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

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Menschen mit Beinamputation oder angeborener Beinverkürzung benötigen einen technischen Ersatz, der biomechanische Funktion und Körperintegrität wiederherstellt. Die Entwicklung mechatronischer und aktuierter Prothesen hat die biomechanische Funktionalität der Nutzer in den letzten Jahrzehnten erweitert. Dabei bleiben Fragen zur Energieeffizienz aktuierten Prothesen und zum Einfluss des Nutzererlebens auf deren technische Entwicklung offen. Die Berücksichtigung von Nutzeranforderungen ist entscheidend. Diese Arbeit schlägt einen neuartigen Ansatz zur Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklung (MMZE) vor und liefert Beiträge zum Entwurf und der Regelung elastischer Prothesenantriebe. Der MMZE-Ansatz stellt ein Rahmenwerk zur gleichwertigen Berücksichtigung von Human Factors und technischen Aspekten dar. Sieben Human Factors werden bestimmt, analysiert und modelliert. Durch Quality Function Deployment (QFD) finden diese Faktoren im Systems Engineering als MMZE-Schwerpunkt Berücksichtigung. Variable elastische Aktuatoren dienen als Grundlagentechnologie für aktuierte Beinprothesen. Rückwärtsdynamik-Simulationen und Experimente zeigen, dass die Berücksichtigung der Aktorträgheit entscheidend ist. Die Konzeptionierung einer aktuierten Knieprothese anhand der MMZE-Priorisierung zeigt die Eignung von VTS zur Integration in prothetische Komponenten. Bei der Optimierung des elastischen Antriebsstranges werden die Einflüsse von Aktuatorträ