Novel Assistive Robot for Self-Feeding

Novel Assistive Robot for Self-Feeding

Assistive robots,  with  which  users  can interact directly, have  attracted worldwide attention. They  can  assist  people with  disabilities and  older  persons in the  activities of daily  living. Assistive robots could be employed for improving quality of life as they can be adjusted according to demographic changes. There  are  several  crucial  issues  to be considered with regard to  these  robots,  such  as  customizing them  according to  the  specific  culture of the users  as well as ensuring cost-effectiveness (Mann,  2005).

In Korea,  the official number of registered people with  disabilities due  to illnesses,  injuries, and  the natural aging  process  has already exceeded two million  (Employment Development Institute, 2009). More than  one-third of these disabled people are the elderly. Moreover, due to longer  life spans and  a decline  in birthrate, the elderly make  up over 10% of the population in Korea. As a result,  effective caregiving with restricted resources is an urgent problem.

In  order to  achieve  efficient  caregiving for  people with  disabilities and  elderly persons, caregivers should physically interact with the people. For example, caregivers have to assist people in  performing the  routine activities of  their  daily  lives,  such  as  eating,  changing clothes,  changing their  posture, moving from  one location  to another, and  bathing. Among these  activities, eating  meals  is  one  of  the  most  essential daily  activities. In  this  regard, caregivers  must  interact  with  people  frequently  to  assist  with  food  selection,  feeding interval, etc. Existing robotic technologies can be utilized to take over the functions of the caregivers. Thus, assistive robots  represent one of the solutions by which  disabled or elderly people can receive support for performing the activities of daily life.

The  design of assistive robots  to  help  with  self-feeding depends  strongly on  the  specific culture of the user.  Korean  food consists  chiefly of boiled  rice, soup,  and  side dishes such as Kimchi.  The procedure of having a meal  is as follows:  the user  eats the boiled  rice first and then  the  side  dishes. These  steps  are  performed repetitively. In  comparison with  foreign boiled  rice, Korean  boiled  rice sticks  together very  well  after  cooking.  Handling this  sticky boiled   rice  can  be  problematic.  In  addition, Korean   soup   includes meat,   noodles, and various vegetables, thus  the existing  feeding robots  find it difficult  to handle Korean  foods. Various assistive robots   have  been  developed since  the  late  1980s,  as  shown in  Fig.  1. Handy1 (Topping & Smith,  1999) is an  assistive robot  for  daily  activities such  as  eating, drinking, washing, shaving, teeth  cleaning, and  applying make-up. Handy1 consists  of a five-DOF  (degree-of-freedom)  robot,   a  gripper, and   a  tray  unit.   The  major  function  of Handy1 is to help with  eating.  Handy1 allows  a user to select food from any part  of the tray. A cup  is attached to enable  users  to drink water with  their  meal.  The walled columns of a food  dish  serve  an important purpose: the food  can be scooped on to the dish  without any resultant mixing  of food items.

(a) Handy1                       (b) Winsford feeder                           (c) Neater Eater

(d) My Spoon                             (e) Meal Buddy                         (f) Mealtime Partner

Dining  System

Fig. 1. Feeding systems

The Winsford feeder  (Sammons Preston; Hermann et al., 1999) is a mechanical self-feeding system.  It uses  a mechanical pusher to fill a spoon and  a pivoting arm  to raise the spoon to the user’s mouth that is at a preset position. The plate  is rotated to place more  food in front  of the pusher. The user can choose from two input devices: a chin switch and a rocker switch. Neater  Eater   (Neater  Solutions)  has   two   versions:   a  manual–operation-type  and   an automatic-operation-type system.  Neater Eater  consists  of a two-DOF  arm  and  one  dish. Two types  of food can be present on the one dish.  The manual type  can be used  to suppress the tremors of a user’s upper limbs while he or she eats.

My Spoon  (Soyama  et al., 2003) is suitable in the case of Japanese food. It consists  of a five- DOF manipulator, a gripper, and  a meal  tray.  The meal  tray  has  four  rectangular cells. My Spoon  combines  several  pre-programmed motions:  automatic  operation,  semiautomatic operation, and  manual operation. The semiautomatic operation allows  a user  to select food. The manual operation can change the position in which  the  food  is held.  The input device can  be  selected from  among the  following: the  chin  joystick,  reinforcement joystick,  and switch.   The  end-effector of  the  robotic   arm  has  one  spoon and   one  fork,  which   move together to realize  the  grasping motion. During the  grasping process,  the gap  between the spoon and  the fork changes and  thus  the end-effector grasps the food. Then the robot  moves to a predefined position in front of the user’s mouth, and  the fork moves  backward to enable the user to eat the food off the spoon.

