Development of a motorized trike for hybrid FES cycling training

Stroke, Spinal Cord Injury (SCI) and Multiple sclerosis (MS), leads to lifelong disabling conditions which range from the partial loss of sensitivity and the reduction in motor functions, to complete limb paralysis. Functional Electri cal Stimulation (FES) cycling is a well known technique for recovery of functional movements and reduction of secondary symptoms. However FES cycling is charac terized by low metabolic output and early appearance of muscle fatigue. The aim of this study is to design the mechanical structure for a motor-assisted recumbent trike intended to be used as an hybrid rehabilitation system for FES-cycling. The system has been tested on three healthy subjects and three stroke survivors in three modalities: voluntary pedaling, hybrid pedaling, and passive pedaling. During the tests no qualitative differences in muscles activations and force exerted can be ap preciated between voluntary and hybrid modality. That is given by the fact that all the subjects were able to pedal and the duration of the test were not sufficient to raise muscle fatigue. In the passive modality, the system proved that a constant cadence can be maintained, handling the legs weight. The designed setup proved to be suitable for future implementation with FES introducing the possibility to merge the benefit of the FES rehabilitation with psychological and social benefits of a recreational activity that can be done in outdoor context.

Ictus, lesioni del midollo spinale e sclerosi multipla, sono patologie che portano a condizioni invalidanti per tutta la vita, dalla parziale perdita di sensibilità e la riduzione delle funzioni motorie, alla completa paralisi degli arti. La stimolazione elettrica funzionale (FES) è una tecnica ben nota per il recupero dei movimenti funzionali e la riduzione di patologie secondare. Tuttavia, l’elettrostimolazione è caratterizzata da un basso rendimento metabolico e dalla comparsa precoce dell’affaticamento muscolare. Lo scopo di questo studio è progettare la struttura meccanica di un trike reclinato motorizzato, destinato ad essere utilizzato come sistema ibrido di riabilitazione con FES. Il sistema è stato testato su tre soggetti sani e tre post ictus in tre modalità: pedalata volontaria, pedalata ibrida e pedalata passiva. I test non hanno evidenziato differenze sostanziali in attivazioni muscolari e forze esercitate durante la modalità volontaria e ibrida. Ciò è dato dal fatto che tutti i soggetti erano in grado di pedalare e la durata del test non era tale da poter permettere l’insorgere di fatica muscolare. In modalità passiva il sistema si è rivelato capace di mantenere una data cadenza movimentando le gambe dell’utilizzatore. Il setup presentato si è dimostrato valido per future implementazioni con tecnologia FES, introducendo la possibilità di avere un sistema riabilitativo utilizzabile all’aperto per attività ricreative esociali.