Adaptive Cooperative Control for Hybrid FES-Robotic Upper Limb Devices: a Simulation Study

功能性电刺激 控制器(灌溉) 扭矩 弹道 外骨骼 计算机科学 控制理论(社会学) 控制工程 工程类 模拟 控制(管理) 人工智能 物理 神经科学 天文 热力学 生物 刺激 农学
作者
Elena Bardi,Stefano Dalla Gasperina,Alessandra Pedrocchi,Emilia Ambrosini
标识
DOI:10.1109/embc46164.2021.9630331
摘要

Robotic systems and Functional Electrical Stimulation (FES) are common technologies exploited in motor rehabilitation. However, they present some limits. To overcome the weaknesses of both approaches, hybrid cooperative devices have been developed, which combine the action of the robot and that of the electrically stimulated muscles on the same joint. In this work, we present a novel adaptive cooperative controller for the rehabilitation of the upper limb. The controller comprises an allocator - which breaks down the reference torque between the motor and the FES a-priori contributions based on muscle fatigue estimation - an FES closed-loop controller, and an impedance control loop on the motor to correct trajectory tracking errors. The controller was tested in simulation environment reproducing elbow flexion/extension movements. Results showed that the controller could reduce motor torque requirements with respect to the motor-only case, at the expense of trajectory tracking performance. Moreover, it could improve fatigue management with respect to the FES-only case. In conclusion, the proposed control strategy provides a good trade-off between motor torque consumption and trajectory tracking performance, while the allocator manages fatigue-related phenomena.Clinical relevance-The use of allocation proves to be effective in both reducing motor torque and FES-induced muscle fatigue and might be an effective solution for hybrid FES-robotic systems.
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