BSSPBH_2012_v10n2_87.pdf3.05MB

• I. 서 론
• II. 실 험
• 가. 실험장치
• 나. 실험 방법
• Ⅲ. 실험 결과 및 고찰
• 가. 단일부품(single-component) 이상동작에 대한 반응
• ① 위치 이상동작
• ② 위치 및 속도 이상동작
• 나. 다부품(multi-component) 이상동작에 대한 반응
• Ⅳ. 결 론
• 감사의 글

I. 서 론

 원자력시설 해체작업 수행시 해체대상물에 따라 작업 조건이 어렵거나 위험한 환경의 작업으로 인하여 해체 작업시간을 지연시키는 요인이 발생한다[1, 2]. 원자력시설을 원격으로 유지보수 및 해체 활동은 매니퓰레이터의 암을 조작하여 작업하는 것이 일반적이다. 원격 매니퓰레이터는 취급하중, 관절 수, 조작성 등에 따라 여러 가지로 구분이 되며, 여러 가지 동작 형태의 매니퓰레이터 중 높은 자유도(degree of freedom)를 갖는 다관절 매니퓰레이터는 2차원 공간 내에서 자유로이 움직이기 때문에, 조작자가 근접하여 작업을 하는 경우에 동작경로의 예측이 어려워 작업자가 부주의하게 작업 영역 안으로 침입할 가능성은 상존하게 된다. 매니퓰레이터를 이용하는 작업 중 46%가 위험을 느꼈으며, 특히 36%가 가동 상태에서 가동범위내 조작반을 조작하는 작업에서 위험을 경험하였으며, 30%가 유지보수 및 수리 작업에서 위험을 경험하였다고 보고되고 있다[3].

 매니퓰레이터를 이용한 작업장에서 일어난 사고사례를 중심으로 사고원인을 보면 ① 부적절한 매니퓰레이터 운동, ②매니퓰레이터 팔의 정지 실패, ③ 예상밖의 정지 및 매니퓰레이터 동작 개시, ④ 시작 버튼 및 다른 스위치에 무심히 접촉, ⑤ 매니퓰레이터 팔의 고속 운동, ⑥ 고장점검, 유지보수를 위해 정지된 위험지역 안으로 침입, ⑦ 매니퓰레이터를 보려고 다른 작업자가 접근, ⑧ 작업자가 작업물 위치조정, 그리고 ⑨ 작업자의 공구교환 등이다.

 이와 같이 매니퓰레이터 위험은 대개 유지보수와 같이 작업자가 매니퓰레이터에 접근할 때 발생하는데, 이러한 작업에 대해 안전을 확보할 수만 있다면 매니퓰레이터 관련 재해의 상당부분을 예방할 수 있을 것이다. 그러므로 매니퓰레이터 팔을 안전속도 이하로 제한하거나 매니퓰레이터의 작업정보 및 개시, 작업영역을 설계하는 등의 요건 설정이 매우 중요하다[4]. 일반적으로 안전속도(safe speed)란 작업자가 매니퓰레이터 작업영역 밖에서 또는 근접하여 작업할 때 어떠한 불편함이나 위험한 느낌을 주지 않는 속도를 말하는데, 매니퓰레이터 팔의 속도는 작업장에서 작업자의 인식, 판단, 행위에 영향을 미친다. 따라서 재해가능성이 가장 높은 다관절 매니퓰레이터를 대상으로 하는 유지보수 및 해체 작업시에 매니퓰레이터 팔이 작업자에게 도달하기 전 비상정비 버튼을 누를 수 있도록 안전속도를 설정하는 것은 필수적인 일이다. 현재까지 제안된 속도 한계는 Table 1과 같은데, 제안된 매니퓰레이터 팔의 속도들이 차이를 보이는 이유는 매니퓰레이터종류 및 크기가 다양하기 때문이다. 그러므로 매니퓰레이터를 이용한 유지보수 및 해체 작업시 임의의 속도를 선택 및 적용함은 위험한 일이다.
본 논문은 원자력시설 유지보수 및 해체작업을 하는 작업자의 안전 확보를 위해, 다관절 매니퓰레이터의 안전한 속도와 매니퓰레이터 이상동작 감지에 대한 인간의 반응시간 특성들을 실험적으로 파악하여, 작업자-매니퓰레이터 인터페이스(human-manipulator interface) 설계의 문제점들을 고찰하고자 하였다.

