근래에 작업자의 근골격계 질환이 산업현장의 주요한 논제로 등장하였다. 이러한 문제를 줄이기 위하여 다양한 방법들이 사용되고 있는데 그 중의 하나가 제품설계, 치구설계, 작업장 설계를 할 때 작업자의 안전을 최대한 확보하도록 설계단계에서 개선을 하는 것이다. 최근에 급속히 발전하고 있는 3D 시뮬레이션 기술을 사용하면 작업장을 설계하는 단계에서 제품 및 치구의 3D 도면을 이용하여 가상의 작업공간을 구축한 후 작업자의 작업 자세를 사전에 검증해 볼 수 있기 때문에 작업장 구축 후 발생할 수 있는 많은 문제점들을 사전에 검증하여 설계실패비용을 최소화할 수 있다. 본 논문은 3D 작업자 시뮬레이션을 이용하여 굴삭기 공장의 특정한 공정을 대상으로 개선 및 최적화를 하기위한 연구다. 먼저 CATIA를 이용하여 제품과 치구 등 작업장 구축을 위한 3D 모델을 개발하였다. 그리고 IGRIP, DPM. Human 등의 개발도구를 복합적으로 이용하여 작업장에서의 작업내용을 시뮬레이션 할 수 있는 모델을 개발한 후 작업 자세에 대한 분석을 수행하였다. 분석결과는 작업장을 개선하는데 이용하였다.
근래에 작업자의 근골격계 질환이 산업현장의 주요한 논제로 등장하였다. 이러한 문제를 줄이기 위하여 다양한 방법들이 사용되고 있는데 그 중의 하나가 제품설계, 치구설계, 작업장 설계를 할 때 작업자의 안전을 최대한 확보하도록 설계단계에서 개선을 하는 것이다. 최근에 급속히 발전하고 있는 3D 시뮬레이션 기술을 사용하면 작업장을 설계하는 단계에서 제품 및 치구의 3D 도면을 이용하여 가상의 작업공간을 구축한 후 작업자의 작업 자세를 사전에 검증해 볼 수 있기 때문에 작업장 구축 후 발생할 수 있는 많은 문제점들을 사전에 검증하여 설계실패비용을 최소화할 수 있다. 본 논문은 3D 작업자 시뮬레이션을 이용하여 굴삭기 공장의 특정한 공정을 대상으로 개선 및 최적화를 하기위한 연구다. 먼저 CATIA를 이용하여 제품과 치구 등 작업장 구축을 위한 3D 모델을 개발하였다. 그리고 IGRIP, DPM. Human 등의 개발도구를 복합적으로 이용하여 작업장에서의 작업내용을 시뮬레이션 할 수 있는 모델을 개발한 후 작업 자세에 대한 분석을 수행하였다. 분석결과는 작업장을 개선하는데 이용하였다.
Recently, work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) become a hot issue in the industrial fields. To prevent the potential risk of workers, various approaches have been adopted. One of the approaches is to improve the design of product, that of jig (or fixture) and that of workstation in the ear...
Recently, work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) become a hot issue in the industrial fields. To prevent the potential risk of workers, various approaches have been adopted. One of the approaches is to improve the design of product, that of jig (or fixture) and that of workstation in the early stage of the development. 3D simulation technology is known as the powerful method for detecting such problems before constructing the workstation, because it is possible to evaluate the posture of worker using 3D models in a cyber space. It enables to find the unexpected problems and save the time and cost for redesign and rework. This paper introduces a 3D simulation case study of workers in an excavator factory. 3D models of products, jigs were developed with CATIA. The assembly processes were animated in IGRIP and DPM. Finally the various postures of worker were simulated using Human. As a result, some postures were analysed as the risky jobs and the result of simulation was used to improve the system.