Meal  Buddy (Sammons Preston) has  a three-DOF robotic  arm  and  three  bowls  that  can be mounted on  a  board using  magnets. After  the  system   scoops  the  food,  the  robotic  arm scrapes the surplus food off the spoon with the rod on the bowls.

The Mealtime Partner Dining System (Mealtime Partners) is positioned in front of a user’s mouth. Three  bowls  can rotate  in front  of the mouth. The spoon picks up the food and  then moves  a short  distance toward the  preset location  of the  mouth. This  system  reduces the chances  of the spoon slipping on wet food  because the underside of the spoon is wiped off after  scooping. Because  of the way  the system  is positioned, the user  does  not need  to lean toward the feeder. In some systems, a beverage straw is located beside the spoon (Pourmohammadali, 2007). Other  systems are  designed for  multiple users  (Guglielmelli,2009).

Most feeding systems scoop the food with  a spoon.  Those systems are not suitable for use in the  case of boiled  rice, which  is a staple  food  in Korea.  In addition, some  systems have  a single  dish,  and  thus  different types  of food  might  be mixed  during scooping. My Spoon uses the grasping function to pick up food, but this system  has difficulty serving Korean  rice due to its fixed grasping strength and the grasping openness of the gripper. As a result, My Spoon’s  gripper  sometimes  gets  a  lot  of  rice  attached  to  its  surface.  The  previously mentioned  self-feeding robotic   systems also  have  difficulty scooping this  staple   Korean food.

Feeding robots  enable  users  to enjoy food independently during mealtimes. After preparing food,  users  can choose  when they  want  to eat the desired food.  We developed an assistive robot  for  self-feeding by  taking   into  consideration the  feedback of  user  candidates and clinical experts. We evaluated the self-feeding robot  by performing a series of user tests. The overall  process,  i.e., formulating a concept,  design, and  evaluation involves feedback from users  and  clinical  experts. The  development process  is  performed on  the  basis  of  the philosophy of participatory action design (Ding et al., 2007).

In this  paper, we introduce a newly  designed self-feeding robot  that  will be suitable in the case  of  Korean  food,  including sticky  rice,  and  we  report the  results of  tests  that  were performed with  several  disabled people. In Section  2, we  will  present an  overview of the new  self-feeding robot  for  Korean  food.  Basic operational procedures of the  self-feeding robot will be presented in Section 3. Section 4 contains the results and discussions of tests performed with  users  with  spinal  cord  injuries.  Finally,  we  will  present the  conclusion in Section 5.

Self-feeding robot system

In  this  section,  we  will  present  an  overview  of  the  users,  requirements,  and  system configurations of the self-feeding robot system.

Users

The  primary users  of  self-feeding robots  are  people with  physical disabilities who  have difficulty moving their  upper limbs.  Such  people include those  suffering from  high-level spinal  cord  injuries,  cerebral  palsy,  and  muscular  diseases.  For  example,  people  with cervical level-4 spinal cord injuries have difficulty moving their upper limbs and retain full movement only  above  their  necks.  Some  people afflicted  with  cerebral palsy  cannot  move their  arms  and  hands, and  they often have  difficulty moving their  necks. When  the spoon of a self-feeding robot  approaches such a user’s mouth, that person has a hard time putting the food  in his  or  her  mouth. People  with  muscular diseases have  weak  muscle  movements. Even though they  can move  their  hands, they  have  limited motor  functions in their  elbows and  shoulder joints. We can also include senior  citizens  who have difficulties with  the motor functions of their upper limbs, e.g., the fragile elderly, among the abovementioned disabled people. It  is  clear  that  the  number of  overall   target   users  of  self-feeding robots   will  be growing in the near future.

Requirements of a self-feeding robot

We surveyed a group of people with  disabilities as well as clinical experts to learn  about  the requirements of a feeding robot  (Song et al., 2010a, 2010b). The focus  group consisted of a person with  a  spinal   cord  injury  and  a  person with  cerebral palsy.  The  clinical  experts included   occupational   therapists   and   medical   doctors   of   physical   medicine   and rehabilitation.

The major  findings of the survey are as follows.  Firstly,  a user  should be able to control  the feeding interval for the desired food. In the case of caregiving, one of the common problems is the difficulty in controlling the feeding interval. People  with  spinal  cord injury  are able to talk  quickly and  can  therefore manage a  short  feeding interval. However, people with cerebral  palsy  have difficulty representing their intentions quickly  when the feeding interval is too short.

Fig. 2. Korean  food on a standard food container. (From the lower  left-hand side going counterclockwise: rice, soup,  and side dishes.)

