Evaluation studies of robotic rollators by the user perspective: A systematic review

Background: Robotic rollators enhance the basic functions of established devices by technically advanced physical, cognitive, or sensory support to increase autonomy in persons with severe impairment. In the evaluation of such Ambient Assisted Living solutions, both the technical and user perspectives are important to prove usability, effectiveness, and safety, and to ensure adequate device application.Objective: The aim of this systematic review is to summarize the methodology of studies evaluating robotic rollators with focus on the user perspective and to give recommendations for future evaluation studies.Methods: A systematic literature search up to December 31, 2014 was conducted based on the Cochrane Review methodology using the electronic databases PubMed and IEEE Xplore. Articles were selected according to the following inclusion criteria: Evaluation studies of robotic rollators documenting human-robot interaction, no case reports, published in English language.Results: Twenty-eight studies were identified that met the predefined inclusion criteria. Large heterogeneity in the definitions of the target user group, study populations, study designs, and assessment methods was found across the included studies. No generic methodology to evaluate robotic rollators could be identified. We found major methodological shortcomings related to insufficient sample descriptions and sample sizes, and lack of appropriate, standardized and validated assessment methods. Long-term use in habitual environment was also not evaluated.Conclusions: Apart from the heterogeneity, methodological deficits in most of the identified studies became apparent. Recommendations for future evaluation studies include: clear definition of target user group, adequate selection of subjects, inclusion of other assistive mobility devices for comparison, evaluation of the habitual use of advanced prototypes, adequate assessment strategy with established, standardized and validated methods, and statistical analysis of study results. Assessment strategies may additionally focus on specific functionalities of the robotic rollators allowing an individually tailored assessment of innovative features to document their added value

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

NeBula: TEAM CoSTAR’s robotic autonomy solution that won phase II of DARPA subterranean challenge

This paper presents and discusses algorithms, hardware, and software architecture developed by the TEAM CoSTAR (Collaborative SubTerranean Autonomous Robots), competing in the DARPA Subterranean Challenge. Specifically, it presents the techniques utilized within the Tunnel (2019) and Urban (2020) competitions, where CoSTAR achieved second and first place, respectively. We also discuss CoSTAR’s demonstrations in Martian-analog surface and subsurface (lava tubes) exploration. The paper introduces our autonomy solution, referred to as NeBula (Networked Belief-aware Perceptual Autonomy). NeBula is an uncertainty-aware framework that aims at enabling resilient and modular autonomy solutions by performing reasoning and decision making in the belief space (space of probability distributions over the robot and world states). We discuss various components of the NeBula framework, including (i) geometric and semantic environment mapping, (ii) a multi-modal positioning system, (iii) traversability analysis and local planning, (iv) global motion planning and exploration behavior, (v) risk-aware mission planning, (vi) networking and decentralized reasoning, and (vii) learning-enabled adaptation. We discuss the performance of NeBula on several robot types (e.g., wheeled, legged, flying), in various environments. We discuss the specific results and lessons learned from fielding this solution in the challenging courses of the DARPA Subterranean Challenge competition.Peer ReviewedAgha, A., Otsu, K., Morrell, B., Fan, D. D., Thakker, R., Santamaria-Navarro, A., Kim, S.-K., Bouman, A., Lei, X., Edlund, J., Ginting, M. F., Ebadi, K., Anderson, M., Pailevanian, T., Terry, E., Wolf, M., Tagliabue, A., Vaquero, T. S., Palieri, M., Tepsuporn, S., Chang, Y., Kalantari, A., Chavez, F., Lopez, B., Funabiki, N., Miles, G., Touma, T., Buscicchio, A., Tordesillas, J., Alatur, N., Nash, J., Walsh, W., Jung, S., Lee, H., Kanellakis, C., Mayo, J., Harper, S., Kaufmann, M., Dixit, A., Correa, G. J., Lee, C., Gao, J., Merewether, G., Maldonado-Contreras, J., Salhotra, G., Da Silva, M. S., Ramtoula, B., Fakoorian, S., Hatteland, A., Kim, T., Bartlett, T., Stephens, A., Kim, L., Bergh, C., Heiden, E., Lew, T., Cauligi, A., Heywood, T., Kramer, A., Leopold, H. A., Melikyan, H., Choi, H. C., Daftry, S., Toupet, O., Wee, I., Thakur, A., Feras, M., Beltrame, G., Nikolakopoulos, G., Shim, D., Carlone, L., & Burdick, JPostprint (published version