Recently, work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) become a hot issue in the industrial fields. To prevent the potential risk of workers, various approaches have been adopted. One of the approaches is to improve the design of product, that of jig (or fixture) and that of workstation in the early stage of the development. 3D simulation technology is known as the powerful method for detecting such problems before constructing the workstation, because it is possible to evaluate the posture of worker using 3D models in a cyber space. It enables to find the unexpected problems and save the time and cost for redesign and rework. This paper introduces a 3D simulation case study of workers in an excavator factory. 3D models of products, jigs were developed with CATIA. The assembly processes were animated in IGRIP and DPM. Finally the various postures of worker were simulated using Human. As a result, some postures were analysed as the risky jobs and the result of simulation was used to improve the system.
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문제 정의
결론에 도달했다. 각 공정에 대하여 다양한 개선안이 제시되었는데 본 논문에서는 그림 6의 작업 자세를 개선하기 위한 방법에 대해 간단히 소개하기로 한다.
중심의 분석기법이다. 따라서 본 논문에서는 다양한 자세에서 이루어지는 작업자의 전체적인 신체에 대한 부담정도와 위해인자에의 노출정도를 분석하기 위한 목적으로 개발된 REBA분석기법을 RULA분석기법과 병행하여 활용하였다. REBA 분석을 위하여 'Human Posture Analysis' 기능을 사용하였다.
본 논문에서는 이 중 RULA와 REBA를 이용하여 작업자 작업 자세 분석을 하고자 한다. McAtamney와 Corlett(1993)은 근골격계질환과 관련된 위험인자에 대한 작업자의 노출정도를 평가하기 위한 목적으로 RULA를 개발하였는데, 어깨 팔목 손목, 목 등 상지(Upper Limb)에 초점을 맞추어서 작업자세로 인한 작업부하를 쉽고 빠르게 평가하기 위하여 만들어진 기법이다.
본 논문은 3D 작업자 시뮬레이션을 이용하여 굴삭기 생산 공정 개선 및 최적화를 하기위한 연구다. 먼저 CATIA를 이용하여 두 종류의 부품을 3D 모델로 개발하였고, 이들 부품을 생산하는 공정 4개를 선택하여 치구를 3D 모델로 개발하였다.
이 논문은 건설중장비의 한 종류인 굴삭기 생산 공정을 대상으로 작업장 개선을 다룬 사례연구다. 특히 3D 작업자 시뮬레이션 기법을 이용하여 최근 이슈가 되고 있는 직업병의 하나인 근골격계질환을 예방하기 위한 작업자의 작업 자세를 분석/평가해보고 문제가 발생할 수 있는 해당공정의 작업대를 개선한 내용을 소개하도록 한다.
REBA는 싱.지직업을 중심으로 한 RULA와 비교하여 간호사 등과 같이 예측하기 힘든 다양한 자세에서 이루어지는 서비스업에서의 전체적인 신체에 대한 부담정도와 위해인자에의 노출정도를 분석하기 위한 목적으로 개발되었다.
대상으로 작업장 개선을 다룬 사례연구다. 특히 3D 작업자 시뮬레이션 기법을 이용하여 최근 이슈가 되고 있는 직업병의 하나인 근골격계질환을 예방하기 위한 작업자의 작업 자세를 분석/평가해보고 문제가 발생할 수 있는 해당공정의 작업대를 개선한 내용을 소개하도록 한다.
제안 방법
먼저 CATIA를 이용하여 두 종류의 부품을 3D 모델로 개발하였고, 이들 부품을 생산하는 공정 4개를 선택하여 치구를 3D 모델로 개발하였다. 그 후 부품이 조립(용접)되는 과정과 작업자의 작업 자세를 3D 시뮬레이션 모델로 개발하여 작업장의 시뮬레이션 모델로 통합하였다.
그리고 작업자의 작업 자세를 분석하기 위하여 RULA라는 분석방법을 사용하였으며, 동시에 REBA라는 다른 유형의 분석방법을 병행하였다. 그 결과 RULA와 REBA의 분석결과가 일치하지 않는 경우도 있었지만 전체적으로 유사한 결론을 얻을 수 있었다.
그림 1에서 제시한 연구진행 순서에 따라 선정된 연구 대상 공정에 대하여 제품(부품 포함) 및 치구, 공구 등을 CATIA V5를 이용하여 3D CAD로 모델링하였다.
