인간공학(Ergonomics) - 고등학생을 위한 산업공학 기초. 인간공학의 정의, 특징, 활용분야

1. 인간공학(Ergonomics, Human Factors Engineering)이란

국제인간공학협회의 정의에 따르면,

인간공학은 인간과 다른 시스템의 요소들간에 일어나는 상호작용을 이해하고 연구하는 과학 분야이며 이로부터 얻어진 이론, 원리, 데이터와 방법론을 통해 인간의 복지를 향상시키고 전체적 시스템 효율을 최적화 시키는 디자인을 말한다.

 

즉 인간공학이란, 도구나 기계와 같은 것들을 인간의 신체적, 정신적 특성에 잘 적응시키기 위한 방법을 연구하는 분야이다. 쉽게 예를 들어서, 인간의 손에 가장 잘 맞게 장갑을 만드려면 어떻게 해야 할 것인지와 같은 주제를 연구한다고 생각하면 될 것이다.

 

산업공학(Industrial Engineering)의 하위 분야로 간주된다.

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E.J.McCormic에 의하면 인간공학의 정의는 아래 세 개의 단계로 접근할 수 있다.

하나씩 살펴보자.

 

1) 인간공학의 초점은 '인간이 만든 물건, 사람이 사용하는 제품, 환경에 관한 설계와 창조', '인간을 위한 서비스', '사람이 사용하는 사물에 대한 적합성 평가'와 같은 것들을 수행하는 데 있어서 인간을 고려하는 것이다.

 

2) 인간공학은 '인간활동을 수행함에 있어 유효성과 효율성을 높이기 위함', '인간의 바람직한 가치(건강 등)를 유지하거나 상승시키기 위함'을 목적으로 한다.

 

3) 인간공학의 핵심 접근법은 위에서 언급한 기능을 수행할 때 인간의 능력, 특성, 행동, 동기 등에 관한 적절한 정보를 체계적으로 적용하는 것이다.

 

정리해보자. 

우리 삶 속 정말 많은 것들은 우리 인간 뒤섞여 존재한다. 우리가 입고 있는 옷, 들고 있는 핸드폰, 음식을 먹을 때 잡는 숟가락과 젓가락, 컴퓨터 마우스부터 컴퓨터 전원 버튼까지 모든 것들은 다 인간과 함께한다.

사람들이 이들을 편하게 사용할 수 있게끔 설계할 때, 인간의 특성이나 능력을 반드시 고려하여야 한다. 이렇게 함으로써 보다 효율적이고 안전한 체계를 만들 수 있게 되고, 이것이 곧 인간공학의 본질이라고 볼 수 있다.

한 마디로 요약하면, 인간공학이란 '인간이 잘 사용할 수 있도록 설계하는 과정'을 연구하는 학문인 것이다.

 

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2. 인간공학시스템

산업공학을 공부함에 있어 '시스템'을 이해하는 것은 굉장히 중요하다. 

앞서(이전 글) 시스템이란 같은 목적을 지니고 다른 역할을 수행하는 요소들의 집합체라고 말한 바 있다.

즉, 시스템이란 어떤 과정을 행함에 있어 혼자 움직이는 것이 아닌 여럿이 상호작용을 하는 그 조직인 것이다.

 

인간공학을 연구함에 있어 인간-기계의 통합시스템을 이해할 필요가 있다.

인간공학에서는 인간-기계의 시스템에 인간을 관련시키는 것을 주로 취급하므로 인간의 역할에 주안점을 두어 인간-기계 시스템(Man-Machine System)을 바라보아야 한다.

 

대개 시스템 안에는 또다른 내부 시스템이 존재한다. 이를 구분하기 위해 외부시스템과 내부시스템이라는 용어를 도입하겠다. 외부시스템(Externel System)은 그것을 구성하고 있는 내부시스템(Internel System)들의 조합으로 이루어져있고, 각각의 내부시스템은 또 다른 외부시스템이 되어 수 개의 내부시스템으로 구성되어 있을 수 있다.

인간-기계 시스템에서도 마찬가지이다. 내부시스템과 외부시스템을 잘 파악하여 전체를 아우르는 시야와 세부적으로 바라보는 안목을 고루 갖추어야 한다.

 

- 인간-기계 시스템

인간-기계 시스템은 인간요소와 기계요소가 융합되어 구성되는 시스템이다.

이 시스템에는 입력과 출력이 동시에 존재하는데, 이 때 입출력은 (인간-기계)를 한 덩어리로 보고 이 시스템에 입력되는 값과 출력되는 값이 존재하기도 하고, 큰 시스템 내부에서 (인간 -> 기계)로의 입력과 출력, 혹은 반대 방향의 입력과 출력이 존재하기도 한다. 

 

- 인간공학시스템의 기능

인간-기계 통합시스템의 기본기능

 

흔히 인간-기계 시스템의 기능을 소개하는 그림으로 위 사진을 소개한다. 시스템이 목적을 달성하기 위해서는 특정한 기능들이 수행되어야 할 것이다. 각각의 기능은 사람-기계 시스템에 적절히 할당되어 수행되고, 각 기능을 수행하는 과정은 대체로 위 순서를 따른다. 이들을 기본 기능(Basic Function)이라고 한다.

 

1) 감지(정보수용)

시스템으로 들어오는 정보를 감지해야 이후 단계가 수행이 되든 말든 할 것이다.

이 때 말하는 정보는 언어정보, 시각정보, 온도, 피드백 등 어떠한 형태든 가능하다. 이러한 정보는 인간 혹은 기계에 의해 감지되어 다음 단계로 나아가게 된다.

