Development of an Ergonomic Bus Seat Design Process based on the Seat Comfort and 3D Profile Analysis Hyewon Lee 1, Jangwoon Park 1, Youngguen Choi 1, Kwangae Park 1, Moonjin Kim 2, and Heecheon You 1 1 Department of Industrial & Management, Pohang, South Korea, 790-784 2 Bus Body & Trim Engineering Design Team, Research & Development Division, Hyundai Motor Group, Jeonbuk, South Korea, 565-904 ABSTRACT Objective: 본연구는인간공학적버스승객석설계를위해기존버스승객석들에대한주관적평가및형상분석결과를바탕으로신규버스승객석의형상을설계하는방법을제안하고자한다. Background: 버스승객석의형상은승차자들의체형에적합하고장시간안락하게착석할수있도록인간공학적인설계가필요하다. Method: 인간공학적버스승객석형상설계방법은 4 단계 ( 주관적평가실험, 버스승객석의 3D 형상분석, 선호 profile 특성분석, 신규승객석설계 ) 절차로구성된다. 주관적평가단계에서는기존 12 종버스승객석을 7 개설계부위별 ( 머리, 흉부, 요추, 등받이측면, 엉덩이, 허벅지, 좌면측면지지부 ) 로크기및형태측면에서평가하였다. 3D 형상분석단계에서는기평가된버스승객석들의 3D profile 특성들을설계기준선들 (centerline, seatback line, seatpan line) 을통해정량적으로분석하였다. 선호 profile 특성분석단계에서는주관적평가결과를바탕으로버스승객석의설계부위별선호 profile 특성들을파악하였다. 마지막으로신규승객석설계단계에서는파악된선호 profile 특성들을조합하여신규버스승객석형상을설계하였다. Application: 본연구는기존버스승객석의 3D 형상을 benchmarking 하여신규승객석의형상을설계하는방법을개발하였다. 본연구에서제안된버스승객석형상분석및설계방법은다양한인간공학적시트설계에활용가능할것으로기대된다. Keywords: Bus seat, 3D profile, Ergonomic bus seat, Profile analysis 1. Introduction 버스승객석은다양한사람들을효과적이고안락하게수용할수있도록설계된좌석이다. 버스는장거리이동을위한중요한교통수단중하나로서매년 3천 8 백만명이상이이용하고있다 ( 국토교통부, 2011). 버스에는아이부터어른까지다양한인체크기를가진승객들이탑승하므로승차자가장시간안락하게착석할수있도록버스승객석형상에대한인간공학적설계가필요하다. 버스승객석형상의인간공학적설계를위한다양한연구들이수행되고있다. Zhao & Tang (1994) 은 30 명의실험참여자를대상으로특정승객석에대한안락감을평가하게한후그들의등형상과평가된승객석형상과의유사한정도를시각적으로비교분석하였다. 분석결과, 안락감점수를높게준참여자의경우 등형상이평가대상승객석의 upper part 형상과의유사성이높은것으로나타났다. 한편, Jung et al.(1998) 은고속철승객석형상의인간공학적설계를위해승객석의부위별 ( 예 : 머리지지부, 요추지지부 ) 크기및각도가조절가능한 prototype을제작하였다. 그리고제작된 prototype을이용하여승차자가안락감을느끼는크기및각도범위를조사한후이를기반으로신규승객석을설계하였다. 버스승객석의형상설계를위한다양한연구들이수행되고있으나체계적, 정량적, 실용적인설계프로세스개발에대한연구는미흡한실정이다. Zhao & Tang (1994) 은버스승객석 profile을시각적으로분석하여버스승객석에대한정량적형상분석이미흡한한계가있고좌면형상에대한분석은수행하지않았다. Jung et al.(1998) 의승객석설계방법은승객석의부위별크기및각도설계에만초점이맞춰져있어세부적인 profile 형상특성을분석하는데한계가있다.
