Using EMG Sensor WooridulChair Usability Evaluation Da Seu Ran Kim 1, Sung Koon Lee 1, Peom Park 1 1 Department of Industrial Engineering, Ajou University, Suwon, 443 749 ABSTRACT Background: Recently, modern people most of the time learning or office work is carried out sitting in a chair and neck, shoulder, back and waist pain on people are increasing by the upper body fatigue that comes from a long time incomplete position. Objective: Therefore in this study, when office work and learning activities time for the prevention of musculoskeletal disorders, on the chest support of the chair and stool for the existing process through usability testing is to verify the effectiveness. Method: Especially, progressed measurement that use EMG sensor and surveyed to evaluate fatigue degree of reagent's upper body main region simultaneously. The 20~27 year-old college students subject, 6 or more hours daily use chairs, 1 hour in a given situation, neck, shoulders, back and waist were measured at the EMG. Results: In the case of experiment result chest support chair, keep attitude right relatively, can know that fatigue degree of muscle appears to be less than general chair. Conclusion: Through this study, the chest support chair's effects for the maintenance of good posture and the could be verified, of the future, development of office chairs is expected to have a positive impact. Keywords: EMG, Usability, Chair evaluation, Musculoskeletal, Chest support 1. Introduction 최근산업화사회에서정보화사회로변화하면서, 앉아서작업을수행하거나생활하는시간이증가함에따라올바른작업자세와관련질환에관한관심이높아지고있다. 산업안전공단의통계자료에따르면, 우리나라사람 10명중 8명이 1회이상의요통을경험한것으로나타났으며, 국외의연구결과에따르면하루 5~6시간이상앉아서일하는사람은그렇지않은사람보다요통에걸릴확률이 3배정도높게나타난다고한다. 특히컴퓨터의보급률증가는사무직근로자가의자에서작업하는시간을증가시키고, 이는사무직근로자의요통발생을증가시키고있다. 그림 1과같이한국정보통신진흥원의조사결과에따르면 2009년말기준컴퓨터를보유하고있는사업체 (178만여개 ) 에서전체직원중업무상컴퓨터를이용하는직원의비율은평균 82.4% 인것으로추정되었으며, 컴퓨터를보유하고있는사업체의 70.6% 에서직원의 80% 이상이업무상컴퓨터를사용하고있는것으로파악되었다. Figure 1. Computer utilization factor by Industry 따라서의자사용시간의증가에따른요통의증가를예방하기위하여, 척추를중심으로한의자의연구개발이활발히이루어지고있다. 연구개발은크게두가지형태로, 기존의등받이기능을개선한형태와등받이대신가슴이나, 무릎등의다른부위를지탱하여허리하중을줄이는형태가있다. 기존의등받이형의자를개선한경우등받이에척
