안전벨트·에어백 개발에 필요한 체형군(5~95분위) 3D 대표모델 만들기

왜 체형군 다양성이 안전기술의 성능을 결정하는가

자동차 안전장치는 누구에게나 동일하게 작동하는 것처럼 보이지만, 실제 사고 상황에서는 사람의 체형, 연령, 성별, 자세 습관, 관절 위치에 따라 충돌 반응이 크게 달라집니다. 특히 차량 탑승자는 대부분 앉은 자세(seated posture)를 유지하고 있기 때문에, 이 자세에서의 체형 차이와 신체 하중 분포는 안전벨트와 에어백의 보호 성능을 좌우하는 핵심 요소가 됩니다. 최근 인체공학 연구에서도 평균 인체를 기준으로 한 접근 방식의 한계가 명확히 지적되고 있으며, 실제 사람의 체형과 자세 변화를 반영할 수 있는 디지털 인간 모델(Digital Human Model)이 대안으로 주목받고 있습니다.

앉은 자세에서 체형·관절 위치·신체 접촉 면적이 어떻게 달라지는지를 분석한 연구들은, 동일한 좌석 환경에서도 사용자에 따라 전혀 다른 인체 반응이 나타난다는 점을 보여줍니다. 이는 인체공학적 의자 설계뿐 아니라, 차량 내 탑승자 보호 시스템에도 그대로 적용되는 논리입니다. 결국 안전벨트와 에어백 역시 평균적인 사람을 보호하는 장치가 아니라, 다양한 체형군(5~95분위)의 실제 탑승자를 전제로 설계되어야 하는 보호 시스템이며, 이를 가능하게 하는 기반 기술이 바로 3D 인체 기반 디지털 휴먼 모델입니다.

이처럼 인체공학 분야에서 검증된 디지털 인간 모델 접근은 자동차 안전기술에서도 더 이상 선택이 아닌 필수로 자리 잡고 있으며, 체형군 다양성을 반영한 안전설계는 앞으로의 모빌리티 산업 경쟁력을 좌우하는 중요한 기준이 되고 있습니다.

안전벨트 설계에서 인체 파라미터가 갖는 실제적 의미

안전벨트는 간단해 보이지만, 충돌 순간 어떤 신체 부위에 어떤 각도로 접촉하는지가 상해 수준을 결정합니다. 벨트 설계는 결국 흉곽 곡률, 쇄골 형태, 골반 구조, 복부 체적, 연부조직 변형 패턴을 얼마나 정확히 반영하는가에 달려 있습니다.

흉곽의 단면 구조는 벨트 압력 분포를 결정하며, 쇄골 주변의 어깨 라인은 벨트 위치 안정성을 좌우합니다. 골반 경사는 벨트가 제 위치에 제대로 걸리는지를 결정하는 핵심 요소이며, 특히 비만 체형은 복부 체적 증가로 인해 벨트가 위로 미끄러지는 슬립(slip-off) 위험도 높습니다.

고령자의 경우 흉곽 강성 저하, 척추 굴곡, 경추 전굴 등이 발생하여 보호 성능이 떨어지며, 이는 단순한 길이·폭 데이터만으로는 설명할 수 없습니다. 이러한 맥락에서 안전벨트 설계는 곡률·단면·체적·관절 위치를 포함한 고차원 인체데이터를 기반으로 이루어져야 하며, 산업에서는 이를 대변하는 5·50·95 분위 대표모델의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

에어백 전개 순간을 결정하는 인체 요소와 디지털 모델의 필요성

에어백은 20~40ms라는 극도로 짧은 시간에 전개됩니다. 이때 신체의 위치가 조금만 달라져도 상해 결과가 완전히 달라지기 때문에, 에어백 설계는 다음과 같은 세부적인 인체 요소들을 필수적으로 고려해야 합니다.

에어백과의 최초 접촉 지점을 좌우하는 두상 형상, 얼굴 비율, 목 길이·경사, 어깨 위치, 그리고 전개 시 충격이 전달되는 흉부 체적이 그 핵심입니다. 운전자의 상지 위치, 즉 핸들을 잡고 있는 자세는 전개된 에어백의 충돌 경로까지 수정할 정도로 중요한 요인입니다.

특히 고령자는 목 후만, 척추 굴곡, 흉곽 약화로 인해 에어백 충돌점이 일반 성인과 다르게 나타나며, 여성은 골반 비율, 어깨 경사, 상지 길이 차이 등으로 인해 에어백과 상호작용하는 방식이 달라집니다. 어린이는 머리 비중이 큰 체형을 갖고 있어 충돌 시 흔들림이 크게 발생합니다.

