Dynamic bayesian networks for learning interactions between assistive robotic walker and human users

Detection of individuals intentions and actions from a stream of human behaviour is an open problem. Yet for robotic agents to be truly perceived as human-friendly entities they need to respond naturally to the physical interactions with the surrounding environment, most notably with the user. This paper proposes a generative probabilistic approach in the form of Dynamic Bayesian Networks (DBN) to seamlessly account for users attitudes. A model is presented which can learn to recognize a subset of possible actions by the user of a gait stability support power rollator walker, such as standing up, sitting down or assistive strolling, and adapt the behaviour of the device accordingly. The communication between the user and the device is implicit, without any explicit intention such as a keypad or voice.The end result is a decision making mechanism that best matches the users cognitive attitude towards a set of assistive tasks, effectively incorporating the evolving activity model of the user in the process. The proposed framework is evaluated in real-life condition. © 2010 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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

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

Advances in Robot Navigation

Robot navigation includes different interrelated activities such as perception - obtaining and interpreting sensory information; exploration - the strategy that guides the robot to select the next direction to go; mapping - the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; localization - the strategy to estimate the robot position within the spatial map; path planning - the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. This book integrates results from the research work of authors all over the world, addressing the abovementioned activities and analyzing the critical implications of dealing with dynamic environments. Different solutions providing adaptive navigation are taken from nature inspiration, and diverse applications are described in the context of an important field of study: social robotics

Advances in Human-Robot Interaction

Rapid advances in the field of robotics have made it possible to use robots not just in industrial automation but also in entertainment, rehabilitation, and home service. Since robots will likely affect many aspects of human existence, fundamental questions of human-robot interaction must be formulated and, if at all possible, resolved. Some of these questions are addressed in this collection of papers by leading HRI researchers

The Future of Humanoid Robots

This book provides state of the art scientific and engineering research findings and developments in the field of humanoid robotics and its applications. It is expected that humanoids will change the way we interact with machines, and will have the ability to blend perfectly into an environment already designed for humans. The book contains chapters that aim to discover the future abilities of humanoid robots by presenting a variety of integrated research in various scientific and engineering fields, such as locomotion, perception, adaptive behavior, human-robot interaction, neuroscience and machine learning. The book is designed to be accessible and practical, with an emphasis on useful information to those working in the fields of robotics, cognitive science, artificial intelligence, computational methods and other fields of science directly or indirectly related to the development and usage of future humanoid robots. The editor of the book has extensive R&D experience, patents, and publications in the area of humanoid robotics, and his experience is reflected in editing the content of the book

Adaptive Shared Autonomy between Human and Robot to Assist Mobile Robot Teleoperation

Die Teleoperation vom mobilen Roboter wird in großem Umfang eingesetzt, wenn es für Mensch unpraktisch oder undurchführbar ist, anwesend zu sein, aber die Entscheidung von Mensch wird dennoch verlangt. Es ist für Mensch stressig und fehleranfällig wegen Zeitverzögerung und Abwesenheit des Situationsbewusstseins, ohne Unterstützung den Roboter zu steuern einerseits, andererseits kann der völlig autonome Roboter, trotz jüngsten Errungenschaften, noch keine Aufgabe basiert auf die aktuellen Modelle der Wahrnehmung und Steuerung unabhängig ausführen. Deswegen müssen beide der Mensch und der Roboter in der Regelschleife bleiben, um gleichzeitig Intelligenz zur Durchführung von Aufgaben beizutragen. Das bedeut, dass der Mensch die Autonomie mit dem Roboter während des Betriebes zusammenhaben sollte. Allerdings besteht die Herausforderung darin, die beiden Quellen der Intelligenz vom Mensch und dem Roboter am besten zu koordinieren, um eine sichere und effiziente Aufgabenausführung in der Fernbedienung zu gewährleisten. Daher wird in dieser Arbeit eine neuartige Strategie vorgeschlagen. Sie modelliert die Benutzerabsicht als eine kontextuelle Aufgabe, um eine Aktionsprimitive zu vervollständigen, und stellt dem Bediener eine angemessene Bewegungshilfe bei der Erkennung der Aufgabe zur Verfügung. Auf diese Weise bewältigt der Roboter intelligent mit den laufenden Aufgaben auf der Grundlage der kontextuellen Informationen, entlastet die Arbeitsbelastung des Bedieners und verbessert die Aufgabenleistung. Um diese Strategie umzusetzen und die Unsicherheiten bei der Erfassung und Verarbeitung von Umgebungsinformationen und Benutzereingaben (i.e. der Kontextinformationen) zu berücksichtigen, wird ein probabilistischer Rahmen von Shared Autonomy eingeführt, um die kontextuelle Aufgabe mit Unsicherheitsmessungen zu erkennen, die der Bediener mit dem Roboter durchführt, und dem Bediener die angemesse Unterstützung der Aufgabenausführung nach diesen Messungen anzubieten. Da die Weise, wie der Bediener eine Aufgabe ausführt, implizit ist, ist es nicht trivial, das Bewegungsmuster der Aufgabenausführung manuell zu modellieren, so dass eine Reihe von der datengesteuerten Ansätzen verwendet wird, um das Muster der verschiedenen Aufgabenausführungen von menschlichen Demonstrationen abzuleiten, sich an die Bedürfnisse des Bedieners in einer intuitiven Weise über lange Zeit anzupassen. Die Praxistauglichkeit und Skalierbarkeit der vorgeschlagenen Ansätze wird durch umfangreiche Experimente sowohl in der Simulation als auch auf dem realen Roboter demonstriert. Mit den vorgeschlagenen Ansätzen kann der Bediener aktiv und angemessen unterstützt werden, indem die Kognitionsfähigkeit und Autonomieflexibilität des Roboters zu erhöhen