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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 인간공학적인 개념의 작업장 설계를 위해 인간의 다양한 정적 . 동적인 인체측정 데이터와 한국 성인의 근력측정을 기반으로 하는 작업역 구축에 관한 연구를 통해서 기존의 연구에서 보여지는 단순한 인체치수 위주의 가이드라인 및 설계를 벗어나 근력을 포함시킴으로써 복합적인 작업역을 형성하는데 도움을 줄 것으로 판단된다.
- 그러므로, 본 연구에서는 좌식 작업장 설계를 위한 하지 근력의 힘 발휘에 대한 데이터를 제공하였으며, 작업역 공간에서 발생하는 슬관절 각도에 따른 하지의 힘 발휘 시 근육의 피로 정도를 근전도(electromyogram: EMG)를 측정함으로써, 실질적인 근골격계질환을 예방할 수 있는 작업장설계 가이드 라인을 제공해주고자 한다. 또한 좌식 작업시에발생되는 좌면 부하에 대한 여러가지 문제점을 해결하기 위해서 슬관절 각도에 따른 힘 발휘시의 좌면 압력분포의 최대압력을 파악하여 작업 자세간의 상대적 비교가 가능하도록 하였다.
- 가이드 라인을 제공해주고자 한다. 또한 좌식 작업시에발생되는 좌면 부하에 대한 여러가지 문제점을 해결하기 위해서 슬관절 각도에 따른 힘 발휘시의 좌면 압력분포의 최대압력을 파악하여 작업 자세간의 상대적 비교가 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 10명의 피험자가 착좌시 4가지 유형의 슬관절 각도 변화에 따른 하지의 정적 자세를 대상으로 좌면 압력분포의 최대압력과 밀기 작업에서의 하지 최대 수 의적수축, 근육 부위별 피로도를 평가하였다. 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한 실험시 의자에 설치된 압력분포 측정시스템을 통해 좌면압력분포의 최대압력을 측정하였다. 이는 좌면에 미치는 체압과 좌면에 체압이 받는 면적을 측정하여 좌면의 부하의 정도를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 10명의 피험자를 대상으로 실시한 착좌시 4가지 유형 (90°, 120°, 150°, 180°)의 슬관절 각도 변화에 따른 하지의 정적 자세를 대상으로 좌면 압력분포의 최대압력과 밀기 작업에서의 최대 수의적 수축, 근육 부위별 피로도의 결과는 다음과 같다.
- 또한 자세를 고정하기 전에 실험용 의자에 압력분포측정시스템을 올려놓고 실험 자세를 취하도록 하여 근력측정시스템을 자세에 맞도록 조절하였다. 각 자세에 대해서는 1분 정도 자세가 안정화 되도록 하여 실제 실험에 들어가도록 하였으며, 실제 실험은 하지에 점진적으로 힘을 가하도록 하여 자신의 100%MVC에 도달하도록 하고 3~4초간 최대근력을 유지하도록 하였다. 또한, 각각의 자세에 대해서는 10초간 3회씩 총 12회를 실시하였으며, 각각의 자세 간의 휴식은 근육의 회복을 위해 10분으로 하였다(황규성, 1992).
- 그리고 근력측정시스템에서 사용되는 등받이가 있는 의자에 앉아서 자신의 신체 치수에 맞도록 조절한 후 팔을 지지하지 않고 움직이지 않도록 자세를 스트랩으로써 고정하였다(사진 4). 또한 자세를 고정하기 전에 실험용 의자에 압력분포측정시스템을 올려놓고 실험 자세를 취하도록 하여 근력측정시스템을 자세에 맞도록 조절하였다.
- 그리고 힘 발휘 동안 발생되는 근육의 동원 정도를 측정하기 위하여 근전도 값을 측정하였는데 이때 선택된 근육은 고관절 굴곡 운동 및 슬관절 신전운동의 주동근인 대퇴직근(Rectus Femoris Muscle), 슬관절 신전운동의 주동근인 외측광근 ((Vastus Lateralis Muscle), 슬관절 굴곡운동의 보조 주 동근 이며 발목관절의 저측굴곡(Plantar Flexion)의 주 동근 인비 복근(Gastrocnemius Muscle), 발목관절의 저 측 굴곡의 주동 근인 가자미근(Soleus Muscle), 발목관절의 배 측 굴곡의 주동근인 전경골근(Tibialis Anterior Muscle)이다(그림 5).
