Ergonomics studies on quantitative evaluation of accommodation level considering variability in driver preference data

Abstract

제품 디자인이란 다양한 사용자들이 제품에 대해 느끼는 선호, 사용 행태, 그리고 사람들의 신체 조건과 같은 변수들이 모두 적절하게 고려되어야 하는 난해한 작업이다. 이러한 제품 디자인 프로세스에 도움을 주는 정량적 평가 기준으로 accommodation level, 즉 수용도가 있다. 수용도란 제품을 사용하는 전체 인구 중 얼마만큼의 사용자들을 만족시킬 수 있는가를 표현하는 정량적 수치이며, 제품에 대한 사용자 만족도, 사용성, 안전성과 같은 제품의 품질을 파악하고 향상시키는 데 필수적으로 분석되고 고려되어야 한다. 따라서, 정확한 수용도 예측은 고객 만족도 제고를 위한 제품 디자인에 유용한 정보로 활용될 수 있으며, 이를 위해서는 다양한 사용자들의 특성과 또 그로부터 나타나는 변동성을 정확하게 파악하고, 또 이러한 변동성을 수용도 분석에 포함시키는 것이 중요하다.

제품 디자인이 필요한 다양한 분야 중 자동차 디자인 분야에서는 운전자가 선호하는 시트 위치, 핸들 위치, 대시보드 쪽에 있는 디스플레이 등의 부품에 대한 수용도 분석이 진행되고, 이를 바탕으로 디자인이 결정되게 된다. 다양한 사용자 집단 중 운전자들은 차량의 여러 실내 부품을 조작하며 운전이라는 과업을 수행하게 된다. 이러한 실내 부품들은 주로 조절 가능 범위가 제공되거나(예: 운전석, 핸들, 미러 등), 고정된 상태로(예: 페달, 변속기 등) 운전자들에게 제공된다. 자동차의 운전석은 실내/실외 디자인에 모두 영향을 끼치는 중요한 부품이며, 운전자와 가장 많은 시간 직접적으로 접촉이 이루어지는 부품이다. 이러한 운전석 디자인 관련 문제 중 하나는 운전석의 조절 가능 범위 문제인데, 주로 실험적으로 얻은 driver-selected seat positions (DSSP)라고 하는 운전자 선호 시트 위치 데이터를 수집/활용하여 시트의 조절 가능 범위가 결정된다. DSSP는 운전자마다 모두 다른 특성을 갖고 있고, 자동차 운전석의 조절 가능 범위 결정 문제를 해결하는 데 꼭 고려되어야 할 중요한 정보이다. 시트의 조절 가능 범위를 최대한 넓게 만들면 DSSP를 모두 포함시킬 수 있지만, 그 경우 불필요한 비용들이 발생할 수 있기 때문에 DSSP에 대한 정확한 이해와 또 그러한 이해를 바탕으로 한 정확한 수용도 예측 방법이 뒷받침되어야 효율적이고 효과적인 시트 조절 범위 제공이 이루어질 수 있을 것이다.

다만 아직 DSSP에 대한 심층적인 분석이 부족한 상태이며, 운전석을 포함하여 다양한 차량 실내 부품들에 대한 운전자 수용도 평가 방법을 개선할 수 있는 여지가 많이 남아있다. 정확한 수용도 예측과 최적 디자인 도출을 위해서는 DSSP의 기하학적 특성에 대한 이해가 필요하다고 생각되며, 운전자들의 제품 선호 데이터의 특성을 바탕으로 한 제품 수용도 평가 방법에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다. 이와 같은 현황을 바탕으로 파악한 research gaps를 바탕으로 아래와 같이 세 개의 Research Questions (RQ)를 구성하였다.

RQ 1) What are the characteristics of driver-selected seat positions? RQ 2) How can we evaluate the accommodation level of an adjustable product considering different types of variability in human preference? RQ 3) How can we evaluate the accommodation level of a non-configurable product considering different types of variability in human preference?

연구 1) Investigation on the characteristics of driver-selected seat positions RQ 1을 해결하기 위해, 다양한 index와 분석 방법들을 활용해 DSSP의 특성에 대해 알아보았다. DSSP의 특성을 알아보기 위해 총 108명의 사람들로부터 DSSP data와 추가로 키, 몸무게, 앉은키를 포함해서 13개 신체 치수 데이터를 얻고, 한 사람 당 여러 개의 DSSP를 수집해서 집단의 DSSP 특성뿐만 아니라 개인별 DSSP 특성도 알아보고자 한다. DSSP의 기하하적, 통계적 특성을 알아보고, 특성 간 상관관계, 그리고 특성과 신체 치수와의 상관관계까지 알아보는 것이 본 챕터의 내용이 될 것이다.

연구 2) Development of an accommodation level evaluation method for designing adjustable products RQ 2를 해결하기 위해, 조절 가능한(adjustable) 제품의 수용도 평가 방법을 개발하였다. 조절 가능 범위의 최적 위치 결정 문제에 대한 내용으로, 조절 범위의 최적 위치 결정에 있어서 사용자 선호 데이터의 개인 간, 개인 내 변동성을 고려할 수 있는 수용도 평가 방법을 개발하였다. 결정 방법에 대한 진행 절차 설명 및 예상 결과물 제공을 위해 시트 조절 가능 범위 결정 문제를 사용한 case study를 실시하였다.

