을 밟을 때의 하체가 받는 페달 반력의 합력을 계산하는 제2단계와; 시트쿠션 반력 및 페달 반력을 이용하여 운전자의 요추 모멘트를 계산하는 제3단계와; 계산된 요추 모멘트를 기반으로 시트내에 내장된 시트폼 압력을 조절하여 시트폼의 강성 분포를 제어하는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 제1단계에서, 상기 착좌 자세의 무게 중심은 인체 데이타베이스에 저장된 체형 정보 및 착좌 자세 정보를 기반으로
Figure 112012075757581-pat00001
에 의하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
이때 위의 수식에서, x는 전체 체중의 무게 중심, mi는 각 신체부위의 질량, xi는 각 신체부위의 무게 중심을 나타낸다.
특히, 상기 제2단계에서, 상기 시트백 반력은 시트백의 좌우 리클라이너에 설치된 2개의 6축 힘토크 센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2단계에서, 상기 시트쿠션 및 페달 반력의 합력은 제1단계에서 계산된 인체 무게 중심에서의 운전자 체중에서 시트백 반력을 차감하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 제3단계에서, 상기 요추 모멘트는 제1단계에서의 체형 파악에 따른 운전자의 요추 위치를 파악하고, 이 요추 위치에 대하여 시트쿠션과 페달 반력의 합력으로 생기는 것으로서,
Figure 112012075757581-pat00002
에 의하여 분석되는 것을 특징으로 한다.
위의 수식에서, TL은 요추 모멘트, xL은 요추위치, xCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력의 작용점, FCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력을 각각 나타낸다.
또한, 제4단계에서, 계산된 요추 모멘트를 기반으로 시트폼의 강성 분포를 제어하되, 허벅지와 골반부가 닿는 부위의 시트폼 강성 분포를 요추 모멘트가 최소가 되는 시트폼 강성 분포로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 운전자의 신장/몸무게/착좌자세 등을 포함하는 인체 데이타베이스와, 착좌시 측정 가능한 시트백 반력을 이용하여 시트쿠션과 페달 반력의 합력으로 생기는 운전자의 요추 모멘트를 산출하여, 시트에 내장된 시트폼의 에어셀 압력 분포를 조절함으로써, 요추 모멘트를 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 장시간 운전시 발생하는 요추 근육의 피로도를 저감시켜 시트 안락감을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인체공학적 시트조절 장치 및 방법을 설명하는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 인체공학적 시트조절 장치에 의한 요추 모멘트 산출 원리를 설명하는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 인체공학적 시트조절 장치 및 방법에 의거, 요추모멘트 계산 및 그에 따른 시트폼 강성 분포를 제어하는 과정을 설명하는 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 시트에 착석한 운전자의 요추 모멘트를 산출하여, 시트에 내장된 시트폼의 에어셀 압력 분포를 조절함으로써, 운전자의 요추 모멘트를 최소화시켜 편한 자세를 지속적으로 유지시킬 수 있고, 장시간 운전시 발생하는 요추 근육의 피로도를 저감시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 몸무게 및 신장을 비롯한 체형과, 착좌시 자세정보가 저장된 인체 데이타베이스(10)가 구비된다.
상기 인체 데이타베이스(10)는 운전자 신장 및 체중, 그리고 평균적인 운전자세 및 신체 부위별 무게, 신체 부위별 질량 등을 실험통계를 통하여 데이타화시킨 것을 사용한다.
이러한 인체 데이타베이스(10)내에는 인체별 무게중심도 데이타화시켜 저장시킬 수 있는 바, 그 예로서 사체 실험을 통해 얻어진 인체 각부의 무게중심과 질량에 대한 통계적인 데이터를 참조하거나, 여러 인체 모형 및 이와 비슷한 실제 사람 등이 몸무게 및 신장, 착석 자세 등이 정해진 상태에서, 시트에 착석시킨 후, 인체해석모델에 적용하여 인체 각부(좌/우 팔, 좌우 다리, 몸통, 머리 등)의 질량 및 전체 체중의 무게중심 등을 측정하여 인체 데이타베이스(10)내에 데이타화시킬 수 있다.
