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Ballbot: Uma Nova Abordagem para Ajudas de Mobilidade

O ballbot oferece controle de movimento sem usar as mãos para quem tem dificuldades de mobilidade.

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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Ballbot: MobilidadeBallbot: MobilidadeRedefinidapara quem tem desafios de mobilidade.Um novo dispositivo melhora o movimento
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O desenvolvimento de dispositivos assistivos ajuda pessoas com dificuldades de mobilidade a se moverem mais facilmente. Cadeiras de rodas tradicionais podem limitar os movimentos e causar lesões ao longo do tempo por causa do uso repetitivo. Algumas cadeiras de rodas motorizadas resolvem esse problema, mas podem ser pesadas, caras e difíceis de usar em espaços apertados. Pra lidar com essas questões, um novo dispositivo, chamado Ballbot, foi criado. Esse design inovador permite que os usuários se sentem e controlem o dispositivo usando os movimentos do corpo, principalmente inclinando e torcendo o tronco.

O Design do Ballbot

O ballbot é um tipo único de robô que usa uma bola esférica como sua roda principal. Isso permite que ele se mova em todas as direções, tornando-o super ágil. Seu tamanho compacto significa que pode navegar por espaços estreitos mais facilmente do que cadeiras de rodas motorizadas tradicionais. O dispositivo foi projetado pra ajudar os usuários a manterem o equilíbrio e realizarem outras tarefas enquanto podem usar as mãos livremente.

Controle Sem Mãos

Uma das características que se destaca no ballbot é o seu sistema de controle sem mãos. Os usuários podem gerir os movimentos dele apenas inclinando o tronco. Esse sistema se adapta a diferentes usuários, dependendo de quanto eles conseguem se mover. Já que a habilidade de inclinar e torcer varia de pessoa pra pessoa, o sistema de controle precisa ser flexível pra acomodar essas diferenças.

Duas principais formas de controle são usadas: controle de impedância e controle de admitância. Ambos os métodos ajudam a personalizar como o ballbot se comporta com base nos movimentos do usuário. O controle de impedância ajuda o robô a responder a quão forte um usuário inclina em diferentes direções, enquanto o controle de admitância foca em usar os movimentos do usuário pra ditar a velocidade e direção do ballbot.

O Estudo de Pesquisa

Pra descobrir quão eficazes são esses métodos de controle, foi feito um estudo com usuários experientes e novatos. O objetivo era testar quão bem as pessoas conseguiam parar o ballbot a partir de uma certa velocidade e quão facilmente podiam navegar por espaços apertados. Os participantes incluíam pessoas que usam cadeiras de rodas e aquelas que não usam.

Testando o Desempenho da Frenagem

Na primeira fase, usuários experientes que conheciam o dispositivo foram convidados a parar completamente a partir de uma velocidade próxima à de uma caminhada. Os pesquisadores mediram vários fatores, incluindo o quanto os usuários precisavam se esforçar, quanto tempo demorava pra parar e quão longe o ballbot foi antes de parar.

Os resultados mostraram que o sistema de controle de admitância funcionou melhor que o sistema de controle de impedância. Usuários que inclinavam seus troncos efetivamente alcançaram um desempenho de parada melhor, precisando de menos esforço e tempo pra parar o ballbot.

Testando com Usuários Novatos

Depois, usuários novatos foram chamados pra testar o ballbot. Eles tinham pouca ou nenhuma experiência com o dispositivo. Esses participantes praticaram controlar o ballbot usando o método de controle de admitância antes de tentar os testes de frenagem. Eles se saíram semelhantes aos usuários experientes, mostrando que o design é intuitivo e fácil de aprender.

Assim que se sentiram confortáveis em parar o ballbot, os usuários novatos partiram pros testes de Navegação. Esses testes envolveram manobrar por corredores estreitos e evitar obstáculos estáticos e em movimento. Os resultados confirmaram que os usuários conseguiam gerenciar o dispositivo efetivamente, mesmo em situações desafiadoras.

Vantagens do Ballbot

O ballbot aborda algumas limitações chave das cadeiras de rodas tradicionais e dos modelos motorizados. Seu design permite que os usuários se movam em qualquer direção, dando mais liberdade e controle. O método de controle sem mãos reduz a tensão física no corpo, potencialmente diminuindo o risco de lesões.

O tamanho compacto do ballbot o torna adequado para uso interno, já que ele pode navegar por espaços apertados com facilidade. Isso é especialmente benéfico para usuários que enfrentam desafios de mobilidade em ambientes cotidianos, como casas ou pequenos escritórios.

Conclusão

O desenvolvimento do ballbot representa um avanço significativo na tecnologia assistiva. Ele combina um design inovador com controle sem mãos, dando aos usuários uma nova maneira de vivenciar a mobilidade. Os resultados dos testes mostram que tanto usuários experientes quanto novatos podem rapidamente aprender a operar o dispositivo de forma eficaz.

Inclinando e torcendo seus corpos, os usuários conseguem controlar o ballbot com facilidade, levando a uma experiência mais segura e agradável. Essa abordagem abre novas possibilidades para indivíduos com desafios de mobilidade, permitindo que se movam de forma independente e confiante em seus ambientes.

Com a continuidade da pesquisa, a esperança é que dispositivos como o ballbot possam melhorar a qualidade de vida de muitas pessoas, proporcionando a liberdade e mobilidade que elas precisam pra se envolver plenamente em suas atividades diárias.

Fonte original

Título: Exploiting Physical Human-Robot Interaction to Provide a Unique Rolling Experience with a Riding Ballbot

Resumo: 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 atualização: 2024-09-27 00:00:00

Idioma: English

Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2409.18452

Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.18452

Licença: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.

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