본연구는기존버스승객석의 3D 형상을 benchmarking하여신규형상을설계하는방법을개발하고자한다. 기존버스승객석의 3D 형상 benchmarking은국내외승객석 12종에대한 3D scan 및주관적평가를바탕으로수행되었다. 기존승객석들의선호형상특성 benchmarking 결과는신규승객석의형상설계에활용되었다. Table 1. Existing bus seats for benchmarking 2. Design process of bus seat profile 인간공학적버스승객석형상설계절차는그림 1과같은네단계절차 ( 주관적평가실험, 버스승객석의 3D 형상분석, 선호 profile 특성분석, 신규승객석설계 ) 로구성된다. Figure 2. Bus seat components for evaluation Figure 1. Design process of a bus seat profile 버스승객석의주관적만족도는그림 2에서와같이승객석등받이의 4개부위 ( 머리지지부, 흉부지지부, 요추지지부, 등받이측면지지부 ) 와좌면의 3개부위 ( 엉덩이지지부, 허벅지지지부, 좌면측면지지부 ) 에대해형상, 크기, 전반적만족도측면에서 7점척도로조사되었다. 2.1 Subjective evaluation of existing bus seats 본연구는버스승객석의주관적만족도평가를위해한국인의인체크기를적합하게대표할수있는 20 ~ 50대남녀 48명을모집하였다. 본연구는인체크기에따른인구분포의비율을고려하여실험참여자를모집하고자 Gorden et al.(1988) 의 US Army 인체측정결과 ( 연령 : 20대 ~ 50대 ; 인구 : 남성 1618명, 여성 2027명 ) 를참조하였다. 키와몸무게측면에서각각 33rd %ile 이하, 33rd ~ 67th %ile, 67th %ile 이상으로구분된인체크기영역에대한인구분포율을분석하여 Size Korea (2010) 의한국인인체크기에적용하였다. 한편, 평가대상승객석은표 1과같이형상측면에서서로다른특성을가진국내외 12종 ( 한국 7종, 독일 2종, 터키 1종, 일본 1종, 중국 1종 ) 의 45인승버스승객석들로선정되었다. 2.2 Analysis of bus seat 3D profile 본연구는기존버스승객석의형상분석을위해 12종승객석의등받이와좌면을 3D 스캔하였다. 스캔장비는핸디형 3D 스캐너 (EVA, Artec Inc., USA) 를사용하였으며, 스캔은승차자의몸이직접적으로닿는승객석의앞면에대해서만수행되었다. 한편, 스캔된 12종버스승객석의 3D profile을 CAD 프로그램상에정렬시키기위해각승객석의 SRP(seat reference point) 를기준으로 profile 위치를고정하였다. 또한, profile 정렬은버스승객석의좌면과바닥이이루는경사각도를반영하여실제버스승객석이놓여있는각도로조정되었다. 본연구는승객석의중심부위와측면 bolster의형상분석을위해중요외곽선들 (centerline, seatback lines, seatpan lines) 을추출하였다. 중요외곽선은그림 3
과같이 3D modeling program (Autodesk Alias ) 에서스캔데이터를평면으로나누었을때형성되는교선에서추출되었다. Centerline은 sagittal plane 측면에서승객석의 SRP를지나는외곽선이다. Seatback lines는등받이를 transverse plane 측면에서 SRP로부터 100 mm 간격으로나누었을때의외곽선들이다. Seatpan lines는좌면을 coronal plane 측면에서 SRP를기준으로 100 mm 간격으로나누었을때나타나는외곽선들이다. Figure 4. Measurement of protrusion length Figure 3. Bus seat 3D profile and contour extraction 본연구는추출된중요외곽선들 (centerline, seatback & seatpan line) 을이용해 3D program에서설계 dimension을분석하였다. 분석부위는승객석들의중요외곽선들간돌출차이가 5 mm 이상인머리, 요추, 엉덩이, 허벅지지지부가선정되었다. Centerline은승객석의머리, 요추, 허벅지지지부의중심부위돌출높이를측정하는데사용되었으며, 돌출높이는해당부위의시작점과끝점을연결한선으로부터가장돌출된지점까지의수직길이로측정되었다. Seatback & seatpan lines는머리, 요추, 엉덩이지지부 bolster의돌출높이를측정하는데사용되었다. Bolster의돌출높이측정위치는 12종승객석외곽선들의형상을비교하여승차자의인체부위가공통적으로닿을것으로예상되는위치로선정되었다. 머리지지부와요추지지부 bolster 의측정위치는 SRP를기준으로각각 600 mm, 200 mm 지점의 seatback line이선정되었다. 또한, 엉덩이지지부 bolster의측정위치는 SRP를기준으로좌면쪽으로 200 mm 지점의 seatpan line이선정되었다. Bolster의돌출높이는가장돌출된두지점을잇는직선으로부터중심까지의수직거리가측정되었다 ( 그림 4 참조 ). 본연구는버스승객석의형상분류를위해그림 5와같이스캔된 12종의승객석을 centerline과 bolster의돌출높이에따라분류하였다. 