KR20090064308A

KR20090064308A - 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템

Info

Publication number: KR20090064308A
Application number: KR1020080124683A
Authority: KR
Inventors: 김석환; 황수환; 이광노
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2009-06-18
Also published as: DE102008061935A1; US7891259B2; US20090151444A1; CN101458171A; CN101458171B

Abstract

본 발명은 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 인체의 주요 관절에 해당하는 부분에 센서를 구비한 인체모형이 시트에 착좌된 경우 측정되는 각 관절의 정보를 이용하여 시트의 적합성을 평가하여 시트 제작의 원가를 절감하고 시트 평가에 있어 복잡한 평가 공정을 줄이는 효과가 있다.

럼버써포트, 돌출량, 관절, 인체모형

Description

시트 편의성 평가용 인체모형 시스템{Human dummy system for measuring comfort of seat}

본 발명은 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 시트위에 앉은 인체의 편안함을 극대화할 수 있는 시트 구조를 도출하기 위한 차량 시트 평가용 인체모형 시스템이다.

차량의 기술이 발전됨에 따라 차량의 운전자 및 탑승자에 대한 승차감을 증대시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 장기간의 운전의 경우, 차량의 시트구조와 운전자 또는 탑승자의 신체구조 간의 일치 여부는 승차감에 중요한 요소가 되고 있다. 따라서, 챠량의 시트를 제작함에 있어 차량의 특성 뿐 아니라 탑승자의 신체구조 특성을 예측하는 것을 중요한 공정 중에 하나이다.

종래 기술에 따르면 이러한 최적의 시트 구조를 도출하는 장치는 인체모형을 시트에 착좌시킨 후 일일이 인체모형의 변화 정도를 측정하는 방법이 사용되었다. 도 1은 종래 기술에 따른 시트 편의성 평가용 인체모형을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면 종래의 인체모형은 인체의 관절 형상을 가지고 볼/소켓 관절로 연결되어 있다.

이는 시트의 편의성을 측정하기 위하여 인체와 동일한 형상을 구성하는데 중점을 두었으나 실제적으로는 인체의 변화와 관절의 동역학적인 메커니즘을 구현하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 각 관절의 메커니즘에 서로 연관되는 상관관계가 존재하지 않아 인체의 변화에 따른 각 관절의 위치 또는 각도에 대한 정확한 측정은 어려운 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 인체모형에서 측정이 필요한 관절에 센서부를 구비하고 각 관절에 대한 매커니즘을 이용함으로써 실시간의 인체 모형의 변화를 측정하고 시트의 편의성을 평가하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 일 수단으로서의 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템은 인체모형의 각 관절에 부착되어 해당 관절의 각도를 감지하는 센서부 및 상기 해당 관절의 각도 정보와 이웃 관절 사이의 거리 정보를 기초로 이웃 관절에 대한 상대 위치 정보를 산출하고, 상기 상대 위치 정보와 상기 인체모형의 관절 간 좌표계 변환을 통해 기준 위치로부터 특정 관절에 대한 절대 위치 정보를 산출하는 데이터처리부를 포함한다.

상기 데이터처리부에는 상기 이웃 관절 사이의 거리 정보가 미리 저장될 수 있다.

상기 좌표계 변환에는 병진이동행렬 및 회전행렬 중 하나 이상을 이용하는 동차변환행렬 연산이 사용될 수 있다.

상기 기준 위치는, 발목 관절, 골반 또는 두 개의 엉덩이 관절의 중앙일 수 있다.

상기 상대 위치 정보는, 각 경로에 포함되는 관절들에 오차를 균등 분배하여 보정될 수 있다.

상기 오차는, 타겟 관절을 포함하는 서로 다른 적어도 두 개의 경로를 통해 획득되는 상기 타겟 관절의 절대 위치 정보를 비교하여 생성될 수 있다.

상기 오차는, 각 경로에 포함되는 타겟 관절의 절대 위치 정보의 좌표값 차이를 하나의 경로에 포함되는 관절 수로 나누어 결정될 수 있다.

상기 서로 다른 적어도 두 개의 경로 중 하나는, 상기 기준 위치와 상기 특정 관절을 바로 연결할 수 있다.

상기 서로 다른 적어도 두 개의 경로 중 다른 하나는, 상기 각 경로에 포함되는 특정 관절의 절대 위치의 좌표값의 차이를 분배하기 위해 다수의 관절을 포함할 수 있다.

