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Università di PisaCorso di Laurea in Terapia Occupazionale
C d l ll l lCorso di Bioingegneria applicata alla Realtà VirtualeAnno 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 perampliare mantenere o migliorare le capacità funzionali diampliare, mantenere o migliorare le capacità funzionali disoggetti con limitazioni nelle attività
Un ausilio tecnologico dovrebbe:corrispondere agli specifici bisogni di un utente;corrispondere agli specifici bisogni di un utente;essere compatibile con le capacità dell’utente;svolgere funzioni di primaria importanza per la vitasvo ge e u o d p a a po ta a pe a v taquotidiana della persona;non compensare la menomazione;massimizzare le capacità residue.
Imboccatori : robot per l’assistenza
La progettazione di questi dispositivi risulta particolarmenteaccurata per la presenza dell'essere umano nell'ambiente diaccurata per la presenza dell'essere umano nell'ambiente dilavoro e soprattutto per l'interazione con esso.
Fattori per la progettazioneFattori per la progettazione
Problematiche tecniche Necessità del soggetto con disabilitàProblematiche tecniche (meccanismi, sensori, sicurezza,..)
Necessità del soggetto con disabilità(posizioni, ergonomia, movimenti,….)
Le varie tipologie di sistemi per l’alimentazione
The PartnerNeater Eater
The Partner
Dedalo
My spoonTh Wi f d My spoonThe Winsford
Sistema “The Partner”
Produttore:Mealtime Partners, Inc.1137 South East Parkway Azle1137 South East Parkway Azle,Texas 76020, USAwww.mealtimepartners.com
Il cibo all'interno della scodella si trova in differenti compartimenti per non
video
Il cibo all interno della scodella si trova in differenti compartimenti per nonessere mescolato.La scodella è trasparente e l'utente deve essere in grado di vedere pereffettuare la scelta.La forma ergonomica del recipiente permette una massima efficienza diprelevamento del cibo.L'estremità del cucchiaio è poi livellato e la distanza dal bordo del contenitoreè minimaè minima.L'utente deve piegarsi leggermente in avanti per poter porgere il cibo allabocca.Può essere appoggiato al tavolo oppure montato con un sistema tipo lampadapp gg pp p pda scrivania
“The Winsford Self-Feeder”
Distributore:North Coast Medical, Inc.18305 Sutter BoulevardMorgan Hill, California 95037-2845United Stateswww ncmedical comwww.ncmedical.com
L'utente deve effettuare uno switch a sinistra(ad es. mediante il movimento del mento),utilizzando una filo flessibile: il cucchiaioutilizzando una filo flessibile: il cucchiaioviene riempito dalla spatolina. Per far ruotareil piatto, deve effettuare uno switch versodestra.Il i l bil i lIl sistema è regolabile in altezza.Il bicchiere è solo fissato e per bere è presenteuna lunga cannuccia.
Costo: circa 2 300 eurot b / t h? KZRFj1UZl Costo: circa 2.300 eurowww.youtube.com/watch?v=KZRFj1UZl-c
Sistema “Neater Eater”
Produttore:Neater Solutions Ltd12 B li R d B D b hi UK12 Burlington Road, Buxton, Derbyshire,UKwww.neater.co.uk
Il braccio robotico può effettuare movimenti con2 g.d.l.: si può alzare/abbassare e avvicinarsiall’utente;Il cucchiaio ha 1 g.d.l.: può solo ruotare perprendere il cibo.p
www youtube com/watch?v=Pbi6dJKXpxk&feature=player embeddedwww.youtube.com/watch?v Pbi6dJKXpxk&feature player_embedded
Sistema “Neater Eater”
Il cucchiaio può essere controllatoautomaticamente in 4 modi:automaticamente in 4 modi:
Ciclo unico (il cucchiaio si muove solouna volta)una volta)
Il cucchiaio si muove solo se lo switchè premutop
Il cucchiaio si muove continuamenteCiclo singolo ciclo che comincia
d è l i t h l t i
Il bi hi i ff t d l b i
quando è seleziona ta anche la rotazionedel piatto.
Il bicchiere non viene afferrato dal bracciorobotico, ma l’utente può bere grazie allapresenza della cannucciapresenza della cannuccia .
Sistema “My spoon”
Produttore:SECOM Co Ltd SECOM Co., Ltd 1-5-1 Jingumae, Shibuya, Tokyo, Japanwww.secom.co.jp/english/
My Spoon può funzionare in modalità(i) manuale, (ii) semi-automatica e (iii)automatica tramite l’uso di joystick oautomatica tramite l uso di joystick opulsante.
