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하연 도
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1 - 조선업을대상으로 - 부경대학교안전공학과 ( 접수 / 채택 ) A Study for Prevention of Musculoskeletal Disorders Using Digital Human Simulation in the Shipbuilding Industry Chang, Seong Rok Division of Safety Engineering, Pukyong National University (Received March 7, 2007 / Accepted June 7, 2007) Abstract : In this study digital human models of ship construction tasks using modeling & simulation were constructed and human models activities through human activity analysis were evaluated. Human Factors experts analyzed the actual workers tasks using the same technique used in human activity analysis at the same time. The main objective of this study is to check a possibility of applying digital human modeling technique to ship construction tasks that are mostly non-standardized(not uniformed) whereas most applications of digital human modeling technique have been applied to standardized tasks. We evaluated postures of both real workers and digital humans by RULA. It turned out that the final scores of RULA evaluation on real workers are the same as the RULA scores for digital humans. However, there were differences of RULA detail scores between real workers and digital humans in the several processes related with the wrist twist and deviations. Those differences are considered to be resulted from the error in the on-site measuring worker s body dimension which could be reduced by accurate tools to correct data for body dimension and digital real drawings for facilities. The results showed possibility of application of digital human modeling and ergonomic analysis on informal work operations as well as formal operations in the shipbuilding industry. Key Words : musculoskeletal disorders, digital human simulation, RULA, shipbuilding industry, non-standardized task 1. 서론 1) 근골격계질환 (Musculoskeletal Disorders) 이란특정신체부위및근육의과도한사용으로인해근육, 관절, 혈관, 신경등에미세한손상이발생하여손, 손목, 팔꿈치, 어깨, 목, 견갑골, 허리등의상지에주로나타나는만성적인건강장해를말한다 1). 노동부의산업재해통계분석에따르면우리나라근골격계질환자의수는 Fig. 1과같이 2001년 1,634명, 2002 년 1,827명, 2003년 4,532명, 2004년 4,112명, 2005 년2,901명, 2006년 6,233명으로 2004년과 2005년에는잠시감소를보였지만다시증가추세를보이고있다. 또한조선업분야도근골격계질환이급격하게증가하는추세이다 2). 근골격계질환의급증은외 srchang@pknu.ac.kr 환위기이후노동강도의강화등근로환경의변화와관련이있다 3). 이로인해생산성저하, 근로의욕저하, 품질저하등의경영손실은물론직접의료 Fig. 1. Trend of musculoskeletal injuries occurred from 2000 to

