ASBGo: A smart walker for mobility assistance and monitoring system aid

Abstract

Locomotion is an important human faculty that affects an individual’s life, bringing implications not only in social and personal development but also in the aspect of employment. Thus, it becomes necessary to find means and tools to improve or help to restore and increase the mobility of the affected people, so they can recover their independence. For several years, researchers have been addressing the needs of persons with mobility disabilities through alternative, e.g. wheelchairs, or augmentative devices, e.g. canes, and walkers. Among augmentative devices, walkers play an important role, due to the large number of potential users, its simplicity and ambulatory potential. They were designed to improve pathological gait, through a support base for the upper limbs that improves the balance of the individuals and reduces the load on their lower limbs. Over the past years, technological advances allowed the incorporation of sensors and actuators in conventional walkers. A new class of devices, the smart walkers, emerged to provide a better stability, without affecting the resultant naturalness of the users’ gait patterns. In this context, this thesis aims to develop a smart walker (SmartW) for mobility assistance in hospitals and clinics for people with balance problems. This work is structured in five stages as follows. A complete survey regarding the current state-of-art of walker-based studies is presented. The advances in the walkers’ and SmartWs’ have been enormous and have shown a great potential. Thus, it is presented a review of the available literature of walkers and SmartW and it is discussed major advances that have been made and limitations to be overcome. Then, it is presented the design specifications of the proposed SmartW based in an “enduser” approach, i.e. concerns and needs of end-users are the main focus for these specifications. Functionalities is the next stage where different information gathered by several builtin sensors is used to characterize the assisted human gait and the interaction user-walker. Thus, three sensory systems are developed: (i) a system that captures the relatives evolutions between the lower limbs of the user and the walker as well as the trunk, giving information related to gait pattern and stability for further clinical evaluation; (ii) an intuitive interface for direct acquisition of navigation commands; and (iii) sensory systems to ensure the user safety during assisted gait, by identifying situations like the fall of the user. These systems are validated by performing real experiments with healthy and pathological users. This data is converted into gait parameters to be used in the evaluation of the user. Results are used in the assistive-movement analysis. This latter stage turns possible the evaluation and finding of important characteristics that define the main effects of the use of a walker in comparison to other assistive devices. Finally, a clinical validation with patients with ataxia are performed. Results enabled the clinicians to differentiate gait deviations objectively and evaluate quantitatively the evolution of the rehabilitation process of these patients. This also validated the use of the SmartW as a diagnostic tool that enables clinicians to monitor the medical conditions of their patients. The proposed research is relevant because introduces a new concept in terms of rehabilitation, since the SW may effectively work as a rehabilitation tool, by monitoring objectively the patients’ motor state. In the future, the proposed SmartW will serve not only as a measure of a treatment outcome, but also as a useful tool in planning ongoing care for various gait disorders. It is noteworthy that currently there is no device in the national market that offers the same possibilities as the one proposed.

Locomoção é uma importante faculdade humana que afeta a vida de um indivíduo, trazendo implicações não só no desenvolvimento social e pessoal, mas também no aspeto do emprego. Assim, torna-se necessário encontrar meios e ferramentas para melhorar ou ajudar a restaurar e aumentar a mobilidade das pessoas afetadas, para que eles possam recuperar a sua independência. Durante vários anos, investigadores têm endereçado as necessidades de pessoas incapacitadas através de dispositivos alternativos (cadeiras de rodas) ou aumentativos (bengalas e andarilhos). Entre os dispositivos aumentativos, os andarilhos têm um papel importante devido ao grande número de potencial utilizadores, à sua simpliciade e potencial ambulatório. Foram construídos de maneira a melhorar a marcha patológica, através de uma base de suporte para os membros superiores, que melhora o equilíbrio dos indivíduos e reduz a carga nos seus membros inferiores. Nos últimos anos, os avanços tecnológicos permitiram a incorporação de sensores e atuadores nos andarilhos convencionais. Uma classe nova de dispositivos, os andarilhos inteligentes (AI), emergiu para fornecer melhor estabilidade, sem afetar a naturalidade do padrão de marcha dos seus utilizadores. Neste contexto, esta tese tem como objetivo desenvolver um AI para dar assistência à marcha em hospitais e clínicas a pessoas com problemas de equilíbrio. Este trabalho está dividido em cinco fases, descritas em seguida. Uma pesquisa completa acerca do estado de arte de estudos sobre andarilhos é apresentada. Os avanços na área dos andarilhos convencionais e AI tem sido grande e tem mostrado um enorme potencial. Deste modo, é apresentado uma revisão de literatura sobre estes dispositivos onde são discutidos os avanços alcançados bem como as limitações a ultrapassar. Depois, são apresentadas as especificações do design do AI proposto, sendo baseadas numa abordagem “utilizador-final”, ou seja, as preocupações e necessidades dos utilizadores finais são o principal foco das especificações. A próxima fase baseia-se no desenvolvimento de funcionalidades, onde é adquirida informação através de vários sensores integrados no AI. Esta informação é usada para caracterizar a marcha humana e a interação utilizador-máquina. Três sistemas foram criados: (i) um sistema que captura a evolução relativa dos membros inferiores do utilizador ao andarilho, bem como o movimento do tronco, dando informação relativa do padrão de marcha e estabilidade do utilizador para futura avaliação clínica; (ii) uma interface intuitiva para aquisição direta dos comandos de navegação; e (iii) um sistema sensorial que assegura a segurança do utilizador durante a marcha assistida, identificando situações de perigo, tais como a queda do utilizador. Estes sistemas foram validados em experiências reais com indivíduos saudáveis e patológicos. Os dados são convertidos em parâmetros de marcha que serão usados na avaliação do utilizador. Os resultados são usados na análise de movimento assistido. Esta última fase torna possível a avaliação e procura de características importantes que definem os efeitos dos andarilhos em comparação com outros dispositivos de assistência. Finalmente, é feita uma validação clínica com pacientes atáxicos. Os resultados permitiram aos clínicos diferenciar os efeitos da marcha objetivamente e avaliar quantitativamente a evolução dos pacientes. Foi também possível validar o uso do AI como uma ferramenta de diagnóstico que permite aos clínicos monitorizar o estado dos pacientes. Este trabalho é relevante pois introduz um novo conceito em termos de reabilitação, dado que o AI funciona como uma ferramenta de reabilitação. No futuro, o AI proposto será não só usado para tratamento, mas também como ferramenta útil no planeamento de cuidados continuados para vários distúrbios de marcha. É de evidenciar que correntemente não existe nenhum dispositivo no mercado nacional que ofereça as mesmas possibilidades que o dispositivo aqui desenvolvido.