Nutzerorientierte Evaluation zweier altersgerechter Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living-Roboter“) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen: MOBOT-Rollator und I-SUPPORT-Duschroboter

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die nutzerorientierte Evaluation zweier Prototypen für altersgerechte Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living“ [AAL]-Roboter) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen. Bei den Prototypen handelt es sich dabei um (1) einen robotergestützten Rollator zur Unterstützung der Mobilität (MOBOT) und (2) einen Assistenzroboter zur Unterstützung von Duschaktivitäten (I-SUPPORT). Manuskript I dokumentiert eine systematische Literaturanalyse des methodischen Vorgehens bisheriger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive. Die meisten Studien zeigen erhebliche methodische Mängel, wie unzureichende Stichprobengrößen/-beschreibungen; Teilnehmer nicht repräsentativ für die Nutzergruppe der robotergestützten Rollatoren; keine geeigneten, standardisierten und validierten Assessmentmethoden und/oder keine Inferenzstatistik. Ein generisches methodisches Vorgehen für die Evaluation robotergestützter Rollatoren konnte nicht identifiziert werden. Für die Konzeption und Durchführung zukünftiger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren, aber auch anderer AAL-Systeme werden in Manuskript I abschließend Handlungsempfehlungen formuliert. Manuskript II analysiert die Untersuchungsergebnisse der in Manuskript I identifizierten Studien. Es zeigen sich sehr heterogene Ergebnisse hinsichtlich des Mehrwerts der innovativen Assistenzfunktionen von robotergestützten Rollatoren. Im Allgemeinen werden sie jedoch als positiv von den Nutzern wahrgenommen. Die große Heterogenität und methodischen Mängel der Studien schränken die Interpretierbarkeit ihre Untersuchungsergebnisse stark ein. Insgesamt verdeutlicht Manuskript II, dass die Evidenz zur Effektivität und positiven Wahrnehmung robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive noch unzureichend ist. Basierend auf den Erkenntnissen und Handlungsempfehlungen der systematischen Literaturanalysen aus Manuskript I und II wurden die nutzerorientierten Evaluationsstudien des MOBOT-Rollators konzipiert und durchgeführt (Manuskript III-VI). Manuskript III überprüft die Effektivität des in den MOBOT-Rollator integrierten Navigationssystems bei potentiellen Nutzern (= ältere Personen mit Gangstörungen bzw. Rollator als Gehhilfe im Alltag). Es liefert erstmals einen statistischen Nachweis dafür, dass eine solche Assistenzfunktion effektiv ist, um die Navigationsleistung der Nutzer (z. B. geringer Stoppzeit, kürzere Wegstrecke) – insbesondere derjenigen mit kognitiven Einschränkungen – in einem realitätsnahen Anwendungsszenario zu verbessern. Manuskript IV untersucht die konkurrente Validität des MOBOT-integrierten Ganganalysesystems bei potentiellen Nutzern. Im Vergleich zu einem etablierten Referenzstandard (GAITRite®-System) zeigt es eine hohe konkurrente Validität für die Erfassung zeitlicher, nicht jedoch raumbezogener Gangparameter. Diese können zwar ebenfalls mit hoher Konsistenz gemessen werden, aber lediglich mit einer begrenzten absoluten Genauigkeit. Manuskript V umfasst die nutzerorientierte Evaluation der im MOBOT-Rollator integrierten Assistenzfunktion zur Hindernisvermeidung und belegt erstmals die Effektivität einer solchen Funktionen bei potentiellen Nutzern. Unter Verwendung des für den MOBOT-Rollator neu entwickelten technischen Ansatzes für die Hindernisvermeidung zeigten