Leichtbauantriebe mit hohem Leistungs- zu Masseverhältnis sind für viele Anwendungen sehr wichtig. Vor allem aktive Orthesen und Exoskelette der unteren Extremitäten profitieren von leichtgewichtigen Antrieben, da so mobile Systeme realisiert werden können, die bei der Fortbewegung des Nutzers eine geringstmögliche Beeinträchtigung und somit eine hohe Nutzerakzeptanz gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit werden Leichtbauantriebe erforscht, die synthetisch hergestellte Hochleistungsschnüre als leichtgewichtiges rotatorisch-translatorisches Getriebe nutzen. Das Funktionsprinzip basiert auf der einseitigen Rotation eines Schnurpaares, die die Kontraktion des Getriebes und eine Zugkraft zur Folge hat (Twisted String Actuator, TSA). Dieser Antriebstyp bietet eine hohe Kraftdichte und wird in einer aktiven Kniegelenk-Orthese zur Unterstützung älterer Menschen bei Transferbewegungen (sit-to-stand, STS und stair-climbing, STC) eingesetzt.

TSAs werden nach bisherigem Stand der Technik, der 53 bekannte aktive Orthesen und Exoskelette für das Kniegelenk umfasst, nicht eingesetzt. Die zu erfüllenden technischen Anforderungen des Antriebs ergeben sich aus der biomechanischen Analyse der Transferbewegungen. Demnach ist bei einer anteiligen Unterstützung ein Drehmoment von mindestens 30 Nm erforderlich. Die maximale Winkelgeschwindigkeit beträgt beim Gehen bis zu 7 rad/s und die mechanische Leistung ≈ 130 W. Dies resultiert in Antriebsanforderungen von 680 N Zugkraft bei einer relativen Kontraktion des Getriebes von ≈ 30 %.

Diese Anforderungen stellen eine hohe Belastung für Getriebe und eingesetztes Material dar und bedürfen einer sorgfältigen Auslegung des Getriebes, damit die gewünschte Lebensdauer erreicht wird. Mit dem Ziel der Reduktion der mechanischen Belastung im Getriebe wird das Antriebskonzept der achsparallelen Anordnung des Getriebes (Parallel Twisted String Actuator, PTSA) realisiert. Zur bestmöglichen Wahl der Getriebeparameter wird im Rahmen dieser Arbeit ein statistischer Versuchsplan zur Bestimmung des Einflusses der Parameter auf die Getriebelebensdauer durchgeführt und statistisch ausgewertet. Darauf aufbauend wird ein methodischer Ansatz entwickelt, der die Selektion einer geeigneten Schnur und der Parameter des Getriebes ermöglicht.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung von TSA und PTSA. Hierzu werden die Steifigkeit des Getriebes sowie das Übertragungsverhalten und der Wirkungsgrad der beiden Antriebsversionen (TSA und PTSA) bestimmt. Zudem werden die Kraftverteilung beim PTSA und die Lebensdauer der Getriebe untersucht.

Zum Einsatz in der aktiven Kniegelenk-Orthese sind zusätzlich zum Antrieb weitere Funktionselemente zwingend erforderlich, die eine geregelte Kraftunterstützung des Nutzers erst ermöglichen. Dies umfasst einen Bowdenzug zur Kraftleitung, eine Kurvenscheibe zur Kraftwandlung und einen Kraftsensor zur Messung der Zugkraft. Die einzelnen Funktionselemente werden systematisch ausgelegt und an einem mechanischen Modell der unteren Extremitäten charakterisiert. Es können je nach Antriebskonfiguration der Orthesen Unterstützungsdrehmomente von 45 Nm aufgebracht werden. Die maximale Drehmomentdichte der Antriebe beträgt 38 Nm/kg, sodass ein Antrieb mit geringer Masse (< 1 kg) die Realisierung der geforderten 30 Nm ermöglicht.

Die vorliegende Arbeit zeigt einen methodischen Ansatz zur systematischen Auslegung von TSA und PTSA. Weiterhin werden alle notwendigen Funktionselemente des Gesamtsystems mathematisch modelliert, ausgelegt und unter Berücksichtigung von Leichtbaumethoden gefertigt. Das Gesamtsystem wird charakterisiert und steht als Experimentierplattform für eine biomechanische Ganganalyse am Probanden zur Verfügung.