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문제 정의
- 현재로서는, 발휘 힘, 허리 및 어깨 부하, 생리학적인 부하 등의 다양한 기준에서 어떤 높이와, 간격, 손잡이 형태가 최적의 값인지는 확실하지 않다고 할 수 있다[5]. 따라서, 본 연구에서는 수직형 손잡이에서 정적 미는 힘을 최대로 할 수 있는 손잡이 높이 및 간격의 최적값을 찾고자 하였다.
- 본 연구에서는 정적 밀기힘을 최대로 할 수 있는 수직형 손잡이 높이와 손잡이 간격의 최적해를 찾고자 하였다. 그러나, 남자 대학생 피실험자를 사용하여 결과를 도출하였으므로, 산업현장의 작업자와 여성을 대상으로 조사한 결과와 비교하는 것이 요구된다.
제안 방법
- 측정된 미는 힘 데이터는 초기 1초 이후에 안정된 구간 (약 2∼3초)의 root mean square 값을 구하여 분석에 사용하였다. 각 처리 조건에서 2회 반복 값의 평균을 구하여 그 조건에서의 미는 힘으로 결정하였다.
- 밀기 힘은 수평방향으로 미는 힘을 서서히 증가시키고, 1초 정도 후에 최대에 이르도록 한 후 3 초간 유지하도록 하였다. 미는 힘 발휘 자세는 고개를 숙이지 않고 앞을 본 상태에서, 오른쪽 다리 중심은 손잡이 바로 아래에 놓고, 왼쪽 다리는 뒤로 빼서 왼쪽 다리 앞꿈치가 오른쪽 다리 뒤꿈치에 오도록 하였다. 다리 사이 간격은 어깨너비 정도로 편하게 벌리도록 하였다.
- 이후, 힘 측정 장치에서 밀기 힘을 발휘하는 요령을 설명하고 연습 세션을 가졌다. 밀기 힘은 수평방향으로 미는 힘을 서서히 증가시키고, 1초 정도 후에 최대에 이르도록 한 후 3 초간 유지하도록 하였다. 미는 힘 발휘 자세는 고개를 숙이지 않고 앞을 본 상태에서, 오른쪽 다리 중심은 손잡이 바로 아래에 놓고, 왼쪽 다리는 뒤로 빼서 왼쪽 다리 앞꿈치가 오른쪽 다리 뒤꿈치에 오도록 하였다.
- 다리 사이 간격은 어깨너비 정도로 편하게 벌리도록 하였다. 본 실험에서 실험 조건의 순서는 무작위로 하였으며, 각 조건에서 2번 반복 하였다. 실험 조건 사이에는 최소 2분의 휴식 시간을 주어 피로가 누적되지 않도록 하였으며, 피실험자가 원하면 더 긴 휴식시간을 주도록 하였다.
- 본 연구에서는 4륜 카트를 작동하기 위해 요구되는 밀기 힘을 기준으로 수직형 손잡이의 최적 높이와 손잡이 간격을 반응 표면 방법론을 사용하여 결정하였다. 도출된 2차 반응 표면 모델을 보면, 손잡이 높이와 간격은 미는 힘과 비선형 관계를 나타내었다.
- 본 실험에서 실험 조건의 순서는 무작위로 하였으며, 각 조건에서 2번 반복 하였다. 실험 조건 사이에는 최소 2분의 휴식 시간을 주어 피로가 누적되지 않도록 하였으며, 피실험자가 원하면 더 긴 휴식시간을 주도록 하였다.
- 위에서 도출된 2차 반응 표면 모델을 최대화하는 목적함수를 사용하여 손잡이 높이와 간격의 최적 값을 구하였다. 적용된 최적화 모델은 다음과 같다.
- 이후, 표준화된 미는 힘(%)을 종속변수로 하고, 손잡이 높이 및 간격 변수의 1차항 및 2차항 (제곱 및 교호작용)을 독립변수로 하는 2차 반응 모델을 구하였다. 이 2차 반응 모델을 최대화하는 것을 목적 함수로 사용하여 비선형 최적화 기법을 적용하여 손잡이 높이 및 간격의 최적값을 구하였다. 2차 반응 모델 및 최적화 분석은 Design Expert 7 프로그램을 사용하여 수행하였다.
- 이후, 표준화된 미는 힘(%)을 종속변수로 하고, 손잡이 높이 및 간격 변수의 1차항 및 2차항 (제곱 및 교호작용)을 독립변수로 하는 2차 반응 모델을 구하였다. 이 2차 반응 모델을 최대화하는 것을 목적 함수로 사용하여 비선형 최적화 기법을 적용하여 손잡이 높이 및 간격의 최적값을 구하였다.
