Development and Validation of a Kinematically Accurate Upper-Limb Exoskeleton Digital Twin for Stroke Rehabilitation

运动学 虚拟现实 计算机科学 人工智能 机器人末端执行器 外骨骼 计算机视觉 康复 机器人 物理医学与康复 模拟 物理疗法 医学 物理 经典力学
作者
Alexandre Ratschat,Tiago M. C. Lomba,Stefano Dalla Gasperina,Laura Marchal–Crespo
标识
DOI:10.1109/icorr58425.2023.10304719
摘要

Rehabilitation robotics combined with virtual reality using head-mounted displays enable naturalistic, immersive, and motivating therapy for people after stroke. There is growing interest in employing digital twins in robotic neurore-habilitation, e.g., in telerehabilitation for virtual coaching and monitoring, as well as in immersive virtual reality applications. However, the kinematic matching of the robot's visualization with the real robot movements is hardly validated, potentially affecting the users' experience while immersed in the virtual environment due to a visual-proprioceptive mismatch. The kinematic mismatch may also limit the validity of assessment measures recorded with the digital twin. We present the development and low-cost kinematic validation of a digital twin of a seven active degrees-of-freedom exoskeleton for stroke rehabilitation. We validated the kinematic accuracy of the digital twin end-effector by performing two tasks-a planar reaching task and a 3D functional task-performed by a single healthy participant. We computed the end-effector position and rotation from the forward kinematics of the robot, the digital twin, and data recorded from the real robot using a low-cost tracking system based on HTC VIVE trackers and compared them pair-wise. We found that the digital twin closely matches the forward kinematics and tracked movement of the real robot and thus provides a reliable platform for future research on digital twins for stroke rehabilitation.
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