Dynamic difficulty adjustment of rehabilitation tasks throughreal-time emotion feedback and performance

Abstract

Robot destekli rehabilitasyonda hasta motivasyonunu yüksek seviyede tutacak uygun zorlukdüzeyinin belirlenmesi hala ilerlemeye açık bir araştırma konusudur. Üç farklı geribildirimyöntemi ile rehabilitasyon egzersizinin zorluk düzeyini değiştirerek denek motivasyonunuyüksek seviyede tutmayı amaçlayan robot destekli bir rehabilitasyon sistemi geliştirilmiştir.Yöntemlerden ilkinde deneklerin performansına (skor) göre (Performans GeribildirimTabanlı Ayarlama (PGTA)), ikincisinde fizyolojik sinyaller yoluyla (deri iletkenliği) duygudurumuna göre (Fizyolojik Geribildirim Tabanlı Ayarlama (FGTA)), sonuncusunda ise aynıanda hem performans hem de duygu durumuna göre (PFGTA) bir değerlendirmeyapılmaktadır. Konsept bir üst ekstremite eksoskeleton robotu olan RehabRoby üzerindeegzersizleri gerçekleştiren 20 sağlıklı denek ile değerlendirildi. Sistem, motivasyondurumunu dengelemek ve aynı zamanda kişiye özgü zorlayıcı olabilmek için deneklerinperformans ve deri iletkenliği değerlerini orta seviyelerde tutacak şekilde egzersiz zorlukdüzeylerini adapte etmektedir. Ortalama zorluk seviyesi dağılımına bakıldığında FGTA' dadeneklere sunulan zorluk seviyelerinin (2.62±0.43, ortalama+standart sapma), PGTA(5.93±0.88) ve PFGTA' ya (3.99±0.38) göre biraz daha kolay olduğu görülmektedir.Deneklere daha kolay zorluk seviyesi sunulmasıyla FGTA' da PGTA ve PFGTA' ya göredaha düşük deri iletkenliği cevabı (9.35±8.9) ve daha düşük kalp atış hızı (89.27±9.35)değerleri, buna bağlı olarak da deneklerin daha az motive olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıcadaha kolay zorluk seviyesi ayarının bir sonucu olarak FGTA' da PGTA ve PFGTA' yakıyasla daha düşük değerlik (5.7±0.95), uyarılma (5.45±1.6) ve baskınlık (5.9±1.5) öznelderecelendirmeleri görülmüştür. PFGTA' nın zorluk düzeyi varyansının (4.97±2.06), PGTA(1.48±0.49) ve FGTA' ya (3.52±1.41) göre yüksek olduğu görülmektedir. Zorluk düzeyindedaha geniş bir aralıktaki çeşitlilik deneğin yaşadığı şaşkınlık durumunu arttırarak dahamotive bir rehabilitasyon süreci sağlayabilmektedir. Buna bağlı olarak PFGTA' dakiMeantemp değeri (1.33±1.5), PGTA (2.39±1.78) ve FGTA' ya (2.03±1.58) oranla daha düşükolarak saptanmıştır.

The decision of proper difficulty level for patients in robot-assisted rehabilitation whilekeeping them engaged is still an open challenge. We develop an adaptive robot-assistedrehabilitation therapy to challenge the subjects by changing the difficulty level of therehabilitation task considering their performance (score) (Performance Feedback BasedAdjustment (PFBA)), their emotions through physiological signals (skin conductance)(Physiological Feedback Based Adjustment (PHFBA)), and both performance and emotionsat the same time (Performance and Physiological Feedback Based Adjustment (PPFBA)).The concept is evaluated in 20 healthy subjects performing the tasks with an upper-extremityexoskeleton RehabRoby. The system adapts difficulty levels of the tasks by maintaining thesubject's performance, and skin conductance at a moderate level to balance the engagement,and challenge for each subject. The mean difficulty level distribution showed that PHFBAon the average suggests slightly easier difficulty levels (2.62±0.43, mean±std) to the subjectsthan PFBA (5.93±0.88, mean±std) and PPFBA (3.99±0.38, mean±std). Easier difficultylevel adjustment resulted in less engaged subjects and correspondingly lower subjects' skinconductance response (SCR) (9.35±8.9, mean±std) and heart rate (HR) (89.27±9.35,mean±std) values in PHFBA compared to PFBA and PPFBA. Additionally, easier difficultylevel adjustment resulted in lower valence value (5.7±0.95, mean±std), arousal (5.45±1.6,mean±std) and dominance (5.9±1.5, mean±std) subjective ratings in PHFBA compared toPFBA and PPFBA. It was also noted that the difficulty variance of PPFBA (4.97±2.06,mean±std) was higher than PFBA (1.48±0.49, mean±std) and PHFBA (3.52±1.41,mean±std) which meant that PPFBA offered wider levels to each subject. A wider variety ofdifficulty level suggestions might increase the amazement experienced by the subject, andthe subject might become more engaged in the rehabilitation task, and consequently,Meantemp value in PPFBA (1.33±1.5, mean±std) was lower than the PFBA (2.39±1.78,mean±std) and PHFBA (2.03±1.58, mean±std).