一种上肢复健装置、系统、方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及康复装置技术领域，尤其涉及一种上肢复健装置、系统、方法、计算机设备及计算机可读存储介质。

背景技术

上肢承担了人体从事各项劳动及运动的绝大部分功能，是人体运动系统中动作精细度最高的部位，因此发生在上肢的骨折对于个人从事劳动的能力以及日常的生活都将带来极大的影响。并且，骨折一旦累计腕、肘关节，其手术及术后功能恢复的难度将成几何级增加。临床上骨折术后的早期活动有着非常重要的意义，将直接决定了康复后期肢体功能的预后。然而通常在完成骨折的手术复位内固定后，患者由于长期不能进行正常的肢体及关节活动，加之由于手术创伤、内固定器械、局部炎症反应导致组织增生与黏粘，患者在取出内固定或骨折愈合后常常发生肌肉废用性萎缩以及关节僵硬，导致肢体功能减退和关节活动度降低，患者生活质量大大降低，因此上肢骨折术后的复健锻炼十分重要。

目前对于下肢骨折的早期卧床患者临床上多运用CPM机对其早期的肢体复健锻炼进行辅助，可以起到促进患肢功能恢复以及预防深静脉血栓的良好作用。然而对于上肢骨折的患者却没有较为统一、理想的复健辅助装置，且由于各地康复医学的发展水平不同，不同患者的复健锻炼配合度不一，导致多数患者术后不能及时按质按量地完成上肢肢体及关节的复健锻炼，在复诊患者和外地术后初次就诊患者中，存在许多患者肌力减退、关节活动受限、劳动能力下降以及对生活质量不满的情况。

目前针对相关技术中存在的操作繁琐、无法定量观测关节复健效能、复健标准不统一等问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种上肢复健装置、系统、方法、计算机设备及计算机可读存储介质，以解决相关技术中存在的操作繁琐、无法定量观测关节复健效能、复健标准不统一等问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，提供一种上肢复健装置，包括：