die Teilnehmer signifikante Verbesserungen bei der Bewältigung eines Hindernisparcours (weniger Kollisionen und geringere Annäherungsgeschwindigkeit an die Hindernisse). Manuskript VI dokumentiert die Effektivität und Zufriedenheit mit der Aufstehhilfe des MOBOT-Rollators von potentiellen Nutzern. Es wird gezeigt, dass die Erfolgsrate für den Sitzen-Stehen-Transfer älterer Personen mit motorischen Einschränkungen durch die Aufstehhilfe signifikant verbessert werden kann. Die Ergebnisse belegen zudem eine hohe Nutzerzufriedenheit mit dieser Assistenzfunktion, insbesondere bei Personen mit höherem Body-Mass-Index. Manuskript VII untersucht die Mensch-Roboter-Interaktion zwischen dem I-SUPPORT-Duschroboter und seiner potentiellen Nutzer (= ältere Personen mit Problemen bei Baden/Duschen) und überprüft deren Effektivität sowie Zufriedenheit mit drei unterschiedlich autonomen Betriebsmodi. Die Studienergebnisse dokumentieren, dass sich mit zunehmender Kontrolle des Nutzers (= abnehmende Autonomie des Duschroboters) nicht nur die Effektivität für das Abduschen eines definierten Körperbereichs verringert, sondern auch die Nutzerzufriedenheit sinkt. Manuskript VIII umfasst die Evaluation eines spezifischen Nutzertrainings auf die gestenbasierte Mensch-Roboter-Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter. Es wird gezeigt, dass ein solches Training die Ausführung der Gesten potentieller Nutzer und sowie die Gestenerkennungsrate des Duschroboters signifikant verbessern, was insgesamt auf eine optimierte Mensch-Roboter-Interaktion in Folge des Trainings schließen lässt. Teilnehmer mit der schlechtesten Ausgangsleistung in der Ausführung der Gesten und mit der größten Angst vor Technologien profitierten am meisten vom Nutzertraining. Insgesamt belegen die Studienergebnisse zur nutzerorientierten Evaluation des MOBOT-Rollators die Effektivität und Gültigkeit seiner innovativen Teilfunktionen. Sie weisen auf ein hohes Potential der Assistenzfunktionen (Navigationssystem, Hindernisvermeidung, Aufstehhilfe) zur Verbesserung der Mobilität älterer Menschen mit motorischen Einschränkungen hin. Vor dem Hintergrund der methodischen Mängel und unzureichenden evidenzbasierten Datenlage hierzu, liefert diese Dissertationsschrift erstmals statistische Belege für den Mehrwert solcher Teilfunktionen bei potentiellen Nutzern und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Schließung der bisherigen Forschungslücke hinsichtlich des nutzerorientierten Wirksamkeits- und Gültigkeitsnachweises robotergestützter Rollatoren und ihrer innovativen Teilfunktionen. Die Ergebnisse der Studien des I-SUPPORT-Duschroboters liefern wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Mensch-Roboter-Interaktion im höheren Alter. Sie zeigen, dass bei älteren Nutzern für eine effektive Interaktion Betriebsmodi mit einem hohen Maß an Autonomie des Duschroboters notwendig sind. Trotz ihrer eingeschränkten Kontrolle über den Roboter, waren die Nutzer mit dem autonomsten Betriebsmodus sogar am zufriedensten. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse hinsichtlich der gestenbasierten Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter, dass zukünftige Entwicklungen von altersgerechten Assistenzrobotern mit gestenbasierter Interaktion nicht nur die Verbesserungen technischer Aspekte, sondern auch die Sicherstellung und Verbesserungen der Qualität der Nutzergesten für die Mensch-Roboter-Interaktion durch geeignete Trainings- oder Schulungsmaßnahmen berücksichtigen sollten. Das vorgestellte Nutzertraining könnte hierfür ein mögliches Modell darstellen

