BioingRealt+áVirtuale-Lezione 4-Ausili

Università di Pisa
Corso di Laurea in Terapia Occupazionale
C
Corso
di
d Bioingegneria applicata
l
alla
ll Realtà
l Virtuale
l
Anno Accademico 2009/2010
Ausili
per l’alimentazione, la
mobilità e la comunicazione
Ing. Stefano Mazzoleni, PhD
Ausili Tecnologici (AT – Assistive Technology)
Un ausilio tecnologico è un dispositivo utilizzato per
ampliare mantenere o migliorare le capacità funzionali di
ampliare,
soggetti con limitazioni nelle attività
Un ausilio tecnologico dovrebbe:
ƒ corrispondere agli specifici bisogni di un utente;
ƒ essere compatibile con le capacità dell’utente;
svolgere
ge e funzioni
u o d
di p
primaria
a a importanza
po ta a pe
per la
a v
vita
ta
ƒ svo
quotidiana della persona;
ƒ non compensare la menomazione;
ƒ massimizzare le capacità residue.
Imboccatori : robot per l’assistenza
La progettazione di questi dispositivi risulta particolarmente
accurata per la presenza dell'essere umano nell'ambiente di
lavoro e soprattutto per l'interazione con esso.
Fattori per la progettazione
Problematiche tecniche
(meccanismi, sensori, sicurezza,..)
Necessità del soggetto con disabilità
(posizioni, ergonomia, movimenti,….)
Le varie tipologie di sistemi per l’alimentazione
Neater Eater
The Partner
Dedalo
Th Wi
The
Winsford
f d
My spoon
Sistema “The Partner”
Produttore:
Mealtime
Partners,
Inc.
1137 South East Parkway Azle
Azle,
Texas 76020, USA
www.mealtimepartners.com
video
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Il cibo all
all'interno
interno della scodella si trova in differenti compartimenti per non
essere mescolato.
La scodella è trasparente e l'utente deve essere in grado di vedere per
effettuare la scelta.
La forma ergonomica del recipiente permette una massima efficienza di
prelevamento del cibo.
L'estremità del cucchiaio è poi livellato e la distanza dal bordo del contenitore
è minima.
minima
L'utente deve piegarsi leggermente in avanti per poter porgere il cibo alla
bocca.
pp gg
al tavolo oppure
pp
montato con un sistema tipo
p lampada
p
Può essere appoggiato
da scrivania
“The Winsford Self-Feeder”
Distributore:
North Coast Medical, Inc.
18305 Sutter Boulevard
Morgan Hill, California 95037-2845
United States
www ncmedical com
www.ncmedical.com
L'utente deve effettuare uno switch a sinistra
(ad es. mediante il movimento del mento),
utilizzando una filo flessibile: il cucchiaio
viene riempito dalla spatolina. Per far ruotare
il piatto, deve effettuare uno switch verso
destra.
ƒ
Il sistema
i
è regolabile
l bil in
i altezza.
l
ƒ
Il bicchiere è solo fissato e per bere è presente
una lunga cannuccia.
www.youtube.com/watch?v=KZRFj1UZl-c
t b
/ t h? KZRFj1UZl
ƒ
Costo: circa 2.300
2 300 euro
Sistema “Neater Eater”
Produttore:
Neater Solutions Ltd
12 Burlington
B li
Road,
R d Buxton,
B
Derbyshire,UK
D b hi UK
www.neater.co.uk
Il braccio robotico può effettuare movimenti con
2 g.d.l.: si può alzare/abbassare e avvicinarsi
all’utente;
Il cucchiaio ha 1 g.d.l.: può solo ruotare per
prendere il cibo.
p
www youtube com/watch?v=Pbi6dJKXpxk&feature=player
www.youtube.com/watch?v
Pbi6dJKXpxk&feature player_embedded
embedded
Sistema “Neater Eater”
Il cucchiaio può essere
automaticamente in 4 modi:
controllato
ƒ Ciclo unico (il cucchiaio si muove solo
una volta)
ƒ Il cucchiaio si muove solo se lo switch
è premuto
p
ƒ Il cucchiaio si muove continuamente
ƒ Ciclo singolo ciclo che comincia
quando
d è seleziona
l i
t anche
ta
h la
l rotazione
t i
del piatto.