Secondly,  the  specialists  and  the  user  candidates believe  that  the  feeding systems are designed more  for  western-style food.  Those  systems are  not  suitable for  Korean   food, which  includes boiled  rice, soup,  and  side dishes. A user eats one of the side dishes and  then the  boiled  rice  in  turn.  These  steps  are  performed  repetitively  during  mealtime.  In comparison with  foreign  boiled  rice,  Korean  boiled  rice  sticks  together very  well  after cooking. One of the problems of self-feeding systems is handling this sticky boiled rice. In addition, Korean soup includes meat, noodles, and various vegetables. Therefore, existing feeding robots  have difficulty handling Korean  foods (Fig. 2).

Thirdly, a feeding robot should be suitable for use in private homes and facilities. From an economic point  of view, a feeding robot  is effective in facilities that have  many  persons with upper-limb disability. Such  facilities  do  not  have  enough caregivers to help  with  feeding due to the heavily time-consuming nature of this task. Thus, a robot reduces the burden of caregiving for feeding. A feeding robot  can also be used  in an ordinary home  to improve the quality of life of the users  and  their  families.  Members of a family  can face each  other  and freely  enjoy  talking. The other  members of the  family  can  go out  for a few  hours because they are freed from the burden of having to help with feeding.

The location  of bowls  or a tray is another important factor. According to Korean  culture, the location  of bowls  or a tray  is strongly related to the dignity of the person. A simple  feeding system  can  be  made  with  the  bowls  located in  front  of a user’s  mouth. However, some senior  user candidates hate having the bowls  right  in front  of their  mouth; they prefer  to eat the food like ordinary people. Thus, we focus mainly on using  a tabletop tray.

Other  comments of user  candidates are  as  follows:  plain  machines that  can  serve  simple dishes with  water are  required. When  a caregiver goes  out  for a while,  a user  needs  to be able  to  eat  cereal  with  milk  with  the  help  of a self-feeding robot.  The  water supply tool should be located  next  to the  user’s  body.  The meal  tray  must  have  a cover  to protect the food  from  dust   contamination. The  cost  should be  reasonable, e.g.,  the  price  should be between US$1800 and $2700. Obviously, a low-cost system is preferred. The feeding robot should be able to deal with noodles. The feeding robot should be able to accommodate the posture of the user. Finally, the feeding robot should be lightweight.

We concentrate on rice handling. We do not take into account the handling of soup in this development. We will handle the requirements of feeding Korean  soup  in a future version’s design. Instead of handling Korean  soup  via a self-feeding robot,  a user  drinks soup  stored in a cup. Generally, we assume that a user drinks soup  or water through a straw.

Technically, we considered four  types  of feeding robots  in order to ensure that  it can grip and  release  boiled  rice effectively,  as shown in Fig. 3.

In the first concept,  a number of bowls  are located in front of a user’s mouth, and  the food is presented by the spoon with a short  traveling distance. For example, if there  are three  bowls, one bowl has rice and  two bowls  have side dishes. However, two side dishes are not enough to constitute a satisfying meal.  In general, Korean  people eat three  or four  side  dishes with boiled  rice at a time. Therefore, we need  four or five bowls.

(a) First concept                    (b) Second concept

(c) Third  concept                    (d) Fourth concept

Fig. 3. Design  concepts of a feeding robot. (Third  concept  is chosen.)

In the second concept,  the bowls  are located in the upper front of a user’s mouth, and  then the food drops from the bottom of a bowl. The food is placed in the spoon by a dropping motion, and then the spoon approaches the user’s mouth. This method requires the mechanism of food dropping on the spoon.  This method could be suitable for a bite-sized rice cake.

In the third concept,  the system  with  a food tray  is located  on a table. The robotic  arm  picks up food  and  then  moves  it to a user’s  mouth. These tasks  are divided into two steps:  one is picking up the food and  the other  is moving the food to the user’s mouth. Two arms  can be used  to perform the  above  two  tasks,  respectively. One  of the  user  candidates pointed out the  easy  installation  of  the  feeding robots,  especially  a  dual-arm manipulator. This  is significant because some  caregivers might   be  elderly people who  are  not  familiar with brand-new machines.

Finally,  one bowl  is located  in front  of the user’s mouth. The mixed  food with  rice is loaded in that  bowl.  Some users  do not  like the  mixed  food,  even  though they  do prefer  a simple feeding system.

We  decided on  the  third concept,  which  is located on  a table,  based  on  the  opinions of specialists and user candidates.

Design of the feeding robot

We  have  developed a  simple   robotic  system that  has  a  dual-arm manipulator that  can handle Korean  food such as boiled  rice in an ordinary food container, as shown in Fig. 4. We divide a  self-feeding task  into  two  subtasks:  picking up/releasing  food  and  transferring food to a user’s mouth. The first robotic  arm (a spoon-arm, Arm #1) uses a spoon to transfer the food from a container on a table to a user’s mouth. The second robotic  arm  (a grab-arm, Arm #2) picks food up from a container and then puts  it on the spoon of a spoon-arm.