Poster ICORR 2003
Sistema “My spoon”: tipi di interfaccia
2) Joystick rinforzato con pulsante 3) Pulsante per modalità automatica1) Joystick standard
Abilità del paziente Modalità operativa raccomandata Possibilità di controllo Tipo di interfaccia
Nessun tremore, Capacità di sopportazione alla fatica normale Modalità manuale
Interazione: NormaleMento o dita Joystick standard
J i k i fLesione spinale C-4, Sindrome Guillain-Barre Flessibilità: Alta Palmo della mano Joystick rinforzato
e pulsante
Leggero tremore, Capacità di sopportazione alla fatica limitata Modalità semi-automatica
Interazione: BassaFlessibilità: Media
Mento o dita Joystick standard
P l d ll i Joystick rinforzatoParalisi cerebrale, Distrofia muscolare Flessibilità: Media Palmo della mani Joystick rinforzato
e pulsante
Capacità di premere un pulsante(Difficoltà ad utilizzare un joystick)
D b l ( d I t )
Modalità automaticaInterazione: MinimaFlessibilità: Bassa
Nessuno Pulsante per modalità automatica
Danno cerebrovascolare (ad es. Ictus)
Il sistema “Handy1”: problema clinico e scopo
Tra i sistemi robotici per l’alimentazione attualmente disponibili, il sistemaHandy1 è stato quello di maggior successo ed è in grado di assistereHandy1 è stato quello di maggior successo ed è in grado di assisteredisabili gravi con le seguenti patologie :
Paralisi celebraleDistrofia muscolareSclerosi multiplaProblemi legati ai motoneuroniProblemi legati ai motoneuroni
Il sistema Handy1 è stato sviluppato con l’obiettivo di consentire ai soggetticon disabilità di:
acquisire una indipendenza in task complessi della vita quotidianacome bere e mangiare; successivamente anche per l’igiene personale edil make-up.il make up.
fornire ai disabili maggiore autonomia, consentendo loro diincrementare la possibilità di integrazione in ambito socio-lavorativo.
adattarsi all'invecchiamento della popolazioneadattarsi all invecchiamento della popolazione.
Origine del sistema “Handy1”
Mike Topping nel 1987 mise appunto il primo prototipo del sistema“Handy1” per aiutare Peter Higginbottom, un bambino di 12 anni affettoHandy1 per aiutare Peter Higginbottom, un bambino di 12 anni affettoda paralisi celebrale.
Il sistema è risultato troppoIl sistema è risultato troppoingombrante, a tal punto darendere impossibile al bambino di
i l f i li llmangiare con la sua famiglia nellazona pranzo .
Mike Topping, Helmut HeckGunnar Bolmsjo ,David Weightman,Staffordshire University ,Kelee University,ff y yUK
Descrizione del sistema robotico
Il manipolatore è costituito da 3 bracciconnessi ad altrettanti giunti rotoidali. giunto2gIl sistema presenta in totale 5 g.d.l.Il suo funzionamento è riconducibilea quello del robot industriale PUMA.
giunto2
giunto1giunto3 giunto1g
M i l t PManipolatore Puma
Descrizione del sistema “Handy1”
La versione attuale del sistema Handy1 è molto più avanzata, risulta infatti piùleggero e meno ingombrante rendendo possibile al disabile di mangiare con lapropria famigliapropria famiglia.
1) Braccio robotico programmabile2) I f i hi2) Interfaccia uomo- macchina3) Sistema di scansione (8 LED)4) Un vassoio intercambiabile
porta cibo munito di tazza per bere
5) Un carrello di appoggio di ) pp ggaltezza variabile
6) Microprocessore e sistema di controllo a bordocontrollo a bordo
Peso: 25 Kg Altezza: 99 cm ÷ 120cmLarghezza: 76 cmLarghezza: 76 cm
Tipologia dei vassoi
Feeding Set: un sistema di scansione di luci presentisul vassoio del sistema “Handy1” permettesul vassoio del sistema Handy1 permetteall'utente di selezionare gli alimenti da qualsiasiparte del piatto
Cleansing Set: il sistema è provvisto di un rasoiog pelettrico, spazzolino e calice, tutto per l’igienepersonale
Make-up Set: è possibile l’ applicazione di prodottiMake up Set: è possibile l applicazione di prodotticosmetici esattamente secondo il gusto dellapersona, ma soprattutto per eliminare sentimentodi frustrazione e la perdita di autostimadi 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 presentisono 7 quindi 21 movimenti per il mangiare, un solo movimento per ilbere quindi in totale il sistema può effettuare 22 movimentibere quindi in totale il sistema può effettuare 22 movimenti.
