Contributions for adapting electric wheelchairs to people with reduced handling capabilities

Abstract

The use of a commercial powered wheelchair during daily activities by people with motor limitations provides autonomy, increasing quality of life. For people with more severe restrictions, specifically reduced handling, the use of the powered wheelchair may be compromised as they cannot control the joystick with the required ability. This work is intended to give these people the ability to drive comfortably and safely their electric wheelchair. This proposal for adapting a commercial powered wheelchair has essentially two main objectives. The first one is to allow people who cannot drive a conventional powered wheelchair because they have muscle weakness in their upper limbs to do so. So, and to facilitate the wheelchair navigation, three modes of operation are proposed. Therefore, the adapted wheelchair controller must able translate the new impulses provided by the joystick, depending of the user abilities, in direction commands. Driving the powered wheelchair continuously can quickly become a stressor. Thus, the second goal is to ensure that during the powered wheelchair driving, its user always remains in a calm state, avoiding harming their well-being and their health. It is thus proposed to insert a system for monitoring the emotional state of the wheelchair user. The primary purpose of this system is to alert its user when he reached critical emotional levels, which makes it impossible to continue driving safely. In this situation the wheelchair controller becomes responsible for the wheelchair command. The implementation of the stress detection system was based in the galvanic skin response and heart rate sensors. With the acquired information, it was defined the user’s emotional profile and evaluated several algorithms classification to predict new emotional states. This system was tested by two users groups. The first group consisted of drivers driving cars and the second group consisted of tetraplegic people driving their powered wheelchair. For people without disabilities, it was confirmed through biometric signals that each person reacts differently to the same situations. This difference is most striking in the response of skin conductivity. For tetraplegic people, we concluded and confirmed, that the sympathetic nervous system response cannot be measured by galvanic skin response. Several classification algorithms were trained for stress detection in realtime. For each user, the best classifying model was found. We conclude that the best models vary from person to person and also depend on the number and type of predictors used. This work results from the collaboration of the University of Aveiro and the Centro de Reabilitação e Medicina da Região Centro - Rovisco Pais.

O uso de uma cadeira de rodas elétrica durante as atividades do quotidiano por pessoas com limitações motoras proporciona autonomia, aumentando qualidade de vida. No caso de pessoas com limitações mais severas, nomeadamente com manipulação reduzida, a utilização da cadeira de rodas elétricas pode estar comprometida, pois não conseguem controlar o joystick com a destreza necessária. Este trabalho pretende proporcionar a essas pessoas a possibilidade de conduzir a sua cadeira de rodas elétrica de uma forma confortável e segura. Esta proposta de adaptação de uma cadeira de rodas elétrica tem essencialmente dois grandes objetivos. O primeiro é permitir a pessoas que não conseguem conduzir uma cadeira de rodas elétrica convencional por sofrerem de fraqueza muscular nos membros superiores, o comecem a fazer. Assim, para facilitar a condução da cadeira, propõem-se três modos de operação. Além disso, o controlador da cadeira adptada vai ter que ter a capacidade de interpretar os novos impulsos dados no joystick, que dependem das capacidades de manipulação de cada utilizador, em comandos de direção. A condução da cadeira de forma consecutiva pode-se tornar rapidamente um fator de stress. Assim, o segundo objetivo ´e garantir que, enquanto a pessoa conduz a cadeira se mantenha sempre num estado calmo, evitando prejudicar o seu bem-estar e consecutivamente, a sua saúde. E assim proposto a integração de um sistema de monitorização do seu estado emocional durante a condução da cadeira. Este sistema tem como principal objetivo alertar o utilizador que este atingiu níveis emocionais críticos que inviabilizam a continuação da condução em segurança. Nesta situação, quem passa a ficar responsável pelo comando da cadeira é o próprio controlador da cadeira. A implementação do sistema baseou-se no uso de sensores de resposta galvânica e de batimento cardíaco. Com a informação adquirida por estes sensores, definiu-se o conceito de perfil emocional do utilizador e foram avaliados algoritmos de classificação de stress capazes de prever diferentes estados emocionais. Este sistema foi testado por dois grupos de utilizadores. O primeiro grupo foi composto por condutores a conduzirem automóveis e o segundo grupo foi composto por pessoas tetraplégicas, a conduzirem as cadeiras de rodas elétrica pessoais. Para pessoas sem deficiência confirmou-se, através dos sinais biométricos, que cada pessoa reage de forma diferente perante as mesmas situações. Esta diferença é mais flagrante na resposta da condutividade da pele. No que diz às pessoas tetraplégicas, confirmou-se que a resposta do sistema nervoso simpático não pode ser medida através da resposta galvânica da pele. Para a implementação da deteção de stress em tempo real foram usados diversos algoritmos de classificação. Para cada utilizador, foi encontrado o melhor modelo de classificação. Conclui-se que os melhores modelos variam de pessoa para pessoa e que também dependem do número e tipo de preditores utilizados. Este trabalho resulta da colaboração entre a Universidade de Aveiro e o Centro de Medicina de Reabilitação da Região Centro - Rovisco Pais.