2 비의부담등이증가추세에있다. 그리고근골격계질환에대한직원들의보상과작업개선에대한요구가점차증가하고있고노 사간의중요한쟁점사항으로부각되고있다 4). 또한, 정부에서는 2002 년 12 월산업안전보건법제 24 조 ( 보건상의조치 ) 제 1 항제 5 호를신설하여사업주에게근골격계질환예방의무를부과하였다 5). 그리하여근골격계질환에대해체계적인작업환경분석및작업방법, 작업자세에대한인간공학적인평가를통해작업환경개선에의한사전관리필요성이증대되고있다. 이러한근골격계질환예방과관련하여작업자의작업환경분석및작업방법, 작업자세등을분석하는인간공학적인평가기법들이있으며, 이것들은평가기법을숙지한인간공학전문가가체크리스트등을이용하여수작업으로행하는방식이다 6). 그러나이러한전문가들도일부대기업들을제외한중 소기업에서는부족한실정이다. 인간공학적인평가기법을이용하여작업및작업자세에대한개선안이나왔을경우에도실제로비용을들여새로운설비를투자하기전에는개선안대비작업효율성과어떤개선안이가장효과적인지를알수가없다. 따라서최근조립공정이나생산공정에 Modeling & Simulation 기술을적용시켜생산성을최대화시키고자하는연구가진행중에있다 7-12). Modeling & Simulation 기술을이용하면인간공학적개념을설계초기에적용시킬수있어서적지않은시간과비용을절약할수있을뿐만아니라, 작업자의작업수행능력을예측할수있어작업자의안전과근골격계질환에대한위험요소를최소화시킬수있다 13). 본연구에서는 Modeling & Simulation 기술을이용하여조선업의작업을 Digital Human Modeling 으로구축하고작업자의작업을 Human Activity Analysis ( 인간공학적평가프로그램 ) 을이용하여평가한다. 이와함께, Human Activity Analysis 에사용된평가기법과동일한기법으로인간공학전문가가실제작업자의자세를평가한다. 이를바탕으로정형화된조립공정이나생산공정에많이적용되고있는 Digital Human Modeling 방법이비정형작업이많은조선업분야에도적용이가능한지평가하고, Digital Human Modeling & Simulation 을이용한조선업작업환경개선연구의기초를마련하는데목적이있다. 2. 연구의배경 2.1. Modeling & Simulation(M&S) Simulation 이란어느시스템이나공정기능을다른수단을활용하여모의구현함을의미한다. 시스템이나공정기능을표현하기위하여모델을사용하게되는데, 모델이란모델의대상을직접접촉하지않고도이와관련한정보를교환할수있도록하는상징화된언어의집합이다. 상징 이라는단어가내포하듯이모델링은그대상의모든측면을표현할수없으며, 함축화하는절차를반드시수반한다. Modeling & Simulation 기술은현대의다양한산업과기술분야에서매우중요한역할을담당하여왔다. M&S 는기술개발의시험단계에서알고리즘과매개변수를체계적으로변화시키기위한연구개발용도구로서, 그리고새로운프로그램의초창기에개발될시스템을비교평가하는도구로서일반적으로활용되어왔다 14) Digital Human Modeling Digital Human Modeling 은기존의 M&S 기술로구축된가상의작업환경에실제작업자의작업과동일하게행하는가상의마네킹을만들어서작업자및작업동작을가상공간에서유사하게구현하는것을말한다. Digital Human Modeling 을통해작업자의작업수행능력을예측할수있으며모든작업자세요소의정량및정성적분석을수행함으로써 Human Activity Analysis 및근골격계질환예방을위한개선안, 신진대사량, 작업포락면등의요소를극대화할수있다. Digital Human 에서는독립적인인체모형 (Modularized Man-Model) 을모델링함으로써 CATIA(Computer-graphic Aided Three-dimensional Interactive Application) 등의기존 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어와함께사용될수있으며, 이는기존의 CAD 시스템에즉시이용가능한 (Built-in) 인체모형을첨가하는효과가있게되며사용자가원하는체형의 Operator( 가상작업자 ) 를즉시불러동작거리, 시야, 작업공간등에관한분석을함으로써주변환경을설계하거나시뮬레이션을수행할수있게한다 15,16) Modeling 프로그램 DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application) 는 3 차원디지털메뉴팩쳐링솔 82 Journal of the KOSOS, Vol. 22, No. 3, 2007