- 그에 따른 종속변수로서는 다양한 작업역 내에서 피험자에 발휘되는 힘의 차이를 알아보기 위하여 각 힘 발휘점에서발생되는 등척성 근육 수죽(Isometic Contraction) 에 따른 최대 힘, 즉 100%MVC(Maximum Voluntary Contraction; MVC)와 Mean 100%MVC를 측정하였다. 근전도 생리 신호는 1, 024Hz로 신호샘플을 획득하였고, Bandpass filter (10~512Hz)를 사용하여 필터링 한 후 근육에 따른 중간주파수(Median Frequency; MF)를 구하여 비교 분석하였다.
- 근육의 힘 발휘 정도를 측정하기 위해서 사용된 EMG (electromyogram)는 사진 3과 같으며 NORAXON사의 Myosystem 2000을 사용하여 표면전극(Surface electrode) 으로부터 1, 024Hz로 신호샘플을 획득하였고, Bandpass filter(10~512Hz)를 사용하여 필터링하였다.
- Mean 100%MVC를 측정하였다. 근전도 생리 신호는 1, 024Hz로 신호샘플을 획득하였고, Bandpass filter (10~512Hz)를 사용하여 필터링 한 후 근육에 따른 중간주파수(Median Frequency; MF)를 구하여 비교 분석하였다. Frequency 분석은 일정한 구간에서의 frequency 수를 측정하여 근육의 피로 정도를 분석하는 방법으로서 예를 들면, 낮은 강도의 수축력이나 피로가 발생되지 않았을 경우에는 비교적 frequency가 높은 반면 큰 힘을 발휘하거나 피로가 발생된 근육에서는 낮은 frequency를 나타낸다.
- 중간 주파수 값은 근전도 신호의 특성을 잘 나타내며, 근육이 피로할수록 고주파수 대역은 감소하고 저주파수 대역이 증가한다고 알려져 있다(원종임 등 2001). 또한 실험시 의자에 설치된 압력분포 측정시스템을 통해 좌면압력분포의 최대압력을 측정하였다. 이는 좌면에 미치는 체압과 좌면에 체압이 받는 면적을 측정하여 좌면의 부하의 정도를 파악하고자 하였다.
- 그리고 근력측정시스템에서 사용되는 등받이가 있는 의자에 앉아서 자신의 신체 치수에 맞도록 조절한 후 팔을 지지하지 않고 움직이지 않도록 자세를 스트랩으로써 고정하였다(사진 4). 또한 자세를 고정하기 전에 실험용 의자에 압력분포측정시스템을 올려놓고 실험 자세를 취하도록 하여 근력측정시스템을 자세에 맞도록 조절하였다. 각 자세에 대해서는 1분 정도 자세가 안정화 되도록 하여 실제 실험에 들어가도록 하였으며, 실제 실험은 하지에 점진적으로 힘을 가하도록 하여 자신의 100%MVC에 도달하도록 하고 3~4초간 최대근력을 유지하도록 하였다.
- 각 자세에 대해서는 1분 정도 자세가 안정화 되도록 하여 실제 실험에 들어가도록 하였으며, 실제 실험은 하지에 점진적으로 힘을 가하도록 하여 자신의 100%MVC에 도달하도록 하고 3~4초간 최대근력을 유지하도록 하였다. 또한, 각각의 자세에 대해서는 10초간 3회씩 총 12회를 실시하였으며, 각각의 자세 간의 휴식은 근육의 회복을 위해 10분으로 하였다(황규성, 1992). 이상의 실험절차들과 하지의 근육 부위에서 본 실험에 사용된 근육의 EMG 표면전극 부착 부위를 사진 5와 같이 나타내었다.