또는, 운전자가 시트에 착석한 상태에서, 운전석 근방에 설치된 카메라와 시트에 내장된 무게측정센서 등을 이용하여 운전자의 현재 자세를 측정하고, 전체 체중의 무게중심 등을 측정하여 인체 데이타베이스(10)내에 데이타화시킬 수 있다.
따라서, 운전자가 시트에 착좌했을 때, 착좌 자세의 무게 중심은 인체 데이타베이스(10)에 저장된 체형 정보 및 착좌 자세 정보를 기반으로 제어부(30)에서 아래의 수학식 1을 이용하여 계산하게 된다.
Figure 112012075757581-pat00003
위의 수학식 1에서, x는 전체 체중의 무게 중심, mi는 각 신체부위의 질량, xi는 각 신체부위의 무게 중심을 각각 나타낸다.
다음으로, 운전자가 시트에 착좌시, 시트백 반력을 측정하는 단계가 진행된다.
즉, 상기 시트백 반력은 시트백의 좌우 리클라이너에 설치된 센싱부(20), 바람직하게는 2개의 6축 힘토크 센서에 의하여 측정되어, 측정된 값은 제어부(30)로 입력된다.
이렇게 운전자가 시트에 착좌하는 동시에 운전자의 등이 시트백에 닿을 때, 시트백 반력을 좌우 리클라이너에 장착된 6축 힘토크 센서에서 측정하여 제어부(30)로 입력하면, 제어부(30)에서 운전자의 엉덩이 및 허벅지가 닿을 때의 시트쿠션 반력과 브레이크 또는 가속페달을 밟을 때의 하체가 받는 페달 반력의 합력을 계산하게 된다.
이때, 상기 시트쿠션 및 페달 반력의 합력은 아래의 수학식 2에와 같이 운전자 무게 중심에서의 운전자 체중에서 위와 같이 6축 힘토크 센서에서 측정된 시트백 반력을 차감하여 계산된다.
Figure 112012075757581-pat00004
위의 수학식 2에서, FCP는 시트쿠션과 페달 반력의 합력, mg는 운전자 무게, FB는 시트백 반력을 각각 나타낸다.
상기와 같이, 제어부(30)에서는 착좌시 인체 데이타베이스의 데이타를 기반으로 착좌 좌세의 무게 중심을 계산한 후, 운전자 무게 중심과 센싱부로부터의 시트백 반력을 입력으로 하여 시트쿠션 반력 및 페달 반력의 합력을 계산한 다음, 요추모멘트를 분석하는 연산을 하게 된다.
상기 제어부(30)에서 시트쿠션 반력 및 페달 반력의 합력을 이용하여 아래의 수학식 3에 의거 운전자의 요추 모멘트를 계산하게 된다.
Figure 112012075757581-pat00005
위의 수식에서, TL은 요추 모멘트, xL은 요추위치, xCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력의 작용점, FCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력을 각각 나타낸다.
이렇게, 상기 제어부(30)에서 인체 데이타베이스(10)에 저장된 체형 정보 및 착좌 자세 정보를 기반으로 시트에 착석한 운전자의 요추 위치를 파악하고, 이 요추 위치에 대하여 시트쿠션과 페달 반력의 합력으로 생기는 요추 모멘트를 분석한다.
한편, 시트쿠션과 페달 반력이 요추관절에 대해 발생시키는 요추 모멘트를 계산할 때, 요추 모멘트는 시트쿠션 반력 및 페달 반력의 크기와, 요추관절에서 시트쿠션 반력 및 페달 반력의 합력에 내린 수선길이(모멘트암)의 곱으로 표현된다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이 시트백 및 페달 반력의 크기가 커지거나, 모멘트암이 커지면 요추모멘트가 커지므로, 자세 유지에 필요한 근육력이 증가하게 되고, 따라서 근피로도가 커지며, 결국 운전자의 불편도가 증가하게 된다.