Table 1. Recommended safe speed limits of manipulator arm.

II. 실 험

가. 실험장치

 반응시간을 측정하기 위하여 매니퓰레이터 모의 이상동작 실험을 하였는데 본 실험에 사용된 기기와 기능은 다음과 같다.

·산업용 매니퓰레이터 : 독일 P+P Elektronik Gmbh 제작, model ROB-31K 1 EA
·A/D-D/A converter : Model Labin Master, resolution 12bit, sampling rate 30 KHz 1 Set
·Digital clock : 미국 lafayette 제작, model 54035, resolution 1/1000 sec 1 Set
   실험을 위한 각 기기 상호간의 연결을 개략적으로 나타내면 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Schematic diagram of experiment.

 매니퓰레이터는 인터페이스 케이블(interface cable)을 통해 컴퓨터의 RS-232C 직렬 포트에 연결하였다. 디지털 클록(Digital clock)은 A/D-D/A 컨버터(converter)의 D/A channel 0과 연결되어 TTL logic(0:start mode, 1:standby mode)에 의해 작동하도록 하였으며, 이 A/D-D/A 컨버터(converter)는 다시 플랫 케이블(flat cable)에 의해 컴퓨터에 연결하였다. 이때 D/A 변환의 입력범위는 -2,047∼2,048이고 출력범위는 -5V∼5V이다. 매니퓰레이터가 이상동작을 시작하는 순간 컴퓨터가 디지털 신호 0을 D/A channel 0에 내보내면, A/D-D/A 컨버터(converter)는 이 값을 아날로그 신호 0 볼트(volt)로 변환하여 디지털 클록(digital clock)으로 전송한다. 이 값은 디지털 클록(digital clock)에서 TTL logic 값 0에 해당되므로 클록(clock)은 작동을 시작한다.

 피 실험자가 이상동작으로 판단하여 비상정지 버튼을 누르면 디지털 클록(digital clock)이 정지되고 실험자는 반응시간, 축의 위치, 이상동작한 축의 번호 등을 기록한다. 이후 실험자는 리셋(reset) 버튼을 눌러 디지털 클록(digital clock)을 0으로 재조정 시킨다. 한 작업주기가 끝나면 컴퓨터는 자동적으로 디지털 신호 2408을 D/A channel에 내보내고, 이 값은 컨버터(converter)를 통해 아날로그 신호 5 볼트(volt)로 변환되어 디지털 클록(digital clock) 의 TTL logic 값을 1로 재조정하게 된다. 한편 비상정지 버튼 끝에 소형 전구를 부착하여 실험자가 고장 경보(false alarm)를 인식할 수 있도록 하였다. Table 2는 ROB-31K 매니퓰레이터의 기술적 특성자료이며 Fig. 2는 상단과 측면의 작동 영역이고 Fig. 3은 각 축의 길이와 동작 각도를 나타낸 것이다.

Table 2. Schematic diagram of experiment.

Fig. 2. View of ROB-31K's work envelope.

Fig. 3. Work dimension of ROB-31K.

