Instrumentation and validation of a robotic cane for transportation and fall prevention in patients with affected mobility

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Física, (especialização em Dispositivos, Microssistemas e Nanotecnologias)O ato de andar é conhecido por ser a forma primitiva de locomoção do ser humano, sendo que este traz muitos benefícios que motivam um estilo de vida saudável e ativo. No entanto, há condições de saúde que dificultam a realização da marcha, o que por consequência pode resultar num agravamento da saúde, e adicionalmente, levar a um maior risco de quedas. Nesse sentido, o desenvolvimento de um sistema de deteção e prevenção de quedas, integrado num dispositivo auxiliar de marcha, seria essencial para reduzir estes eventos de quedas e melhorar a qualidade de vida das pessoas. Para ultrapassar estas necessidades e limitações, esta dissertação tem como objetivo validar e instrumentar uma bengala robótica, denominada Anti-fall Robotic Cane (ARCane), concebida para incorporar um sistema de deteção de quedas e um mecanismo de atuação que possibilite a prevenção de quedas, ao mesmo tempo que assiste a marcha. Para esse fim, foi realizada uma revisão do estado da arte em bengalas robóticas para adquirir um conhecimento amplo e aprofundado dos componentes, mecanismos e estratégias utilizadas, bem como os protocolos experimentais, principais resultados, limitações e desafios em dispositivos existentes. Numa primeira fase, foi estipulado o objetivo de: (i) adaptar a missão do produto; (ii) estudar as necessidades do consumidor; e (iii) atualizar as especificações alvo da ARCane, continuação do trabalho de equipa, para obter um produto com design e engenharia compatível com o mercado. Foi depois estabelecida a arquitetura de hardware e discutidos os componentes a ser instrumentados na ARCane. Em seguida foram realizados testes de interoperabilidade a fim de validar o funcionamento singular e coletivo dos componentes. Relativamente ao controlo de movimento, foi desenvolvido um sistema inovador, de baixo custo e intuitivo, capaz de detetar a intenção do movimento e de reconhecer as fases da marcha do utilizador. Esta implementação foi validada com seis voluntários saudáveis que realizaram testes de marcha com a ARCane para testar sua operabilidade num ambiente de contexto real. Obteve-se uma precisão de 97% e de 90% em relação à deteção da intenção de movimento e ao reconhecimento da fase da marcha do utilizador. Por fim, foi projetado um método de deteção de quedas e mecanismo de prevenção de quedas para futura implementação na ARCane. Foi ainda proposta uma melhoria do método de deteção de quedas, de modo a superar as limitações associadas, bem como a proposta de dispositivos de deteção a serem implementados na ARCane para obter um sistema completo de deteção de quedas.The act of walking is known to be the primitive form of the human being, and it brings many benefits that motivate a healthy and active lifestyle. However, there are health conditions that make walking difficult, which, consequently, can result in worse health and, in addition, lead to a greater risk of falls. Thus, the development of a fall detection and prevention system integrated with a walking aid would be essential to reduce these fall events and improve people quality of life. To overcome these needs and limitations, this dissertation aims to validate and instrument a cane-type robot, called Anti-fall Robotic Cane (ARCane), designed to incorporate a fall detection system and an actuation mechanism that allow the prevention of falls, while assisting the gait. Therefore, a State-of-the-Art review concerning robotic canes was carried out to acquire a broad and in-depth knowledge of the used components, mechanisms and strategies, as well as the experimental protocols, main results, limitations and challenges on existing devices. On a first stage, it was set an objective to (i) enhance the product's mission statement; (ii) study the consumer needs; and (iii) update the target specifications of the ARCane, extending teamwork, to obtain a product with a market-compatible design and engineering that meets the needs and desires of the ARCane users. It was then established the hardware architecture of the ARCane and discussed the electronic components that will instrument the control, sensory, actuator and power units, being afterwards subjected to interoperability tests to validate the singular and collective functioning of cane components altogether. Regarding the motion control of robotic canes, an innovative, cost-effective and intuitive motion control system was developed, providing user movement intention recognition, and identification of the user's gait phases. This implementation was validated with six healthy volunteers who carried out gait trials with the ARCane, in order to test its operability in a real context environment. An accuracy of 97% was achieved for user motion intention recognition and 90% for user gait phase recognition, using the proposed motion control system. Finally, it was idealized a fall detection method and fall prevention mechanism for a future implementation in the ARCane, based on methods applied to robotic canes in the literature. It was also proposed an improvement of the fall detection method in order to overcome its associated limitations, as well as detection devices to be implemented into the ARCane to achieve a complete fall detection system

