How a Diverse Research Ecosystem Has Generated New Rehabilitation Technologies: Review of NIDILRR’s Rehabilitation Engineering Research Centers

Over 50 million United States citizens (1 in 6 people in the US) have a developmental, acquired, or degenerative disability. The average US citizen can expect to live 20% of his or her life with a disability. Rehabilitation technologies play a major role in improving the quality of life for people with a disability, yet widespread and highly challenging needs remain. Within the US, a major effort aimed at the creation and evaluation of rehabilitation technology has been the Rehabilitation Engineering Research Centers (RERCs) sponsored by the National Institute on Disability, Independent Living, and Rehabilitation Research. As envisioned at their conception by a panel of the National Academy of Science in 1970, these centers were intended to take a “total approach to rehabilitation”, combining medicine, engineering, and related science, to improve the quality of life of individuals with a disability. Here, we review the scope, achievements, and ongoing projects of an unbiased sample of 19 currently active or recently terminated RERCs. Specifically, for each center, we briefly explain the needs it targets, summarize key historical advances, identify emerging innovations, and consider future directions. Our assessment from this review is that the RERC program indeed involves a multidisciplinary approach, with 36 professional fields involved, although 70% of research and development staff are in engineering fields, 23% in clinical fields, and only 7% in basic science fields; significantly, 11% of the professional staff have a disability related to their research. We observe that the RERC program has substantially diversified the scope of its work since the 1970’s, addressing more types of disabilities using more technologies, and, in particular, often now focusing on information technologies. RERC work also now often views users as integrated into an interdependent society through technologies that both people with and without disabilities co-use (such as the internet, wireless communication, and architecture). In addition, RERC research has evolved to view users as able at improving outcomes through learning, exercise, and plasticity (rather than being static), which can be optimally timed. We provide examples of rehabilitation technology innovation produced by the RERCs that illustrate this increasingly diversifying scope and evolving perspective. We conclude by discussing growth opportunities and possible future directions of the RERC program

Accessibility of Health Data Representations for Older Adults: Challenges and Opportunities for Design

Health data of consumer off-the-shelf wearable devices is often conveyed to users through visual data representations and analyses. However, this is not always accessible to people with disabilities or older people due to low vision, cognitive impairments or literacy issues. Due to trade-offs between aesthetics predominance or information overload, real-time user feedback may not be conveyed easily from sensor devices through visual cues like graphs and texts. These difficulties may hinder critical data understanding. Additional auditory and tactile feedback can also provide immediate and accessible cues from these wearable devices, but it is necessary to understand existing data representation limitations initially. To avoid higher cognitive and visual overload, auditory and haptic cues can be designed to complement, replace or reinforce visual cues. In this paper, we outline the challenges in existing data representation and the necessary evidence to enhance the accessibility of health information from personal sensing devices used to monitor health parameters such as blood pressure, sleep, activity, heart rate and more. By creating innovative and inclusive user feedback, users will likely want to engage and interact with new devices and their own data

State of the art review on walking support system for visually impaired people

The technology for terrain detection and walking support system for blind people has rapidly been improved the last couple of decades but to assist visually impaired people may have started long ago. Currently, a variety of portable or wearable navigation system is available in the market to help the blind for navigating their way in his local or remote area. The focused category in this work can be subgroups as electronic travel aids (ETAs), electronic orientation aids (EOAs) and position locator devices (PLDs). However, we will focus mainly on electronic travel aids (ETAs). This paper presents a comparative survey among the various portable or wearable walking support systems as well as informative description (a subcategory of ETAs or early stages of ETAs) with its working principal advantages and disadvantages so that the researchers can easily get the current stage of assisting blind technology along with the requirement for optimising the design of walking support system for its users