How a Diverse Research Ecosystem Has Generated New Rehabilitation Technologies: Review of NIDILRR’s Rehabilitation Engineering Research Centers

Over 50 million United States citizens (1 in 6 people in the US) have a developmental, acquired, or degenerative disability. The average US citizen can expect to live 20% of his or her life with a disability. Rehabilitation technologies play a major role in improving the quality of life for people with a disability, yet widespread and highly challenging needs remain. Within the US, a major effort aimed at the creation and evaluation of rehabilitation technology has been the Rehabilitation Engineering Research Centers (RERCs) sponsored by the National Institute on Disability, Independent Living, and Rehabilitation Research. As envisioned at their conception by a panel of the National Academy of Science in 1970, these centers were intended to take a “total approach to rehabilitation”, combining medicine, engineering, and related science, to improve the quality of life of individuals with a disability. Here, we review the scope, achievements, and ongoing projects of an unbiased sample of 19 currently active or recently terminated RERCs. Specifically, for each center, we briefly explain the needs it targets, summarize key historical advances, identify emerging innovations, and consider future directions. Our assessment from this review is that the RERC program indeed involves a multidisciplinary approach, with 36 professional fields involved, although 70% of research and development staff are in engineering fields, 23% in clinical fields, and only 7% in basic science fields; significantly, 11% of the professional staff have a disability related to their research. We observe that the RERC program has substantially diversified the scope of its work since the 1970’s, addressing more types of disabilities using more technologies, and, in particular, often now focusing on information technologies. RERC work also now often views users as integrated into an interdependent society through technologies that both people with and without disabilities co-use (such as the internet, wireless communication, and architecture). In addition, RERC research has evolved to view users as able at improving outcomes through learning, exercise, and plasticity (rather than being static), which can be optimally timed. We provide examples of rehabilitation technology innovation produced by the RERCs that illustrate this increasingly diversifying scope and evolving perspective. We conclude by discussing growth opportunities and possible future directions of the RERC program

Comparison of Machine Learning Models: Gesture Recognition Using a Multimodal Wrist Orthosis for Tetraplegics

Many tetraplegics must wear wrist braces to support paralyzed wrists and hands. However, current wrist orthoses have limited functionality to assist a person’s ability to perform typical activities of daily living other than a small pocket to hold utensils. To enhance the functionality of wrist orthoses, gesture recognition technology can be applied to control mechatronic tools attached to a novel fabricated wrist brace. Gesture recognition is a growing technology for providing touchless human-computer interaction that can be particularly useful for tetraplegics with limited upper-extremity mobility. In this study, three gesture recognition models were compared—two dynamic time-warping models and a hidden Markov model—in terms of their classification accuracy of gestures from a gesture lexicon known to be accessible to tetraplegics. Gesture data from participants with and without spinal cord injuries was collected using a prototype wrist orthosis. Leave-one-subject-out cross-validation was used to develop a user-independent gesture recognition library. The trained models were then tested using a combination of data from both populations and data separated by population. The classification accuracy and classification time were computed and compared to determine the optimal gesture recognition model

A Survey of Applications and Human Motion Recognition with Microsoft Kinect

Microsoft Kinect, a low-cost motion sensing device, enables users to interact with computers or game consoles naturally through gestures and spoken commands without any other peripheral equipment. As such, it has commanded intense interests in research and development on the Kinect technology. In this paper, we present, a comprehensive survey on Kinect applications, and the latest research and development on motion recognition using data captured by the Kinect sensor. On the applications front, we review the applications of the Kinect technology in a variety of areas, including healthcare, education and performing arts, robotics, sign language recognition, retail services, workplace safety training, as well as 3D reconstructions. On the technology front, we provide an overview of the main features of both versions of the Kinect sensor together with the depth sensing technologies used, and review literatures on human motion recognition techniques used in Kinect applications. We provide a classification of motion recognition techniques to highlight the different approaches used in human motion recognition. Furthermore, we compile a list of publicly available Kinect datasets. These datasets are valuable resources for researchers to investigate better methods for human motion recognition and lower-level computer vision tasks such as segmentation, object detection and human pose estimation

Augmenting the Spatial Perception Capabilities of Users Who Are Blind

People who are blind face a series of challenges and limitations resulting from their lack of being able to see, forcing them to either seek the assistance of a sighted individual or work around the challenge by way of a inefficient adaptation (e.g. following the walls in a room in order to reach a door rather than walking in a straight line to the door). These challenges are directly related to blind users' lack of the spatial perception capabilities normally provided by the human vision system. In order to overcome these spatial perception related challenges, modern technologies can be used to convey spatial perception data through sensory substitution interfaces. This work is the culmination of several projects which address varying spatial perception problems for blind users. First we consider the development of non-visual natural user interfaces for interacting with large displays. This work explores the haptic interaction space in order to find useful and efficient haptic encodings for the spatial layout of items on large displays. Multiple interaction techniques are presented which build on prior research (Folmer et al. 2012), and the efficiency and usability of the most efficient of these encodings is evaluated with blind children. Next we evaluate the use of wearable technology in aiding navigation of blind individuals through large open spaces lacking tactile landmarks used during traditional white cane navigation. We explore the design of a computer vision application with an unobtrusive aural interface to minimize veering of the user while crossing a large open space. Together, these projects represent an exploration into the use of modern technology in augmenting the spatial perception capabilities of blind users

