Rhythmic control for functional electrical stimulation applications using detailed musculoskeletal models

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é projetar novos controladores para exercícios rítmicos assistidos por FES, como ciclismo e remo. Este trabalho faz parte de um esforço de pesquisa mais amplo baseado na reabilitação de SCI com base em princípios de neuro-engenharia e robótica integrados com fisioterapia orientada. Uma estrutura básica para simulação de modelos musculoesqueléticos detalhados foi desenvolvida para acelerar a prototipagem de novas estratégias de controle. O controle básico possui um controlador de estado finito no nível superior e um controlador de nível inferior que calcula a intensidade da ativação dos músculos. Um controlador com primitivas de movimento com base na dinâmica de atratores foi desenvolvido para o exercício de remo e osciladores acoplados foram adicionados aos controladores para exercícios de remo e ciclismo. Além disso, algoritmos genéticos foram utilizados para estimar os parâmetros dos controladores, minimizar o nível geral da estimulação elétrica aplicada e aumentar a robustez em ambientes com configurações diferentes. No caso do exercício de ciclismo, os mesmos parâmetros foram utilizados em simulações com ruído, fadiga, diferentes cargas e escalas. Além da avaliação de desempenho, a eficiência do gasto energético metabólico dos modelos musculoesqueléticos também foi calculada como método alternativo para comparar diferentes aplicações FES. Os resultados demonstraram que a adição de osciladores acoplados aumentou a eficiência em ambos os exercícios. Além disso, o ciclismo assistido por FES parece ser mais adequado para participantes com deficiência motora que têm músculos fracos e baixa resistência devido à sua menor ativação muscular e ao gasto de energia metabólica. O remo assistido por FES pode ser usado depois para melhorar a potência dos músculos.