Intuitive adaptive orientation control of assistive robots for people living with upper limb disabilities

Robotic assistive devices enhance the autonomy of individuals living with physical disabilities in their day-to-day life. Although the first priority for such devices is safety, they must also be intuitive and efficient from an engineering point of view in order to be adopted by a broad range of users. This is especially true for assistive robotic arms, as they are used for the complex control tasks of daily living. One challenge in the control of such assistive robots is the management of the end-effector orientation which is not always intuitive for the human operator, especially for neophytes. This paper presents a novel orientation control algorithm designed for robotic arms in the context of human-robot interaction. This work aims at making the control of the robot's orientation easier and more intuitive for the user, in particular, individuals living with upper limb disabilities. The performance and intuitiveness of the proposed orientation control algorithm is assessed through two experiments with 25 able-bodied subjects and shown to significantly improve on both aspects

Assistive robotic device: evaluation of intelligent algorithms

Assistive robotic devices can be used to help people with upper body disabilities gaining more autonomy in their daily life. Although basic motions such as positioning and orienting an assistive robot gripper in space allow performance of many tasks, it might be time consuming and tedious to perform more complex tasks. To overcome these difficulties, improvements can be implemented at different levels, such as mechanical design, control interfaces and intelligent control algorithms. In order to guide the design of solutions, it is important to assess the impact and potential of different innovations. This paper thus presents the evaluation of three intelligent algorithms aiming to improve the performance of the JACO robotic arm (Kinova Robotics). The evaluated algorithms are 'preset position', 'fluidity filter' and 'drinking mode'. The algorithm evaluation was performed with 14 motorized wheelchair's users and showed a statistically significant improvement of the robot's performance.Comment: 4 page

A Questionnaire for the Evaluation of Physical Assistive Devices (QUEAD) : testing usability and acceptance in physical human-robot interaction

Many novel physical assistance devices are beginning to incorporate intelligent robotic systems and mechatronic components. In terms of a human-centered design it is crucial to assess the perceived subjective usability and acceptance of these systems. A questionnaire was thus designed to evaluate novel physically assisting devices in order to support developers in their design decisions as well as users during individualizing of their assistive devices. Two studies (m = 9, n2 = 21), using two different devices, were conducted to analyze objectivity, reliability, and validity. The results show an overall high internal consistency (Cronbach's α > 0.8), which indicates reliability and applicability of the QUEAD. Criterion validity was tested applying correlations with established objective measures for efficiency (time to task completion), effectivity (errors and collisions), and commitment (mean force). Construct validity was applied using a proposed model and correlations to verify convergence. The results show that the QUEAD is able to assess perceived usability and acceptance

Développement de technologies d'assistance à l'alimentation pour les personnes vivant avec des difficultés de mouvement aux membres supérieurs

