Empowering and assisting natural human mobility: The simbiosis walker

This paper presents the complete development of the Simbiosis Smart Walker. The device is equipped with a set of sensor subsystems to acquire user-machine interaction forces and the temporal evolution of user's feet during gait. The authors present an adaptive filtering technique used for the identification and separation of different components found on the human-machine interaction forces. This technique allowed isolating the components related with the navigational commands and developing a Fuzzy logic controller to guide the device. The Smart Walker was clinically validated at the Spinal Cord Injury Hospital of Toledo - Spain, presenting great acceptability by spinal chord injury patients and clinical staf

Reimagining Robotic Walkers For Real-World Outdoor Play Environments With Insights From Legged Robots: A Scoping Review

PURPOSE For children with mobility impairments, without cognitive delays, who want to participate in outdoor activities, existing assistive technology (AT) to support their needs is limited. In this review, we investigate the control and design of a selection of robotic walkers while exploring a selection of legged robots to develop solutions that address this gap in robotic AT. METHOD We performed a comprehensive literature search from four main databases: PubMed, Google Scholar, Scopus, and IEEE Xplore. The keywords used in the search were the following: “walker”, “rollator”, “smart walker”, “robotic walker”, “robotic rollator”. Studies were required to discuss the control or design of robotic walkers to be considered. A total of 159 papers were analyzed. RESULTS From the 159 papers, 127 were excluded since they failed to meet our inclusion criteria. The total number of papers analyzed included publications that utilized the same device, therefore we classified the remaining 32 studies into groups based on the type of robotic walker used. This paper reviewed 15 different types of robotic walkers. CONCLUSIONS The ability of many-legged robots to negotiate and transition between a range of unstructured substrates suggests several avenues of future consideration whose pursuit could benefit robotic AT, particularly regarding the present limitations of wheeled paediatric robotic walkers for children’s daily outside use. For more information: Kod*lab (link to kodlab.seas.upenn.edu

Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training

Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten Bedürfnis einer individuellen Versorgung vor einer großen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen. Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor für die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen Einflüssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter Mobilität und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche Aktivität einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von älteren Erwachsenen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, älteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenständig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive Unterstützung für ältere und eingeschränkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche Bemühungen entstand eine Vielzahl von Ansätzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstützen. Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht. Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten für eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive Beeinträchtigungen in einem frühen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt. Um die Idee eines solchen Trainings zu überprüfen, wurde ein Prototyp-Gerät namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusätzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das Gerät navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das Gerät gezielte Regelungsaktionen bzw. Verhaltensänderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten. Die Pilotstudie, die mit zehn älteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer Interaktionsfähigkeit mit diesem Gerät. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die Komplexität des Trainings ständig neu anzupassen. Obwohl diese Studie die Durchführbarkeit des Trainings zeigte, waren Grundfläche und mechanische Stabilität des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues Gerät zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben. Neben einer erhöhten mechanischen Stabilität, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner Grundfläche. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die Unterstützungsfläche für den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche Unterstützung benötigen. Der Regelungsansatz für den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der Sensitivität an die Eingabe des Nutzers, abhängig von der Stabilität des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die Hände des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Änderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene Interaktionskräfte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen. Die Regelungsaktionen sind Verhaltensänderungen des Gerätes, die als Bausteine für unterstützende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des Gerätes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch räumliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhängige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von Reglerzuständen, um während des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem Gerät zu erreichen. Die oben genannten Beiträge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Funktionalitäten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestätigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit. Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen Forschungsgerät für physische Mensch-Roboter-Interaktionen während des Trainings mit Erwachsenen. Zukünftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg für Smarte Rollatoren als Hilfe für die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel

Mobility design and control of personal mobility aids for the elderly

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2002.Includes bibliographical references (p. 127-130).Delaying the transition of the elderly to higher level of care using assistive robotic devices could have great social and economic significance. The transition, necessitated by the degradation of physical and cognitive capability of the elderly, results in drastic increase of cost and rapid decrease of quality of life. A Personal Aid for Mobility and Health Monitoring system (PAMM) has been developed at MIT Field and Space Robotics Laboratory for the elderly living independently or in senior assisted living facilities so as to delay their transition to nursing homes. This thesis research addresses the mobility design and control issues of such devices. Eldercare environments are semi-structured, usually congested, and filled with static and/or dynamic obstacles. Developing effective mobility designs to achieve good maneuverability is a great challenge. An omni-directional mobility concept using conventional wheels has been developed independently in this research. Mobility systems based on this concept are simple, lightweight, energy efficient, and capable of operating on a range of floor surfaces. Assistive mobility devices work in shared workspace and interact directly with their users with limited physical and cognitive capabilities. The users may not be well trained, nor fully understand system. The challenge is to design an ergonomic and intuitive human machine interaction and a control system that can properly allocate control authority between the human and the machine. For this purpose, the admittance-based control methodology is used for the human machine interaction control. An adaptive shared control framework allocates control based on metrics of the demonstrated human performance has been developed.(cont.) Substantial amount of field experiments have been conducted with the actual users to validate control system design. The mobility design and control system implemented and tested on PAMM, will also be applicable to other cooperative mobile robots working in semi-structured indoor environments such as a factory or warehouse.by Haoyong Yu.Ph.D

A survey of fall prevention systems implemented on smart walkers

A large number of people die around the world in consequence of a fall. The costs related to fatal and non-fatal falls have an enormous impact on society and have been growing over the years. There are several risk factors that increase the probability of falling, such as poor balance and lower extremity weakness. Patients with balance impairment, in order to overcome these problems, use walkers. The aim of this work is to do an analysis of the fall-related strategies already implemented in a smart walker. Therefore, an online search was performed based on the literature through Scopus and Web of Science databases. A study was also conducted on a commercial level on Google, as well as a patent review on Espacenet and United States Trademark Office. It was possible to conclude that exist a concern related to the development of an approach to prevent the fall event. However, the only implemented strategy that was found throughout this research consists in stopping the walker when a near fall is detected.This work has been supported by the FCT - Fundação para a Ciencia e Tecnologia - with the scholarship reference PD/BD/141515/2018, by the FEDER funds through the COMPETE 2020 - Programa Operacional Competitividade e Internacionalizacao (POCI) and P2020 with the Reference Project EML under Grant POCI-01-0247-FEDER-033067, and through the COMPETE 2020 - POCI - with the Reference Project under Grant POCI-01-0145-FEDER-006941

Overcoming barriers and increasing independence: service robots for elderly and disabled people

This paper discusses the potential for service robots to overcome barriers and increase independence of elderly and disabled people. It includes a brief overview of the existing uses of service robots by disabled and elderly people and advances in technology which will make new uses possible and provides suggestions for some of these new applications. The paper also considers the design and other conditions to be met for user acceptance. It also discusses the complementarity of assistive service robots and personal assistance and considers the types of applications and users for which service robots are and are not suitable

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

Extraction of user's navigation commands from upper body force interaction in walker assisted gait

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The advances in technology make possible the incorporation of sensors and actuators in rollators, building safer robots and extending the use of walkers to a more diverse population. This paper presents a new method for the extraction of navigation related components from upper-body force interaction data in walker assisted gait. A filtering architecture is designed to cancel: (i) the high-frequency noise caused by vibrations on the walker's structure due to irregularities on the terrain or walker's wheels and (ii) the cadence related force components caused by user's trunk oscillations during gait. As a result, a third component related to user's navigation commands is distinguished.</p> <p>Results</p> <p>For the cancelation of high-frequency noise, a Benedict-Bordner g-h filter was designed presenting very low values for Kinematic Tracking Error ((2.035 ± 0.358)·10^-2<it>kgf</it>) and delay ((1.897 ± 0.3697)·10¹<it>ms</it>). A <it>Fourier Linear Combiner </it>filtering architecture was implemented for the adaptive attenuation of about 80% of the cadence related components' energy from force data. This was done without compromising the information contained in the frequencies close to such notch filters.</p> <p>Conclusions</p> <p>The presented methodology offers an effective cancelation of the undesired components from force data, allowing the system to extract in real-time voluntary user's navigation commands. Based on this real-time identification of voluntary user's commands, a classical approach to the control architecture of the robotic walker is being developed, in order to obtain stable and safe user assisted locomotion.</p