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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-1313-8044
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: A Framework for Evaluation of Wheelchair Simulator-based Mobility Technologies
Alternate title (s): Um Framework para Avaliação de Tecnologias de Mobilidade baseadas em Simuladores de Cadeira de Rodas
Author: Salgado, Débora Pereira
First Advisor: Naves, Eduardo Lázaro Martins
Second Counselor: Fallon, Sheila
First coorientator: Qiao, Yuansong
First member of the Committee: Krishnan, Sridhar
Second member of the Committee: Borges, Ludymila Ribeiro
Third member of the Committee: Souza, Rhaíra Helena Caetano e
Fourth member of the Committee: Alves, Camille Marques
Summary: Simuladores de cadeira de rodas oferecem um potencial significativo para apoiar a avaliação e o treinamento na provisão de mobilidade motorizada. No entanto, sua adoção em contextos clínicos ainda é limitada, em grande parte devido à ausência de protocolos padronizados para avaliar de forma significativa a interação usuário–simulador de maneira segura e adaptável. Dada a ampla variabilidade nas habilidades motoras e cognitivas dos usuários, há uma clara necessidade de um framework estruturado que defina como as sessões baseadas em simuladores devem ser conduzidas e como as respostas dos usuários devem ser avaliadas. Esta tese apresenta um framework de avaliação multidimensional, fundamentado em Qualidade da Experiência (QoE) e na Teoria da Carga Cognitiva (CLT), para analisar a interação do usuário com um simulador virtual de cadeira de rodas. O framework integra feedback subjetivo (usabilidade, emoção, carga cognitiva, senso de presença), sinais fisiológicos (atividade cardíaca e eletrodérmica) e dados comportamentais (movimentos da cabeça e do punho) para capturar a qualidade da experiência e a tolerância dos usuários (por exemplo, ciberdoença) durante o uso do simulador. Foram conduzidos dois estudos laboratoriais e um estudo piloto de campo. O primeiro estudo comparou condições imersivas (Headset-1, N = 17) e não imersivas (Desktop, N = 24). Os resultados revelaram diferenças significativas na carga de trabalho (NASA-TLX, p < .01), presença (IPQ, p < .01) e variação da variabilidade da frequência cardíaca entre o baseline e a primeira colisão (p < .01, r = 0.43), sendo que o uso imersivo também provocou sintomas mais elevados de ciberdoença. Esses achados ilustram o equilíbrio necessário entre realismo e tolerância. O segundo estudo expandiu o primeiro (Headset-2, N = 16), testando um perfil de movimento mais suave (baixo jerk). Os sintomas diminuíram (SSQ–oculomotor, p < .05), mas não o suficiente para justificar o uso contínuo de headsets em contextos clínicos. O achado mais relevante foi o efeito combinado de tipo de display × dinâmica de movimento (p < .05), influenciando usabilidade (SUS) e senso de presença (IPQ). O estudo piloto de campo (N = 20; 10 usuários de cadeira de rodas, 10 controles) examinou a viabilidade e relevância clínica do framework em centros da Irish Wheelchair Association (IWA). As métricas do simulador distinguiram os grupos, com colisões (p < .01, r = 0.74) e desvio de trajetória (RMSE, p < .01, r = 0.85) mais elevados entre usuários. O funcionamento cognitivo (MoCA) correlacionou-se negativamente com colisões (ρ = –.73, p < .05) e RMSE (ρ = –.74, p = .05). A análise da frequência cardíaca (FC) mostrou uma diferença significativa entre grupos em mudança de FC (p = .003, r = 0.67), com usuários mantendo FC elevada enquanto controles apresentaram reduções. O feedback dos usuários também orientou o refinamento do framework de avaliação. Em conjunto, esses estudos demonstram a viabilidade e o valor clínico preliminar dos simuladores de cadeira de rodas para oferecer avaliações seguras, repetíveis e adaptadas. O framework baseado em QoE, EMPOWER-SIM, é apresentado como um conjunto de diretrizes preliminares, informadas pela viabilidade, para integração clínica, oferecendo uma base para futuros estudos piloto e de validação no contexto de avaliação e treinamento em mobilidade motorizada.
Abstract: Wheelchair simulators offer significant potential to support assessment and training in the power mobility provision. However, their adoption in clinical settings remains limited, largely due to the absence of standardised protocols for meaningfully evaluating user-simulator interaction in a safe and adaptable manner. Given the wide variability in users’ motor and cognitive abilities, there is a clear need for a structured framework that defines how simulator-based sessions are delivered and how user responses are assessed. This thesis presents a multidimensional evaluation framework, grounded in Quality of Experience (QoE) and Cognitive Load Theory (CLT), to assess user interaction with a virtual wheelchair simulator. The framework integrates subjective feedback (e.g., usability, emotion, cognitive workload, sense of presence), physiological signals (e.g., cardiac and electrodermal activity), and behavioural data (e.g., head and wrist movement) to capture users’ quality of experiences and tolerances (e.g., cybersickness) during simulator use. Two lab-based studies and one field-based pilot study were conducted. The first lab study compared immersive (Headset-1, N = 17) and non-immersive (Desktop, N = 24) conditions. Results revealed significant differences in workload (NASA-TLX, p < .01), presence (IPQ, p < .01), and heart rate variability change from baseline to first collision (p < .01, r = 0.43), with immersive use also eliciting higher cybersickness symptoms. These findings illustrate the trade-off between realism and tolerance. The second lab study expanded on the first (Headset-2 group, N=16) tested a smoother motion profile (low jerk). Symptoms decreased (SSQ-oculomotor, p < .05), but not enough to justify continued headset use in clinical settings. The most notable finding was the combined effect of display type and motion dynamics (p < .05), influencing usability (SUS) and sense of presence (IPQ). The final field-based pilot study (N = 20; 10 wheelchair users, 10 controls) examined the framework’s feasibility and clinical relevance in Irish Wheelchair Association (IWA) centres. Simulator metrics distinguished groups, with collisions (p < .01, r = 0.74) and trajectory deviation (RMSE, p < .01, r = 0.85) higher among users. Cognitive functioning (MoCA) correlated negatively with collisions (ρ = –.73, p < .05) and RMSE (ρ = –.74, p = .05). Heart rate analysis showed a significant group difference in HR change (p = .003, r = 0.67), with users maintaining elevated HR while controls showed reductions. User feedback further guided refinement of the evaluation framework. Together, these studies demonstrate the feasibility and potential clinical value of wheelchair simulators for delivering tailored, repeatable, and safe assessments. The resulting QoE-based framework, EMPOWER-SIM, is presented as a set of preliminary, feasibility-informed guidelines for clinical integration, offering a foundation for future pilot and validation studies in power mobility assessment and training.
Keywords: Wheelchair Simulator
Assistive Technology
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA
Subject: Engenharia biomédica
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: SALGADO, Débora Pereira. A framework for evaluation of wheelchair simulator-based mobility technologies. 2025. 308 f. Tese (Doutorado em Engenharia Biomédica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.512.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.512
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48087
Date of defense: 20-Aug-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 4. Educação de qualidade - Assegurar a educação inclusiva, e equitativa e de qualidade, e promover oportunidades de aprendizagem ao longo da vida para todos.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Biomédica

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