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

Wanneer iemand een beroerte krijgt of een ernstig letsel aan de arm oploopt, wordt de pols vaak stijf en ongevoelig. Zonder regelmatige beweging kunnen de weefsels rond het gewricht aan elkaar gaan plakken, en kan het vermogen van de hersenen om de hand te controleren vervagen. Artsen weten dat het bewegen van de pols door het volledige bewegingsbereik essentieel is om deze stijfheid te voorkomen en de zenuwen te helpen genezen. Het is echter moeilijk om een patiënt correct te laten bewegen. De menselijke pols is een complexe, driedimensionale scharnier die niet rond één vast punt draait zoals een deurhengsel dat doet. In plaats daarvan verschuift het rotatiecentrum lichtjes terwijl de hand buigt, kantelt of draait. Als een mechanisch apparaat probeert de pols te dwingen te bewegen rond een vast punt dat niet overeenkomt met de natuurlijke beweging van het lichaam, kan dit pijn veroorzaken, de spieren belasten of zelfs het gewricht beschadigen. Jarenlang hebben ingenieurs gestreden om een robot te bouwen die een pols natuurlijk kan bewegen zonder deze uitlijning te veroorzaken, terwijl er ook de juiste hoeveelheid hulp wordt geboden aan een patiënt die niet uit zichzelf kan bewegen.

Een team van onderzoekers in China heeft een nieuw apparaat ontworagn en getest om dit specifieke probleem op te lossen. Ze hebben een driedimensionale polstrainer ontworpen die zichzelf fysiek aanpast om overeen te komen met het verschuivende centrum van de menselijke pols. In tegen tegenstelling tot oudere machines die de hand mogelijk in een star pad dwingen, gebruikt dit apparaat een speciale compensatiestructuur. Stel je de pols voor als een flexibele staaf die een klein beetje kan rekken en inkrimpen; de machine bootst dit gedrag na door de grip dichter bij of verder van het rotatiecentrum te laten bewegen naarmate de hand beweegt. Deze aanpassing zorgt ervoor dat het draaipunt van de machine uitgelijnd blijft met het werkelijke gewricht van de patiënt, wat de pijnlijke wrijving voorkomt die optreedt wanneer de twee centra niet overeenkomen. Het apparaat is in staat om de hand te begeleiden door drie verschillende soorten bewegingen: het buigen van de pols omhoog en omlaag, het kantelen van zij naar zij, en het draaien van de onderarm zodat de handpalm omhoog of omlaag wijst.

Om er zeker van te zijn dat het apparaat veilig en effectief werkt, hebben de onderzoekers eerst een virtuele versie van de machine op een computer gebouwd. Ze simuleerden hoe het apparaat zou bewegen onder verschillende omstandigheden, inclusief het gewicht van de menselijke arm en de wrijving binnen de tandwielen van de machine. Deze computertests toonden aan dat het apparaat de complexe, gecombineerde bewegingen van de pols kon afhandelen zonder vast te lopen of de controle te verliezen. Ze ontdekten ook dat de krachten die nodig zijn om de pols te bewegen veranderden, afhankelijk van de richting van de beweging en de aanwezigheid van wrijving. Deze informatie was cruciaal voor het ontwerpen van de hersenen van de machine: het controlesysteem.

De onderzoekers ontwikkelden een geavanceerde controlemethode om de bewegingen van het apparaat te beheren. Ze combineerden een standaard controle-algoritme met een type kunstmatige intelligentie dat bekend staat als een neuraal netwerk. Dit systeem fungeert als een zelflerende bestuurder. In plaats van een vaste set regels te gebruiken, monitort de controller constant het verschil tussen waar de machine naartoe probeert te gaan en waar de pols van de patiënt zich daadwerkelijk bevindt. Vervolgens past hij zijn eigen instellingen in realtime aan om fouten te corrigeren. Dit stelt de machine in staat om vloeiend te reageren op de onvoorspelbare krachten van een menselijk ledemaat, waarbij het net genoeg hulp biedt om de patiënt te helpen bewegen zonder de controle volledig over te nemen. De onderzoekers hebben de machine ook geprogrammeerd om een strategie genaamd impedantiecontrole te gebruiken, waardoor het apparaat zacht en meegaand aanvoelt, zoals een veer, in plaats van stijf en rigide. Dit zorgt ervoor dat als de patiënt weerstand biedt of onverwacht beweegt, de machine zachtjes toegeeft in plaats van het gewricht te forceren.

Het team heeft vervolgens een fysiek prototype van de trainer gebouwd en deze met drie gezonde vrijwilligers getest om te zien hoe het in de echte wereld presteerde. De resultaten lieten zien dat het apparaat de vrijwilligers erin slaagde de pols door een breder bewegingsbereik te leiden dan voorheen mogelijk was met standaardmachines. Specifiek stond het apparaat de vrijwilligers toe om hun polsen extra 31,5 graden te buigen, extra 28,5 graden te kantelen en ze extra 12,4 graden te draaien vergeleken met de limieten van conventionele training. De machine volgde het gewenste bewegingspad ook met hoge precisie, waarbij de fout in de hoeveelheid uitgeoefende kracht met bijna een kwart tot een derde werd verminderd vergeleken met oudere controlemethoden.

Misschien wel het belangrijkste is dat de onderzoekers de elektrische activiteit in de polsspieren van de vrijwilligersers gemeten om te zien of het apparaat het lichaam daadwerkelijk hielp. Ze vonden dat wanneer de machine de beweging ondersteunde, de spieren in de pols veel krachtiger vuurden dan wanneer de vrijwilligers probeerden hun handen zelfstandig te bewegen of wanneer de beweging werd beperkt. De elektrische signalen van de spieren namen in sommige gevallen met wel 425 procent toe. Dit suggereert dat het apparaat de arm niet alleen voor de patiënt beweegt, maar de spieren en zenuwen actief stimuleert, waardoor het lichaam wordt aangemoedigd om deel te nemen aan het herstelproces. Door de beweging van de machine af te stemmen op de natuurlijke geometrie van het lichaam en een slim controlesysteem te gebruiken om zich aan de patiënt aan te passen, hebben de onderzoekers een hulpmiddel gecreëerd dat zowel mechanisch solide als biologisch effectief lijkt te zijn voor het helpen van mensen bij het herstel van hun polsfunctie.