상기 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템은 상기 데이터처리부에 전달된 각 관절의 상대 위치 정보를 디스플레이하는 디스플레부, 기 데이터처리부에서 전달된 각 관절의 상기 위치 정보를 일정한 통신데이터 형식의 정보로 변환하고 송신하는 데이터통신부 및 상기 데이터통신부로부터 전달된 정보를 일정한 저장매체에 기록하는 데이터저장부 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 데이터통신부와 상기 데이터저장부는, 블루투스 방식 또는 RC-232C 방식으로 상호 통신할 수 있다.

상기 데이터통신부는, 상기 데이터저장부에 기록되어 있는 데이터를 수신하고 일정한 데이터로 변환하여 데이터처리부에 전달할 수 있다.

상기 센서부는, 각도를 전기저항으로 변화하는 포텐션 미터(Potention Meter)인

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 실시간의 인체 모형의 관절의 위치와 변화를 실시간으로 측정하고 시트의 편의성을 평가할 수 있어 시트 제작의 원가를 절감하고 시트 평가에 있어 복잡한 평가 공정을 줄이는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 시트 편의성 평가용 인체모형을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 인체모형의 각 관절에 센서가 구비된다. 인체모형의 관절은 실제 인체의 중요 관절이며 이를 통하여 인체 모형이 서로 연결되어 있다. 여기서, 본 발명에 따른 인체 모형의 관절은 예를 들어 총 23개이다.

도 3은 본 발명에 따른 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템은 센서부(10), 데이터처리부(20), 디스플레이부(30), 데이터통신부(40) 및 데이터저장부(50)를 포함할 수 있다.

센서부(10)는 도 2와 같이 인체모형에 구비된 각 관절에 부착되어 해당 관절의 각도를 할 수 있다. 예를 들어, 센서부(10)는 각도를 전기저항으로 변화하는 포텐션 미터(Potention Meter)일 수 있다.

데이터처리부(20)는 센서부(10)에서 측정된 각 관절의 각도 정보와 미리 저장된 각 관절간의 길이 정보를 이용하여 이웃 관절에 대한 상대 위치 정보를 산출 하고, 상대 위치 정보와 인체모형의 관절 간 좌표계 변환을 통해 특정 관절에 대한 절대 위치 정보를 산출한다.

여기서 상대 위치 정보는 각 관절의 이웃 관절을 중심으로 형성되는 좌표계에 대한 좌표 값이고, 절대 위치 정보는 특정 관절을 중심으로 형성되는 좌표계에 대한 좌표 값이 될 수 있다. 그리고, 절대 위치 정보의 기준이 되는 특정 관절은 발목 관절 및 엉덩이 관절 등이 될 수 있다. 특히 발목 관절이 되는 경우 인체모형의 발이 차량의 패달에 접촉하는 지점을 기준으로 절대 위치를 산정할 수 있다는 이점이 있다.

이러한 절대 위치 정보를 생성하기 위한 특정 관절에 대한 절대 위치나 각 관절의 길이, 또는 좌표계간 거리는 시스템 상에 기설정된 값으로 미리 저장되어 있음이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 인체모형의 각 관절의 절대 위치 정보 예를 들어, 절대 좌표값을 산출하는 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 데이터처리부(20)는 센서부(10)에서 전달된 각 관절의 각도 정보와 각 관절간의 길이 정보를 이용하여 발목 관절의 절대 좌표 값을 산출할 수 있다. 여기서 절대 좌표 값이라 함은 인체 관절 중에서 골반상의 기준위치를 직교좌표상 (0,0,0)이라 할 때 해당 관절의 좌표값을 말한다.

더욱 상세하게는, 발목 관절의 절대 좌표 값은 고관절에 대한 각도 정보 (수평각도 및 수직각도), 무릎관절의 각도 정보 및 발목관절의 각도 정보를 통하여 산출될 수 있는데, 더욱 상세하게는 각 관절의 각도와 길이 정보의 행렬의 곱으로 산 출된다. 다만, 각 행렬의 요소 중 상수값은 각 관절간의 길이에 대한 값이나 방향성이 부과된 벡터로 표현된다.

도 4의 좌측의 첫 번째 내지 세 번째 행렬식들은 세 번의 좌표계 변환과정을 나타낸다. 그리고, 네 번째 행렬식은 각 좌표계 변환식을 곱하여 최종 절대 좌표 값을 산출하는 방법을 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 인체모형의 각 관절의 절대 위치 정보 예를 들어, 절대 좌표값을 산출하는 다른 예를 나타낸 도면이다

도 5에서처럼 좌표가 설정되어 있을 때 T₂좌표계에서의 상대 좌표값 (x₂, y₂, z₂)을 기준 좌표계(T0)에 대한 절대 좌표값으로 변환시키기 위해서는 다음과 같은 동차변환행렬 연산이 사용될 수 있다.