Gra b-a rm (Arm #2)

Spoon-Arm (Arm  #1)

Gripper                                                      Spoon

Gripper

Tra y

Fig. 4. Assistive robot for self-feeding. Spoon-arm (Arm #1) uses a spoon to transfer the food from a container to a user’s mouth. Grab-arm (Arm #2) picks up the food from a container and  then loads it onto the spoon of Arm #1

The  two  arms  have  different functions. The  design of the  end-effectors of the  two  arms could  be chosen  effectively.  To pick  up  or release  the  food  stably,  a grab-arm can  use  an odd-shaped gripper, as shown in the  bottom left-hand side  of Fig. 4, because that  gripper does not need  to approach a user’s mouth. However, the end-effector of a spoon-arm has an intact round-shaped spoon to serve food to a user’s mouth safely. If an end-effector has an unusual shape,  then it might  pose a danger to the user as it approaches his or her face.

The two proposed arms with their different end-effectors mimic Korean eating behavior. Specifically,  Koreans  use  a spoon and  steel chopsticks during mealtime, as shown in Fig. 5 (a)  and  (b).  Some  people use  a  spoon and  chopsticks simultaneously  [Fig.  5 (c)]. In  the designed system, the gripper of a grab-arm and  the spoon of a spoon-arm take on the roles of  chopsticks  and  a  spoon,  respectively.  Many  Korean  caregivers  pick  up  food  with chopsticks and  then  put  it on a spoon in order to serve  food  to users  such  as children and patients. In that sense, the proposed two-armed system  stems from Korean  eating  tools.

(a)                                           (b)                                             (c)

Fig. 5. (a) A spoon for scooping food. (b) Chopsticks for picking up food. (c) A person using a spoon and chopsticks

A spoon-arm has  two  degrees of freedom (DOF)  in  order to  transfer food  on  the  spoon without changing the  orientation of the  spoon.  A grab-arm includes a three-DOF SCARA joint for the  planar motion, a one-DOF  prismatic joint for the  up  and  down motion, and  a gripper. The overall  number of DOFs of a dual-arm without a gripper is six, as shown in Fig.

6. The feeding robot can use an ordinary cafeteria  tray.

Axis #4

R4

Axis #3

R3

Arm #2

Axis #5

R5

Axis #6

P2

Connection

Bar

P1*

Axis #2

R2

Gripper

Tray

Spoon

Axis #1

Arm #1

R1

Fig. 6. The joint configuration of a novel feeding robot for Korean  foods. P1 (Prismatic Joint

#1) is optionally applied. R = Revolute. P = Prismatic

The  feeding robot  uses  a microcontroller unit  to control  a spoon-arm and  a grab-arm, as shown in Fig. 7. We add  a small-sized PC with  a touch  screen  to enable  the  user  to enjoy entertainment and  to test various kinds  of user  interfaces. During mealtime, a user  wants to enjoy multimedia such as movies or music. In addition, the small-sized PC has a Windows operating  system,  and  we  can  effectively  add  assistive  devices  for  human  computer interaction, i.e., switches, a joystick, and  biosignal interface devices.

Joystick/ Switch

 MicroArm #1                     ControllerUnit  USB PC (Mobile
Hub InternetDevice)
Arm #2 Power Unit     (Additional)
  (Battery)     Input Device

Fig. 7. Block diagram of feeding robot

The  microcontroller unit  allows   a  user  or  a  caregiver to  select  the  following: operation modes (automatic/semiautomatic/manual  mode),  the  shape   and  size  of  a  container, the location of the mouth, the robot’s speed, the time to stay in front of the mouth, and so on. Depending on  the  types  of food,  a user  also  selects  the  divided grasping region  in  each container and  the grab  strength of the gripper of the grab-arm. Our  system will be capable of selecting  the above  parameters. A user  can save the parameters of various kinds  of food. We expect that in a community, different members will be able to exchange their robots effectively  by exchanging their individual parameters via the Internet.

The grasping regions of boiled  rice in a bowl could  be defined in 3D space because the bowl should be over 50 mm in height. The grasping volume of dishes could  be defined as shown in Fig. 8. Our team is making the prototype of the proposed feeding robot. Fig. 9 shows the designed appearance of the proposed self-feeding robot.

