A hybrid FES-motor assisted exoskeleton for upper limb rehabilitation

Upper limb motion impairment after neurological disorders limits the interaction with the environment and the execution of the activities of daily living. Efficient rehabilitative therapies can improve the life conditions of people affected with this type of disability. Rehabilitation robotics has proven to be a useful support for conventional therapies, allowing high dose of training in safe conditions. If combined with Functional Electrical Stimulation (FES), the physiological benefits of FES can be exploited, while assuring the accuracy and repeatability of the task execution introduced by a motor control. This allows the performance of complex coordinated exercises that are difficult to be replicated with FES only. The present study implements an hybrid FES-motor assisted platform for upper limb rehabilitation. The FES controller is a feedforward biomimetic pattern replicating the physiological coordinated activation of five muscles (anterior deltoid, medial deltoid, posterior deltoid, biceps and triceps) during the execution of anterior reaching tasks. This is integrated with the loadcell-based impedance motor control of the AGREE robotic platform, which allows accurate trajectory following. Experiments with healthy subjects wearing the exoskeleton on their dominant arm were performed in order to test the performances of the platform. The results show a significant reduction of the trajectory tracking error with respect to the execution of the FES pattern without feedback motor correction. This error is comparable with the one obtained with motor actuation only. Torque requirements for the motor actuators do not show a significant difference between hybrid controller and motor only controller, meaning that cooperation is not completely achieved. Future developments require the introduction of a feedback in the stimulation controller, in order to adapt the feedforward pattern to different subjects. Moreover, adaptation of the assistance contribution of the exoskeleton to the muscle contraction would soften the requirements over the velocity of execution, which is difficult to be managed by FES due to the non-linear response of the muscles.

La compromissione delle capacità di movimento dell'arto superiore che si verifica a seguito di disturbi neurologici limita l'interazione con l'ambiente e l'esecuzione dei movimenti di vita quotidiana. Terapie riabilitative efficienti possono migliorare le condizioni di vita delle persone affette da questo tipo di disabilità. La robotica riabilitativa è un supporto utile alle terapie convenzionali, in quanto garantisce alte dosi di allenamento in condizioni di sicurezza. In combinazione con la Stimolazione Elettrica Funzionale (SEF), si ottengono i benefici fisiologici della SEF, assicurando inoltre l'accuratezza e la ripetibilità nell'esecuzione dell'esercizio garantite dal controllo motorizzato. In questo modo, si può ottenere una buona esecuzione di movimenti coordinati e complessi che risultano di difficile realizzazione con la sola SEF. Questo studio implementa una piattaforma ibrida assistita da SEF e motore per la riabilitazione di arto superiore. Il controllo della stimolazione è basato su un pattern biomimetico in feedforward, che replica l'attivazione coordinata fisiologica di cinque muscoli (deltoide anteriore, deltoide mediale, deltoide posteriore, bicipite e tricipite) durante l'esecuzione di esercizi di reaching anteriore. Questo controllo è integrato con il controllo motorizzato in impedenza della piattaforma AGREE, che garantisce un accurato tracking della traiettoria eseguita. Per testare le performance della piattaforma, sono stati coinvolti sette soggetti sani, che hanno eseguito prove indossando il braccio meccanico dell'esoscheletro sul lato dominante. I risultati mostrano una riduzione significativa dell'errore sulla traiettoria rispetto all'esecuzione con il solo pattern di SEF senza correzione in feedback da parte del motore. L'errore è comparabile con quello ottenuto con il solo controllo motorizzato. La coppia richiesta ai motori non mostra una riduzione significativa tra controllo ibrido e controllo con solo motore, quindi non si ottiene perfetta cooperazione tra i due sistemi d'attuazione. Futuri sviluppi richiedono l'introduzione di un feedback nel controllo di stimolazione, in modo da adattare il pattern in feedforward ai diversi soggetti. Inoltre, un adattamento del contributo d'assistenza dell'esoscheletro alla contrazione muscolare ridurrebbe i requisiti sulla velocità di esecuzione, che non è facilmente controllabile attraverso SEF a causa del comportamento non lineare del muscolo.