Human-machine-centered design and actuation of lower limb prosthetic systems

Menschen mit Beinamputation oder angeborener Beinverkürzung benötigen einen technischen Ersatz, der biomechanische Funktion und Körperintegrität wiederherstellt. Mit der Entwicklung mechatronischer und aktuierter Prothesen wurde die biomechanische Funktionalität der Nutzer in den letzten Jahrzehnten erweitert. Dennoch verbleiben offene Fragen bezüglich der Energieeffizienz von aktuierten Prothesen und zum Einfluss des Nutzererlebens von Prothesen auf deren technische Entwicklung. Die Bearbeitung des zweiten Aspekts erfordert die Berücksichtigung von Nutzeranforderungen. Daher schlägt diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklung (MMZE) vor und liefert zudem Beiträge zum Entwurf und der Regelung von elastischen (Prothesen-)antrieben. Der Ansatz zur MMZE stellt ein Rahmenwerk zur gleichwertigen Berücksichtigung von Human Factors und technischen Aspekten dar. Dazu werden sieben Human Factors bestimmt, analysiert und modelliert. Durch die Anwendung von Quality Function Deployment (QFD) finden diese Faktoren im Systems Engineering als MMZE-Schwerpunkt Berücksichtigung. Als Grundlagentechnologie für aktuierte Beinprothesen werden variable (seriell-) elastische Aktuatoren. Rückwärtsdynamik-Simulationen mit synthetischen und am Menschen gemessenen Trajektorien sowie Experimente zeigen, dass die Berücksichtigung der Aktorträgheit hierbei von entscheidender Bedeutung ist. Die beispielhafte Konzeptionierung der aktuierten Knieprothese anhand der MMZE-Priorisierung zeigt die Eignung von VTS zur Integration in prothetischen Komponenten. Bei der Optimierung des elastischen Antriebsstranges werden hierbei die Einflüsse von Aktuatorträgheit und der veränderten Dynamik mit der Prothese berücksichtigt und somit neue Potentiale abgeleitet.