수전달 진동 측정에서의 불확도 저감에 대한 연구
A Study on the Reduction of Uncertainty in Measurement of Hand-transmitted Vibration
초록/요약
본 연구에서는 수전달 진동의 측정·평가를 위한 시스템을 개발하였고, 수전달 진동 평가에 불확도의 개념을 도입하여 불확도의 원인을 분석하여 불확도 추정방법을 구축하였다. 불확도에 영향을 미치는 인자들 중에서 그 영향이 큰 작업자의 작용력을 측정하여 제어할 수 있도록 시스템을 개발하여, 측정·평가 시스템과 통합하였다. 개발한 시스탬을 이용해서 작용력을 특정 범위로 제한하였을 경우에 수전달 진동 평가량의 불확도가 저감됨을 시험을 통해서 검증하였고, 불확도를 고려한 최대 진동 피폭량을 기준으로 허용 작업시간을 산정해야함을 주장한다. 수전달 진동은 작업자가 동력수공구를 사용할 때 공구를 쥐고 있는 손과 팔을 통해 신체로 전달되는 충격 및 진동을 의미한다. 수전달 진동에 장기간 노출되면 작업 효율이 저감됨은 물론 혈관계, 신경계 그리고 근골격계 장애 등을 유발할 수 있기 때문에 1960년대부터 수전달 진동에 대한 허용기준치를 설정하여 동력공구를 사용하는 작업자들의 일간 진동 피폭량을 제한하는 규정을 시행해오고 있다. 그러나, 수전달 진동의 평가는 인체를 대상으로하기 때문에 평가량의 재현성과 신뢰성이 낮음에도 불구하고 이에 대한 연구는 전무한 상태였다. 본 연구에서는 먼저, 국제적으로 통용되고 있는 ISO 5349:2001의 지침에 따른 수전달 진동 측정·평가 시스템을 개발하였다. 이것은 50여년 전부터 수전달 진동에 대한 연구를 수행해 온 서구유럽과 동등한 수준의 시스템을 구축한 것을 의미한다. 그리고, 수전달 진동 측정의 영향을 미치는 인자 중에서 그 영향이 큰 것으로 알려진 공구와 작업자의 기계적 연성에 의한 우연 오차를 저감하기 위해서 작용력 측정을 위한 시스템을 개발하여 수전달 진동 측정·평가 시스템과 통합하였다. 시스템에 포함된 LabVIEW 프로그램은 인체에 미치는 진동의 주파수별 중요성을 반영하는 주파수 가중 처리를 포함하여 가속도 측정을 통해 평가량인 진동 총값을 산출할 수 있도록 구성하였다. 또한 측정 불확도를 저감하기 위한 방법으로 수전달 진동 측정시 작용력을 동시에 측정하기 위한 시스템의 개발과정에 대해서 설명하였다. 작용력 측정은 정적인 작용력을 측정하기 위해서 스트레인 게이지를 측정 센서로 사용하는 핸들과 핸들교정 시험을 통해 결정된 민감도에 따른 작용력 모니터링 프로그램을 포함한다. 그리고, 수전달 측정 및 평가 시스템과 작용력 측정 시스템을 통합하여 수전달 진동에 피폭되는 피시험자가 공구를 작동시키면서 자신의 작용력을 모니터링하여 일정 범위내로 조절할 수 있도록 하였다. 수전달 진동 측정 및 평가에 있어서 불확도를 산출하는 절차는 국제적으로 인정되어 측정의 신뢰수준을 표현하는 방식인 ‘측정 불확도(Uncertainty in Measurement)’의 개념을 도입하여 산출방식을 구축하였다. 수전달 진동의 측정이 작업자의 손과 공구가 연성되어 있기 때문에 불가피하게 발생하는 작업자와 작업과정에서 발생하는 불확도를 저감하기 위한 방법으로 가속도와 작용력을 동시 측정하는 방법을 고안하였다. 작용력을 악력과 이송력으로 구분하여 각각의 힘을 동시에 측정할 수 있는 핸들을 개발하여 실제 공구 작업에 적용함으로써 불확도가 저감됨을 확인하고자 하였다. 작용력을 일정 범위로 제한하여 측정한 경우의 불확도가 그렇지 않은 경우보다 공구와 작업자별로 최소 33 %에서 최대 104 %까지 감소됨을 확인하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 산술평균과 불확도를 고려한 최대 진동 피폭량과 허용 작업시간 산출 방법에 따를 경우, 신뢰성 있는 진동 피폭량과 작업자의 안전을 고려한 허용 작업시간을 산출에 기여할 수 있음을 증명하였다. 본 연구에서 개발한 수전달 진동과 작용력 측정 시스템은 저진동 공구를 개발을 목적으로 하는 공구 개발자에게 설계 가이드 라인을 구축하기 위한 유용한 수단을 제공할 수 있고, 공구 진동의 유해성으로부터 작업자를 보호하는 1차적인 보호구인 방진장갑의 진동 절연 성능을 평가하는 시스템 개발에 활용될 수 있다. 또한 인체의 손을 생체동역학적 관점에서 모델링하기 위한 기초 자료로 사용되는 구동점에서의 수완계 기계적 임피던스 측정을 위해서도 활용될 수 있다.
