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경선 간
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1 Journal of the Ergonomics Society of Korea Vol. 24, No. 2 pp.45-49, May 손힘사용측정 FSA 시스템의성능평가 * 정기효 ** 유희천 ** 권오채 ** Evaluation of the FSA Hand Force Measurement System Kihyo Jung **, Heecheon You **, Ochae Kwon ** ABSTRACT The FSA(Force Sensitive Application) system measures hand force by using force resistance sensors. Compared to conventional hand force measurement systems such as Lafayette hand dynamometer and Jamar hydraulic hand dynamometer, the FSA system can be applied to analyze use of hand forces while the hand is manipulating objects for a task, However, the measurement performance of the FSA system has not been objectively evaluated. The present study tested the FSA system in terms of stability, repeatability, accuracy, and linearity. It is shown that the FSA system has good stability (CV 0.02) and linearity(r 2 =0.82), but has low repeatability(cv=0.11~0.19) and accuracy(22% of underevaluation on average). This performance result indicates that measurements from the FSA system should be used for relative comparison rather than for absolute comparison. Keyword: FSA system, Hand force measurement, Performance evaluation, Musculoskeletal disorders 1. 서론 수작업에서의과도한힘사용은상지근골격계질환 (upper extremity musculoskeletal disorders) 을유발할수있는유해요소로지적되고있다. NIOSH(1997), Ayoub(1990), 그리고 Putz-Anderson(1988) 은산업현장에서발생하는과다한힘사용을근골격계질환의원인중하나로보고하였다. 동적작업상황에서힘사용에따른부하를정량적으로측정하기위해 FSA 시스템 (Verg Inc., Canada; 그림 1 참조 ) 이사용되고있으나, 이시스템의측정성능에대한이해가부족한실정이다. 손의악력을측정하는장비인 NK dynamometer (NK BioTechnical Co.), Lafayette hand dynamometer(lafayette Instrument), Jamar hydraulic hand dynamometer(sammons Preston) 등은다양한형 상의작업대상물에작용하는동적손힘측정시적용한계가있다. 이러한기존악력측정장비의단점을보완하기위해개발된 FSA 시스템은손동작을방해하지않으며다양한형상의작업대상물을취급하는수작업분석에적용할수있는장점이있으나, 측정성능에대한객관적평가정보가부족한실정이다. 본연구는수작업에서손의힘사용을측정하는 FSA 시스템의성능을안정성, 반복성, 정확성, 측면에서평가하였다. FSA 시스템의개별센서성능은무게가상이한 3개분동을이용하여평가하였고시스템전반성능은잡기, 집기, 누르기작업수행시 NK dynamometer 를사용하여평가하였다. * 본논문은 BK21 사업의지원을받아수행되었음. ** 포항공과대학교기계산업공학부제품생산기술연구소교신저자 : 유희천주소 : 경북포항시남구효자동산31, 전화 : , hcyou@postech.ac.kr

46 정기효 유희천 권오채大韓人間工學會 성은 ±1% 로보고되고있다 (NK BioTechnical Corporation, 2003). 그림 1. FSA hand force measurement system 2. 실험방법 2.1 측정대상작업 FSA 시스템의센서성능과전반시스템성능을분석하기위해분동과 NK dynamometer 를이용하였다. FSR 센서위에그림 2.

2 평가척도 FSA 시스템의성능은 4개평가척도 ( 안정성, 반복성, 정확성, ) 를적용하여평가되었다. 이들평가척도들은동작분석시스템 (motion analysis system) 평가와관련된연구문헌들 (Kessler et al., 1995; Wise et al., 1990; Quam et al., 1989) 을참고하여선정되었다.

FSA 시스템평가척도정의동일부하상태에서측정값의시간에따른변화여러번반복하여측정하였을때측정값의변동측정값과참값의차이측정값과참값의선형관계 손동작에따른 FSA 시스템의힘사용측정성능은잡기 (power grip), 집기 (pulp pinch), 누르기 (pulp press) 동작에대해 NK dynamometer 로부터측정된값을기준으로비교평가되었다.

