초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용계획
1. 콤바인 캐빈 개발 프로세스
농업인의 편의성 및 안전성 향상을 위한 콤바인 캐빈의 개발을 위하여 현재 농민들이 사용하는 캐빈형 콤바인의 문제점을 인간공학적으로 분석하고 캐빈의 개발 방향을 설정하였다. 설문 조사, 국내외 제품의 기능 분석, 운전자의 비디오 촬영 등을 이용하여 운전자의 작업 자세와 캐빈의 문제점을 분석하고, 시계성 평가 기술 및 근골격계 인체모델을 개발하였다. 개발된 콤바인 캐빈의 인간공학적 특성을 정량적으로 나타내기 위해 LMM, REBA 등을 이용하여 콤바인 운전자의 작

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용계획
1. 콤바인 캐빈 개발 프로세스
농업인의 편의성 및 안전성 향상을 위한 콤바인 캐빈의 개발을 위하여 현재 농민들이 사용하는 캐빈형 콤바인의 문제점을 인간공학적으로 분석하고 캐빈의 개발 방향을 설정하였다. 설문 조사, 국내외 제품의 기능 분석, 운전자의 비디오 촬영 등을 이용하여 운전자의 작업 자세와 캐빈의 문제점을 분석하고, 시계성 평가 기술 및 근골격계 인체모델을 개발하였다. 개발된 콤바인 캐빈의 인간공학적 특성을 정량적으로 나타내기 위해 LMM, REBA 등을 이용하여 콤바인 운전자의 작업 자세를 분석하였다. 시계성 평가 기술을 개발하여 인체시야에 대한 정량적인 평가 방법을 제시하였고, 국내 농업인의 인체 정보를 이용한 근골격계 인체 모델을 개발하여 캐빈의 인간공학적 설계 및 성능 평가에 이용하였다. 콤바인 작업 분석, 인간공학적 성능 분석 결과를 기반으로 주요 단위장치와 부속장치를 설계하고 근골격계 인체 모델과 3D 캐드 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 설계 단계에서 시제품의 성능을 분석하였다. 캐빈 프레임의 안전성 평가를 위하여 구조해석을 수행하고 프레임의 구조를 보강하였다. 개발된 단위장치 등을 통합하여 콤바인 캐빈의 시작기를 개발하였으며, 현장에서 수확작업을 수행하며 인간공학적 성능을 평가하였다.
2. 콤바인 캐빈의 시계성 평가 기술 개발
콤바인 캐빈의 시계성 평가를 위해 인체시야에 대한 정량적 평가 기준을 제시하였으며, 이를 통해 캐빈 내부에서의 시계성 측정이 가능한 시계성 평가 시스템을 개발하였다. 또한 시계성 평가 프로그램을 개발하여 적정 눈위치를 제시하였다.
시계성 평가 기준은 기존의 인체시야 범위에 따른 정성적 평가 방법을 활용하여 정량화하였으며, 시계성 평가 시스템은 눈의 위치를 대신하는 레이저 포인터, 작업자의 시야 위치에 따라 이동이 가능한 스텝 모터, 시야의 회전각 측정을 위한 자이로 센서, 신호 측정을 위한 자료 수집 장치로 구성하였다.
시계성 평가는 수확작업 시 작업자의 시야 확보에 필요한 영역을 뷰포인트로 선정하여 현재 시판되고 있는 캐빈형 콤바인을 대상으로 다양한 작업 자세에 따라 수행하였다. 그 결과 대부분의 콤바인은 수확작업 시 이동 경로의 기준이 되는 분초간의 시야 확보가 어려웠으며, 서서 15° 기울인 자세에서 가장 우수한 시계성을 보였다.
눈위치 변경에 따른 시계성 평가 시 실험 횟수 및 노동력 낭비를 줄이기 위하여 눈위치와 뷰포인트 간의 위치 차이를 이용하여 평가점수를 산출하는 시계성 평가 프로그램을 개발하였다. 시계성 평가 프로그램은 시계성 평가 시스템으로 측정한 평가점수와 통계적으로 유사하여 세부적인 눈위치 변경에 따른 시계성 평가가 가능한 것으로 판단된다. 눈위치를 일정 간격으로 변화시켜가며 시뮬레이션을 수행하여 얻은 적정 눈위치에서 모든 뷰포인트에 대한 시계성이 확보되어 캐빈형 콤바인의 눈위치 변경 시 시계성 개선이 가능함을 보였다.