上臂单元；

前臂单元，所述前臂单元设置于所述上臂单元的前侧；

手掌单元，所述手掌单元设置于所述前臂单元的前侧；

弯曲单元，所述弯曲单元分别与所述上臂单元、所述前臂单元、所述手掌单元转动连接；

伸缩单元，所述伸缩单元分别与所述上臂单元、所述前臂单元、所述手掌单元连接；

牵引单元，所述牵引单元分别与所述前臂单元、所述手掌单元连接；

监测单元，所述监测单元设置于所述上臂单元、所述手掌单元、所述弯曲单元中的至少一个，用于获取所述弯曲单元的弯曲角度。

在其中的一些实施例中，所述上臂单元包括：

上臂元件；

第一连接元件，所述第一连接元件对称地设置于所述上臂元件的两侧，并与所述伸缩单元连接；

第二连接元件，所述第二连接元件与所述第一连接元件转动连接，并与所述弯曲单元连接。

在其中的一些实施例中，所述上臂单元还包括：

第一限位元件，所述第一限位元件设置于所述上臂元件的一侧；

第二限位元件，所述第二限位元件设置于所述上臂元件的另一侧，并与所述第一限位元件进行可拆卸连接，用于调节所述上臂元件的尺寸。

在其中的一些实施例中，所述上臂单元还包括：

第一缓冲元件，所述第一缓冲元件设置于所述上臂元件的内侧。

在其中的一些实施例中，所述前臂单元包括：

前臂元件；

第三连接元件，所述第三连接元件对称地设置于所述前臂元件的两侧，并与所述伸缩单元连接；

第四连接元件，所述第四连接元件与所述第三连接元件转动连接，并与所述伸缩单元连接；

第五连接元件，所述第五连接元件与所述第三连接元件转动连接，位于所述第四连接元件的外侧，并与所述弯曲单元连接。

在其中的一些实施例中，所述前臂单元还包括：

第三限位元件，所述第三限位元件设置于所述前臂元件的一侧；

第四限位元件，所述第四限位元件设置于所述前臂元件的另一侧，并与所述第三限位元件进行可拆卸连接，用于调节所述前臂元件的尺寸。

在其中的一些实施例中，所述前臂单元还包括：

第二缓冲元件，所述第二缓冲元件设置于所述前臂元件的内侧。

在其中的一些实施例中，所述手掌单元包括：

手掌元件；

第六连接元件，所述第六连接元件对称地设置于所述手掌元件的两侧，并与所述伸缩单元连接；

第七连接元件，所述第七连接元件与所述第六连接元件转动连接，并与所述弯曲单元连接。

在其中的一些实施例中，所述手掌单元还包括：

保护元件，所述保护元件设置于所述手掌元件的指关节位置。

在其中的一些实施例中，所述弯曲单元包括：

第一弯曲元件；

第八连接元件，所述第八连接元件设置于所述第一弯曲元件的第二端；

第九连接元件，所述第九连接元件与所述第八连接元件转动连接；

第二弯曲元件，所述第二弯曲元件的第一端与所述第九连接元件连接；

其中，所述第一弯曲元件的第一端与所述上臂单元连接，所述第二弯曲元件的第二端与所述前臂单元连接；或，所述第一弯曲元件的第一端与所述前臂单元连接，所述第二弯曲元件的第二端与所述手掌单元连接。

在其中的一些实施例中，所述伸缩单元包括：

第一伸缩元件；

第二伸缩元件，所述第二伸缩元件与所述第一伸缩元件滑动连接；

第一驱动元件，所述第一驱动元件与所述第一伸缩元件、所述第二伸缩元件中的任意一个连接，用于驱动所述第一伸缩元件与所述第二伸缩元件进行相对运动；

第一电源元件，所述第一电源元件与所述第一驱动元件连接；

其中，所述第一伸缩元件的第一端与所述上臂单元连接，所述第二伸缩元件的第二端与所述前臂单元连接；或者，所述第一伸缩元件的第一端与所述前臂单元连接，所述第二伸缩元件的第二端与所述手掌单元连接。