2 46 정기효 유희천 권오채大韓人間工學會 성은 ±1% 로보고되고있다 (NK BioTechnical Corporation, 2003). 그림 1. FSA hand force measurement system 2. 실험방법 2.1 측정대상작업 FSA 시스템의센서성능과전반시스템성능을분석하기위해분동과 NK dynamometer 를이용하였다. FSR 센서위에그림 2.a와같은분동 (0.5kg, 1kg, 2kg) 을올려놓고시간의흐름에따른측정값변화를반복측정하였다. 그리고분동의무게가 FSR 센서의활성화영역 (sensing area) 에정확하게전달될수있도록센서의활성화영역과동일한크기의직육면체보조도구 (0.6g; 그림 2.b 참조 ) 를사용하였다. 그림 3. NK dynamometer 2.2 평가척도 FSA 시스템의성능은 4개평가척도 ( 안정성, 반복성, 정확성, ) 를적용하여평가되었다. 이들평가척도들은동작분석시스템 (motion analysis system) 평가와관련된연구문헌들 (Kessler et al., 1995; Wise et al., 1990; Quam et al., 1989) 을참고하여선정되었다. 각평가척도는표 1 과같이세부정의되었다. (a) 분동 그림 2. 분동과보조도구 (b) 센서와보조도구 평가척도안정성 (stability) 반복성 (repeatability) 정확성 (accuracy) (linearity) 표 1. FSA 시스템평가척도정의동일부하상태에서측정값의시간에따른변화여러번반복하여측정하였을때측정값의변동측정값과참값의차이측정값과참값의선형관계 손동작에따른 FSA 시스템의힘사용측정성능은잡기 (power grip), 집기 (pulp pinch), 누르기 (pulp press) 동작에대해 NK dynamometer 로부터측정된값을기준으로비교평가되었다. FSA 시스템과 NK dynamometer 는동시에측정이가능하도록동기화되었고, NK dynamometer 의 Digit-Grip(DGR001), Adjustable-Pinch(PA001), Pinch (PF002) 가잡기, 집기, 누르기동작에각각사용되었다 ( 그림 3). 본연구에서사용한 NK dynamometer 의측정정확 2.3 평가절차 FSA 시스템의성능을분석하기위해그림 4에나타낸순서로평가가진행되었다. 먼저, FSA 시스템 calibration 을수행한후센서성능평가를위해분동을이용한측정을 10 회반복하였다. 그리고 NK dynamometer 를이용한손동작에따른성능을측정하기위해 NK dynamometer 와 FSA 시스템의샘플링횟수와측정시점이동기화되었다. 샘플링

3 第 24 卷, 第 2 號, 손힘사용측정 FSA 시스템의성능평가 47 횟수는초당 10회로설정되었고, 두장비의측정시점은인터넷시간을이용한시간설정프로그램인 AboutTime 을이용하여동일하게설정되었다. AboutTime은 NASA에서제공하는인터넷시간으로컴퓨터의시간을설정하는프로그램으로시간설정의정확성은 ±50ms 로보고되고있다 (AboutTime, 2004). 두장비가동기화된후잡기, 집기, 누르기동작에대해힘사용측정이수행되었다. 잡기동작측정시에는 Yun(1994) 의연구를참고하여, Digit-Grip을잡았을때손바닥의닫는부위에 FSA 시스템의센서가부착될수있도록하였다. 분동무게 (kg) 안정성 (CV * ) 표 2. 분동을이용한 FSA 시스템센서평가 반복성 (CV) 정확성 측정값차이의평균 ** ( 비율 ) 표준오차 (kgf) (18%) (14%) (26%) 0.52 * 변동계수 (coefficient of variation) **FSA 시스템측정값과분동무게간차이의평균 W i = FSA i (R 2 =0.95, MSE=0.04) Calibration 분동을이용한센서성능측정 동기화 그림 5. 분동을이용한 FSA 시스템의센서안정성평가 NK dynamometer 를이용한성능측정 그림 4. FSA 시스템성능평가절차 3. 실험결과 3.1 센서성능평가 FSA 시스템의센서성능을평가한결과, 안정성과은높았으나, 반복성과정확성이낮게나타났다 ( 표 2). 그림 5와같이 FSA 시스템의센서는안정성측면에서 2% 미만의변동계수 (coefficient of variation) 를보였다. 그러나반복성에있어서분동의무게에따라 11~19% 변동계수를보였다 ( 그림 6). 또한, 센서로부터측정된값은전반적으로분동의무게보다높게측정되었고, 표준오차 (standard error, SE) 는분동무게에따라 0.12~0.52kgf 으로분석되었다. 마지막으로, 회귀분석을통해절편 -0.1, 기울기 1.3 이파악되었고, 분동무게와센서측정값간의회귀결정계수 (R 2 ) 가 0.95 로분석되었다. 3.2 손동작에따른측정성능평가손동작에따른 FSA 시스템의힘사용측정결과는 NK 그림 6. 분동을이용한 FSA 시스템의센서반복성과정확성평가 dynamometer 의측정값보다전반적으로작게분석되었으나, 측정값간의높은상관관계가파악되었다 ( 표 3). 정확성분석결과, 센서가가장많이동원되는잡기동작에서표준오차가 8.73kgf 으로가장크게나타났고, 집기 1.4kgf, 누르기 0.79kgf 로순으로분석되었다. 그리고 FSA 시스템의힘사용측정값은전반적으로 NK dynamometer 로부터측정된값보다작게나타났다 ( 그림 7). 회귀분석을이용한분석결과, 측정에동원되는센서의개수가증가할수록 ( 잡기 > 집기 > 누르기 ) 평균오차제곱합 (mean sum of squared error, MSE) 과회귀결정계수가증가하였다 ( 표 3). NK dynamometer 와 FSA 시스템측정값을회귀분석한결과절편이 0.5 미만으로나타났으나, 유

