Design and feasibility tests of a hybrid cooperative FES-exosuit for shoulder assistance and rehabilitation.

Neurological disorders often cause long-term disabilities that limit individuals' independence and quality of life. In this context, rehabilitation plays a crucial role, with robotic devices and Functional Electrical Stimulation proven effective in assisting and restoring motor functions in individuals with neurological conditions. When used independently, however, both approaches exhibit limitations that can be mitigated through their integration: robotic devices improve precision, repeatability, and reduce muscular fatigue, while FES promotes neuromuscular engagement, increasing rehabilitative efficacy. The present work aims to develop a hybrid cooperative exosuit to assist shoulder elevation against gravity, integrating the ROGER cable-driven exosuit with FES. The designed system was then validated on both healthy and post-stroke individuals. The exosuit controller provides position-based gravity-compensation assistance, while the FES control delivers a pre-defined stimulation profile shaped as a beta-function, with parameters updated at each repetition by an Iterative Learning Control algorithm. Experimental results demonstrate the system’s potential to enhance functional movement and improve the shoulder joint’s range of motion, particularly as users familiarize with FES, highlighting the promise of hybrid FES–robotic solutions for more effective and engaging rehabilitation. Future developments may include optimizing dynamic control allocation, designing a more user-friendly interface, and conducting larger-scale clinical evaluations.

I disturbi neurologici causano spesso disabilità a lungo termine, che limitano l’autonomia e la qualità della vita di chi ne è affetto. In questo contesto, la riabilitazione riveste un ruolo cruciale: robot indossabili e Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) hanno dimostrato efficacia nel supportare e nel ripristinare le funzioni motorie di pazienti neurologici. Tuttavia, quando utilizzati in modo indipendente, tali sistemi presentano alcune limitazioni, superabili mediante la loro integrazione. I dispositivi robotici garantiscono precisione, ripetibilità e una riduzione dell’affaticamento muscolare, mentre la FES favorisce il coinvolgimento neuromuscolare, potenziando l’efficacia riabilitativa complessiva. Il presente lavoro si propone di sviluppare un sistema cooperativo ibrido per assistere l’elevazione della spalla contro gravità, integrando ROGER, un exosuit cable-driven, con la FES. Il sistema è stato poi validato sia su individui sani sia su individui affetti da post-ictus cronico. Il controllo dell’exosuit è progettato per fornire un supporto di compensazione gravitazionale basato sulla posizione, mentre il controllo della FES genera un profilo di stimolazione predefinito modellato tramite una beta-function, i cui parametri vengono aggiornati a ogni ripetizione attraverso un controllo ILC (Iterative Learning Control). I risultati degli esperimenti condotti evidenziano il potenziale del sistema nel facilitare movimenti funzionali e nel migliorare il Range of Motion dell’articolazione della spalla, in particolare a seguito della familiarizzazione degli utenti con la FES. Ciò evidenzia il potenziale degli approcci ibridi FES–robotica nel migliorare l’efficacia e la qualità dell’intervento riabilitativo. Sviluppi futuri potranno concentrarsi sull’introduzione di un'allocazione dinamica del controllo FES-exosuit, sulla progettazione di un’interfaccia utente e sull’ampliamento del campione degli esperimenti.