- 90° 자세로 유지 시 켰다. 또한, 힘 발휘 형 태 (force exertion type)로써는 좌식 작업에서 하지 활동의 대표적인 형태인 밀기(push)를 선택하였으며, 피험자가 주로 사용하는 부위를 사용하도록 하였다. 다음의 내용을 Table 2와 같이 정리하였다.
- 본 실험에 사용된 독립변수는 착좌시 하지 힘 발휘점으로슬관절 굴곡 90°, 120°, 150°, 180°를 선정하였다. 그리고 힘 발휘 동안 발생되는 근육의 동원 정도를 측정하기 위하여 근전도 값을 측정하였는데 이때 선택된 근육은 고관절 굴곡 운동 및 슬관절 신전운동의 주동근인 대퇴직근(Rectus Femoris Muscle), 슬관절 신전운동의 주동근인 외측광근 ((Vastus Lateralis Muscle), 슬관절 굴곡운동의 보조 주 동근 이며 발목관절의 저측굴곡(Plantar Flexion)의 주 동근 인비 복근(Gastrocnemius Muscle), 발목관절의 저 측 굴곡의 주동 근인 가자미근(Soleus Muscle), 발목관절의 배 측 굴곡의 주동근인 전경골근(Tibialis Anterior Muscle)이다(그림 5).
- 본 실험에 앞서 본 실험에 대한 내용을 피험자들에게 인지 시켜 실험의 내용을 이해하도록 하였으며 인체계측 후 각각의 실험 자세들에 대해서 숙지를 하게 한 다음 주 사용 부위의 하지 5부위의 근육에 표면전극을 부착하였다. 그리고 근력측정시스템에서 사용되는 등받이가 있는 의자에 앉아서 자신의 신체 치수에 맞도록 조절한 후 팔을 지지하지 않고 움직이지 않도록 자세를 스트랩으로써 고정하였다(사진 4).
- 이것은 본래 작업자의 재활(Rehabilitation)을 돕기 위하여 개발된 장비인데 들어 올리기(Lifting), 밀기(Pushing) 및 당기기(Pulling) 등의 다양한 동작에 대해서도 측정 할 수 있는 장비이다. 본 실험에서는 슬관절 각도에 따른 하지 근력의 pushing power를 측정하는데 사용하였다.
- 통제변수는 착좌시의 작업 형태로써 피험자의 몸통, 허리, 오른쪽 대퇴는 스트랩을 이용하여 고정하여 다른 부위들의 힘 발휘의 영향을 배제하였으며, 고관절과 발목관절의 각도는 90° 자세로 유지 시 켰다. 또한, 힘 발휘 형 태 (force exertion type)로써는 좌식 작업에서 하지 활동의 대표적인 형태인 밀기(push)를 선택하였으며, 피험자가 주로 사용하는 부위를 사용하도록 하였다.
- 하지의 운동학적 변인에 영향을 주는 요인들을 보면 Simpson(1992)은 운동수행의 특성을 형태학적 특성, 환경적 특성, 동작 특성, 운동 역학적 인 특성으로 크게 나누었다. 형태학적인 특성에는 질량, 동작범위, 상해 경력, 심리적인 요인, 환경적인 특성에는 신발, 표면종류, 규칙, 날씨로, 동작특성은 방향, 동작속도, 발을 딛는 방법으로, 운동역학적인 특성은 힘, 회전력, 작용점, 작용시간으로 나누고 운동학적 변인에 미치는 요인들을 설명하였다. 작업관련에 있어서 하지 자세는 전신의 안정성 (stability)과 동작성 (mobility)에 영향을 미치기 때문에 하지의 자세에 따라서 전신의 작업 자세 부하가 영향을 받게 된다(Kirby et al.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 압력분포 측정시스템(Pliance) 은 사진 2와 같으며, 압력매트는 16X16개의 센서로 이루어져 있다. 압력분포 측정시스템은 사용자의 신체 하중에 의해 발생되는 좌면의 압력분포 측정할 수 있는 Novel사의 제품을 사용하였다.