시계성 평가 기술을 통하여 기존 콤바인 조작부의 개선 및 재배치가 필요함을 증명하였고 개발된 운전석의 시계성 향상을 검증하였다. 농업인의 체형을 기반으로 개발된 시계성 평가 기술은 타 농업기계의 시계성 평가에 활용될 수 있으며, 작업자의 체형을 고려한다면 자동차, 선박, 비행기 등 인간공학적인 설계가 필요한 모든 산업 분야에도 활용될 수 있다.
3. 농업인의 근골격계 모델 개발
국내 농업인의 인체 정보를 활용하여 농업인의 근골격계 모델을 개발하였다. 콤바인 작업에 따른 인체 궤적값을 도출하여 인체 모델을 구성한 후 보행 실험 및 들기 실험에 따른 무게 중심, 지면 반력, 근활성도, 요추 부위 관절 토크 값을 측정하고 인체 근골격 모델을 검증하였으며, 콤바인 작업 시 발생하는 주요 동작의 문제점 분석으로 근골격계 질환의 예방 기준을 제시하였다. 또한 완성된 근골격 모델을 이용하여 개선된 브레이크 페달의 성능 평가를 수행하였다. 제조사에 따른 콤바인 페달의 위치를 분석한 후 동일한 조작력에 대한 각각의 페달 동작시 하지 관절에 작용하는 부하의 비교 평가를 통하여 개발된 페달의 효용성을 검증하였다. 이와 같은 근골격 모델은 농업분야 뿐 아니라 인체 공학적 설계가 필요한 일반 산업 분야에 적용하여 작업에 따른 작업 부하를 감소시켜 근골격계 질환과 같은 산업 재해를 예방하는 동시에 인간공학적 평가 항목의 기준을 제시할 수 있다.
4. 인간공학 기반의 운전석 및 조작부 개발
인간공학 기반의 운전석 및 조작부 개발은 콤바인 작업자의 작업 분석 및 조작 반력을 측정한 후 완성된 농업인의 인체 모델을 이용한 시뮬레이션 방법을 통해 개발되었다. 운전석은 작업 분석을 통해 도출된 문제점을 개선할 수 있도록 설계하였다. 3D 캐드 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고 시제품을 이용하여 현장 평가를 통해 성능을 평가하였다. 개발된 운전석은 개선된 작업 자세와 요추 부하 및 근피로의 감소, 그리고 균일한 체압 분포를 보여 편의성 및 안전성이 확보되었다.
조작부 중 콘솔의 그룹화 및 링크 분석을 통해 조작 장치들을 재배치하여 개선된 콘솔을 설계 및 제작하여 조작시간 및 오작동을 감소시키는 결과를 도출 하였다. 레버는 근전도 및 손압력 분포 분석을 이용하여 레버의 모양 및 노브의 형태에 따른 결과값을 비교 하여 조작력을 최소화 시키는 레버의 위치와 모양을 개발하였다. 브레이크 페달은 하지근의 근활성도를 분석하여 개선된 페달의 효과를 검증하였으며 페달의 링크부의 변화로 소음이 감소되었다.
운전석 및 조작부의 개발에 사용된 작업 분석 및 시뮬레이션 기술과 근활성도 및 압력 분포를 통한 검증 방법은 콤바인 뿐 아니라 캐빈을 장착한 트랙터 및 건설 차량, 항공기, 선박, 열차, 승용차 등에 적용가능하다. 설계와 동시에 검증이 이루어지는 과정으로 향후 제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 줄이며 작업 편의성을 고려한 설계 기법을 제시할 수 있다.
5. 콤바인 캐빈의 안전 설계 기술 개발
콤바인 캐빈의 안전 설계를 위하여 설계단계에서 캐빈 프레임의 개선효과를 평가할 수 있는 기술을 개발하였다. 개선된 캐빈의 안전성을 위하여 프레임의 보강과 함께 출입문의 개폐 방식 변경, 캐빈의 내부 공간 확보, 탑승 손잡이 추가, 오름 발판의 구조 변경을 수행하여 편의성을 증대 하였으며 유한 요소 방법 중 모달해석 및 구조해석 방법을 사용하여 캐빈 프레임의 안전성을 검증하였다.
