Emerging issues and current trends in assistive technology use 2007-1010: practising, assisting and enabling learning for all

Following an earlier review in 2007, a further review of the academic literature relating to the uses of assistive technology (AT) by children and young people was completed, covering the period 2007-2011. As in the earlier review, a tripartite taxonomy: technology uses to train or practise, technology uses to assist learning and technology uses to enable learning, was used in order to structure the findings. The key markers for research in this field and during these three years were user involvement, AT on mobile mainstream devices, the visibility of AT, technology for interaction and collaboration, new and developing interfaces and inclusive design principles. The paper concludes by locating these developments within the broader framework of the Digital Divide

Methods and metrics for the improvement of the interaction and the rehabilitation of cerebral palsy through inertial technology

Cerebral palsy (CP) is one of the most limiting disabilities in childhood, with 2.2 cases per 1000 1-year survivors. It is a disorder of movement and posture due to a defect or lesion of the immature brain during the pregnancy or the birth. These motor limitations appear frequently in combination with sensory and cognitive alterations generally result in great difficulties for some people with CP to manipulate objects, communicate and interact with their environment, as well as limiting their mobility. Over the last decades, instruments such as personal computers have become a popular tool to overcome some of the motor limitations and promote neural plasticity, especially during childhood. According to some estimations, 65% of youths with CP that present severely limited manipulation skills cannot use standard mice nor keyboards. Unfortunately, even when people with CP use assistive technology for computer access, they face barriers that lead to the use of typical mice, track balls or touch screens for practical reasons. Nevertheless, with the proper customization, novel developments of alternative input devices such as head mice or eye trackers can be a valuable solution for these individuals. This thesis presents a collection of novel mapping functions and facilitation algorithms that were proposed and designed to ease the act of pointing to graphical elements on the screen—the most elemental task in human-computer interaction—to individuals with CP. These developments were implemented to be used with any head mouse, although they were all tested with the ENLAZA, an inertial interface. The development of such techniques required the following approach: Developing a methodology to evaluate the performance of individuals with CP in pointing tasks, which are usually described as two sequential subtasks: navigation and targeting. Identifying the main motor abnormalities that are present in individuals with CP as well as assessing the compliance of these people with standard motor behaviour models such as Fitts’ law. Designing and validating three novel pointing facilitation techniques to be implemented in a head mouse. They were conceived for users with CP and muscle weakness that have great difficulties to maintain their heads in a stable position. The first two algorithms consist in two novel mapping functions that aim to facilitate the navigation phase, whereas the third technique is based in gravity wells and was specially developed to facilitate the selection of elements in the screen. In parallel with the development of the facilitation techniques for the interaction process, we evaluated the feasibility of use inertial technology for the control of serious videogames as a complement to traditional rehabilitation therapies of posture and balance. The experimental validation here presented confirms that this concept could be implemented in clinical practice with good results. In summary, the works here presented prove the suitability of using inertial technology for the development of an alternative pointing device—and pointing algorithms—based on movements of the head for individuals with CP and severely limited manipulation skills and new rehabilitation therapies for the improvement of posture and balance. All the contributions were validated in collaboration with several centres specialized in CP and similar disorders and users with disability recruited in those centres.La parálisis cerebral (PC) es una de las deficiencias