A cooperative controller for upper-limb hybrid robotic systems based on functional electrical stimulation

Injuries to the Central Nervous System (CNS), such as spinal cord damages or strokes, cause a total or partial loss of voluntary control over limbs. Symptoms vary according to the extent and the level of injury and are strongly influenced by rehabilitation. Nowadays, new strategies are under investigation: the most attractive ones are called hybrid systems which integrate Functional Electrical Stimulation (FES) and active exoskeletons in order to maximise the contribution of muscle torque in providing movement and to ensure repetitive motions in the presence of poorly muscle responses. The objective of this thesis was to design a cooperative controller for hybrid robotic systems. The controller was developed in a C++ software interface which integrates in one environment an impedance control on actuators and a Proportional Integral (PI) control on stimulation. The controller was tested on a hybrid system comprehensive of a one degree of freedom robotic system, equipped with a mechanical actuator, and a stimulator, with the aim of developing an upper-limb rehabilitation system to perform assisted flexion-extension of the forearm. Validation of the stimulation controller was performed on real subjects and the feasibility of integration was evaluated.

Danni al sistema nervoso centrale, dovuti a lesioni midollari o ictus cerebrali, causano una perdita totale o parziale del controllo volontario sugli arti. I sintomi variano a seconda dell’estensione e del livello della lesione e sono fortemente influenzati dall’esercizio riabilitativo. Nuove tecnologie sono attualmente in via di sviluppo nell’ambito riabilitativo: tra queste i sistemi ibridi, che uniscono l’utilizzo della Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) ad esoscheletri attivi, permettendo di massimizzare il contributo muscolare nell’esecuzione di un esercizio e garantendo lo svolgimento di movimenti ripetuti anche in presenza di una risposta muscolare insufficiente. L’obiettivo del presente lavoro è stato quello di sviluppare un controllore cooperativo pensato per essere applicato a sistemi robotici ibridi. Per farlo è stata implementata un’interfaccia software in C++ che integra all’interno dello stesso ambiente un controllo in impedenza sul motore ed un controllo Proporzionale Integrale (PI) per la stimolazione elettrica. Tale controllore è stato quindi testato su un sistema ibrido comprensivo di un giunto robotico ad un grado di libertà e di uno stimolatore, pensato per svolgere esercizi di flessione/estensione del braccio. Tramite test su soggetti reali, è stata messa a punto la validazione del controllo sulla stimolazione per poi condurre uno studio di fattibilità sul sistema integrato che ha verificato la consistenza dell’approccio scelto.