A systematic review of study results reported for the evaluation of robotic rollators from the perspective of users

© 2017 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group. Purpose: To evaluate the effectiveness and perception of robotic rollators (RRs) from the perspective of users. Methods: Studies identified in a previous systematic review published on 2016 on the methodology of studies evaluating RRs by the user perspective were re-screened for eligibility based on the following inclusion criteria: evaluation of the human–robot interaction from the user perspective, use of standardized outcome measurements, and quantitative presentation of study results. Results: Seventeen studies were eligible for inclusion. Due to the clinical and methodological heterogeneity across studies, a narrative synthesis of study results was conducted. We found conflicting results concerning the effectiveness of the robotic functionalities of the RRs. Only a few studies reported superior user performance or reduced physical demands with the RRs compared to unassisted conditions or conventional assistive mobility devices; however, without providing statistical evidence. The user perception of the RRs was found to be generally positive. Conclusions: There is still no sufficient evidence on the effectiveness of RRs from the user perspective. More well-designed, high-quality studies with adequate study populations, larger sample sizes, appropriate assessment strategies with outcomes specifically tailored to the robotic functionalities, and statistical analyses of results are required to evaluate RRs at a higher level of evidence.Implications for Rehabilitation RRs cover intelligent functionalities that focus on gait assistance, obstacle avoidance, navigation assistance, sit-to-stand transfer, body weight support or fall prevention. The evaluation from the user perspective is essential to ensure that RRs effectively address users’ needs, requirements and preferences. The evidence on the effectiveness of RRs is severely hampered by the low methodological quality of most of the available studies. RRs seem generally to be perceived as positive by the users. There is very limited evidence on the effectiveness and benefits of RRs compared to conventional assistive mobility devices. Further research with high methodological quality needs to be conducted to reach more robust conclusions about the effectiveness of RRs

Evaluation studies of robotic rollators by the user perspective: A systematic review

Background: Robotic rollators enhance the basic functions of established devices by technically advanced physical, cognitive, or sensory support to increase autonomy in persons with severe impairment. In the evaluation of such Ambient Assisted Living solutions, both the technical and user perspectives are important to prove usability, effectiveness, and safety, and to ensure adequate device application.Objective: The aim of this systematic review is to summarize the methodology of studies evaluating robotic rollators with focus on the user perspective and to give recommendations for future evaluation studies.Methods: A systematic literature search up to December 31, 2014 was conducted based on the Cochrane Review methodology using the electronic databases PubMed and IEEE Xplore. Articles were selected according to the following inclusion criteria: Evaluation studies of robotic rollators documenting human-robot interaction, no case reports, published in English language.Results: Twenty-eight studies were identified that met the predefined inclusion criteria. Large heterogeneity in the definitions of the target user group, study populations, study designs, and assessment methods was found across the included studies. No generic methodology to evaluate robotic rollators could be identified. We found major methodological shortcomings related to insufficient sample descriptions and sample sizes, and lack of appropriate, standardized and validated assessment methods. Long-term use in habitual environment was also not evaluated.Conclusions: Apart from the heterogeneity, methodological deficits in most of the identified studies became apparent. Recommendations for future evaluation studies include: clear definition of target user group, adequate selection of subjects, inclusion of other assistive mobility devices for comparison, evaluation of the habitual use of advanced prototypes, adequate assessment strategy with established, standardized and validated methods, and statistical analysis of study results. Assessment strategies may additionally focus on specific functionalities of the robotic rollators allowing an individually tailored assessment of innovative features to document their added value

Design of a terrain detection system for foot drop

The ankle foot orthotic (AFO) has been around for centuries. They were created to augment functionality of an ankle damaged due to injury or disease. A common reason a patient might be prescribed an AFO is a condition called foot drop. Foot drop can be caused by many conditions, but the most common reason is a stroke. Foot drop can be characterized by the inability to raise and/or lower a patient\u27s foot. This incapacitation of the patient\u27s foot leads to unnatural gaits and joint fatigue, as well as increasing the patient\u27s likelihood of tripping and becoming seriously injured. Hard plastic AFOs that hold a patient\u27s foot in a neutral position are the current standard for combating foot drop. These AFOs come in many different shapes and sizes, which emphasizes the wide variety in functionality of someone with foot drop. Unfortunately, the restrictive nature of the AFO can cause unnatural movements in the patient\u27s foot; these unnatural tendencies are more exaggerated when walking down stairs and ramps, as the natural gait is to land toe first, the opposite of what the brace allows the patient to do. The purpose of this project is to create a sensor system for an AFO to help identify varying terrain. In the future this information can then be made to control an active AFO. Each terrain type will be first measured by a pair of simple infrared range finder, attached on the lower leg, one range finder looks ahead of the user and the other looks straight down at the ground. Models for the ground conditions can be established by representing each with Fourier series created using RANdom Sample Consensus (RANSAC). RANSAC coefficients will be scaled off the rate of data coming in and gait speed. Each model has a period term so the data can easily be scaled to match the pattern of walking regardless of pace. Gait speed will be measured using the downward facing ankle-mounted rangefinder, but with a threshold to determine when the foot is in contact with the ground. Once this initial set-up is completed, the system can take in data live and provide a prediction of the type of ground the patient is walking over, using pattern recognition techniques. The hope for this project is that if the system can accurately predict the change in ground type from, for example, level walking to walking down a ramp, an AFO could then be made to adjust itself, giving the patient a more natural gait, even when encountering adverse conditions. A byproduct of constantly using a patient\u27s own gait to measure ground type is the ability to track a patient\u27s changing gait over time, giving therapists a valuable new tool for tracking progress in a patient

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