más limitantes de la infancia, con un incidencia de 2.2 casos por cada 1000 supervivientes tras un año de vida. La PC se manifiesta principalmente como una alteración del movimiento y la postura y es consecuencia de un defecto o lesión en el cerebro inmaduro durante el embarazo o el parto. Las limitaciones motrices suelen aparecer además en compañía de alteraciones sensoriales y cognitivas, lo que provoca por lo general grandes dificultades de movilidad, de manipulación, de relación y de interacción con el entorno. En las últimas décadas, el ordenador personal se ha extendido como herramienta para la compensación de parte de estas limitaciones motoras y como medio de promoción de la neuroplasticidad, especialmente durante la infancia. Desafortunadamente, cerca de un 65% de las personas PC que son diagnosticadas con limitaciones severas de manipulación son incapaces de utilizar ratones o teclados convencionales. A veces, ni siquiera la tecnología asistencial les resulta de utilidad ya que se encuentran con impedimentos que hacen que opten por usar dispositivos tradicionales aun sin dominar su manejo. Para estas personas, los desarrollos recientes de ratones operados a través de movimientos residuales con la cabeza o la mirada podrían ser una solución válida, siempre y cuando se personalice su manejo. Esta tesis presenta un conjunto de novedosas funciones de mapeo y algoritmos de facilitaci ón que se han propuesto y diseñado con el ánimo de ayudar a personas con PC en las tareas de apuntamiento de objetos en la pantalla —las más elementales dentro de la interacción con el ordenador. Aunque todas las contribuciones se evaluaron con la interfaz inercial ENLAZA, desarrollada igualmente en nuestro grupo, podrían ser aplicadas a cualquier ratón basado en movimientos de cabeza. El desarrollo de los trabajos se resume en las siguientes tareas abordadas: Desarrollo de una metodología para la evaluación de la habilidad de usuarios con PC en tareas de apuntamiento, que se contemplan como el encadenamiento de dos sub-tareas: navegación (alcance) y selección (clic). Identificación de los tipos de alteraciones motrices presentes en individuos con PC y el grado de ajuste de éstos a modelos estándares de comportamiento motriz como puede ser la ley de Fitts. Propuesta y validación de tres técnicas de facilitación del alcance para ser implementadas en un ratón basado en movimientos de cabeza. La facilitación se ha centrado en personas que presentan debilidad muscular y dificultades para mantener la posición de la cabeza. Mientras que los dos primeros algoritmos se centraron en facilitar la navegación, el tercero tuvo como objetivo ayudar en la selección a través de una técnica basada en pozos gravitatorios de proximidad. En paralelo al desarrollo de estos algoritmos de facilitación de la interacción, evaluamos la posibilidad de utilizar tecnología inercial para el control de videojuegos en rehabilitación. Nuestra validación experimental demostró que este concepto puede implementarse en la práctica clínica como complemento a terapias tradicionales de rehabilitación de la postura y el equilibrio. Como conclusión, los trabajos desarrollados en esta tesis vienen a constatar la idoneidad de utilizar sensores inerciales para el desarrollo de interfaces de accesso alternativo al ordenador basados en movimientos residuales de la cabeza para personas con limitaciones severas de manipulación. Esta solución se complementa con algoritmos de facilitación del alcance. Por otra parte, estas soluciones tecnológicas de interfaz con el ordenador representan igualmente un complemento de terapias tradicionales de rehabilitación de la postura y el equilibrio. Todas las contribuciones se validaron en colaboración con una serie de centros especializados en parálisis cerebral y trastornos afines contando con usuarios con discapacidad reclutados en dichos centros.This thesis was completed in the Group of Neural and Cognitive Engineering (gNEC) of the CAR UPM-CSIC with the financial support of the FP7 Framework EU Research Project ABC (EU-2012-287774), the IVANPACE Project (funded by Obra Social de Caja Cantabria, 2012-2013), and the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness in the framework of two projects: the Interplay Project (RTC-2014-1812-1) and most recently the InterAAC Project (RTC-2015-4327-1)Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Juan Manuel Belda Lois.- Secretario: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Luis Fernando Sánchez Sante