Il bicchiere
bi hi
non viene
i
afferrato
ff
t dal
d l braccio
b
i
robotico, ma
l’utente può bere grazie alla
presenza della cannuccia .
Sistema “My spoon”
Produttore:
SECOM Co.,
Co Ltd
1-5-1 Jingumae, Shibuya, Tokyo, Japan
www.secom.co.jp/english/
My Spoon può funzionare in modalità
(i) manuale, (ii) semi-automatica e (iii)
automatica tramite ll’uso
uso di joystick o
pulsante.
Poster ICORR 2003
Sistema “My spoon”: tipi di interfaccia
1) Joystick standard
2) Joystick rinforzato con pulsante
Abilità del paziente
Nessun tremore, Capacità di sopportazione alla fatica
normale
Lesione spinale C-4, Sindrome Guillain-Barre
Leggero tremore, Capacità di sopportazione alla fatica
limitata
Paralisi cerebrale, Distrofia muscolare
Capacità di premere un pulsante
(Difficoltà ad utilizzare un joystick)
D
Danno
cerebrovascolare
b
l
((ad
d es. IIctus)
t )
Modalità operativa
raccomandata
3) Pulsante per modalità automatica
Possibilità di controllo
Tipo di interfaccia
Modalità manuale
Interazione: Normale
Flessibilità: Alta
Mento o dita
Joystick standard
Palmo della mano
JJoystick
i k rinforzato
i f
e pulsante
Modalità semi-automatica
Interazione: Bassa
Flessibilità: Media
Mento o dita
Joystick standard
P l
Palmo
della
d ll manii
Joystick rinforzato
e pulsante
Nessuno
Pulsante per modalità
automatica
Modalità automatica
Interazione: Minima
Flessibilità: Bassa
Il sistema “Handy1”: problema clinico e scopo
Tra i sistemi robotici per l’alimentazione attualmente disponibili, il sistema
Handy1 è stato quello di maggior successo ed è in grado di assistere
disabili gravi con le seguenti patologie :
ƒ Paralisi celebrale
ƒ Distrofia muscolare
ƒ Sclerosi multipla
ƒ Problemi legati ai motoneuroni
Il sistema Handy1 è stato sviluppato con l’obiettivo di consentire ai soggetti
con disabilità di:
ƒ acquisire una indipendenza in task complessi della vita quotidiana
come bere e mangiare; successivamente anche per l’igiene personale ed
il make
make-up.
up.
ƒ fornire ai disabili
maggiore autonomia, consentendo loro di
incrementare la possibilità di integrazione in ambito socio-lavorativo.
ƒ adattarsi all
all'invecchiamento
invecchiamento della popolazione.
popolazione
Origine del sistema “Handy1”
Mike Topping nel 1987 mise appunto il primo prototipo del sistema
“Handy1”
Handy1 per aiutare Peter Higginbottom, un bambino di 12 anni affetto
da paralisi celebrale.
Il sistema è risultato troppo
ingombrante, a tal punto da
rendere impossibile al bambino di
mangiare
i
con la
l sua famiglia
f i li nella
ll
zona pranzo .
Mike
Topping,
Helmut
Heck
Gunnar Bolmsjo ,David Weightman,
Staffordshire
ff
Universityy ,Kelee University,
y
UK
Descrizione del sistema robotico
Il manipolatore è costituito da 3 bracci
connessi ad altrettanti g
giunti rotoidali.
Il sistema presenta in totale 5 g.d.l.
Il suo funzionamento è riconducibile
a quello del robot industriale PUMA.