연구 3) Development of an accommodation level evaluation method for designing non-configurable products RQ 3을 해결하기 위해, 조절 기능이 없는(non-configurable) 제품의 수용도 평가 방법을 개발하였다. 사용자들의 개인 간 변동성 및 개인 내 변동성을 고려하여 한 개의 최적 디자인을 도출하는 데 사용할 수 있는 수용도 평가 방법을 개발하였다. 이 연구에서는 개발된 수용도 결정 방법을 설명하고, case study를 통해 해당 수용도 결정 방법을 실제 디자인 문제에 적용 시 예측되는 결과물을 제공하였다.

본 연구를 통해 얻은 DSSP에 대한 지식과 개발된 수용도 평가 방법들은 운전석 및 차량 내 부품뿐만 아니라 전반적인 제품 디자인 결정 문제에 유용한 정보로 사용될 수 있을 것이다. 특히 본 연구에서 제안하고자 하는 수용도 평가 방법은 개인 간 변동성뿐만 아니라 개인 내 변동성이 모두 고려된 수용도 평가 방법이며, 제품 선호 데이터의 확률 분포에 대한 가정이 필요 없는 방법이라는 점이 가장 중요한 기여가 될 것으로 예상된다.

Designing vehicle interior components requires consideration of human variability in perception, behavior, and anthropometry. Accommodation level, which is an index of how well a product suits a population of users, needs to be analyzed and considered during vehicle design process to ensure driver satisfaction and safety. It is essential that designers recognize the significance of designing for human variability in order to gain an accurate understanding of accommodation level of vehicle interior components.

Drivers interact with many different vehicle interior components, which are provided either as adjustable components (i.e., the seat, the steering wheel, the mirrors, etc.) or as fixed components (i.e., the pedals, the gearshift, etc.). Among such components, the one that interacts with the driver directly and continuously at all times between ingress and egress is the drivers seat. The drivers seat has multiple degrees of freedom, allowing adjustments of its position during driving. While many studies and standards have been proposed using different approaches for evaluating the accommodation level of vehicle interior components including the drivers seat, research gaps still exist concerning the understanding of variability in drivers preference towards the drivers seat position, and the evaluation scheme for accurate evaluation of accommodation level that incorporates different types of variability in driver preference towards vehicle interior components.

Therefore, the following research questions were generated: 1) What are the geometric and mathematical characteristics of driver-selected seat positions (DSSPs)?, 2) How can we evaluate accommodation level of an adjustable product considering different types of variability in human preference?, and 3) How can we evaluate accommodation level of a non-configurable product considering different types of variability in human preference?.

In order to address the research questions above, three studies were conducted. Study 1 investigated the characteristics of human preference data regarding drivers preferred seat positions. Many previous vehicle ergonomics studies and standards have utilized DSSPs as a basis for evaluating the accommodation level of vehicle interior designs. However, little research has examined the basic characteristics of DSSPs. Therefore, Study 1 analyzed empirically obtained DSSPs to explore geometric, mathematical and statistical properties of individuals DSSP point clouds, each consisting of repeatedly measured DSSPs. Six quantitative indices pertinent to the size, shape, orientation and location of a DSSP point cloud were employed. Normality of the DSSP point clouds, and, also, possible correlational relationships among the indices and those between the indices and selected anthropometric dimensions were statistically tested. The results suggested that 1) DSSP prediction and simulation modelling must reflect the unimodal, non-normal nature of individuals DSSP distributions and the correlational structures identified, and 2) intra-individual as well as inter-individual variability in DSSP data needs to be considered in designing and evaluating seat adjustability features and other vehicle interior functions.

Study 2 proposed an interval estimation-based approach for evaluating the accommodation level of adjustable products. Designing adjustable products requires an accurate accommodation level evaluation method for determining their proper adjustable ranges. Previous methods have employed point estimation for representing an adjustable products population accommodation level. However, a point estimate is limited in that it lacks information regarding variability/reliability of an estimated value. Therefore, Study 2 developed an interval estimation-based accommodation level evaluation method. The method consisted of two parts: 1) individual accommodation level was evaluated on the basis of a given adjustable range of a product and preferred configuration data obtained from multiple individuals, and 2) based on the obtained individual accommodation levels, population accommodation level was determined, and a confidence interval of the population accommodation level was generated. The descriptions of the new method are provided, along with a case study demonstrating how the method can be applied to a real-world design problem.

Study 3 developed a novel accommodation level evaluation method for non-configurable products. Among many types of products, a non-configurable, single-configuration-for-all product offers advantages over other product types, such as simplicity of design problem and manufacturing process, lower design and manufacturing costs, and less effort necessary in choosing the right product variant or configuration for consumers. Despite the advantages, however, the problem of designing a non-configurable product for population accommodation has not been fully investigated. As an effort to address the problem of accommodation level evaluation for non-configurable products, Study 3 presented a novel design optimization method, which utilized empirically obtained human preference data for optimizing a products configuration; and, in doing so, both the intra-individual as well as inter-individual variability in human preference were considered. A case study using an example design problem is provided to demonstrate the new design method.

The characteristics of DSSPs and the accommodation level evaluation methods presented through the studies would be useful knowledge for not only the design of drivers seat and vehicle interior components, but also the design of non-configurable/adjustable products in general.