Diverse Contributions to Implicit Human-Computer Interaction

Cuando las personas interactúan con los ordenadores, hay mucha información que no se proporciona a propósito. Mediante el estudio de estas interacciones implícitas es posible entender qué características de la interfaz de usuario son beneficiosas (o no), derivando así en implicaciones para el diseño de futuros sistemas interactivos. La principal ventaja de aprovechar datos implícitos del usuario en aplicaciones informáticas es que cualquier interacción con el sistema puede contribuir a mejorar su utilidad. Además, dichos datos eliminan el coste de tener que interrumpir al usuario para que envíe información explícitamente sobre un tema que en principio no tiene por qué guardar relación con la intención de utilizar el sistema. Por el contrario, en ocasiones las interacciones implícitas no proporcionan datos claros y concretos. Por ello, hay que prestar especial atención a la manera de gestionar esta fuente de información. El propósito de esta investigación es doble: 1) aplicar una nueva visión tanto al diseño como al desarrollo de aplicaciones que puedan reaccionar consecuentemente a las interacciones implícitas del usuario, y 2) proporcionar una serie de metodologías para la evaluación de dichos sistemas interactivos. Cinco escenarios sirven para ilustrar la viabilidad y la adecuación del marco de trabajo de la tesis. Resultados empíricos con usuarios reales demuestran que aprovechar la interacción implícita es un medio tanto adecuado como conveniente para mejorar de múltiples maneras los sistemas interactivos.Leiva Torres, LA. (2012). Diverse Contributions to Implicit Human-Computer Interaction [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17803Palanci

Practical, appropriate, empirically-validated guidelines for designing educational games

There has recently been a great deal of interest in the potential of computer games to function as innovative educational tools. However, there is very little evidence of games fulfilling that potential. Indeed, the process of merging the disparate goals of education and games design appears problematic, and there are currently no practical guidelines for how to do so in a coherent manner. In this paper, we describe the successful, empirically validated teaching methods developed by behavioural psychologists and point out how they are uniquely suited to take advantage of the benefits that games offer to education. We conclude by proposing some practical steps for designing educational games, based on the techniques of Applied Behaviour Analysis. It is intended that this paper can both focus educational games designers on the features of games that are genuinely useful for education, and also introduce a successful form of teaching that this audience may not yet be familiar with

Human-Computer Interaction

In this book the reader will find a collection of 31 papers presenting different facets of Human Computer Interaction, the result of research projects and experiments as well as new approaches to design user interfaces. The book is organized according to the following main topics in a sequential order: new interaction paradigms, multimodality, usability studies on several interaction mechanisms, human factors, universal design and development methodologies and tools

Advanced Augmentative and Alternative Communication System Based in Physiological Control

