Deploying service robots in nursing homes : mapping of needs, design, development and preliminary validation with end-users of a motor-cognitive game

The rapidly aging population in many developed countries makes healthcare an important social challenge. For this reason, technology represents an important tool to face the problems of the healthcare sector. This thesis work aims at enabling the use of a service robot (TIAGo, PAL Robotics) in a nursing home. In the first part of this thesis, the unmet needs in the long-term assistance sector have been investigated through interviews with nursing home managers. The analysis of the interviews highlighted cognitive stimulation and the entertainment of the elderly as the most prominent needs. Hence, in the second part, a software application implementing a motor-cognitive game has been developed in ROS. The "play-together" design of the game distinguishes it from classical touchscreen-based games. During the game, TIAGo and the user stand in front of each other. The robot mimes a letter with its robotic arm, and the user has to recognize and then imitate it. In order to stimulate memory, the sequence of letters to recognize and mime gets longer at each game turn. The movements of the player are tracked thanks to an ArUCo, to be held in the hand. The application has been then tested on two groups, 10 young subjects and 4 potential end-users (i.e. elderly subjects aged 82.3±3.5). Technical and user-experience data have been collected. The overall recognition system (tracking + classification with CNN) showed an accuracy of 92.2% and 80.5%, respectively for young and elderly subjects. User-experience data have been collected through questionnaires after the game session. The elderly recognized the game as useful memory training and a motivation to perform mild physical activity. Furthermore, all the players from both groups described the game as stimulating, captivating, and, above all, enjoyable. This work represents a pilot project, aimed at deploying a service robot in a nursing home, toward the improvement the quality of life of both assisted people and caregivers.

Il progressivo invecchiamento della popolazione in molti paesi sviluppati rende l’assistenza agli anziani un problema sociale estremamente rilevante. La tecnologia si pone come uno strumento fondamentale per affrontare i problemi del settore sanitario. Questo lavoro di tesi mira ad abilitare l’utilizzo di un robot di servizio (TIAGo, PAL Robotics) all’interno delle RSA. Nella prima parte della tesi, cinque direttori di RSA italiane sono stati intervistati per approfondire i bisogni e le principali problematiche di queste strutture. L’analisi delle interviste ha evidenziato la stimolazione cognitiva e l’intrattenimento degli anziani come bisogni primari. Di conseguenza, nella seconda parte, è stata sviluppata un’applicazione software in ROS per implementare un gioco motorio-cognitivo. Il design "play-together" dell’applicazione, la distingue dai classici giochi implementati su schermo touch. Durante il gioco, TIAGo e l’utente sono posti uno di fronte all’altro. Il robot mima una lettera col suo braccio robotico; l’utente deve riconoscerla e mimarla a sua volta. Per stimolare la memoria, la sequenza di lettere da riconoscere e mimare diventa più lunga ad ogni turno di gioco. I movimenti dell’utente sono tracciati tramite un marker ArUCo, che il giocatore tiene in mano per la durata del gioco. L’applicazione è stata testata su due gruppi: 10 soggetti giovani e 4 potenziali utenti finali (soggetti anziani con un’età di 82.3 ± 3.5 anni). Durante queste prove sono stati raccolti dati tecnici e relativi all’esperienza di gioco. Il sistema di riconoscimento globale (tracciamento del movimento + classificazione con CNN) ha mostrato un’accuratezza del 92.2% e dell’80.5% rispettivamente per i giovani e per gli anziani. I dati sull’esperienza di gioco sono stati raccolti tramite questionari al termine di ogni sessione di gioco. Gli anziani hanno ritenuto il gioco molto utile per allenare la memoria e uno stimolo a svolgere una leggera attività fisica. Inoltre, i giocatori di entrambi i gruppi hanno trovato il gioco stimolante, accattivante e, sopratutto, divertente. Questo lavoro rappresenta un progetto pilota che mira a rendere possibile l’utilizzo di un robot di servizio in una RSA, con lo scopo finale di migliorare la qualità della vita degli anziani ospitati nelle strutture e di coloro che li assistono.