An Orientation & Mobility Aid for People with Visual Impairments

Orientierung&Mobilität (O&M) umfasst eine Reihe von Techniken für Menschen mit Sehschädigungen, die ihnen helfen, sich im Alltag zurechtzufinden. Dennoch benötigen sie einen umfangreichen und sehr aufwendigen Einzelunterricht mit O&M Lehrern, um diese Techniken in ihre täglichen Abläufe zu integrieren. Während einige dieser Techniken assistive Technologien benutzen, wie zum Beispiel den Blinden-Langstock, Points of Interest Datenbanken oder ein Kompass gestütztes Orientierungssystem, existiert eine unscheinbare Kommunikationslücke zwischen verfügbaren Hilfsmitteln und Navigationssystemen. In den letzten Jahren sind mobile Rechensysteme, insbesondere Smartphones, allgegenwärtig geworden. Dies eröffnet modernen Techniken des maschinellen Sehens die Möglichkeit, den menschlichen Sehsinn bei Problemen im Alltag zu unterstützen, die durch ein nicht barrierefreies Design entstanden sind. Dennoch muss mit besonderer Sorgfalt vorgegangen werden, um dabei nicht mit den speziellen persönlichen Kompetenzen und antrainierten Verhaltensweisen zu kollidieren, oder schlimmstenfalls O&M Techniken sogar zu widersprechen. In dieser Dissertation identifizieren wir eine räumliche und systembedingte Lücke zwischen Orientierungshilfen und Navigationssystemen für Menschen mit Sehschädigung. Die räumliche Lücke existiert hauptsächlich, da assistive Orientierungshilfen, wie zum Beispiel der Blinden-Langstock, nur dabei helfen können, die Umgebung in einem limitierten Bereich wahrzunehmen, während Navigationsinformationen nur sehr weitläufig gehalten sind. Zusätzlich entsteht diese Lücke auch systembedingt zwischen diesen beiden Komponenten — der Blinden-Langstock kennt die Route nicht, während ein Navigationssystem nahegelegene Hindernisse oder O&M Techniken nicht weiter betrachtet. Daher schlagen wir verschiedene Ansätze zum Schließen dieser Lücke vor, um die Verbindung und Kommunikation zwischen Orientierungshilfen und Navigationsinformationen zu verbessern und betrachten das Problem dabei aus beiden Richtungen. Um nützliche relevante Informationen bereitzustellen, identifizieren wir zuerst die bedeutendsten Anforderungen an assistive Systeme und erstellen einige Schlüsselkonzepte, die wir bei unseren Algorithmen und Prototypen beachten. Existierende assistive Systeme zur Orientierung basieren hauptsächlich auf globalen Navigationssatellitensystemen. Wir versuchen, diese zu verbessern, indem wir einen auf Leitlinien basierenden Routing Algorithmus erstellen, der auf individuelle Bedürfnisse anpassbar ist und diese berücksichtigt. Generierte Routen sind zwar unmerklich länger, aber auch viel sicherer, gemäß den in Zusammenarbeit mit O&M Lehrern erstellten objektiven Kriterien. Außerdem verbessern wir die Verfügbarkeit von relevanten georeferenzierten Datenbanken, die für ein derartiges bedarfsgerechtes Routing benötigt werden. Zu diesem Zweck erstellen wir einen maschinellen Lernansatz, mit dem wir Zebrastreifen in Luftbildern erkennen, was auch über Ländergrenzen hinweg funktioniert, und verbessern dabei den Stand der Technik. Um den Nutzen von Mobilitätsassistenz durch maschinelles Sehen zu optimieren, erstellen wir O&M Techniken nachempfundene Ansätze, um die räumliche Wahrnehmung der unmittelbaren Umgebung zu erhöhen. Zuerst betrachten wir dazu die verfügbare Freifläche und informieren auch über mögliche Hindernisse. Weiterhin erstellen wir einen neuartigen Ansatz, um die verfügbaren Leitlinien zu erkennen und genau zu lokalisieren, und erzeugen virtuelle Leitlinien, welche Unterbrechungen überbrücken und bereits frühzeitig Informationen über die nächste Leitlinie bereitstellen. Abschließend verbessern wir die Zugänglichkeit von Fußgängerübergängen, insbesondere Zebrastreifen und Fußgängerampeln, mit einem Deep Learning Ansatz. Um zu analysieren, ob unsere erstellten Ansätze und Algorithmen einen tatsächlichen Mehrwert für Menschen mit Sehschädigung erzeugen, vollziehen wir ein kleines Wizard-of-Oz-Experiment zu unserem bedarfsgerechten Routing — mit einem sehr ermutigendem Ergebnis. Weiterhin führen wir eine umfangreichere Studie mit verschiedenen Komponenten und dem Fokus auf Fußgängerübergänge durch. Obwohl unsere statistischen Auswertungen nur eine geringfügige Verbesserung aufzeigen, beeinflußt durch technische Probleme mit dem ersten Prototypen und einer zu geringen Eingewöhnungszeit der Probanden an das System, bekommen wir viel versprechende Kommentare von fast allen Studienteilnehmern. Dies zeigt, daß wir bereits einen wichtigen ersten Schritt zum Schließen der identifizierten Lücke geleistet haben und Orientierung&Mobilität für Menschen mit Sehschädigung damit verbessern konnten