 매니퓰레이터 축은 기저(base)로부터 엔드 이펙터(end effector)까지 차례대로 각 번호를 갖는데, 각 축의 특성은 다음과 같다.
·1축 : 매니퓰레이터 몸체 회전
·2축 : 작업자의 상암(upper arm)에 대응되어 수직적 굴신(bending and stretching) 운동
·3축 : 작업자의 전암(fore arm)에 대응되어 수직적 굴신(bending and stretching) 운동
·4축 : 손목관절에 해당되는 축으로 수직적 굴신(bending and stretching) 운동
·5축 : 손목관절에 해당되는 축으로 회전 운동
·6축 : 손가락에 대응되어 엔드 이펙터(end effector)를 열고 닫는 운동

나. 실험 방법

 실험대상 작업은 매니퓰레이터 팔이 준비 위치에서 대상 물체를 들어 올려 지정된 위치까지 이동시키는 단순한 물건 운반(material handling) 작업이었다. 매니퓰레이터가 정상작업을 하다가 갑자기 이상동작을 하는 순간에 피실험자가 비상 정지 스위치를 누르도록 하였는데, 피실험자의 실험위치는 매니퓰레이터 정면의 엔드 이펙터(end effector)로부터 약 30 cm 되는곳에 앉도록 하였다. 매니퓰레이터의 이상동작(failure)은 실험자가 정해준 속도와 위치에 따라 정상작업을 하다가 필요한 경우 난수(random number)에 의해 분기되도록 하였는데 이상동작 형태는 단일부품 이상동작과 다부품 이상동작의 두 가지로 분류하였다.
단일부품 이상동작(single-component failure)은 이상동작이 한 개의 매니퓰레이터 축에서만 일어나는 경우로 한 개의 축을 정한 후 그 축의 동작위치만을 일시적으로 변화시킨 위치 이상동작(position failure)의 경우와 한 개의 축을 정하여 해당 축의 동작위치와 작업속도를 동시에 일시적으로 변화시킨 위치 및 속도 이상동작(position-with-speed failure)의 두 가지로 다시 구분하였다. 다부품 이상동작(multi-component failure)의 경우는 두 개 이상의 축을 택하여 해당 축들의 동작위치를 일시적으로 변화시킨 것으로서 단일부품 고장의 경우보다 실제에 가까운 이상 동작 형태이었다.
모든 이상동작은 난수 생성을 통해 실험의 유효성을 최대한 높였다.

 작업조건은 단일부품 이상동작과 다부품 이상동작의 각각에 대해 ① 매니퓰레이터 팔 속도 4 수준(14, 20, 40, 50 cm/sec), ② 이상동작 가능성(failure probability) 3 수준(0.1, 0.25, 0.5)의 12개 조합에 대해 각각 50회씩 무작위 순으로 반복 실행하였다. 이 때 매니퓰레이터의 정상동작을 숙지시키기 위해 실험전 20회 이상의 반복 연습기간을 두도록 하였으며 매니퓰레이터 팔의 속도와 이상동작 가능성은 피실험자에게 알리지 않았다. 피실험자의 반응특성은 정확히 이상동작에 반응한 정확한 응답 시간(correct response time)과 이상동작시 비상정지 버튼을 누리지 못한 실패(miss)의 횟수, 또한 이상동작을 하지 않았음에도 불구하고 이상동작으로 오인하여 버튼을 누르는 고장경보(false alarm) 회수의 세 가지로 파악하였다.

Ⅲ. 실험 결과 및 고찰

 본 실험에 사용된 ROB-31K의 특성상 다부품 이상동작의 경우 어떤 축이 실제로 이상동작 하였는지 관측할 수 없었기 때문에 작업자의 반응특성을 파악하는 데는 한 개의 축이 이상동작 하는 단일부품 이상동작 실험이 적합할 것으로 판단되어 두 가지로 분류하여 실험하였다.

가. 단일부품(single-component) 이상동작에 대한 반응

 반응시간에 영향을 미치는 요인들의 효과를 분산분석(AOV, Analysis of Variance)으로 분석한 두 요인 이상의 교호작용(intersection) 효과는 모두 유의하지 않았다. 이 결과를 표로 정리하면 Table 3과 같고 이때 4원배치 혼합모형이 데이터의 구조식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Table 3. ANOVA of reaction time by failure type, speed of manipulator arm, probability of failure, and manipulator axes.

