Development of a Robotic Fitness Application using a PD Approach

Abstract

In light of demographic changes towards an aging society, the healthcare sector is faced with growing challenges and innovative solutions are required. The area of assistive (social) robotics appears to be a promising field for mitigating anticipated problems. However, robots such as ROBEAR or Care-O-Bot 4 remain merely complex research platforms that are not integrated into the daily practices of people. This master's thesis addresses the research question of how to develop an application that promotes physical and mental fitness using a commercially available and relatively simple spherical robot called Sphero, aimed at sustainable use by caregivers together with elderly people, and by middle-aged users. An important focus is on the discussion of how the latest research findings and technological developments in the field of artificial intelligence can be used for user-friendly control and easy development of robotic applications. Caregivers and technicians are experts in different fields and have varying knowledge and expectations. The master's thesis demonstrates how grounding between these two groups can be achieved through participatory design in the form of requirements workshops with a three-step design and prepared questions, so that a robotic application can be developed that provides added value for nursing staff and ultimately also for older people, with whom they work together in retirement homes, and thus the chance of sustainable use is increased. A total of 11 people (including me) took part in the workshops conducted as part of this master's thesis.Using thematic analysis performed on the transcribed workshops, this work answers questions related to robotic applications for promoting physical and mental fitness. These include questions about limitations of older users, technical limits of the application and adjustments to Sphero that would be necessary to become a commercially successful robotic fitness application, and questions about expectations and requirements that the user have.According to data obtained in the workshops, a robotic fitness application should be user-friendly, individualized, adaptable, and motivating to ensure sustainable use. In connection with motivation, workshop participants highlight factors such as meaningful feedback, “gamification”, social integration, and emotional support. A literature review and the data obtained suggest that higher perceived intelligence, as occurs with the use of novel large language models such as GPT-4, has the potential to increase user motivation. Unlike participants of workshops in earlier studies, participants in the workshops conducted as part of this master's thesis express no concerns about intelligent (robotic) systems.The findings of the workshops were incorporated into the development of a prototypical, agentic, robotic fitness application with Sphero, which was generally considered promising by the participants in an assessment workshop despite some (constructive) criticism. The application provides a particularly easy way of operation, especially for older people who have little experience in using smartphones and computers, as it can be instructed via voice control to start exercises with Sphero and it can search for information in databases itself.The successful and promising prototypical implementation of a fitness application based on a simple and cost-effective robot, data obtained in the workshops, and a literature review indicate that part of the research should focus more on less complex and cost-effective robotic solutions to arrive more quickly at products that have the potential to alleviate some of the expected problems due to demographic developments.

Angesichts des demografischen Wandels hin zu einer alternden Gesellschaft steht der Gesundheitssektor vor wachsenden Herausforderungen und innovative Lösungen sind gefordert. Der Bereich der assistiven (sozialen) Robotik scheint ein vielversprechendes Feld zur Abmilderung von zu erwartenden Problemen zu sein. Allerdings sind Roboter wie ROBEAR oder Care-O-Bot 4 nach wie vor lediglich komplexe Forschungsplattformen, die nicht in die tägliche Praxis von Menschen integriert sind. Diese Masterarbeit befasst sich mit der Forschungsfrage, wie eine Anwendung zur Förderung von körperlicher und geistiger Fitness basierend auf einem kommerziell erhältlichen und vergleichsweise simplen kugelförmigen Roboter namens Sphero entwickelt werden kann. Die Anwendung soll von Pflegekräften gemeinsam mit älteren Personen sowie von Benutzer*innen mittleren Alters nachhaltig genutzt werden. Ein wichtiger Schwerpunkt liegt dabei auf der Diskussion, wie neueste Forschungsergebnisse und technologische Entwicklungen im Bereich der künstlichen Intelligenz für eine benutzerfreundliche Steuerung und einfache Implementierung von robotischen Anwendungen verwendet werden können. Pflegekräfte und Techniker*innen sind Experten auf unterschiedlichen Gebieten und sie haben unterschiedliche Kenntnisse und Erwartungen. Die Masterarbeit zeigt, wie ein „Grounding“ zwischen diesen beiden Gruppen durch Partizipatives Design in Form von Anforderungsworkshops mit einem dreistufigen Design und vorbereiteten Fragen gelingen kann. Dadurch kann eine Roboteranwendung so gestaltet werden, dass sie einen Mehrwert für die Pflegekräfte und letztendlich für ältere Menschen, mit denen diese in Seniorenheimen zusammenarbeiten, bietet und somit die Chance einer nachhaltigen Nutzung erhöht wird. An den im Rahmen dieser Masterarbeit durchgeführten Workshops nahmen (inklusive mir) insgesamt 11 Personen teil.Mithilfe einer auf den transkribierten Workshops durchgeführten Thematic Analysis werden in dieser Arbeit Fragen im Zusammenhang mit robotischen Anwendungen zur Förderung von körperlicher und geistiger Fitness beantwortet. Dazu gehören Fragen nach Einschränkungen älterer Nutzer*innen, technische Limits der Anwendung und Anpassungen an Sphero, die notwendig wären, damit dieser eine kommerziell erfolgreiche robotische Fitness Anwendung werden könnte, sowie Fragen nach Erwartungen und Anforderungen, die die Nutzer*innen haben.Entsprechend der in den Workshops gewonnen Daten sollte eine robotische Fitness Anwendung benutzerfreundlich, individualisiert, anpassbar und motivierend sein, damit sie nachhaltig genutzt wird. Im Zusammenhang mit Motivation betonen die Workshop- Teilnehmer*innen Faktoren wie sinnvolles Feedback, „Gamification“, soziale Integration und emotionalen Support. Eine durchgeführte Literaturrecherche und gewonnene Daten deuten darauf hin, dass höhere wahrgenommene Intelligenz, wie sie bei der Verwendung von neuartigen Sprachmodellen wie GPT-4 entsteht, das Potenzial haben die Motivation von Nutzern zu steigern. Anders als Teilnehmer*innen von Workshops früherer Studien äußern die Teilnehmer*innen der Workshops, die im Rahmen dieser Masterarbeit durchgeführt wurden, keine Bedenken bezüglich intelligenter (robotischer) Systeme. Die Erkenntnisse aus den Workshops flossen in die Entwicklung einer prototypischen, agentenbasierten, robotischen Fitness Applikation mit Sphero, die in einem Assessment Workshop von den Teilnehmer*innen trotz einiger (konstruktiver) Kritik grundsätzlich für vielversprechend erachtet wurde, ein. Die Anwendung stellt insbesondere für ältere Menschen, die wenig Erfahrung im Umgang mit Smartphones und Computer haben, eine besonders einfache Möglichkeit der Bedienung bereit, da sie via Sprachsteuerung aufgefordert werden kann, Übungen mit Sphero zu starten und selbst in Datenbanken nach Informationen suchen kann.Die erfolgreiche und vielversprechende prototypische Umsetzung einer Fitnessanwendung basierend auf einem simplen und kostengünstigen Roboter, in den Workshops gewonnene Daten, sowie eine Literaturrecherche deuten darauf hin, dass sich ein Teil der Forschung stärker auf weniger komplexe und kosteneffektive Roboterlösungen konzentrieren sollte, um schneller zu Produkten zu gelangen, die das Potenzial haben einige der zu erwartenden Probleme aufgrund der demografischen Entwicklung zu lindern.