다음 단계로 작업자의 작업내용을 3D 모델로 개발하였다. 이 작업은 Ergonomics Design & Analysis 에 있는 'Human Task Simulation' 기능을 이용하여 구현하였다.
우선 다리에 대한 점수는 REBA에서 요구하는 다리의 각도를 Postural Score Analysis에 정의하기위한 기준이 불확실하여 그림 11과 같이 직접 계산 하였다. 또한 REBA 평가 워크시트의 그룹 A인 목, 허리, 다리에 대한 각각의 점수에 관하여 그림 10에 나타나지 않은 힘/무게(Load/Force)의 점수를 추가하여 그룹 A에 대한 최종 점수를 산출하며, 같은 방법으로 그룹 B인 위쪽 팔, 아래쪽 팔, 손목 자세에 관한 점수에 대하여 치구의 손잡이(Coupling)상태에 따른 추가점수를 합산하여 그룹 B에 대한 최종 점수를 계산하였다. 마지막으로 이렇게 구한 그룹 A, 그룹 B를 이용하여 최종 REBA 점수를 계산 할 수 있다.
공정 개선 및 최적화를 하기위한 연구다. 먼저 CATIA를 이용하여 두 종류의 부품을 3D 모델로 개발하였고, 이들 부품을 생산하는 공정 4개를 선택하여 치구를 3D 모델로 개발하였다. 그 후 부품이 조립(용접)되는 과정과 작업자의 작업 자세를 3D 시뮬레이션 모델로 개발하여 작업장의 시뮬레이션 모델로 통합하였다.
DELMIA V5 에는 DPM(Digital Processes for Manufacturing), IGRIP, Ergonomics Design & Analysis 등 다양한 도구들이 통합되어 있다. 먼저 각종 치구들의 동작(Kinematics)은 IGRIP에 있는 'Device Building' 이라는 기능을 이용하여 그림 5과 같이 구현하였는데 이 단계에서 제품과 치구들의 간섭 등을 검토하였다.
그림 1은 연구 진행 과정을 보여주고 있다. 먼저 대상 공정을 선정한 후 부품 및 치구, 공구 등을 3D 설계프로그램인 CATIA V5를 이용하여 3D CAD로 설계를 한다. 이렇게 설계한 모델을 PLM 설계프로그램인 DELMIA V5에서 이용하여 공정 시뮬레이션 및 3D 작업자 시뮬레이션을 통한 작업자 작업 자세 분석을 통해 작업자의 작업 자세가 문제가 되는 공정을 찾아보고자 한다.
우선 완성한 시뮬레이션의 모델을 바탕으로 동적인 작업 상태를 분석하였다. 이 과정에서는 가상의 작업자(마네킹)가 이동 및 작업을 할 때 작업자의 작업 자세에 대한 각 부위별 정보를 색깔로 표현을 해준다.
위의 분석 절차를 이용하여 그림 2에 제시된 각 작업공정에 대하여 작업 자세에 대한 분석을 실시하였다. 그림 12는 현재 설치 되어있는 치구 및 공구로 작업자가 작업을 하는 모습이며, 이 러한 사진 등의 영상자료를 이용하여 지금 진행 되고 있는 작업장의 시설이 작업자의 작업 자세에 어떠한 영향을 주는가를 알아보고자 하였다.
3D 시뮬레이션 모델에서 설계 변경 결과 기존의 작업대 보다 좌우로 각각 약 250mm 정도 작업대를 길게 늘였을 경우 다른 작업공정에 영향을 주지 않으며 작업자의 작업 자세에 문제가 되는 기존의 작업 또한 개선 될 수 있는 것으로 나타났다. 이 과정에서 작업대 상판을 교체하는 방안이 검토되었으나 기존에 설치된 구조물의 특성(작업대는 상하운동을 하기 때문에 하강시에 작업장 바닥과 간섭이 발생함)을 고려하여 날개형태의 보조발판을 부착하기로 하였다. 이 보조발판은 하강시에는 접힐 수 있도록 설계되어 있어 간섭을 피할 수 있으며, 작업자의 작업자세와는 무관하다.
