Design of a hybrid robotic system integrating FES in a lower limb exoskeleton : feasibility study and preliminary development of a cooperative control strategy

Injures to the Central Nervous System (CNS) lead to a partial or total loss of sensory function and voluntary motor control over the limbs. In this context, increasing interest is growing around the usage of Functional Electrical Stimulation (FES), consisting in the delivery of low-level electrical pulses to induce artificial functional contraction of paralyzed muscles. This promising technology generates physiological and neurological benefits: former are related to the reduced risk of thrombosis, osteoporosis and pressure sores; the latter to brain neuroplasticity, promoting motor re-learning. However, FES is also associated to some disadvantages: a poor motor control of limb trajectories resulting from the induced artificial contraction and early appearance of muscle fatigue, due to a non-physiological fibers recruitment, which limits the duration of the rehabilitation sessions. In the direction of reducing these limitations, interest is growing around the development of innovative systems, called hybrid, which integrate FES with actuated robotic devices, such as exoskeletons. These latter, giving mechanical and functional support to the structure, limit FES drawbacks, enhancing its advantages. The goal of this thesis work is FES integration within the control of an already existent lower limb exoskeleton (TWIN). The process started with a feasibility study where the possibility of integrating the electrical stimulator at software and hardware level was analyzed. In this phase stimulation was only added to the motors activity, as an afferent (i.e. proprioceptive) signal, without inducing any muscular contraction capable of inducing movement. After that, the development of a control scheme integrating both FES and motors contribution during a single knee joint flexion-extension took place. This movement was selected in order to avoid complexities related to walking activity. The motor control loop is realized with an impedance controller, allowing a smooth tracking of a reference trajectory. Two different strategies were tried out for FES control: Proportional Integral Derivative (PID) and Iterative Learning Control (ILC) strategies, aiming at limiting trajectory errors. A total of 12 healthy subjects were tested and results demonstrated that position tracking performances of the only-motor induced movement are similar to the ones obtained with a reduced contribution at motor level and FES is present. This represents a promising starting point in the perspective of integrating such system for reducing motor’s power and delay fatigue onset.

Lesioni al Sistema Nervoso Centrale (SNC) portano a una perdita parziale o totale del controllo motorio volontario degli arti. In questo contesto, sta crescendo l'interesse intorno all'utilizzo della Stimolazione Elettrica Funzionale (FES), che consiste nell'erogazione di impulsi elettrici per indurre la contrazione funzionale artificiale dei muscoli paralizzati. Questa promettente tecnologia genera benefici fisiologici e neurologici: i primi sono legati alla riduzione del rischio di trombosi, osteoporosi e piaghe da decubito; gli ultimi alla neuroplasticità cerebrale, favorendo il riapprendimento motorio. Tuttavia, la FES presenta alcuni svantaggi: uno scarso controllo motorio degli arti conseguente alla contrazione artificiale indotta e un precoce affaticamento muscolare, dovuto ad un reclutamento non fisiologico delle fibre, che limita la durata delle sedute riabilitative. Nell'intento di ridurre questi limiti, cresce l'interesse per lo sviluppo di sistemi innovativi, detti ibridi, che integrano la FES con dispositivi robotici, tra cui gli esoscheletri. Questi ultimi, fornendo supporto meccanico e funzionale, limitano gli inconvenienti della FES, promuovendone i vantaggi. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è l'integrazione della FES nel controllo di un esoscheletro per arti inferiori già esistente (TWIN). Il lavoro è iniziato con uno studio di fattibilità dove è stata analizzata la possibilità di integrare lo stimolatore elettrico a livello software e hardware. In questa fase la stimolazione è stata sovrapposta all'attività motoria, come segnale afferente (ossia propriocettivo), senza indurre alcuna contrazione muscolare in grado da generare movimento. Successivamente, ha avuto luogo lo sviluppo di uno schema di controllo che integrasse sia il contributo della FES che quello motorio durante una singola flesso-estensione dell'articolazione di ginocchio. Questo movimento è stato selezionato per evitare complessità legate all'attività di deambulazione. A livello motore è stato realizzato un controllore in impedenza, che ha consentito un tracciamento regolare della traiettoria di riferimento. Sono state sperimentate due diverse strategie per il controllo della stimolazione: Proportional Integral Derivative (PID) e Iterative Learning Control (ILC), volte a limitare gli errori di traiettoria. Sono stati testati un totale di 12 soggetti sani e i risultati hanno dimostrato che le prestazioni ottenute dai test con massimo supporto a livello motore sono simili a quelle ottenute quando questo supporto è ridotto ed è presente la FES. Ciò rappresenta un punto di partenza promettente nella prospettiva di integrare questo tipo di sistema per ridurre la potenza del motore e ritardare l'insorgenza della fatica muscolare.