추모양의받침대를제공함으로써, 허리와등받이사이의공간을최대한줄이고자하였다. 이는대부분의사용자가의자에착석시일반적으로둔부와허리부분의지지가잘이루어지지않기때문에, 의도적으로몸통모양의허리지지대를제공함으로써이를개선하고자한것이다. 이에비해우리들체어의경우 Usability와 Affordance 개념을적용한인간공학적기능을찾아볼수있다. 특히기존의등받이와는다른형태로써필요에따라등받이로이용할수있으며, 업무시에는가슴지지대로이용함으로써, 사용시몸통을지지하고이를통해허리의하중을감소시키고자하였다. 2. Method 본연구에서는학습활동및사무작업등에서사용하고있는의자에대한허리부위의부하를평가하기위한실험으로, 일반의자와우리들체어를대상으로근전도측정과설문조사를이용하여진행하였다. 2.1 피실험자본연구는허리부위에근골격계관련질환의경험이없는남자대학생 10명을피실험자로선정하여진행하였다. 전체피실험자의평균연령은 23.5세이고, 신장및몸무게평균은 175.1cm 와 71.7kg 이었으며, 키에따른우리들체어사용시허리부하에대한부분을측정하고분석하기위해총 3개의그룹으로구분하였다. Table 1. Three classification of height Group 1 Group 2 Group 3 169.5cm 67.5kg 미 169.5~176.7cm 66kg 176.7cm 초과 72.5kg 4명 4명 2명 Figure 2. Comparison of general chair and Wooridulchair 그림 2와같이일반의자와우리들체어의차이점을요약해보면, 기존의등받이대신 Chest Support를설계하여필요에따라등받이로도사용할수있게하였다. 이는착석한사용자의가슴부위를지지하여, 등근육및척추를이완시켜편안한착석상태를유지시켜준다. 또한팔꿈치부위가사용자의신체부위보다는책상이나작업대와동일한높이를가지게되기때문에작업시의피로도를줄이고허리부위에가해지는하중을신체여러부위에분산시키게된다. 추가적으로기존의일반등받이의자와마찬가지로신체조건에따라다양한부분의조절이가능하게설계되어개인별최적화된의자사용이가능하도록하였다. 따라서본연구에서는사무직근로자의작업활동과학생들의학습활동시올바른자세유지를위한의자개발연구를조사분석하고, 가슴지지대의자의효용성및척추건강에미치는영향을검증하기위하여 EMG 측정및설문조사기법을이용하여, 허리부위의부하에대한평가연구를진행하였다. 각그룹은사이즈코리아의 25분위와 75분위를기준으로구분하였으며, 실험대상인 20~28세남성기준으로 Group 1의경우전체의 17%, Group 2는 72%, Group 3의경우 11% 를차지하고있는것으로나타났다. 2.2 실험환경본연구에서는일반사무작업과비슷한상황에서실험을진행하였으며, 대표적으로컴퓨터를사용하는상 Figure 3. Use a Wooridulchair
황을선택하여실험을진행하였다. 피실험자는동일한환경에서동일한노트북을사용하였으며, 주로마우스로검색작업을실시하게하였다. 그리고우리들체어사용시가슴지지대및팔꿈치지지대를반드시사용하도록사전교육을실시하였다. EMG는 1시간동안연속적인의자사용을통해지속적으로측정하였으며, 측정전 후설문조사를통하여우리들체어의전반적인만족도를조사하였다. 2.3 실험장비 Figure 4. EMG attachment position 본연구에서는 Biometrics사의 surface EMG( 모델명 ) 를사용하였으며, 총 8개의근전도센서를목, 어깨, 등허리에부착하여진행하였다. 근전도센서로부터의근육활동데이터 (1024Hz sampling rate) 는 Data LINK의 Data Acquisition System을이용하여수집하였으며, Analysis Software를이용하여각근전도신호의주파수를분석하였다. RMS 기법은시간의흐름에따른힘의크기와연관성이높게나타나는변수로, 의자의장시간사용시근육을통해지속되는힘의크기의연관성을알수있다. 