그림 6은 실제 작업자의 모습이며, 그림 7은 마네킹을 이용하여 실제 작업자의 모습을 3D 모델로 구현한 모습이다. 이러한 방법으로 이 연구의 대상인 Center Box의 가접 및 본접 공정, Filter Box의 조립공정의 전 과정을 3D 작업자 시뮬레이션 모델을 개발 하였다.
이 과정에서는 가상의 작업자(마네킹)가 이동 및 작업을 할 때 작업자의 작업 자세에 대한 각 부위별 정보를 색깔로 표현을 해준다. 이러한 분석을 통하여 올바르지 않는 작업 자세를 찾고 이렇게 찾은 동작에 대해서는 좀 더 자세한 분석을 실시하였다.
먼저 대상 공정을 선정한 후 부품 및 치구, 공구 등을 3D 설계프로그램인 CATIA V5를 이용하여 3D CAD로 설계를 한다. 이렇게 설계한 모델을 PLM 설계프로그램인 DELMIA V5에서 이용하여 공정 시뮬레이션 및 3D 작업자 시뮬레이션을 통한 작업자 작업 자세 분석을 통해 작업자의 작업 자세가 문제가 되는 공정을 찾아보고자 한다.
이 작업은 Ergonomics Design & Analysis 에 있는 'Human Task Simulation' 기능을 이용하여 구현하였다. 이를 구현하기 위해 현장에서 작업자의 동작을 촬영한 후 마네킹을 이용하여 실제와 동일한 작업자 동작을 모델링 하였다. 그림 6은 실제 작업자의 모습이며, 그림 7은 마네킹을 이용하여 실제 작업자의 모습을 3D 모델로 구현한 모습이다.
대상 데이터
이 논문은 굴삭기의 공정 중 붐(Boom) Center Box의 가접 및 본접을 하는 3개의 용접공정과 상부 Filter Box의 일부 조립공정을 연구 대상으로 하였다. 이 공정들은 부품의 무게와 크기가 크며, 자동화를 하기에는 아직까지 여러 가지 어려움이 있어서 사람이 직접 작업을 하는 공정들이다.
이론/모형
따라서 본 논문에서는 다양한 자세에서 이루어지는 작업자의 전체적인 신체에 대한 부담정도와 위해인자에의 노출정도를 분석하기 위한 목적으로 개발된 REBA분석기법을 RULA분석기법과 병행하여 활용하였다. REBA 분석을 위하여 'Human Posture Analysis' 기능을 사용하였다. 그림 9는 마네킹의 각 신체 부위별 자세에 대하여 REBA 기준에 맞는 점수를 인위적으로 부여하는 과정으로, Edits Preferred Angles이라는 메뉴에서 수행한다.
그 후 작업자가 부품을 하나씩 조립(혹은 용접)하여 제품을 완성시켜 가는 과정을 모델링하기 위해서 DPM에 있는 'Assembly Process Simulation' 기능을 활용하였다. 이 기능을 활용하면 각 부품들이 치구에 하나씩 순차적으로 장착되어 해당공정의 최종 제품이 조립되는 과정을 구현할 수 있다.
이 작업은 Ergonomics Design & Analysis 에 있는 'Human Task Simulation' 기능을 이용하여 구현하였다. 이를 구현하기 위해 현장에서 작업자의 동작을 촬영한 후 마네킹을 이용하여 실제와 동일한 작업자 동작을 모델링 하였다.
성능/효과
안정적으로 할 수 있도록 한 것이다. 3D 시뮬레이션 모델에서 설계 변경 결과 기존의 작업대 보다 좌우로 각각 약 250mm 정도 작업대를 길게 늘였을 경우 다른 작업공정에 영향을 주지 않으며 작업자의 작업 자세에 문제가 되는 기존의 작업 또한 개선 될 수 있는 것으로 나타났다. 이 과정에서 작업대 상판을 교체하는 방안이 검토되었으나 기존에 설치된 구조물의 특성(작업대는 상하운동을 하기 때문에 하강시에 작업장 바닥과 간섭이 발생함)을 고려하여 날개형태의 보조발판을 부착하기로 하였다.