 μ : 실험전체의 모평균
a_i : 이상동작 형태(failure type)가 주는 효과
i=1 : 위치 이상동작(position failure)일 경우
i=2 : 위치 및 속도 이상동작(position-with-speed failure)
일 경우
b_j : 매니퓰레이터 팔의 속도(speed of manipulator arm)가 주는 효과
j=1 : 14 cm/sec 일 경우
j=2 : 20 cm/sec 일 경우
j=3 : 40 cm/sec 일 경우
j=4 : 50 cm/sec 일 경우
c_k : 이상동작 가능성(probability of failure)이 주는 효과
k=1 : 0.1 일 경우
k=2 : 0.25 일 경우
k=3 : 0.5 일 경우
dp : 매니퓰레이터 축(axis)이 주는 효과
p : 1, 2, ..., 6
x_ijkp : a_i, b_j, c_k, d_p에서 얻은 측정값
e_ijkp : a_i, b_j, c_k, d_p에서 얻은 측정값의 오차 e_ijkp∼N(0, σ_E2 )이고 서로 독립

 이 표에 따르면 반응시간은 고장형태, 매니퓰레이터 팔 속도, 매니퓰레이터 축에 따라 차이가 있다는 것을 알 수 있다(고장형태 유의도 0.006<α= 0.05, 매니퓰레이터 팔 속도 유의도 0.000<α= 0.05, 매니퓰레이터 축의 유의도 0.000<α=0.05). 한편 이상동작 가능성의 효과는 반응시간에 영향을 미치지 않았다(유의도.323<α=0.05). 따라서 이상동작 형태, 매니퓰레이터 팔의 속도, 매니퓰레이터 축 등의 인자는 각각 독립적으로 반응시간에 영향을 미친다고 생각할 수 있는데 이들 개별적 요인에 대한 반응 특성은 다음과 같다.

① 위치 이상동작

 매니퓰레이터 팔의 속도에 반응시간을 Table 4에 나타내었고 그림으로 나타내면 Fig. 4와 같다. 매니퓰레이터 팔의 속도가 20 cm/sec일 경우 반응시간이 가장 길었고, 편차도 가장 크게 나타났다. 변동계수는 매니퓰레이터 팔의 속도가 50 cm/sec일 경우 가장 작아 개인적 특성에 관계없이 반응 성향이 공통적이라는 사실을 알 수 있었다.
고장 경보(false alarm)의 비율은 매니퓰레이터 팔의 속도가 증가함에 따라 감소하였으며, miss의 비율은 증가하다 감소하여 매니퓰레이터 팔의 속도가 50 cm/sec일 경우에가장 작았다

Fig. 4. Response characteristic to speed of the manipulator arm.

Table 4. Response time to speed of the manipulator arm (unit : sec)

 이상동작 가능성에 대한 반응시간을 Table 5에 나타내었는데, 이상동작 가능성이 0.1일 경우 변동계수가 가장 작아 개인적 특성에 관계없이 신속히 반응한다는 사실을 알 수 있었으며, 이것을 Fig. 5와 같이 나타내었다. 이상동작 가능성이 증가함에 따라 고장 경보(false alarm)이나 실패(miss)의 비율은 증가하다가 감소하였다. 그러나 현실적으로 이상동작 가능성이 0에 가까워지면(이상동작 가능성<<0.1) 고장 경보(false alarm) 또는 실패(miss)는 더욱 감소할 것으로 기대된다. 6개의 축변 반응시간 평균과 편차는 Table 6과 같고 그림으로 나타내면 Fig. 6과 같다. 4 축은 다른 축에 비해 반응시간과 편차가 상당히 적고 실패(miss)가 전혀 일어나지 않았다. 그 이유는 작업자가 가장 잘 볼 수 있는 대상물까지 내려와 사 람 의 손목관절에 해당되어 굴신(bending and stretching)동작을 하는 축의 기능특성 때문으로 판단된다. 반면 5축과 6축의 miss 비율이 높다는 사실은 손목의 하향(pronation), 상향(supination) 및 손아귀의 열고 닫음 등 동작이 미세하고 작기 때문이었다고 생각된다

Fig. 5. Response characteristic to probability of failure.