在其中的一些实施例中，所述牵引单元包括：

定位元件，所述定位元件设置于所述手掌单元；

第二驱动元件，所述第二驱动元件设置于所述前臂单元；

第二电源元件，所述第二电源元件与所述第二驱动元件连接；

线缆元件，所述线缆元件分别与所述定位元件、所述第二驱动元件连接，用于在所述第二驱动元件的作用下进行伸展或收缩。

在其中的一些实施例中，所述定位元件设置于所述手掌单元的手掌侧、手背侧；

所述第二驱动元件设置于所述前臂单元的上侧、下侧；

其中，所述线缆元件与分别与位于所述手掌单元的手掌侧的所述定位元件、位于所述前臂单元的上侧的所述第二驱动元件连接；和/或

所述线缆元件与分别与位于所述手掌单元的手背侧的所述定位元件、位于所述前臂单元的下侧的所述第二驱动元件连接。

在其中的一些实施例中，所述监测单元包括：

若干角度监测元件，若干所述角度监测元件间隔地设置于所述上臂单元、所述手掌单元、所述弯曲单元中的至少一个，用于获取所述弯曲单元的不同位置的弯曲角度

第二方面，提供一种上肢复健系统，包括：

如第一方面所述的上肢复健装置；

控制装置，所述控制装置与所述上肢复健装置通信连接，用于控制所述伸缩单元、所述牵引单元。

第三方面，提供一种上肢复健方法，包括：

获取极限屈曲角度和保持时间；

获取与所述极限屈曲角度、所述保持时间对应的复健流程；

根据所述复健流程生成弯曲指令和/或伸缩指令；

输出所述弯曲指令和/或伸缩指令，以使所述上肢复健装置动作。

在其中的一些实施例中，获取极限屈曲角度和保持时间包括：

获取所述监测单元的稳定输出时间；

判断所述稳定输出时间与预设时间阈值是否匹配；

在所述稳定输出时间与所述预设时间阈值匹配的情况下，记录所述监测单元输出的屈曲角度为极限屈曲角度；

获取角度偏差阈值；

根据所述极限屈曲角度和所述角度偏差阈值，生成极限屈曲角度范围；

获取所述监测单元输出的所述屈曲角度位于所述极限屈曲角度范围的持续时间，并记录为保持时间。

在其中的一些实施例中，获取所述复健流程包括：

(一)构建数据库

获取若干康复数据和若干治疗方法，其中，所述康复数据包括极限屈曲角度和保持时间，所述治疗方法包括康复训练时间、康复训练强度指标；

将若干所述康复数据与若干所述治疗方法相对应，以形成数据库，其中，一所述康复数据与至少一所述治疗方法相对应；

(二)构建并训练神经网络

构建神经网络，其中，所述神经网络包括输入层、至少一隐藏层和输出层；

将所述康复数据作为输入量，将所述治疗方法作为输出量输入至所述神经网络进行训练，以获得训练好的神经网络；

(三)获取复健流程

获取极限屈曲角度和保持时间；

将所述极限屈曲角度和所述保持时间输入至训练好的所述神经网络，以获取对应的至少一所述治疗方法；

将所述治疗方法作为所述复健流程。

在其中的一些实施例中，输入所述输入层的参数/输入矩阵为X、矩阵维度为m×n

所述输入层的神经元数目为n

所述隐藏层的神经元数据为n

所述输出层的参数/输入矩阵为Y、矩阵维度为m×n

其中，X为输入矩阵，m为训练样本数(输入数据对应的患者数目)，n

在其中的一些实施例中，训练所述神经网络包括：

(一)参数初始化

将参数随机初始化在[-ε，ε]区间内，公式如(1)式所示：

W

其中，ε需要根据数据尺度来获取；

(二)前向传播运算

根据输入至X计算预测值h

Z

A

Z

A

Z

h

其中，预测值h

(三)计算损失函数

对预测结果进行评价，计算公式如(8)所示：

其中，后一项为正则化项，偏置参数不参与计算；

(四)反向传播计算(迭代参数减少损失函数)

(1)计算每一层的反向传播误差，计算公式如(9)～(12)所示：

δ

δ

δ

Δ

(2)计算损失函数的梯度，计算公式如(13)所示：

(3)在使用机器学习算法过程中，通过数值方法来检验利用计算机程序进行损失梯度函数计算的正确性，计算公式如(14)所示：

其中，取ε＝10

(五)更新模型参数

对模型参数进行更新，更新公式如(15)所示：

其中，α为学习率，α＜10；

(六)迭代

重复步骤(一)～(五)来逐步降低损失函数(误差)，实现对神经网络的训练。

在其中的一些实施例中，α＜1。

在其中的一些实施例中，α为0.003、0.03、0.3、3。

在其中的一些实施例中，α为0.03。

第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的上肢复健方法。

第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的上肢复健方法。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的一种上肢复健装置、系统、方法、计算机设备及计算机可读存储介质，操作简单，便于定量观测关节复健效能，复健标准统一；电控驱动，记录数据便捷，可长时间保持统一姿势；利用可调节的上臂单元和前臂单元，可以适用于不同人群。

附图说明

图1是根据本发明实施例的上肢复健装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的上臂单元的示意图；

图3是根据本发明实施例的前臂单元的示意图；

图4是根据本发明实施例的手掌单元的示意图；

图5是根据本发明实施例的弯曲单元的示意图；

图6a～6b是根据本发明实施例的伸缩单元的示意图；

图7a～7b是根据本发明实施例的牵引单元的示意图；

图8是根据本发明实施例的监测单元的示意图；

图9是根据本发明实施例的上肢复健装置的使用状态示意图；

图10是根据本发明实施例的上肢复健系统的示意图；

图11是根据本发明实施例的上肢复健方法的流程图(一)；

图12是根据本发明实施例的上肢复健方法的流程图(二)；

图13是根据本发明实施例的上肢复健方法的具体流程图。

其中的附图标记为：100、上肢复健装置；

110、上臂单元；111、上臂元件；112、第一连接元件；113、第二连接元件；114、第一限位元件；115、第二限位元件；116、第一缓冲元件；

120、前臂单元；121、前臂元件；122、第三连接元件；123、第四连接元件；124、第五连接元件；125、第三限位元件；126、第四限位元件；127、第二缓冲元件；

130、手掌单元；131、手掌元件；132、第六连接元件；133、第七连接元件；134、保护元件；

140、弯曲单元；141、第一弯曲元件；142、第八连接元件；143、第九连接元件；144、第二弯曲元件；

150、伸缩单元；151、第一伸缩元件；152、第二伸缩元件；153、第一驱动元件；154、第一电源元件；

160、牵引单元；161、定位元件；162、第二驱动元件；163、第二电源元件；164、线缆元件；

170、监测单元；171、角度监测元件；

200、控制装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

本实施例涉及本发明的上肢复健装置。

本发明的一个示意性实施例，如图1所示，一种上肢复健装置100，包括上臂单元110、前臂单元120、手掌单元130、弯曲单元140、伸缩单元150、牵引单元160和监测单元170。其中，前臂单元120设置于上臂单元110的前侧；手掌单元130设置于前臂单元120的前侧；弯曲单元140分别与上臂单元110、前臂单元120、手掌单元130转动连接；伸缩单元150分别与上臂单元110、前臂单元120、手掌单元130连接；牵引单元160分别与前臂单元120、手掌单元130连接；监测单元170设置于上臂单元110、手掌单元130、弯曲单元140中的至少一个，用于获取弯曲单元140的弯曲角度。