Les déficiences sensorimotrices ou troubles du mouvement sont ce qui sous-tend ou cause les incapacités aux membres supérieurs. Par exemple, la spasticité musculaire, faiblesse musculaire, pauvre contrôle moteur sélectif, spasmes musculaires ou mouvements involontaires ou tremblements sont tous des exemples de désordres sensorimoteurs/troubles du mouvement. Lorsque des personnes vivent avec de tels désordres sensorimoteurs, cela peut entrainer des incapacités aux membres supérieurs et de la difficulté à réaliser diverses tâches quotidiennes. Dans plusieurs cas, les personnes atteintes n'ont pas accès aux services d'un aide-soignant. La famille doit donc s'occuper de la personne dans le besoin ou encore la personne atteinte doit se débrouiller avec les assistances techniques disponibles sur le marché. La situation risque de se détériorer dans un futur proche considérant le vieillissement de la population où il faudra prendre soin de plus en plus de personnes en perte d'autonomie avec moins de main d'œuvre active. À la suite d'une revue de littérature, et de consultations avec des ergothérapeutes, il a été établi que les assistances techniques commercialisées ne sont pas suffisamment adéquates pour plusieurs usagers. Ce mémoire porte sur le développement d'assistances techniques mécaniques afin de venir en aide aux personnes ayant des difficultés de mouvement aux membres supérieurs. L'hypothèse est que l'utilisation des assistances développées aidera les personnes vivant avec des troubles de mouvement à s'alimenter de manière plus autonome. Et ce, tout en réduisant la charge de travail du personnel médical. Deux types d'aide à l'alimentation ont été développés : un système d'aide à l'alimentation passif pour la spasticité et un ustensile anti-tremblements. Le premier est un système utilisant des mécanismes à quatre barres et des amortisseurs afin de stabiliser l'ustensile et d'amortir les mouvements involontaires. Le deuxième est un ustensile de plus petite taille qui stabilise les tremblements en utilisant des contrepoids.Many people live with disabilities that may affect the control of their upper limbs and therefore affect their daily autonomy. These disabilities can include muscle spasticity, non selective motor control, muscle weakness and others. This can cause spasms or tremors which will inevitably affect the person when he/she tries to eat by him/herself. In many cases, people living with that kind of disabilities do not have access to the service of a caregiver. The affected person can use technical aids available commercially or the family can takecare of the person in need. The situation is likely to deteriorate in the coming years considering the aging population. It will be necessary to take care of more and more people losing their autonomy while dealing with less active medical labor. Following a literature review, and several discussions with occupational therapists, it was established that the technical aids available commercially are not sufficiently adequate formany users. This thesis focuses on the development of mechanical feeding assistances tohelp people living with upper limbs movement disorders. The hypothesis is that using the developed aids will help people living with movement disorders to eat more independently. The use of the developed mechanical aids will increase user involvement while reducing the workload of the medical staff. Two different types of feeding aid have been developed: a passive feeding system forspasticity and an anti-tremor utensil. The first is a complex system using four-bar mechanisms and dampers to stabilize the utensil and reduce the effects of involuntary movements. The prototype is fixed on a table and is controlled with a handle. The second solution developed is a smaller sized utensil that stabilizes tremors using counterweight

Développement d’algorithmes et d’outils logiciels pour l’assistance technique et le suivi en réadaptation

Ce mémoire présente deux projets de développement portant sur des algorithmes et des outils logiciels offrant des solutions pratiques à des problématiques courantes rencontrées en réadaptation. Le premier développement présenté est un algorithme de correspondance de séquence qui s’intègre à des interfaces de contrôle couramment utilisées en pratique. L’implémentation de cet algorithme offre une solution flexible pouvant s’adapter à n’importe quel utilisateur de technologies d’assistances. Le contrôle de tels appareils représente un défi de taille puisqu’ils ont, la plupart du temps, une dimensionnalité élevée (c-à-d. plusieurs degrés de liberté, modes ou commandes) et sont maniés à l’aide d’interfaces basées sur de capteurs de faible dimensionnalité offrant donc très peu de commandes physiques distinctes pour l’utilisateur. L’algorithme proposé se base donc sur de la reconnaissance de courts signaux temporels ayant la possibilité d’être agencés en séquences. L’éventail de combinaisons possibles augmente ainsi la dimensionnalité de l’interface. Deux applications de l’algorithme sont développées et testées. La première avec une interface de contrôle par le souffle pour un bras robotisé et la seconde pour une interface de gestes de la main pour le contrôle du clavier-souris d’un ordinateur. Le second développement présenté dans ce mémoire porte plutôt sur la collecte et l’analyse de données en réadaptation. Que ce soit en milieux cliniques, au laboratoires ou au domicile, nombreuses sont les situations où l’on souhaite récolter des données. La solution pour cette problématique se présente sous la forme d’un écosystème d’applications connectées incluant serveur et applications web, mobiles et embarquée. Ces outils logiciels sont développés sur mesure et offrent un procédé unique, peu coûteux, léger et rapide pour la collecte, la visualisation et la récupération de données. Ce manuscrit détaille une première version en décrivant l’architecture employée, les technologies utilisées et les raisons qui ont mené à ces choix tout en guidant les futures itérations.This Master’s thesis presents two development projects about algorithms and software tools providing practical solutions to commonly faced situations in rehabilitation context. The first project is the development of a sequence matching algorithm that can be integrated to the most commonly used control interfaces. The implementation of this algorithm provides a flexible solution that can be adapted to any assistive technology user. The control of such devices represents a challenge since their dimensionality is high (i.e., many degrees of freedom, modes, commands) and they are controlled with interfaces based on low-dimensionality sensors. Thus, the number of actual physical commands that the user can perform is low. The proposed algorithm is based on short time signals that can be organized into sequences. The multiple possible combinations then contribute to increasing the dimensionality of the interface. Two applications of the algorithm have been developed and tested. The first is a sip-and-puff control interface for a robotic assistive arm and the second is a hand gesture interface for the control of a computer’s mouse and keyboard. The second project presented in this document addresses the issue of collecting and analyzing data. In a rehabilitation’s clinical or laboratory environment, or at home, there are many situations that require gathering data. The proposed solution to this issue is a connected applications ecosystem that includes a web server and mobile, web and embedded applications. This custom-made software offers a unique, inexpensive, lightweight and fast workflow to visualize and retrieve data. The following document describes a first version by elaborating on the architecture, the technologies used, the reasons for those choices, and guide the next iterations