특히 RMS의경우근전도원신호를변형하지않고도수학적인방법으로쉽게계산할수있는장점이있으며, RMS를계산하는방법은다음과같다.(Basmajian and De Luca, 1985; Soderberg, 1992) 2.4 실험설계일반적인사무작업시의자의사용에따른허리부위의부하를평가하기위하여근육별근전도변화와설문조사를통한만족도를측정하였다. 허리부위의만족도를평가하기위해 1차적으로우리들체어를이용, 각그룹별 EMG 데이터를측정하였으며, 추가적으로일반의자와의비교를위한실험을진행하였다. 1차실험에서의종속변수는허리부위의 EMG 데이터및의자만족도부분에대한설문조사로선정하였고, 독립변수를키에따라구분한 3개의그룹으로집행하였다. 2차실험에서는종속변수를 EMG 데이터로독립변수를일반의자와우리들체어로선정하여진행하였다. 그리고일반의자와우리들체어의허리부위의부하에대한평가를실시하였다. 설문조사는 VAS(Visual Analogue Scale)(Maxwell C, 1978) 를이용하였으며, 우리들체어의전체적인만족도및주요부위 ( 가슴지지대, 팔꿈치지지대, 좌면등 ) 에대한만족도를조사하였다. EMG의경우그림 4와같이 8개의근전도센서를목, 어깨, 등허리의 4 부위에각 1쌍씩부착하여측정하였으며, 측정후 RMS(Root Mean Square) 기법을이용하여분석을실시하였다. 1 RMS{ ENG( t)} T t T t 1/ 2 2 EMG ( t) dt EMG(t): 원신호의진폭크기 (mv 또는 μv) T: 신호의분할크기 (s or ms) (1) RMS의경우추출된근전도신호를일정간격으로나눈후각각의 RMS 값을구하는방식으로사용하며, 시간의흐름에따른근육사용량의변화를관찰할수있다. 3.1 설문조사 3. Results 설문조사는각그룹별우리들체어와일반의자사용시전체적인만족도및우리들체어주요부분에대한만족도에대한조사를실시하였다. 설문조사결과일반적으로대다수의피실험자들은그림 5과같이의자와근골격계질환에대한관계를높게인식하고있었다. 그리고그림 6과같이우리들체어사용시목,
6 5 4 Figure 5. The relationship between the chair and musculoskeletal disorders(whole) 근전도측정은 1시간동안실험을통하여각그룹별목, 어깨, 등, 허리부위근육들의 EMG 데이터를추출하여 RMS 값으로변환한후비교평가하였다. 다음장의표 3은각부위근육의시간에따른 RMS 데이터를정리한내용으로, 전체적으로 Group 1, 2의경우 Group 3에비해서피로도가낮은것을알수있다. 3 2 1 0 목의편안함어깨의편안함등의편안함허리의편안함 Figure 6. Parts comfort level(whole) 어깨, 등과허리중상대적으로허리에대한편안함을높게평가하였다. 또한그림 7과같이우리들체어와일반의자사용후각의자에대한전체적인만족도는전체평균일반의자 5.25점, 우리들체어 5.83점으로만족도에대한부분은유의미한차이가도출되지않았다. 이는추가인터뷰결과우리들체어의사용시간이상대적으로부 Figure 8. Neck muscles(right) RMS data Figure 7. Satisfaction of General chair(top) and Wooridulchair(down) 족함으로비롯된, 의자자체에대한익숙함의차이에서오는것으로나타났다. 표 2는각그룹별일반의자와우리들체어에대한만족도로, 신장이작거나큰 Group 1,3에서는우리들체어의만족도가더양호하게나타났고, 신장이보통인 Group 2는변화가없었다. Table 2. Satisfaction comparison of General chair and Wooridulchair Group 1 Group 2 Group 3 일반의자 6 7 5 우리들체어 7 7 6 3.2 EMG Figure 9. Neck muscles(left) RMS data 다음은각부위에대한 RMS 값의변화량을그래프로비교한것으로, 세부적인사항은다음과같다. 그림 8와그림 9는목부위에대한 RMS 데이터로 Group 1과 2의경우 Group 3에비해상대적으로피로도가낮게나오는것을알수있으며, 이는 Group 3의경우신체사이즈에비해가슴지지대가낮기때문에장시간사용시높은피로도로나타난것으로판단된다. 우측과좌측의차이는오른손으로마우스를작업하기위해신체가좌측으로기움과동시에우측어깨가위로올라가므로우측과좌측목근육의차이로생각된다. Yoon et al. (2006) 이연구한테니스라켓스윙시좌, 우측방배근의근전도분석결과에서도유사하
