Instrumentation of a cane to detect and prevent falls

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)The number of falls is growing as the main cause of injuries and deaths in the geriatric community. As a result, the cost of treating the injuries associated with falls is also increasing. Thus, the development of fall-related strategies with the capability of real-time monitoring without user restriction is imperative. Due to their advantages, daily life accessories can be a solution to embed fall-related systems, and canes are no exception. Moreover, gait assessment might be capable of enhancing the capability of cane usage for older cane users. Therefore, reducing, even more, the possibility of possible falls amongst them. Summing up, it is crucial the development of strategies that recognize states of fall, the step before a fall (pre-fall step) and the different cane events continuously throughout a stride. This thesis aims to develop strategies capable of identifying these situations based on a cane system that collects both inertial and force information, the Assistive Smart Cane (ASCane). The strategy regarding the detection of falls consisted of testing the data acquired with the ASCane with three different fixed multi-threshold fall detection algorithms, one dynamic multi-threshold and machine learning methods from the literature. They were tested and modified to account the use of a cane. The best performance resulted in a sensitivity and specificity of 96.90% and 98.98%, respectively. For the detection of the different cane events in controlled and real-life situations, a state-of-the-art finite-state-machine gait event detector was modified to account the use of a cane and benchmarked against a ground truth system. Moreover, a machine learning study was completed involving eight feature selection methods and nine different machine learning classifiers. Results have shown that the accuracy of the classifiers was quite acceptable and presented the best results with 98.32% of overall accuracy for controlled situations and 94.82% in daily-life situations. Regarding pre-fall step detection, the same machine learning approach was accomplished. The models were very accurate (Accuracy = 98.15%) and with the implementation of an online post-processing filter, all the false positive detections were eliminated, and a fall was able to be detected 1.019s before the end of the corresponding pre-fall step and 2.009s before impact.O número de quedas tornou-se uma das principais causas de lesões e mortes na comunidade geriátrica. Como resultado, o custo do tratamento das lesões também aumenta. Portanto, é necessário o desenvolvimento de estratégias relacionadas com quedas e que exibam capacidade de monitorização em tempo real sem colocar restrições ao usuário. Devido às suas vantagens, os acessórios do dia-a-dia podem ser uma solução para incorporar sistemas relacionados com quedas, sendo que as bengalas não são exceção. Além disso, a avaliação da marcha pode ser capaz de aprimorar a capacidade de uso de uma bengala para usuários mais idosos. Desta forma, é crucial o desenvolvimento de estratégias que reconheçam estados de queda, do passo anterior a uma queda e dos diferentes eventos da marcha de uma bengala. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver estratégias capazes de identificar as situações anteriormente descritas com base num sistema incorporado numa bengala que coleta informações inerciais e de força, a Assistive Smart Cane (ASCane). A estratégia referente à deteção de quedas consistiu em testar os dados adquiridos através da ASCane com três algoritmos de deteção de quedas (baseados em thresholds fixos), com um algoritmo de thresholds dinâmicos e diferentes classificadores de machine learning encontrados na literatura. Estes métodos foram testados e modificados para dar conta do uso de informação adquirida através de uma bengala. O melhor desempenho alcançado em termos de sensibilidade e especificidade foi de 96,90% e 98,98%, respetivamente. Relativamente à deteção dos diferentes eventos da ASCane em situações controladas e da vida real, um detetor de eventos da marcha foi e comparado com um sistema de ground truth. Além disso, foi também realizado um estudo de machine learning envolvendo oito métodos de seleção de features e nove classificadores diferentes de machine learning. Os resultados mostraram que a precisão dos classificadores foi bastante aceitável e apresentou, como melhores resultados, 98,32% de precisão para situações controladas e 94.82% para situações do dia-a-dia. No que concerne à deteção de passos pré-queda, a mesma abordagem de machine learning foi realizada. Os modelos foram precisos (precisão = 98,15%) e com a implementação de um filtro de pós-processamento, todas as deteções de falsos positivos foram eliminadas e uma queda foi passível de ser detetada 1,019s antes do final do respetivo passo de pré-queda e 2.009s antes do impacto

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

System Design for Affordable and Accountable Physically Assistive Robots with User State Estimation Function

Tohoku University平田泰久課