- 피실험자가 도착하면, 실험 내용에 대한 개략적인 설명을 하고, 키, 몸무게, 어깨너비, 주먹 높이 등의 인체측정을 실시하였다. 이후, 힘 측정 장치에서 밀기 힘을 발휘하는 요령을 설명하고 연습 세션을 가졌다.
- 피실험자간의 미는 힘 변동 효과를 최소화하기위해, 각 피실험자 별로 중앙점(center point)에서의 미는힘 평균을 100%로 하여, 각 실험 조건 미는 힘을 표준화하였다.
대상 데이터
- 근골격계질환 경험이 없는 10명의 건강한 남자 대학원 및 대학생이 실험에 참가하였다. 피실험자의 평균나이는 23.
데이터처리
- 이 2차 반응 모델을 최대화하는 것을 목적 함수로 사용하여 비선형 최적화 기법을 적용하여 손잡이 높이 및 간격의 최적값을 구하였다. 2차 반응 모델 및 최적화 분석은 Design Expert 7 프로그램을 사용하여 수행하였다.
- 측정된 미는 힘 데이터는 초기 1초 이후에 안정된 구간 (약 2∼3초)의 root mean square 값을 구하여 분석에 사용하였다.
이론/모형
- 반응 표면 방법론을 적용하기 위해서는 최대 밀기 힘을 종속변수로 하고, 손잡이 높이 및 간격을 독립변수로 하는 2차 반응 표면 식 혹은 2차 함수를 도출하는 것이 필요하다. 2차 반응 표면 식을 도출하기 위해, 실험 계획법으로 central composite design의 한 종류인 face-centered cube 계획법을 사용하였다. Face-centered cube 계획법은 효과적인 2차 반응 표면 식을 도출할 수 있는 계획법으로 알려져 있다[19].
- 본 연구의 목적은 정적 밀기 힘을 최대로 할 수 있는 손잡이 높이 및 간격의 최적값을 찾는 것으로, 최적값 결정을 위해 반응 표면 방법론(response surface methodology)을 사용하였다. 반응 표면 방법론을 적용하기 위해서는 최대 밀기 힘을 종속변수로 하고, 손잡이 높이 및 간격을 독립변수로 하는 2차 반응 표면 식 혹은 2차 함수를 도출하는 것이 필요하다.
- 표준화된 미는 힘을 종속변수로 사용하여 손잡이 높이와 간격을 독립변수로 하는 2차 반응 표면 모델(회귀식)을 도출하였으며, 요인 선택 방법은 stepwise select ion method를 사용하였다. 최종적으로 +1, 0, -1로 코드화된 독립변수에 대하여 아래의 식이 적합한 것으로 결정되었다.
성능/효과
- 8 N 이었으며, 각 실험 조건별로 미는 힘이 큰 차이를나타냈다. 즉, 가장 큰 힘을 나타낸 실험 조건(center point)에서의 평균 힘은 가장 작은 힘을 나타낸 실험조건(조건 2: 높이 = +1, 너비 = -1)에서의 평균 힘의 1.45배 큰 것으로 나타났다.
- 피실험자의 인체 측정치에 대입해 보면 평균 높이가 115.4 ± 3.4 cm (최소 = 108.6 cm, 최대=120.0 cm) 로서 팔꿈치 높이 평균인 110.5 cm(최소 =102.9 cm, 최대 = 115.9 cm)보다 약간 높은 수준이었다.
후속연구
- 그러나, 남자 대학생 피실험자를 사용하여 결과를 도출하였으므로, 산업현장의 작업자와 여성을 대상으로 조사한 결과와 비교하는 것이 요구된다. 또한, 허리 및 어깨에서의 부하, 당기기 힘, 혹은 주관적 불편도 등의 다양한 기준을 종합적으로 고려한 최적해 도출이 추후 요구된다고 할 수 있다.
- 25*어깨너비’였다. 여기에서 도출된 결과는 4륜 운반차의 손잡이 설계나, 작업에서 밀기 힘이 주로 요구되는 경우의 손 높이나 너비 설계에 활용되어, 밀기와 관련된 근골격계질환의 위험성을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
- 한편, 여성이나 현장 작업자를 대상으로 하고, 어깨 및 허리 부하나 주관적 불편도와 같은 다양한 기준을 이용한 연구가 필요하다고 판단된다.
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