Artbox
Negli ultimi anni, il sistemaHandy1 è stato modificato perpoterlo utilizzare nell’ arte delpoterlo utilizzare nell arte deldisegno e della pittura.
Successo clinico del sistema “Handy1”
Nonostante gli ausili per alimentazione siano disponibili da circa diecianni, una piccola percentuale di popolazione li utilizza.anni, una piccola percentuale di popolazione li utilizza.
Sono stati condotti dei sondaggi in varie residenze sanitarie:Sono stati condotti dei sondaggi in varie residenze sanitarie:
Una piccola minoranza di pazienti fa uso di dispositivi di alimentazioneb ti i dirobotici a causa di:
• mancanza di informazione • troppo costosi• difficili da usare• scomodi• poco attraenti dal punto di vista estetico
Successo clinico del sistema “Handy1”
Il i t H d 1 i tt liIl sistema Handy 1 rispetto agliimboccatori presenti sul mercatoè stato quello di maggior successoin quanto tiene conto di molteesigenze del paziente ed èmultifuzionale.
Sistema “Dedalo”
Sistema meccatronicoAusilio innovativo per la nutrizione autonoma di disabili nutrizione autonoma di disabili motori gravi
Target UtentiAmputati bilaterali degli arti p gsuperioriTetraplegici che non hanno l’uso delle braccia e delle mani, ma hanno un buon controllo ma hanno un buon controllo del tronco e del capoTetraplegici che non hanno l’uso delle braccia e delle mani h b ll e non hanno un buon controllo
del tronco e del capo (potrebbero avere problemi di respirazione ed utilizzare un ventilatore)Anziani con ridotta funzionalita’ delle braccia
Produttore:Dedalo SolutionsVia Boccioni n 1, - 56037 Peccioli - Pisawww.dedalosolutions.it/
Sistema “Dedalo”
Il dispositivo Oral-Joystick è una normalecannuccia che ha in più un beccuccio mobile in
l i di icontatto con quattro pulsanti disposti a croce.L’utente con movimenti della bocca può premerei pulsanti e attivare specifiche funzioni deldi iti “D d l ”
Oral -Joystickdispositivo “Dedalo”
CannucciaPulsanti
Ausili per la Mobilità
Bastoni, stampelle, tripodiDeambulatoriBicicletteCarrozzine (manuali, elettriche)( , )Autoveicoli (FIAT Autonomy)Rampe, elevatori, ascensori, montascaleRampe, elevatori, ascensori, montascale
Ausili per la Mobilità
Recenti sviluppi tecnologici della ricercall’ bit d ll i l f ilit inell’ambito delle carrozzine per la facilitazione
della mobilità:t ll d ll icontrollo della carrozzina
controllo ambientaleintegrazione di esoscheletri e bracci roboticinavigazione assistitatrasporto e recupero automatico della carrozzinasistemi modulari (carrozzina multifunzionale,( ,
lifter walker, ICT)
Controllo della carrozzina
Le comuni carrozzine elettriche vengono utilizzate medianteun joystick Comunque, la funzione della mano può essereun joystick. Comunque, la funzione della mano può esserelimitata o anche non disponibile in pazienti con disabilità gravi.
Controlli alternativi della carrozzina prevedono l’utilizzo dipaltre parti del corpo:
Controllo mediante la respirazione (Sip-n-puff)p ( p p )Controllo mediante la testaControllo mediante il mentoControllo vocaleControllo mediante l’utilizzo della linguag
Controllo mediante la respirazione
Il soggetto fornisce comandi allacarrozzina mediante inspirazione (sipping)p ( pp g)ed espirazione (puffing) in un tubopneurmatico.
l d b l l d llIl metodo si basa sul valore dellapressione applicato al tubo e se vieneapplicata una pressione negativa o positivaapplicata una pressione negativa o positiva(inspirazione ed espirazione,rispettivamente).
Inspirazione ed espirazioni nette possonoessere utilizzate per modificare la velocità ela direzione della carrozzina Lo sterzo èla direzione della carrozzina. Lo sterzo èimplementato mediante valori più bassidelle inspirazioni ed espirazioni.
Controllo mediante la testa
Adatto a soggetti con una buona abilità residuanel movimento della testa.
Teoricamente sono disponibili sei comandi, cheincludono modalità, accensione/spegnimento, stopd ll d ddi emergenze, controllo di direzione.
