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

Quando una persona subisce un ictus o una grave lesione al braccio, il polso spesso diventa rigido e non reattivo. Senza un movimento regolare, i tessuti intorno all'articolazione possono incollarsi tra loro e la capacità del cervello di controllare la mano può svanire. I medici sanno che muovere il polso attraverso il suo intero intervallo di movimento è essenziale per prevenire questa rigidità e aiutare i nervi a guarire. Tuttavia, far muovere correttamente un paziente è difficile. Il polso umano è un cardine tridimensionale complesso che non ruota attorno a un singolo punto fisso come il cardine di una porta. Invece, il suo centro di rotazione si sposta leggermente mentre la mano si piega, si inclina o si torce. Se un dispositivo meccanico cerca di costringere il polso a muoversi attorno a un punto fisso che non corrisponde al movimento naturale del corpo, può causare dolore, affaticare i muscoli o addirittura danneggiare l'articolazione. Per anni, gli ingegneri hanno lottato per costruire un robot capace di muovere il polso naturalmente senza causare questo disallineamento, fornendo al contempo il giusto livello di aiuto a un paziente che non può muoversi da solo.

Un team di ricercatori in Cina ha progettato e testato un nuovo dispositivo per risolvere questo problema specifico. Hanno creato un allenatore per il polso tridimensionale che si regola fisicamente per adattarsi al centro mobile del polesso umano. A differenza delle macchine più vecchie che potrebbero forzare la mano in un percorso rigido, questo dispositivo utilizza una speciale struttura di compensazione. Immaginate il polso come una barra flessibile che può allungarsi e contrarsi leggermente; la macchina imita questo comportamento permettendo alla presa di avvicinarsi o allontanarsi dal centro di rotazione mentre la mano si muove. Questo aggiustamento assicura che il punto di perno della macchina rimanga allineato con l'effettiva articolazione del paziente, prevenendo l'attrito doloroso che si verifica quando i due centri non coincidono. Il dispositivo è in grado di guidare la mano attraverso tre tipi distinti di movimento: piegare il polso su e giù, inclinarlo lateralmente e torcere l'avambraccio in modo che il palmo sia rivolto verso l'alto o verso il basso.

Per garantire che il dispositivo funzioni in modo sicuro ed efficace, i ricercatori hanno prima costruito una versione virtuale della macchina su un computer. Hanno simulato come il dispositivo si sarebbe mosso in diverse condizioni, inclusi il peso del braccio umano e l'attrito all'interno degli ingranaggi della macchina. Questi test al computer hanno rivelato che il dispositivo poteva gestire i complessi movimenti combinati del polso senza bloccarsi o perdere il controllo. Hanno anche scoperto che le forze necessarie per muovere il polso cambiavano a seconda della direzione del movimento e della presenza di attrito. Questa informazione è stata cruciale per progettare il cervello della macchina: il sistema di controllo.

I ricercatori hanno sviluppato un metodo di controllo sofisticato per gestire i movimenti del dispositivo. Hanno combinato un algoritmo di controllo standard con un tipo di intelligenza artificiale nota come rete neurale. Questo sistema agisce come un conducente che impara da solo. Invece di utilizzare un insieme di regole fisse, il controllore monitora costantemente la differenza tra dove la macchina sta cercando di andare e dove si trova effettivamente il polso del paziente. Successivamente, regola le proprie impostazioni in tempo reale per correggere eventuali errori. Ciò consente alla macchina di reagire fluidamente alle forze imprevedibili di un arto umano, fornendo il giusto livello di assistenza per aiutare il paziente a muoversi senza prendere il sopravvento completamente. I ricercatori hanno anche programmato la macchina per utilizzare una strategia chiamata controllo dell'impedenza, che rende il dispositivo morbido e conforme, come una molla, piuttosto che rigido e duro. Ciò assicura che se il paziente resiste o si muove inaspettatamente, la macchina ceda dolcemente invece di forzare l'articolazione.

Il team ha poi costruito un prototipo fisico dell'allenatore e lo ha testato con tre volontari sani per vedere come si comportava nel mondo reale. I risultati hanno mostrato che il dispositivo è riuscito a guidare il polso attraverso un intervallo di movimento più ampio di quanto fosse precedentemente possibile con le macchine standard. Nello specifico, il dispositivo ha permesso ai volontari di piegare i polsi di ulteriori 31,5 gradi, di inclinarli di ulteriori 28,5 gradi e di torcerli di ulteriori 12,4 gradi rispetto ai limiti dell'allenamento convenzionale. La macchina ha anche tracciato il percorso di movimento desiderato con alta precisione, riducendo l'errore nella forza applicata di quasi un quarto o un terzo rispetto ai vecchi metodi di controllo.

Forse la cosa più importante è che i ricercatori hanno misurato l'attività elettrica nei muscoli del polso dei volontari per vedere se il dispositivo stesse effettivamente aiutando il corpo a lavorare. Hanno scoperto che, quando la macchina assisteva il movimento, i muscoli del polso attivavano molto più fortemente rispetto a quando i volontari cercavano di muovere le mani da soli o quando il movimento era limitato. I segnali elettrici dai muscoli sono aumentati fino al 425% in alcuni casi. Ciò suggerisce che il dispositivo non si limita a muovere il braccio per il paziente; esso stimola attivamente i muscoli e i nervi, incoraggiando il corpo a partecipare al processo di recupero. Allineando il movimento della macchina con la geometria naturale del corpo e utilizzando un sistema di controllo intelligente per adattarsi al paziente, i ricercatori hanno creato uno strumento che appare essere sia meccanicamente solido che biologicamente efficace per aiutare le persone a recuperare la funzione del polso.