Multi Degree of Freedom Hybrid FES and Robotic Control of the Upper Limb
Multi Degree of Freedom Hybrid FES and Robotic Control of the Upper Limb
复制标题
多自由度混合FES和上肢机器人控制
DOI：
10.1109/tnsre.2024.3364517
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发表时间：
2024
影响因子：
4.9
通讯作者：
O’Malley, Marcia K.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Dunkelberger, Nathan;Carlson, Skye A.;Berning, Jeffrey;Schearer, Eric M.;O’Malley, Marcia K.
患有脊髓损伤的人通常需要帮助才能完成日常活动，对于四肢瘫痪的人来说，上肢功能的恢复是他们的首要任务之一。混合功能性电刺激（FES）和外骨骼系统已经成为提供上肢运动辅助的潜在解决方案。这些系统通过FES利用用户自己的肌肉，并通过辅助外骨骼提供额外的运动支持。到目前为止，这些系统都集中在单一的关节运动，限制了他们的效用，为独立所必需的复杂运动。在本文中，我们扩展我们以前的工作模型预测控制（MPC）的混合FES-exo系统，并提出了一个多自由度（DOF）的混合控制器，使用控制器的成本函数，以实现所需的行为。在神经系统完好的个体的研究中，将混合控制器与单独作用于运动辅助场景的外骨骼进行比较，所述运动辅助场景包括肢体的多个自由度，以探索外骨骼功耗降低的潜力和对跟踪精度的影响。此外，每种情况下，探讨模拟使用模型所需的MPC配方。两个自由度的混合控制器的实现看到了在物理和模拟系统中的功耗和令人满意的轨迹跟踪的减少。在四自由度的实施，实验结果表明，上肢的一些关节略有改善。在模拟中，我们观察到的性能相当的两个自由度的实现。
Individuals who have suffered a spinal cord injury often require assistance to complete daily activities, and for individuals with tetraplegia, recovery of upper-limb function is among their top priorities. Hybrid functional electrical stimulation (FES) and exoskeleton systems have emerged as a potential solution to provide upper limb movement assistance. These systems leverage the user’s own muscles via FES and provide additional movement support via an assistive exoskeleton. To date, these systems have focused on single joint movements, limiting their utility for the complex movements necessary for independence. In this paper, we extend our prior work on model predictive control (MPC) of hybrid FES-exo systems and present a multi degree of freedom (DOF) hybrid controller that uses the controller’s cost function to achieve desired behavior. In studies with neurologically intact individuals, the hybrid controller is compared to an exoskeleton acting alone for movement assistance scenarios incorporating multiple degrees-of-freedom of the limb to explore the potential for exoskeleton power consumption reduction and impacts on tracking accuracy. Additionally, each scenario is explored in simulation using the models required to generate the MPC formulation. The two DOF hybrid controller implementation saw reductions in power consumption and satisfactory trajectory tracking in both the physical and simulated systems. In the four DOF implementation, the experimental results showed minor improvements for some joints of the upper limb. In simulation, we observed comparable performance as in the two DOF implementation.
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10.1109/icorr55369.2022.9896570
发表时间：
2022
期刊：
IEEE Int Conf Rehabil Robot
影响因子：
--
作者：
Dunkelberger, Nathan;Carlson, Skye A.;Berning, Jeffrey;Stovicek, Kyra C.;Schearer, Eric M.;O'Malley, Marcia K.
通讯作者：
O'Malley, Marcia K.
影响因子：
6.4
作者：
Dunkelberger, Nathan;Berning, Jeffrey;Omalley, Marcia K.
通讯作者：
Omalley, Marcia K.