Design of a hybrid FES-motor system for the cooperative control of the knee flexion-extension

Lesions to the Central Nervous Systems cause a partial or total loss of the volitional muscle control and sensory functions below the level of the lesion. A timely and efficient rehabilitation is required to reduce the onset of secondary consequences related to the prolonged inactivity of the patient, such as cardiovascular problems and muscular atrophy, and to promote the relearning process exploiting the neural plasticity of the nervous system. Many times robotic devices support and integrate conventional therapies allowing repetitive and subject-specific sessions. Nevertheless, the weight and size of these devices may discourage patients from using them. Another promising technology in this field is the Functional Electrical Stimulation (FES) which consists in sending low-energy electrical impulses to muscles to induce artificial contractions and perform functional tasks. However, the non-physiological muscle fibers recruitment generates both a low quality movement control and an early onset of the muscular fatigue, limiting the time duration of rehabilitative sessions. In order to overcome the limitations of these technologies, the idea of developing hybrid systems characterized by a cooperation between FES and robots is gaining interest, with the aim of providing a mechanical and functional assistance. The objective of this thesis work is the design of a hybrid FES-motor structure for the cooperative control of the knee joint during an extension movement. The cooperative control was implemented by choosing an implicit impedance controller for the motor block and an Iterative Learning Control (ILC) for the FES block. The former drives the motor with a torque signal computed as the torque needed to perform a predefined trajectory and corrected with the aim of minimizing tracking errors. Given that a torque sensor is not included in the structure, the actual torque produced by the motor was unknown and thus a motor's friction model was needed to account motor's inefficiencies. The latter computes the amount of current needed for one movement based on the position error during the previous one. A validation of both the motor model and the cooperative controller was carried out, testing 15 healthy subjects. Former experiments demonstrated the acceptability of the developed motor model with 3 different trajectories displaying slightly different behaviours. Experiments of the cooperative controller proved that the integration of FES in a robotic system allows to reduce the torque produced by motors but, at the same time, to track the same trajectory.

Lesioni a livello del Sinstema Nervoso Centrale comportano una perdita parziale o totale del controllo motorio volontario e delle funzioni sensoriali degli arti. In questi casi è necessaria una pronta ed efficace terapia per ridurre l'insorgenza di conseguenze secondarie legate all'inattività del paziente, come problemi cardiovascolari e perdita di tonicità muscolare, e per favorire il processo di riapprendimento motorio sfruttando la neuroplasticità del sistema nervoso. Spesso le terapie convenzionali vengono affiancate da dispositivi robotici in quanto consentono sessioni riabilitative ripetitive e pensate ad hoc per il singolo paziente. Nonostante i vantaggi, l'elevato peso ed ingombro di questi dispositivi, ne riduce l'applicabilità per molti pazienti. Un'altra tecnologia promettente in questo campo è la Stimolazione Elettrica Funzionale (FES); quest'ultima consiste nell'inviare impulsi elettrici a bassa intensità ai muscoli con l'obiettivo di indurre contrazioni artificiali per svolgere un movimento funzionale. Tuttavia, il reclutamento muscolare non fisiologico, determina un controllo motorio di bassa qualità e una precoce insorgenza dell'affaticamento muscolare, compromettendo la durata delle sessioni riabilitative. Per far fronte a queste limitazioni, sta crescendo l'interesse verso la realizzazione di sistemi ibridi caratterizzati da una cooperazione tra esoscheletri e FES con l'intento di fornire un supporto sia meccanico che funzionale. L'obiettivo del seguente lavoro di tesi è la realizzazione di un banco prova ibrido (FES + motore) per il controllo cooperativo dell'articolazione di ginocchio durante la flesso-estensione. Il controllo compliante è stato realizzato scegliendo uno schema ad impedenza implicito per controllare il motore e un Iterative Lerning Control (ILC) per la FES. Il primo controlla il motore tramite un segnale di coppia, costituito dal valore di coppia necessario per compiere una prefissata traiettoria e da un termine correttivo per minimizzare l'errore di posizione. Poiché la struttura non include un sensore di coppia, non è possibile conoscere il valore reale della coppia esercitata e quindi è stato necessario sviluppare un modello degli attriti per poter stimare l'inefficienza del motore e del riduttore. Nel controllo della stimolazione, invece, si ricava l'intensità della corrente necessaria per eseguire l'estesione sulla base dell'errore in posizione ottenuto nella ripetizione precedente. Una validazione sia del modello del motore che del controllo cooperativo è stata effettuata testando 15 soggetti sani. I primi test hanno provato, tramite 3 traiettorie differenti, l'accettabilità del modello sviluppato (con comportamenti leggermenti differenti). I test sul controllo cooperativo hanno dimostrato che l'integrazione della FES in un sistema robotico permette di ridurre la coppia prodotta dai motori riuscendo, allo stesso tempo, a seguire la traiettoria desiderata.