Dyskinetic Cerebral Palsy (DCP) is mainly characterized by alterations in muscle tone and involuntary movements. Therefore, these people present with difficulties in coordination and movement control, which makes walking difficult and affects their posture when seated. Additionally, their cognitive performance varies between being completely normal and severe mental retardation. People with DCP were selected as the objective of this thesis due to their multiple and complex limitations (speech problems and motor control) and because their capabilities have a great margin for improvement thanks to physiological control systems. Given their communication difficulties, some people with DCP have good motor con-trol and can communicate with written language. However, most have difficulty using Augmentative and Alternative Communication (AAC) systems. People with DCP gen-erally use concept boards to indicate the idea they want to communicate. However, most communication solutions available today are based on proprietary software that makes it difficult to customize the concept board and this type of control system. This is the motivation behind this thesis, with the aim of creating an interface with characteristics, able to be adapted to the user needs and limitations. Thus, this thesis proposes an Augmentative and Alternative Communication System for people with DCP based on physiological control. In addition, an innovative system for direct con-trol of concept boards with EMG is proposed. This control system is based on a physi-cal model that reproduces the muscular mechanical response (stiffness, inertia and viscosity). It allows for a selection of elements thanks to small pulses of EMG signal with sensors on a muscle with motor control. Its main advantage is the possibility of correcting errors during selection associated with uncontrolled muscle impulses, avoid-ing sustained muscle effort and thus reduced fatigue.La Parálisis Cerebral de tipo Discinésica (DCP) se caracteriza principalmente por las alteraciones del tono muscular y los movimientos involuntarios. Por ello, estos pacientes presentan dificultades en la coordinación y en el control de movimientos, lo cual les dificulta el caminar y afecta su postura cuando están sentados. Cabe resaltar que la capacidad cognitiva de las personas con DCP puede variar desde completamente normal, hasta un retraso mental severo. Las personas con DCP han sido seleccionadas como objetivo de esta tesis ya el margen de mejora de sus capacidades es amplio gracias a sistemas de control fisiológico, debido a sus múltiples y complejas limitaciones (problemas de habla y control motor). Debido a sus dificultades de comunicación, algunas personas con DCP se pueden comunicar con lenguaje escrito, siempre y cuando tenga un buen control motor. Sin embargo, la mayoría tienen dificultades para usar sistemas de Comunicación Aumentativos y Alternativos (AAC). De hecho, las personas con DCP utilizan generalmente tableros de conceptos para indicar la idea que quieren transmitir. Sin embargo, la mayoría las soluciones de comunicación disponibles en la actualidad están basadas en software propietario que hacen difícil la personalización del tablero de conceptos y el tipo de sistema de control. Es aquí donde surge esta tesis, con el objetivo de crear una interfaz con esas características, capaz de adaptarse a las necesidades y limitaciones del usuario. De esta forma, esta tesis propone un sistema de comunicación aumentativo y alternativo para personas con DCP basado en control fisiológico. Además, se propone un Sistema innovador de control directo sobre tableros de conceptos basado en EMG. Este Sistema de control se basa en un modelo físico que reproduce la respuesta mecánica muscular (basado en parámetros como Rigidez, Inercia y Viscosidad), permitiendo la selección de elementos gracias a pequeños pulsos de señal EMG con sensores sobre un músculo con control motor. Sus principales ventajas son la posibilidad de corregir errores durante la selección asociado a los impulsos musculares no controlados, evitar el esfuerzo muscular mantenido para alcanzar un nivel y reducir la fatiga.La Paràlisi Cerebral de tipus Discinèsica (DCP) es caracteritza principalment per les alteracions del to muscular i els moviments involuntaris. Per açò, aquests pacients presenten dificultats en la coordinació i en el control de moviments, la qual cosa els dificulta el caminar i afecta la seua postura quan estan asseguts. Cal ressaltar que la capacitat cognitiva de les persones amb DCP pot variar des de completament normal, fins a un retard mental sever. Les persones amb DCP han sigut seleccionades com a objectiu d'aquesta tesi ja el marge de millora de les seues capacitats és ampli gràcies a sistemes de control fisiològic, a causa dels seus múltiples i complexes limitacions (problemes de parla i control motor). A causa de les seues dificultats de comunicació, algunes persones amb DCP es poden comunicar amb llenguatge escrit, sempre que tinga un bon control motor. No obstant açò, la majoria tenen dificultats per a usar sistemes de Comunicació Augmentatius i Alternatius (AAC). De fet, les persones amb DCP utilitzen generalment taulers de conceptes per a indicar la idea que volen transmetre. No obstant açò, la majoria les solucions de comunicació disponibles en l'actualitat estan basades en programari propietari que fan difícil la personalització del tauler de conceptes i el tipus de sistema de control. És ací on sorgeix aquesta tesi, amb l'objectiu de crear una interfície amb aqueixes característiques, capaç d'adaptar-se a les necessitats i limitacions de l'usuari. D'aquesta forma, aquesta tesi proposa un sistema de comunicació augmentatiu i alternatiu per a persones amb DCP basat en control fisiològic. A més, es proposa un sistema innovador de control directe sobre taulers de conceptes basat en EMG. Aquest sistema de control es basa en un model físic que reprodueix la resposta mecànica muscular (basat en paràmetres com a Rigidesa, Inèrcia i Viscositat), permetent la selecció d'elements gràcies a xicotets polsos de senyal EMG amb sensors sobre un múscul amb control motor. Els seus principals avantatges són la possibilitat de corregir errors durant la selecció associat als impulsos musculars no controlats, evitar l'esforç muscular mantingut per a aconseguir un nivell i reduir la fatiga.Díaz Pineda, JA. (2017). Advanced Augmentative and Alternative Communication System Based in Physiological Control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90418TESI