3 루션 (Digital Manufacturing Solution) 을제공하는프로그램이다. 자동차, 항공, 조선, 전기전자, 소비재, 기계조립등모든제조산업을대상으로공정계획에서부터일반조립프로세스와공장시뮬레이션에이르는디지털메뉴팩쳐링솔루션을제공한다. 이러한 DELMIA 솔루션은디지털목업 (Digital Mock-up) 을통해메뉴팩처링프로세스의설계나검증을수행한다 17). DELMIA 솔루션에서지원하는기능중에하나인 Human 솔루션은가상의작업환경에 Digital Human 을생성하여실제작업과유사하게구현할수있다. 그리고인체변수편집을통해실제작업자와유사한체격및신체특징을가진 Digital Human 을생성할수있으며, Task Simulation 을통해작업자와만들어지는제품, 설비간에관계를미리파악하는것이가능하다. 또한작업으로인해발생할수있는작업자의불편함이나근골격계질환의발생을예방하기위해인간공학적분석기법인 RULA 18), NLE 19,20), Pushing-Pulling-Carrying 21) 을 Human Posture Analysis 에서제공하고있다. 그러므로작업장설계나설비등의문제로발생할수있는근골격계질환을설계초기에예방할수있고, 작업자를고려한작업장환경을구현할수있다. 3. 연구내용 3.1. 연구대상본연구에서는조선업에서행해지는여러공정중에대표적인 10 개공정을선정하였다. 10 개의공정은조선산업의현장관리자가위험성이높은것으로추천한 6 개공정과높지않은것으로추천한 4 개공정으로이루어져있다. 근골격계질환의위험성이높지않은 4 개공정을연구대상에포함한이유는위험성이높은공정및높지않은공정에서도 Digital Human Modeling 이적용가능한지를알아보기위함이다. 10 개공정의선정은산업안전보건법제 4 장 24 조 5 항과산업보건기준에관한규칙제 9 장, 한국산업안전공단의 KOSHA CODE 에기준하여작성되어진 A 조선소의근골격계질환예방을위한유해요인조사를참고하였다 22). 아래의 Table 1 은 10 개공정의목록을나타낸것이다. Table 1. List of research objects Processes 1 Upward welding in a sitting position 2 Upward welding in a standing position 3 Lug bracket welding 4 Pin jig installment and dismantlement 5 Short wire pail pack moving 6 Small material arrangement 7 Small longi attachment 8 Outer plate spray 9 Airless pump maintenance 10 Paint mixing 3.2. 인간공학적분석작업의근골격계질환위험성을평가하기위해현장유해요인조사및작업자인터뷰를실시하였고, 작업에대한동영상촬영및현장에서필요한여러가지수치들을측정하였다. 2 대의디지털카메라를이용하여촬영을수행하였으며, 작업자가촬영에대한인식으로인해평소와다르게작업을행할수있으므로 3 사이클이상을촬영하였다. 그리고인간공학적분석및 Digital Human 의자세 Modeling 의정확도를높이기위해작업자의좌, 우, 정면을기본으로하여촬영하였다. 현장측정시에 Digital Human Modeling 을위한수치들도함께측정하였다. 그리고촬영된동상을바탕으로해당작업의작업자세를분석하였고, 가장빈도가높게발생되는동작이나작업자에게가장많은부하를줄수있는자세를선정하여 RULA 로평가하였다. Fig. 2 는인간공학적분석방법의절차를도식화한것이다. Fig. 2. Procedure of ergonomic analysis. 한국안전학회지, 제 22 권제 3 호, 2007 년 83

Fig. 3. Images of real tools and tool models. Fig. 4. Example of real equipment and their models. 3.3. Digital Human Modeling 분석 실제 작업자와 동일한 자세를 구현하기 위해 동 영상 촬영은 좌, 우, 정면 등 최소 3방향 이상에서 촬영하였다.

또한, 현장에서 측정된 작업자가 작업을 행하는 작업점, 작업자의 높이 등을 고려하여 주변 설비 및 환경 등을 구축하였다.

Measurement items for worker body dimension Measurement Items 1 Weight 2 Stature 3 Waist height(omphalion) 4 Span 5

4 Fig. 3. Images of real tools and tool models. Fig. 4. Example of real equipment and their models Digital Human Modeling 분석 실제 작업자와 동일한 자세를 구현하기 위해 동 영상 촬영은 좌, 우, 정면 등 최소 3방향 이상에서 촬영하였다. 그리고 현장 측정 시에 사용하는 수공 구 및 주변 작업환경, 작업자의 인체치수 등을 측정 하였다. 현장에서 측정된 자료들을 바탕으로 DELMIA 를 이용하여 Fig. 3과 같이 수공구들을 모델링하였다. 또한, 현장에서 측정된 작업자가 작업을 행하는 작업점, 작업자의 높이 등을 고려하여 주변 설비 및 환경 등을 구축하였다. 실제 작업자가 작업을 수행하 는 환경과 동일한 환경을 구축하기 위하여 주변 설 비 및 환경 등을 Fig. 4와 같이 모델링하였다. Table 2. Measurement items for worker body dimension Measurement Items 1 Weight 2 Stature 3 Waist height(omphalion) 4 Span 5 Thumbtip reach 6 Arm length 7 Upper arm length Fig. 5. Example of digital human building and human measurement edition. 84 Journal of the KOSOS, Vol. 22, No. 3, 2007