Touch- and Walkable Virtual Reality to Support Blind and Visually Impaired Peoples‘ Building Exploration in the Context of Orientation and Mobility

Der Zugang zu digitalen Inhalten und Informationen wird immer wichtiger für eine erfolgreiche Teilnahme an der heutigen, zunehmend digitalisierten Zivilgesellschaft. Solche Informationen werden meist visuell präsentiert, was den Zugang für blinde und sehbehinderte Menschen einschränkt. Die grundlegendste Barriere ist oft die elementare Orientierung und Mobilität (und folglich die soziale Mobilität), einschließlich der Erlangung von Kenntnissen über unbekannte Gebäude vor deren Besuch. Um solche Barrieren zu überbrücken, sollten technische Hilfsmittel entwickelt und eingesetzt werden. Es ist ein Kompromiss zwischen technologisch niedrigschwellig zugänglichen und verbreitbaren Hilfsmitteln und interaktiv-adaptiven, aber komplexen Systemen erforderlich. Die Anpassung der Technologie der virtuellen Realität (VR) umfasst ein breites Spektrum an Entwicklungs- und Entscheidungsoptionen. Die Hauptvorteile der VR-Technologie sind die erhöhte Interaktivität, die Aktualisierbarkeit und die Möglichkeit, virtuelle Räume und Modelle als Abbilder von realen Räumen zu erkunden, ohne dass reale Gefahren und die begrenzte Verfügbarkeit von sehenden Helfern auftreten. Virtuelle Objekte und Umgebungen haben jedoch keine physische Beschaffenheit. Ziel dieser Arbeit ist es daher zu erforschen, welche VR-Interaktionsformen sinnvoll sind (d.h. ein angemessenes Verbreitungspotenzial bieten), um virtuelle Repräsentationen realer Gebäude im Kontext von Orientierung und Mobilität berührbar oder begehbar zu machen. Obwohl es bereits inhaltlich und technisch disjunkte Entwicklungen und Evaluationen zur VR-Technologie gibt, fehlt es an empirischer Evidenz. Zusätzlich bietet diese Arbeit einen Überblick über die verschiedenen Interaktionen. Nach einer Betrachtung der menschlichen Physiologie, Hilfsmittel (z.B. taktile Karten) und technologischen Eigenschaften wird der aktuelle Stand der Technik von VR vorgestellt und die Anwendung für blinde und sehbehinderte Nutzer und der Weg dorthin durch die Einführung einer neuartigen Taxonomie diskutiert. Neben der Interaktion selbst werden Merkmale des Nutzers und des Geräts, der Anwendungskontext oder die nutzerzentrierte Entwicklung bzw. Evaluation als Klassifikatoren herangezogen. Begründet und motiviert werden die folgenden Kapitel durch explorative Ansätze, d.h. im Bereich 'small scale' (mit sogenannten Datenhandschuhen) und im Bereich 'large scale' (mit einer avatargesteuerten VR-Fortbewegung). Die folgenden Kapitel führen empirische Studien mit blinden und sehbehinderten Nutzern durch und geben einen formativen Einblick, wie virtuelle Objekte in Reichweite der Hände mit haptischem Feedback erfasst werden können und wie verschiedene Arten der VR-Fortbewegung zur Erkundung virtueller Umgebungen eingesetzt werden können. Daraus werden geräteunabhängige technologische Möglichkeiten und auch Herausforderungen für weitere Verbesserungen abgeleitet. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse kann sich die weitere Forschung auf Aspekte wie die spezifische Gestaltung interaktiver Elemente, zeitlich und räumlich kollaborative Anwendungsszenarien und die Evaluation eines gesamten Anwendungsworkflows (d.h. Scannen der realen Umgebung und virtuelle Erkundung zu Trainingszwecken sowie die Gestaltung der gesamten Anwendung in einer langfristig barrierefreien Weise) konzentrieren.Access to digital content and information is becoming increasingly important for successful participation in today's increasingly digitized civil society. Such information is mostly presented visually, which restricts access for blind and visually impaired people. The most fundamental barrier is often basic orientation and mobility (and consequently, social mobility), including gaining knowledge about unknown buildings before visiting them. To bridge such barriers, technological aids should be developed and deployed. A trade-off is needed between technologically low-threshold accessible and disseminable aids and interactive-adaptive but complex systems. The adaptation of virtual reality (VR) technology spans a wide range of development and decision options. The main benefits of VR technology are increased interactivity, updatability, and the possibility to explore virtual spaces as proxies of real ones without real-world hazards and the limited availability of sighted assistants. However, virtual objects and environments have no physicality. Therefore, this thesis aims to research which VR interaction forms are reasonable (i.e., offering a reasonable dissemination potential) to make virtual representations of real buildings touchable or walkable in the context of orientation and mobility. Although there are already content and technology disjunctive developments and evaluations on VR technology, there is a lack of empirical evidence. Additionally, this thesis provides a survey between different interactions. Having considered the human physiology, assistive media (e.g., tactile maps), and technological characteristics, the current state of the art of VR is introduced, and the application for blind and visually impaired users and the way to get there is discussed by introducing a novel taxonomy. In addition to the interaction itself, characteristics of the user and the device, the application context, or the user-centered development respectively evaluation are used as classifiers. Thus, the following chapters are justified and motivated by explorative approaches, i.e., in the group of 'small scale' (using so-called data gloves) and in the scale of 'large scale' (using an avatar-controlled VR locomotion) approaches. The following chapters conduct empirical studies with blind and visually impaired users and give formative insight into how virtual objects within hands' reach can be grasped using haptic feedback and how different kinds of VR locomotion implementation can be applied to explore virtual environments. Thus, device-independent technological possibilities and also challenges for further improvements are derived. On the basis of this knowledge, subsequent research can be focused on aspects such as the specific design of interactive elements, temporally and spatially collaborative application scenarios, and the evaluation of an entire application workflow (i.e., scanning the real environment and exploring it virtually for training purposes, as well as designing the entire application in a long-term accessible manner)