MOG 2007:Workshop on Multimodal Output Generation: CTIT Proceedings

This volume brings together presents a wide variety of work offering different perspectives on multimodal generation. Two different strands of work can be distinguished: half of the gathered papers present current work on embodied conversational agents (ECA’s), while the other half presents current work on multimedia applications. Two general research questions are shared by all: what output modalities are most suitable in which situation, and how should different output modalities be combined

Workload-aware systems and interfaces for cognitive augmentation

In today's society, our cognition is constantly influenced by information intake, attention switching, and task interruptions. This increases the difficulty of a given task, adding to the existing workload and leading to compromised cognitive performances. The human body expresses the use of cognitive resources through physiological responses when confronted with a plethora of cognitive workload. This temporarily mobilizes additional resources to deal with the workload at the cost of accelerated mental exhaustion. We predict that recent developments in physiological sensing will increasingly create user interfaces that are aware of the user’s cognitive capacities, hence able to intervene when high or low states of cognitive workload are detected. In this thesis, we initially focus on determining opportune moments for cognitive assistance. Subsequently, we investigate suitable feedback modalities in a user-centric design process which are desirable for cognitive assistance. We present design requirements for how cognitive augmentation can be achieved using interfaces that sense cognitive workload. We then investigate different physiological sensing modalities to enable suitable real-time assessments of cognitive workload. We provide empirical evidence that the human brain is sensitive to fluctuations in cognitive resting states, hence making cognitive effort measurable. Firstly, we show that electroencephalography is a reliable modality to assess the mental workload generated during the user interface operation. Secondly, we use eye tracking to evaluate changes in eye movements and pupil dilation to quantify different workload states. The combination of machine learning and physiological sensing resulted in suitable real-time assessments of cognitive workload. The use of physiological sensing enables us to derive when cognitive augmentation is suitable. Based on our inquiries, we present applications that regulate cognitive workload in home and work settings. We deployed an assistive system in a field study to investigate the validity of our derived design requirements. Finding that workload is mitigated, we investigated how cognitive workload can be visualized to the user. We present an implementation of a biofeedback visualization that helps to improve the understanding of brain activity. A final study shows how cognitive workload measurements can be used to predict the efficiency of information intake through reading interfaces. Here, we conclude with use cases and applications which benefit from cognitive augmentation. This thesis investigates how assistive systems can be designed to implicitly sense and utilize cognitive workload for input and output. To do so, we measure cognitive workload in real-time by collecting behavioral and physiological data from users and analyze this data to support users through assistive systems that adapt their interface according to the currently measured workload. Our overall goal is to extend new and existing context-aware applications by the factor cognitive workload. We envision Workload-Aware Systems and Workload-Aware Interfaces as an extension in the context-aware paradigm. To this end, we conducted eight research inquiries during this thesis to investigate how to design and create workload-aware systems. Finally, we present our vision of future workload-aware systems and workload-aware interfaces. Due to the scarce availability of open physiological data sets, reference implementations, and methods, previous context-aware systems were limited in their ability to utilize cognitive workload for user interaction. Together with the collected data sets, we expect this thesis to pave the way for methodical and technical tools that integrate workload-awareness as a factor for context-aware systems.Tagtäglich werden unsere kognitiven Fähigkeiten durch die