동차변환행렬 연산을 위해 먼저 기준 좌표계(T0)에서 T1 좌표계까지의 병진이동행렬은 다음 수학식 1을 사용할 수 있다.

그리고, T1 좌표계와 T2 좌표계 사이에는 병진이동과 더불어서 θ만큼의 좌표계 회전이 발생한다. 따라서 T1 좌표계와 T2 좌표계로의 좌표계 변환을 위해서는 다음 수학식 2에서 나타낸 바와 같이 병진이동행렬과 회전행렬을 연속으로 곱해야 한다.

따라서 T2 좌표계에서의 상대위치 (x₂, y₂, z₂) 좌표에 위치를 절대좌표인 T0에서의 좌표값으로 변환하기 위해서는 수학식 1 및 수학식 2의 결과를 이용하여 최종적으로 수학식 3과 같이 계산되게 된다.

이러한 동차변환행렬 연산을 통하여 골반에 두 힙 관절(hip joint)간의 중앙에 맞춰진 원점을 기준으로 척추를 포함한 인체모형의 모든 관절들의 절대 위치를 산출하였다. 동일한 방법을 통해서 힐 관절을 원점 즉, 기준 좌표로 절대 좌표값을 산출할 수도 있음은 당연할 것이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 상대 좌표값으로부터 절대 좌표값으로의 변환에 오차 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 인체모형의 측면도를 살펴보면, 자세각 측정은 판 형 골반에서 연결봉을 거쳐 흉골로 연결되는 1번 경로와 적층된 요추들을 거쳐서 흉골로 연결되는 2번 경로가 서로 만나고 있음을 알 수 있다. 두 경로를 사용하여 산출된 흉골 위치의 오차 모든 관절들에 균등하게 분배하여 보정하면 각 센서들의 위치측정 오차 누적을 방지할 수 있다.

관절 별 각도 측정 센서들에 대한 오차할당 값들을 구하기 위해서 인체모형을 표준위치 설정용 고정 장치에 거치한 후 모든 센서들의 영점을 보정하여야 한다. 이를 위해서 전용으로 제작된 거치대에 인체모형의 어깨와 판형 골반을 고정시키고 1번 경로와 2번 경로의 각도 데이터를 측정한다.

1번 경로에 따라 산출되는 좌표값과 2번 경로에 따라 산출되는 좌표값을 비교하여 오차값을 결정할 수 있다. 그리고 결정된 오차는 2번 경로에 포함되는 관절의 수로 나누어 각 관절에 균등 분배 되도록 한다. 이렇게 각각의 좌표축에 오차를 할당한 할당량과 보정 결과의 예를 아래 표 1에 나타낸다.

표 1을 참조하면 최종 STNM의 오차는 (-1.670, 0.000, 10.350)으로 이 값을 7개의 좌표점에 균등하게 분할하여 오차를 할당한 다음 위치연산을 실행해 본 결과, 1번 경로와 2번 경로를 사용하여 산출한 STNM의 위치는 10 이내에서 서로 잘 일치하고 있으며, 이 위치정밀도는 인체모형의 자세가 변하여도 동일한 수준으로 유지됨을 확인할 수 있다.

따라서 Hip-Joint를 원점 기준으로 두 개의 루트를 사용한 위치좌표 오차할당 방법을 통해서 인체모형의 자세 모니터링의 정밀도를 향상시킬 수 있음을 검증하였다.

좌표값을 기반으로 오차값 보정하는 방법은 균등하게 할당된 각도오차 보정 값들을 앞서 설명한 수학식 3에 보정값을 함께 적용하는 방법으로 동차변환행렬 연산 과정에서 관절 위치좌표별로 오차값을 할당할 수 있다.

수학식 4에서 (e_x, e_y, e_z) 값은 상술한 바와 같이 동일한 두 지점에 대해 서로 다른 경로를 통해 산출되는 좌표값을 비교하여 그 차이를 경로에 포함되는 관절 수로 나눈 결과를 적용할 수 있다. 예를 들어, 표 1에서 보상 적용되는 오차 값으로 나타나는 (-0.007, 0.000, 0.009) 값이 대입될 수 있다. 그리고, 아래 수학식 5에 따라 동차변환행렬 연산 과정에서 수학식 4의 결과도 함께 연산하여 오차값을 할당할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면 서로 다른 적어도 두 개의 경로를 통해 획득되는 위치 정보를 비교하여 생성되는 오차를 각 경로에 포함되는 관절들에 균등 분배하여 상기 상대 위치 정보를 보정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 데이터처리부(20)는 각 관절의 각도 정보와 각 관절간의 길이 정보을 포함하는 행렬의 곱으로 산출하고자 하는 목적 관절의 절대 좌표값을 산출할 수 있다.

