[논문 리뷰] Ergonomics Integrated Design Methodology using Parameter Optimization, Computer-Aided Design, and Digital Human Modelling: A Case Study of a Cleaning Equipment

Neelesh Kumar Sharma, Mayank Tiwari외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Ergonomics and Human Factors인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 청소 장비 조작기의 향상을 위해 매개변수 최적화, CAD, 디지털 인간 모델링을 통합한 인체공학적 설계 방법론을 제시한다. 생체역학 분석에 3DSSPP를, 최적화에 MATLAB/Minitab를 사용하여 최종 설계는 기계적 이득에서 241% 향상되고 RAPID 전신 평가 점수에서 6점 감소를 달성하였으며, 관절력은 99%의 사용자에게서 허용 가능한 수준이었다.

ABSTRACT

Challenges of enhancing productivity by amplifying efficiency and man-machine compatibility of equipment can be achieved by adopting advanced technologies. This study aims to present and exemplify methodology for incorporating ergonomics pro-actively into the design using computer-aided design and digital human modeling-based analysis. The cleaning equipment is parametrized to detect the critical variables. The relations are then constrained through the 3DSSPP software-based biomechanical and experimental analysis using a prototype. MATLAB and Minitab software is used for optimizing efficiency while satisfying the established constraints. The experiment showed nearly 67%, 120%, and 241% successive improvement in the mechanical advantage in comparison to their immediate predecessors. A significant (6 point) reduction in rapid entire body assessment score has been observed in the final posture while working with the manipulator. 3DSSPP suggested that the joint forces during the actuation of the manipulator were acceptable to 99% of the working population. The study demonstrated the potential of the methodology in revamping the equipment for improved ergonomic design.

연구 동기 및 목표

• 기계 장비 설계의 초기 단계에 인체공학을 사전적으로 통합하는 방법론을 개발하기 위해.
• 특히 반복적이고 부자연스러운 자세로 인한 근골격계 부담이 발생하는 청소 장비 운용 시 인체공학적 위험을 해결하기 위해.
• 컴퓨터 모델링과 최적화를 통해 인간-기계의 호환성과 운영 효율성을 향상시키기 위해.
• 실제 청소 장비 사례 연구를 통해 측정 가능한 생체역학적 및 성능 결과를 바탕으로 방법론을 검증하기 위해.

제안 방법

• 핵심 설계 변수를 식별하고 정의하기 위해 청소 장비의 파arametric 모델링을 수행하였다.
• 장비 작동 중 자세에 대한 생체역학 분석을 위해 3DSSPP 소프트웨어를 활용한 디지털 인간 모델링을 수행하였다.
• 정의된 기계적 및 인체공학적 제약 조건 하에 다변수 매개변수 최적화를 위해 MATLAB과 Minitab를 적용하였다.
• 시뮬레이션 결과의 정합성을 검증하고 설계 매개변수를 보완하기 위해 실험적 프로토타이핑을 실시하였다.
• 설계 반복 과정에서의 인체공학적 위험 감소 정도를 정량화하기 위해 RAPID(Rapid Entire Body Assessment)를 통합하였다.
• 관절력에 대해 99번째 백분율 인구 수준에서의 수용 가능성을 기반으로 제약 조건을 설정하여 광범위한 사용성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 도구를 활용하여 기계 장비 설계의 초기 단계에 인체공학을 체계적으로 통합할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 청소 장비에서 매개변수 최적화를 통해 기대할 수 있는 기계적 이득 향상과 인체공학적 위험 감소 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 디지털 인간 모델링과 생체역학 시뮬레이션은 장비 운용 중 근골격계 부담을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 최적화된 설계 매개변수는 설계 반복 과정에서 RAPID 점수의 측정 가능한 감소를 이끌 수 있는가?
• RQ5 최종 설계는 관절력 노출 수준과 사용자 인구군 수용성 측면에서 이전 버전과 비교하여 어떻게 다를 수 있는가?

주요 결과

• 최종 설계는 초도 프로토타입 대비 기계적 이득에서 241% 향상된 결과를 보였다.
• RAPID 전신 평가 점수에서 6점 감소가 관찰되어 인체공학적 위험 감소가 뚜렷하게 확인되었다.
• 3DSSPP 분석 결과, 조작기 작동 중 관절력은 99%의 근로자 인구군에서 허용 가능한 수준으로 평가되었다.
• 계속되는 설계 반복 과정에서 이전 두 버전 대비 기계적 이득에서 각각 67%와 120% 향상된 결과를 기록하였다.
• 통합된 방법론은 근골격계 부담을 감소시키면서 기계적 효율성을 향상시키는 데 성공하였다.
• CAD, 디지털 인간 모델링, 최적화 도구의 조합은 데이터 기반의 인체공학 중심 설계 의사결정을 가능하게 하였다.