Controle rítmico para aplicações de estimulação elétrica funcional usando modelos musculoesqueléticos detalhados

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.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.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The main objective of this work concerns the design of new controllers for rhythmic exercises assisted by functional electrical stimulation (FES), such as cycling and rowing. This work is part of a broader research effort targeting spinal cord injury rehabilitation based on principles of neuro-engineering and robotics integrated with goal-directed physical therapy. We developed a basic framework for simulation of detailed musculoskeletal models to accelerate the prototyping of new control strategies. The basic control features a higher level finite state controller and a lower level controller which calculates the activation level of the muscles. A controller with motor primitives based on attractor dynamics was developed for the rowing exercise, and coupled oscillators were added to controllers of both cycling and rowing exercises. Furthermore, we used genetic algorithms to estimate the controllers parameters, minimize the overall level of applied electrical stimulation and increase the robustness in environments with different configurations. In the case of the cycling exercise, we used the same parameters in simulations with noise, fatigue, different loads, and scales. Besides the performance evaluation, we also calculated the efficiency of the metabolic energy expenditure of the musculoskeletal models as an alternative method to compare different FES applications. Results demonstrated that the addition of coupled oscillators increased the efficiency in both exercises. Also, FES cycling seems to be more suitable for participants with motor disabilities who have weak muscles and low endurance due to its lower muscle activation and metabolic energy expenditure. FES rowing can be used later for improving the power of the muscles