4 48 정기효 유희천 권오채大韓人間工學會 의수준 0.05 에서통계적으로유의하지는않았다. 그리고회귀식의기울기는한개센서가사용되는누르기의경우 1.00 으로분석되었고, 2개이상의센서가사용되는잡기와집기는각각 1.33, 1.57 으로나타났다. 마지막으로, 측정에동원되는센서가증가할수록평균오차제곱합은 0.24kgf, 0.79 kgf, 2.90kgf 로증가하였고, 손동작에따른 NK dynamometer 와 FSA 시스템의측정값간의회귀결정계수는잡기 0.99, 집기 0.94, 누르기 0.82 로분석되었다. 표 3. 손동작에따른 FSA 시스템성능평가 정확성손동작 ( 센서수 ) 측정값차이의표준오차평균 * ( 비율 ) (kgf) 잡기 (18 개 ) 집기 (2 개 ) 누르기 (1 개 ) 절편 ** 기울기 R 2 평균오차제곱합 (kgf) -1.49(30.4%) (40.0%) ( 9.8%) *FSA 시스템측정값과 NK dynamometer 측정값간차이의평균 ** 유의수준 0.05 에서유의하지않음 정성, 반복성, 정확성을갖는장비로파악되었다. 분동을사용한 FSA 시스템의센서성능평가결과, 안정성과은높았으나반복성과정확성이낮게나타났다. 안정성을나타내는변동계수가 0.02 미만으로평가되었고, 을나타내는회귀결정계수가 0.95 로분석되어우수한성능을보였다. 그러나반복성의변동계수가분동무게에따라 0.11~0.19 로평가되어 NexGen(2004) 에서제시하고있는 0.10 변동계수보다크게나타났고, 정확성측면에서 FSA 시스템의센서측정값이분동무게보다 14~26% 크게측정하는것으로평가되었다. 손동작에따른 FSA 시스템성능평가결과, 은높았으나측정에동원되는센서의수가증가할수록정확성이낮게나타났다. FSA 측정값과 NK dynamometer 측정값간의회귀결정계수가 0.82 이상으로분석되어이높았다. 그러나정확성측면에서측정에동원되는센서의수가증가할수록 FSA 측정값은 NK dynamometer 의측정값보다작게나타났다. 따라서, 잡기동작과같이많은센서가측정에사용될경우 FSA 시스템으로측정된힘사용측정값을절대적크기로분석하는것은바람직하지않으며, 측정값을상대적으로비교하는것이의미를가진다고할수있다. 5. 결론 그림 7. 잡기동작에따른힘사용측정결과 4. 토의 손동작에따른 FSA 시스템의사용성능을평가하기위해본연구에서는 NK dynamometer 의측정값을기준으로 FSA 시스템측정값을비교평가하였다. FSA 평가에적용한센서성능평가방법을 NK dynamometer 에적용한결과, 안정성과반복성의변동계수가 1% 미만이고표준오차가 kgf 미만으로나타나, NK dynamometer 가높은안 본연구에서는손힘사용을측정하는 FSA 시스템의센서성능과손동작에따른측정성능을평가하였다. 개별센서성능은 3개무게의분동을사용하여평가되었으며, 손동작에따른측정시스템의성능은 load cell 을사용한 NK dynamometer 측정값을기준으로비교평가되었다. 평가결과, FSA 시스템센서는안정성과측면에서성능이높았으나, 정확성과반복성측면에서한계점이파악되었다. 또한, 손동작에따른측정성능평가에서 FSA 측정값은전반적으로 NK dynamometer 의측정값보다작았으며, 측정에동원되는센서의수가증가할수록정확성이낮게나타났다. 따라서, FSA 시스템으로부터측정된값의절대적크기를비교하는것보다는상대적크기를비교하는것이바람직하다고사료된다. 참고문헌 Ayoub, M. A., Ergonomic deficiencies: I. Pain at work. Journal of Occupa-

