Menschen mit Beinamputation oder angeborener Beinverkürzung benötigen einen technischen Ersatz, der biomechanische Funktion und Körperintegrität wiederherstellt. Mit der Entwicklung mechatronischer und speziell 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. Da die Bearbeitung des zweiten Aspekts die Berücksichtigung von Nutzeranforderungen dringend benötigt, schlägt diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Mensch-Maschine-zentrierten Entwicklung (MMZE) in der Beinprothetik vor. Sie 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 mit erhobenen Daten bestimmt, analysiert und modelliert: Zufriedenheit, Sicherheitsempfinden, Körperschemaintegration, Unterstützung, Schaft, Mobilität und Außenwirkung. Durch die Anwendung von Quality Function Deployment (QFD) finden diese Faktoren im Systems Engineering als MMZE-Schwerpunkt Berücksichtigung. Als Anwendungsbeispiel dient hierbei die Konzeptionierung eines aktuierten Prothesenknies mit dem MMZE-Ansatz. Der Vergleich des MMZE-Schwerpunkts mit einem rein technischen, der mit einer Kontrollgruppe erarbeitet wurde, zeigt deutliche Unterschiede in der Priorisierung von Anforderungen. Demnach sollte die vorgeschlagene Methodik zu neuartigen technischen Lösungen führen, die das subjektive Erleben von Beinprothesennutzern verbessern könnten. Um dies durch die Einbeziehung der Nutzer im gesammten Systems Engineering zu unterstützen, werden zwei Konzepte für Human-in-the-loop Experimente vorgeschlagen.

Als Grundlagentechnologie für aktuierte Beinprothesen werden variable (seriell-) elastische Aktuatoren und besonders solche mir variabler Torsionssteifigkeit (VTS) untersucht. Rückwärtsdynamik-Simulationen mit synthetischen und am Menschen gemessenen Trajektorien sowie Experimente zeigen, dass die Berücksichtigung der Aktorträgheit hierbei von entscheidender Bedeutung ist: Nur durch ihre Einbeziehung in erweiterte Modelle können Eigendynamik und Antiresonanz zur Senkung des Leistungsverbrauches ausgenutzt werden. Eine entsprechende Regelungsstrategie passt auf Basis dieser Modelle den Aktuator für einen effizienten Betrieb über einen breiten Bereich an.

Die beispielhafte Konzeptionierung der aktuierten Knieprothese anhand der MMZE-Priorisierung bestätigt die grundsätzliche Eignung von VTS zur Integration in prothetischen Komponenten. Hierbei erlaubt die Berücksichtigung der Aktuatorträgheit im Gegensatz zu früheren Studien die Bestimmung einer optimalen Steifigkeit für die seriell-elastische Aktuierung des menschlichen Knies beim Gehen. Eine erste Gang-Simulation, die zudem die veränderte Dynamik mit der Prothese berücksichtigt, deutet auf das Potential hiermit niedrigere Anforderungen für den Entwurf zu ermitteln hin. Das konzeptionierte Prothesenknie kombiniert durch die elastischen Aktuierung und Energierückgewinnung vielversprechende biomechanische Funktionalitäten und eine lange Betriebszeit.

Neben der Beinprothetik kann das vorgeschlagene MMZE-Rahmenwerk in anderen Anwendungen mit starken Mensch-Maschine-Wechselwirkungen durch die Anpassung der Human Factors und der technischen Aspekte verwendet werden. Ebenso können die Erkenntnisse zum Entwurf und der Regelung von elastischer Aktuierung auf andere Systemen übertragen werden, die eine energieeffiziente Durchführung von zyklischen Aufgaben verlangen.