Preliminary design of a novel neuroprosthesis for controlling the knee movement in paraplegic subjects via multi-muscle FES

The project consists in an early stage neuroprosthesis which exploits the benefits of a dual Functional Electrical Stimulation of quadriceps and hamstrings on the knee joint in order to reach an unique flex-extension control of the knee angle in paraplegic subjects. The system makes use of data provided by two inertial sensors placed on subject’s leg to estimate the angle at the knee achieved during the stimulation and to control, in a closed-loop fashion, the mismatch in respect to a reference through the use of a PID controller. The way the leg reacts to stimulation is assess via an open-loop identification phase of the leg response at different knee angles and the transfer functions such obtained are used to finely tune the PID. A co-contraction phase is also contemplated inside the desired range of motion, in order to ameliorate the smoothness of the obtained movement. A musculoskeletal model of lower limb, designed in MATLAB, has been exploited in many phases of the work to test the expected leg response to the Function Electrical Stimulation.

Il progetto consiste in un prototipo di neuroprotesi che sfrutta i benefici di una doppia Stimolazione Elettrica Funzionale di quadricipite e hamstring al fine di raggiungere un livello particolarmente preciso di controllo della flesso-estensione del ginocchio in pazienti paraplegici. Il sistema utilizza i dati forniti da due sensori inerziali posti sulla gamba del soggetto per stimare l'angolo al ginocchio raggiunto durante la stimolazione e per controllare in anello chiuso la discrepanza rispetto ad un segnale di riferimento mediante l'utilizzo di un controllore PID. Il modo con cui la gamba reagisce alla stimolazione è testato preventivamente attraverso una fase di identificazione della risposta muscolare a diversi angoli di flesso-estensione del ginocchio e le funzioni di trasferimento così ottenute sono utilizzate per impostare finemente i parametri del controllore. Inoltre, una fase di co-contrazione è contemplata all'interno del range angolare considerato al fine di migliorare la fluidità del movimento ottenuto. Un modello muscolo-scheletrico di arto inferiore, sviluppato in MATLAB, è stato anche utilizzato in diverse parti del progetto per testare la risposta attesa della gamba alla stimolazione elettrica funzionale.