모달해석은 구조물의 고유진동 특성을 이용하여 안전성을 평가하는 방법으로 저주파 진동일수록 강성에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 모달해석의 결과 개선된 프레임은 기존 프레임에 비해 공진 주파수가 약 2배 이상의 값을 보여 높은 강성을 보였다. 구조해석은 구조물에 작용하는 하중에 대한 변형량을 비교하여 안전성을 평가하는 방법으로 프레임의 변형량은 운전자의 안전영역 유지에 영향을 줄 수 있어 구조물 해석에 중요한 요인이다. 개선된 프레임의 변형량은 기존 구조물에 배해 약 1/10로 감소하여 개선된 결과를 확인 하였다.
유한요소 방법을 이용한 구조물의 안전성 평가 기술을 이용하여 제품의 설계 과정에서 안전성을 평가 할 수 있는 안전 설계 기술을 개발하였다. 이와 같은 안전　설계　기술은 콤바인 뿐 아니라 캐빈을 사용하는 중장비와 건설장비 등에 적용 가능하며, 참여기업의 기술이전을 통하여 트랙터 및 콤바인 생산 시 적용할 예정이다.

Abstract ▼

Ⅱ. Methods and results
1. Visibility evaluation system
To evaluate operator's visibility in the combine cabin, evaluation methods of visibilities and visibility evaluation system were developed. The simulation program for visibility evaluation was developed and used to improve operator's visib

Ⅱ. Methods and results
1. Visibility evaluation system
To evaluate operator's visibility in the combine cabin, evaluation methods of visibilities and visibility evaluation system were developed. The simulation program for visibility evaluation was developed and used to improve operator's visibility in the combine cabin.
The visibility evaluation system was developed based on the quantitative evaluation. The conventional method was modified to assess operator's visibility quantitatively by assigning evaluation scores based on the areas of the fields of view regions. The visibility evaluation system consists of a laser pointer, stepping motors to control the direction of sight, gyro sensors to measure horizontal and vertical angles, and I/O interface to acquire the signals. The horizontal and vertical angles to the viewpoints were measured from the operators' eye positions, and compared with designed dimensions of the combine.
Five viewpoints of the combine were selected to evaluate the visibilities at different operator's postures. The results showed that the visibilities of the viewpoints were different significantly as the operator's postures changed. The divider of the combine was invisible due to blocking of the cabin frame at many postures. The posture of sitting with 15º tilt provided reasonable visibilities for combine operators. Most viewpoints of the combine were out of the stable gaze field of view region, therefore, operators should move their body or head to check the harvesting operation.
The computer simulation was conducted to determine the optimal eye positions in the cabin. The visibilities of viewpoints were computed as the eye positions were changed. The results showed that the optimal eye position was closed to the eye position for the best visibility of the divider. The visibility of the divider was improved, but those of the other viewpoints were decreased at the recommended eye position. The visual information of the viewpoints could be acquired at the recommended eye position.
It was found that operator's seat, lever shape and length, display panel, and widow size should be modified to enhance operator's visibility of the combine cabin. The results that the visibilities of prototype cabin was much improved for safety and convenience. Operator’s visibility is important for efficient and safe operation of industrial machines in the field. Visibility evaluation system will be useful to determine design criteria such as proper window size, display panel, lever shape and length, and operator's seat of other industrial machines.
2. Musculo-skeletal human model
Musculo-skeletal human model was developed based on Korean anthropometric data. The movements of human body were traced as the operator's postures were changed.
The human model was validated by comparing the experimental data of mass center, ground reacting force, muscle activation, and lumbar torque. The operator's postures were analyzed and the safety guidelines were proposed to prevent musculo-skeletal injuries for combine operation.
The musculo-skeletal human model was used to analyze the performance of the modified brake pedal. The positions of the brake pedals of several combines were analyzed. To evaluate the efficiency of the brake pedals, operator's ankle joint loads were measured and analyzed as each pedal was pushed at given acting force. The musculo-skeletal human model can be used in agricultural machinery and other industrial divisions in which the ergonomic design are required. The human model will be an useful tool to reduce worker's loads, to prevent industrial injuries, and to evaluate ergonomic factors of machines.
