User-centered design of a dynamic-autonomy remote interaction concept for manipulation-capable robots to assist elderly people in the home

In this article, we describe the development of a human-robot interaction concept for service robots to assist elderly people in the home with physical tasks. Our approach is based on the insight that robots are not yet able to handle all tasks autonomously with sufficient reliability in the complex and heterogeneous environments of private homes. We therefore employ remote human operators to assist on tasks a robot cannot handle completely autonomously. Our development methodology was user-centric and iterative, with six user studies carried out at various stages involving a total of 241 participants. The concept is under implementation on the Care-O-bot 3 robotic platform. The main contributions of this article are (1) the results of a survey in form of a ranking of the demands of elderly people and informal caregivers for a range of 25 robot services, (2) the results of an ethnography investigating the suitability of emergency teleassistance and telemedical centers for incorporating robotic teleassistance, and (3) a user-validated human-robot interaction concept with three user roles and corresponding three user interfaces designed as a solution to the problem of engineering reliable service robots for home environments

The Role of Personality Factors and Empathy in the Acceptance and Performance of a Social Robot for Psychometric Evaluations

Research and development in socially assistive robotics have produced several novel applications in the care of senior people. However, some are still unexplored such as their use as psychometric tools allowing for a quick and dependable evaluation of human users’ intellectual capacity. To fully exploit the application of a social robot as a psychometric tool, it is necessary to account for the users’ factors that might influence the interaction with a robot and the evaluation of user cognitive performance. To this end, we invited senior participants to use a prototype of a robot-led cognitive test and analyzed the influence of personality traits and user’s empathy on the cognitive performance and technology acceptance. Results show a positive influence of a personality trait, the “openness to experience”, on the human-robot interaction, and that other factors, such as anxiety, trust, and intention to use, are influencing technology acceptance and correlate the evaluation by psychometric tests

Between Fear and Trust: Factors Influencing Older Adults' Evaluation of Socially Assistive Robots

Socially Assistive Robots (SARs) are expected to support autonomy, aging in place, and wellbeing in later life. For successful assimilation, it is necessary to understand factors affecting older adults Quality Evaluations (QEs) of SARs, including the pragmatic and hedonic evaluations and overall attractiveness. Previous studies showed that trust in robots significantly enhances QE, while technophobia considerably decreases it. The current study aimed to examine the relative impact of these two factors on older persons QE of SARs. The study was based on an online survey of 384 individuals aged 65 and above. Respondents were presented with a video of a robotic system for physical and cognitive training and filled out a questionnaire relating to that system. The results indicated a positive association between trust and QE and a negative association between technophobia and QE. A simultaneous exploration demonstrated that the relative impact of technophobia is significantly more substantial than that of trust. In addition, the pragmatic qualities of the robot were found to be more crucial to its QE than the social aspects of use. The findings suggest that implementing robotics technology in later life strongly depends on reducing older adults technophobia regarding the convenience of using SARs and highlight the importance of simultaneous explorations of facilitators and inhibitors

Assessment of Cognitive skills via Human-robot Interaction and Cloud Computing

Technological advances are increasing the range of applications for artificial intelligence, especially through its embodiment within humanoid robotics platforms. This promotes the development of novel systems for automated screening of neurological conditions to assist the clinical practitioners in the detection of early signs of mild cognitive impairments. This article presents the implementation and the experimental validation of the first robotic system for cognitive assessment, based on one of the most popular platforms for social robotics, Softbank "Pepper", which administers and records a set of multi-modal interactive tasks to engage the user cognitive abilities. The robot intelligence is programmed using the state-of-the-art IBM Watson AI Cloud services, which provide the necessary capabilities for improving the social interaction and scoring the tests. The system has been tested by healthy adults (N = 35) and we found a significant correlation between the automated scoring and the MoCA, one of the most widely used paper-and-pencil tests. We conclude that the system can be considered as a screening instrument for cognitive assessment

Emotional robots: principles and practice with PARO in Denmark, Germany and the UK

As societies age there will be a significant increase of those over 80 and a predicted increase in people with dementia. We know that loneliness increases with old age, and those living with dementia are at risk of social isolation. Also opportunities for sensory stimulation and engagement in pleasurable activities are reduced in old age. The question is what technologies can be used to extend the range of available interventions that can enhance well-being. Emotional robots have been developed for activity and therapeutic purposes. This article explores experiences of the emotional robot PARO in Denmark, Germany and UK, and provides principles of this robot as an activity or activity with a therapeutic purpose

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