Verarbeitung von unzähligen Informationen in Anspruch genommen. Dies kann die Schwierigkeit einer Aufgabe durch mehr oder weniger Arbeitslast beeinflussen. Der menschliche Körper drückt die Nutzung kognitiver Ressourcen durch physiologische Reaktionen aus, wenn dieser mit kognitiver Arbeitsbelastung konfrontiert oder überfordert wird. Dadurch werden weitere Ressourcen mobilisiert, um die Arbeitsbelastung vorübergehend zu bewältigen. Wir prognostizieren, dass die derzeitige Entwicklung physiologischer Messverfahren kognitive Leistungsmessungen stets möglich machen wird, um die kognitive Arbeitslast des Nutzers jederzeit zu messen. Diese sind in der Lage, einzugreifen wenn eine zu hohe oder zu niedrige kognitive Belastung erkannt wird. Wir konzentrieren uns zunächst auf die Erkennung passender Momente für kognitive Unterstützung welche sich der gegenwärtigen kognitiven Arbeitslast bewusst sind. Anschließend untersuchen wir in einem nutzerzentrierten Designprozess geeignete Feedbackmechanismen, die zur kognitiven Assistenz beitragen. Wir präsentieren Designanforderungen, welche zeigen wie Schnittstellen eine kognitive Augmentierung durch die Messung kognitiver Arbeitslast erreichen können. Anschließend untersuchen wir verschiedene physiologische Messmodalitäten, welche Bewertungen der kognitiven Arbeitsbelastung in Realzeit ermöglichen. Zunächst validieren wir empirisch, dass das menschliche Gehirn auf kognitive Arbeitslast reagiert. Es zeigt sich, dass die Ableitung der kognitiven Arbeitsbelastung über Elektroenzephalographie eine geeignete Methode ist, um den kognitiven Anspruch neuartiger Assistenzsysteme zu evaluieren. Anschließend verwenden wir Eye-Tracking, um Veränderungen in den Augenbewegungen und dem Durchmesser der Pupille unter verschiedenen Intensitäten kognitiver Arbeitslast zu bewerten. Das Anwenden von maschinellem Lernen führt zu zuverlässigen Echtzeit-Bewertungen kognitiver Arbeitsbelastung. Auf der Grundlage der bisherigen Forschungsarbeiten stellen wir Anwendungen vor, welche die Kognition im häuslichen und beruflichen Umfeld unterstützen. Die physiologischen Messungen stellen fest, wann eine kognitive Augmentierung sich als günstig erweist. In einer Feldstudie setzen wir ein Assistenzsystem ein, um die erhobenen Designanforderungen zur Reduktion kognitiver Arbeitslast zu validieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Arbeitsbelastung durch den Einsatz von Assistenzsystemen reduziert wird. Im Anschluss untersuchen wir, wie kognitive Arbeitsbelastung visualisiert werden kann. Wir stellen eine Implementierung einer Biofeedback-Visualisierung vor, die das Nutzerverständnis zum Verlauf und zur Entstehung von kognitiver Arbeitslast unterstützt. Eine abschließende Studie zeigt, wie Messungen kognitiver Arbeitslast zur Vorhersage der aktuellen Leseeffizienz benutzt werden können. Wir schließen hierbei mit einer Reihe von Applikationen ab, welche sich kognitive Arbeitslast als Eingabe zunutze machen. Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit dem Design von Assistenzsystemen, welche die kognitive Arbeitslast der Nutzer implizit erfasst und diese bei der Durchführung alltäglicher Aufgaben unterstützt. Dabei werden physiologische Daten erfasst, um Rückschlüsse in Realzeit auf die derzeitige kognitive Arbeitsbelastung zu erlauben. Anschließend werden diese Daten analysiert, um dem Nutzer strategisch zu assistieren. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung neuartiger und bestehender kontextbewusster Benutzerschnittstellen um den Faktor kognitive Arbeitslast. Daher werden in dieser Arbeit arbeitslastbewusste Systeme und arbeitslastbewusste Benutzerschnittstellen als eine zusätzliche Dimension innerhalb des Paradigmas kontextbewusster Systeme präsentiert. Wir stellen acht Forschungsstudien vor, um die Designanforderungen und die Implementierung von kognitiv arbeitslastbewussten Systemen zu untersuchen. Schließlich stellen wir unsere Vision von zukünftigen kognitiven arbeitslastbewussten Systemen und Benutzerschnittstellen vor. Durch die knappe Verfügbarkeit öffentlich zugänglicher Datensätze, Referenzimplementierungen, und Methoden, waren Kontextbewusste Systeme in der Auswertung kognitiver Arbeitslast bezüglich der Nutzerinteraktion limitiert. Ergänzt durch die in dieser Arbeit gesammelten Datensätze erwarten wir, dass diese Arbeit den Weg für methodische und technische Werkzeuge ebnet, welche kognitive Arbeitslast als Faktor in das Kontextbewusstsein von Computersystemen integriert