- 본 연구에서는 현재까지 하지 관련 근골격계 질환 경험이 없는 건강한 20~29세 연령의 한국 성인 남자 대학생 10명이 피험자로 참가하였다. 피험자의 주요 부위 인체측정 결과는 Table 1에 정리하였다.
- 본 측정에 사용된 근력측정시스템은 미국 BTE사의 PRIMUS(Model PR 20, 가로 50.8cm x 세로 152.4cm x 높이 198.1cm)이며, 사진 1과 같다. 이것은 본래 작업자의 재활(Rehabilitation)을 돕기 위하여 개발된 장비인데 들어 올리기(Lifting), 밀기(Pushing) 및 당기기(Pulling) 등의 다양한 동작에 대해서도 측정 할 수 있는 장비이다.
데이터처리
- 슬관절 각도에 따른 착좌시의 좌면 압력분포에 대한 최대압력, 밀기 작업에 대한 하지의 최대 수의적 수축(100% MVC), 근육 부위별 근 피로의 차이에 대해 분석하기 위하여 표준화된 데이터를 통해 통계적분석彷<0.05)을 수행하였다. 통계적 분석은 통계분석 프로그램인 SAS 8.
- 05)을 수행하였다. 통계적 분석은 통계분석 프로그램인 SAS 8.1을 이용하여 수행하였다.
이론/모형
- 있다. 압력분포 측정시스템은 사용자의 신체 하중에 의해 발생되는 좌면의 압력분포 측정할 수 있는 Novel사의 제품을 사용하였다.
성능/효과
- 5개 부위의 근육에 대한 MF값들 중에서 안정시에 비해 대퇴직근의 경우가 가장 높게 나타났으며, 슬관절의 각도 변화에 따른 MF값의 차이 또한 다른 근육에 비해 가장 크게 나타났다. 또한, 대퇴직근은 슬관절 각도가 150°와 180° 에서 MF가 가장 높게 나타났으며 120°의 경우에 가장 낮게 나타났다.
- 둘째, 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 최대 100%MVC 에 대한 측정 결과 슬관절의 각도가 120°일 경우 최대 수의적 수축이 가장 높게 나타났다. 착좌 작업시 슬관절 각도가 120°일 경우에 미는 힘이 가장 크다고 할 수 있다.
- 2Nm였고, 150°일 때는 가장 낮은 값을 보였다. 따라서 슬관절의 각도가 120°일 경우 최대 수의적 수축이 가장 높게 나타났으며, 좌면의 최대압력은 가장 작은 결과를 보였다. 이는 슬관절 각도가 120° 일 경우에 근력의 사용량은 증대하며 좌면의 최대압력은 가장 작게 나타나므로 착좌시의 피로도도 가장 자게 나타날 것으로 예측된다.
- 나타났다. 또한, 대퇴직근은 슬관절 각도가 150°와 180° 에서 MF가 가장 높게 나타났으며 120°의 경우에 가장 낮게 나타났다. 전경골근은 다른 근육들에 비해 안정시 MF 값보다 슬관절 각도의 변화에 있어서 가장 낮은 변화량을 보였으며, 각 각도에 대한 활성도의 차이도 가장 적게 나타났다.
- 또한, 근력측정기를 통한 한국인의 정상 작업역과 최대 작업역 시의 최대 힘과 근육의 사용 정도에 따른 힘 발휘점, 힘 발휘 형태, 근육 간에 따른 차이를 파악함으로써 작업역 상의 최대 힘 발휘 영역을 결정짓는 중요한 정량적 정보로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 이러한 기본적인 데이터 및 분석 데이터를 활용함으로써 최종적으로 인체치수를 기반으로 한 작업 역의 설정뿐만 아니라 근력을 기반으로 한 정상 작업역 및 최대작업역에 대한 작업 포락면(work envelope)을 형성하고 이러한 결과들을 종합하여 Database화함으로써 3차원적인 데이터의 활용이 가능하다고 할 수 있다. 향후 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 연령층 및 성별에 따른 확장이 가능할 것으로 기대되며, 특히 다가오는 고령화 사회를 대비하여 노인에 대한 근력기반 작업역에 대한 연구를 추진한다면 현재 국내에서 겪고 있는 제조업의 인력난에도 크게 도움을 줄 것으로 예상된다.
