4. 인간공학적 작업부하 평가시스템 개발 및 성능평가
4.3 위치(Position) 지정 벡터(Vector) 기반 OWAS 평가시스템(PV-OWAS) 개발
위치(Position) 지정 벡터(Vector) 기반 OWAS 평가 시스템(PV-OWAS)은 파이썬 기반으로 비주얼 스튜디오 코드(Visual Studio Code, Microsoft)로 개발하였다. PV-OWAS는 [그림 4-2]와 같이 3단계 절차를 따라 하면 작업의 부하수준을 자동으로 평가할 수 있도록 개발하였다. 첫 번째 단계는 평가시스템이 구동되면 평가 유의사항(신체관절의 선택 기준점)을 안내하고 사진으로 식별하기 어려운 4가지 사전 정보(앉음, 걷기, 무게중심, 무게)를 평가자에게 입력받는다. 두 번째 단계는 분석이 필요한 작업 사진 (작업 자세)를 선택하고 작업자의 주요 신체 관절(총 10개; 왼팔 2개(어깨점, 팔꿈치), 오른팔 2개, 왼쪽 다리 3개(엉덩이 관절점, 무릎, 발목), 오른쪽 다리 3개)에 기준점을 해당 사진 위에 마우스로 지정한다. 마지막 세 번째 단계는 PV-OWAS가 지정된 벡터 기반의 기준점 좌표(x, y)를 이용하여 삼각함수 및 좌표 연산으로 신체부위 각도와 거리를 스스로 계산하고 각 항목에 대한 자세 코드(점수) 및 조치 수준(Action Level) 결정을 자동으로 수행하여 최종결과(AC)를 찾아준다. 또한, 최종 자세코드(점수)를 이용하여 세부 평가 항목(상체, 상지, 하지, 작업무게) 점수를 자체적으로 시뮬레이션 하여 조치 수준이 하락(향상)될 수 있는 경우가 있을 때는 평가자에게 개선 방안을 수립할 때 참고할 수 있도록 개선 우선순위을 제시하도록 하였다.
[그림 4-2] PV-OWAS 평가 절차
4.3.1 허리(Back) 부하 계산
허리에 대한 부하 평가는 선 자세, 20도 이상 굽힘, 20도 이상 비틀림, 그리고 20도 이상 굽힘과 비틀림을 구분하여 1점, 2점, 3점, 4점의 부하 점수를 부여한다. Karhe 등(1977)이 발표한 OWAS 평가[61]에서는 구부림과 비틀림에 대한 각도 기준을 제시 하지 않았으나 한국산업안전보건공단[62]에서는 20도 이상이라는 각도 기준을 제시 하고 있으며 사업장 대부분에서 KOSHA에서 제시하고 있는 양식을 사용하고 있는 점을 고려하여 굽힘과 비틀림 판단 시 각도 기준 20도를 채용하였다. PV-OWAS는 평가 대상 작업 사진 위에 평가자가 지정한 기준점을 이용하여 상체의 굽힘(bent) 각도와 비틀림(twist) 각도를 계산하여 허리의 부하 점수를 계산한다.
본 연구에서는 작업 사진에 지정된 가슴 중앙점과 허리 중앙점을 연결한 선을 상체로 정의하였다. 상체의 굽힘 각도는 [그림 4-3]과 같이 상체의 벡터값과 하지(허리)와 연결한 수직 기준선의 벡터값 사이의 각도(Q)로 정의하였으며 이 각도가 20도 이상 벌어졌을 경우 상체에 굽힘이 발생한 것으로 판단하여 부하 점수를 부여하였다.
상체가 허리 밑으로 굽혀진 경우에는 허리의 수평 연장선과 상체의 각도를 구한 후 90도를 합산하여 굽힘 각도에 대한 부하점수를 부여하였다.
[그림 4-3] 허리 부하(굽힘) 측정
상체의 비틀림 각도는 [그림 4-4]와 같이 어깨 선(좌우 어깨 관절을 연결한 선)의 벡터 값과 엉덩 선(좌우 엉덩 관절을 연결한 선, hip joint)의 벡터 값으로 각도를 계산 하였다. 어깨 선은 평가 대상 작업 사진 위에 지정된 좌측 어깨 관절의 중앙점과 우측 어깨 관절의 중앙점을 연결하여 정의하였으며 엉덩 선은 좌측 엉덩관절의 중앙점과 우측 엉덩관절의 중앙점을 연결하여 설정하였다. PV-OWAS는 어깨 선을 기준으로
어깨 선과 가상의 엉던 선 사이의 각도(Q)를 측정하여 상체의 비틀림 각도를 계산 하였으며 이 각도가 20도 이상 벌어졌을 경우 상체에 비틀림이 발생한 것으로 판단 하여 부하 점수를 부여하였다.
[그림 4-4] 허리 부하(비틀림) 측정
4.3.2 상지(Upper Limbs) 부하 계산
상지에 대한 부하 평가는 두 팔꿈치가 모두 어깨 아래, 한쪽 팔꿈치가 어깨 위, 그리고 두 팔꿈치가 모두 어깨 위로 구분하여 1점, 2점, 3점으로 부하 점수를 부여 한다. 본 연구는 [그림 4-5]와 같이 작업 사진 위에 지정한 팔꿈치 관절의 벡터값이 어깨 관절의 벡터값보다 위에 있는지 판단하여 부하 점수를 부여하였다.
