This thesis addresses two main issues of devices that assist human movements: One is stability of the coupled human-robot system, the other is how to make the human the master of the device. Firstly, passive control of exoskeletons with Series Elastic Actuators (SEAs) is investigated. SEAs decouple motor inertia from the human by a spring, reducing undesired interaction forces as a prerequisite for making the human the master. An important result is that if passivity is desired, the SEA cannot guide the limbs with a higher stiffness than that of the spring. Besides passivity analysis, which does not require a model of the human, also model-based stability analysis of human-robot systems is presented, explicitly addressing nonlinearity, time-variability, input saturation, and uncertainty. The example is a Hybrid Neuroprosthesis, which combines an exoskeleton with electrical stimulation of the human muscles. Robustness and performance of different controllers is compared. Conservative over-approximation enables simple stability analysis of the complex structure, indicating that elastic coupling between human limbs and robot can cause instability. The required model of muscle recruitment dynamics is obtained via identification, using an inverted, anti-causal system description. Finally, a correlation-based method is proposed to estimate desired motion for impaired or missing human limbs by complementing residual body motion. This way, the assistive device is reduced to a mere tool for the human, who regains control of lost motor functions. All methods are evaluated in simulations and in practical experiments with healthy subjects.     «

This thesis addresses two main issues of devices that assist human movements: One is stability of the coupled human-robot system, the other is how to make the human the master of the device. Firstly, passive control of exoskeletons with Series Elastic Actuators (SEAs) is investigated. SEAs decouple motor inertia from the human by a spring, reducing undesired interaction forces as a prerequisite for making the human the master. An important result is that if passivity is desired, the SEA cannot g...     »

Diese Arbeit untersucht zwei Hauptaspekte bei künstlicher Assistenz menschlicher Bewegungen: Zum einen Stabilität des gekoppelten Systems Mensch-Maschine, zum anderen Übertragung der Kontrolle über das Gerät auf den Menschen. Zunächst wird passive Regelung von Exoskeletten mit seriell-elastischen Aktuatoren (SEAs) untersucht. SEAs entkoppeln Motorträgheit vom Menschen durch eine Feder und reduzieren so unerwünschte Interaktionskräfte, eine Vorbedingung für Kontrolle durch den Menschen. Es zeigt sich, dass unter der Prämisse der Passivität der SEA die Gliedmaßen nur maximal mit der Steifigkeit der Feder führen kann. Neben Passivitätsanalyse, die ohne Modell des Menschen auskommt, wird auch eine modellbasierte Stabilitätsanalyse des Systems Mensch-Roboter präsentiert, die auf Nichtlinearitäten, Zeitvarianzen, Stellgrößenbeschränkungen und Unsicherheiten explizit eingeht. Als Beispiel wird eine Hybride Neuroprothese betrachtet, eine Kombination aus Exoskelett und elektrischer Stimulation der menschlichen Muskeln. Robustheit und Regelgüte verschiedener Regler wird verglichen, wobei konservative Überabschätzung eine einfache Stabilitätsanalyse der komplexen Struktur erlaubt und Risiken durch elastische Kopplung zwischen Roboter und Mensch aufzeigt. Das nötige Modell der Muskelaktivierungsdynamik wird mithilfe eines neuen Identifikationsverfahrens erstellt, das auf einer invertierten, antikausalen Systembeschreibung basiert. Schließlich wird eine korrelationsbasierte Methode zur Schätzung gewünschter Bewegungen be\-ein\-träch\-tig\-ter oder fehlender menschlicher Gliedmaßen vorgestellt, die die Bewegung des übrigen Körpers vervollständigt. So wird das Assistenzgerät zu einem bloßen Werkzeug für den Menschen, der die Kontrolle über verlorene Motorik wiedererlangt. Alle Methoden werden in Simulationen und praktischen Experimenten mit gesunden Probanden evaluiert.     «

Diese Arbeit untersucht zwei Hauptaspekte bei künstlicher Assistenz menschlicher Bewegungen: Zum einen Stabilität des gekoppelten Systems Mensch-Maschine, zum anderen Übertragung der Kontrolle über das Gerät auf den Menschen. Zunächst wird passive Regelung von Exoskeletten mit seriell-elastischen Aktuatoren (SEAs) untersucht. SEAs entkoppeln Motorträgheit vom Menschen durch eine Feder und reduzieren so unerwünschte Interaktionskräfte, eine Vorbedingung für Kontrolle durch den Menschen. Es zeigt...     »