Il soggetto muove la carrozzina in avantiutilizzando un interruttore centrale L’attivazioneutilizzando un interruttore centrale. L attivazionedei sensori laterali fa muovere la carrozzina nelladirezione corrispondente. Un interruttore di resetpermette di passare dalla funzione avanti a quellaindietro (e viceversa).
Recentemente utilizzo di trasduttori ad ultrasuoniRecentemente utilizzo di trasduttori ad ultrasuonio a radiofrequenza, permettono di trasformare imovimenti della testa in un controllo proporzionaledella carrozzina.
Controllo mediante il mento
In genere considerato differente dalt ll di t l t t i hi dcontrollo mediante la testa, ma richiede
ugualmente che vengano effettuatimovimenti con la testa per esseremovimenti con la testa per essereazionato.
Il mento è alloggiato in unae to è a ogg ato u amaniglia/joystick a forma di coppa ed èsolitamente controllato mediante laflessione, estensione e rotazione del collo.Questo sistema è indicato per soggetti conun buon controllo della testaun buon controllo della testa.
Controllo vocale
Utilizzato in soggetti con lesionespinale alta (C1 – C4). La carrozzinaè dotata di un sistema diriconoscimento vocale che è ingrado di riconoscere un piccologrado di riconoscere un piccolovocabolario di parole usate per ilcontrollo direzionale del movimento.
Alcuni sistemi avanzati utilizzano ilriconoscimento vocale perriconoscere tutte le parolericonoscere tutte le parolepronunciate così che il soggetto lopuò utilizzare per la navigazione e lacomunicazione attraverso uncomputer (ad es. email, documenti,
)...)
Controllo mediante la lingua
Elettropalatografo (anche palatometro)registra gli eventi temporali e la posizioneg g p pdel contatto della lingua con il palatoduro (volta palatina) durante la pronunciadi ldi parole.
La tecnica richiede che il soggettoi d i l t d tifi i l hindossi un palato duro artificiale cheviene adattato alla morfologia del palato.Il contatto lingua-palato è registratoIl contatto lingua palato è registratomediante 62 sensori in argento posizionatisulla superficie del palato artificiale.
Tongue Touch Keypad (TTK)http://www.newabilities.com/p
University of Kent, in collaboration with the Kent & Canterbury Hospital and the East Kent Community Healthcare Trust
Controllo ambientale
Sistema KEO (Proteor) permette di controllare tutti idi iti i l tt i i ll’ bi t d ti ldispositivi elettrici nell’ambiente domestico; accesso alcomputer e al telefonino.
Si può collegare al joystick di differenti carrozzineSi può collegare al joystick di differenti carrozzine.
Rehacare 2007
Controllo ambientale
Sistemi Dynamic Europe Ltd.
Sistemi robotici esoscheletrici
MULOS (Motorized Upper Limb Orthotic System):y )
Ortesi robotica per arto superiore a 5 gradi di libertà (Johnson et al. 2001)
WREX (Wilmington robotic exoskeleton):Sistema esoscheletrico passivo per
compensazione di gravità a 4 gradi di compensazione di gravità a 4 gradi di libertà (Rahman et al. 2000)
Bracci robotici montati su carrozzine
Manus Arm
6 gradi di libertà
Raptor Arm
4 gradi di libertà + gripper
Bracci robotici montati su carrozzine
Alqasemi et al., 2007
7 gradi di libertà
Navigazione assistita
Integrazione carrozzinecommerciali-moduli per lapnavigazione
Test con soggetti sani eggsoggetti con disabilità:
il sistema si deve adattare allebilità t i iti d labilità motorie e cognitive del
soggetto…ma anche al tipo e allap
configurazione dell’ambiente
Navigazione assistita
Navigazione assistita
Direction following: il soggettodefinisce l’obiettivo che deve esserede sce ob ett o c e de e esse eraggiunto, anche in presenza diostacoli.L’utente definisce la direzione daL utente definisce la direzione daseguire mediante il joystick o con unainterfaccia grafica
Pi ifi i t tiPianificazione automatica del percorso
(Path planning)(Path planning)
Navigazione assistita
Sensori ad ultrasuoni
Carrozzine con controllo innovativo
Sistema SmartChairSistema autonomoSistema autonomo
Sistema manuale
S P Parikh et al Usability Study of a Control Framework for an Intelligent Wheelchair Proc 2005 IEEE International Conference onS.P. Parikh et al., Usability Study of a Control Framework for an Intelligent Wheelchair, Proc 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation
Carrozzine con controllo innovativo
Sistema SmartChairSistema semi autonomoSistema semi-autonomo
Sistema autonomo Input
Obstacle avoidance
soggetto
Carrozzine con controllo innovativo
Sistema NavChair basato su unacarrozzina commerciale concomputer, sensori ad ultrasuoni e unmodulo di interfaccia tra il joystick eil modulo di alimentazioneil modulo di alimentazione.