이러한 요추 모멘트가 커지는 자세를 교정하기 위하여, 상기 제어부(30)에서 분석된 요추 모멘트를 기반으로 시트내에 내장된 시트폼 압력을 조절하여 시트폼의 강성 분포를 제어하는 된다.
이를 위해, 상기 제어부(30)에서 분석된 요추 모멘트에 따라, 제어부(30)는 시트내의 시트폼 압력을 조절하는 구동기 즉, 압력조절장치(40)에 압력조절신호를 전송하게 된다.
이때, 상기 시트내에는 다수의 에어셀(52)을 갖는 시트폼(50)이 내설되어 있으며, 이 시트폼(50)의 에어셀(52) 압력은 제어부(30)의 압력조절신호를 받은 압력조절장치(40)의 작동에 의하여 에어셀(52)내의 압력이 자동 조절될 수 있으며, 압력조절장치(40)는 에어셀(52)내에 공기압을 가감시키는 일종의 소형 에어펌프를 사용할 수 있다.
이렇게 상기 시트폼(50)내의 에어셀(52)에 대한 압력을 조절하는 것을 통하여, 허벅지와 골반부와 닿는 시트폼 강성을 조절할 수 있고, 그에 따라 시트백 반력을 비롯한 시트쿠션 및 페달 반력을 다시 변화시키고, 변화된 시트반력 등을 다시 센싱하여 얻어진 요추모멘트를 증가 또는 감소 조절하는 것을 반복함으로써, 결국 요추모멘트가 최소가 되는 시트폼 강성 분포를 찾아낼 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예로서, 에어셀의 공기압 조절을 통하여 이루어지는 시트폼의 강성 분포 조절 과정을 첨부한 도 3을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 허벅지 대비 골반부와 닿는 시트폼 강성비를 초기화(=1)하고, 해당하는 요추모멘트를 상기와 같은 과정을 통하여 계산한다.
이어서, 골반부와 닿는 시트폼의 강성비율을 소폭(=α는 작은 양수, 가령 0.01)만큼 증가하고, 요추모멘트의 증감을 관측한다.
이때, 요추모멘트의 증감비가 한계치(=β는 작은 양수, 가령 0.01)보다 작으면, 요추모멘트가 최소화된 것으로 간주한다.
만일, 요추 모멘트가 증가하면 현단계 강성비를 조절(증가→ 감소, 또는 감소→ 증가)시키고, 반면에 요추 모멘트가 감소하면 현단계 강성비 증감 수준을 그대로 유지한다.
이러한 단계를 반복함으로써, 운전자의 요추 모멘트가 최소가 되는 시트폼 강성 분포를 찾아낼 수 있고, 이를 통해 장시간 운전시 발생하는 운전자의 요추 근육에 대한 피로도를 저감시켜 시트 안락감을 보다 향상시킬 수 있다.
10 : 인체 데이타베이스
20 : 센싱부
30 : 제어부
40 : 압력조절장치
50 : 시트폼
52 : 에어셀

Claims (9)

  1. 몸무게 및 신장을 비롯한 체형과, 착좌시 자세정보가 저장된 인체 데이타베이스(10)와;
    운전자가 시트에 착좌시, 시트백 반력을 측정하는 센싱부(20)와;
    착좌시 인체 데이타베이스의 데이타를 기반으로 착좌 좌세의 무게 중심을 계산하고, 계산된 무게 중심 및 센싱부로부터의 시트백 반력을 기반으로 시트쿠션 반력 및 페달 반력을 계산하되, 시트쿠션 및 페달 반력의 합력은 아래의 수학식 2와 같이 운전자 무게 중심에서의 운전자 체중에서 상기 센싱부에서 측정된 시트백 반력을 차감하여 계산하여, 요추모멘트를 분석하는 제어부(30)와;
    분석된 요추모멘트에 따른 압력조절신호를 받아서 시트내의 시트폼 압력을 조절하는 압력조절장치(40);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 장치.
