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

Quando uma pessoa sofre um derrame ou uma lesão grave no braço, o pulso frequentemente torna-se rígido e não responsivo. Sem o movimento regular, os tecidos ao redor da articulação podem colar uns aos outros, e a capacidade do cérebro de controlar a mão pode desaparecer. Os médicos sabem que mover o pulso através de sua amplitude total de movimento é essencial para prevenir essa rigidez e ajudar os nervos a cicatrizar. No entanto, fazer com que um paciente se mova corretamente é difícil. O pulso humano é uma dobradiça tridimensional complexa que não gira em torno de um único ponto fixo como uma dobradiça de porta. Em vez disso, seu centro de rotação muda ligeiramente conforme a mão dobra, inclina ou torce. Se um dispositivo mecânico tentar forçar o pulso a se mover em torno de um ponto fixo que não corresponde ao movimento natural do corpo, pode causar dor, estresse nos músculos ou até mesmo danificar a articulação. Durante anos, engenheiros lutaram para construir um robô que pudesse mover um pulso naturalmente sem causar esse desalinhamento, enquanto também fornece a quantidade certa de ajuda a um paciente que não consegue se mover por conta própria.

Uma equipe de pesquisadores na China projetou e testou um novo dispositivo para resolver este problema específico. Eles criaram um treinador de pulso tridimensional que se ajusta fisicamente para corresponder ao centro de rotação variável do pulso humano. Diferente de máquinas antigas que poderiam forçar a mão em um caminho rígido, este dispositivo usa uma estrutura de compensação especial. Imagine o pulso como uma haste flexível que pode esticar e contrair levemente; a máquina imita esse comportamento ao permitir que a empunhadura se mova para mais perto ou para mais longe do centro de rotação conforme a mão se move. Esse ajuste garante que o ponto de pivô da máquina permaneça alinhado com a articulação real do paciente, evitando o atrito doloroso que ocorre quando os dois centros não coincidem. O dispositivo é capaz de guiar a mão através de três tipos distintos de movimento: dobrar o pulso para cima e para baixo, inclinar para os lados e torcer o antebraço para que a palma da mão fique voltada para cima ou para baixo.

Para garantir que o dispositivo funcione de forma segura e eficaz, os pesquisadores primeiro construíram uma versão virtual da máquina em um computador. Eles simularam como o dispositivo se moveria sob diferentes condições, incluindo o peso do braço humano e o atrito dentro das engrenagens da máquina. Esses testes computacionais revelaram que o dispositivo poderia lidar com os movimentos complexos e combinados do pulso sem travar ou perder o controle. Eles também descobriram que as forças necessárias para mover o pulso mudavam dependendo da direção do movimento e da presença de atrito. Essa informação foi crucial para projetar o cérebro da máquina: o sistema de controle.

Os pesquisadores desenvolveram um método de controle sofisticado para gerenciar os movimentos do dispositivo. Eles combinaram um algoritmo de controle padrão com um tipo de inteligência artificial conhecida como rede neural. Este sistema atua como um motorista de autoaprendizado. Em vez de usar um conjunto fixo de regras, o controlador monitora constantemente a diferença entre onde a máquina está tentando ir e onde o pulso do paciente realmente está. Ele então ajusta suas próprias configurações em tempo real para corrigir quaisquer erros. Isso permite que a máquina reaja suavemente às forças imprevisíveis de um membro humano, fornecendo assistência suficiente para ajudar o paciente a se mover sem assumir o controle completamente. Os pesquisadores também programaram a máquina para usar uma estratégia chamada controle de impedância, que faz o dispositivo parecer macio e complacente, como uma mola, em vez de rígido e duro. Isso garante que, se o paciente resistir ou se mover inesperadamente, a máquina ceda suavemente em vez de forçar a articulação.

A equipe então construiu um protótipo físico do treinador e o testou com três voluntários saudáveis para ver como ele se comportava no mundo real. Os resultados mostraram que o dispositivo conseguiu guiar o pulso através de uma amplitude de movimento mais ampla do que era possível anteriormente com máquinas padrão. Especificamente, o dispositivo permitiu que os voluntários dobrassem os pulsos 31,5 graus extras, os inclinassem 28,5 graus extras e os torcessem 12,4 graus extras em comparação com os limites do treinamento convencional. A máquina também rastreou o caminho de movimento desejado com alta precisão, reduzindo o erro na força aplicada em quase um quarto a um terço em comparação com métodos de controle mais antigos.

Talvez o mais importante seja que os pesquisadores mediram a atividade elétrica nos músculos do pulso dos voluntários para ver se o dispositivo estava realmente ajudando o corpo a trabalhar. Eles descobriram que, quando a máquina auxiliava o movimento, os músculos do pulso disparavam muito mais fortemente do que quando os voluntários tentavam mover as mãos por conta própria ou quando o movimento era restringido. Os sinais elétricos dos músculos aumentaram em até 425 por cento em alguns casos. Isso sugere que o dispositivo não apenas move o braço para o paciente; ele estimula ativamente os músculos e os nervos, incentivando o corpo a participar do processo de recuperação. Ao alinhar o movimento da máquina com a geometria natural do corpo e usar um sistema de controle inteligente para se adaptar ao paciente, os pesquisadores criaram uma ferramenta que parece ser tanto mecanicamente sólida quanto biologicamente eficaz para ajudar as pessoas a recuperar a função do pulso.