                 

Gripper Tip

Gripper Direction

Gripper Direction

Gripper Direction

Gripper Tip

Gripper Tip

1                4

2           1              6                                                    2              3

3            4              5

1             4                 7

2               5               8

3               6              9

9                10                   11                                         6                7

15               16                   17

Fig. 8. The definition of grasping volume in containers

In order to use  a conventional food  container, we  decided that  the  length of links  of the grab-arm should cover the whole area of a food container. A grab-arm is located behind a container or on the left-hand side of a container. A grab-arm can chiefly be located  behind a food  container on  a standard table,  as shown in Fig. 10. The  lap  board of a bed  does  not provide enough space behind a food container; therefore, the grab-arm should be located  on the left-hand side of a food container.

Fig. 9. The design of a novel feeding robot for Korean  food. A spoon-arm (lower  left-hand- side figure)  for transferring food and  a grab-arm (lower  right-hand-side figure)  for picking up and  releasing food

The  spoon-arm  has  two  additional  variables,  namely  the  motorized  prismatic  motion toward a user’s mouth, and  the manual change of the link length  between the first axis and the second axis of the grab-arm. Fig. 11 shows  the overall  workspace of the spoon of a grab- arm.  In accordance with  the position of a user’s  mouth, the  predefined location  in front  of the mouth is adjusted when the system  is installed.

The height  of the  spoon on the  spoon-arm is 250–381 mm  with  respect to the  surface  of a table.  The height  of the spoon-arm depends on the table  height. We assume that  the height of a table  is 730–750 mm.  The  spoon could  be  located at  a height  of 980–1131 mm  with respect to  the  ground. According to  the  statistics of the  Korean  disabled, the  height  of a user’s  mouth could  be 1018 mm  (female)  and  1087 mm  (male),  as shown in Table 1. Thus, the height  of the spoon corresponds with the height  of the user’s mouth.

 Item Sitting height  on a wheelchair The distance from a crown  to a mouth Mouse  height  on a wheelchair
Male 1261 174 1087
Female 1187 169 1018

Table 1. Statistics  of wheelchair users  (unit: mm)

Fig. 10. The configuration of a grab-arm

Fig. 11. The work  space of a spoon-arm

Basic operation of the self-feeding robot

We  built  two  arm  configurations  of  the  developed  self-feeding  robot:  a  dual-arm configuration and a single-arm configuration. A dual-arm configuration follows an original design concept  using  both  a spoon-arm and  a grab-arm. A single-arm configuration uses

only the spoon-arm, and a caregiver takes the role of the grab-arm. We explain the two arm configurations of the feeding robot  in the following sections.

Dual-arm configuration

A dual-arm robotic  system  is applied in accordance with  an  original design concept.  If a caregiver prepares food,  users  can eat the food  on the basis  of their  intentions. A grab-arm picks up the desired food on a food container, and  the arm releases  the food on the spoon of a spoon-arm. The spoon-arm moves  the spoon to the user’s mouth. Then the user can eat the food on the spoon.

Fig. 12. The sequential motions of the self-feeding robot in dual-arm configuration. From the top left-hand side, the robot puts  a gripper into a bowl of water and  then grasps rice

The self-feeding robots  have  three  operation modes:  an  automatic mode,  a semiautomatic mode,  and  a manual mode.  The  automatic mode  has  a fixed  serving sequence of dishes; users   only  push a  start  button when they  want   to  eat  the  next  food  on  a  spoon.   In  a semiautomatic mode,  a user  can  choose  the  dishes on  the  basis  of their  intention. In this mode,  a user  can  have  the  dishes that  they  want  to eat.  In a manual mode,  the  user  can choose  food  and  control  the posture of the robot.  In all three  modes, the user  can select the feeding timing when they want  eat.

In experiments on handling boiled  rice, we  observed that  releasing rice is as important as picking up rice. The stickiness of the boiled rice can change depending on its temperature. Slightly  cool rice is difficult  to release  from  the gripper. In order to solve  this  problem, the feeding robot  automatically puts  the  gripper of the  grab-arm in water before  grasping the food.  The  water is located  in a bowl  next  to the  rice.  When  this  is done,  the  gripper can release  the rice on the spoon because the stickiness of the rice has decreased. Fig. 12 shows the whole  operation of the self-feeding robot.

The amount of rice picked up is adjusted on the basis of actual  experiments on rice grasping. A  gripper’s  mechanism  is  the  simple   opening/closing  of  gripper  fingers   via  a  linear actuator. The weight of the rice corresponding to one grasping motion increases depending on  the  open/close width (Fig. 13) of the  fingers  of the  gripper when grasping begins,  as shown in Fig. 13. The default open/close width of the gripper is 32 mm in order to grasp an average of 10 g rice. The close width of the gripper makes  the grasping force to food. Thus, we can grasp various foods by adjusting the open/close width of the gripper.

