비원형 캠을 이용한 무릎 각도 기반 무동력 무릎 보조장치

계단 오르기와 장시간 보행 등 일상적인 동작에서도 무릎 관절에는 반복적인 부담이 가해지지만, 기존 전동식 무릎 보조장치는 센서, 모터, 배터리로 인해 무겁고 가격이 높아 일상적으로 활용하기 어렵다. 반면 스프링 기반 무동력 보조장치는 구조가 단순하고 저비용이지만, 큰 보조력을 확보하기 위해 스프링 강성을 높이면 평지 보행에서도 불필요한 저항이 발생한다. 본 과제는 이러한 상충관계를 완화하기 위해 무릎 각도에 따라 서로 다른 변위를 발생시키는 비원형 캠을 적용한 완전 무동력 무릎 보조장치를 설계 및 제작하였다. 평지 보행 영역에서는 스프링 인장 변화를 억제하고, 굽힘 각도가 커질수록 인장 정도가 증가하도록 캠 형상을 설계하였으며, 제한된 캠 변위를 효율적으로 활용하기 위해 캠 팔로워의 선형 운동을 기어와 와이어 드럼을 통해 증폭하여 인장스프링에 전달하였다. 설계상 캠 팔로워의 최대 변위 12 mm는 스프링과 연결된 와이어 변위 약 39.3 mm를 형성하며, 목표 스프링 강성은 선행 연구와 소형화 조건을 고려해 0.4~0.5 N/mm로 설정하였다. 다만 PLA 적층 제조 구조의 강성 한계로 목표 스프링을 적용하지 못하여, 최종 프로토타입에는 약 0.07 N/mm의 스프링을 적용하고 각도별 캠 변위가 기어-와이어 구조를 거쳐 스프링 인장으로 전달되는 기계적 작동 가능성을 확인하였다. 본 장치는 모터나 전원 없이 무릎 각도에 따라 스프링 인장 특성이 달라지도록 구성하였다는 점에 의의가 있다. 또한 캠 형상, 스프링 강성, 프레임 길이를 설계변수로 활용할 수 있어, 향후 사용자 체형과 필요한 보조 구간에 맞춘 설계로 발전시킬 가능성이 있다. 추후 구조 강성을 보완하고 실제 보조 토크를 정량적으로 검증한다면, 전동식 장치보다 단순하고 접근성이 좋으면서도 기존 단순 스프링식 장치의 평지 저항을 완화할 수 있는 일상용 무릎 보조 기기로 발전할 수 있을 것으로 기대한다.