Fall Prediction and Prevention Systems: Recent Trends, Challenges, and Future Research Directions.

Fall prediction is a multifaceted problem that involves complex interactions between physiological, behavioral, and environmental factors. Existing fall detection and prediction systems mainly focus on physiological factors such as gait, vision, and cognition, and do not address the multifactorial nature of falls. In addition, these systems lack efficient user interfaces and feedback for preventing future falls. Recent advances in internet of things (IoT) and mobile technologies offer ample opportunities for integrating contextual information about patient behavior and environment along with physiological health data for predicting falls. This article reviews the state-of-the-art in fall detection and prediction systems. It also describes the challenges, limitations, and future directions in the design and implementation of effective fall prediction and prevention systems

Using a Combination of PID Control and Kalman Filter to Design of IoT-based Telepresence Self-balancing Robots during COVID-19 Pandemic

COVID-19 is a very dangerous respiratory disease that can spread quickly through the air. Doctors, nurses, and medical personnel need protective clothing and are very careful in treating COVID-19 patients to avoid getting infected with the COVID-19 virus. Hence, a medical telepresence robot, which resembles a humanoid robot, is necessary to treat COVID-19 patients. The proposed self-balancing COVID-19 medical telepresence robot is a medical robot that handles COVID-19 patients, which resembles a stand-alone humanoid soccer robot with two wheels that can maneuver freely in hospital hallways. The proposed robot design has some control problems; it requires steady body positioning and is subjected to disturbance. A control method that functions to find the stability value such that the system response can reach the set-point is required to control the robot's stability and repel disturbances; this is known as disturbance rejection control. This study aimed to control the robot using a combination of Proportional-Integral-Derivative (PID) control and a Kalman filter. Mathematical equations were required to obtain a model of the robot's characteristics. The state-space model was derived from the self-balancing robot's mathematical equation. Since a PID control technique was used to keep the robot balanced, this state-space model was converted into a transfer function model. The second Ziegler-Nichols's rule oscillation method was used to tune the PID parameters. The values of the amplifier constants obtained were Kp=31.002, Ki=5.167, and Kd=125.992128. The robot was designed to be able to maintain its balance for more than one hour by using constant tuning, even when an external disturbance is applied to it. Doi: 10.28991/esj-2021-SP1-016 Full Text: PD

Soft Robotic Arms for Fall Mitigation: Design, Control and Evaluation

Most fall mitigation devices present a heavy system that avoid injuries to the user by preventing the impact of a fall. They are dependent on the user capability or on the probability that the user falls in the assumed manner the system was designed for. Often that is not the case, hence this project initiates a novel concept of using soft robotic arms to prevent falls from happening in the first place itself and save the user from any injuries. This thesis describes the prototype and development of a soft continuum robotic backpack system. The system can validate its use in fall mitigation over the front, backward, or sideways direction. The soft robotic arm is constructed with a bladder made of a soft rubber tubing , surrounded by a nylon braiding to allow the extension of the arm in the desired positions, sealed with custom made 3D printed nylon barbed connectors and plugs. The backpack is placed on a plastic mannequin and subjected to controlled falls in the directions mentioned above in a single plane. Results of the experiments with the prototype for each test scenario have been discussed