Système mécatronique d'aide à l'alimentation pour les personnes vivant avec des troubles de mouvement aux membres supérieurs

Plusieurs personnes vivent avec des incapacités qui affectent le contrôle du mouvement des membres supérieurs. Ces troubles de mouvement peuvent être présents sous forme de contractions involontaires, de mouvements spasmodiques ou de tremblements. Ceux-ci limitent ces personnes dans la réalisation de plusieurs tâches de la vie quotidienne. Des aides techniques peuvent alors servir à faciliter les déplacements, à compenser un manque de tonus musculaire ou à permettre la manipulation d'objets. Plus particulièrement, des aides techniques sont conçues pour les personnes vivant avec des troubles de mouvement aux membres supérieurs pour leur permettre de s'alimenter de manière autonome. Par contre, plusieurs facteurs limitent l'utilisation des aides techniques actuelles, tels que leur prix élevé ou leur complexité d'utilisation. L'objectif de ce mémoire est le développement d'une nouvelle aide à l'alimentation pour les personnes vivant avec des incoordinations motrices au niveau des membres supérieurs. L'hypothèse est que l'utilisation de l'aide à l'alimentation développée permettra d'améliorer la capacité des personnes avec des troubles de mouvement à s'alimenter de manière autonome. Cette assistance augmenterait l'implication de l'utilisateur lors des repas tout en réduisant la charge de travail des aidants ou préposés. Deux systèmes ont été développés : une version passive et une version active. La version passive consiste en un assemblage de barres qui maintiennent l'orientation de l'ustensile constante et amorti mécaniquement les mouvements brusques involontaires. Une version active a ensuite été développée, où des actionneurs remplacent les amortisseurs mécaniques, afn d'offrir une assistance plus intelligente.Many people are living with neurological disorders such as cerebral palsy, stroke, muscular dystrophy or dystonia, that affect the control of upper limb movement. These motor disorders can be involuntary contractions, spasmodic movement or tremors. These disorders limit in the accomplishment of several tasks of daily life. Technical aids can then be used to facilitate movement, to compensate for a lack of muscle tone or to allow the manipulation of objects. In particular, assistive devices are designed for people with upper limb movement disorders to eat autonomously. Several factors limit the use of current assistive devices, such as their high price or high complexity. The aim of this thesis is the development of a new eating aid for people with upper limbs motor disorders. The hypothesis is that the use of the eating assistance developed will improve the ability of people with movement disorders to eat autonomously. This assistance would increase user involvement while reducing the workload of the caregiver. Two assistive prototypes have been developed : a passive version and an active version. The passive version consists of a bar assembly that maintains the constant orientation of the utensil and mechanically dampens involuntary movements. An active version was then developed, where actuators replace the mechanical dampers, in order to offer a more intellignent assistance

Étude et conception de systèmes de validation de tâches d'assemblage : participation à la conception d'un robot collaboratif destiné à une chaîne de montage automobile