- 전경골근은 다른 근육들에 비해 안정시 MF 값보다 슬관절 각도의 변화에 있어서 가장 낮은 변화량을 보였으며, 각 각도에 대한 활성도의 차이도 가장 적게 나타났다. 모든 근육들에서 안정시에 비해 120°의 경우에 가장 낮은 MF값을 보였으나 가자미근에 경우 90°에 대해서 MF 값이 낮게 나타났다.
- 본 연구결과를 통해 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 MF값에서 120°의 슬관절 각도의 경우 가장 적은 활성도를 보였으므로, 착좌시 작업 환경에서 최적의 작업장 설계 조건이라고 할 수 있겠다.
- 셋째, 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 안정시 MF 값에 비해 대퇴직근, 외측광근, 비복근, 전경골근의 경우 120°의슬관절 각도에서 가장 작은 활성도를 보였으므로 하지의 피로도는 가장 작게 나타날 것이다.
- 또한, 대퇴직근은 슬관절 각도가 150°와 180° 에서 MF가 가장 높게 나타났으며 120°의 경우에 가장 낮게 나타났다. 전경골근은 다른 근육들에 비해 안정시 MF 값보다 슬관절 각도의 변화에 있어서 가장 낮은 변화량을 보였으며, 각 각도에 대한 활성도의 차이도 가장 적게 나타났다. 모든 근육들에서 안정시에 비해 120°의 경우에 가장 낮은 MF값을 보였으나 가자미근에 경우 90°에 대해서 MF 값이 낮게 나타났다.
- 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 근육별 근전도(MF) 값에 대한 분산분석 결과 자세에 대해서는 통계적으로 유의한 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다(Q<0.01)(Table 5). 실험에서 피험자가 착좌시 슬관절 각도 변화에 따라 발휘한 근력의 근전도 MF 값을 Fig.
- 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 좌면 압력분포의 최대압력에 대한 분산분석 결과 자세에 대해서는 통계적으로 유의한(°<0.01) 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다(Table 3). 슬관절 각도의 변화에 따른 착좌시 밀기 자세에서의 좌면의 압력분포에 대한 최대압력 측정 결과를 Fig.
- 착좌시 슬관절 각도 변화에 따른 최대 100%MVC에 대한 분산분석 결과 자세에 대해서는 통계적으로 유의한 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다(Table 4). 슬관절 각도의 변화에 따른 착좌시 밀기 자세에서의 최대 수의적 수축 및 평균 최대 수의적 수축에 대한 측정 결과를 Fig.
- 첫째, 좌면 압력분포의 최대압력 측정 결과 착좌시 슬관절의 각도가 120°일 때 좌면의 최대압력이 가장 작게 나타났으며, 180°일 때 가장 높게 나타났다. 그러므로 착좌 작업설계 시 좌면의 최대압력 측면에서 슬관절의 각도가 120°의 경우 가장 바람직한 설계가 된다고 할 수 있겠다
- 나타났다. 측정결과 120°일 때 좌면의 최대 압력이 가장 작게 나타났으며, 180°일 때 가장 높게 나타났다. Fig.
후속연구
- 이러한 연구의 결과는 기본적인 작업역 설정뿐만 아니라 산업 현장 및 일상생활에 사용되는 다양한 기계나 설비의 설계 시 필요한 인간의 다양한 정적 . 동적 인체계측의 기초적인 데이터화와 함께 근력측정으로 통한 근력 기반의 작업 역을 제공함으로써 근골격계 질환 예방 및 사용자의 편의성을 도모하는 설계가 가능하도록 해 줄 것이다. 또한, 근력측정기를 통한 한국인의 정상 작업역과 최대 작업역 시의 최대 힘과 근육의 사용 정도에 따른 힘 발휘점, 힘 발휘 형태, 근육 간에 따른 차이를 파악함으로써 작업역 상의 최대 힘 발휘 영역을 결정짓는 중요한 정량적 정보로 활용될 수 있을 것이다.
