1. 서 론
최근 자율주행 기술이 고도로 발전하며 자율주행 자동차의 상용화 시기가 가까워지고 있다. 실제로 영국에서는 2023년 5월부터 직원 2명이 동승한 상태에서 자율주행버스가 운행 중이고 일본에서도 Level 4인 7인승 차량이 원격감시 하에 운행 중이다.(1) 세계보건기구(WHO)에 따르면 전 세계 교통사고의 대부분이 운전자의 부주의로 인한 것으로 보고하고 있어,(2) 자율주행자동차가 상용화된다면 운전자의 과실로 인한 교통사고 감소와 승객 및 보행자의 안전도 향상을 기대할 수 있을 것이다.(3) 자율주행자동차는 운전자가 개입하지 않고, 자동차 스스로 주변 환경을 인지하고 판단하여 목적지까지 주행하는 차량으로 사람의 인지, 판단, 제어 기능을 대신한다.(3) 국제 자동차 기술자 협회(SAE International)는 자율주행을 Level 0부터 Level 5까지 총 6단계로 구분하였는데 Level 3은 운전자 개입이 필요한 단계, Level 4는 운전자 개입이 필요 없는 단계, Level 5는 운전자가 필요 없는 단계이며 국내외 자동차산업계에서는 Level 3을 넘어선 기술 수준을 대비하고 있다. 독일은 Level 4 차량의 공도주행을 대비하여 2021년 도로교통법을 개정하였으며 일본도 역시 비슷한 이유로 2022년 도로교통법을 개정하였다.(1) 대한민국에서는 Level 3의 안전기준이 2019년 12월에 재정되었고(4) Level 4의 안전기준도 현재 연구개발 진행 중이며 이를 위한 기초 연구결과가 보고된 바 있다.(5)
고도로 발전한 자율주행자동차가 상용화될 경우 운전자가 더 이상 전방주시를 하거나 조향장치를 직접 제어할 필요가 없어져 운전자의 개념이 사라지게 되고 착좌자세는 일반적인 운전자세를 벗어나 자유롭고 다양해질 것이다. 미국 도로교통안전국(NHTSA)은 어떠한 착좌자세의 승객에 대해서도 기존의 충돌 안전 수준을 유지할 것을 요구하고 있다.(6) 그러나 기존의 차량 에어백과 안전벨트는 정상 착좌자세의 승객에게 최적화되어 있으므로 비정상 착좌자세의 승객 안전을 보장하기는 어렵다. 실제로 북미 필드 사고 통계 조사 결과(NASS/CDS)에서 시트를 뒤로 기울여 착좌한 승객일수록 상해 지수는 1.3배, 사망률은 1.7배 증가하는 것으로 나타났다.(6) 이는 자율주행 자동차 승객의 자유도를 고려하여 착좌자세에 따라 시트, 에어백, 안전벨트에 대한 종합적인 연구개발이 필요하고 다양한 자세의 승객 안전 연구가 요구된다는 것을 의미한다.(7)
Forman 등은 정면충돌 시 편의자세 승객의 구속 장치 상호작용, 승객의 운동학 및 승객보호기술을 분석하는 것을 연구주제로 두 가지 종류의 유한요소모델(NHTSA THOR FE Model 및 GHBMC Simplified Occupant FE Model)의 사용성에 대한 상해평가를 수행하였다.(8) 정면충돌 시뮬레이션에서 GHBMC 인체모델은 THOR 더미모델에 비해 요추의 전방 굴곡과 서브마린이 더 크게 발생하는 경향이 나타났다. 이러한 결과로 자율주행자동차의 편의자세 승객을 위한 승객거동과 승객부위별 상해연구의 필요성이 제안되었다.(8)