Op en/Close Width of a Grip per Fingers

Fig. 13. Amount of rice in a single grasp

Single-arm configuration

A spoon-arm could  be used  independently without a grab-arm, as shown in Fig. 14. The caregiver manually picks  up  the food  on a tray  and  puts  the food  on the spoon of a spoon-

Fig. 14. The motions of the self-feeding robot in single-arm configuration. The caregiver picks food up on the spoon of the self-feeding robot, and then the user presses the button to receive the food arm.

The next step is similar  to that of the dual-arm robotic  arm. A caregiver only provides a user  with  food  when the spoon is empty in the home  position. From  the perspective of the caregiver, he or she can reduce the amount of time needed to check or wait while  the user is chewing. From  the perspective of the user,  the food  can be eaten  when he or she wants to eat. Although a user  may  have  difficulty choosing food  in an automatic manner, he or she can chew the food sufficiently without considering the next spoon serving from a caregiver. From   an  economical  point   of  view,   the  single-arm  configuration  has   a  lower   cost  in comparison with  the  dual-arm  configuration. Applying a  spoon-arm has  advantages in facilities   such   as  hospitals  or  nursing  homes.   One   caregiver supports  more   than   one consumer. That means one caregiver can serve food on the spoons of multiple users’ spoon- arms  in turn.  This  configuration is especially useful  if the  labor  cost  of a caregiver is not high, as in developing countries.

User test

At  first,  we  designed the  self-feeding robot  on  the  basis  of  users’  opinions in  order to develop a practical system. After constructing the prototype of the self-feeding robot, we performed a user  test  using  seven  people with  disabilities via  the  developed self-feeding robot.  Participants  used  the  self-feeding  robot  to  eat  Korean  food,  and  we  collected feedback.

Users’ overall feedback on the self-feeding robot

In the users’ opinions, a self-feeding robot  could  be useful  when a user  stays  at home  alone. The self-feeding robot  can be used  in two  situations: one is solitary eating  and  the other  is eating  together. The most  important role  is in supporting self-feeding without a caregiver when people with disabilities stay in their homes alone and caregivers prepare the food in advance.

Some users  prefer  using  a large spoon.  For example, a spoon could  be a Chinese-style spoon. If a spoon is large, then  it can be used  to feed wet food. However, a female  user could  prefer to use a small-sized spoon.  The size of the spoon should be customized according to the user preferences. We will consider several  spoons with  various sizes as well as various depths. Users  sometimes request quick  motion of the robotic  arm.  A user  wants to be able to adjust the motion speed of the self-feeding robot.  The adjusting speed should be customized to the user.

The  spoon should tilt  to the  user’s  mouth in order to unload the  food  on  a spoon easily

when the spoon arm is positioned in the user’s mouth. Technically, the spoon should tilt to a user  with  cerebral  palsy  because such  a user  can move  his/her head  to a limited extent.  If the self-feeding robot  does  not have  a tilting  function, then  the user  will struggle to eat the food  on the spoon.  Specifically,  if the robot  has a range  detection sensor  around the spoon, then  the  robot  could  move  more  intelligently in front  of the  user’s  mouth. That  means a spoon  automatically  tilts  in  front  of  a  user’s  mouth.  If  a  user’s  mouth  moves,  the preprogrammed motion is not  suitable. If a spoon tilts  in the  wrong position, food  could drop down on the floor. Some people with cerebral palsy or muscular disease have trouble moving their neck, and  thus  the tilting  function of a spoon should be an option.

Users  and  experts want  to eat food  comfortably using  a spoon.  For instance, the  proposed system  moves  the  spoon in front  of the  user’s  face. At that  time,  the  spoon moves  to the user’s mouth along  the sagittal plane,  as shown in Figs. 15 (a) and  (b). Some users  complain about  a  threatening feeling  when the  spoon moves  on  the  sagittal plane.  If  the  spoon approaches a user’s  mouth from  the  side,  then  a  user  can  feel  safer.  Those  motions are similar  to most  people’s  motions when they  eat food. In addition, a user  wants to touch  the side surface  of a spoon.  As a remedy, we will consider how the spoon approaches, as shown in Figs. 15 (c), (d), and  (e). However, the sideways approach may require a large installation area for the self-feeding robot.

Fig. 15. Spoon approaching modes. (a) The sagittal plane  on which  a spoon moves.  (b), (c), (d), and (e) represent the top view of a spoon when a robot approaches a user’s mouth. The red object means a spoon.  (c), (d) and  (e) are more comfortable then (b)

A spoon should have a safety function because the spoon frequently comes in contact  with  a user’s  mouth. A spoon can  be fixed  at the  tip  of an  arm  with  a spring as a component to guarantee safety.  The spoon can  be connected to magnets. When  a large  force  acts  on the spoon,  the  magnet’s connection with  the  spoon could  be detached for the  user’s  safety.  A user who has spasticity needs  the compliance of a spoon.