Future bathroom: A study of user-centred design principles affecting usability, safety and satisfaction in bathrooms for people living with disabilities

Research and development work relating to assistive technology 2010-11 (Department of Health) Presented to Parliament pursuant to Section 22 of the Chronically Sick and Disabled Persons Act 197

A Formal Approach to Computer Aided 2D Graphical Design for Blind People

The growth of computer aided drawing systems for blind people (CADB) has long been recognised and has increased in interest within the assistive technology research area. The representation of pictorial data by blind and visually impaired (BVI) people has recently gathered momentum with research and development; however, a survey of published literature on CADB reveals that only marginal research has been focused on the use of a formal approach for on screen spatial orientation, creation and reuse of graphics artefacts. To realise the full potential of CADB, such systems should possess attributes of usability, spatial navigation and shape creation features without which blind users drawing activities are less likely to be achieved. As a result of this, usable, effective and self-reliant CADB have arisen from new assistive Technology (AT) research. This thesis contributes a novel, abstract, formal approach that facilitates BVI users to navigate on the screen, create computer graphics/diagrams using 2D shapes and user-defined images. Moreover, the research addresses the specific issues involved with user language by formulating specific rules that make BVI user interaction with the drawing effective and easier. The formal approach proposed here is descriptive and it is specified at a level of abstraction above the concrete level of system technologies. The proposed approach is unique in problem modelling and syntheses of an abstract computer-based graphics/drawings using a formal set of user interaction commands. This technology has been applied to enable blind users to independently construct drawings to satisfy their specific needs without recourse to a specific technology and without the intervention of support workers. The specification aims to be the foundation for a system scope, investigation guidelines and user-initiated command-driven interaction. Such an approach will allow system designers and developers to proceed with greater conceptual clarity than it is possible with current technologies that is built on concrete system-driven prototypes. In addition to the scope of the research the proposed model has been verified by various types of blind users who have independently constructed drawings to satisfy their specific needs without the intervention of support workers. The effectiveness and usability of the proposed approach has been compared against conventional non-command driven drawing systems by different types of blind users. The results confirm that the abstract formal approach proposed here using command-driven means in the context of CADB enables greater comprehension by BVI users. The innovation can be used for both educational and training purposes. The research, thereby sustaining the claim that the abstract formal approach taken allows for the greater comprehension of the command-driven means in the context of CADB, and how the specification aid the design of such a system

Instructional eLearning technologies for the vision impaired

The principal sensory modality employed in learning is vision, and that not only increases the difficulty for vision impaired students from accessing existing educational media but also the new and mostly visiocentric learning materials being offered through on-line delivery mechanisms. Using as a reference Certified Cisco Network Associate (CCNA) and IT Essentials courses, a study has been made of tools that can access such on-line systems and transcribe the materials into a form suitable for vision impaired learning. Modalities employed included haptic, tactile, audio and descriptive text. How such a multi-modal approach can achieve equivalent success for the vision impaired is demonstrated. However, the study also shows the limits of the current understanding of human perception, especially with respect to comprehending two and three dimensional objects and spaces when there is no recourse to vision