한편, 자동차 정면충돌 시 편의자세 승객의 생체역학적 반응을 종합적으로 분석하기 위해서는 편의자세의 사체피험자(PMHS)를 대상으로 한 실험이 필요하다. Richardson 등은 편의자세 PMHS의 운동학 및 상해반응을 평가하는 것을 연구주제로 충돌속도 50 km/h를 모사한 정면충돌 Sled 실험(감속도, 30 g)을 수행하였다. 5 구의 표준(50th percentile) 성인 남성 PMHS를 실험에 사용하였고, 서브마린 방지 팬이 있는 단순화된 Semi-rigid seat 및 프리텐셔너와 로드리미터 기능이 포함된 3점식 안전벨트를 적용하였다. 정면충돌 Sled 실험 시 머리, 골반 및 척추 부위의 전체적인 움직임과 국부적인 가속도를 측정하였고 시트 및 안전벨트에서의 반력도 측정하였다. 실험 결과로 편의자세일 때 시트와 안전벨트의 높은 구속력과 상대적으로 불리한 승객거동으로 인해 골반, 척추, 흉부의 부상이 발생하였다.(9) Richardson 등은 승객거동 및 인체상해 분석결과가 요추와 골반에 대한 새로운 부상 기준 개발과 편의자세 승객의 ATD(Anthropomorphic Test Device)와 HBM(Human Body Model)을 평가할 수 있는 기초 연구를 제공한다고 보고했다.(9) 이와 같이 충돌사고 시 자율주행자동차 승객의 자세에 따른 승객거동과 상해분석의 연구가 다양하게 진행되고 있으나 대부분 기초적 연구가 수행되고 있어 본 연구에서는 승객안전시스템(안전벨트와 에어백)의 조건에 따른 자율주행자동차 승객의 거동과 인체상해를 분석하고자 하였고 승객(Hybrid-III 더미)-차량-구속장치의 유한요소모델을 구성하고 정면충돌해석을 수행하여 자율주행자동차에서 예상되는 편의자세 탑승객의 거동 및 상해를 분석하였다.
2. 자율주행자동차 편의자세 승객거동 분석
본 연구에서는 정면충돌 Sled 해석모델(시트와 안전벨트)에 일반적인 정자세 승객과 편의자세 승객의 유한요소모델을 적용하여 승객거동해석모델을 구성하였으며 동적거동해석을 위해 비선형 유한요소프로그램인 LS-DYNA (ANSYS, Inc)를 사용하였다.
해석모델에 적용된 정면충돌 펄스는 NHTSA 실차 시험(New Car Assessment Program, Frontal Barrier Impact Test)에서 측정된 값을 Fig. 1과 같이 적용하였고(10) 해석 시간은 120 msec로 설정하였다. 시트모델은 Uriot 등(11)이 설계한, 시트팬과 서브마린 방지 구조 등으로 구성되어있는 Semi-rigid seat를 적용하였으며 Gepner 등(12)이 개발한 Semi-rigid seat 유한요소모델을 사용하였다. 안전벨트는 Fig. 2와 같이 프리텐셔너와 로드리미터 기능이 포함된 Visual seat-belt를 사용하였으며 각 기능의 특성값은 한경희 등(7)이 적용한 값을 사용하였다. D-ring과 Buckle 등 안전벨트 구성요소의 위치는 일반 중형 승용차의 레이아웃 조건으로 설정하였다. 승객모델은 Hybrid-III 50th percentile 남성 더미 모델을 사용하였고 편의자세인 Reclined 승객모델은 Upright 승객모델에서 20° 기울여 모델링하였다.(7) 정면충돌 승객거동해석모델은 Fig. 3(a)와 같고 총 요소 개수는 88,746 개이며 120 msec 까지 계산을 수행하였다. 