Table 5. Response time to speed of the probability of failure (unit : sec)

Fig. 6. Response characteristic to axial failure.

Table 6. Man response time to axis failure (unit : sec)

② 위치 및 속도 이상동작

 이상동작으로 말미암아 매니퓰레이터 팔의 속도가 변할 때 반응시간의 변화는 Table 7과 같다. 매니퓰레이터 팔의 속도가 증가함에 따라 반응시간과 편차가 줄어들었고, 변동계수는 점차 작아짐으로 개인적인 특성에 무관하게 공통적인 경향을 갖는다는 것을 알 수 있었다. Fig. 7은 매니퓰레이터 팔의 속도에 대한 반응시간을 나타낸 것이다. 매니퓰레이터 팔 속도가 증가함에 따라 고장 경보(false alarm)의 비율은 전차 증가하고 실패(miss) 비율은 점차 감소하여 Fig. 4의 위치 이상동작에 대한 반응과는 다른 특성을 보여주었다.

Fig. 7. Response characteristic to speed of the manipulator arm.

Table 7. Response time to speed of the manipulator arm (unit : sec)

Fig. 8은 매니퓰레이터가 이상동작하는 가능성에 대한 반응시간을 나타낸 것인데, 이상동작 가능성이 달라져도 반응 시간은 크게 변하지 않아, 이상동작 가능성의 효과가 통계적으로 유의하지 않다는 Table 3의 분산분석 결과와 일치함을 보여준다. 고장 경보(false alarm) 비율은 이상동작 가능성이 0.1 일때 높고, 이상동작 횟수가 적으면 자주 오인하여 반응하는 특성을 보여주었다. 실패(miss) 비율은 이상동작 가능성의 증가에 따라 증가하다 감소하였는데, 그 비율은 이상동작 가능성이 0.25 일 때 가장 높아 Fig. 5의 위치 이상동작에 대한 반응특성과 같은 경향을 보여주었다. 

Fig. 8. Response characteristic to failure probability.

 축별 반응시간은 Table 8과 같고 Fig. 9와 같이 나타내었다. 4축의 반응시간은 짧고 그 편차 또한 작음을 보여주었는데 Fig. 6의 위치 이상동작에 대한 반응특성과 같았다.
굴신(bending and stretching)동작을 하고 동작범위가 큰 3축은 실패(miss)가 전혀 없었고 반대로 상향, 하향, 집는 동작을 하는 5, 6축은 miss의 비율이 높았는데, Fig. 6의 위치 이상동작에 대한 반응특성과 같은 경향을 보여주었다.

Table. 8. Man response time to axis failure (unit : sec)

Fig. 9. Response characteristic to axial failure.

나. 다부품(multi-component) 이상동작에 대한 반응

 실험이라고는 하지만 상당히 위험하고 매니퓰레이터에 기계적인 무리를 줄 가능성이 높다고 판단된 50 cm/sec의 매니퓰레이터 팔의 속도는 제외시키고 나머지 3개 수준의 속도에 대해서만 반복 실험하였다.

 Table 9는 실험에서 선택한 매니퓰레이터 팔 속도와 고장 가능성이 반응시간에 미치는 영향을 이원배치 분산분석(two-way AOV)으로 분석한 결과이다.
이원배치 혼합모형 데이터의 구조식은 다음과 같다.

Table. 9 ANOVA of reaction time by speed of manipulator arm,probability of failure.