M i l t
Manipolatore Puma
P
giunto2
giunto3
g
giunto1
Descrizione del sistema “Handy1”
La versione attuale del sistema Handy1 è molto più avanzata, risulta infatti più
leggero e meno ingombrante rendendo possibile al disabile di mangiare con la
propria famiglia.
famiglia
1)
2)
3)
4)
Braccio robotico programmabile
I
Interfaccia
f i uomo- macchina
hi
Sistema di scansione (8 LED)
Un vassoio intercambiabile
porta cibo munito di tazza per
bere
5)) Un carrello di appoggio
pp gg di
altezza variabile
6) Microprocessore e sistema di
controllo a bordo
Peso: 25 Kg
Altezza: 99 cm ÷ 120cm
Larghezza: 76 cm
Tipologia dei vassoi
Feeding Set: un sistema di scansione di luci presenti
sul vassoio del sistema “Handy1”
Handy1
permette
all'utente di selezionare gli alimenti da qualsiasi
parte del piatto
Cleansing
g Set: il sistema è p
provvisto di un rasoio
elettrico, spazzolino e calice, tutto per l’igiene
personale
Make up Set: è possibile ll’ applicazione di prodotti
Make-up
cosmetici
esattamente secondo il gusto della
persona, ma soprattutto per eliminare sentimento
di frustrazione e la perdita di autostima
Movimento del cucchiaio:
• il cucchiaio si avvicina alla vaschetta e si
ferma
• si sposta in avanti immergendosi
• si sposta ancora più avanti prendendo il
cibo
Per ogni vaschetta il sistema effettua 3 movimenti, le vaschette presenti
sono 7 quindi 21 movimenti per il mangiare, un solo movimento per il
bere quindi in totale il sistema può effettuare 22 movimenti.
movimenti
Artbox
Negli ultimi anni, il sistema
Handy1 è stato modificato per
poterlo utilizzare nell
nell’ arte del
disegno e della pittura.
Successo clinico del sistema “Handy1”
Nonostante gli ausili per alimentazione siano disponibili da circa dieci
anni, una piccola percentuale di popolazione li utilizza.
Sono stati condotti dei sondaggi in varie residenze sanitarie:
Una piccola minoranza di pazienti fa uso di dispositivi di alimentazione
robotici
b ti i a causa di:
di
•
•
•
•
•
mancanza di informazione
troppo costosi
difficili da usare
scomodi
poco attraenti dal punto di vista estetico
Successo clinico del sistema “Handy1”
Il sistema
i t
H d 1 rispetto
Handy
i
tt agli
li
imboccatori presenti sul mercato
è stato quello di maggior successo
in quanto tiene conto di molte
esigenze del paziente ed è
multifuzionale.
Sistema “Dedalo”
†
Sistema meccatronico
„
†
Ausilio innovativo per la
nutrizione autonoma di disabili
motori gravi
Target Utenti
„
„
„
„
Amputati
p
bilaterali degli
g arti
superiori
Tetraplegici che non hanno
l’uso delle braccia e delle mani,
ma hanno un buon controllo
del tronco e del capo
Tetraplegici che non hanno
l’uso delle braccia e delle mani
e non h
hanno un b
buon controllo
ll
del tronco e del capo
(potrebbero avere problemi di
respirazione ed utilizzare un
ventilatore)
Anziani con ridotta
funzionalita’ delle braccia
Produttore:
Dedalo Solutions
Via Boccioni n 1, - 56037 Peccioli - Pisa
www.dedalosolutions.it/
Sistema “Dedalo”
Il dispositivo Oral-Joystick è una normale
cannuccia che ha in più un beccuccio mobile in
contatto con quattro pulsanti
l
i disposti
di
i a croce.
