실험계획법을 이용한 인체공학적 디자인의드럼식 세탁기를 위한 생체역학적 연구

Abstract

[한글]최근의 가전제품의 동향은 제품의 기능 뿐 아니라 사용자의 사용편의에도 그 기능이 좋아야 고객들의 마음을 사로잡을 수 있는 추세다. 이는 사용편의가 가전제품을 고르는데 있어서 중요한 의미를 가지는 것으로 볼 수 있다. 사용하는데 있어 편의성 증진을 위해 몇 년 전부터 인체공학적 디자인이 가전제품 시장에 큰 동향으로 자리 잡았고 무엇보다 이러한 인체공학적인 디자인은 가전제품의 매출로 이어지고 있다. 이런 상황에 맞추어 가전제품의 사용에 있어서 편의성에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 연구방법에 있어서 실제 객관적인 지수를 통한 방법보다는 설문조사와 같은 주관적인 방법이 진행되어 왔다. 이에 본 연구에서는 일상생활에서 주로 쓰이는 드럼 세탁기의 사용에 있어서 사용자의 편의성을 위한 드럼의 높이와 각도에 대한 실제 인체 반응에 대해 분석하였다. 인체 반응에 대한 분석을 위해 작업조건 또는 공정 규격을 만족하는 인자의 조건을 알아내고자 할 때 쓰이는 실험계획법인 반응표면법을 이용하여 드럼의 높이와 각도에 대한 실험을 설계하였다. 3차원 동작분석 시스템을 통한 모션 캡쳐와 이를 통해 3D 근골격계 가상 인체모델을 이용하여 역동역학해석을 수행하였다. 해석 결과로 허리, 엉덩, 무릎관절의 토크와 척추 기립근과 넙다리근의 수축길이를 얻었고, 계산된 토크의 최대값과 수축정도를 반응요소로 사용하였다. 또한 관절 주위의 근육부하를 알아보기 위해 3차원 동작분석 시스템과 동기화하여 근전도를 획득하였고 이를 이용하여 근활성도를 계산하였다. 그리고 관절토크와 근육의 수축정도, 근활성도의 최대값을 반응요소로 하여 적합성 결여 테스트와 회귀식의 유의수준, p값을 가지고 모형의 적합성을 판단하였다. 구한 모형의 분산분석을 이용하여 각 반응변수에 대한 유의 수준, p값을 얻었으며 이를 비교하여 회귀식에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과로, 인체에 작용하는 부하를 줄이기 위해서는 높이, 각도 모두 영향이 있는 것을 확인하였다. 또한 각 관절과 척추 기립근에서 회귀식에 대한 영향이 각도보다 높이의 효과가 더 있었다. 넙다리 근육에서는 높이 뿐 아니라 각도의 영향이 다른 인체 부위보다 더 큰 것을 확인하였다. 또한 현재 사용되고 있는 드럼 세탁기에 대한 추가 실험을 통하여 실험계획법의 결과의 효용성을 확인하였다. 그 결과 드럼 투입구의 높이가 65mm 낮고 각도가 15° 기울어진 드럼 세탁기 사용 시 엉덩관절, 무릎관절, 넙다리 근육에 부가되는 부하가 줄어드는 것을 확인하였다.본 연구의 결과를 통하여 드럼식 세탁기의 인체공학적 디자인 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료되며 사용자의 편의성과 동작의 안정성에 기여할 수 있는 평가 방법을 제시할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 기립자세에서 허리와 무릎을 굽혀 사용하는 다른 가전제품에 대한 사용자의 편의성 평가에도 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다.

[영문]The concept of universal design has been developing throughout the world and has been important factor in home appliance market. The purpose of this study is to investigate the response of users in the context of drum height, angle settings. To find the trend of human response in the drum height and angle of drum washing machine, design of experiment (DOE) was used to make the drum height, angle settings of three-dimensional motion analysis experiments and predict contour of maximum demanding force of principal joints and muscle contraction length, activation level of muscles in drum settings. The demanding lumbar, hip, knee joint torque and erector spinae, rectus femoris, biceps femoris contraction length were obtained using three dimensional human musculoskeletal model in BRG.LifeMod and calculated using MSC.ADAMS and demanding erector spinae and femoris muscles activation level was obtained from electromyography(EMG). Response contour of torque and activation level were generated and assessed the parameters variation using regression process. The result show that every joint torque and muscle contraction, activation were affected from drum height and angle. As drum height is closer to 902mm, and drum angle is closer to 30 degrees, torque and muscle activation level is decreased. Drum height is more effective factor than drum angle in response model of lumbar, hip, knee joint and erector spinae muscle. Regression analysis of Response model of femoris muscle showed that both drum height, angle are effective factors in comparison with other human parts. The result of this study suggest that higher drum is easier for using surely and closer to 30 degrees drum makes more comfortable in same drum height. This study will be help in estimation method for ergonomic design development and improvement of convenience for home appliance using.