3D 작업자 시뮬레이션을 통하여 현재 가동 중인 작업장을 분석해본 결과 4가지 공정 모두 작업자의 좋지 않은 작업 자세가 있는 것으로 판명되어 작업장을 개선해야 한다는 결론에 도달했다. 각 공정에 대하여 다양한 개선안이 제시되었는데 본 논문에서는 그림 6의 작업 자세를 개선하기 위한 방법에 대해 간단히 소개하기로 한다.
RULA의 경우 5점 이상 REBA의 경우 8점 이상일 경우 작업자세가 위험한 수준임을 감안할 때 표 3의 작업자세 분석표를 보면 전체적으로 작업자세가 좋지 않은 것으로 나타났다. 이 결과만을 단순히 본다면 운영 중인 설비를 잠정적으로 모두 개선해야한다는 결론을 내릴 수 있을 것이다.
예를 들어 그림 12의 (b) 자세에 대한 RULA의 평가는 작업 자세를 즉시 수정해야 할 정도의 매우 위험한 수준인 반면에 REBA의 결과는 작업 자세를 조금 더 관찰해볼 필요가 있을 정도의 위험 수준으로 나타난다. 또한 RULA는 오른쪽의 자세가 왼쪽의 자세보다 좋지 않은 것으로 나타나는 반면 REBA는 왼쪽의 자세가 더 좋지 않은 것으로 나타났다. 이렇게 같은 자세에 대한 두 분석 기법의 결과가 서로 다르게 나오는 것은 두 분석기법이 적용하는 각 자세에 대한 가중치의 비중이 서로 다르기 때문인 것으로 나타났다.
이 보조발판은 하강시에는 접힐 수 있도록 설계되어 있어 간섭을 피할 수 있으며, 작업자의 작업자세와는 무관하다. 이렇게 개선된 설비를 3D 작업자 시뮬레이션을 통한 작업자 분석 결과 RULA 점수는 왼쪽과 오른쪽이 모두 3점으로 추후 관찰을 통하여 자세를 변경해 줄 필요가 있는 정도의 위험 수준으로 나타났으며, REBA 점수는 왼쪽과 오른쪽이 각각 2점과 4점으로 오른쪽의 자세가 중간정도의 위험 수준, 즉 RUIA와 비슷한 추후 관찰을 통한 자세를 변경해 줄 필요가 있는 정도의 위험으로 나타났다. 이 결과를 통하여 작업대의 확장으로 인한 작업자의 작업 자세 위험도가 많이 감소했음을 알 수 있다.
표 2의 값을 REBA 분석표에 대입하여 총 점수를 계산한 결과 오른쪽은 10점, 왼쪽은 9점으로 나타났으며, 이것은 RURA를 이용한 평가와 마찬가지로 작업 자세를 즉시 개선해야 할 정도로 좋지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
분석을 가능하게 해준다. 또한 문제가 되는 공정의 작업 자세를 보완하기 위한 치구, 장비, 제품의 설계 변경을 사전에 검토해 봄으로써 시간과 비용을 최소화 하면서 효과적인 설계변경의 대안을 찾을 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 위의 결과는 전체 공정의 일부분 이며 또한 작업시간이 상당히 짧은 자세일 수 도 있다. 또한 설비 및 치구의 문제보다는 작업자 본인의 올바르지 못한 자세에서 비롯되는 결과 일 수도 있으므로 좀 더 다양한 시각에서 결과를 해석할 필요성이 있다.
따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 가상 생산 기법을 도입하여 실제와 차이가 없는 작업장을 구성하고 작업자의 작업 자세를 3D 작업자 시뮬레이션을 이용하여 사전 분석/평가 할 수 있다. 이러한 사전 분석을 통하여 새로운 치구 및 장비를 개발 하고 이것을 가상현실에 적용시켜 사전 분석 해봄으로써 작업자의 작업 자세를 보안하기 위해 소요되는 시간과 비용을 최소화 하면서 효과적인 대안을 찾아 낼 수 있을 것이다.
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