L’utente con movimenti della bocca può premere
i pulsanti e attivare specifiche funzioni del
di
dispositivo
iti “Dedalo”
“D d l ”
Oral -Joystick
Cannuccia
Pulsanti
Ausili per la Mobilità
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Bastoni, stampelle, tripodi
Deambulatori
Biciclette
Carrozzine ((manuali,, elettriche))
Autoveicoli (FIAT Autonomy)
Rampe, elevatori, ascensori, montascale
Ausili per la Mobilità
Recenti sviluppi tecnologici della ricerca
nell’ambito
ll’ bit delle
d ll carrozzine
i
per la
l facilitazione
f ilit i
della mobilità:
… controllo
t ll della
d ll carrozzina
i
… controllo ambientale
… integrazione di esoscheletri e bracci robotici
… navigazione assistita
… trasporto e recupero automatico della carrozzina
… sistemi modulari ((carrozzina multifunzionale,,
lifter walker, ICT)
Controllo della carrozzina
ƒ Le comuni carrozzine elettriche vengono utilizzate mediante
un joystick.
joystick Comunque, la funzione della mano può essere
limitata o anche non disponibile in pazienti con disabilità gravi.
ƒ Controlli alternativi della carrozzina p
prevedono l’utilizzo di
altre parti del corpo:
‰ Controllo mediante la respirazione
p
((Sip-n-puff)
p p )
‰ Controllo mediante la testa
‰ Controllo mediante il mento
‰ Controllo vocale
‰ Controllo mediante l’utilizzo della lingua
g
Controllo mediante la respirazione
ƒ Il soggetto fornisce comandi alla
p
((sipping)
pp g)
carrozzina mediante inspirazione
ed espirazione (puffing) in un tubo
pneurmatico.
ƒ Ill metodo
d
si basa
b
sull valore
l
d ll
della
pressione applicato al tubo e se viene
applicata una pressione negativa o positiva
(inspirazione
ed
espirazione,
rispettivamente).
ƒ Inspirazione ed espirazioni nette possono
essere utilizzate per modificare la velocità e
la direzione della carrozzina.
carrozzina Lo sterzo è
implementato mediante valori più bassi
delle inspirazioni ed espirazioni.
Controllo mediante la testa
ƒ Adatto a soggetti con una buona abilità residua
nel movimento della testa.
ƒ Teoricamente sono disponibili sei comandi, che
includono modalità, accensione/spegnimento, stop
d emergenze, controllo
di
ll di
d direzione.
d
ƒ Il soggetto muove la carrozzina in avanti
utilizzando un interruttore centrale.
centrale L
L’attivazione
attivazione
dei sensori laterali fa muovere la carrozzina nella
direzione corrispondente. Un interruttore di reset
permette di passare dalla funzione avanti a quella
indietro (e viceversa).
ƒ Recentemente utilizzo di trasduttori ad ultrasuoni
o a radiofrequenza, permettono di trasformare i
movimenti della testa in un controllo proporzionale
della carrozzina.
Controllo mediante il mento
ƒ In genere considerato differente dal
controllo
t ll mediante
di t la
l testa,
t t ma richiede
i hi d
ugualmente che vengano effettuati
movimenti con la testa per essere
azionato.
ƒ Il mento
e to è aalloggiato
ogg ato in u
unaa
maniglia/joystick a forma di coppa ed è
solitamente controllato mediante la
flessione, estensione e rotazione del collo.
Questo sistema è indicato per soggetti con
un buon controllo della testa.
testa
Controllo vocale
ƒ Utilizzato in soggetti con lesione
spinale alta (C1 – C4). La carrozzina
è dotata di un sistema di
riconoscimento vocale che è in
grado di riconoscere un piccolo
vocabolario di parole usate per il
controllo direzionale del movimento.
ƒ Alcuni sistemi avanzati utilizzano il
riconoscimento
vocale
per
riconoscere
tutte
le
parole
pronunciate così che il soggetto lo
può utilizzare per la navigazione e la
comunicazione
attraverso
un
computer (ad es. email, documenti,
...))