Table 3. According to the passage of time RMS data 우측목 1 그룹 0.0195 0.019 0.01925 0.01425 0.01425 0.01475 2 그룹 0.0225 0.02275 0.021 0.019 0.01725 0.01975 3 그룹 0.022 0.025 0.019 0.021 0.028 0.0305 좌측목 1 그룹 0.06925 0.0585 0.062 0.06175 0.06875 0.07075 2 그룹 0.08275 0.087 0.0855 0.07775 0.08075 0.08 3 그룹 0.121 0.1115 0.093 0.12 0.1495 0.145 우측어깨 1 그룹 0.02375 0.02 0.02 0.0195 0.03225 0.0585 2 그룹 0.022 0.025 0.019 0.02025 0.01225 0.017 3 그룹 0.004 0.0095 0.008 0.008 0.01 0.0345 좌측어깨 1 그룹 0.015 0.01575 0.0155 0.01525 0.0175 0.03975 2 그룹 0.036 0.0255 0.0265 0.01775 0.0205 0.01925 3 그룹 0.019 0.019 0.0155 0.018 0.0215 0.038 우측등 1 그룹 0.037 0.02475 0.028 0.02525 0.03075 0.02775 2 그룹 0.03875 0.0495 0.0375 0.03275 0.03125 0.03225 3 그룹 0.034 0.03 0.0225 0.033 0.037 0.044 좌측등 1 그룹 0.02425 0.022 0.02225 0.02425 0.02675 0.0425 2 그룹 0.04125 0.03525 0.04175 0.034 0.036 0.0335 3 그룹 0.04385 0.037 0.0245 0.041 0.0495 0.0615 우측허리 1 그룹 0.01725 0.0165 0.01725 0.01925 0.0185 0.0225 2 그룹 0.0145 0.017 0.01775 0.017 0.01425 0.0165 3 그룹 0.024 0.018 0.022 0.023 0.02 0.0245 좌측허리 1 그룹 0.05025 0.047 0.048 0.0485 0.04975 0.052 2 그룹 0.056 0.05875 0.057 0.0535 0.0575 0.054 3 그룹 0.074 0.064 0.0665 0.0675 0.0795 0.079
Figure 10. Shoulder muscles(right) RMS data Figure 13. Back muscles(left) RMS data Figure 11. Shoulder muscles(left) RMS data Figure 14. Lumbar muscles(right) RMS data 게나타났다. 그림 10과그림 11은어깨부위에대한 RMS 데이터로어깨부위의경우상대적으로다른부위의데이터에비해그룹간의차이가크지않은것을알수있다. Group 1의피로도가급격하게상승하는것을볼수있는데, 이는가슴지지대의높이가 Group 1의신체사이즈에비해높아서어깨부위의부담을가중시키는것으로생각된다. Figure 15. Lumbar muscles(left) RMS data Figure 12. Back muscles(right) RMS data 그림 12와그림 13은등근육에대한 RMS 데이터로서시간이지남에따라 Group 3의피로도가높게나타나는것을알수있다. 그림 14와그림 15는허리근육에대한 RMS 데이터로역시어깨를제외한목, 등과마찬가지도 Group 3의피로도가높게상승하는것을알수있다. 우측보다좌측허리근육부위의 RMS 데이터가크게나온것은목과같이신체가마우스를작동시키기위해약간기운현상에서발생한다고할수있다.
