Effetti sulla coordinazione motoria dovuti all'assistenza robotica : valutazione sperimentale tramite sinergie muscolari su soggetti sani

Robotic rehabilitation is a commonly-adopted technique which is applied to restore motor functionality of neurological patients. However, despite the promising results found in the literature, the effects induced with robotic assistance are still not well known and understood. In this study, with the aim of translating the results to support clinical practice, a standard paradigm is adopted for the rehabilitation of the upper limbs through a planar device with assist-as-needed control. Linear and curvilinear trajectories are used to investigate the effect of assistance in human-robot interaction in healthy subjects. The experimental campaign involves ten healthy subjects who undergo an adaptation session of interaction with the robot. Participants are instructed to perform a wide range of linear and curvilinear movements in two modes of interaction: 1) free movement in speed control, 2) free movement in speed control with assist-as-needed assistance paradigms. For each activity, multiple repetitions are performed. Kinematics and EMGs of representative dominant upper limb muscles are recorded in order to extract muscle synergies and explore their composition. Outcome measurements include assistance level, kinematic error calculation, and muscle synergy analysis. The repeatability and similarity of spatial synergies are compared between conditions with the aim of understanding the effect of robotic assistance on motor control. The main result of this work shows that, in free modality, the error is greater than in the assisted one. In addition, curvilinear and challenging activities require more assistance than standard linear trajectories and for this reason a greater error results. Interestingly, while assistance improves task performance, there is only a slight change in synergies when comparing assisted and free movement. The results of this study can find application in clinics as reference conditions for evaluating patient performance and motor recovery mechanisms, and as a basis for a better understanding of the effects of robotic assistance.

La riabilitazione robotica è una tecnica comunemente adottata che viene applicata per ripristinare la funzionalità motoria dei pazienti neurologici. Tuttavia, nonostante i risultati promettenti trovati in letteratura, gli effetti indotti tramite l'assistenza robotica non sono ancora del tutto noti e e compresi. In questo studio, con l'obiettivo di tradurre i risultati a supporto della pratica clinica, viene adottato un paradigma standard per la riabilitazione degli arti superiori attraverso un dispositivo planare con controllo assist-as-needed. Vengono utilizzate traiettorie lineari e curvilinee per indagare l'effetto dell'assistenza nell'interazione uomo-robot in soggetti sani. La campagna sperimentale coinvolge dieci soggetti sani i quali vengono sottoposti a una sessione di adattamento di interazione con il robot. I partecipanti sono istruiti ad eseguire una vasta serie di movimenti rettilinei e curvilinei in due modalità di interazione: 1) movimento libero utilizzando il robot in controllo di velocità, 2) movimento libero con controllo di velocità con paradigmi di assistenza basati su tunnel di forza. Per ciascuna attività sono eseguite molteplici ripetizioni. La cinematica e gli EMG dei muscoli rappresentativi degli arti superiori dominanti sono registrati al fine di estrarre le sinergie muscolari ed esplorare la loro composizione. Le misurazioni dei risultati includono quindi il livello di assistenza, il calcolo dell'errore cinematico e l'analisi delle sinergie muscolari. La ripetibilità e la somiglianza delle sinergie spaziali sono confrontate tra le condizioni con l'obiettivo di comprendere l'effetto dell'assistenza robotica sul controllo motorio. Il risultato principale di questo lavoro mostra come, nei movimenti liberi, l'entità dell'errore risulti maggiore rispetto ai movimenti assistiti. Inoltre, alle attività curvilinee sfidanti è associato un errore maggiore e d conseguenza maggiore assistenza rispetto ai percorsi rettilinei standard. È interessante notare che, mentre l'assistenza migliora le prestazioni riducendo l'errore, si riscontra solo una leggera modifica delle sinergie quando vengono confrontati tra loro i movimenti assistiti e liberi. I risultati di questo studio possono trovare applicazione in ambito clinico come condizioni di riferimento per la valutazione delle prestazioni dei pazienti e dei meccanismi di recupero motorio, e come base per una comprensione più profonda degli effetti indotti dall'assistenza robotica.