두 가지 착좌자세(정자세(Upright)와 편의자세(Reclined))에 따른 승객모델의 거동은 Fig. 3에 나타내었으며 착좌자세에 따른 승객 거동의 차이가 계산되었다. Fig. 4～Fig. 9는 시간에 따른 승객 주요부위의 거동(Trajectories), 승객 주요부위의 가속도 변화, 각속도 변화 및 시트의 반력변화를 PMHS 실험 결과와 함께 나타내었다. Fig. 4에서 Reclined 모델의 머리 부위의 거동은 PMHS 실험 결과와 다소 차이가 나타났지만, 흉부와 골반의 거동은 대체로 PMHS 결과와 유사한 경향을 보인다. Fig. 5에서 머리 부위의 가속도 최댓값은 Reclined 모델이 Upright 모델보다 약 42% 더 큰 것으로 계산되었으며 Reclined 모델의 최댓값이 PMHS Upper의 최댓값과 유사한 것으로 나타났다. 두 종류 착좌자세의 시간에 따른 흉부의 가속도 변화는 Fig. 6과 같이 PMHS의 흉부 가속도 결과와 유사하게 나타났다. Fig. 7의 골반 가속도 비교에서 Upright 모델의 최댓값이 Reclined 모델과 PMHS Upper 결과의 최댓값보다 다소 크게 계산되었다. Y축 방향의 머리 각속도 변화는 Fig. 8과 같이 Reclined 모델 결과가 Upright 모델 결과보다 증가하는 것으로 계산되었으며 PMHS 결과와 유사한 경향을 나타냈다. Fig. 9의 시트 반력변화 비교에서 Reclined 모델 결과가 Upright 모델 결과보다 최댓값 기준 약 6% 정도 큰 것으로 나타났고 PMHS Lower와 매우 유사한 경향성을 보였다.
한편 두 모델(Upright와 Reclined)의 머리와 가슴의 상해치를 계산하여 Table 1에 나타내었다. Reclined 모델 결과가 Upright 모델의 결과대비 머리 상해(HIC15)는 약 66%, 가슴 상해(Max. Chest G)는 1% 크게 계산되었다.
3. 자율주행자동차 편의자세 상해 분석
3.1. 에어백 적용과 승객상해 분석
정면충돌 승객거동해석결과로 일반적인 정자세 승객과 편의자세 승객의 거동 및 인체 주요 부위의 상해를 분석하였고 승객상해 감소를 위한 에어백 모델의 영향을 평가하기 위해 정면충돌 Sled 해석모델(시트, 안전벨트, 에어백)에 편의자세 승객의 유한요소모델을 적용하여 승객거동해석을 수행하였다. 본 연구에서는 에어백의 위치를 변경하며 해석을 수행하여 에어백과 승객의 접촉에 따른 승객거동 및 상해를 분석하였다.
자율주행자동차에서 승객이 조향장치를 제어할 필요가 없어지며 내부 공간이 변화하게 되고(13) 운전자가 더 이상 운전자가 아닌 일반 승객으로 전환될 것으로 전망되고 있다. 따라서 본 연구에서는 중형 승용차의 조수석 에어백모델(Inflator type: dual state, Volume: 86 liters)(14)을 적용하고 에어백의 위치를 변경하면서 승객거동해석을 수행하였다. 에어백모델을 제외하고 해석모델의 조건은 앞 절의 승객거동 해석모델과 동일하며 안전벨트의 D-ring, Buckle 등의 위치는 선행연구(9)에서의 안전벨트 레이아웃과 동일하게 설정하였다. Fig. 10에서 에어백이 적용된 기본 모델과 에어백을 X축 방향으로 +150 mm 이동시킨 모델의 시간에 따른 승객과 에어백의 거동을 보여주고 있으며, 약 80 msec 이후, 에어백 전개와 더미모델의 접촉 차이에 따른 승객 거동의 차이가 나타났다.