12종의버스승객석들은부위별돌출높이의평균을중심으로 centerline 및 bolster 측면에서돌출된형상과평평한형상으로분류되었다. Figure 5. Classification of seat profiles (Headrest) 2.3 Identification of preferred bus seat profile 본연구는중요외곽선들의돌출높이에따라분류된 12종승객석을형상측면의주관적평가결과와비교하여선호형상을부위별로파악하였다. 또한, 전반적만족도가높은승객석들의부위별 3D 형상특성을파악하였다. 예를들면, 머리지지부는형상측면에서 center line과 bolster가돌출된형상이선호되었으며, 머리지지부의주변 seatback lines의형상이비교적완만한것으로파악되었다. 본연구는 12종버스승객석의너비및높이에대한주관적만족도결과로부터선호되는버스승객석의크기를파악하였다. 예를들면, 머리지지부는 12승객석중너비가넓고높이가높은상위 2개의승객석이선호되었다. 2.4 Design of a new bus seat profile 본연구는 12종승객석의부위별로선호되는형상특성및크기를종합하여신규승객석을 3D modeling 하였다. 승객석의부위별로기파악된선호
형상및돌출높이들은 3D 형상분석단계에서선정된돌출높이측정위치에반영되었다. 예를들면, 머리지지부의선호형상및돌출높이는 SRP를기준으로 600 mm 지점 seatback line에반영되었다. 또한, 돌출높이반영지점이외에머리지지부주변부위의형상은선호승객석의 3D profile에서 benchmarking 되었다. 본연구는기존버스승객석의선호되는형상들을종합할때, 부위별 profile 형상의유사성을함께고려하였다. 예를들어, 머리지지부의형상은 1번과 2번승객석이유사하게선호되고흉부지지부의형상은 1 번승객석이선호된다면, 머리와흉부지지부의형상은부위별형상의이질감이적은 1번승객석의 profile 들을 benchmarking하였다. 또한, 크기측면에서는기존승객석들중너비및높이만족도가우수한승객석의크기를부위별로반영하였으며, 추후금형제작을위해설계한계치를만족하도록신규승객석을 modeling 하였다. 3. Discussion 본연구는기존버스승객석의 3D 형상을정량적으로분석하고, 선호되는형상을 benchmarking하여신규승객석의형상을설계하는방법을개발하였다. 본연구에서개발된형상분석방법은다양한 profile 형상을가진버스승객석들의부위별형상분석이가능하며, 선호되는버스승객석의세부적인설계 profile 파악이가능하다는장점이있다. Zhao & Tang (1994) 의연구는버스승객석등받이의형상을시각적으로분석하였으나, 본연구는버스승객석의 3D scan data를이용해부위별돌출높이를측정함으로써보다정량적이고객관적인형상분석을수행하였다. 또한, Jung et al.(1998) 의연구는승객석의각도및크기에중점을두어세부적인 profile 분석및설계가미흡하였으나, 본연구는부위별돌출높이측정과함께주관적만족도가우수한승객석의 3D profile을 benchmarking하여설계에적용함으로써사용자의선호가세부적, 종합적으로반영되었다는장점이있다. 본연구는버스승객석의형상분석단계에서핸디형 3D 스캐너를이용함으로써연구의효율성을높였다. 핸디형스캐너를통한 3D 스캔작업은하나의버스승객석을 5분이내에스캔할수있으며, 승객석의세부적인형상및설계 profile 정보를정확하게추출할수있다 ( 오차범위 : ± 0.1 mm). 또한, 본연구에서는승차자의몸이닿는버스승객석의앞면에대해서 만 3D 스캔을수행하여측정의효율성을높였다. 3D 스캔을승객석의형상분석에이용하면측정자는 3D program 상에서원하는승객석부위의 profile 정보를효율적으로확인및측정할수있으며, 해당 profile을바로신규승객석설계에적용해볼수있다는점에서실용적이다. 본연구에서개발된버스승객석의 3D 형상분석및설계방법은다양한인간공학적시트디자인에적용될수있다. 본연구에서개발된방법을이용하면다양한사람들이장시간 / 단시간착석하는승객석들 ( 예 : 고속전철, 지하철, 비행기시트 ) 의 3D 형상을체계적, 정량적, 효율적으로파악할수있으며, 사용자가선호하는 profile들을설계에효과적으로적용할수있을것이다. 본연구의추후연구는개발된신규승객석형상을이용한 prototype을제작한후인간공학적효용성을검증하는것이다. 본연구는기존 12종버스승객석중가장우수한평가를받았던승객석과신규형상이반영된 prototype을비교평가할예정이다. Acknowledgements The present research was supported by the Next Generation Vehicle (NGV). References 국토교통부 (2011), 수송수단별여객수속현황. Retrieved April 26, 2013, from http://www.index.go.kr/egams/stts/jsp/potal/stts/po_st TS_IdxMain.jsp?idx_cd=1258. Gordon, C. C., Bradtmiller, B., Churchill, Y., Clauser, C. E., McConville, J. T., Tebbetts, I. O., and Walker, R. A. (1988). 