如图2所示，上臂单元110包括上臂元件111、第一连接元件112和第二连接元件113。其中，第一连接元件112对称地设置于上臂元件111的两侧，并与伸缩单元150连接；第二连接元件113与第一连接元件112转动连接，并与弯曲单元140连接。

具体地，第一连接元件112为两个，两个第一连接元件112对称地设置于上臂元件111的左侧和右侧；第二连接元件113为两个，分别与对应的第一连接元件112转动连接(同轴设置)。

在其中的一些实施例中，上臂元件111为上臂环或上臂带。

在其中的一些实施例中，第一连接元件112为连接轴，其纵截面呈凸字形，即包括底盘和转轴。

在其中的一些实施例中，第二连接元件113为连接盘，其横截面呈环形，其内径与第一连接元件112的转轴的外径相同。

在其中的一些实施例中，第二连接元件113的外径与第一连接元件112的外径相同或不同，包括等于、大于、小于三种状态。

在其中的一些实施例中，第二连接元件113的外径大于第一连接元件112的外径。

进一步地，上臂单元110还包括第一限位元件114和第二限位元件115。其中，第一限位元件114设置于上臂元件111的一侧；第二限位元件115设置于上臂元件111的另一侧，并与第一限位元件114进行可拆卸连接，用于调节上臂元件111的尺寸。

在其中的一些实施例中，第一限位元件114设置于上臂元件111的一侧的外端面，第二限位元件115设置于上臂元件111的一侧的内端面，第一限位元件114和第二限位元件115为子母贴。

在其中的一些实施例中，第一限位元件114设置于上臂元件111的一侧的外端面，第二限位元件115设置于上臂元件111的一侧的外端面，第一限位元件114为限位块，第二限位元件115为限位孔，第一限位元件114为1个，第二限位元件115为若干个，第一限位元件114与一第二限位元件115进行可拆卸连接。

在其中的一些实施例中，第一限位元件114设置于上臂元件111的一侧的外端面，第二限位元件115设置于上臂元件111的一侧的外端面，第一限位元件114为限位块，第二限位元件115为限位孔，第一限位元件114为若干个，第二限位元件115为若干个，第一限位元件114与对应的第二限位元件115进行可拆卸连接。

进一步地，上臂单元110还包括第一缓冲元件116，第一缓冲元件116设置于上臂元件111的内侧。

在其中的一些实施例中，第一缓冲元件116可拆卸地覆盖上臂元件111设置。

在其中的一些实施例中，第一缓冲元件116与上臂元件111一体成型。

在其中的一些实施例中，第一缓冲元件116为软皮材质，上臂元件111为硬皮材质。

如图3所示，前臂单元120包括前臂元件121、第三连接元件122、第四连接元件123和第五连接元件124。其中，第三连接元件122对称地设置于前臂元件121的两侧，并与伸缩单元150连接；第四连接元件123与第三连接元件122转动连接，并与伸缩单元150连接；第五连接元件124与第三连接元件122转动连接，位于第四连接元件123的外侧，并与弯曲单元140连接。

具体地，第三连接元件122为两个，两个第三连接元件122对称地设置于前臂元件121的左侧和右侧；第四连接元件123为两个，分别与对应的第三连接元件122转动连接(同轴设置)；第五连接元件124为两个，分别与对应的第四连接元件123转动连接(同轴设置)。

在其中的一些实施例中，前臂元件121为前臂环或前臂带。

在其中的一些实施例中，第三连接元件122为连接轴，其纵截面呈凸字形，即包括底盘和转轴。

在其中的一些实施例中，第四连接元件123为连接轴，其纵截面呈凸字形，即包括底盘和转轴，其中，转轴的内径与第三连接元件122的转轴的外径相同。

在其中的一些实施例中，第四连接元件123的外径与第三连接元件122的外径相同或包括，包括等于、大于、小于三种状态。

在其中的一些实施例中，第四连接元件123的外径大于第三连接元件122的外径。

在其中的一些实施例中，第五连接元件124为连接盘，其横截面呈环形，其内径与第四连接元件123的转轴的外径相同。

在其中的一些实施例中，第五连接元件124的外径与第四连接元件123的外径相同或不同，包括等于、大于、小于三种状态。

在其中的一些实施例中，第五连接元件124的外径大于第四连接元件123的外径。

进一步地，前臂单元120还包括第三限位元件125和第四限位元件126。其中，第三限位元件125设置于前臂元件121的一侧；第四限位元件126设置于前臂元件121的另一侧，并与第三限位元件125进行可拆卸连接，用于调节前臂元件121的尺寸。