디스플레이부(30)는 데이터처리부(20)에 전달된 각 관절의 위치 정보를 디스플레이한다.

데이터통신부(40)는 데이터처리부(20)에서 전달된 각 관절의 위치 정보를 일정한 통신데이터 형식의 정보로 변환하고 외부의 저장장치에 송신한다. 또한, 데이터저장부(50)는 데이터통신부(40)로부터 전달된 정보를 일정한 저장매체에 기록한다. 반대로, 데이터통신부(40)는 상기 데이터저장부(50)에 기록되어 있는 데이터를 수신하고 일정한 데이터로 변환하여 제어부(20)에 전달할 수도 있다.

데이터통신부(40)와 데이터저장부(50)간의 통신방식은 유선 또는 무선방식을 모두 이용할 수 있는데, 바람직하게는, 블루투스 방식 또는 RC-232 방식으로 통신할 수 있다.

상술한 본 발명에 대한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하지 않으며 그 기술적 사상은 균등한 범위까지 확장 가능함은 자명하다 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 시트 편의성 평가용 인체모형을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 인체모형의 각 관절의 절대 좌표값을 산출하는 일 예를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 인체모형의 각 관절의 절대 위치 정보 예를 들어, 절대 좌표값을 산출하는 다른 예를 나타낸 도면이다.

Claims

인체모형의 각 관절에 부착되어 해당 관절의 각도를 감지하는 센서부; 및

상기 해당 관절의 각도 정보와 이웃 관절 사이의 거리 정보를 기초로 이웃 관절에 대한 상대 위치 정보를 산출하고, 상기 상대 위치 정보와 상기 인체모형의 관절 간 좌표계 변환을 통해 기준 위치로부터 특정 관절에 대한 절대 위치 정보를 산출하는 데이터처리부

를 포함하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 데이터처리부에는 상기 이웃 관절 사이의 거리 정보가 미리 저장되는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 좌표계 변환에는 병진이동행렬 및 회전행렬 중 하나 이상을 이용하는 동차변환행렬 연산이 사용되는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 기준 위치는, 발목 관절인 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인 체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 기준 위치는, 골반인 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 기준 위치는, 두 개의 엉덩이 관절의 중앙인 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 상대 위치 정보는, 각 경로에 포함되는 관절들에 오차를 균등 분배하여 보정되는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 7에 있어서,

상기 오차는, 타겟 관절을 포함하는 서로 다른 적어도 두 개의 경로를 통해 획득되는 상기 타겟 관절의 절대 위치 정보를 비교하여 생성되는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 8에 있어서,

상기 오차는, 각 경로에 포함되는 타겟 관절의 절대 위치 정보의 좌표값 차이를 하나의 경로에 포함되는 관절 수로 나누어 결정되는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 9에 있어서,

상기 서로 다른 적어도 두 개의 경로 중 하나는, 상기 기준 위치와 상기 특정 관절을 바로 연결하는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 10에 있어서,

상기 서로 다른 적어도 두 개의 경로 중 다른 하나는, 상기 각 경로에 포함되는 특정 관절의 절대 위치의 좌표값의 차이를 분배하기 위해 다수의 관절을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 데이터처리부에 전달된 각 관절의 상대 위치 정보를 디스플레이하는 디스플레부;

상기 데이터처리부에서 전달된 각 관절의 상기 위치 정보를 일정한 통신데이터 형식의 정보로 변환하고 송신하는 데이터통신부; 및

상기 데이터통신부로부터 전달된 정보를 일정한 저장매체에 기록하는 데이터 저장부 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 12에 있어서,

상기 데이터통신부와 상기 데이터저장부는, 블루투스 방식 또는 RC-232C 방식으로 상호 통신하는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 12에 있어서,

상기 데이터통신부는, 상기 데이터저장부에 기록되어 있는 데이터를 수신하고 일정한 데이터로 변환하여 데이터처리부에 전달하는 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 센서부는, 각도를 전기저항으로 변화하는 포텐션 미터(Potention Meter)인 것을 특징으로 하는, 시트 편의성 평가용 인체모형 시스템.