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문제 정의
- 설문조사는 결과가 주로 답변자의 주관적, 결과론적인 사실에만 기반하고 있기 때문이며, REBA의 경우 작업에서 발생하는 동작 중 연속적이지 않은 특정 자세에 대한 인체 관절 각도와 가해지는 하중만은 측정 분석하여 간략히 예측된 결과이기 때문이다[12]. 따라서, 본 연구에서는 이와 같은 정성적 평가방법의 한계를 극복하고자 3차원 동작 분석 및 가상생체해석을 수행하였다. 이를 통하여 다섯 가지의 세탁기 투입구 높이 및 내부드럼 깊이에 따른 근·골격계 영향을 정량적으로 평가하였다.
- 또한, 이를 통해 펄세이터 세탁기 사용시 발생할 수 있는 근·골격계 질환을 예방할 수 있는 투입구 높이 및 내부 드럼 깊이를 제안하고자 한다.
제안 방법
- , 스위스)을 이용하였다. 3차원 동작 분석 시스템에서 획득된 데이터를 기반으로 BRG.LifeMOD (Biomechanics Reasrch Group, Inc., 미국)에서 19개의 체절과 59개의 근육으로 이루어진 3차원 가상 인체 모델을 각 피검자별로 생성하였다. 인체 측정 데이터에 의해 생성된 골격 모델이 가지고 있는 체절들을 서로 연결하기 위하여 체 절들 사이에 관절들을 정의하였다.
- 주요 관찰 부위는 세탁동작 수행 시에 통증과 불편함을 많이 경험한다고 보고된 어깨(Shoulder), 흉추(Thoracic), 요추(Lumbar), 엉덩이(Hip), 무릎(Knee), 발목(Ankle) 관절들과 각 관절의 움직임과 관련된 등세모근(Trapezius), 넓은등근(Latissimus dorsi), 척추세움근(Erector spinae), 중간둔부근(Gluteus medius), 반건양근(Semitendinous), 넙다리두갈래근(Biceps femoris), 앞정강근(Tibialis anterior)으로 설정하였다. 그 다음 일반세탁기를 이용하는 작업 동작 동안 주요 근육과 관절에서 발생하는 근력 및 관절 토크의 변화를 분석하였다[15,16,17]. 이와 같은 해석을 위하여 3차원 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 MSC.
- 실험 오류를 최소화하기 위하여 사용자의 동작을 배출 과정으로 일정하게 하였으며, 이때 오른쪽 팔과 손으로 5~10회씩 반복적으로 동작을 수행하였다. 동작의 시작인 사용자가 직립으로 서있는 자세를 0%으로 정하고 세탁물을 집는 순간을 50%, 다시 직립으로 서있는 마지막 자세를 100%로 정하였다(그림 2).
- 따라서 본 연구에서는 펄세이터 세탁기를 사용할 때 사용자의 근·골격계 미치는 영향에 대하여 3차원 동작 분석 장비와 근골격계 모델링을 포함한 3차원 동작 분석 평가 방법을 이용하여 정량적으로 평가하였다.
- , (2009)은 드럼식 세탁기의 투입구 높이가 기존의 드럼세탁기보다 높을 경우 주요관절의 토크가 줄어들며 주요근육의 근력이 줄어드는 것을 토대로 세탁기 사용이 세탁기 사용자의 무릎 또는 요추관절에 영향을 미칠 수도 있음을 보였다[10]. 본 연구는 Cho et al.,과 같은 3차원 동작 분석 평가방법을 사용하였지만 이들은 앞으로 문을 여는 드럼식 세탁기에 대해서만 평가하였으며, 본 연구에서는 앞으로 문을 여는 드럼세탁기와는 다른 타입의 세탁기로 위로 문을 여는 방식인 펄세이터 세탁기를 이용하여 연구하였다(그림 1). 현재 기존에 나와 있는 펄세이터 세탁기 설계시 소음절감, 세탁기 외형, 효과적인 세탁방법 등 하드웨어적인 부분 대한 것은 구체적으로 고려되어 설계되지만 평균신장 사용자에게 미치는 영향에 대해 정량적인 평가가 고려되지 않은 채 설계되고 있다.