 μ : 실험전체의 모평균
a_i : 매니퓰레이터 팔 속도(speed of manipulator arm)가 주는 효과
i=1 : 14 cm/sec 일 경우
i=2 : 20 cm/sec 일 경우
i=3 : 40 cm/sec 일 경우
i=4 : 50 cm/sec 일 경우
b_j : 이상동작 가능성(failure probability)이 주는 효과
j=1 : 0.1 일 경우
j=2 : 0.25 일 경우
j=3 : 0.5 일 경우
(ab)_ij : 매니퓰레이터 팔 속도와 이상동작 가능성의 교호작용이 주는 효과
x_ij : a_i, b_j에서 얻은 측정 값
e_ij : a_i, b_j에서 얻은 측정값의 오차
e_ij∼N(0, σ_E2  )이고 서로 독립

 이 결과에 따르면 반응시간은 매니퓰레이터 팔의 속도에 따라 변동하지만(유의도 0.002<α=0.05), 이상동작 가능성은 반응시간에 영향을 미치지 않음을 알 수 있고(유의도 0.783>α=0.05), 매니퓰레이터 팔의 속도와 이상동작 가능성의 교호작용 효과도 반응시간 변동에 유의한 영향을 주고 있음을 알 수 있다(유의도 0.009<α=0.05).
 두 요인의 교호작용이 유의하므로 이에 대한 실험결과를 정리한 것이 Table 10인데, 매니퓰레이터 팔의 속도가 20cm/sec일 경우 변동계수가 작아 개인적 특성에 관계없이 반응한다는 사실을 알 수 있었다.

Table. 10. Response time to speed and failure probability of the manipulator arm. (mean ± 1 standard deviation, unit : sec)

 이것을 그림으로 나타내면 Fig. 10과 같은데 매니퓰레이터 팔의 속도가 증가할수록 평균 반응시간이 약간 증가하고 편차도 커짐을 알 수 있었다. 또한 이상동작 가능성이 0.5일 때에는 매니퓰레이터 팔의 속도가 증가함에 따라 반응시간이 증가하다가 감소하여 Fig. 4의 위치이상동작과 같은 반응특성을 갖는다는 것을 알 수 있었으나 그 이외의 경우에는 오히려 약간 감소하다 증가하는 경향을 보였다. 그러나이러한 차이는 Table 9에서와 같이 통계적으로 유의하지는 않았다.
이상의 독립변수 가운데 매니퓰레이터 팔의 동작속도가 안전에 깊은 관련성을 갖고 있으므로 안전한 속도 상한계를 정하는데 고려해야 하는 것은 타당하지만, 이상동작 형태에 따라서 반응시간이 다름으로 새로운 비교척도가 필요하다. 이러한 문제점의 해결방안으로 오버런 디스턴스(overrun distance)가 제안되었는데[5] 일반적으로 오버런 디스턴스(overrun distance)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 10. Response characteristic to speed of manipulator arm.

 Overrun distance = speed of manipulator arm × reaction time ..................................................(3)

본 실험에서 측정된 반응시간과 매니퓰레이터 팔의 속도를 근거로 오버런 디스턴스(overrun distance)를 계산하여 Table 11을 얻었다.
이 결과를 가지고 유지보수 및 해체 시 매니퓰레이터 팔의 안전속도를 설정하려면 다음의 과정을 거친다. 작업 시 매니퓰레이터의 작업점으로부터 30 cm 거리까지 접근할 필요성이 있다고 지적하고[6], 매니퓰레이터 팔의 동작범위를 오버런 디스턴스(overrun distance)가 20 cm 이하인‘안전영역(safe zone)', 20∼30 cm인‘접촉가능영역(possible contact zone)', 그리고 30 cm 이상인‘위험영역(hazardous zone)' 등의 세 영역으로 구분하였다.

Table 11. Response time to speed and failure probability of the manipulator arm.

