Empowering and assisting natural human mobility: The simbiosis walker

This paper presents the complete development of the Simbiosis Smart Walker. The device is equipped with a set of sensor subsystems to acquire user-machine interaction forces and the temporal evolution of user's feet during gait. The authors present an adaptive filtering technique used for the identification and separation of different components found on the human-machine interaction forces. This technique allowed isolating the components related with the navigational commands and developing a Fuzzy logic controller to guide the device. The Smart Walker was clinically validated at the Spinal Cord Injury Hospital of Toledo - Spain, presenting great acceptability by spinal chord injury patients and clinical staf

Can robotic-based top-down rehabilitation therapies improve motor control in children with cerebral palsy? A perspective on the CPWalker project

[EN] Cerebral Palsy (CP) is one of the most severe disabilities in childhood, and it demands important costs in health, education, and social services. CP is caused by damage to or abnormalities inside the developing brain that disrupt the brain's ability to control movement and maintain posture. Furthermore, CP is often associated with sensory deficits, cognition impairments, communication and motor disabilities, behavior issues, seizure disorder, pain, and secondary musculoskeletal problems. According to the literature, motor modules are peripheral measurements related to automatic motor control. There is a lack of evidence of change in motor modules in children with CP when different treatment approaches have been evaluated. Thus, new strategies are needed to improve motor control in this population. Robotic-based therapies are emerging as an effective intervention for gait rehabilitation in motor disorders such as stroke, spinal cord injury, and CP. There is vast clinical evidence that neural plasticity is the central core of motor recovery and development, and on-going studies suggest that robot-mediated intensive therapy could be beneficial for improved functional recovery. However, current robotic strategies are focused on the peripheral neural system (PNS) facilitating the performance of repetitive movements (a bottom-up approach). Since CP affects primarily brain structures, both the PNS and the central nervous system (CNS) should to be integrated in a physical and cognitive rehabilitation therapy (a top-down approach). This paper discusses perspectives of the top-down approach based on a novel robot-assisted rehabilitative system. Accordingly, the CPWalker robotic platform was developed to support novel therapies for CP rehabilitation. This robotic platform (Smart Walker + exoskeleton) is controlled by a multimodal interface enabling the interaction of CP infants with robot-based therapies. The aim of these therapies is to improve the physical skills of infants with CP using a top-down approach, in which motor related brain activity is used to drive robotic physical rehabilitation therapies. Our hypothesis is that the CPWalker concept will promote motor learning and this improvement will lead to significant improvements in automatic motor control.Lerma Lara, S.; Martínez Caballero, I.; Bayón, C.; Del Castillo, M.; Serrano, I.; Raya, R.; Belda Lois, JM.... (2016). Can robotic-based top-down rehabilitation therapies improve motor control in children with cerebral palsy? A perspective on the CPWalker project. Biomedical Research and Clinical Practice. 22-26. doi:10.15761/BRCP.1000106S222

Smart Rollators Aid Devices: Current Trends and Challenges.

Mobility loss has a major impact on autonomy. Smart rollators have been proposed to enhance human abilities when conventional devices are not enough. Many human-robot interaction systems have been proposed in the last decade in this area. Comparative analysis shows that mechanical issues aside, they mainly differ in first, equipped sensors and actuators; second, input interface; third, operation modes, and fourth adaptation capabilities. This article presents a review and a tentative taxonomy of approaches during the last 6 years. In total, 92 papers have been reviewed. We have discarded works not focused on humanrobot interaction or focused only on mechanical adaptation. A critical analysis is provided after the review and classification, highlighting systems tested with their target population.This work was supported by the the Spanish project RTI2018-096701-B-C21 and the Swedish Knowledge Foun dation (KKS) through the research profile Embedded Sensor Systems for Health Plus (ESS−H+) at Malardalen University, ¨ Sweden