5 Fig. 6. Example of working posture models. 그리고 10 개공정의작업자를 Digital Human 으로모델링하여 RULA 로평가할때, 신체치수차이로인한오차를줄이기위해현장측정시에실제작업자의인체치수를측정하였다. 측정된치수는 Table 2 에서보는바와같이몸무게, 키, 바닥에서배꼽까지의배꼽수준허리높이, 양손끝점너비등을측정하였다 23). 측정된데이터를바탕으로 Fig. 5 와같이 DELMIA Human 솔루션을이용하여 Digital Human 생성및인체변수를조절하였다. 이렇게생성된 Digital Human 을 P.P.R.(Product, Process, Resource) 로구축된가상의작업환경속에투입했다. 그리고실제작업자를 RULA 로평가한자세의시점과동일한위치에서실제작업자세와유사하게모델링하였다. Fig. 6 은모델링된작업자세의예를보여주고있다 Simulation 결과분석 10 개공정에대한실제작업자와 Digital Human 의 RULA 평가점수는 Table 3 과같다. Table 3 에서 보듯이 Digital Human 의 RULA 평가점수결과와실제작업자의 RULA 평가점수결과는모두같다는것을알수있다. 그리고러그브래킷용접과소형론지취부, 에어리스펌프정비등에서발생한세부항목의점수차이는모두손목과관련된부위에서발생하였다. 러그브래킷용접에서는손목의회전상태, 소형론지취부는손목의척골편향, 에어리스펌프정비는손목의요골편향에서점수가 1 점씩부가된결과를보였다. 이것은각도에민감한손목이작업점측정과작업자인체치수, 설비모델링시발생한미세한오차로인해차이가발생한것으로생각된다. 이런오차들을줄이기위해서는작업점측정시정밀한측정도구의사용이필요하고, 작업자의인체계측을통한정확한인체치수데이터및설비의설계도확보가필요하다. 그러나손목부위의모델링차이로인해발생한점수차는 1 점으로차이가크지않았고, RULA 평가점수에변화가없었으며, 위험성의범주를구분하는데에는영향을미치지않았다. Table 3. Comparison of RULA scores for ten processes between real workers and digital human models Processes RULA score for real workers RULA score for digital humans Differences 1 Upward welding in a sitting position Upward welding in a standing position Lug bracket welding 4 4 Wrist twist 4 Pin jig installment and dismantlement Short wire pail pack moving Small material arrangement Small longi attachment 5 5 Wrist ulna deviation 8 Outer plate spray Airless pump maintenance 7 7 Wrist radius deviation 10 Paint mixing 7 7 한국안전학회지, 제 22 권제 3 호, 2007 년 85