 이 가운데 이상동작 시 가장 위험한 경우는 위험영역에 해당하는 것이다. Fig. 11에서 오버런 디스턴스(overrun distance)가 30 cm를 초과하는 매니퓰레이터 팔의 속도를 이상동작 형태별로 찾아보면 위치 이상동작은 28 cm/sec, 위치 및 속도도 이상동작은 34 cm/sec, 다부품 이상동작은 37 cm/sec로 확인되었다. 따라서 매니퓰레이터 팔의 속도가 28 cm/sec 이상이 되면 위험가능성이 매우 높다.

Fig. 11. Overrun distance as a function of manipulator arm

 다음으로 위험한 경우는 작업자의 신체에 접촉될 수 있는 ‘접촉가능영역’에 매니퓰레이터 팔이 도달하는 것이다. 즉, 오버런 디스턴스(overrun distance)가 20 cm이상인 매니퓰레이터 팔의 속도를 보면 위치 이상동작은 17 cm/sec 이상이고, 위치 및 속도 이상동작은 24 cm/sec 이상, 다부품 이상동작은 26 cm/sec 이상이다. 따라서 매니퓰레이터 팔의 속도가 17 cm/sec 이상, 28 cm/sec 이하의 범위에서는 접촉 가능한 위험성이 존재한다. 결국 유지보수 및 해체 작업을 28 cm/sec 보다 느린 속도로 수행한다면 매니퓰레이터 팔에 접촉할 가능성은 있으나 중대 상해를 일으키지 않은 상태에서 사태 수습의 여유를 가질 수 있다.

 ·위험영역
   - 오버런 디스턴스(overrun distance)가 30 cm 이상
   - 매니퓰레이터 팔 속도 28 cm/sec 이상
·접촉 가능영역
   - 오버런 디스턴스(overrun distance)가 20 cm 이상 30 cm 이하
   - 매니퓰레이터 팔 속도 17 cm/sec 이상 28 cm/sec 이하
·안전영역
   - 오버런 디스턴스(overrun distance)가 20 cm 이하
   - 매니퓰레이터 팔 속도 17 cm/sec 이하

그러나 합리적인 매니퓰레이터 팔의 안전속도를 결정하려면 이외에도 다음과 같은 사항들이 검토되어야 한다.
첫째, 매니퓰레이터의 크기에 따라 위에 제시된 안전속도를 증감시켜야 한다. 왜냐하면 감시하는 물체의 크기가 작업자의 인식 및 반응에 영향을 주기 때문이다. Karwowski 와 Rahmi의 연구결과에 따르면 큰 매니퓰레이터의 안전 속도 한계는 작업 매니퓰레이터의 안전속도 한계보다 작음으로[6], 본 논문에서 사용된 매니퓰레이터가 산업용 매니퓰레이터 중에서 크기가 작은 매니퓰레이터임을 고려한다면 크기가 큰 대형 매니퓰레이터를 운용하는 작업장에서는 매니퓰레이터 팔의 속도를 작은 매니퓰레이터를 사용할 때보다 더 느린 속도에서 작업하는 것이 바람직하다.

 둘째, 작업자의 심리·생리적인 요인 등이 반응시간에 영향을 미칠 수 있으므로 안전속도 적용에 주의가 필요하다. 조명수준과 매니퓰레이터 팔과 배경사이의 조도대비 등 매니퓰레이터 작업장의 환경적 요인은 반응시간에 유의하지 않지만[6], 작업자의 심리?생리적인 요인 등은 반응시간에 영향을 미칠 수 있다. 원자력시설 유지보수 및 해체 작업시 계속적으로 주의를 집중할 수 있는 시간은 20∼30분 정도에 불과하다[7]. 그러므로 장시간 작업을 한다면 단조로움으로 인하여 주의력이 급격히 떨어지고 졸음이 수반되는 등 안전에 중대한 영향을 끼칠 수 있기 때문에 안전속도 한계에 증감이 필요하다.

