Design and validation of a 3-DOF wrist rehabilitation trainer with BP-PID impedance control

عندما يعاني شخص من سكتة دماغية أو إصابة شديدة في الذراع، غالبًا ما يصبح المعصم متصلبًا وغير مستجيب. وبدون الحركة المنتظمة، يمكن للأنسجة المحيطة بالمفصل أن تلتصق ببعضها البعض، كما يمكن لقدرة الدماغ على التحكم في اليد أن تتلاشى. ويعرف الأطباء أن تحريك المعصم عبر نطاق حركته الكامل أمر ضروري لمنع هذا التصلب والمساعدة في شفاء الأعصاب. ومع ذلك، فإن جعل المريض يتحرك بشكل صحيح أمر صعب؛ فالمعصم البشري عبارة عن مفصل ثلاثي الأبعاد معقد لا يدور حول نقطة ثابتة واحدة مثل مفصل الباب. بدلاً من ذلك، يتغير مركز دورانه قليلاً أثناء انثناء اليد أو ميلها أو التوائها. وإذا حاول جهاز ميكانيكي إجبار المعصم على التحرك حول نقطة ثابتة لا تتطابق مع حركة الجسم الطبيعية، فقد يتسبب ذلك في الألم، أو إجهاد العضلات، أو حتى تلف المفصل. لسنوات، كافح المهندسون لبناء روبوت يمكنه تحريك المعصم بشكل طبيعي دون التسبب في عدم المحاذاة هذا، مع توفير القدر المناسب من المساعدة لمريض لا يستطيع التحرك بمفرده.

صمم فريق من الباحثين في الصين واختبر جهازًا جديدًا لحل هذه المشكلة تحديدًا. لقد ابتكروا مدربًا للمعصم ثلاثي الأبعاد يعدل نفسه فيزيائيًا ليتناسب مع المركز المتغير للمعصم البشري. وعلى عكس الآلات القديمة التي قد تجبر اليد على اتباع مسار صلب، يستخدم هذا الجهاز هيكل تعويض خاص. تخيل المعصم كقضيب مرن يمكنه التمدد والانكماش قليلاً؛ تحاكي هذه الآلة هذا السلوك من خلال السماح للمقبض بالتحرك بالقرب من مركز الدوران أو بعيدًا عنه مع تحرك اليد. يضمن هذا التعديل بقاء نقطة دوران الآلة محاذية لمفصل المريض الفعلي، مما يمنع الاحتكاك المؤلم الذي يحدث عندما لا تتطابق المركزان. الجهاز قادر على توجيه اليد عبر ثلاثة أنواع متميزة من الحركة: ثني المعصم للأعلى والأسفل، وإمالته من جانب إلى آخر، وتدوير الساعد بحيث يتجه باطن اليد للأعلى أو للأسفل.

وللتأكد من أن الجهاز يعمل بأمان وفعالية، قام الباحثون أولاً ببناء نسخة افتراضية من الآلة على جهاز كمبيوتر. لقد قاموا بمحاكاة كيفية تحرك الجهاز تحت ظروف مختلفة، بما في ذلك وزن ذراع الإنسان والاحتكاك داخل تروس الآلة. كشفت هذه الاختبارات الحاسوبية أن الجهاز يمكنه التعامل مع الحركات المعقدة والمشتركة للمعصم دون أن يعلق أو يفقد السيطرة. كما اكتشفوا أن القوى المطلوبة لتحريك المعصم تتغير اعتمادًا على اتجاه الحركة ووجود الاحتكاك. كانت هذه المعلومات حاسمة لتصميم "دماغ" الآلة: نظام التحكم.

طوّر الباحثون طريقة تحكم متطورة لإدارة حركات الجهاز. لقد دمجوا خوارزمية تحكم قياسية مع نوع من الذكاء الاصطناعي يُعرف بالشبكة العصبية. يعمل هذا النظام مثل سائق يتعلم ذاتيًا؛ فبدلاً من استخدام مجموعة ثابتة من القواعد، يقوم المتحكم بمراقبة الفرق باستمرار بين المكان الذي تحاول الآلة الوصول إليه والمكان الذي يوجد فيه معصم المريض فعليًا. ثم يقوم بتعديل إعداداته الخاصة في الوقت الفعلي لتصحيح أي أخطاء. وهذا يسمثل للآلة القدرة على الاستجابة بسلاسة للقوى غير المتوقعة للطرف البشري، مما يوفر قدرًا كافيًا من المساعدة لمساعدة المريض على الحركة دون السيطرة الكاملة. كما برمج الباحثون الآلة لاستخدام استراتيجية تسمى "التحكم في الممانعة"، والتي تجعل الجهاز يبدو ناعمًا ومطاوعًا، مثل الزنبرك، بدلاً من أن يكون صلبًا ومتصلبًا. وهذا يضمن أنه إذا قاوم المريض أو تحرك بشكل غير متوقع، فإن الآلة تستجيب بلطف بدلاً من إجبار المفصل.

قام الفريق بعد ذلك ببناء نموذج أولي مادي للمدرب واختبروه مع ثلاثة متطوعين أصحاء لمعرفة كيفية أدائه في العالم الحقيقي. أظهرت النتائج أن الجهاز يمكنه بنجاح توجيه المعصم عبر نطاق حركة أوسع مما كان ممكن سابقًا باستخدام الآلات القياسية. وتحديدًا، سمح الجهاز للمتطوعين بثني معاصمهم بمقدار 31.5 درجة إضافية، وإمالتها بمقدار 28.5 درجة إضافية، وتدويرها بمقدار 12.4 درجة إضافية مقارنة بحدود التدريب التقليدي. كما تتبع الجهاز مسار الحركة المطلوب بدقة عالية، مما قلل الخطأ في مقدار القوة التي طبقها بنسبة تقارب الربع إلى الثلث مقارنة بطرق التحكم القديمة.

ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن الباحثين قاموا بقياس النشاط الكهربائي في عضلات معصم المتطوعين لمعرفة ما إذا كان الجهاز يساعد الجسم حقًا. ووجدوا أنه عندما ساعدت الآلة في الحركة، كانت عضلات المعصم تعمل بقوة أكبر بكثير مما كانت عليه عندما حاول المتطوعون تحريك أيديهم بمفردهم أو عندما كانت الحركة مقيدة. زادت الإشارات الكهربائية من العضلات بنسبة تصل إلى 425 بالمائة في بعض الحالات. يشير هذا إلى أن الجهاز لا يحرك الذراع للمريض فحسب، بل يحفز العضلات والأعصاب بنشاط، مما يشجع الجسم على المشاركة في عملية التعافي. ومن خلال محاذاة حركة الآلة مع الهندسة الطبيعية للجسم واستخدام نظام تحكم ذكي للتكيف مع المريض، نجح الباحثون في ابتكار أداة تبدو سليمة ميكانيكيًا وفعالة بيولوجيًا لمساعدة الناس على استعادة وظيفة المعصم لديهم.