Cooperative control solutions for a FES and motor-assisted trike: a feasibility study on people with Spinal Cord Injury

Stroke, Spinal Cord Injury (SCI) and Multiple Sclerosis (MS) are three leading causes of disability that result in alterations to motor and sensory functions, as well as the autonomic or vegetative nervous system. Functional Electrical Stimulation (FES) is a well-known technique for relatively fast recovery of functional movements and reduction of secondary symptoms. However, limitations of FES cycling, including metabolic inefficiency and muscle fatigue, prompted the proposal of a hybrid approach combining FES with motor assistance to optimize performance. This study addresses the development and evaluation of cooperative control system solutions for a hybrid FES and motor-assisted cycling trike, including a symmetry controller to compensate for exerted power asymmetry between the two legs. A commercially available passive recumbent trike was equipped with a DC brushed motor, an 8-channel neuro-muscular electrical stimulator, an encoder to measure the crank angle and a pair of power meter pedals. Three different control modalities were proposed to maximize the flexibility of the system for different types of users. The first is thought for well-trained pilots with complete SCI. The motor is not activated and FES intensity is modulated to keep a desired cadence. The second modality is thought for people with residual motor capability. FES is modulated with a feedforward controller at an intensity level tolerated by the subject and the motor can be activated to assist the pedalling. Finally, the third modality is thought for people with complete paralysis of lower limbs, as the first modality. The current amplitude is modulated to keep the desired power at the pedals, while the motor is set to maintain a target cadence. A feasibility study was conducted with three people with SCI and five subjects without disabilities. The three modalities were tested both with and without the symmetry control module and all controllers worked correctly and in line with the expectations, indicating the flexibility and safety of the setup. Future work will focus on optimizing the symmetry control in order to unbalance currents across different muscles and not only between the left and right leg.

Ictus, lesioni al midollo spinale (SCI) e sclerosi multipla (SM) sono tre delle principali cause di disabilità che comportano alterazioni delle funzioni motorie e sensoriali, così come del sistema nervoso autonomo o vegetativo. La Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) è una nota tecnica per il recupero dei movimenti funzionali e la riduzione dei sintomi secondari. Tuttavia, i limiti dell’elettrostimolazione applicata alla pedalata, tra cui l'inefficienza metabolica e l'affaticamento muscolare, hanno portato allo sviluppo di un approccio ibrido che integra l’assistenza di un motore elettrico per ottimizzarne le prestazioni. Questo studio affronta lo sviluppo e la valutazione di soluzioni di sistemi di controllo cooperativi per un trike reclinato motorizzato, pensato come sistema ibrido di riabilitazione con FES. È stata inclusa una regolazione della simmetria per compensare l'asimmetria del movimento tra le due gambe. Un trike reclinato commerciale è stato equipaggiato con un motore DC a spazzole, uno stimolatore elettrico neuro-muscolare a otto canali, un encoder per misurare l'angolo alla pedivella e dei pedali sensorizzati per misurare la potenza esercitata dai muscoli. Sono state proposte tre modalità di controllo per massimizzare la flessibilità del sistema per diversi tipi di utenti. La prima è pensata per piloti con lesione spinale completa, ma ben allenati. Il motore non viene attivato e l'intensità della FES è modulata per mantenere una cadenza desiderata. La seconda modalità è rivolta a persone con capacità motorie residue. La FES è modulata tramite controllo feedforward a un livello di intensità tollerato dal soggetto e il motore può essere attivato per assistere la pedalata. Infine, la terza modalità è pensata per persone con paralisi completa degli arti inferiori, come la prima modalità. L'ampiezza della corrente è modulata per mantenere la potenza desiderata ai pedali, mentre il motore è impostato per mantenere una cadenza target. È stato condotto uno studio di fattibilità con tre persone con lesione completa del midollo spinale e cinque soggetti senza disabilità. Le tre modalità di controllo sono state testate sia con che senza il modulo di simmetria e in tutti i casi il sistema ha funzionato correttamente e secondo le aspettative, dimostrandone la flessibilità e la sicurezza. Negli sviluppi futuri si prevede l’ottimizzazione del controllo di simmetria al fine di sbilanciare le correnti differenziandole tra diversi gruppi muscolari e non solo tra gamba sinistra o destra nell’insieme.