Controllo mediante la lingua
ƒ Elettropalatografo (anche palatometro)
registra
g
gli eventi temporali
g
p
e la p
posizione
del contatto della lingua con il palato
duro (volta palatina) durante la pronuncia
di parole.
l
ƒ La tecnica richiede che il soggetto
i d i un palato
indossi
l t duro
d
artificiale
tifi i l che
h
viene adattato alla morfologia del palato.
Il contatto lingua
lingua-palato
palato è registrato
mediante 62 sensori in argento posizionati
sulla superficie del palato artificiale.
ƒ Tongue Touch Keypad (TTK)
ƒ http://www.newabilities.com/
p
University of Kent, in collaboration with the Kent & Canterbury Hospital and the East Kent Community Healthcare Trust
Controllo ambientale
ƒ Sistema KEO (Proteor) permette di controllare tutti i
di
dispositivi
iti i elettrici
l tt i i nell’ambiente
ll’ bi t
d
domestico;
ti
accesso all
computer e al telefonino.
ƒ Si può collegare al joystick di differenti carrozzine.
carrozzine
Rehacare 2007
Controllo ambientale
ƒ Sistemi Dynamic Europe Ltd.
Sistemi robotici esoscheletrici
ƒ MULOS (Motorized Upper Limb Orthotic
y
)
System):
ƒ Ortesi robotica per arto superiore a 5
gradi di libertà (Johnson et al. 2001)
ƒ WREX (Wilmington robotic exoskeleton):
ƒ Sistema esoscheletrico passivo per
compensazione di gravità a 4 gradi di
libertà (Rahman et al. 2000)
Bracci robotici montati su carrozzine
Manus Arm
Raptor Arm
6 gradi di libertà
4 gradi di libertà + gripper
Bracci robotici montati su carrozzine
Alqasemi et al., 2007
7 gradi di libertà
Navigazione assistita
ƒ Integrazione
carrozzine
commerciali-moduli p
per la
navigazione
ƒ Test con soggetti
gg
sani e
soggetti con disabilità:
ƒ il sistema si deve adattare alle
abilità
bilità motorie
t i e cognitive
iti
d l
del
soggetto…
ƒ ma anche al tipo
p
e alla
configurazione dell’ambiente
Navigazione assistita
Navigazione assistita
Direction following: il soggetto
definisce
de
sce l’obiettivo
ob ett o cchee de
devee esse
esseree
raggiunto, anche in presenza di
ostacoli.
L’utente
L
utente definisce la direzione da
seguire mediante il joystick o con una
interfaccia grafica
Pianificazione
Pi
ifi
i
automatica
t
ti
del percorso
(Path planning)
Navigazione assistita
Sensori ad ultrasuoni
Carrozzine con controllo innovativo
„
Sistema SmartChair
‰
Sistema autonomo
‰
Sistema manuale
S.P.
S
P Parikh et al
al., Usability Study of a Control Framework for an Intelligent Wheelchair
Wheelchair, Proc 2005 IEEE International Conference on
Robotics and Automation
Carrozzine con controllo innovativo
„
Sistema SmartChair
‰
Sistema semi
semi-autonomo
autonomo
Sistema
autonomo
Input
soggetto
Obstacle
avoidance
Carrozzine con controllo innovativo
ƒ Sistema NavChair basato su una
carrozzina
commerciale
con
computer, sensori ad ultrasuoni e un
modulo di interfaccia tra il joystick e
il modulo di alimentazione.
alimentazione
ƒ Tre modalità operative:
general obstacle avoidance,
‰ door passage,
‰ automatic wall following.
‰
ƒ “Shared control”: operatore
p
umano
e macchina condividono il controllo
di un sistema e la macchina può
adattarsi
automaticamente
al
comportamento umano
S.P. Levine et al., The NavChair Assistive Wheelchair Navigation
System Proc 2005 IEEE International Conference on Robotics
System,
and Automation
Carrozzine con sistemi di ruote innovativi
M Wada , ICORR 2007
M.
