Biomechanische Dynamiksimulationen ermöglichen die Untersuchung grundlegender Prinzipien und Konzepte in menschlichen Bewegungen. Die Simulationsergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Erklärung experimentell beobachteter Phänomene und bei der Aufdeckung fundamentaler Mechanismen. Aufgrund von unvermeidlichen Beschränkungen in biomechanischen Messungen und der Bestimmung von personalisierten Modellparametern sind die erzielten Simulationsergebnisse niemals exakt, sondern liegen immer in einem bestimmten Bereich möglicher Lösungen. Da diese Unsicherheiten signifikanten Einfluss auf abgeleitete wissenschaftliche Schlussfolgerungen und klinische Entscheidungen haben können, wird in dieser Arbeit eine systematische Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse für die weitverbreitete Inversdynamiksimulation durchgeführt. Hierbei wird die Ausbreitung von Unsicherheiten und der Einfluss einzelner Unsicherheitsfaktoren auf die Schätzung von Gelenkmomenten bei bestimmten menschlichen Bewegungen untersucht.

Im Rahmen der Analyse werden ausgewählte Gelenkmomentschätzungen in den unteren Extremitäten für jeweils drei unterschiedliche Bewegungen bei einem weiblichen sowie einem männlichen Probanden ausgewertet. Die Analyse orientiert sich dabei am Ablauf der Inversdynamiksimulation und beinhaltet die Aufnahme biomechanischer Messungen, Schätzung von Modellparametern und Durchführung der Dynamiksimulation mit einer parallelen Auswertung der Unsicherheitsausbreitung und -aufteilung. Dieser Ansatz gewährleistet eine systematische und fortlaufende Untersuchung von Unsicherheiten und Sensitivitäten unter Berücksichtigung des sequenziellen Ablaufs und möglicher Abhängigkeiten zwischen den beteiligten Unsicherheitsfaktoren. Der menschliche Bewegungsapparat wird als dreidimensionales Mehrkörpersystem modelliert und in einer effizienten Mehrkörpersystem-Blibliothek implementiert. Die Analyse nutzt einen globalen Ansatz und basiert auf Monte-Carlo-Simulationen in Verbindung mit einem quasi-zufälligen Stichprobenverfahren, um den gesamten Eingangsvariablenraum abzudecken und Nichtlinearitäten im biomechanischen Modell zu berücksichtigen. Mögliche Korrelationen zwischen den unsicheren Eingangsvariablen und Modellparametern werden dabei ebenfalls beachtet.

Die Ergebnisse der biomechanischen Messungen für die betrachteten Bewegungen bilden die Grundlage für die Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse und beinhalten Daten von einem Bewegungserfassungssystem und in einem Laufband integrierten Kraftmessplatten. Die damit verbundenen Unsicherheiten, verursacht durch Variationen bei der Identifikation anatomischer Leitstrukturen, den Weichteilartefakten, der Bewegungserfassung und der Kraftmessung, werden mittels experimenteller Untersuchungen an den tatsächlich bei den Messungen beteiligten Probanden und Messsystemen sowie geeigneter Berechnungsmodelle aus der Literatur bemessen und modelliert. Die Varianzen in den Parametern von zwei umfassenden Regressionsmodellen zur Schätzung von Gelenkzentren und einem weitverbreiteten Regressionsmodell zur Bestimmung von anthropometrischen Parametern bei weiblichen und männlichen Probanden werden anhand der ermittelten Unsicherheiten in biomechanischen Messungen und zusätzlichen statistischen Daten aus der Literatur ausgewertet und modelliert. Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichen die Ableitung eines überarbeiteten Regressionsparametersatzes für die Abschätzung von anthropometrischen Parametern. Der Einfluss der vorab bestimmten Unsicherheiten auf die Schätzung von anthropometrischen Parametern wird in einer beispielhaften Sensitivitätsanalyse näher untersucht. Unter Einbeziehung der zuvor ermittelten Modelle für die individuellen Unsicherheitsfaktoren werden die Unsicherheitsausbreitung und -aufteilung in der eigentlichen Inversdynamiksimulation für eine Geh-, Renn- und Schussbewegung bei den beiden Probanden analysiert und diskutiert.

Die auf den einzelnen Ebenen der Inversdynamiksimulation bestimmten Unsicherheiten ermöglichen eine Beurteilung der Plausibilität und Genauigkeit dieser und ähnlicher biomechanischer Simulationen, während die entsprechenden Sensitivitäten Unsicherheitsfaktoren mit besonders hohem Einfluss auf die Simulationsergebnisse identifizieren. Diese Ergebnisse geben einen Hinweis auf die erwartbare Aussagekraft von biomechanischen Dynamiksimulationen, erlauben aber ebenso eine Steigerung der Qualität von biomechanischen Studien durch das gezielte Evaluieren der identifizierten Defizite.

Zusätzlich zur Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse werden ergänzende Forschungsthemen bezüglich einer benutzerorientierten Entwurfsmethodik für aktive Prothesen- und Orthesensysteme auf Basis biomechanischer Simulationen menschlicher Bewegungen untersucht und vorgestellt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Analyse und Implementierung seriell-elastischer Antriebskonzepte, die inhärente Sicherheit und Energieeffizienz gewährleisten, sowie auf der Entwicklung einer personalisierten audiovisuellen Simulation unter Einbeziehung relevanter psychologischer Faktoren.