Adaptive hybrid FES-Force controller for Elbow Exosuit

Patients impaired by neuromuscular diseases experience motor disabilities which hinder their independence during activities of daily living. Robotic devices and Functional Electrical Stimulation (FES) proved their capability to assist and restore lost functionalities of patients. However, their independent assistance has limitations. Merging together FES and robots in Hybrid Robotic Rehabilitation Systems overcomes these drawbacks. Currently, the possibility of including soft wearable robots (exosuits) in hybrid systems was investigated by only two studies in the literature, but none of these implemented a balanced assistance between the exosuit and FES. To the best of the author's knowledge, no hybrid system comprising FES and exosuit for assisting the elbow was proposed in the literature. Would exosuits be a feasible alternative to rigid exoskeletons in elbow Hybrid Systems? To address this question an innovative hybrid controller involving FES and an exosuit was implemented to assist elbow flexion and extension. This controller cooperatively manages the assistance of the two systems and adaptively varies the assistance allocation based on the muscle fatigue estimated. The designed hybrid controller was tested on six healthy participants. The results obtained showed how the hybrid controller significantly overwhelmed the performance of FES alone, not only improving movements precision but decreasing muscle fatigue during the trials of about 63% and delaying its onset, potentially allowing longer-lasting therapy sessions. Concurrently, the hybrid controller allowed the wearers to perform movements with no significant worsening of accuracy and precision with respect to the exosuit alone, but with a significant shrink of the motor energy consumption of about 72%. Finally, the implemented EMG-based intention detection method successfully decoded the participants' intention with an accuracy of about 70%. The results obtained clearly revealed the potentiality of using the proposed hybrid controller in exosuits hybrid systems and reasonably suggest their application in rehabilitation treatments.

I pazienti affetti da malattie neuromuscolari mostrano disabilità motorie che ostacolano la loro indipendenza durante le attività della vita quotidiana. Dispositivi robotici e la stimolazione elettrica funzionale (FES) hanno dimostrato la loro capacità di assistere e ripristinare le funzionalità motorie dei pazienti. Tuttavia, la loro assistenza autonoma presenta dei limiti. Unendo FES e robot in Sistemi Robotici Riabilitativi Ibridi permette di superare queste limitazioni. Attualmente, la possibilità di includere robot indossabili (exosuits) in sistemi ibridi è stata indagata solo da due studi in letteratura, ma nessuno di questi ha implementato un'assistenza coordinata tra exosuit e FES. Al meglio delle conoscenze dell'autore, non è mai stato sviluppato un sistema ibrido che comprenda un exosuit del gomito. Possono gli exosuits essere un'idonea alternativa agli esoscheletri rigidi nei sistemi ibridi per assistere il gomito? Per rispondere a questa domanda un controllo ibrido che comprende la FES e un exosuit è stato sviluppato per assistere flessione ed estensione del gomito. Questo controllo gestisce in modo cooperativo l'assistenza dei due sistemi, variandone l'allocazione in base all'affaticamento muscolare. Il controllo ibrido è stato testato su sei partecipanti sani. Dai risultati ottenuti è emerso come il controllo ibrido abbia surclassato significativamente le prestazioni della sola FES, non solo in termini di precisione dei movimenti ma anche diminuendo la fatica del 63% e ritardandone notevolmente l'insorgenza. Al contempo, il sistema ibrido ha permesso ai soggetti di muoversi senza un significativo peggioramento della precisione rispetto al solo exosuit, ma rispetto a questo riducendo significativamente del 72% il consumo energetico del motore. Infine, il metodo di detenzione dell'intenzione dei soggetti basato sull'EMG ha permesso di decodificare con successo la loro volontà riguardo al movimento da compiere con un'accuratezza circa del 70%. I risultati ottenuti hanno chiaramente rivelato le potenzialità dell'uso del controllo ibrido proposto in sistemi ibridi con exosuit e suggeriscono ragionevolmente la loro applicazione riabilitativa.