Sistema per trasporto automatico di carrozzine
Sistema di controllo basato sulla visione
integrabile in un minivan o SUV
„ La carrozzina può spostarsi in maniera
autonoma tra il posto di guida e la parte
posteriore dell
dell’auto
auto per facilitare il
caricamento
„
H.S. Villalta et al., Vision-based Control of a Smart Wheelchair for the Automated Transport and Retrieval
System (ATRS), Proc 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation
Sistema modulare per la mobilità
ƒ Sedia multifunzionale
ƒ Lifter Walker
ƒ ICT con User Communication
ƒ Base Mobile
ƒ Interfaccia Utente
Prospettive future
ƒ Brain Computer Interface (BCI)
EEG
Prospettive future
ƒ Brain Computer Interface (BCI)
ƒ Controllo non invasivo mediante la
registrazione di segnali EEG durante
la fase di immaginazione motoria
(
(possibili
ibili
comandi:
di
avanti/indietro;
i/i di
destra/sinistra)
Cuffia
per EEG
Ausili per la comunicazione
Tastiere speciali
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Tastiera standard con scudo
Emulatori di tastiera e mouse
Tastiere configurabili
Tastiere facilitate
Ausili per la comunicazione
In questa categoria sono inclusi:
ƒ le tabelle di comunicazione,
ƒ i comunicatori e i software di
comunicazione sia alfabetici che
simbolici,
ƒ i dispositivi
di
iti i per la
l comunicazione
i i
a distanza (telefoni e software di
posta elettronica).
www.auxilia.it/
Ausili per la comunicazione
ƒ
Qualikey+Qualyspeak: software
aperto per la creazione di videate
dinamiche per la comunicazione,
predizione
di i
di parola,
l sintesi
i
i vocale,
l
l'utilizzo di diversi programmi
Windows
ƒ
Eurovocs
suite:
software
comprendente tastiera a video
personalizzabile + predizione di
parola + elaboratore di testi con
sintesi vocale
ƒ
The g
grid: software aperto
p
per la
p
creazione di videate dinamiche per
la comunicazione, predizione di
parola, sintesi vocale, il controllo
ambiente
ƒ
Sintesi Loquendo: sintesi vocale
molto simile a quella umana
Ausili per la comunicazione
Puntamento oculare (eye-tracking)
Sistema montato su Tablet PC e dotato di un
software completo e personalizzabile per la
comunicazione. Esso fornisce all’utente:
„
un sistema di comunicazione basato sulla
scrittura dei messaggi
un sistema di comunicazione veloce basato su
icone e messaggi preformati
un accesso facilitato a Internet
un sistema facilitato di posta elettronica
un sistema per l'invio e la ricezione di SMS
„
la possibilità di gestire CD musicali e DVD
„
„
„
„
Ausili per la comunicazione
Controllo ambientale
Questi sistemi offrono la possibilità di controllare
p
nell'ambiente, come televisore, decoder,
dispositivi
lettore DVD, impianto Hi-Fi, condizionatore d'aria.
Ciò è possibile
ibil
collegando
ll
d
aii sistemi
i t i di
comunicazione, unità programmabili con le quali è
possibile riprodurre qualunque funzione di un
normale telecomando a infrarossi e attivarla
attraverso il sistema di comunicazione.
Conclusioni
ƒ Sistemi tecnologici sviluppati
recentemente
possono contribuire
ib i ad
d aumentare l’indipendenza
l’i di
d
di
persone con disabilità (alimentazione, mobilità,
comunicazione).
i i
)
ƒ Facilitazione dell’alimentazione
ƒ Facilitazione del controllo della mobilità,
dell’ambiente e della comunicazione,, in base alle
abilità residue.
ƒ Obiettivo finale: miglioramento della qualità della
vita dei soggetti con disabilità.