3. Operator's seat and control panel
Operator's seat and control panel were developed based on human engineering aspects. Operating processes and operating forces of combine were measured and analyzed. The simulation results using the musculo-skeletal human model were utilized to develop the operator's seat and the control panel.
The operator's seat was designed to solve the problems found from operating processes analysis. The computer simulation was conducted using the 3D CAD model and the musculo-skeletal human model. The performance of the prototype seat was tested in the field. The operator's postures were enhanced, lumbar torques and muscle fatigue were reduced, and body pressures were balanced uniformly. The operator's safety and convenience were improved when the prototype seat was used.
Consol of control panel was rearranged by grouping and link analysis of control buttons. The results showed that modified consol helps to reduce reaction time and human error for combine operation. Electromyography and palm pressure distribution were measured and analyzed as the shapes of levers and knobs were changed. The position and shape of lever were designed and manufactured to minimize the operating force. The efficiency of the modified brake pedal was evaluated by analyzing the muscle activation of low body. The noise was also decreased as the link of the brake pedal was changed.
To develop the operator's seat and the control panel, the operating process was analyzed, the CAD and the human model were used for the computer simulation, and they were evaluated by analyzing the muscle activation and the pressure distribution.
Those methods can be applied to evaluate combines, tractors, industrial vehicles, ships, and automobiles. As system design and performance evaluation can be done simultaneously, cost and time for production development can be reduced. The design criteria can be determined easily by considering operator's convenience.
4. Cabin design technology for safety
The evaluation technology was developed to analyze the modification effects of cabin frame in design process for safety of combine cabin. The cabin frame was reinforced for safety. Opening and shutting method of door was changed, inner space of the cabin was enlarged, additional boarding handle was attached, boarding stepper was modified to improve the operator's convenience. Modal analysis and structure analysis from finite element methods were used to evaluate the safety of the cabin frame.
Modal analysis can be used to evaluate the safety based on characteristics of natural frequencies of structures. The strength of the frame is weaker as the natural frequency is lower. The results of modal analysis showed that the natural frequency of the modified cabin frame was two times greater than that of the previous frame. It means the strength of the modified frame of the cabin was improved for safety.
Structure analysis is a method to evaluate the safety by analyzing the deformation of structure when the given loads were applied. The deformation of cabin frame is one of the important factors for operator's safety during field operation. The results of structure analysis showed that the deformation of modified frame was reduced to 1/10 of the deformation of previous frame.
The evaluation technologies using finite element method were developed to analyze the safety of the structures in design process. These technologies will be used useful to analyze the structural safety of combines, tractors, heavy industrial machines, and construction machines. These technologies will be transferred to the participating company, and used for the manufacturing process of combines and tractors.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 18
• 목 차 ... 19
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 20
• 제 1 절 연구개발 필요성 ... 20
• 제 2 절 연구개발 목표 및 범위 ... 27
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 제 1 절 국내 기술개발 현황 ... 29
• 제 2 절 국외 기술개발 현황 ... 30
• 제 3 절 국내외 특허 현황 ... 31
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 33
• 제 1 절 콤바인 작업의 실태 조사 및 문제점 분석 ... 33
• 제 2 절 인간공학적 캐빈의 설계 및 시작기 제작 ... 106
• 제 3 절 시작기의 인간공학적 분석 및 성능평가 ... 158
• 제 4 절 요약 및 결론 ... 284
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 289
• 제 1 절 연도별 연구목표 및 달성도 ... 289
• 제 2 절 관련분야 기여도 ... 292
• 제 5 장 연구개발성과 및 성과활용 계획 ... 296
• 제 1 절 연구개발 성과 ... 296
• 제 2 절 산업화 추진 방안 ... 307
• 제 3 절 교육, 지도 등 기술확산 방안 ... 309
• 제 4 절 타분야 활용 및 추가연구 필요성 ... 311
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 317
• 제 1 절 학술논문 ... 317
• 제 2 절 관련특허 ... 320
• 제 7 장 참고문헌 ... 322
• 부록 1 콤바인 작업 안전 지침서 ... 337
• 부록 2 콤바인 캐빈 최종 설계도면 ... 357
• 부록 3 특허 및 실용 신안 출원 ... 361
• 끝페이지 ... 381