셋째, 이상동작 형태와 매니퓰레이터 팔의 속도에 따라 고장 경보(false alarm)나 실패(miss) 비율 등이 다름으로 이를 고려해야 한다. 생산성이라는 측면에서는 고장 경보(false alarm) 비율이 적은 매니퓰레이터 팔의 속도가 바람직하다. 실제로는 위치 및 속도 이상동작의 경우가 많으리라 예상되는데 이상동작 형태별로 다른 경향을 보이기는 하지만 매니퓰레이터 팔의 속도가 증가함에 따라 고장 경보(false alarm) 비율이 점차 증가하는 특성은 Fig. 10을 보면 알 수 있다. 그러나 직접적인 재해 가능성은 오히려 실패(miss)의 경우가 더욱 높으므로 이에 주의해야 하는데, Fig.7이나 Fig.10을 보면 매니퓰레이터 팔의 속도가 빨라질수록 실패(miss)의 비율이 감소하는 대신 고장 경보(false alarm)의 비율이 증가한다는 것을 알 수 있다. 사실은‘안전’이라는 측면에서는‘위험구역’에 해당되지 않는 한 매니퓰레이터 팔은 빠를수록 바람직하다는 뜻으로 어떤 의미에서는‘생산성’의 측면에서도 당연한 결론이다

 이러한 사항들을 고려하여 각 원자력시설 유지보수 및 해체 작업장의 특성이나 규모에 맞게 안전속도를 설정해야 하는데, 그 값은 대략‘안전영역’의 경우 15 cm/sec 전후,‘ 접촉가능영역'의 경우 25 cm/sec 전후가 될 것임으로 대략적으로 Table 1의 제안속도들이 타당하다고 볼 수 있다. 특히 Table 1의 수치들은 15 cm/sec 전후의 수치들과 25 cm/sec 전후의 수치들의 두 그룹으로 크게 분류되는데, 이것은‘안전영역’을 강조한 경우에는 15 cm/sec 전후의 속도를 제안한 것이고,‘ 위험영역’을 강조한 경우에는 25 cm/sec 전후의 속도를 제안한 결과라고 판단된다.

Ⅳ. 결 론

 이상의 연구를 통하여 원자력시설 유지보수 및 해체시 다관절 매니퓰레이터의 이상동작에 대한 작업자의 반응특성과 안전속도 수준에 관해 얻은 결론은 다음과 같다. 매니퓰레이터 팔의 속도와 이상동작 형태는 반응시간에 영향을 주지만, 이상동작 가능성에 영향을 미치지 않았고, 두 요인 이상의 교호작용은 대체로 영향이 없었다. 매니퓰레이터 팔의 속도변화에 따른 반응시간 특성은 이상동작 형태에 따라 다르지만 대체로 약간 증가하는 추세를 보였다.
축의 특성에 따른 반응시간도 다른데, 대상물 가까이에 근접하여 굴신(bending and stretching)동작을 하는 축에 대한 반응시간이 개인적 특성이나 이상동작 형태에 관계없이 가장 짧고 편차도 작았을 뿐만 아니라 miss도 적었다. 그러나 반응시간만으로 안전속도를 설정하는 데에는 다소 무리가 있어 기타 여러 가지 요인들이 고려되어야 한다고 판단된다.

 이상의 결과에 근거하면‘안전영역’을 확보하기 위한 안전속도는 17 cm/sec 이하, ‘접촉가능영역’을 허용하는 매니퓰레이터 팔의 속도는 17 cm/sec∼28 cm/sec 이었는데, 이 값이 소규모 매니퓰레이터에 대한 반응으로부터 얻은 수치임을 감안한다면 기존 15 cm/sec 나 25 cm/sec 등의 제안 수치들은 대체로 타당하였다.

감사의 글

This paper has been carried out as part of research and development program of Korea Atomic Energy Research Institute funded by the Korea Ministry of Knowledge Economy Grant funded by the Republic of Korea.