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작업의 생체역학

작업의 생체역학. “ 육체적인 작업이 수행될 때의 근육과 골격 및 피부의 기계적 행동에 대한 과학이며 , 이를 통해 산업체에서일어나는 수작업 활동의 물리적 속성에 대한 이해를 제공하고자 하는 학문이다 ”  인간의 근골격 체계를 물리학적 법칙들을 따르는 물리적 체계로서 분석한다 .  MMH 환경에서 인간수행과 근골격 문제를 연구분석  육체작업을 인간공학적으로 분석하는데 근본적이고 과학적인 기초를 제공.  개요.  근골격 체계 : 뼈 , 근육 , 연결조직으로 구성

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작업의 생체역학

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Presentation Transcript

  1. 작업의 생체역학

  2. “육체적인 작업이 수행될 때의 근육과 골격 및 피부의 기계적 행동에 대한 과학이며, 이를 통해 산업체에서일어나는 수작업 활동의 물리적 속성에 대한 이해를 제공하고자 하는 학문이다” 인간의 근골격 체계를 물리학적 법칙들을 따르는 물리적 체계로서 분석한다.  MMH 환경에서 인간수행과 근골격 문제를 연구분석  육체작업을 인간공학적으로 분석하는데 근본적이고 과학적인 기초를 제공  개요

  3. 근골격 체계 : 뼈,근육,연결조직으로 구성  connective tissues : tendons, ligaments, fascia,cartilage  주요기능 : 신체 및 신체 가 부위들을 지탱보호, 자세유지, 신체운동을 만들어 내며 열을 생성하고 체온 유지  뼈와 연결조직  건 : 근육을 뼈에 부착시키고 있는 조밀한 섬유 연결조직으로 근육에 의해 발휘된 힘을 뼈에 전달해주는 기능  인대 : 뼈의 관절을 연결, 관절부위에서 뼈들이 협응토록 함  근막 : 근육과 다른 신체구조물을 둘러싸서 서로 분리 시키는 역할  연골 : 반투명 탄력조직  근육  약 400개 근육으로 구성, 체중의 40~50% 차지  신체에너지의 반 정도를 소비 1. 근골격 체계

  4.  신체의 기계적 특성에 대한 수학적 모델로서 근골격체계들은 기계적인 링크 구조로 분석되며 뼈나 근육은 지레로 작용한다. 특정 근골격 요소에 부과되는 스트레스 수준의 수량적인 예언과 직무의 분석적 도구로 사용  뉴-튼의 3가지 물리학적 법칙에 기초 - 물체는 불균형적인 외부의 힘이 작용하지 않는 한 일정한 운동상태로 혹은 정지상태로 남아 있게 된다. - 힘은 물체의 가속도에 비례한다. - 작용은 이와 같은 힘의 크기를 갖는 반작용을 받는다. 정적평형상태 : 신체나 체절이 움직이지 않을 때 - 모든 외부 힘의 합은 0 - 모든 외부 모멘트의 합은 0 2. 생체역학 모델

  5. 많은 힘 + 반복 + 불편한 자세  근골격계 질환 자연스럽지 않은 관절 부위의 자세 고장 허리 무리한 힘을 사용 근골격계 오랜 시간 반복적인 동작 신경계 부분적인 압력 localized pressure 손상 - 힘줄 - 신경 - 근육 엉덩이 진동 및 저온에 노출 개인적 요소 근골격계 질환 –누적외상병 CTD

  6. 뼈 206개 몸통 골격: 80개 팔/다리 골격: 126개 관절 목/허리/무릎/발목 어깨/팔꿈치/손목/손가락 근육 약 650개의 근육 - 남자: 몸무게의 42% - 여자: 몸무게의 36% 힘줄/건(腱) 근육과 뼈를 연결하는 부분 인대 관절에서 뼈를 연결해 주는 부분 근육 힘줄 인간의 신체 이해

  7. 골격 및 근육 체계

  8. 신체와 텐트 • 골격: 텐트의 기둥pole • 근육: 로프rope • 힘줄: 기둥에 연결되는 로프의 끝부분 • 인대: 텐트의 기둥을 안정화 시키는 데 필요한 스프링/고무

  9. 7.9% 48.6% 2.7% 1.4% 0.6% 9.7% 4.6% 1.4% 신체 부위의 무게 –왈톤 Walton • 머리/목 -------- 7.9% • 몸통 ---------- 48.6% • 팔 ------------- 4.1% • 상완 --- 2.7% • 하완 --- 1.4% • 손 -------------- 0.6% • 다리 -----------14.3% • 상지 --- 9.7% • 하지 --- 4.6% • 발 ------------- 1.4% 합계 97.3%

