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

Lorsqu'une personne subit un accident vasculaire cérébral ou une blessure grave au bras, le poignet devient souvent raide et peu réactif. Sans mouvement régulier, les tissus autour de l'articulation peuvent s'agglutiner, et la capacité du cerveau à contrôler la main peut s'estomper. Les médecins savent qu'il est essentiel de faire bouger le poignet dans toute son amplitude de mouvement pour prévenir cette raideur et aider les nerfs à guérir. Cependant, amener un patient à bouger correctement est difficile. Le poignet humain est une charnière tridimensionnelle complexe qui ne tourne pas autour d'un point fixe unique comme la charnière d'une porte. Au lieu de cela, son centre de rotation se déplace légèrement lorsque la main se courbe, s'incline ou pivote. Si un dispositif mécanique tente de forcer le poignet à bouger autour d'un point fixe qui ne correspond pas au mouvement naturel du corps, cela peut provoquer de la douleur, solliciter excessivement les muscles ou même endommager l'articulation. Pendant des années, des ingénieurs ont lutté pour construire un robot capable de bouger un poignet naturellement sans provoquer ce désalignement, tout en apportant la juste quantité d'aide à un patient incapable de bouger par lui-même.

Une équipe de chercheurs en Chine a conçu et testé un nouveau dispositif pour résoudre ce problème spécifique. Ils ont créé un entraîneur de poignet tridimensionnel qui s'ajuste physiquement pour correspondre au centre mouvant du poignet humain. Contrairement aux anciennes machines qui pourraient forcer la main sur une trajectoire rigide, ce dispositif utilise une structure de compensation spéciale. Imaginez le poignet comme une tige flexible qui peut s'étirer et se contracter légèrement ; la machine imite ce comportement en permettant à la poignée de se rapprocher ou de s'éloigner du centre de rotation à mesure que la main bouge. Cet ajustement garantit que le point de pivot de la machine reste aligné avec l'articulation réelle du patient, évitant ainsi la friction douloureuse qui survient lorsque les deux centres ne correspondent pas. Le dispositif est capable de guider la main à travers trois types distincts de mouvement : la flexion du poignet vers le haut et le bas, l'inclinaison latérale, et la torsion de l'avant-bras pour que la paume soit tournée vers le haut ou vers le bas.

Pour s'assurer que le dispositif fonctionne de manière sûre et efficace, les chercheurs ont d'abord construit une version virtuelle de la machine sur ordinateur. Ils ont simulé la façon dont le dispositif se déplacerait sous différentes conditions, incluant le poids du bras humain et la friction à l'intérieur des engrenages de la machine. Ces tests informatiques ont révélé que le dispositif pouvait gérer les mouvements complexes et combinés du poignet sans rester bloqué ou perdre le contrôle. Ils ont également découvert que les forces nécessaires pour bouger le poignet changeaient selon la direction du mouvement et la présence de friction. Cette information était cruciale pour concevoir le cerveau de la machine : le système de contrôle.

Les chercheurs ont développé une méthode de contrôle sophistiquée pour gérer les mouvements du dispositif. Ils ont combiné un algorithme de contrôle standard avec un type d'intelligence artificielle connue sous le nom de réseau neuronal. Ce système agit comme un conducteur qui apprend par lui-même. Au lieu d'utiliser un ensemble de règles fixes, le contrôleur surveille constamment la différence entre l'endroit où la machine essaie d'aller et l'endroit où le poignet du patient se trouve réellement. Il ajuste ensuite ses propres paramètres en temps réel pour corriger les erreurs. Cela permet à la machine de réagir de manière fluide aux forces imprévisibles d'un membre humain, en fournissant juste assez d'assistance pour aider le patient à bouger sans prendre totalement le dessus. Les chercheurs ont également programmé la machine pour utiliser une stratégie appelée contrôle d'impédance, qui fait en sorte que le dispositif soit perçu comme souple et compliant, tel un ressort, plutôt que rigide et raide. Cela garantit que si le patient résiste ou bouge de manière inattendue, la machine cède doucement plutôt que de forcer l'articulation.

L'équipe a ensuite construit un prototype physique de l'entraîneur et l'a testé avec trois volontaires sains pour voir comment il se comportait dans le monde réel. Les résultats ont montré que le dispositif pouvait guider avec succès le poignet à travers une amplitude de mouvement plus large que ce qui était possible auparavant avec les machines standards. Plus précisément, le dispositif a permis aux volontaires de fléchir le poignet de 31,5 degrés supplémentaires, de l'incliner de 28,5 degrés supplémentaires et de le tordre de 12,4 degrés supplémentaires par rapport aux limites de l'entraînement conventionnel. La machine a également suivi la trajectoire de mouvement souhaitée avec une grande précision, réduisant l'erreur de la force appliquée de près d'un quart à un tiers par rapport aux anciennes méthodes de contrôle.

Peut-être plus important encore, les chercheurs ont mesuré l'activité électrique dans les muscles du poignet des volontaires pour voir si le dispositif aidait réellement le corps à travailler. Ils ont constaté que lorsque la machine assistait le mouvement, les muscles du poignet s'activaient beaucoup plus intensément que lorsque les volontaires essayaient de bouger leurs mains seuls ou lorsque le mouvement était restreint. Les signaux électriques provenant des muscles ont augmenté jusqu'à 425 % dans certains cas. Cela suggère que le dispositif ne se contente pas de déplacer le bras pour le patient ; il stimule activement les muscles et les nerfs, encourageant le corps à participer au processus de récupération. En alignant le mouvement de la machine avec la géométrie naturelle du corps et en utilisant un système de contrôle intelligent pour s'adapter au patient, les chercheurs ont créé un outil qui semble être à la fois mécaniquement sain et biologiquement efficace pour aider les personnes à récupérer la fonction de leur poignet.