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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
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