NeBula: Team CoSTAR's robotic autonomy solution that won phase II of DARPA Subterranean Challenge

This paper presents and discusses algorithms, hardware, and software architecture developed by the TEAM CoSTAR (Collaborative SubTerranean Autonomous Robots), competing in the DARPA Subterranean Challenge. Specifically, it presents the techniques utilized within the Tunnel (2019) and Urban (2020) competitions, where CoSTAR achieved second and first place, respectively. We also discuss CoSTAR¿s demonstrations in Martian-analog surface and subsurface (lava tubes) exploration. The paper introduces our autonomy solution, referred to as NeBula (Networked Belief-aware Perceptual Autonomy). NeBula is an uncertainty-aware framework that aims at enabling resilient and modular autonomy solutions by performing reasoning and decision making in the belief space (space of probability distributions over the robot and world states). We discuss various components of the NeBula framework, including (i) geometric and semantic environment mapping, (ii) a multi-modal positioning system, (iii) traversability analysis and local planning, (iv) global motion planning and exploration behavior, (v) risk-aware mission planning, (vi) networking and decentralized reasoning, and (vii) learning-enabled adaptation. We discuss the performance of NeBula on several robot types (e.g., wheeled, legged, flying), in various environments. We discuss the specific results and lessons learned from fielding this solution in the challenging courses of the DARPA Subterranean Challenge competition.The work is partially supported by the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004), and Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)

Climbing and Walking Robots

Nowadays robotics is one of the most dynamic fields of scientific researches. The shift of robotics researches from manufacturing to services applications is clear. During the last decades interest in studying climbing and walking robots has been increased. This increasing interest has been in many areas that most important ones of them are: mechanics, electronics, medical engineering, cybernetics, controls, and computers. Today’s climbing and walking robots are a combination of manipulative, perceptive, communicative, and cognitive abilities and they are capable of performing many tasks in industrial and non- industrial environments. Surveillance, planetary exploration, emergence rescue operations, reconnaissance, petrochemical applications, construction, entertainment, personal services, intervention in severe environments, transportation, medical and etc are some applications from a very diverse application fields of climbing and walking robots. By great progress in this area of robotics it is anticipated that next generation climbing and walking robots will enhance lives and will change the way the human works, thinks and makes decisions. This book presents the state of the art achievments, recent developments, applications and future challenges of climbing and walking robots. These are presented in 24 chapters by authors throughtot the world The book serves as a reference especially for the researchers who are interested in mobile robots. It also is useful for industrial engineers and graduate students in advanced study