이처럼 에어백 성능은 실제 인간의 다양한 체형 특성을 반영해야만 정확히 평가할 수 있으며, 이를 위해서는 고정밀 디지털 휴먼 모델(DHM)이 반드시 필요합니다.

스캔부터 시뮬레이션까지

현대의 안전 설계는 단순히 인체 데이터를 수집하는 수준을 넘어서, 실제 설계에 즉시 활용 가능한 파라메트릭 3D 인체모델을 구축하는 과정을 거칩니다. 이 과정은 크게 네 단계로 나누어 설명할 수 있습니다.

가장 먼저 이루어지는 것은 고정밀 3D 전신 스캔입니다. 다양한 연령·성별·신체비율·특수체형을 포함한 폭넓은 참여가 필요하며, 스캔은 mm 수준으로 정밀하게 이루어져야 합니다. 이 단계에서 수집된 원자료는 모든 대표모델의 기반이 됩니다.

다음 단계는 스캔을 파라메트릭 모델로 변환하는 과정입니다. 여기에는 부위별 단면화, 곡률 추출, 체적 계산, 질량중심(CoM) 추정, 관절 좌표계 정렬 과정이 포함됩니다. 이 과정이 이루어져야만 인체 모델이 단순한 형태 정보가 아니라 설계 가능한 엔지니어링 데이터로 재탄생합니다.

이후 여러 체형 데이터를 분석해 군집화(Clustering)를 수행하고, 체형 분포를 대표하는 5·50·95 분위 모델을 생성합니다. 대표모델은 각각 저체형·평균체형·대체형을 상징하며, 모든 체형군을 설명할 수 있을 만큼 일반성을 가져야 합니다.

마지막 단계에서는 완성된 대표모델을 기반으로 안전 시뮬레이션을 수행합니다. 안전벨트 장력, 벨트 슬립 위험도, 에어백 충돌점 분석, 상해지수(HIC, Nij 등) 계산 등을 통해 실제 차량 설계에 반영됩니다.

이 전체 과정이 바로 인체데이터 기반 안전설계의 핵심이며, 산업에서는 이를 위해 대표 3D 페르소나 모델과 표준형상 데이터셋이 필수 요소로 자리 잡고 있습니다.

고령자·여성·비만·어린이까지 확장되는 대표체형

최근의 안전 설계는 특정 사용자군을 고려하지 않으면 완전한 보호 성능을 확보하기 어렵다는 사실이 분명해졌습니다. 이는 다양한 사용자군에 대한 맞춤형 체형 모델 구축이 필수임을 의미합니다.

고령자의 경우 척추 후만, 목 전굴, 흉곽 강성 저하가 흔하며, 이러한 변화는 충돌 시 에어백과의 접촉점과 압력 분포에 큰 영향을 줍니다. 여성은 골반 폭, 어깨 경사, 상지 비율 등이 남성과 달라 벨트와 에어백의 작용 패턴이 달라지며, 이는 국제적으로도 지속적으로 문제 제기되어 온 주제입니다.

비만 체형은 복부 체적 증가로 인해 벨트가 제 위치에서 벗어나기 쉬우며, 연부조직 변형이 크게 발생해 충돌 에너지 분산 양상이 크게 달라집니다. 어린이는 성인 대비 머리 비중이 크고 신체 비율이 달라 충돌 회전량이 크며, 에어백이나 벨트와 상호작용하는 방식이 완전히 다릅니다.

이 모든 체형군의 특성을 반영하려면 단순 치수를 넘어, 3D 형상·단면·체적·관절 위치·자세 패턴이 모두 포함된 고정밀 인체모델이 필요합니다. 이는 앞으로 안전기술이 반드시 추구해야 할 포용적 안전(Inclusive Safety)의 핵심 기반이 됩니다.

컴포랩스: 고정밀 3D 체형군 모델 구축의 전문 파트너

컴포랩스는 산업 현장에서 필요로 하는 정밀 3D 인체 데이터, 대표 페르소나 모델, 파라메트릭 형상 파라미터, 특수체형 모델링, 디지털 휴먼 기반 시뮬레이션 지원 등 전 과정을 전문적으로 수행하는 기업입니다.

컴포랩스는 특히 5·50·95 분위 모델 구축, 고령자·여성·비만·어린이 대표모델 생성, 운전자·좌식 포즈 모델링, 체적·단면·곡률 기반 파라메트릭 데이터 제공, OEM용 안전설계 지원 모델링 등을 높은 정확도로 제공할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.

국가 연구개발 수행 경험과 산업 전반의 인체데이터 수요 분석 능력을 바탕으로, 실제 기업이 바로 사용할 수 있는 고품질 인체 모델을 제공합니다. 안전 설계의 수준을 더 높은 단계로 끌어올리고자 한다면, 컴포랩스는 가장 신뢰할 수 있는 기술 파트너입니다.