1988 Anthropometric Survey of U.S. ARMY. Jung, E.S., Han S.H., Jung M. and Choe, J. (1998). Coach design for the Korean high-speed train: a systematic approach to passenger seat design and layout. Applied Ergonomics, 29(6), 507-519. Size Korea (2010). Report on the Fifth Survey of Korean Anthropometry. Retrieved June 26, 2010 from http://sizekorea.kats.go.kr/. Zhao, J. and Tang, L. (1994). An evaluation of comfort of a bus seat. Applied Ergonomics, 25(6), 386-392.
Author listings Hyewon Lee: lhwon76@postech.ac.kr Highest degree: B.S., Department of Industrial Design Engineering, Korea University of Technology and Education Position title: M.S. candidate, Department of Industrial & Management Areas of interest: Ergonomic product design & development, Universal design Jangwoon Park: parkjw@postech.ac.kr Highest degree: Ph.D., Department of Industrial & Management Position title: Post-doctoral research associate, Department of Industrial & Management Areas of interest: User-centered product design & development, anthropometric and biomechanical methods for product design, digital human modeling & simulation, usability testing, automobile ergonomics, affective engineering Younggeun Choi: sidek@postech.ac.kr Highest degree: M.S., Department of Industrial & Management Position title: Ph. D. candidate, Department of Industrial & Management Areas of interest: Digital human modeling & simulation, user-centered product design & development, anthropometric and biomechanical methods for product development, universal design, user experience design Kwangae Park: liebpark@naver.com Highest degree: Ph. D., Department of Fashion Design, Sungkyunkwan University Position title: Post-doctoral research associate, Department of Industrial & Management Areas of interest: Body type analysis, Clothing pattern design, Pattern CAD Moonjin Kim: moonjin@hyundai.com Highest degree: B.S., Machine Design Engineering, Jeonbuk University Position title: Senior research engineer, Bus Body Engineering Design Team, HYUNDAI Motor Group Areas of interest: Human engineering, human sensibility ergonomics, user interface design & evaluation Heecheon You: hcyou@postech.ac.kr Highest degree: Ph.D., Department of Industrial Engineering, Pennsylvania State University Position title: Associate professor, Department of Industrial & Management Areas of interest: Ergonomic product design & development, user interface design & evaluation, digital human modeling & simulation, human performance & workload assessment, work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) prevention, usability testing