 

2) 정보보관

이 단계는 수시로 진행되는 절차이다. 정보가 들어오고 해석이 된 이후에는 이를 보관하는 절차도 필요할 것이다. 유입된 정보를 테이프, 표, 템플릿과 같은 다양한 형태로 보관하고, 필요할 때 추출하여 쓰는 기능을 한다.

 

3) 정보처리 및 의사결정

감지한 정보를 가지고 수행하는 여러 종류의 조작을 정보처리라고 한다. 

기계는 정보처리를 어떻게 수행하게 할 것인지 사전에 프로그래밍이 되어 있어야 한다.

 

4) 행동기능

정보를 처리하고 의사결정을 내린 결과라고 볼 수 있다. 이 기능은 크게 두 가지로 나뉜다.

첫째는 조종 장치를 작동시킨다거나 물건을 이동, 변경하는 따위의 물리적인 조종 행위나 과정이다.

둘째는 통신 행위이다. 사람은 음성(목소리)으로 통신을 수행하고 기계의 경우 신호를 사용할 것이다.

 

- 인간 기계 통합시스템의 유형

먼저 폐쇄회로(Closed loop)와 개방회로(Open loop) 시스템의 차이를 짚고 넘어가자.

 

폐쇄회로라 함은 시간적으로 연속적인 시스템으로, 자전거 운전과 같이 연속적인 조종을 필요로 하는 과정을 말한다. 연속적인 조종이 필요하기에 연속적인 피드백 정보를 받아야 하고 이 정보를 끊임없이 처리해야 한다.

반면 개방회로는, 연속적인 조종을 필요로 하지 않고 초기에 한 번 작동된 후에는 더 이상 조종이 필요없거나 조종이 불가능한 시스템으로 말한다. 예를 들어 유도장치가 없는 로켓의 경우는 한 번 발사한 이상 더 이상의 조종이 불가능하다. 이런 경우를 개방회로 시스테밍라고 한다.

 

인간-기계 통합시스템의 유형은 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

1) 수동시스템(Manual System)

수동 시스템은 수공구나 기타 보조물로 이루어지며 자신의 신체적인 힘을 동력원으로 사용하여 작업을 통제하는 인간 사용자와 결합된다. 말그대로 수동으로 조작이 필요한 경우로, 인간 사용자가 직접 많은 조작을 가해야 한다는 단점이 있지만, 이를 장점으로 활용하여 다양성 있는 시스템으로 활용할 수도 있다.

 

2) 기계화 시스템(Mechanical System)

쉽게 생각해서, 반자동시스템(Semiautomatic System)이라고 이해하면 좋다. 이러한 시스템은 큰 변화가 없는 조작이 필요한 경우가 많다. 동력은 대체적으로 기계가 제공하며 운전자의 기능은 조종 장치를 통한 통제를 하는 것이다.

현재 우리가 타는 자동차가 이에 속한다고 이해하면 될 것이다.

 

3) 자동 시스템(Automatic System)

시스템이 완전히 자동화된 경우에는 감지, 정보처리 및 의사결정, 행동을 포함한 모든 임무를 수행한다. 대부분의 자동 시스템은 폐쇄회로를 갖고 있다. 이런 시스템은 모든 상황에 적절히 대응하도록 프로그래밍 되어 있고 자동적으로 피드백을 반영한다. (물론 이러한 기계의 신뢰성에 대한 부분은 다른 문제이긴 하지만 말이다.) 신뢰성이 완전한 자동시스템이란 불가능하기에, 인간이 개입하여 프로그래밍이나 피드백과 같은 역할을 수행한다.

미래에 활성화되기로 기대하는 완전자율자동차가 이에 속한다고 이해하면 될 것이다.

 

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3. 인간공학의 적용분야

인간공학은 사람의 신체적, 정신적 특성을 연구하여 파악하고 이를 인간-기계 시스템에 적용하여 효율을 극대화하도록 하는 것이다. 사람이 사용하기에 가장 편리하고 효율적이게끔 기계를 설계하는 일을 맡는다.

물론 이 때 기계라 함은 흔히 우리가 생각하는 기계만을 말하는 것은 아니고 옷이나 신발, 주택, 가위와 같은 것도 포함시키는 넓은 개념이다. 때문에 의상학, 건축공학에서도 인간공학은 매우 빈번히 적용된다.

 

뿐만 아니라 전기전자, 기계, 화학공학 등 분야의 엔지니어들도 인간공학적 사고를 해야지만 인간이 사용하기에 편리한 제품을 만들어낼 수 있다. 때문에 인간공학은 사람과 관련된 물품이라면 어디든 적용되는 매우 광범위하고 중요한 분야라고 말할 수 있다.

 

몇 가지 구체적인 예시를 살펴보자.

- 엘레베이터의 설계

인간의 신체에 무리가 가지 않고, 인간의 정신이 느끼기에 너무 빨라서 무섭거나 너무 느려서 답답하다고 여기지 않을 만한 속도를 찾고 이를 기계에 적용한다.

인간이 가장 편한함을 느낄 수 있도록 내부를 디자인하고 구조를 설계한다.

 

- (자동차) 페달 설계

인간의 최대 족(Leg)력, 하체의 길이와 모양 및 특징을 파악하고, 가장 적은 힘으로 많은 효율을 낼 수 있는 페달의 위치와 크기, 각도를 파악하여 설계한다.

 

- 드릴 설계

인간이 버틸 수 있는 진동의 크기를 측정하고, 이에 맞게 기계를 설계한다.

진동을 최대한 분산시키고, 인간의 신체적 특성을 고려하여 힘을 가장 적게 들일 수 있는 자세를 연구하여 최적 사용 자세를 연구한다.