在其中的一些实施例中，第三限位元件125设置于前臂元件121的一侧的外端面，第四限位元件126设置于前臂元件121的一侧的内端面，第三限位元件125和第四限位元件126为子母贴。

在其中的一些实施例中，第三限位元件125设置于前臂元件121的一侧的外端面，第四限位元件126设置于前臂元件121的一侧的外端面，第三限位元件125为限位块，第四限位元件126为限位孔，第三限位元件125为1个，第四限位元件126为若干个，第三限位元件125与一第四限位元件126进行可拆卸连接。

在其中的一些实施例中，第三限位元件125设置于前臂元件121的一侧的外端面，第四限位元件126设置于前臂元件121的一侧的外端面，第三限位元件125为限位块，第四限位元件126为限位孔，第三限位元件125为若干个，第四限位元件126为若干个，第三限位元件125与对应的第四限位元件126进行可拆卸连接。

进一步地，前臂单元120还包括第二缓冲元件127，第二缓冲元件127设置于前臂元件121的内侧。

在其中的一些实施例中，第二缓冲元件127可拆卸地覆盖前臂元件121设置。

在其中的一些实施例中，第二缓冲元件127与前臂元件121一体成型。

在其中的一些实施例中，第二缓冲元件127为软皮材质，前臂元件121为硬皮材质。

如图4所示，手掌单元130包括手掌元件131、第六连接元件132和第七连接元件133。其中，第六连接元件132对称地设置于手掌元件131的两侧，并与伸缩单元150连接；第七连接元件133与第六连接元件132转动连接，并与弯曲单元140连接。

具体地，第六连接元件132为两个，两个第六连接元件132对称地设置于手掌元件131的左侧和右侧；第七连接元件133为两个，分别与对应的第六连接元件132转动连接(同轴设置)。

在其中的一些实施例中，手掌元件131为手掌套。

在其中的一些实施例中，第六连接元件132为连接轴，其纵截面呈凸字形，即包括底盘和转轴。

在其中的一些实施例中，第七连接元件133为连接盘，其横截面呈环形，其内径与第六连接元件132的转轴的外径相同。

在其中的一些实施例中，第七连接元件133的外径与第六连接元件132的外径相同或不同，包括等于、大于、小于三种状态。

进一步地，手掌单元130还包括若干保护元件134，若干保护元件134设置于对应的指关节位置。

在其中的一些实施例中，保护元件134为硬质塑料。

在其中的一些实施例中，位于小指关节和大拇指关节的保护元件134分别设置有第六连接元件132。

如图5所示，弯曲单元140包括第一弯曲元件141、第八连接元件142、第九连接元件143和第二弯曲元件144。其中，第八连接元件142设置于第一弯曲元件141的第二端；第九连接元件143与第八连接元件142转动连接；第二弯曲元件144的第一端与第九连接元件143连接；其中，第一弯曲元件141的第一端与上臂单元110连接，第二弯曲元件144的第二端与前臂单元120连接；或，第一弯曲元件141的第一端与前臂单元120连接，第二弯曲元件144的第二端与手掌单元130连接。

具体地，第一弯曲元件141为四个，第八连接元件142为四个，第九连接元件143为四个，第二弯曲元件144为四个。其中，两第一弯曲元件141的第一端分别与位于上臂元件111的两侧的第二连接元件113连接，两第二弯曲元件144的第二端分别与位于前臂元件121的两侧的第四连接元件123连接；两第一弯曲元件141的第一端分别与位于前臂元件121的两侧的第五连接元件124连接，两第二弯曲元件144的第二端分别与位于手掌元件131的两侧的第七连接元件133连接。