Compliant control of Uni/ Multi- robotic arms with dynamical systems

Accomplishment of many interactive tasks hinges on the compliance of humans. Humans demonstrate an impressive capability of complying their behavior and more particularly their motions with the environment in everyday life. In humans, compliance emerges from different facets. For example, many daily activities involve reaching for grabbing tasks, where compliance appears in a form of coordination. Humans comply their handsâ motions with each other and with that of the object not only to establish a stable contact and to control the impact force but also to overcome sensorimotor imprecisions. Even though compliance has been studied from different aspects in humans, it is primarily related to impedance control in robotics. In this thesis, we leverage the properties of autonomous dynamical systems (DS) for immediate re-planning and introduce active complaint motion generators for controlling robots in three different scenarios, where compliance does not necessarily mean impedance and hence it is not directly related to control in the force/velocity domain. In the first part of the thesis, we propose an active compliant strategy for catching objects in flight, which is less sensitive to the timely control of the interception. The soft catching strategy consists in having the robot following the object for a short period of time. This leaves more time for the fingers to close on the object at the interception and offers more robustness than a âhardâ catching method in which the hand waits for the object at the chosen interception point. We show theoretically that the resulting DS will intercept the object at the intercept point, at the right time with the desired velocity direction. Stability and convergence of the approach are assessed through Lyapunov stability theory. In the second part, we propose a unified compliant control architecture for coordinately reaching for grabbing a moving object by a multi-arm robotic system. Due to the complexity of the task and of the system, each arm complies not only with the objectâs motion but also with the motion of other arms, in both task and joint spaces. At the task-space level, we propose a unified dynamical system that endows the multi-arm system with both synchronous and asynchronous behaviors and with the capability of smoothly transitioning between the two modes. At the joint space level, the compliance between the arms is achieved by introducing a centralized inverse kinematics (IK) solver under self-collision avoidance constraints; formulated as a quadratic programming problem (QP) and solved in real-time. In the last part, we propose a compliant dynamical system for stably transitioning from free motions to contacts. In this part, by modulating the robot's velocity in three regions, we show theoretically and empirically that the robot can (I) stably touch the contact surface (II) at a desired location, and (III) leave the surface or stop on the surface at a desired point

Distributed Task Allocation and Task Sequencing for Robots with Motion Constraints

This thesis considers two routing and scheduling problems. The first problem is task allocation and sequencing for multiple robots with differential motion constraints. Each task is defined as visiting a point in a subset of the robot configuration space -- this definition captures a variety of tasks including inspection and servicing, as well as one-in-a-set tasks. Our approach is to transform the problem into a multi-vehicle generalized traveling salesman problem (GTSP). We analyze the GTSP insertion methods presented in literature and we provide bounds on the performance of the three insertion mechanisms. We then develop a combinatorial-auction-based distributed implementation of the allocation and sequencing algorithm. The number of the bids in a combinatorial auction, a crucial factor in the runtime, is shown to be linear in the size of the tasks. Finally, we present extensive benchmarking results to demonstrate the improvement over existing distributed task allocation methods. In the second part of this thesis, we address the problem of computing optimal paths through three consecutive points for the curvature-constrained forward moving Dubins vehicle. Given initial and final configurations of the Dubins vehicle and a midpoint with an unconstrained heading, the objective is to compute the midpoint heading that minimizes the total Dubins path length. We provide a novel geometrical analysis of the optimal path and establish new properties of the optimal Dubins' path through three points. We then show how our method can be used to quickly refine Dubins TSP tours produced using state-of-the-art techniques. We also provide extensive simulation results showing the improvement of the proposed approach in both runtime and solution quality over the conventional method of uniform discretization of the heading at the mid-point, followed by solving the minimum Dubins path for each discrete heading

Advances in Robotics, Automation and Control

The book presents an excellent overview of the recent developments in the different areas of Robotics, Automation and Control. Through its 24 chapters, this book presents topics related to control and robot design; it also introduces new mathematical tools and techniques devoted to improve the system modeling and control. An important point is the use of rational agents and heuristic techniques to cope with the computational complexity required for controlling complex systems. Through this book, we also find navigation and vision algorithms, automatic handwritten comprehension and speech recognition systems that will be included in the next generation of productive systems developed by man

Human-Robot Collaborations in Industrial Automation

Technology is changing the manufacturing world. For example, sensors are being used to track inventories from the manufacturing floor up to a retail shelf or a customer’s door. These types of interconnected systems have been called the fourth industrial revolution, also known as Industry 4.0, and are projected to lower manufacturing costs. As industry moves toward these integrated technologies and lower costs, engineers will need to connect these systems via the Internet of Things (IoT). These engineers will also need to design how these connected systems interact with humans. The focus of this Special Issue is the smart sensors used in these human–robot collaborations