Users request a smoother motion of a spoon when it contains food. In addition, the vibration of a spoon should be reduced at that time.

Users  want  a small-sized self-feeding robot  for easy  installation on  a desk.  In addition, a user  wants to be able to adjust  the spoon level of the self-feeding robot.  For example, a user who  uses  a power wheelchair has  various height  levels  from  a table.  When  users  first use the self-feeding robot, the level of the spoon on the robotic  arm should be adjustable.

As a basic function, food  rarely  drops on a table  when a user  fails to eat the round-shaped food. When  a user  eats food that  is too stiff, grasping failure  occurs.  Therefore, we consider the motion, i.e., the speed, of a spoon as well as the shape  of a spoon.

Some users  want  to eat rice with  a side dish  simultaneously. In general, the disabled person who  lives  alone  and  receives  a caregiving service  usually eats  rice and  a side  dish  on one spoon at the same  time. Some people eat rice mixed  with  side dishes. The self-feeding robot should mimic  that  task.  The self-feeding robot  optionally puts  two  kinds  of food,  i.e., rice and  a side dish, on a large spoon simultaneously.

The  spoon should be returned to the  home  position after  a predefined time  interval. The robot  has  two  ways  to return to the  home  position of a spoon:  one  is by making an input signal,  and the other  is determining a time interval.

Sometimes a robot  should regrasp food  in order to avoid  grabbing too much  of a side dish. When  a  robot  tries  to  grab  some  curry  rice,  the  gripper shape   should be  changed. The gripper should be cleaned frequently. The amount of grabbed food  could  be adjustable. A stop or pause function is required.

Other  comments are  as follows:  the  robots  should be less noisy,  have  a small-sized input device,  serve water, and  enable  users  to eat Korean  soup.  Users who do not have  experience eating  food by themselves have a hard time using  a self-feeding robot  for the first time. Such a person needs  to  be  trained on  how  to  use  it. Some  users  want  to  eat  noodles, such  as spaghetti. Most users  wish to use a low-cost  feeding robot.

The filtering of an involuntary input signal  of a user  should be considered. For instance, in order to reduce malfunctions, a user’s input could be ignored immediately after a previous input. One  user  who  can  push a  button by  himself  prefers to  use  buttons rather than joysticks.  One  user  prefers using  a small-sized joystick.  Two  joysticks  are  better  than  one joystick with buttons. The length of a joystick should be adjustable. Buttons should be large sized.  The operation without a PC is required. A user who has limited head motion likes to use the  long  joystick  because that  user  cannot  make  a fine  motion. The unification of an input device of a wheelchair and a self-feeding robot should be considered. Wireless input devices are preferred.

Discussion of a single-arm configuration

In the  single-arm configuration, the  caregiver picks  food  up  instead of the  grab-arm and then  loads  food on a spoon.  The user  makes  an input signal  to move  the spoon to the user’s mouth. After the user  eats food on a spoon,  it returns to the home  position upon receiving a command or some time interval, as with  a dual-arm configuration.

The  single-arm  configuration  is  useful  to  a  caregiver  as  well  as  a  user.  From  the perspective of a user, the feeding timing could be changed freely on the basis of a user’s intention.  The  user  can  chew  food  sufficiently.  When  a  user  watches  television,  she leisurely eats food. Some users complain about a single-arm configuration. That means a caregiver must  stay  with  a  user  even  though the  single  arm  is  used.  The  single-arm configuration is useful for a caregiver when a user has a meal with his family because the caregiver does  not  need  to move  food  to the  user’s mouth. Thus,  a caregiver likes to use the single-arm configuration.

The users and caregivers are satisfied even though picking up food should be performed manually. Food  frequently drops down on  the  floor  when a caregiver serves  food  to the user’s  mouth. However, a user  can reduce the  instances of dropping food  in the  case of a single-arm configuration because the spoon is fixed on the spoon-arm and  thus  the user  can estimate the spoon posture correctly.

Input devices

A system  should be easy to control  for people with  disabilities and  the elderly. Many  users have only head  motion, and thus  the importance of input devices  was mentioned.

In this study, we analyzed the self-feeding robot  on the basis  of two  input devices,  namely buttons and joysticks, as shown in Fig. 16. Most input devices are developed for hand manipulation. If a user  has hand function, then  the easiest  way  is to use the system  is with his or her hands. That means the simplest input device  is a set of buttons. However, when  a user  only uses neck motion to make  a control  input, he or she has difficulty handling input devices  with dexterity. Table 2 shows the properties of the input devices.

