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Musculoskeletal model-based simulation can be a powerful tool in the evaluation of exoskeletons. An ideal exoskeleton model, perfectly aligned with the human joint axes, can be used to co-simulate the human and exoskeleton dynamics. However, human-exoskeleton joint misalignment is commonly observed during the use of an exoskeleton. Using misaligned motion data in the combined human-exoskeleton model can lead to unrealistic results. In this work, we present a new method to align human-exoskeleton models. This was achieved by introducing dummy segments that ensured kinetic alignment between the human and exoskeleton joints without altering the misaligned kinematics. The method was applied on an active lower-limb exoskeleton that assists the elderly in stair negotiation. In a pilot study, motion data of a single subject testing the exoskeleton in stair ascent were recorded using an optical marker-based system. Measured ground reaction force and exoskeleton assistive force were used as inputs in the human-exoskeleton model. The outputs from the model with the dummy segments were compared to those from a model with kinematic constraints and a reference model where the external forces were applied directly to the human model. The results of the knee compression force, knee flexion moment, and activation of vastus lateralis showed good agreement between the dummy segments and reference models. The use of the dummy segments allows the study of aligned kinetics and misaligned kinematics from the same model. The method will be used in a future study to evaluate the exoskeleton with more subjects.

In dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Biomechanik und seniorengerechten Gestaltung von exoskelettalen Bewegungsunterstützungssystemen (eBUS) geleistet, welche insbesondere für die Überwindung von Treppen geeignet sind. Bei der Gestaltung liegt der Fokus auf der Strategie eines minimalen Systemaufbaus, indem alleinig der Aufstieg und Abstieg von Senioren unterstützt wird. Technische Systeme wie Aufzüge oder Treppenlifte adressieren nicht die Restmobilität von Senioren, wodurch eine Rückbildung der Muskulatur eher begünstigt wird. Exoskelettale Systeme sind hingegen am Körper zu tragen und können die Bewegung aktiv unterstützen, was eine aktivierende Wirkung zur Folge haben kann und zur Erhalt der muskuloskelettalen Funktion beitragen könnte. Allerdings sind die eBUS des Standes der Technik und Forschung einerseits nicht explizit für Senioren und andererseits oft für die Unterstützung mehrerer Bewegungen konzipiert. Infolgedessen werden die Maximalanforderungen, die an das Gesamtsystem und dessen einzelnen Komponenten gestellt werden, von der jeweiligen zu unterstützenden Bewegung vorgegeben. Ein eBUS, welches insbesondere auf die Spezifik der Treppenüberwindung ausgelegt und nur für Senioren konzipiert ist, muss folglich durch eine andere Systemstruktur mit einer minimaleren Aktuierung geprägt sein. Um dieses Ziel zu erreichen wurde eingangs der Stand der Technik und Forschung analysiert sowie die Forschungs- und Entwicklungsziele abgeleitet. Durch Anwendung einer partizipativen Entwicklungsmethode konnten Senioren bereits in einer frühen Entwicklungsphase eingebunden werden, indem dessen Anforderungen ermittelt wurden. Anschließend wurde der biomechanische Unterstützungsbedarf von Senioren quantifiziert, prinzipielle Unterstützungsmöglichkeiten simulativ untersucht und konzeptionelle eBUS synthetisiert. Abschließend wurde die Funktionsweise eines physischen Aufbaus experimentell getestet. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass ein für die Treppenüberwindung konzipiertes eBUS junge Menschen unterstützt und die geforderten Funktionen grundsätzlich erfüllt werden. Durch den experimentellen Funktionsnachweis konnten auch Optimierungspotentiale des eBUS identifiziert werden, welche in nachfolgenden oder äquivalenten Entwicklungen berücksichtigt werden sollten. This thesis is about the biomechanics and elderly-friendly design of exoskeletal movement assisting systems (eBUS) that are particularly suitable for climbing stairs. During a dedicated development, the strategy of a minimal system structure was pursued, where only the ascent and descent of elderly people are assisted. Technical systems such as lifts or stair lifts do not address the residual mobility of elderly people, which tends to favour a regression of the muscles. Whereas exoskeleton systems can be attached to the body and actively assist movement, which can have an activating effect and might contribute to maintaining musculoskeletal function. However, prior art and research eBUS are not explicitly designed for elderly on the one hand and are often designed to support multiple movements on the other. As a result, the maximum requirements for the entire system and its individual components are determined by the movement that needs to be assisted. An eBUS that is designed in particular for the specific purpose of climbing stairs and is only designed for elderly people must therefore be characterised by a different system structure with a minimized actuation. To achieve this goal, the state of the art was analysed and the research and development goals were defined. By applying a participation development method, it was possible to involve elderly people in an early development phase by determining their requirements. Subsequently, the biomechanical assistance needs of elderly people were quantified, principle assistance possibilities were simulated and conceptual eBUS were synthesised. Finally, the functionality of the physical structure was tested experimentally. As a result, it could be shown that a developed eBUS assists young people during stair climbing and that the required functions are basically fulfilled. Through the experimental proof of function, it was also possible to identify optimization potentials of the eBUS, which should be exploited in subsequent developments.