more목차
제 1 장 서론 = 1
1.1 연구 배경 = 1
1.2 연구 목적 = 5
1.3 각 장별 개요 = 7
제 2 장 수전달 진동과 측정 불확도 = 9
2.1 수전달 진동 = 9
2.1.1 수전달 진동의 연구 및 규제 동향 = 9
2.1.1.1 미국 = 9
2.1.1.2 영국 = 13
2.1.1.3 일본 = 17
2.1.1.4 우리나라 = 18
2.1.2 수전달 진동의 측정·평가 방법 = 21
2.1.2.1 ISO 5349:2001 = 21
2.1.2.2 미국산업위생 정부전문가회의(ACGIH) = 35
2.1.2.3 미국국립표준협회(ANSI) = 38
2.1.2.4 수완계에 흡수되는 에너지 측정을 통한 평가 = 41
2.1.3 수전달 진동의 피폭기준 = 44
2.1.3.1 Directive 2002/44/EC = 44
2.1.3.2 미국산업위생 정부전문가회의(ACGIH) = 45
2.2 측정 불확도 = 48
2.2.1 측정 불확도의 개념 = 48
2.2.1.1 불확도 배경과 역할 = 48
2.2.1.2 측정의 불확실성 = 49
2.2.1.3 측정 불확도의 개념 = 51
2.2.2 측정 불확도 산출 방법 = 54
2.2.2.1 관계식의 설정 = 55
2.2.2.2 표준불확도 추정 = 55
2.2.2.3 불확도의 합성 = 58
2.2.2.4 확장불확도 산출 = 59
제 3 장 가속도와 작용력 동시 측정 시스템 = 61
3.1 가속도 측정 시스템 = 61
3.1.1 가속도계의 고정 및 위치 = 62
3.1.2 가속도의 측정 신호 처리 = 66
3.1.3 단축 가속도 측정 및 문제점 개선 = 68
3.1.4 3축가속도 측정 = 71
3.2 작용력 측정 시스템 = 75
3.2.1 정적 작용력 측정 핸들 = 76
3.2.1.1 교정 시험 방법 = 77
3.2.1.2 스트레인 게이지 부착 = 79
3.2.1.3 힘-전압 사이의 민감도 결정 = 81
3.2.1.4 작용력 측정 및 모니터링 프로그램 개발 = 82
3.2.2 동력공구용 작용력 측정 핸들 = 84
3.2.2.1 작용력 측정 원리 = 85
3.2.2.2 작용력 측정용 핸들 = 88
3.2.2.3 교정 시험 = 94
3.2.2.4 공구 작업 시 작용력의 측정 = 97
3.3 측정 시스템 통합 = 99
3.2.1 가속도와 작용력 동시 측정 목적 = 99
3.2.2 가속도와 작용력 동시 측정 프로그램 = 101
제 4 장 수전달 진동 측정에서의 불확도 산출 = 103
4.1 수전달 진동에서의 측정 불확도 = 103
4.1.1 측정 장비에 의한 불확도 = 103
4.1.1.1 배선 문제 = 104
4.1.1.2 전자기적 간섭 = 105
4.1.1.3 마찰전기의 영향 = 105
4.1.1.4 직류 천이(DC-Shift) = 105
4.1.1.5 정기적인 교정 = 106
4.1.2 작업자에 의한 불확도 = 108
4.2 수전달 진동의 측정 불확도 산출 = 110
4.2.1 불확도의 평가 방법 = 110
4.2.1.1 불확도 요인 분석 = 111
4.2.1.2 측정의 수학적 모델 수립 = 111
4.2.1.3 표준불확도 추정 = 112
4.2.1.4 불확도 합성 = 116
4.2.1.5 확장불확도 산출 = 116
4.2.2 측정 불확도 저감을 위한 시험과 결과 = 117
4.2.2.1 측정 시스템의 구성과 절차 = 117
4.2.2.2 시험 결과 = 121
4.2.2.3 시험 결과 분석 = 127
4.2.2.4 결론 = 131
제 5 장 수전달 진동과 작용력 측정 기술의 활용 = 132
5.1 방진 장갑의 진동 절연 성능 평가 = 132
5.1.1 방진 장갑 성능 평가를 위한 작용력 측정용 핸들 = 133
5.1.2 시험 장치의 구성 = 135
5.1.3 진동 전달률 측정 시험 = 137
5.1.3.1 가진 신호 = 137
5.1.3.2 방진장갑의 선정 = 138
5.1.3.3 시험 방법 = 139
5.1.3.4 시험 결과 및 분석 = 141
5.2 구동점에서의 수완계 기계적 임피던스 산출 = 144
5.2.1 측정 방법 = 144
5.2.2 측정 실험 = 147
5.2.2.1 실험 조건 = 147
5.2.2.2 실험 결과 및 분석 = 148
5.2.2.3 수완계에 흡수되는 파워의 추정 = 153
5.3 저진동 공구 개발을 위한 가이드라인 구축 = 154
5.3.1 수전달 진동 측정 분석 시스템 = 155
5.3.2 저진동 공구 개발 가이드라인 구축 = 158
5.3.2.1 앵글 그라인더(DAG-70) = 159
5.3.2.2 임팩트 렌치(DIW-14P) = 169
제 6 장 결론 = 177
6.1 연구내용 종합 및 결론 = 177
6.2 향후 연구 과제 = 181
참고문헌 = 182
Abstract = 188