After modification

(a)                                                (b)

Fig. 16. Input devices  of a self-feeding robot. (a) Buttons,  (b) Joysticks

Input Device Buttons Dual Shock Type Joypad
# of Used Buttons 7 N/A
# of Used Joysticks N/A 2
Length  of Joystick (mm) N/A 53
Gap between Joysticks (mm) N/A 44
Angles  of Joystick (degrees) N/A ±25
Connection Wire USB

Table 2. Input devices  for the self-feeding robot

Buttons

The self-feeding robot  has a basic input device  consisting of a set of buttons. We usually use six  buttons  that  correspond  with  start,  return,  and  four  directions.  The  buttons  were originally developed to  check  the  basic  operations of  the  self-feeding robot.  However, quadriplegics who  can  only  move  their  neck  and  head  would have  difficulty pushing the button with  their  chin. Because  the buttons are out  of the field of view,  the user  has a hard time  knowing where the  buttons are  and  whether or  not  they  are  pushed. Additionally, pushing these  buttons requires excessive  force and  can result  in muscle  fatigue in a user’s neck.  Thus,  a user  who  uses  his  or  her  neck  would have  difficulty pushing the  buttons. Users  prefer  to use joysticks  rather than  buttons. On the basis  of users’ opinions, we tested input devices  that have joysticks.

Joysticks

Two  joysticks  are  employed. Originally, it was  determined that  a user  wants to  use  two joysticks  rather than  one joystick and  buttons. The length  of the joystick is modified from 10 to 53 mm according to users’ opinions. Because of the gap  between the two joysticks,  a user can  easily  manipulate one  of the  joysticks  without any  resulting malfunction of the  other joystick.

The  length  of the  joystick  depends on  user  preference. Some  users  prefer  a long  joystick while  others  like  a short  one.  Most  users  prefer  the  wide  gap  between the  two  joysticks because a short  gap can result  in the malfunction of the unused joystick. The moving angles of a joystick  are  ±25°. Users  express satisfaction with  the  flexibility  of the  joystick  and  its silicon cover, which  can be connected to the user’s skin.

Satisfaction evaluation of the self-feeding robot

We  carried out  the  user  tests  with   user  candidates,  including people with   spinal   cord injuries.  After  they  actually ate  food  using  the  developed self-feeding robot,  we  collected their  feedback to determine their  satisfaction score  in accordance with  input devices.  The users  ate food using  the self-feeding robot  with  each of the input devices.  The results of the users’ feedback pertained to the  self-feeding robot  as well  as the  input devices.  The users rated   their  satisfaction with  the  input device  activity   on  a  scale  of  1 to  10, as  with  the Canadian Occupational Performance Measure (Pendleton, 2001). A score of 10 indicates the highest level of satisfaction. Most users  were  satisfied with  the self-feeding system  that  had a dual  joystick,  as  shown in  Table  3.  This  indicates that  the  use  of  joysticks  is  more comfortable than  that  of buttons. In addition, the  self-feeding system  operates well.  Based on  the  analysis of users’  feedback, the  key  factors  affecting  the  handling of joysticks  with regard to a user’s neck motion are as follows: the distance between the joysticks, the moving angle  of the joysticks,  and  the length  of the joysticks.  We will perform a comparison study between commercialized feeding systems and the developed system.

Input Device Buttons Joysticks
SCI #1 6 8
SCI #2 8 8
SCI #3 1 8
SCI #4 1 8
SCI #5 1 6
SCI #6 1 7
SCI #7 1 8
Average Score 2.7 7.6

Table 3. Satisfaction score of input devices  when users  eat food via a self-feeding robot

(max = 10)

Concluding remarks

We  have  developed a  novel assistive robot  for  self-feeding that  is  capable  of  handling Korean  food,  including sticky  rice.  This  paper presents the  overall  operation of the  self- feeding robot.  The  proposed robot  has  three  distinguishing points:   handling sticky  rice, using  an ordinary meal tray, and  a modular design that can be divided into two arms.  Users are   people  with   physical  disabilities  who   have   limited  arm   function.  During  the development of  the  robot,   we  considered  the  feedback provided  by  several   users   and experts. In  addition, the  user  candidates tested the  actual  the  self-feeding robot.  It  was determined that  the  input device  has  the  most  important role.  Many  users  prefer  a dual joystick  for  self-feeding. Most  of  the  users  who  participated in  the  experiments gave  us positive feedback. Some users  were  impressed that  they  were  able to eat their  desired food when they  wanted to  eat  it. In  future work,  we  will  add  several  functions to  the  robot, including improving the reliability of basic operations and  adding a safety  feature. We will also simplify the system  components and  perform user evaluations.