Ballbot: Un Nuevo Enfoque para Ayudas de Movilidad
El ballbot ofrece control de movimiento sin manos para quienes tienen dificultades de movilidad.
Chenzhang Xiao, Seung Yun Song, Yu Chen, Mahshid Mansouri, João Ramos, Adam W. Bleakney, William R. Norris, Elizabeth T. Hsiao-Wecksler
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Tabla de contenidos
El desarrollo de dispositivos de asistencia ayuda a las personas con problemas de movilidad a moverse más fácilmente. Las sillas de ruedas tradicionales pueden limitar el movimiento y causar lesiones con el tiempo debido al uso repetido. Algunas sillas de ruedas eléctricas solucionan este problema, pero pueden ser pesadas, costosas y difíciles de usar en espacios reducidos. Para abordar estos problemas, se ha creado un nuevo dispositivo llamado Ballbot. Este diseño innovador permite a los usuarios sentarse y controlar el dispositivo usando sus movimientos corporales, especialmente inclinándose y girando el torso.
El Diseño del Ballbot
El ballbot es un tipo único de robot que utiliza una bola esférica como su rueda principal. Esto le permite moverse en todas las direcciones, haciéndolo muy ágil. Su tamaño compacto significa que puede navegar por espacios estrechos más fácilmente que las sillas de ruedas eléctricas tradicionales. El dispositivo está diseñado para ayudar a los usuarios a mantener su equilibrio y realizar otras tareas mientras pueden usar sus manos libremente.
Control Sin Manos
Una de las características más destacadas del ballbot es su sistema de control sin manos. Los usuarios pueden manejar sus movimientos solo inclinando sus torsos. Este sistema se adapta a diferentes usuarios, dependiendo de cuánto puedan moverse. Dado que la capacidad de inclinarse y girar varía entre las personas, el sistema de control necesita ser flexible para acomodar estas diferencias.
Se utilizan dos métodos principales de control: control de impedancia y Control de Admisión. Ambos métodos ayudan a personalizar cómo se comporta el ballbot en función de los movimientos del usuario. El control de impedancia ayuda al robot a responder a qué tan fuerte se inclina un usuario en diferentes direcciones, mientras que el control de admisión se centra en usar los movimientos del usuario para dictar la velocidad y dirección del ballbot.
El Estudio de Investigación
Para averiguar cuán efectivos son estos métodos de control, se llevó a cabo un estudio con usuarios experimentados y novatos. El objetivo era probar cuán bien podían detener el ballbot desde una cierta velocidad y cuán fácilmente podían navegar por espacios reducidos. Los participantes incluían personas que usan sillas de ruedas y aquellas que no.
Pruebas de Rendimiento de Frenado
En la primera fase, se pidió a los usuarios experimentados que estaban familiarizados con el dispositivo que se detuvieran completamente desde una velocidad cercana a la de caminar. Los investigadores midieron varios factores, incluyendo cuánto esfuerzo tuvieron que hacer los usuarios, cuánto tiempo tardaron en detenerse y qué tan lejos viajó el ballbot antes de detenerse.
Los resultados mostraron que el sistema de control de admisión funcionó mejor que el sistema de control de impedancia. Los usuarios que se inclinaron efectivamente lograron un mejor rendimiento de frenado, necesitando menos esfuerzo y tiempo para detener el ballbot.
Pruebas con Usuarios Novatos
A continuación, se trajeron usuarios novatos para probar el ballbot. Tenían poca o ninguna experiencia usándolo. Estos participantes practicaron controlar el ballbot utilizando el método de control de admisión antes de intentar las pruebas de frenado. Se desempeñaron de manera similar a los usuarios experimentados, mostrando que el diseño es intuitivo y fácil de aprender.
Una vez que se sintieron cómodos deteniendo el ballbot, los usuarios novatos pasaron a las pruebas de Navegación. Estas pruebas involucraron maniobrar a través de pasillos estrechos y evitar obstáculos estáticos y en movimiento. Los resultados confirmaron que los usuarios podían gestionar el dispositivo de manera efectiva, incluso en situaciones desafiantes.
Ventajas del Ballbot
El ballbot aborda algunas limitaciones clave de las sillas de ruedas tradicionales y los modelos eléctricos. Su diseño permite a los usuarios moverse en cualquier dirección, dándoles más libertad y control. El método de control sin manos reduce la tensión física en el cuerpo, lo que podría disminuir el riesgo de lesiones.
El tamaño compacto del ballbot lo hace adecuado para uso en interiores ya que puede navegar a través de espacios reducidos con facilidad. Esto es particularmente beneficioso para los usuarios que enfrentan desafíos de movilidad en entornos cotidianos como casas u oficinas pequeñas.
Conclusión
El desarrollo del ballbot representa un avance significativo en tecnología de asistencia. Combina un diseño innovador con control sin manos, ofreciendo a los usuarios una nueva forma de experimentar la movilidad. Los resultados de las pruebas muestran que tanto usuarios experimentados como novatos pueden aprender rápidamente a operar el dispositivo de manera efectiva.
Al inclinarse y girar sus cuerpos, los usuarios pueden controlar el ballbot con facilidad, lo que conduce a una experiencia más segura y agradable. Este enfoque abre nuevas posibilidades para las personas con desafíos de movilidad, permitiéndoles moverse de forma independiente y segura en sus entornos.
A medida que la investigación continúa, la esperanza es que dispositivos como el ballbot puedan mejorar la calidad de vida de muchas personas, proporcionándoles la libertad y movilidad que necesitan para participar plenamente en sus actividades diarias.
Título: Exploiting Physical Human-Robot Interaction to Provide a Unique Rolling Experience with a Riding Ballbot
Resumen: This study introduces the development of hands-free control schemes for a riding ballbot, designed to allow riders including manual wheelchair users to control its movement through torso leaning and twisting. The hardware platform, Personal Unique Rolling Experience (PURE), utilizes a ballbot drivetrain, a dynamically stable mobile robot that uses a ball as its wheel to provide omnidirectional maneuverability. To accommodate users with varying torso motion functions, the hanads-free control scheme should be adjustable based on the rider's torso function and personal preferences. Therefore, concepts of (a) impedance control and (b) admittance control were integrated into the control scheme. A duo-agent optimization framework was utilized to assess the efficiency of this rider-ballbot system for a safety-critical task: braking from 1.4 m/s. The candidate control schemes were further implemented in the physical robot hardware and validated with two experienced users, demonstrating the efficiency and robustness of the hands-free admittance control scheme (HACS). This interface, which utilized physical human-robot interaction (pHRI) as the input, resulted in lower braking effort and shorter braking distance and time. Subsequently, 12 novice participants (six able-bodied users and six manual wheelchair users) with different levels of torso motion capability were then recruited to benchmark the braking performance with HACS. The indoor navigation capability of PURE was further demonstrated with these participants in courses simulating narrow hallways, tight turns, and navigation through static and dynamic obstacles. By exploiting pHRI, the proposed admittance-style control scheme provided effective control of the ballbot via torso motions. This interface enables PURE to provide a personal unique rolling experience to manual wheelchair users for safe and agile indoor navigation.
Autores: Chenzhang Xiao, Seung Yun Song, Yu Chen, Mahshid Mansouri, João Ramos, Adam W. Bleakney, William R. Norris, Elizabeth T. Hsiao-Wecksler
Última actualización: 2024-09-27 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2409.18452
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.18452
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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