Reimagining Robotic Walkers For Real-World Outdoor Play Environments With Insights From Legged Robots: A Scoping Review

PURPOSE For children with mobility impairments, without cognitive delays, who want to participate in outdoor activities, existing assistive technology (AT) to support their needs is limited. In this review, we investigate the control and design of a selection of robotic walkers while exploring a selection of legged robots to develop solutions that address this gap in robotic AT. METHOD We performed a comprehensive literature search from four main databases: PubMed, Google Scholar, Scopus, and IEEE Xplore. The keywords used in the search were the following: “walker”, “rollator”, “smart walker”, “robotic walker”, “robotic rollator”. Studies were required to discuss the control or design of robotic walkers to be considered. A total of 159 papers were analyzed. RESULTS From the 159 papers, 127 were excluded since they failed to meet our inclusion criteria. The total number of papers analyzed included publications that utilized the same device, therefore we classified the remaining 32 studies into groups based on the type of robotic walker used. This paper reviewed 15 different types of robotic walkers. CONCLUSIONS The ability of many-legged robots to negotiate and transition between a range of unstructured substrates suggests several avenues of future consideration whose pursuit could benefit robotic AT, particularly regarding the present limitations of wheeled paediatric robotic walkers for children’s daily outside use. For more information: Kod*lab (link to kodlab.seas.upenn.edu

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

Visual Odometry and Traversability Analysis for Wheeled Robots in Complex Environments

Durch die technische Entwicklung im Bereich der radbasierten mobilen Roboter (WMRs) erweitern sich deren Anwendungsszenarien. Neben den eher strukturierten industriellen und häuslichen Umgebungen sind nun komplexere städtische Szenarien oder Außenbereiche mögliche Einsatzgebiete. Einer dieser neuen Anwendungsfälle wird in dieser Arbeit beschrieben: ein intelligenter persönlicher Mobilitätsassistent, basierend auf einem elektrischen Rollator. Ein solches System hat mehrere Anforderungen: Es muss sicher, robust, leicht und preiswert sein und sollte in der Lage sein, in Echtzeit zu navigieren, um eine direkte physische Interaktion mit dem Benutzer zu ermöglichen. Da diese Eigenschaften für fast alle Arten von WMRs wünschenswert sind, können alle in dieser Arbeit präsentierten Methoden auch mit anderen Typen von WMRs verwendet werden. Zuerst wird eine visuelle Odometriemethode vorgestellt, welche auf die Arbeit mit einer nach unten gerichteten RGB-D-Kamera ausgelegt ist. Hierzu wird die Umgebung auf die Bodenebene projiziert, um eine 2-dimensionale Repräsentation zu erhalten. Nun wird ein effizientes Bildausrichtungsverfahren verwendet, um die Fahrzeugbewegung aus aufeinander folgenden Bildern zu schätzen. Da das Verfahren für den Einsatz auf einem WMR ausgelegt ist, können weitere Annahmen verwendet werden, um die Genauigkeit der visuellen Odometrie zu verbessern. Für einen nicht-holonomischen WMR mit einem bekannten Fahrzeugmodell, entweder Differentialantrieb, Skid-Lenkung oder Ackermann-Lenkung, können die Bewegungsparameter direkt aus den Bilddaten geschätzt werden. Dies verbessert die Genauigkeit und Robustheit des Verfahrens erheblich. Zusätzlich wird eine Ausreißererkennung vorgestellt, die im Modellraum, d.h. den Bewegungsparametern des kinematischen Models, arbeitet. Üblicherweise wird die Ausreißererkennung im Datenraum, d.h. auf den Bildpunkten, durchgeführt. Mittels der Projektion der Umgebung auf die Bodenebene kann auch eine Höhenkarte der Umgebung erstellt werde. Es wird untersucht, ob diese Karte, in Verbindung mit einem detaillierten Fahrzeugmodell, zur Abschätzung zukünftiger Fahrzeugposen verwendet werden kann. Durch die Verwendung einer gemeinsamen bildbasierten Darstellung der Umgebung und des Fahrzeugs wird eine sehr effiziente und dennoch sehr genaue Posenschätzmethode vorgeschlagen. Da die Befahrbarkeit eines Bereichs durch die Fahrzeugposen und mögliche Kollisionen bestimmt werden kann, wird diese Methode für eine neue echtzeitfähige Pfadplanung verwendet. Aus der Fahrzeugpose werden verschiedene Sicherheitskriterien bestimmt, die als Heuristik für einen A*-ähnlichen Planer verwendet werden. Hierzu werden mithilfe des kinematischen Models mögliche zukünftige Fahrzeugposen ermittelt und für jede dieser Posen ein Befahrbarkeitswert berechnet.Das endgültige System ermöglicht eine sichere und robuste Echtzeit-Navigation auch in schwierigen Innen- und Außenumgebungen.The application of wheeled mobile robots (WMRs) is currently expanding from rather controlled industrial or domestic scenarios into more complex urban or outdoor environments, allowing a variety of new use cases. One of these new use cases is described in this thesis: An intelligent personal mobility assistant, based on an electrical rollator. Such a system comes with several requirements: It must be safe and robust, lightweight, inexpensive and should be able to navigate in real-time in order to allow direct physical interaction with the user. As these properties are desirable for most WMRs, all methods proposed in this thesis can also be used with other WMR platforms.First, a visual odometry method is presented, which is tailored to work with a downward facing RGB-D camera. It projects the environment onto a ground plane image and uses an efficient image alignment method to estimate the vehicle motion from consecutive images. As the method is designed for use on a WMR, further constraints can be employed to improve the accuracy of the visual odometry. For a non-holonomic WMR with a known vehicle model, either differential drive, skid steering or Ackermann, the motion parameters of the corresponding kinematic model, instead of the generic motion parameters, can be estimated directly from the image data. This significantly improves the accuracyand robustness of the method. Additionally, an outlier rejection scheme is presented that operates in model space, i.e. the motion parameters of the kinematic model, instead of data space, i.e. image pixels. Furthermore, the projection of the environment onto the ground plane can also be used to create an elevation map of the environment. It is investigated if this map, in conjunction with a detailed vehicle model, can be used to estimate future vehicle poses. By using a common image-based representation of the environment and the vehicle, a very efficient and still highly accurate pose estimation method is proposed. Since the traversability of an area can be determined by the vehicle poses and potential collisions, the pose estimation method is employed to create a novel real-time path planning method. The detailed vehicle model is extended to also represent the vehicle’s chassis for collision detection. Guided by an A*-like planner, a search graph is constructed by propagating the vehicle using its kinematic model to possible future poses and calculating a traversability score for each of these poses. The final system performs safe and robust real-time navigation even in challenging indoor and outdoor environments

Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training

Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten Bedürfnis einer individuellen Versorgung vor einer großen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen. Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor für die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen Einflüssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter Mobilität und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche Aktivität einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von älteren Erwachsenen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, älteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenständig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive Unterstützung für ältere und eingeschränkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche Bemühungen entstand eine Vielzahl von Ansätzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstützen. Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht. Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten für eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive Beeinträchtigungen in einem frühen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt. Um die Idee eines solchen Trainings zu überprüfen, wurde ein Prototyp-Gerät namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusätzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das Gerät navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das Gerät gezielte Regelungsaktionen bzw. Verhaltensänderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten. Die Pilotstudie, die mit zehn älteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer Interaktionsfähigkeit mit diesem Gerät. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die Komplexität des Trainings ständig neu anzupassen. Obwohl diese Studie die Durchführbarkeit des Trainings zeigte, waren Grundfläche und mechanische Stabilität des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues Gerät zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben. Neben einer erhöhten mechanischen Stabilität, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner Grundfläche. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die Unterstützungsfläche für den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche Unterstützung benötigen. Der Regelungsansatz für den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der Sensitivität an die Eingabe des Nutzers, abhängig von der Stabilität des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die Hände des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Änderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene Interaktionskräfte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen. Die Regelungsaktionen sind Verhaltensänderungen des Gerätes, die als Bausteine für unterstützende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des Gerätes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch räumliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhängige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von Reglerzuständen, um während des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem Gerät zu erreichen. Die oben genannten Beiträge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Funktionalitäten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestätigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit. Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen Forschungsgerät für physische Mensch-Roboter-Interaktionen während des Trainings mit Erwachsenen. Zukünftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg für Smarte Rollatoren als Hilfe für die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel

Human-Robot-Environment Interaction Strategies For Walker-assisted Gait

Smart Walkers (SWs) are robotic devices that may be used to improve balance and locomotion stability of people with lower-limb weakness or poor balance. Such devices may also offer support for cognitive disabilities and for people that cannot safely use conventional walkers, as well as allow interaction with other individuals and with the environment. In this context, there is a significant need to involve the environment information into the SW's control strategies. In this Ph.D. thesis, the concept of Human-Robot-Environment Interaction (HREI) for human locomotion assistance with a smart walker developed at UFES/Brazil (turned UFES's Smart Walker - USW) is explored. Two control strategies and one social navigation strategy are presented. The first control strategy is an admittance controller that generates haptic signals to induce the tracking of a predetermined path. When deviating from such path, the proposed method varies the damping parameter of the admittance controller by means of a spatial modulation technique, resulting in a haptic feedback, when is perceived by the user as a hard locomotion towards the undesired direction. The second strategy also uses an admittance controller to generate haptic signals, which guide the user along a predetermined path. However, in this case, the angular velocity of the smart walker is implemented as a function of a virtual torque, which is defined using two virtual forces that depend on the angular orientation error between the walker and the desired path. Regarding the navigation strategy, it involves social conventions defined by proxemics, and haptic signals generated through the spatial modulation of the admittance controller for a safe navigation within confined spaces. The USW uses a multimodal cognitive interaction composed of a haptic feedback and a visual interface with two LEDs to indicate the correct/desired direction when necessary. The proposed control strategies are suitable for a natural HREI as demonstrated in the experimental validation. Moreover, this Ph.D. thesis presents a strategy to obtain navigation commands for the USW based on multi-axial force sensors, in addition to a study of the admittance control parameters and its influence on the maneuverability of the USW, in order to improve its HREI

Authority-Sharing Control of Assistive Robotic Walkers

A recognized consequence of population aging is a reduced level of mobility, which undermines the life quality of several senior citizens. A promising solution is represented by assisitive robotic walkers, combining the benefits of standard walkers (improved stability and physical support) with sensing and computing ability to guarantee cognitive support. In this context, classical robot control strategies designed for fully autonomous systems (such as fully autonomous vehicles, where the user is excluded from the loop) are clearly not suitable, since the user’s residual abilities must be exploited and practiced. Conversely, to guarantee safety even in the presence of user’s cognitive deficits, the responsibility of controlling the vehicle motion cannot be entirely left to the assisted person. The authority-sharing paradigm, where the control authority, i.e., the capability of controlling the vehicle motion, is shared between the human user and the control system, is a promising solution to this problem. This research develops control strategies for assistive robotic walkers based on authority-sharing: this way, we ensure that the walker provides the user only the help he/she needs for safe navigation. For instance, if the user requires just physical support to reach the restrooms, the robot acts as a standard rollator; however, if the user’s cognitive abilities are limited (e.g., the user does not remember where the restrooms are, or he/she does not recognize obstacles on the path), the robot also drives the user towards the proper corridors, by planning and following a safe path to the restrooms. The authority is allocated on the basis of an error metric, quantifying the distance between the current vehicle heading and the desired movement direction to perform the task. If the user is safely performing the task, he/she is endowed with control authority, so that his/her residual abilities are exploited. Conversely, if the user is not capable of safely solving the task (for instance, he/is going to collide with an obstacle), the robot intervenes by partially or totally taking the control authority to help the user and ensure his/her safety (for instance, avoiding the collision). We provide detailed control design and theoretical and simulative analyses of the proposed strategies. Moreover, extensive experimental validation shows that authority-sharing is a successful approach to guide a senior citizen, providing both comfort and safety. The most promising solutions include the use of haptic systems to suggest the user a proper behavior, and the modification of the perceived physical interaction of the user with the robot to gradually share the control authority using a variable stiffness vehicle handling