La robotique collaborative connaît ces dernières années une forte croissance, grâce à la pertinence de la collaboration entre les humains et les robots dans un même espace de travail. Des applications industrielles se développent, aussi bien dans les grandes multinationales que dans les PME. Dans le contexte d’une chaîne d’assemblage automobile, de nombreuses problématiques se posent pour permettre la collaboration efficace entre robot et opérateur. Un robot collaboratif conçu dans ce cadre est destiné à effectuer des tâches d’assemblages dans des zones à l’accessibilité complexe. Étant à distance, l’opérateur n’aura pas nécessairement de visuel direct sur l’accomplissement de la tâche, et pour éviter des pertes de temps, il est souhaitable que le robot soit capable de vérifier et de valider automatiquement son bon accomplissement. En découle la problématique à l’étude dans ce mémoire, qui est la vérification automatique du bon accomplissement des tâches d’assemblage effectuées par le robot. Afin d’y répondre, une pré-étude est effectuée, visant à déterminer les possibilités en termes de capteurs et d’algorithmes de détection, et permettant de répondre aux besoins et contraintes de General Motors, commanditaire de cette étude. Chaque chapitre du mémoire présente donc un système de détection, composé d’un capteur et d’un ou plusieurs algorithmes de décision. Les différences en termes de traitement du signal et d’algorithme sont présentées et comparées, en s’appuyant sur des expérimentations. Parmi les types d’assemblages sélectionnés par General Motors, ceux utilisés pour la conception et l’expérimentation des solutions sont les assemblages clipsés (« snap fit ») et les assemblages de connecteurs électriques. Le premier chapitre présente une solution fondée sur l’utilisation de photodétecteurs, secondée par un algorithme vérifiant en temps réel les valeurs renvoyées par le photodétecteur. Lorsque cette valeur descend sous une valeur seuil préétablie, l’algorithme déduit que l’assemblage a été correctement effectué. Cette méthode est simple et robuste, ayant obtenu un taux de détection correcte de la situation d’assemblage de 100% lors des phases de tests. Cependant cette robustesse est contrebalancée par le caractère relativement spécifique de la solution et son peu de flexibilité pour l’adaptation à d’autres assemblages. Le second chapitre porte sur un système employant un accéléromètre destiné à enregistrer les différents mouvements survenant lors de l’assemblage. Suit une méthode de traitement du signal obtenu, permettant de caractériser et de différencier les signaux émanant d’assemblages réussis de ceux provenant d’assemblages ratés grâce à des paramètres statistiques. Ces derniers sont finalement récupérés par deux algorithmes de reconnaissance différents, qui sont ensuite comparés. Le premier algorithme consiste à vérifier la correspondance des paramètres statistiques d’un signal avec des valeurs seuil fixées à l’avance. L’autre méthode, issue de l’apprentissage automatique, utilise les Séparateurs à Vaste Marge pour distinguer deux classes : les assemblages réussis et les assemblages ratés. Après expérimentation, il ressort que ces deux méthodes ont des performances assez similaires , de l’ordre de 90%. Ainsi ce sera le contexte et la complexité du signal à étudier qui présideront au choix d’une méthode. Enfin, le dernier chapitre se penche sur l’emploi d’un microphone et de techniques de reconnaissance sonore pour permettre la bonne identification d’un assemblage de connecteurs électriques. Deux méthodes de traitement, la transformée en ondelettes et les Mel Frequency Cepstrum Coefficients (MFCC), sont comparées. La reconnaissance est assurée par un algorithme basé sur les modèles de mélange gaussiens. A l’issue d’essais où les deux prétraitements ont été mis à l’épreuve, en tenant compte de la résistance face au bruit ambiant, il est possible de constater que la transformée en ondelettes présente des performances supérieures aux MFCC, dans le cadre précis de l’étude. La reconnaissance sonore ne nécessitant qu’un son distinct à identifier pour pouvoir fonctionner, cette solution présente un fort potentiel d’adaptation à d’autres types d’assemblages, mais aussi d’autres problématiques. Ces trois systèmes permettent de balayer un certain éventail de possibilités, et les solutions présentées sont amenées à être croisées et bonifiées afin d’aboutir à des systèmes robustes et fiables, aux standards de l’industrie