6 4. 결론및토의 본연구는비정형적으로이루어지는조선업의대표공정 10 개를선정하여현장조사를수행하였으며, 각각의공정을기존의 M&S 기술을이용하여 Digital Human Modeling 으로구축하였다. 그리고실제작업자와 Digital Human 의작업자세를 RULA 를사용하여평가한결과 Digital Human 의 RULA 평가점수결과와실제작업자의 RULA 평가점수결과는모두같다는것을알수있었다. 그러나일부작업에서는세부항목의점수차이가모두손목과관련된부위에서발생하였다. 이것은손목의미세한각도변화를반영하지못하여발생한것으로생각된다. 그러나손목부위의 Modeling 차이로인해발생한점수차는 1 점으로차이가크지않았고, RULA 평가점수에변화도없었으며, 위험성의범주를구분하는데에는영향을미치지않았다. 이결과들을토대로조립작업등의정형적인작업뿐만아니라비정형적인조선업작업에도 Digital Human Modeling 을적용하여인간공학적분석이가능할것으로생각된다. 그리고인간공학적개선에서큰영향을미치는설비및수공구등의설계에적용할경우, Digital Human Modeling 의적용으로설비투자이전에설계의단계에서작업자의작업부담평가가가능하므로인간공학적인개선이가능할것으로생각된다. 따라서인간공학적으로잘못설계된설비등의투자로발생하는비용과근골격계질환으로인한손실비용을절감할수있는효과를얻을수있을것으로생각된다. 또한새로운공정이나공정의변화로인해발생할수있는부적절한자세등을미리평가하고확인할수있어, 효율적인공정개선이이루어질수있을것으로생각된다. 이외에도 Digital Human Modeling & Simulation 이구축되면, 작업방법론, 평가, 작업분석을데이터베이스화할수있어기존인간공학프로그램을활성화시킬수있으며, 작업에국한된개선보다설계및전체생산공정을고려한개선을도출하는데활용이가능할것으로생각된다. 감사의글 : 이논문은 2005 년도부경대학교연구년교수지원 (PS ) 에의하여연구되었음 참고문헌 1), 산업인간공학, 다솜출판사, pp. 306~316, ) 노동부, 산업재해통계분석, ) 김철홍, 국내자동차산업의근골격계질환실태에관한연구, 산업경영시스템학회지, 제24권, 제67호, pp. 1~10, ) 김홍태, 조선업근골격계질환에대한공학적접근방안, 대한조선학회지, 제40권, 제3 호, pp. 36~ 46, ) 노동부, 산업안전보건법, ) 한국산업안전공단, 근골격계부담작업유해요인조사지침 (H ), ) 이창민, 이장현, 김용균, 김원돈, 신종계, 3차원디지털목업및시뮬레이션기반의함정설계검증, 대한조선학회논문집, 제40권, 제1 호, pp. 63~ 68, ) 우종훈, 이광국, 정호림, 이장현, 황규옥, 신종계, 디지털조선소구축을위한물류모델프레임워크, 한국CAD/CAM학회학술발표회논문집, pp. 133~142, ) 우종훈, 오대균, 이광국, 이춘재, 신종계, 권영대, 디지털조선소구축을위한프레임워크그리고활용방안에대한사례및제언, 한국 CAD/CAM학회학술발표회논문집, pp. 25~35, ) 신종계, 이장현, 박칠성, 이종갑, 김형만, 3차원제품모델기반의선박 PDM 구축연구, 대한조선학회논문집, 제40권, 제1 호, pp. 63~68, ) 우종훈, 이광국, 정호림, 이장현, 황규옥, 신종계, 디지털조선소구축을위한물류모델프레임워크, 한국CAD/CAM학회학술발표회논문집, pp. 133~142, ) 주무현, 윤진호, 토요타생산시스템의진화와노동의인간화, 산업노동연구, 제7 권, 제1 호, ) 차태인, 정성원, 최양렬, 이장현, 신종계, 박주용, Digital Human 모델링을이용한조선산업에서의작업자세개선방안, 대한조선학회춘계학술대회논문집, pp. 422~429, ) 윤석준, 시뮬레이션과시뮬레이터, 선학사, pp. 27~31, ) 이석순, 황영진, 김효진, CATIA V5 기초 Ver. 5.11, 과학기술, ) 이석순, 황영진, 김효진, CATIA V5 응용 Ver. 5.11, 과학기술, ) 18) McAtamney, L., E. N. Corlett, RULA: A rapid upper limb assessment tool, Ergonomics for all, 86 Journal of the KOSOS, Vol. 22, No. 3, 2007

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04_이근원_21~27.hwp

04_이근원_21~27.hwp 1) KIGAS Vol. 16, No. 5, pp 21~27, 2012 (Journal of the Korean Institute of Gas) http://dx.doi.org/10.7842/kigas.2012.16.5.21 실험실의 사례 분석에 관한 연구 이근원 이정석 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2012년 9월 5일 투고, 2012년 10월 19일