위의 RMS 데이터분석결과, 일반적으로실험대상인우리들체어의경우 Group 1, 2가 Group 3에비해근육피로도의누적정도가낮게나타났다. 이는일반평균신장의성인의경우가슴지지대의장점이충분히부각될수있지만, Group 3 같이키가큰성인의경우높이조절의불가로인해근피로도가오히려높게나타날수있다는것을알수있다. 본연구결과, 실험대상인우리들체어의경우 Group 1, 2의허리부위의부하에긍정적인영향을미치는것으로도출되었다. 이를비교하기위하여 2차로일반의자와우리들체어의허리부분부하의비교연구를진행하였다. 일반의자는주위에서흔히볼수있는기본형등받이의자를사용하였으며, 1시간동안사용하면서 EMG를측정하고, 측정결과를 1차실험인우리들체어 RMS 결과와비교분석해보았다. 측정부위는허리근육부분만을실시하였고, 등받이의자와목과등근육센서간의간섭이일어나 EMG 측정을제외시켰다. 일반의자의경우피실험자 Group 1, 2를대상으로실험을진행하였으며, 이는 1차실험결과키가큰 Group 3에겐우리들체어의가슴지지대가제역할을충분히못하였다는연구결과에따른것이다. 세부적인 RMS 데이터및그래프는다음과같다. Figure 16. Lumbar muscles(right) RMS data Figure 17. Lumbar muscles(left) RMS data Table 4. General chair and wooridulchair RMS data 10 20 30 40 50 60 우측허리 우리들체어 0.023 0.02 0.018 0.015 0.026 0.015 일반의자 0.073 0.083 0.085 0.082 0.083 0.107 10 20 30 40 50 60 좌측허리 우리들체어 0.048 0.048 0.047 0.05 0.051 0.052 일반의자 0.042 0.093 0.098 0.1 0.115 0.131 그림 16과그림 17은일반의자와우리들체어의허리근육부위 RMS 데이터이다. 비교결과일반의자에비해우리들체어의경우근피로도의증가가매우적은것을알수있다. 이는우리들체어의가슴지지대가사용자의가슴부위를지지해줌으로써하중을효과적으로분산시키는작용을하기때문인것으로판단된다. 특히사무작업시대부분의작업자세가등받이에기댄자세가아닌앞으로숙인자세로써, 일반의자의경우등받이가하중을분산해주지못해사용자에게그대로부담을주게된다. 따라서일반의자에비해우리 들체어의경우근피로도가적게쌓이며, 결과적으로척추및허리에부담을주지않게된다. 4. Conclusion 본연구에서는 EMG 측정과설문조사기법을이용하여우리들체어에대해목, 어깨, 등, 허리의부위별사용성을평가하고분석하여이를일반의자실험데이터
와비교하였다. 설문조사결과, 피실험자들은의자와척추건강이밀접한관계가있는것으로인지하고있었다. 우리들체어와일반의자의편안함정도에있어서는유의한차이가발생하지않은것으로조사되었는데이는시각적으로등받이가없다는점과새로운형태의의자에대해익숙하지않은점이영향을미친것으로보여진다. 그러나우리들체어에서허리부위의편안함이다른부위의편안함보다상대적으로높게평가되었다. EMG 데이터를추출한후시간의흐름에따라힘의크기와연관성이높게나타나는변수인 RMS 값으로변환하며분석한결과, 사이즈코리아의 25분위와 75 분위키를기준으로 3그룹으로나누어분석한결과에서는신장 176.7cm 이하인 Group 1과 Group 2이 176.7cm 초과인 Group 3에비해어깨를제외한모든부분에서피로도가낮게나왔다. 세부적으로살펴보면목부위에대한 RMS 데이터에서는가슴지지대의높이가그룹 3의신장을가진피실험자에겐신장에비해상대적으로낮기때문에그룹 1과 2의피로도가그룹 3에비해상대적으로낮게나왔다. 어깨부위에서는그룹 1의피로도가가장높게나타나는데이는신장차이에서오는것으로가슴지지대의높이조절불가로인해그룹 1에겐팔받침대가어깨부위의부담을가중시키는것으로생각된다. 등근육과허리근육에대한 RMS 데이터에서는목부위와마찬가지로그룹 3의피로도가그룹 1과 2에비해상대적으로높은것으로나타났다. 이는 20~28세기준전체의 89% 를차지하는그룹 1과그룹 2에게서는가슴지지대의장점이나타나는반면그룹 3에게서는오히려근피로도가높게나타남을알수있다. 3가지그룹중평균신장에가장많이속한그룹 2 를대상으로한우리들체어와일반등받이의자의허리부위근육의 RMS 데이터비교에서는, 상대적으로우리들체어의근피로도가시간에따라매우적게증가하거나오히려감소하는것으로나타났으며, 일반의자는꾸준한근피로도증가를보였다. 본연구에서는하나의지지대를필요에따라가슴받이와등받이로사용할수있는우리들체어를이용하였다. 때문에피실험자들이등받이대신가슴받이가있다는의자로판단하기쉬웠고, 등받이가없으면불편할것이라는인식으로인해의자자체에대만만족도가다소영향을받은것으로보인다. 