5 第 24 卷, 第 2 號, 손힘사용측정 FSA 시스템의성능평가 49 tional Medicine, 32(1), 52-57, AboutTime, Introduction about AboutTime. Retrived April 1, 2004 from Kessler, G. D., Hodges, L. F., and Walker, N., Evaluation of the cyberglove as a whole-hand input device. ACM Transactions on Computer- Human Interface, 2(4), , National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), Musculoskeletal Disorders (MSDs) and Workplace Factors: A Critical Review of Epidemiologic Evidence for Work-Related Musculoskeletal Disorders of the Neck, Upper Extremity, and Low Back (2nd printing). Cincinnati, OH: U.S. Department of Health and Human Services (DHHS), NexGen, FSA glove pressure mapping system. Retrieved April 1, 2004 from NK BioTechnical Corporation, NK Dynamometer User's Manual, Putz-Anderson, V., Cumulative Trauma Disorders: A Manual for Musculoskeletal Diseases of the Upper Limbs. Taylor & Francis: New York, Quam, D., Williams, G., Agnew, J. and Browne, P., An experimental determination of human hand accuracy with a dataglove. In Proceedings of the Human Factors Society 33 rd Annual Meeting. Human Factors Society, Santa Monica, Calif., , Wise, S., Gardner, W., Sabelman, E., Valainis, E., Wong, Y., Glass, K., Drace, J. and Rosen, J., Evaluation of a fiber optic glove for semi-automated goniometric measurements. J. Rehab. Res. Devel., 27(4), , Yun, M. H., A Hand Posture Measurement System for the Analysis of Manual Tool Handling Tasks. Unpublished doctoral dissertation, Pennsylvania State University, Pennsylvania, 저자소개 정기효 2003년 금오공과대학교산업시스템공학과학사 2005년 포항공과대학교산업공학과석사 현 재 포항공과대학교산업경영공학과박사과정 관심분야 : 인간공학적제품설계, 산업인간공학 유희천 1988년 서울대학교산업공학과학사 1990년 서울대학교산업공학과석사 1999년 미국펜실바니아주립대학교산업공학과박사 1999년 ~2002년미국위치타대학교산업공학과조교수 현 재 포항공과대학교산업경영공학과조교수 관심분야 : 인간공학적제품설계기술, 사용자중심의제품 설계, 작업관련성근골격계질환예방, 사용자 인터페이스설계용디지털인체모형, 가상현실 기술의제품설계응용 권오채 1997년 성균관대학교산업공학과학사 1999년 포항공과대학교산업공학과석사 2005년 포항공과대학교산업공학과박사 현 재 포항공과대학교기계산업공학부연구원 관심분야 : 산업인간공학, 생체공학, 인간공학적제품설계 논문접수일 (Date Received) : 2004 년 08 월 02 일 논문게재승인일 (Date Acepted) : 2005 년 05 월 12 일

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA Journal of the Ergonomics Society of Korea Vol. 26, No. 3 pp.111-115, August 2007 111 Design Structure Matrix 를활용한인체측정학적제품설계방법 : 컴퓨터워크스테이션설계적용 * 정기효 1 권오채 2 유희천 1 1 포항공과대학교기계산업공학부 / 2 삼성전자무선사업부 An Anthropometric