Engaging Pictorial Images and Voice Prompts Interface Design Strategy to Create Easy to use banking ATM System Interfaces in Nigeria

The existing banking ATMs in Nigeria do not adequately cater for a variety of people with varying abilities and literacy levels despite the significant importance of ATM technological innovations in Nigeria, especially in the banking sectors. Illiterate and semiliterate Nigerians, representing about 40.33%, do not perceive the ATMs as useful or easy-to-use. The purpose of this case study was to identify strategies used by software developers of banking ATM systems in Nigeria to create easy-to-use banking ATM system interfaces in Nigeria. The technology acceptance model was adopted as the conceptual framework. One organization in Enugu, Nigeria was used for this study’s population. Data were collected through semi-structured, in-depth face-to-face interviews with nine banking ATM system interface developers and the analysis of 11 documents. Findings from the participants were validated through member checking. One major theme that emerged from data analysis was value of pictorial images and voice prompts in interface design, that encompass the use of: (a) pictorial images, and enhanced voice prompts with short transaction cycle, (b) voice feedback in users’ own language, (c) text-free user interface and extensive use of hand-drawn, and (d) graphics /imagery and voice as inputs. Strategies illustrated by the findings from this study may serve as a basis for positive economic development and social change in this area and may advance the use of other technology outlets that require easy-to-use system interfaces. Keywords: Banking ATM, pictorial images, Voice prompt, interface design, easy-to-use, ease of use, literacy levels. DOI: 10.7176/JIEA/8-1-0

Cognitive assisted living ambient system: a survey

The demographic change towards an aging population is creating a significant impact and introducing drastic challenges to our society. We therefore need to find ways to assist older people to stay independently and prevent social isolation of these population. Information and Communication Technologies (ICT) provide various solutions to help older adults to improve their quality of life, stay healthier, and live independently for a time. Ambient Assisted Living (AAL) is a field to investigate innovative technologies to provide assistance as well as healthcare and rehabilitation to impaired seniors. The paper provides a review of research background and technologies of AAL

Game-Assisted Rehabilitation for Post-Stroke Survivors

Stroke is a leading cause of permanent impairments among its survivors. Although patients need to go through intensive, longitudinal rehabilitation to regain function before the stroke, patients show poor engagement and adherence to rehabilitation therapies which hampers their recovery. As a means to enhance stroke survivors\u27 motivation, engagement, and adherence to intensive and longitudinal rehabilitation, the use of games in stroke rehabilitation has received attention from research and clinical communities. In order to realize this, it is important to take a holistic, end-to-end research approach that encompasses 1) the development of game technologies that are not only entertaining but also rehabilitating or monitoring the functional/impairment level, 2) the quantitative evaluation of the clinical efficacy of the technologies, and 3) the deployment of the technologies in real-world clinical settings to understand if the anticipated clinical efficacy is achieved and how the technologies affect the interaction dynamics among patients, therapists and the technologies. In this dissertation, we introduce our approach to this holistic, end-to-end research for the development, validation, and understanding of real-world use of games in stroke rehabilitation. Towards that end, we designed and developed Neuro-World that can enable accurate, longitudinal assessment of patients\u27 cognitive function outside the clinical setting. The analysis results in the controlled setting show that the proposed approach can accurately assess patients\u27 cognitive function without the help of therapists. While it remains as a future study to deploy Neuro-World in stroke survivors\u27 free-living environments and study the system\u27s impacts on patients\u27 engagement patterns, we use another game platform (i.e., RAPAEL Smart Board) to demonstrate our efforts to understand the real-world interaction dynamics. We investigate the use of the games in the actual hospital setting where the system has been adopted as part of stroke survivors\u27 routine upper-limb motor rehabilitation therapies. Our findings reveal patients’ unexpected engagement patterns, therapists’ critical roles and challenges in maintaining patients\u27 engagement and therapeutic value. These findings enhance our understanding of the impact of serious games on the patients\u27 engagement to rehabilitation therapies and provide us with insights into potential directions leading to the development of more effective games for stroke rehabilitation