Human-Robot Interaction Strategies for Walker-Assisted Locomotion

Neurological and age-related diseases affect human mobility at different levels causing partial or total loss of such faculty. There is a significant need to improve safe and efficient ambulation of patients with gait impairments. In this context, walkers present important benefits for human mobility, improving balance and reducing the load on their lower limbs. Most importantly, walkers induce the use of patients residual mobility capacities in different environments. In the field of robotic technologies for gait assistance, a new category of walkers has emerged, integrating robotic technology, electronics and mechanics. Such devices are known as robotic walkers, intelligent walkers or smart walkers One of the specific and important common aspects to the field of assistive technologies and rehabilitation robotics is the intrinsic interaction between the human and the robot. In this thesis, the concept of Human-Robot Interaction (HRI) for human locomotion assistance is explored. This interaction is composed of two interdependent components. On the one hand, the key role of a robot in a Physical HRI (pHRI) is the generation of supplementary forces to empower the human locomotion. This involves a net flux of power between both actors. On the other hand, one of the crucial roles of a Cognitive HRI (cHRI) is to make the human aware of the possibilities of the robot while allowing him to maintain control of the robot at all times. This doctoral thesis presents a new multimodal human-robot interface for testing and validating control strategies applied to a robotic walkers for assisting human mobility and gait rehabilitation. This interface extracts navigation intentions from a novel sensor fusion method that combines: (i) a Laser Range Finder (LRF) sensor to estimate the users legs kinematics, (ii) wearable Inertial Measurement Unit (IMU) sensors to capture the human and robot orientations and (iii) force sensors measure the physical interaction between the humans upper limbs and the robotic walker. Two close control loops were developed to naturally adapt the walker position and to perform body weight support strategies. First, a force interaction controller generates velocity outputs to the walker based on the upper-limbs physical interaction. Second, a inverse kinematic controller keeps the walker within a desired position to the human improving such interaction. The proposed control strategies are suitable for natural human-robot interaction as shown during the experimental validation. Moreover, methods for sensor fusion to estimate the control inputs were presented and validated. In the experimental studies, the parameters estimation was precise and unbiased. It also showed repeatability when speed changes and continuous turns were performed

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

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

A systematic review of study results reported for the evaluation of robotic rollators from the perspective of users

© 2017 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group. Purpose: To evaluate the effectiveness and perception of robotic rollators (RRs) from the perspective of users. Methods: Studies identified in a previous systematic review published on 2016 on the methodology of studies evaluating RRs by the user perspective were re-screened for eligibility based on the following inclusion criteria: evaluation of the human–robot interaction from the user perspective, use of standardized outcome measurements, and quantitative presentation of study results. Results: Seventeen studies were eligible for inclusion. Due to the clinical and methodological heterogeneity across studies, a narrative synthesis of study results was conducted. We found conflicting results concerning the effectiveness of the robotic functionalities of the RRs. Only a few studies reported superior user performance or reduced physical demands with the RRs compared to unassisted conditions or conventional assistive mobility devices; however, without providing statistical evidence. The user perception of the RRs was found to be generally positive. Conclusions: There is still no sufficient evidence on the effectiveness of RRs from the user perspective. More well-designed, high-quality studies with adequate study populations, larger sample sizes, appropriate assessment strategies with outcomes specifically tailored to the robotic functionalities, and statistical analyses of results are required to evaluate RRs at a higher level of evidence.Implications for Rehabilitation RRs cover intelligent functionalities that focus on gait assistance, obstacle avoidance, navigation assistance, sit-to-stand transfer, body weight support or fall prevention. The evaluation from the user perspective is essential to ensure that RRs effectively address users’ needs, requirements and preferences. The evidence on the effectiveness of RRs is severely hampered by the low methodological quality of most of the available studies. RRs seem generally to be perceived as positive by the users. There is very limited evidence on the effectiveness and benefits of RRs compared to conventional assistive mobility devices. Further research with high methodological quality needs to be conducted to reach more robust conclusions about the effectiveness of RRs

Augmented visual, auditory, haptic, and multimodal feedback in motor learning: A review

It is generally accepted that augmented feedback, provided by a human expert or a technical display, effectively enhances motor learning. However, discussion of the way to most effectively provide augmented feedback has been controversial. Related studies have focused primarily on simple or artificial tasks enhanced by visual feedback. Recently, technical advances have made it possible also to investigate more complex, realistic motor tasks and to implement not only visual, but also auditory, haptic, or multimodal augmented feedback. The aim of this review is to address the potential of augmented unimodal and multimodal feedback in the framework of motor learning theories. The review addresses the reasons for the different impacts of feedback strategies within or between the visual, auditory, and haptic modalities and the challenges that need to be overcome to provide appropriate feedback in these modalities, either in isolation or in combination. Accordingly, the design criteria for successful visual, auditory, haptic, and multimodal feedback are elaborate