- 사용자의 움직임에 따라 Trial 별 관절에 차이점을 보기 위해 Trial1부터 Trial5까지 모든 동작 시 주요 관절 토크 변화에 대해 분석하였다(그림 4). 분석 결과 모든 Trial에서 옷감을 집기 위해 가장 상체를 많이 구부리는 25%~75% 주변에서 오른쪽 어깨관절의 토크가 가장 큰 변화를 보였다.
- 사용자의 움직임에 따라Trial 별 근육에 차이점을 보기 위해 Trial1부터 Trial5까지 모든 동작 시 주요 근육의 근력 변화에 대해 분석하였다(그림 6). 분석 결과 세탁기 사용 동작의 25%~75%주변에서 가장 큰 근력이 발생하였다.
- 세탁기 투입구 높이 및 내부드럼 깊이에 따른 조건들은 Trial1부터 Trial5까지 총 5가지로 정하였다(그림 3, 표 1). Trial1의 외관 높이(962.
- 실험을 시작하기 전, 연구대상자(피실험자)에게 실험동작에 관하여 충분히 숙지시켰으며, 이전 동작에 대한 영향으로 발생할 수 있는 오류를 최소화 하기 위하여, 하나의 동작 후에 약간의 휴식 시간을 제공한 후 다음 동작에 대한 실험을 재개하였다. 실험 오류를 최소화하기 위하여 사용자의 동작을 배출 과정으로 일정하게 하였으며, 이때 오른쪽 팔과 손으로 5~10회씩 반복적으로 동작을 수행하였다. 동작의 시작인 사용자가 직립으로 서있는 자세를 0%으로 정하고 세탁물을 집는 순간을 50%, 다시 직립으로 서있는 마지막 자세를 100%로 정하였다(그림 2).
- 실험을 시작하기 전, 연구대상자(피실험자)에게 실험동작에 관하여 충분히 숙지시켰으며, 이전 동작에 대한 영향으로 발생할 수 있는 오류를 최소화 하기 위하여, 하나의 동작 후에 약간의 휴식 시간을 제공한 후 다음 동작에 대한 실험을 재개하였다. 실험 오류를 최소화하기 위하여 사용자의 동작을 배출 과정으로 일정하게 하였으며, 이때 오른쪽 팔과 손으로 5~10회씩 반복적으로 동작을 수행하였다.
- 이를 통하여 다섯 가지의 세탁기 투입구 높이 및 내부드럼 깊이에 따른 근·골격계 영향을 정량적으로 평가하였다.
- , 미국)에서 19개의 체절과 59개의 근육으로 이루어진 3차원 가상 인체 모델을 각 피검자별로 생성하였다. 인체 측정 데이터에 의해 생성된 골격 모델이 가지고 있는 체절들을 서로 연결하기 위하여 체 절들 사이에 관절들을 정의하였다.
- 주요 관찰 부위는 세탁동작 수행 시에 통증과 불편함을 많이 경험한다고 보고된 어깨(Shoulder), 흉추(Thoracic), 요추(Lumbar), 엉덩이(Hip), 무릎(Knee), 발목(Ankle) 관절들과 각 관절의 움직임과 관련된 등세모근(Trapezius), 넓은등근(Latissimus dorsi), 척추세움근(Erector spinae), 중간둔부근(Gluteus medius), 반건양근(Semitendinous), 넙다리두갈래근(Biceps femoris), 앞정강근(Tibialis anterior)으로 설정하였다. 그 다음 일반세탁기를 이용하는 작업 동작 동안 주요 근육과 관절에서 발생하는 근력 및 관절 토크의 변화를 분석하였다[15,16,17].