따라서향후등받이와가슴받이가함께존재하는의자와의추가연구를진행한다면보다더만족스러운결과를얻을수있을것으로생각된다. References Basmajian, J. and De Luca, C. J., Muscles Alive, 5 th ed., Williams and Wilkins, Baltimore, 1985. Choi Yi-Seung, A Study on the Design of Chair & User's Position, The Journal of the Korea Furniture Society, 16( 1), 81-89, 2005 Kong Yong-Ku, Kim Dae-Min, Lee Soo-jin, Lee Jae-Hoon, Lee Yong-Ho, Lee Kyung-Suk, Sohn Song-Tae, Evaluation of the Effects of Lower limb Postures on the Subjective Discomfort, Heart Rate and EMGs of Lower Extremity Muscles, Journal of the Ergonomics Society of Korea, 28( 1), 45-56, 2000 Kim, D. W., Beack, S. H., Joo, K. S., Paek, S. E., Kim, B. L., Kwon, S. T., The evaluation of the Sitting posture using EMG frequency analysis, Proceedings of the conference on The Korean Institute of Electrical Engineers, (pp. 2175-2176), 2006 Kim, J. S., Park, J. S. and Cho, Y. J., Biomechanical Measuring Techniques for Evaluation of Workload, Journal of the Ergonomics Society of Korea, 29(4), 445-453, 2010 Lee Sang-Do, Sim Joung-Hoon, An Analysis of Fatigue Characteristic of Upper Limbs by Task Conditions Change, Journal of the Society of Korea Industrial and Systems Engineering, 28( 3), 75-86, 2005 Seo, Seung-Lock, Woo, Seung-Wan, A Study on CTDs of VDT works by EEMG analysis, Journal of Management Science, 9, 45-56, 2000 Soderberg, G. L., ed., Selected Topics in Surface Electromyography for Use in the Occupational Setting: Expert Perspectives. Rockville, Md: US Dept of Health and Human Services, Public Health Service, Publication No. 91-100, 1992. Yoon, Hyung-Ki, O, Sei-Yi, Kim, You-Sin, Cho Sang-Hyung, Yang, Seung-Min, The EMG analysis on Forelimb muscles during a Forehand-stroke according to the hit direction of the Tennis ball, The Korea Journal of Sports Science, 15(3), 675-683, 2006 Freivalds, A., Park, S. H., Le, C., Earle-Richardson, G., Mason, C., and J.May, J., Effect of belt/bucket interface in apple harvesting, International Journal of Industrial Ergonomics, 36(11), 1005-1010, 2006 Maxwell C, Sensitivity and accuracy of the visual analogue scale: a psycho-physical classroom experiment, Br J Clin Pharmacol, 6(1), 15 24, 1978 근로자의인체특성을고려한테이블및의자설계에관한인간공학적연구 사무환경을중심으로-, 한국산업안전공단산업안전보건연구원, 2008 Author listings 김다스란 pocopo@paran.com 성공회대학교디지털컨텐츠학부학사현재 : 아주대학교산업공학과석사과정관심분야 : Ergonomics, UX, HCI
이성군 cellsg_lee@yahoo.co.kr 한양대학교정밀기계공학과학사, 한양대학교산업경영대학원석사현재 : 아주대학교산업공학과박사과정관심분야 : Ergonomics, Work Design 박범 ppark@ajou.ac.kr IOWA State Univ. HCI 현재 : 아주대학교산업공학과교수관심분야 : Ergonomics, HCI