[논문 리뷰] A Mathematical Model of Motion Sickness in 6DOF Motion and Its Application to Vehicle Passengers

Takahiro Wada, Norimasa Kamij외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

Vestibular and auditory disorders참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 운전수와 승객의 운동병 발생률(MSI)을 예측하기 위해 운동병 이론의 주관적 수직 갈등(SVC) 이론을 6자유도(6DOF)로 확장한다. 이론은 내이의 균형기능에서 근육-관절 상호작용를 모델링하여, 차량 내에서의 운동병 발생 가능성을 예측할 수 있게 한다. 모델은 운전수의 경우 곡선 방향으로 머리를 기울임으로써 갈등하는 감각 자극을 상쇄하는 반면, 승객은 반대 방향의 머리 움직임을 취해 더 높은 운동병 발생률을 경험함을 보여준다.

ABSTRACT

A mathematical model of motion sickness incidence (MSI) is derived by integrating neurophysiological knowledge of the vestibular system to predict the severity of motion sickness of humans. Bos et al. proposed the successful mathematical model of motion sickness based on the neurophysiological mechanism based on the subject vertical conflict (SVC) theory. We expand this model to 6-DOF motion, including head rotation, by introducing the otolith-canal interaction. Then the model is applied to an analysis of passengers' comfort. It is known that the driver is less susceptible to motion sickness than are the passengers. In addition, it is known that the driver tilts his/her head toward the curve direction when curve driving, whereas the passengers' head movement is likely to occur in the opposite direction. Thus, the effect of the head tilt strategy on motion sickness was investigated by the proposed mathematical model. The head movements of drivers and passengers were measured in slalom driving. Then, the MSI of the drivers and that of the passengers predicted by the proposed model were compared. The results revealed that the head movement toward the centripetal direction has a significant effect in reducing the MSI in the sense of SVC theory.

연구 동기 및 목표

• 운동병 발생률(MSI)의 6DOF 운동을 수학적으로 모델링하기 위해 내이 기능의 신경생리학적 원리를 적용한다.
• 차량 운행 중 머리 움직임 전략이 운동병에 대한 민감도에 미치는 영향을 조사한다.
• 슬로몰 주행 동안 측정된 머리 운동학적 데이터를 기반으로 운전수와 승객 간 예측된 MSI를 비교한다.
• 실제 주행 데이터와 감각 갈등의 생리학적 원리를 활용하여 모델의 예측 능력을 검증한다.

제안 방법

• 모델은 Bos 등(2006)의 SVC 기반 운동병 모델을 내이의 근육-관절 상호작용 메커니즘을 통합함으로써 6DOF로 확장한다.
• 관성 신호, 즉 선형 가속도와 각속도를 포함한 내이의 자극을 통합하여 감각 갈등 수준을 계산한다.
• 슬로몰 주행 중 운전수와 승객의 머리 운동 데이터를 측정하여 모델의 입력으로 사용한다.
• 모델은 실제 운동 신호와 인식된 수직 방향 간의 갈등 정도를 측정하여 MSI를 계산한다.
• 모델은 내이 자극의 가중 조합을 사용하여 감각 불일치의 심각도를 추정한다.
• 운전수와 승객 간 예측된 MSI를 비교하여 머리 기울임 방향이 운동병 발생에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6DOF 운동, 즉 회전 및 선형 성분을 포함하여 차량 승객의 운동병 발생률(MSI)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 곡선 주행 중 머리 움직임 방향(곡선 방향으로 또는 반대 방향으로)이 MSI에 미치는 조절 역할은 무엇인가?
• RQ3 운전수가 사용하는 머리 기울임 전략이 승객에 비해 감각 갈등을 얼마나 줄이고, 결과적으로 MSI를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 신경생리학적으로 근거를 둔 수학적 모델이 측정된 머리 운동학적 데이터를 기반으로 실차 주행 상황에서 MSI를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 6DOF 모델은 이전의 3DOF 모델을 초월하여 근육과 관절 자극을 통합하여 운동병 발생률을 성공적으로 예측한다.
• 곡선 방향으로 머리를 기울이는 운전수의 예측된 MSI는 승객보다 유의미하게 낮다.
• 곡선 반대 방향으로 머리를 기울이는 승객의 경우 감각 갈등이 더 심해져 예측된 MSI가 높아진다.
• 모델은 머리 기울임 전략이 내이 기능에서 수직 갈등을 최소화함으로써 운동병을 줄이는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인한다.
• 슬로몰 주행 중 측정된 머리 움직임은 운전수와 승객 간 예측된 MSI의 차이와 강하게 상관된다.
• 결과는 활동적인 머리 제어가 인식된 수직 방향을 실제 운동 신호와 일치시킴으로써 운동병을 감소시킨다는 가설을 지지한다.