    수학식 2 :
    Figure 112014005543264-pat00011

    여기서, FCP는 시트쿠션과 페달 반력의 합력, mg는 운전자 무게, FB는 시트백 반력을 각각 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부(20)는 시트백의 좌우 리클라이너에 설치된 2개의 6축 힘토크 센서로 채택된 것임을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 시트폼(50)은 다수의 에어셀(52)을 갖는 구조로서, 압력조절장치(40)의 구동에 의하여 에어셀(52)내의 압력이 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 장치.
  4. 시트에 운전자가 착좌시, 체형을 파악하는 동시에 착좌 자세의 무게 중심을 계산하는 제1단계와;
    착좌시 운전자의 등이 시트백에 닿을 때, 시트백 반력을 측정하는 동시에 엉덩이 및 허벅지가 닿을 때의 시트쿠션 반력과 브레이크 또는 가속페달을 밟을 때의 하체가 받는 페달 반력의 합력을 계산하되,
    착좌시 인체 데이타베이스의 데이타를 기반으로 착좌 좌세의 무게 중심을 계산하고, 계산된 무게 중심 및 센싱부로부터의 시트백 반력을 기반으로 시트쿠션 반력 및 페달 반력을 계산하되, 시트쿠션 및 페달 반력의 합력은 아래의 수학식 2와 같이 운전자 무게 중심에서의 운전자 체중에서 센싱부에서 측정된 시트백 반력을 차감하여 계산하는 제2단계와;
    시트쿠션 반력 및 페달 반력을 이용하여 운전자의 요추 모멘트를 계산하는 제3단계와;
    계산된 요추 모멘트를 기반으로 시트내에 내장된 시트폼 압력을 조절하여 시트폼의 강성 분포를 제어하는 제4단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
    수학식 2 :
    Figure 112014005543264-pat00012

    여기서, FCP는 시트쿠션과 페달 반력의 합력, mg는 운전자 무게, FB는 시트백 반력을 각각 나타낸다.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1단계에서, 상기 착좌 자세의 무게 중심은 인체 데이타베이스에 저장된 체형 정보 및 착좌 자세 정보를 기반으로
    Figure 112012075757581-pat00006
    에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
    위의 수식에서, x는 전체 체중의 무게 중심, mi는 각 신체부위의 질량, xi는 각 신체부위의 무게 중심.
  6. 청구항 4에 있어서,
    제2단계에서, 상기 시트백 반력은 시트백의 좌우 리클라이너에 설치된 2개의 6축 힘토크 센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    제2단계에서, 상기 시트쿠션 및 페달 반력의 합력은 제1단계에서 계산된 인체 무게 중심에서의 운전자 체중에서 시트백 반력을 차감하여 계산되는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    제3단계에서, 상기 요추 모멘트는 제1단계에서의 체형 파악에 따른 운전자의 요추 위치를 파악하고, 이 요추 위치에 대하여 시트쿠션과 페달 반력의 합력으로 생기는 것으로서,
    Figure 112012075757581-pat00007
    에 의하여 분석되는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
    위의 수식에서, TL은 요추 모멘트, xL은 요추위치, xCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력의 작용점, FCP는 시트 쿠션과 페달반력의 합력.
  9. 청구항 4에 있어서,
    제4단계에서, 계산된 요추 모멘트를 기반으로 시트폼의 강성 분포를 제어하되, 허벅지와 골반부가 닿는 부위의 시트폼 강성 분포를 요추 모멘트가 최소가 되는 시트폼 강성 분포로 제어하는 것을 특징으로 하는 인체공학적 시트조절 방법.
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