[그림 4-5] 상지 부하 측정
4.3.3 하지(Lower Limbs) 부하 계산
하지에 대한 부하 평가는 7개의 자세로 구분하여 부하 점수를 부여한다. 각 자세와 부하점수는 앉음(1점), 두 다리 무게중심으로 두 무릎을 펴고 선 자세(2점), 한 다리 무게중심으로 한 무릎을 펴고 선 자세(3점), 두 다리 무게중심으로 두 무릎 굽혀 선 자세(4점), 한 다리 무게중심으로 한 무릎 굽혀 선 자세(5점), 무릎 꿇기(6점), 걷기(7점)로 부하점수를 부여한다. 하지에 대한 부하평가는 현재까지 판단 기준이 명확하지 않다.
한국산업안전보건공단(KOSHA)에서 배포하고 있는 OWAS의 하지 평가 기준[62]과 Karhe 등(1977)이 발표한 OWAS 평가 기준[61]에는 양발과 한발의 기준이 무게중심의 개념인지 발의 들림 개념인지 명확하지 않고 어느 정도 무게중심이 이동하여야 신체의 무게중심이 한 발에 있다고 판단할 것인지 명확하지 않다. 특히, 사업장에서 서서 조립작업을 하는 경우 허리의 부담으로 인하여 많이 발생하고 있는 짝다리를 짚는 자세는 사진으로 무게중심을 판단하기 어려운 경우가 발생하기도 한다. 또한 무릎 굽힘은 어느 정도 굽혀야 무릎 굽힘으로 판단할 것인지에 대한 기준이 제시되지 않아 평가에 모호함이 존재하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 PV-OWAS의 평가기준을 명확히 하기 위하여 Buchholz 등(1996)이 OWAS를 기준으로 개발한 PATH기법[66]을 참조하여 한 발이 공중에 들려 있을 때 무게중심이 한 발에 있다고 판단하였으며 평가의 오류를 보완하기 위하여 평가자에게 사전정보로 무게중심에 대한 정보를 별도로 입력하도록 하였다. 무릎 굽힘의 경우에는 PATH기법에서 무릎 굽힘 각도가 35°이상이면 무릎 굽힘이 발생한 것으로 판정하여 이를 PV-OWAS와 DL-OWAS 평가시스템에 적용하였다.
하지의 부하 계산 시 앉음, 걷기, 무게중심은 사진으로 정확한 판별이 불가능할 수 있어 평가자가 사전 정보로 미리 입력하도록 하였다. 선 자세와 무릎 굽힘을 구분하기 위하여 [그림 4-6]과 같이 무릎 굽힘의 각도를 계산하는 것이 필요하다. 무릎 굽힘 각도는 윗다리 선(엉덩관절의 중앙점과 무릎관절의 중앙점을 연결한 선)이 직선을 이루는 가상의 선과 아랫다리 선(무릎관절의 중앙점과 발목관절의 중앙점을 연결한 선) 간의 사이 각도(Q1, Q2)로 계산되었다. 본 연구는 마지막으로, 무릎 꿇기는 무릎관절의 중앙점이 발목관절의 중앙점보다 낮은 위치에 있는지로 판정하였다.
[그림 4-6] 하지 부하 측정
4.3.4 무게(Weight) 부하 계산
작업 무게에 대한 부하 평가는 10kg 미만, 10kg 이상 및 20kg 미만, 20kg 이상으로 구분하여 1점, 2점, 3점으로 부하 점수를 부여한다. 본 연구에서는 작업 사진으로부터 작업물의 무게를 추정하는 것이 불가능하여 작업부하를 평가하는 평가자에게 작업 무게를 사전정보로 입력하도록 하였다.
4.3.5 조치수준(AC) 결정 및 판정
OWAS는 4가지 항목으로 구분하여 정량적으로 부여된 작업부하 점수를 종합하여 조치수준을 결정한다. 각 신체부위별 평가항목의 점수는 [그림 4-7]에 나타낸 점수표를 사용하여 최종점수를 부여하였다. 본 연구의 조치 수준은 Karhe 등(1977)이 발표한 OWAS 평가 기준[61]을 참고하여 4개 수준으로 분류하고 AC 1은 수용 가능한 자세, AC 2는 지속적 관찰 필요, AC 3은 가능한 빨리 개선, AC 4는 즉시 개선이 필요한 작업으로 설정되었다.
[그림 4-7] 조치수준(AC) 점수표
4.3.6 PV-OWAS 평가시스템 구현
PV-OWAS 시스템은 [그림 4-8]과 같은 형태로 개발되었다. 평가자가 사진 위에 작업자의 주요 관절 10개를 마우스로 지정하면, 사진 위에 지정된 관절을 선으로 연결하여 시각적으로 표시해 주도록 하여 작업자세를 시각적으로 확인할 수 있도록 하였다. 또한, PV-OWAS는 사용자가 지정한 관절의 위치정보(벡터 값)를 이용하여 OWAS의 4가지 신체부위 부하점수와 평가 결과로 도출된 조치수준(AC)을 자동으로 계산하여 평가자에게 제시해 주도록 하였다. PV-OWAS는 계산된 부하점수와 조치수준을
한 단계 낮아졌을 때 조치 수준이 1단계 하락(자세부하 감소)할 수 있는 경우를 자체 시뮬레이션하여 평가자에게 제시하게 함으로써 평가자가 개선대책 및 개선 방향을 수립할 때 참고하도록 하였다.
[그림 4-8] PV-OWAS 실행결과 화면