또한 세 모델별 인체 주요 부위의 거동양상을 Fig. 11에 나타내었고, 에어백이 기본 위치에 적용된 모델(Airbag base model)은 에어백이 적용되지 않은 모델(w/o airbag model)과 유사한 거동을 보여주고 있으며 에어백을 X축 방향으로 +150 mm 이동시킨 모델(Airbag shift model)의 거동과는 다소 차이가 있는 것으로 계산되었다. 세 모델의 머리 부위의 시간에 따른 가속도 변화를 Fig. 12에서 보여주고 있으며 Airbag shift model의 머리 부위 가속도 변화는 다른 두 모델의 결과와 비교하여 유의미한 차이가 계산되어 에어백 전개와 에어백의 적정 위치에 따른 머리 부위 가속도 감소를 보여주었다. Airbag shift model의 머리 가속도 최대값은 Airbag base model의 결과대비 약 39% 감소된 것으로 계산되었다. 한편 머리를 제외한 인체 부위의 시간에 따른 가속도 변화는 Fig. 13과 Fig. 14와 같이 에어백 유무 및 위치에 따라 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 시간에 따른 머리부위의 각속도 변화와 시트의 반력 변화 비교에서는 Fig. 15와 Fig. 16과 같이 에어백 유무 및 위치에 따른 뚜렷하게 유의미한 결과는 나타나지 않았으나, Airbag shift model의 머리 각속도 최대값은 w/o airbag model의 결과대비 약 23% 감소되는 것으로 계산되었다.
한편 세 모델의 머리와 가슴의 상해치를 계산하여 Table 2에 나타내었다. 에어백을 X축 방향으로 +150 mm 이동시킨 모델(Airbag shift model)의 결과가 Airbag base model의 결과와 비교하여 머리 상해(HIC15)는 약 74%, 가슴 상해(Max. Chest G)는 약 17% 낮게 계산되었다.
Table 2.
HIC15 and max. chest acceleration comparisons of occupant-airbag models
| Models | HIC15 | Max. Chest Acc (G’s) |
| Airbag base model | 378.7 | 42.6 |
| Airbag shift model | 98.8 | 35.5 |
에어백의 X축 방향 이동에 따른 승객상해 분석을 수행한 후, Airbag shift model(X축 방향 150 mm 이동)을 Z축 방향으로 에어백 위치를 수정(±50 mm 이동)한 모델을 구성하여 에어백의 Z축 이동에 따른 승객상해를 평가하였다. 승객의 주요 부위인 머리, 흉부, 복부의 가속도 변화를 Fig. 17~19에 나타내었으며 세 모델별 매우 유사한 가속도 변화가 각각 계산되어 에어백의 Z 방향 이동에 따른 인체 주요 부위의 가속도 변화의 유의미한 결과는 나타나지 않았다.
4. 결 론
본 연구에서는 자동차 안전장치시스템(안전벨트와 에어백 등)과 더미모델의 유한요소모델을 구성하고 정면충돌 시 승객의 착좌자세에 따른 승객의 거동과 상해를 분석하였다. 또한 에어백 유무와 에어백 위치에 따른 승객의 거동과 상해를 분석하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
1) 일반적 운전자세인 정자세(Upright posture)보다 편의자세(Reclined posture)일 때 승객의 상해가 더 증가하는 것으로 계산되었다. 또한 에어백 유무 및 에어백 위치에 따라 승객의 거동과 머리 상해의 변화가 유의미한 것으로 나타났고 따라서 편의자세 승객에 적합한 자동차 안전장치시스템의 종합적 연구 및 개발이 요구된다.
2) 에어백을 X축 방향으로 +150 mm 이동시킨 모델을 적용한 정면충돌해석결과에서 기존 위치의 에어백을 장착한 모델의 해석결과보다 머리 부위 가속도의 최대값이 감소되는 것으로 분석되었고 에어백을 Z축 방향으로 ±50 mm 이동시킨 모델을 적용한 경우에는 기존 모델의 해석결과와 유사한 값이 계산되어 추가 연구를 통해 편의자세 승객과 에어백 간의 거리 및 전개 방향에 관한 종합적 분석 연구의 필요성이 사료된다.
3) 연구의 결과는 자율주행자동차의 편의자세 탑승객을 위한 새로운 구속 시스템 설계의 기초 자료로 활용될 수 있고 본 연구결과를 바탕으로 다양한 충돌더미모델과 인체모델을 적용한 자율주행자동차 편의자세 탑승객의 거동과 상해의 비교 및 검증 연구가 예상된다.