- 위해 인간의 다양한 정적 . 동적인 인체측정 데이터와 한국 성인의 근력측정을 기반으로 하는 작업역 구축에 관한 연구를 통해서 기존의 연구에서 보여지는 단순한 인체치수 위주의 가이드라인 및 설계를 벗어나 근력을 포함시킴으로써 복합적인 작업역을 형성하는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 이러한 연구의 결과는 기본적인 작업역 설정뿐만 아니라 산업 현장 및 일상생활에 사용되는 다양한 기계나 설비의 설계 시 필요한 인간의 다양한 정적 .
- 된다. 따라서, 의자를 인체에 밀착하여 인체의 무게중심이 균형 있게 분산될 수 있도록 하거나 설계상에 있어서 조절이 가능하게 하여 슬관절의 각도를 변화시킬 수 있도록 하는 것이 좋겠다고 할 수 있을 것이다.
- 동적 인체계측의 기초적인 데이터화와 함께 근력측정으로 통한 근력 기반의 작업 역을 제공함으로써 근골격계 질환 예방 및 사용자의 편의성을 도모하는 설계가 가능하도록 해 줄 것이다. 또한, 근력측정기를 통한 한국인의 정상 작업역과 최대 작업역 시의 최대 힘과 근육의 사용 정도에 따른 힘 발휘점, 힘 발휘 형태, 근육 간에 따른 차이를 파악함으로써 작업역 상의 최대 힘 발휘 영역을 결정짓는 중요한 정량적 정보로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 이러한 기본적인 데이터 및 분석 데이터를 활용함으로써 최종적으로 인체치수를 기반으로 한 작업 역의 설정뿐만 아니라 근력을 기반으로 한 정상 작업역 및 최대작업역에 대한 작업 포락면(work envelope)을 형성하고 이러한 결과들을 종합하여 Database화함으로써 3차원적인 데이터의 활용이 가능하다고 할 수 있다.
- 이는 슬관절 각도가 120° 일 경우에 근력의 사용량은 증대하며 좌면의 최대압력은 가장 작게 나타나므로 착좌시의 피로도도 가장 자게 나타날 것으로 예측된다. 본 연구의 결과를 통해 작업장의 인간공학적인 개념의 설계시 작업역에 대한 다양한 인간공학적 연구가 필요할 것으로 보이며 이를 통해 착좌시 근골격계 질환을 예방하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.
- 인간 공학적인 작업 역과 작업장 설계를 위해서는 먼저 인간에 대한 신체적 능력 측면, 공간적 측면, 시각적 측면, 생활 환경적 측면, 기능적 측면, 특수 환경(신체부자유자에 대한 고려)까지를 고려하여 인간이 안전하고 효율적으로 작업을 할 수 있게 설계하고 인간의 삶과 작업에 적당한 환경을 조성하는 것이 매우 중요하며, 이를 바탕으로 인간공학적인 작업역을 설계 시 인체치수를 기반으로 하는 연구뿐만 아니라 인간에 대한 피로 부위의 조사, 동작범위의 조사, 주관적인 판단의 조사, 근전도에 의한 분석, 피로에 수반되는 자세의 변화 등과 같은 다양한 분석적 자료가 요구되는 종합적인 판단을 통한 적용이 필요할 것이다.
- 또한, 이러한 기본적인 데이터 및 분석 데이터를 활용함으로써 최종적으로 인체치수를 기반으로 한 작업 역의 설정뿐만 아니라 근력을 기반으로 한 정상 작업역 및 최대작업역에 대한 작업 포락면(work envelope)을 형성하고 이러한 결과들을 종합하여 Database화함으로써 3차원적인 데이터의 활용이 가능하다고 할 수 있다. 향후 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 연령층 및 성별에 따른 확장이 가능할 것으로 기대되며, 특히 다가오는 고령화 사회를 대비하여 노인에 대한 근력기반 작업역에 대한 연구를 추진한다면 현재 국내에서 겪고 있는 제조업의 인력난에도 크게 도움을 줄 것으로 예상된다.
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