대상 데이터
- 세탁기 투입구 높이 및 내부드럼 깊이에 따른 조건들은 Trial1부터 Trial5까지 총 5가지로 정하였다(그림 3, 표 1). Trial1의 외관 높이(962.5 mm) 및 내부드럼 깊이(609.4 mm) 의 기준으로 사용된 세탁기는 펄세이터 세탁기(WT5101HW, LG Electronics Inc., 한국)로 정하였다. 외관 높이는 연구 대상자가 제품 외부에서 접촉하는 높이를 말하며 내부드럼 깊이는 연구대상자가 세탁물 투입/배출 시 내부드럼 바닥에 닿아야 하는 깊이를 말한다.
- 세탁기 사용자의 동작 분석 실험을 위하여 6대의 적외선 카메라를 사용한 3차원 동작 분석 시스템(VICON Motion System Ltd., 영국)과 2개의 힘 측정판(AMTI, 미국; Kistler Instruments Ltd., 스위스)을 이용하였다. 3차원 동작 분석 시스템에서 획득된 데이터를 기반으로 BRG.
- 실험 환경은 24도, 습도는 45% 정도를 유지하도록 조정하였으며, 한국인 표준 체형 보고서(한국인 인체치수조사)에 따른 20대 한국여성 표준 신장(159.73 cm)에 해당하는 여성들 6명(평균 연령: 23.8 ± 3.2세, 평균신장: 159.5 cm ± 4.8 cm, 평균체중: 53.5 ± 4.7 kg)을 대상으로 선정하여 실험을 수행하였다[18].
데이터처리
- 이를 토대로 최대 관절 토크와 최대 근력들을 구한 뒤 각 Trial 별 간의 차이를 비교하기 위해 반복측정 후 평균을 내고 일원배치분산분석(Analysis of Variance)을 이용하여 유의수준 5%, 사후검정 Tukey를 이용하여 통계 분석하였다.
- 그 다음 일반세탁기를 이용하는 작업 동작 동안 주요 근육과 관절에서 발생하는 근력 및 관절 토크의 변화를 분석하였다[15,16,17]. 이와 같은 해석을 위하여 3차원 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 MSC.ADAMS와 LifeMod를 이용하여 역동역학 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 분석 결과 세탁기 사용 동작의 25%~75%주변에서 가장 큰 근력이 발생하였다. 5가지 모든 Trial에서 오른쪽 넓은등근에서 가장 큰 근력의 변화가 생겼고 그 다음으로 큰 근력변화는 오른쪽 등세모근과 왼쪽 넙다리두갈래근에서 발생함을 확인할 수 있었다.
- 또한 상체를 가장 많이 구부린 순간 가장 큰 토크가 발생한 관절은 오른쪽 어깨관절이며 이 오른쪽 어깨관절의 토크는 Trial2에서 가장 작았고 Trial4에서 가장 큰 토크가 발생하였다. 각 관절에서 나타난 최대토크 중 흉추, 오른쪽 발목 관절, 왼쪽 발목 관절에서 Trial 간의 유의한 차이를 나타내었고 특히 Trial5에서 가장 큰 토크 값을 보였다. 오른쪽 어깨 관절에서는 Trial4에서 가장 큰 최대토크가 나타났다.
- 이러한 이유는 사용자가 세탁물을 집어 들기 위해 가장 많이 상체를 구부린 순간에 오른쪽 넓은 등근육이 가장 큰 힘을 내기 때문이라 사료된다. 각 근육에서 나타난 최대근력 중 오른쪽 정강이근, 왼쪽 정강이근에서 유의한 차이를 나타내었고 왼쪽 등세모근에서는 Trial1과 Trial2가 Trial5와 유의한 차이를 보였다. 이에 따라 세탁 작업동작이 주요 근육들 중에 오른쪽 넓은 등근에 가장 큰 영향을 주는 것으로 사료된다.