Tre modalità operative:general obstacle avoidance,door passage,automatic wall following.
“Shared control”: operatore umanope macchina condividono il controllodi un sistema e la macchina puòadattarsi automaticamente aladattarsi automaticamente alcomportamento umanoS.P. Levine et al., The NavChair Assistive Wheelchair NavigationSystem Proc 2005 IEEE International Conference on RoboticsSystem, Proc 2005 IEEE International Conference on Roboticsand Automation
Carrozzine con sistemi di ruote innovativi
M Wada ICORR 2007M. Wada , ICORR 2007
Sistema per trasporto automatico di carrozzine
Sistema di controllo basato sulla visioneintegrabile in un minivan o SUV
La carrozzina può spostarsi in manieraautonoma tra il posto di guida e la parteposteriore dell’auto per facilitare ilposteriore dell auto per facilitare ilcaricamento
H.S. Villalta et al., Vision-based Control of a Smart Wheelchair for the Automated Transport and RetrievalSystem (ATRS), Proc 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation
Sistema modulare per la mobilità
Sedia multifunzionaleLifter WalkerICT con User CommunicationICT con User CommunicationBase Mobile Interfaccia Utente
Prospettive future
Brain Computer Interface (BCI)
EEG
Prospettive future
Brain Computer Interface (BCI)Controllo non invasivo mediante la
Cuffia per EEGControllo non invasivo mediante la
registrazione di segnali EEG durantela fase di immaginazione motoria( ibili di i/i di
per EEG
(possibili comandi: avanti/indietro;destra/sinistra)
Ausili per la comunicazioneTastiere speciali
Tastiera standard con scudoEmulatori di tastiera e mouseTastiere configurabiliTastiere configurabiliTastiere facilitate
Ausili per la comunicazione
In questa categoria sono inclusi:
le tabelle di comunicazione,i comunicatori e i software dii comunicatori e i software dicomunicazione sia alfabetici chesimbolici,i di iti i l i ii dispositivi per la comunicazionea distanza (telefoni e software diposta elettronica).
www.auxilia.it/
Ausili per la comunicazioneQualikey+Qualyspeak: softwareaperto per la creazione di videatedinamiche per la comunicazione,
di i di l i i lpredizione di parola, sintesi vocale,l'utilizzo di diversi programmiWindows
Eurovocs suite: softwarecomprendente tastiera a videopersonalizzabile + predizione diparola + elaboratore di testi conparola + elaboratore di testi consintesi vocale
The grid: software aperto per lag p pcreazione di videate dinamiche perla comunicazione, predizione diparola, sintesi vocale, il controlloambienteambiente
Sintesi Loquendo: sintesi vocalemolto simile a quella umana
Ausili per la comunicazionePuntamento oculare (eye-tracking)Sistema montato su Tablet PC e dotato di unsoftware completo e personalizzabile per lacomunicazione. Esso fornisce all’utente:
un sistema di comunicazione basato sullascrittura dei messaggiun sistema di comunicazione veloce basato suicone e messaggi preformatiun accesso facilitato a Internetun sistema facilitato di posta elettronicaun sistema per l'invio e la ricezione di SMSla possibilità di gestire CD musicali e DVD
Ausili per la comunicazione
Controllo ambientale
Questi sistemi offrono la possibilità di controllaredispositivi nell'ambiente, come televisore, decoder,plettore DVD, impianto Hi-Fi, condizionatore d'aria.
Ciò è ibil ll d i i t i diCiò è possibile collegando ai sistemi dicomunicazione, unità programmabili con le quali èpossibile riprodurre qualunque funzione di unnormale telecomando a infrarossi e attivarlaattraverso il sistema di comunicazione.
Conclusioni
Sistemi tecnologici sviluppati recentementeib i d l’i di d dipossono contribuire ad aumentare l’indipendenza di
persone con disabilità (alimentazione, mobilità,i i )comunicazione).
Facilitazione dell’alimentazioneFacilitazione del controllo della mobilità,
dell’ambiente e della comunicazione, in base alle,abilità residue.
Obiettivo finale: miglioramento della qualità dellaObiettivo finale: miglioramento della qualità dellavita dei soggetti con disabilità.