Enhanced Living Environments

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1303 “Algorithms, Architectures and Platforms for Enhanced Living Environments (AAPELE)”. The concept of Enhanced Living Environments (ELE) refers to the area of Ambient Assisted Living (AAL) that is more related with Information and Communication Technologies (ICT). Effective ELE solutions require appropriate ICT algorithms, architectures, platforms, and systems, having in view the advance of science and technology in this area and the development of new and innovative solutions that can provide improvements in the quality of life for people in their homes and can reduce the financial burden on the budgets of the healthcare providers. The aim of this book is to become a state-of-the-art reference, discussing progress made, as well as prompting future directions on theories, practices, standards, and strategies related to the ELE area. The book contains 12 chapters and can serve as a valuable reference for undergraduate students, post-graduate students, educators, faculty members, researchers, engineers, medical doctors, healthcare organizations, insurance companies, and research strategists working in this area

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

Development of a real-time ultrasonic sensing system for automated and robotic welding

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The implementation of robotic technology into welding processes is made difficult by the inherent process variables of part location, fit up, orientation and repeatability. Considering these aspects, to ensure weld reproducibility consistency and quality, advanced adaptive control techniques are essential. These involve not only the development of adequate sensors for seam tracking and joint recognition but also developments of overall machines with a level of artificial intelligence sufficient for automated welding. The development of such a prototype system which utilizes a manipulator arm, ultrasonic sensors and a transistorised welding power source is outlined. This system incorporates three essential aspects. It locates and tracks the welding seam ensuring correct positioning of the welding head relatively to the joint preparation. Additionally, it monitors the joint profile of the molten weld pool and modifies the relevant heat input parameters ensuring consistent penetration, joint filling and acceptable weld bead shape. Finally, it makes use of both the above information to reconstruct three-dimensional images of the weld pool silhouettes providing in-process inspection capabilities of the welded joints. Welding process control strategies have been incorporated into the system based on quantitative relationships between input parameters and weld bead shape configuration allowing real-time decisions to be made during the process of welding, without the need for operation intervention.British Technology Group (BTG

Haptic interface based on tactile sensors for assistive devices

Tesis leída el 14 de febrero de 2018.Los países desarrollados deben hacer frente al creciente envejecimiento de su población. Un proceso de envejecimiento adecuado requiere capacidad funcional en las actividades del día a día. Así, las tecnologías de asistencia deben lidiar con uno de los principales problemas asociados con la edad: el deterioro de la movilidad. Los bastones y los andadores son prescritos para personas con movilidad reducida, pero aún con capacidad de andar. Sin embargo, hay un considerable número de personas en la tercera edad que necesitan otro tipo de ayuda. En este sentido, las sillas de ruedas eléctricas suponen un medio para el aumento de la participación y de la actividad de sus usuarios. Normalmente, estas sillas se conducen mediante un joystick alojado al final de uno de los reposabrazos. No obstante, este dispositivo no es adecuado para todo tipo de usuarios. Algunos de ellos lo encuentran difícil de usar y, para otros, su manejo no es posible y necesitan de la asistencia de otra persona (aquellos que padecen ciertas enfermedades del sistema nervioso, lesiones en la médula espinal, discapacidad mental, etc.). De esta manera, hay casos en que se requiere la ayuda de un cuidador que desplace la silla. Empujar una silla de ruedas de forma habitual produce distintos tipos de lesiones, por lo que es interesante que los asistentes o cuidadores también se beneficien de las ventajas de las sillas de ruedas eléctricas. En este caso, la solución más común consiste en otro joystick situado en la parte trasera de la silla. Como se ha apuntado anteriormente, este no es un dispositivo cómodo e intuitivo para muchos usuarios. Con respecto a la investigación, con frecuencia los dispositivos de asistencia propuestos basan su interfaz con el asistente en sensores de fuerza. Estos componentes son caros y suponen por tanto una barrera de cara a que el dispositivo llegue al mercado