Design of an adaptive controller to dynamically allocate contributions of FES and electric actuators in a hybrid upper limb rehabilitation system : towards muscle fatigue management

Robot-mediated therapies and Functional Electrical Stimulation (FES) are often combined to enhance the outcomes of neuromotor rehabilitation following neurological disorders. Hybrid devices are usually characterized by two interacting systems involving the action of a powered exoskeleton and the FES-induced muscular contraction. This work presents a cooperative controller for an hybrid system intended for upper limb rehabilitation that aims at allocating the required torque between electric actuators and muscular effort, taking care of muscle fatigue. The core idea is that feedforward actuation torque can be dynamically distributed between electric actuators and FES stimulator according to recognition of muscle fatigue onset. The actuator control scheme is based on a loadcell-based impedance control law, while the stimulator can be programmed to deliver the proper amount of electrical charge to the muscles, that is controlled by an Iterative Learning Controller at a higher level. Experiments with healthy volunteers are performed with a one degree-of-freedom test-bench to demonstrate that the control scheme cooperatively integrates the FES with the actuator assistance in order to manage muscle fatigue onset. Results show that with such a control scheme, a better trajectory tracking over sole FES use, and lower power output over sole motor impedance-based control was required. Moreover, muscle fatigue is well-managed by the dynamic allocation strategy. This approach shows the feasibility of integrating FES in hybrid robotic devices for upper-limb rehabilitation and assistance. Future research will involve clinical tests of the proposed controller with end-users and patients.

Terapie di riabilitazione robotica e Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) vengono spesso usate in combinazione per aumentare i risultati della riabilitazione motoria di soggetti con disordini neurologici. Questo lavoro presenta un controllo cooperativo per un sistema ibrido per riabilitazione di arto superiore che intende allocare la coppia richiesta per completare il movimento funzionale tra gli attuatori elettrici e la coppia generata a livello muscolare, tenendo conto dell'insorgenza di fatica muscolare. L'idea principale consiste nel distribuire la coppia totale richiesta al sistema fra i due attuatori, motore e muscolo dipendentemente dal riconoscimento della fatica muscolare. Lo schema di controllo dell'attuatore è basato su una legge di controllo in impedenza mentre lo stimolatore SEF è programmato per portare la carica al muscolo, che è controllata ad alto livello da un ILC. Esperimenti su soggetti volontari sani sono stati condotti con l'uso di un banco prova a un grado di libertà per dimostrare che lo schema di controllo è in grado di integrare l'azione della SEF e degli attuatori in modo da gestire l'insorgenza di fatica muscolare. I risultati mostrano che si ottiene un migliore controllo della traiettoria con lo schema di controllo cooperativo rispetto ad uno schema che includa solo la SEF, e che la cooperazione di attuatori e muscolo richiede un minor consumo di energia elettrica rispetto all'uso dei soli attuatori elettrici. In più, la fatica muscolare è gestita adeguatamente dall'allocazione dinamica. Questo approccio mostra la fattibilità dell'integrazione fra SEF e sistemi robotici per la riabilitazione dell'arto superiore. Futuri sviluppi del lavoro prevedono test clinici dello schema di controllo con pazienti neurologici.