In der vorliegenden Arbeit wird die reproduzierbare Herstellung des Crimp eines Solarzellenverbinders (plastische Verformung zur Überbrückung des Höhenunterschiedes von Solarzellen) näher untersucht. Ausgehend von der theoretischen Betrachtung des Biegeprozesses und der parametrisierten Crimpform konnten Optimierungspotentiale der Crimpvorrichtung durch eine numerische Simulation mittels Finite-Elemente-Methode identifiziert werden. Eine Parameterstudie hat gezeigt, dass die Crimplänge den größten Einfluss auf die plastische Deformation des Solarzellenverbinders hat. Im Ergebnis dieser Studie ist außerdem ein Zusammenhang zwischen Vorrichtungs-, Material- und Crimpparametern entstanden, welcher zukünftig für die Betrachtung weiterer Chargen genutzt werden kann. Die optimierte Crimpvorrichtung wurde abschließend an Solarzellenverbindern mit und ohne Lot in verschiedenen Crimplängen getestet. Hierbei konnten die Ergebnisse aus den Simulationen bestätigt werden. Es kann festgehalten werden, dass durch eine systematische Anpassung des Verfahrweges und durch richtige Ausrichtung der Vorrichtung reproduzierbare Crimp erzeugt werden können.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Solarzellenverbinder 2.2 Biegehandpresse 2.3 Theorie der Blechbiegung 2.3.1 Der Biegevorgang 2.3.2 Arten von Biegevorrichtungen 2.3.3 Parameter des Biegevorgangs 2.3.4 Rückfederung der Biegezone 3 Beschreibung der Crimpformen 3.1 Darstellung der crimpformbeschreibenden Parameter 3.2 Berechnung der abhängigen Parameter 3.3 Konstruktiver Aufbau der Biegevorrichtung 3.4 Funktion der einzustellenden Parameter 4 Numerische Simulation des Formvorgangs 4.1 Voruntersuchungen 4.1.1 Darstellung der reduzierten Modelle 4.1.2 Materialdefinition 4.1.3 Untersuchung der Netzkonvergenz am SZV 4.1.4 Lagerung und aufgeprägte Verschiebung 4.1.5 Analyse der einzustellenden Parameter 4.1.6 Stiftdeformation 4.1.7 Biegeradius 4.1.8 Verfahrweg 4.1.9 Loteinfluss 4.2 Parameterstudie 4.2.1 Ergebnis der Antwortfläche 4.2.2 Antwortflächenbasierte Optimierung 4.2.3 Rückfederungswinkel 5 Darstellung des Optimierungspotentials der bestehenden Konstruktion 5.1 Präzisierung der Konstruktionsaufgabe 5.1.1 Anforderungsliste 5.1.2 Prüfung der Anforderungskonsistenz 5.2 Konstruktionsvarianten 5.2.1 Variante A 5.2.2 Variante B 5.2.3 Variante C 5.3 Bewertung und Auswahl 5.3.1 Ermittlung der Wichtungskoeffizienten 5.3.2 Vergleich der Konstruktionsvarianten 5.3.3 Auswahl der umzusetzenden Variante 5.4 Optimierte Konstruktion 5.5 Einstellungsoptimierte Konstruktion 6 Praktische Untersuchungen des Crimp 6.1 Versuchsaufbau 6.2 Versuchsdurchführung 6.3 Ergebnisdarstellung und -diskussion 6.3.1 Ergebnisvergleich innerhalb einer Versuchsreihe 6.3.2 Ergebnisvergleich zwischen zwei Versuchsreihen 6.3.3 Ergebnisvergleich zwischen Simulation und Praxis 6.4 Bewertung der Reproduzierbarkeit 7 Zusammenfassung 8 Ausblick