- 드럼식 세탁기 사용자의 경우 세탁기 사용자의 요추관절과 무릎관절 그리고 엉덩관절에서 가장 큰 영향을 받는다고 하였지만[12], 본 논문에서는 펄세이터 세탁기의 사용자의 경우 주로 사용하는 쪽의 어깨와 등쪽, 양쪽 발목이 가장 큰 영향을 받음을 확인하였다. 이와 같은 차이는 세탁기의 투입구의 위치와 그에 따른 동작 방법의 차이로 기인한 것으로 여겨진다.
- 모든 Trial에서 오른쪽 어깨 관절에서 가장 큰 토크 크기의 변화가 생김을 확인 할 수 있었다. 또한 세탁물을 집는 동작 시 요추, 흉추, 오른쪽 어깨, 왼쪽 엉덩 관절에서 토크의 변화가 나머지 관절에서보다 크게 변화 함을 알 수 있었다.
- 따라서 세탁작업 시 사용자의 관절에 가장 큰 영향이 발생하는 곳이 오른쪽 어깨관절이며 이 오른쪽 어깨와 흉추, 오른쪽 발목, 왼쪽 발목에서 세탁기의 높이 및 투입구 높이 차이에 따라 많은 영향을 받는다고 사료된다. 또한, 사용자들에게 세탁기 외부 높이와 투입구높이가 증가할수록 흉추, 오른쪽 발목, 왼쪽 발목관절의 토크가 점점 증가하는 경향을 보이지만 오른쪽 발목 관절에서는 Trial4와 Trial5, 왼쪽 발목 관절에서는 Trial5에서 관절 토크가 급격히 증가하는 것으로 보아 Trial4, Trial5와 같은 세탁기 투입구 높이 및 내부드림 깊이를 가진 세탁기를 이용하여 오랜 시간 반복 사용시 오른쪽 발목과 왼쪽 발목관절에 무리가 따를 수 있다고 사료된다.
- 이에 따라 세탁 작업동작이 주요 근육들 중에 오른쪽 넓은 등근에 가장 큰 영향을 주는 것으로 사료된다. 또한, 세탁기 외부 높이와 투입구높이가 증가할수록 왼쪽 등세모근, 오른쪽 정강이근, 왼쪽 정강이근의 최대 근력이 Trial5에서 급격히 증가하는 것으로 보아 평균신장을 가진 사용자에게 Trial5는 오랜 시간 반복 사용시 근육에 무리가 따를 수 있는 세탁기 투입구 높이 및 내부드림 깊이를 가진다고 사료된다. 이를 토대로 사용자에게 적합한 세탁기의 외관높이는 962.
- 분석 결과 모든 Trial에서 옷감을 집기 위해 가장 상체를 많이 구부리는 25%~75% 주변에서 오른쪽 어깨관절의 토크가 가장 큰 변화를 보였다. 모든 Trial에서 오른쪽 어깨 관절에서 가장 큰 토크 크기의 변화가 생김을 확인 할 수 있었다. 또한 세탁물을 집는 동작 시 요추, 흉추, 오른쪽 어깨, 왼쪽 엉덩 관절에서 토크의 변화가 나머지 관절에서보다 크게 변화 함을 알 수 있었다.
- 사용자의 움직임에 따라 Trial 별 관절에 차이점을 보기 위해 Trial1부터 Trial5까지 모든 동작 시 주요 관절 토크 변화에 대해 분석하였다(그림 4). 분석 결과 모든 Trial에서 옷감을 집기 위해 가장 상체를 많이 구부리는 25%~75% 주변에서 오른쪽 어깨관절의 토크가 가장 큰 변화를 보였다. 모든 Trial에서 오른쪽 어깨 관절에서 가장 큰 토크 크기의 변화가 생김을 확인 할 수 있었다.