在其中的一些实施例中，第八连接元件142为连接轴，其纵截面呈凸字形，即包括底盘和转轴。

在其中的一些实施例中，第九连接元件143为连接盘，其横截面呈环形，其内径与第八连接元件142的转轴的外径相同。

在其中的一些实施例中，第九连接元件143的外径与第八连接元件142的外径相同或不同，包括等于、大于、小于三种状态。

在其中的一些实施例中，第九连接元件143的外径大于第八连接元件142的外径。

如图6a～6b所示，伸缩单元150包括第一伸缩元件151、第二伸缩元件152、第一驱动元件153和第一电源元件154。其中，第二伸缩元件152与第一伸缩元件151滑动连接；第一驱动元件153与第一伸缩元件151、第二伸缩元件152中的任意一个连接，用于驱动第一伸缩元件151与第二伸缩元件152进行相对运动；第一电源元件154与第一驱动元件153连接；其中，第一伸缩元件151的第一端与上臂单元110连接，第二伸缩元件152的第二端与前臂单元120连接；或者，第一伸缩元件151的第一端与前臂单元120连接，第二伸缩元件152的第二端与手掌单元130连接。

具体地，第一伸缩元件151为四个，第二伸缩元件152为四个，第一驱动元件153为四个，第一电源元件154为四个。其中，两第一伸缩元件151的第一端分别与位于上臂元件111的两侧的第一连接元件112连接，两第二伸缩元件152的第二端分别与位于前臂元件121的两侧的第三连接元件122连接；两第一伸缩元件151的第一端分别与位于前臂元件121的两侧的第三连接元件122连接，两第二伸缩元件152的第二端分别与位于手掌元件131的两侧的第六连接元件132连接。

在其中的一些实施例中，第一伸缩元件151为中空套管，第二伸缩元件152为滑杆，第一驱动元件153和第一电源元件154设置于第一伸缩元件151的内部，并与第二伸缩元件152连接，用于驱动第二伸缩元件152滑动。

在其中的一些实施例中，第一伸缩元件151为滑杆，第二伸缩元件152为中空套管，第一驱动元件153和第一电源元件154设置于第二伸缩元件152的内部，并与第一伸缩元件151连接，用于驱动第一伸缩元件151滑动。

在其中的一些实施例中，第一驱动元件153为驱动电机。

在其中的一些实施例中，第一电源元件154为电源。

如图7a～7b所示，牵引单元160包括定位元件161、第二驱动元件162、第二电源元件163和线缆元件164。其中，定位元件161设置于手掌单元130；第二驱动元件162设置于前臂单元120；第二电源元件163与第二驱动元件162连接；线缆元件164分别与定位元件161、第二驱动元件162连接，用于在第二驱动元件162的作用下进行伸展或收缩。

具体地，定位元件161设置于手掌元件131的手掌侧和/或手背侧，第二驱动元件162设置于前臂元件121的上侧和/或下侧。

在其中的一些实施例中，位于中指关节的保护元件134设置有定位元件161。

在其中的一些实施例中，定位元件161为扣环。

在其中的一些实施例中，第二驱动元件162为电驱收线器。

在其中的一些实施例中，第二电源元件163为电源。

在其中的一些实施例中，线缆元件164与分别与位于手掌单元130的手掌侧的定位元件161、位于前臂单元120的上侧的第二驱动元件162连接。

在其中的一些实施例中，线缆元件164与分别与位于手掌单元130的手背侧的定位元件161、位于前臂单元120的下侧的第二驱动元件162连接。

在其中的一些实施例中，线缆元件164为尼龙线缆。

如图8所示，监测单元170包括若干角度监测元件171，若干角度监测元件171间隔地设置于上臂单元110、手掌单元130、弯曲单元140中的至少一个，用于获取弯曲单元140的不同位置的弯曲角度。

在其中的一些实施例中，角度监测元件171设置于第二连接元件113和/或第七连接元件133结合/或第一弯曲元件141和/或第二弯曲元件144，用于监测第一弯曲元件141和/或第二弯曲元件144的弯曲角度。

在其中的一些实施例中，角度监测元件171设置于第二连接元件113用于监测第一弯曲元件141的弯曲角度，角度监测元件171设置于第七连接元件133用于监测第二弯曲元件144的弯曲角度。

在其中的一些实施例中，角度监测元件171设置于第一弯曲元件141用于监测第一弯曲元件141的弯曲角度，角度监测元件171设置于第二弯曲元件144用于监测第二弯曲元件144的弯曲角度。

