Cooperative control of hybrid FES-robotic technologies : a simulation study

Hybrid cooperative robotics systems, which combine the torque produced by the electrically stimulated muscles to the torque produced by the motor on the same joint, were proposed to overcome the limits of rehabilitation and assistance techniques for the upper limb such as Functional Electrical Stimulation (FES) and robotics. The aim of this thesis is to design a simulation environment and a hybrid cooperative control, able to detect fatigue insurgence and to allocate the a-priori contirbution of the two actuators. In this regard, a biomechanical model of the upper limb and a FES-muscle response model were developed. Moreover, an impedance controller was designed for the motor control, a PI controller for the FES control, a torque allocator to distribute the torque between FES and the motor. The simulation results showed that, with respect to the use of FES only and impedance control, the use of the allocator brings advantages in terms of accuracy of trajectory, at the expense of a small increase of the torque produced by the motor.

I sistemi robotici ibridi cooperativi, che combinano la coppia prodotta dai muscoli stimolati elettricamente alla coppia prodotta dal motore sulla stessa articolazione, sono stati proposti per sopperire ai limiti di tecniche di riabilitazione e assistenza per l'arto superiore quali Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) e robotica. L'obiettivo di questa tesi è quello di progettare un ambiente di simulazione ed un controllo ibrido cooperativo, in grado di rilevare l'insorgenza di fatica e di allocare il contributo a priori dei due attuatori. A tal proposito, un modello biomeccanico per l'arto superiore ed un modello della risposta del muscolo alla FES sono stati sviluppati. Inoltre, un controllore ad impedenza è stato progettato per il controllo del motore, un controllore PI per il controllo della FES, un allocatore di coppia per distruibuire la coppia tra FES e motore. I risultati delle simulazioni hanno mostrato che, rispetto al solo utilizzo di FES e controllo ad impedenza, l'utilizzo dell'allocatore porta dei vantaggi in termini di accuratezza della traiettoria, a discapito di un piccolo incremento di coppia fornita dal motore.