Signage System for the Navigation of Autonomous Robots in Indoor Environments

In many occasions people need to go to certain places without having any prior knowledge about the environment. This situation may occur when the place is visited for the first time, or even when there is not any available map to situate us. In those cases, the signs of the environment are essential for achieving the goal. The same situation may happen for an autonomous robot. This kind of robots must be capable of solving this problem in a natural way. In order to do that, they must use the resources present in their environment. This paper presents a RFID-based signage system, which has been developed to guide and give important information to an autonomous robot. The system has been implemented in a real indoor environment and it has been successfully proved in the autonomous and social robot Maggie. At the end of the paper some experimental results, carried out inside our university building, are presented.Comunidad de Madri

A Service Robot for Navigation Assistance and Physical Rehabilitation of Seniors

The population of the advanced countries is ageing, with the direct consequence that an increasing number of people will have to live with sensitive, cognitive and physical disabilities. People with impaired physical ability are not confident to move alone, especially in crowded environment and for long journeys, highly reducing the quality of their life. We propose a new generation of robotic walking assistants whose mechanical and electronic components are conceived to optimize the collaboration between the robot and its users. We will apply these general ideas to investigate the interaction between older adults and a robotic walker, named FriWalk, exploiting it either as a navigational or as a rehabilitation aid. For the use of the FriWalk as a navigation assistance, the system guides the user securing high levels of safety, a perfect compliance with the social rules and non-intrusive interaction between human and machine. To this purpose, we developed several guidance systems ranging from completely passive strategies to active solutions exploiting either the rear or the front motors mounted on the robot. The common strategy at the basis of all the algorithms is that the responsibility of the locomotion belongs always to the user, both to increase the mobility of elder users and to enhance their perception of control over the robot. This way the robot intervenes only whenever it is strictly necessary not to mitigate the user safety. Moreover, the robotic walker has been endowed with a tablet and graphical user interface (GUI) which provides the user with the visual indications about the path to follow. Since the FriWalk was developed to suit the needs of users with different deficits, we conducted extensive human-robot interaction (HRI) experiments with elders, complemented with direct interviews of the participants. As concerns the use of the FriWalk as a rehabilitation aid, force sensing to estimate the torques applied by the user and change the user perceived inertia can be exploited by doctors to let the user feel the device heavier or lighter. Moreover, thanks to a new generation of sensors, the device can be exploited in a clinical context to track the performance of the users' rehabilitation exercises, in order to assist nurses and doctors during the hospitalization of older adults

Obstacle Avoidance in Intelligent Assisted Walking Devices for Improving Mobility Among Seniors with Cognitive and Visual Impairments

Current research in walkers and rollators with integrated intelligent computing and robotic components shows promise in treatment, management and rehabilitation of a variety of ailments and disorders such as stroke, Alzheimer disease and multiple sclerosis. In this thesis a novel intelligent walker is designed, constructed and tested for the purpose of examining whether we can increase mobility among individuals with vision and cognitive impairments hindering their ability to move collision free about their environments, by detecting obstacles and using brakes to guide the user around them. This walker consists of a support frame, front castor wheels and rear particle brakes. Obstacle detection and localization are sensed by an onboard 3D depth camera and RGB camera (The Microsoft Kinect) and encoders in the rear wheels. This data is processed by an onboard laptop, producing a 2-dimensional map of the environment. This map is inputted into the control algorithms to make braking decisions for obstacle avoidance. Two control algorithms are presented. The first is an open loop proportional gain control which determines necessary braking torque directly from the distance to the nearest obstacle. The second is a closed loop control which uses the systems dynamics and velocity data from the wheel encoders to estimate the forces being applied by the user and calculates the braking torque necessary to avoid obstacles. The walker moment of inertia and the viscous damping parameters of the system are estimated experimentally. The effect of varying three parameters in the closed loop algorithm and one parameter in the open loop algorithm are examined in a corner turning test. Observations support predictions made by the derived system dynamics. Lastly, the efficiency of the system at real world obstacle avoidance is tested in a controlled indoor obstacle course using goggles to impair the vision of otherwise able bodied test subjects. The open loop control algorithm was found to reduce the occurrence of collisions by 44% as compared to trials with no braking. The closed loop control algorithm was found to greatly reduce collisions with the front of the walker, however shows a tendency for over steering the user, producing a higher number of collisions with the walker's side. Possible causes and solutions to this problem are discussed. This thesis demonstrates promise in the approach of using braking to help walker users avoid collisions with their environments. Discussion is offered about necessary next steps towards testing with regular users of assisted walking devices, and eventually real world use