- 사용자의 움직임에 따라Trial 별 근육에 차이점을 보기 위해 Trial1부터 Trial5까지 모든 동작 시 주요 근육의 근력 변화에 대해 분석하였다(그림 6). 분석 결과 세탁기 사용 동작의 25%~75%주변에서 가장 큰 근력이 발생하였다. 5가지 모든 Trial에서 오른쪽 넓은등근에서 가장 큰 근력의 변화가 생겼고 그 다음으로 큰 근력변화는 오른쪽 등세모근과 왼쪽 넙다리두갈래근에서 발생함을 확인할 수 있었다.
- 05). 오른쪽 등세모근, 오른쪽 반건양근, 왼쪽 반건 양근, 오른쪽 넙다리두갈래근, 왼쪽 넙다리두갈래근, 오른쪽 중간둔부근, 왼쪽 중간둔부근, 오른쪽 넓은등근, 왼쪽 넓은 등근, 오른쪽 척추세움근, 왼쪽 척추세움근의 최대 근력은 Trial 간에 유의한 차이가 없었다.
- 오른쪽 무릎관절, 왼쪽 무릎관절, 오른쪽 엉덩관절, 왼쪽 엉덩관절, 요추 관절의 최대 토크는 Trial간에 유의한 차이가 없었다(p > 0.05).
- 오른쪽 정강이근에서는 Trial1, 2, 3, 4간에는 유의한 차이가 없었으며(p > 0.05), 이들에 비하여 Trial5가 유의하게 증가하였다(p 0.05), 이들에 비하여 Trial5가 유의하게 증가하였다(p < 0.05).
- 7 kg)을 대상으로 선정하여 실험을 수행하였다[18]. 이때 실험대상자와 한국인 20대 평균 신장간의 일표본 T-검정을 실시하였으며 유의한 차이가 없음을 확인할 수 있었다(p = 0.976). 본 실험은 연세(매지) 인체시험심의위원회의 심의규정에 따라 수행 되었다(심사번호 : 2010-1).
- 주요 관절에서의 3차원 동작 분석 및 가상생체해석 결과를 비교하였을 때 모든 Trial에서 사용자가 세탁물을 세탁기 내부에서 집어 들어올리기 위해 상체를 구부릴 때부터 주요 관절들의 토크가 점점 증가하였고 상체를 가장 많이 구부렸을 때 즉, 세탁물을 집는 동작 근처에서 가장 큰 토크가 발생함을 알 수 있었다. 또한 상체를 가장 많이 구부린 순간 가장 큰 토크가 발생한 관절은 오른쪽 어깨관절이며 이 오른쪽 어깨관절의 토크는 Trial2에서 가장 작았고 Trial4에서 가장 큰 토크가 발생하였다.
- 주요 근육에서의 3차원 동작 분석 및 가상생체해석 결과를 보면 관절 토크와 마찬가지로 모든 Trial에서 사용자가 세탁물을 세탁기 내부에서 집어 들어올리기 위해 상체를 구부리기 시작할 때부터 주요 근육의 근력들이 점점 증가하였고 상체를 가장 많이 구부렸을 때 즉, 세탁물을 집는 동작 근처에서 오른쪽 넓은 등근육에서 가장 큰 근력이 발생함을 알 수 있었다. 이러한 이유는 사용자가 세탁물을 집어 들기 위해 가장 많이 상체를 구부린 순간에 오른쪽 넓은 등근육이 가장 큰 힘을 내기 때문이라 사료된다.
후속연구
- 상대적으로 투입구 높이가 높고 드럼의 깊이가 깊은 펄세이터 세탁기 사용자가 오랜 시간 반복하여 사용할 경우 관절 및 근육에 무리를 줄 수도 있을 것으로 사료되며 특히 어깨와 등부분, 발목부분이 더 큰 영향을 받을 수도 있을 것으로 사료된다. 이에 따라 펄세이터 세탁의 설계 시 사용자를 고려한 외관높이 및 내부드럼 깊이를 적용한다면 반복적인 세탁 작업으로 인한 근·골격계 질환의 발생 가능성을 효과적으로 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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