Design and development of an anti-fall cane prototype

Abstract

Fall-related events represent a major public health problem, where death is among the consequences of these accidents. Also, hospitalization and associated costs keep rising. Thus, the development of a pre-impact fall detection system capable of fall avoidance is essential to reduce or even eliminate fall events. Some advances have been made regarding these systems, but there is no commercially available solution capable of avoiding the fall. Also, the number of cane users has been growing steadily for the last two decades. Therefore, this thesis aims to address this market opportunity, by developing a cane with a built-in pre-impact actuator, creating an anti-fall cane. This dissertation followed a product design and development method, with the main objective of increasing the usability, acceptability, and chances of success, in general, of the concept and potential product. In the first stage, a total of 12 primary needs and 33 secondary needs were identified, categorized, and classified, in terms of relative importance. Effectiveness, reliability, safety, height, ergonomy, and weight were the most important needs. Transforming these needs into measurable terms, a set of target specifications was set. These take the input of the consumer and guide the remainder of the development effort. Using international standards, and other useful resources, the 12 primary needs were translated to 18 metrics, each with a specific unit, and associated importance and value. To tackle the needs and meet the specifications, concepts need to be created, scored, and selected. To better address this complex problem, a functional structure for the anti-fall cane was developed. This allowed the identification and selection of the critical subproblem, the balance recovery of the user. Thus, concepts were generated and scored. The selected concept was the rolling cane, a powered omnidirectional wheel platform. Finally, with the final concept selected, analytical tools were deployed to encounter the best solutions for the proposed features. Every component was dimensioned and proposed. Furthermore, simulations, such as load, separation, and fatigue tests successfully validated the prototype. Also, using the P1 tripod, offered by ORTHOS XXI, it was possible to fabricate an exoskeleton of the anti-fall cane, which will incorporate all the features developed analytically.

Os eventos relacionados com quedas representam um grave problema de saúde pública, podendo mesmo existir vítimas mortais resultantes destes acidentes. Para além disso, a hospitalização e os custos associados continuam a aumentar. O desenvolvimento de um sistema de deteção de quedas pré-impacto capaz de evitar quedas é essencial para reduzir estes eventos. Já existem alguns avanços em relação a estes sistemas, no entanto, não existe nenhuma solução disponível comercialmente capaz de evitar quedas. Para além disso, o número de utilizadores de bengalas tem aumentado continuamente nas últimas duas décadas. Desta forma, esta tese aborda esta oportunidade de mercado, através do desenvolvimento de uma bengala com um atuador pré-impacto embutido, criando uma bengala anti-queda. Esta dissertação seguiu um método de design e desenvolvimento de produto, com o principal objetivo de aumentar a usabilidade e sucesso, em geral, do conceito e potencial produto. Numa primeira fase, foram identificadas, categorizadas e classificadas 12 necessidades primárias e 33 necessidades secundárias. Eficácia, confiança, segurança, altura, ergonomia e peso são as mais importantes. Transformando estas necessidades em termos mensuráveis, um conjunto de especificações alvo foi definido. Usando padrões internacionais e outros recursos úteis, as 12 necessidades primárias foram traduzidas em 18 métricas, cada uma associada a uma unidade e importância especifica. Para resolver as necessidades do consumidor e especificações do produto, é necessário criar, pontuar e selecionar conceitos. De forma a resolver esta fase complexa, foi desenvolvida uma estrutura funcional para bengala anti-queda. Esta permite a identificação e seleção do subproblema critico, a recuperação do equilíbrio do utilizador. Desta forma, conceitos foram criados e pontuados. O conceito escolhido foi a “rolling cane”, uma bengala com uma plataforma omnidirecional motorizada. Numa fase final, já com o conceito escolhido, foram utilizadas ferramentas analíticas para encontrar as melhores soluções para as funcionalidades propostas. Cada componente foi dimensionado e proposto. Para além disso, simulações, como testes de carga, separação, e fadiga validaram o protótipo com sucesso. Utilizando o tripé P1, fornecido pela ORTHOS XXI, foi possível fabricar um exosqueleto da bengala anti-queda, que irá incorporar todas as características desenvolvidas analiticamente.