  10. 신체 부위의 상대적 크기

  11. 손으로 물체 다루기manual material handling작업에 영향을 미치는 요소

  12. 물리학 F = ma, M = F*d ΣF = 0, ΣM = 0 지렛대의 원리 기준점: L5/S1 (5번 척추와 1번 천추 사이의 디스크) 무게 중심Center of Gravity 일(W) = 에너지(E) 일 = 힘 * 거리 (W = F * d) 일률(P) = 일/시간 = 에너지/시간 = 마력(HP) 1 마력 = 33,000 ft-lbs./min. = 550 ft-lbs./sec. 마력 1 Kg 의 근육  0.3 마력을 발휘 70 Kg 남자의 경우 - (근육의 무게) * 0.3 = (70 Kg * 0.45) * 0.3 마력/Kg = 10 마력 - 지속적인 일의 경우: 0.5 마력 어떤 일에 필요한 마력은? - 예: 200 lb의 무게를 4.5 ft 들어야 한다면, 200*4.5 = 900 ft-lb - 900 ft-lb/time = 0.5 HP = 275 ft-lb  3.3초간 들어올려야 한다 Biomechanics

  13. ΣM = 0 ΣMcw = ΣMccw 1.5 * 15 + 10 * 33 = 4 * Fm Fm = 352.5/4 = 88.125 Kg중 Physics

  14.  단일 체절에 대한 평면적/정적 모델  작업관절,근육에 부과되는 신체적 스트레스를 규명할 목적으로 역학적 법칙을 사용, 특정 체절을 분석

  15.  20kg 의 무게가 나가는 물체를 두 손으로 잡아 전완을 지면과 평행하게 유지할 때, 하중은 두 손에 동등하게 분배되어 있고 물체와 팔꿈치 사이의 거리는 36cm, 전완의 무게 16N 라고 한다. 외부의 하중에 의해 팔꿈치에 야기된 힘과 회전모멘트는 - 평형상태의 첫 번째조건을 사용하여 팔꿈치에 작용하는 힘을 구해보면 - 팔꿈치에서의 힘의 총합 = 0 -16N – 98N + Relbow = 0 Relbow = 114N - 두 번째 조건을 사용, 팔꿈치 모멘트를 구해보면 팔꿈치에서의 모멘트의 총합 = 0 (-16N)(0.18m) + (-98N)(0.36) + Melbow =0 Melbow = 38.16N-m

  16.  두 개의 체절들에 대한 평면적/정적 모델  단일 체절 모델 확장한 형태로 어깨나 척추같이 외부 하중에서 떨어진 신체 관절 부위들을 연결된 링크로 간주하여 신체적 스트레스를 결정

  17.  결론적으로 보면  2-체절 모델과 단일-체절 모델의 계산결과를 비교해보면 - 동일한 20kg 의 물체를 다룰 때 Mshoulder 는 Melbow 보다 2배 이상 크다. - 이것은 어깨관절이 하중에서 더 멀리 떨어져 있고 상완과 전완 무게가 어깨에 스트레스를 더 주기 때문이다.

  18.  요추부하  직립시 몸의 균형과 요추에 대한 부하 x y 요추 추체 W P 허리 요추부에 실제 걸리는 부하 W : 물건 무게(여기서는 체중의 60%) X : 무게중심에서의 거리 Y : 무게중심에서 근육까지의 거리 P : 근육에 가해지는 부하(긴장) - 실제 lifting 무게 : (W + P)

  19.  허리를 반쯤 구부렸을 때 요추에 걸리는 부하 - 30도 구부림 : 상체의 중심선까지 거리가 3배 멀어지고 후방 배근까지는 안 변함. - 따라서 요추에는 체중의 60%인 전방모멘트와 이의 3배인후방모멘트가 부과된다. 즉, 전체 부하는 (체중의 60%) x 4배로 똑 바로 선 자세의 2배 부하임.

  20.  상체무게 Wtorso를 갖는 사람이 Wload의 무게를 갖는 하중을 들어 올린 경우  L5/S1에 작용하는 모멘트를 구해보면(모멘트 총합 = 0) h 5 b L5/S1 Fmusc Wtorso (MGbw:상체) Wload (MGl:물체) Fmusc x 5 = MGl x h + MGbw x b Fmusc = MGl x h/5 + MGbw x b/5 여기서 b와 h는 항상 5(모멘트 암을 가진 등근육) 보다 크기 때문에 Fmusc(등근육의 힘으로 하요부의 근력을 의미함.) 는 하중과 상반신 무게를 合한 것보다 항상 크다.

  21. 자세에 관한 원칙 Posture P1: 팔꿈치를 낮게 유지하라. Keep elbows down. P2: 척추에 걸리는 부하를 최소화하라. Minimize torque acting on spine. P3: 남녀의 차이를 고려하라. (여자는 보통 남자의 75% 정도) P4: 머리가 움직이지 않도록 하라. Avoid head movement. 공학적 원칙 Engineering E1: 국소 빈혈을 피하라. Avoid compression ischemia. E2: 진동을 피하라. E3: 개인에 맞는 의자 디자인을 사용하라. E4: Avoid finger groove tools. E5: 손목을 곧게 유지하라. Keep wrist straight. 근운동학에 관한 원칙 Kinesiology K1: 직선 운동을 피하라. Avoid straight line motion. (간단하게 보이지만, 어깨/팔꿈치/손목의 움직임이 모두 요구된다.) 작업에 관한 생체역학적 원칙

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