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

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 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

Impact of Ear Occlusion on In-Ear Sounds Generated by Intra-oral Behaviors

We conducted a case study with one volunteer and a recording setup to detect sounds induced by the actions: jaw clenching, tooth grinding, reading, eating, and drinking. The setup consisted of two in-ear microphones, where the left ear was semi-occluded with a commercially available earpiece and the right ear was occluded with a mouldable silicon ear piece. Investigations in the time and frequency domains demonstrated that for behaviors such as eating, tooth grinding, and reading, sounds could be recorded with both sensors. For jaw clenching, however, occluding the ear with a mouldable piece was necessary to enable its detection. This can be attributed to the fact that the mouldable ear piece sealed the ear canal and isolated it from the environment, resulting in a detectable change in pressure. In conclusion, our work suggests that detecting behaviors such as eating, grinding, reading with a semi-occluded ear is possible, whereas, behaviors such as clenching require the complete occlusion of the ear if the activity should be easily detectable. Nevertheless, the latter approach may limit real-world applicability because it hinders the hearing capabilities.</p

Rehabilitation Engineering

Population ageing has major consequences and implications in all areas of our daily life as well as other important aspects, such as economic growth, savings, investment and consumption, labour markets, pensions, property and care from one generation to another. Additionally, health and related care, family composition and life-style, housing and migration are also affected. Given the rapid increase in the aging of the population and the further increase that is expected in the coming years, an important problem that has to be faced is the corresponding increase in chronic illness, disabilities, and loss of functional independence endemic to the elderly (WHO 2008). For this reason, novel methods of rehabilitation and care management are urgently needed. This book covers many rehabilitation support systems and robots developed for upper limbs, lower limbs as well as visually impaired condition. Other than upper limbs, the lower limb research works are also discussed like motorized foot rest for electric powered wheelchair and standing assistance device

Advanced Knowledge Application in Practice

The integration and interdependency of the world economy leads towards the creation of a global market that offers more opportunities, but is also more complex and competitive than ever before. Therefore widespread research activity is necessary if one is to remain successful on the market. This book is the result of research and development activities from a number of researchers worldwide, covering concrete fields of research

XXII International Conference on Mechanics in Medicine and Biology - Abstracts Book

This book contain the abstracts presented the XXII ICMMB, held in Bologna in September 2022. The abstracts are divided following the sessions scheduled during the conference

Computational Intelligence in Electromyography Analysis

Electromyography (EMG) is a technique for evaluating and recording the electrical activity produced by skeletal muscles. EMG may be used clinically for the diagnosis of neuromuscular problems and for assessing biomechanical and motor control deficits and other functional disorders. Furthermore, it can be used as a control signal for interfacing with orthotic and/or prosthetic devices or other rehabilitation assists. This book presents an updated overview of signal processing applications and recent developments in EMG from a number of diverse aspects and various applications in clinical and experimental research. It will provide readers with a detailed introduction to EMG signal processing techniques and applications, while presenting several new results and explanation of existing algorithms. This book is organized into 18 chapters, covering the current theoretical and practical approaches of EMG research