在其中的一些实施例中，角度监测元件171为角位移传感器。

本发明的使用方法如下，如图9所示：

将上臂元件111、前臂元件121和手掌元件131穿戴固定于患者待复健上肢肢体；

调整第一限位元件114、第二限位元件115，用以调节上臂元件111的松紧程度，以呈现稳固舒适状态；

调整第三限位元件125、第四限位元件126，用于调节前臂元件121的松紧程度，以呈现稳固舒适状态；

若仅进行肘关节和前臂肢体的锻炼，则控制上臂元件111和前臂元件121之间的第一伸缩元件151和第二伸缩元件152进行工作，完成肘关节的屈曲或伸展活动；

若仅进行腕关节和手部的锻炼，则先控制上臂元件111和前臂元件121之间的第一伸缩元件151和第二伸缩元件152进行工作，将肘关节屈曲至合理舒适的角度；再控制第二驱动元件162，收紧线缆元件164，使腕关节掌屈或背屈成一个较小的角度，帮助患者腕关节完成复健前的适应工作；同时控制前臂元件121与手掌元件131之间的第一伸缩元件151和第二伸缩元件152进行工作，达到正确的工作前初始状态，使其不再保持穿戴时与尺桡骨的平行状态，而达到位于掌面或手背面的驱动前状态；继续控制前臂元件121与手掌元件131之间的第一伸缩元件151和第二伸缩元件152进行工作，完成腕关节更大角度的掌屈或背屈运动，慢慢增加屈曲角度直到患者达到单次最大承受角度；此时，可以根据前臂元件121与手掌元件131之间的第一弯曲元件141、第二弯曲元件144、第一伸缩元件151、第二伸缩元件152的初始长度，以及屈曲最大角度后第一伸缩元件151与第二伸缩元件152的长度变化量即可得出此时三角形的三边长度，即可测算出位于腕关节的第一弯曲元件141与第二弯曲元件144之间的角度(或者利用角度监测元件171分别获取第一弯曲元件141、第二弯曲元件144的弯曲角度)，该角度为此次患者腕关节的最大活动角，由康复医生或患者家属记录在复健记录册中，使腕关节维持最大紧张度数秒后松解，反复锻炼数次直到达到此次复健目标活动量，完成一次复健锻炼。

本发明的优点在于，操作简单，便于定量观测关节复健效能，复健标准统一；电控驱动，记录数据便捷，可长时间保持统一姿势；利用可调节的上臂单元和前臂单元，可以适用于不同人群。

实施例2

本实施例涉及本发明的上肢复健系统。

本发明的一个示意性实施例，如图10所示，一种上肢复健系统，包括如实施例1所述的上肢复健装置100和控制装置200。其中，控制装置200与上肢复健装置100通信连接，用于控制伸缩单元150、牵引单元160和监测单元170。

具体地，控制装置200分别与第一驱动元件153、第一电源元件154、第二驱动元件162、第二电源元件163和角度监测元件171通信连接。

在其中的一些实施例中，控制装置200为终端，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。

在其中的一些实施例中，控制装置200与伸缩单元150、牵引单元160、监测单元170进行有线连接、无线连接。

实施例3

本实施例涉及本发明的上肢复健方法。

图11是根据本发明实施例的上肢复健方法的流程图(一)。如图11所示，上肢复健方法包括：

步骤S1102、获取极限屈曲角度和保持时间；

步骤S1104、获取与极限屈曲角度、保持时间对应的复健流程；

步骤S1106、根据复健流程生成弯曲指令和/或伸缩指令；

步骤S1108、输出弯曲指令和/或伸缩指令，以使上肢复健装置动作。

在步骤S1102～步骤S1108中，执行主体为实施例2的控制装置。

在步骤S1102中，极限屈曲角度包括最大手肘弯曲角度和最大手掌弯曲角度。

在步骤S1108中，弯曲指令包括弯曲角度、弯曲时间、弯曲次数。

在步骤S1108中，伸缩指令包括伸缩长度、伸缩时间、伸缩次数。

图12是根据本发明实施例的上肢复健方法的流程图(二)。如图12所示，获取极限屈曲角度和保持时间包括：

步骤S1202、获取监测单元的稳定输出时间；

步骤S1204、判断稳定输出时间与预设时间阈值是否匹配；

步骤S1206、在稳定输出时间与预设时间阈值匹配的情况下，记录监测单元输出的屈曲角度为极限屈曲角度；

步骤S1208、获取角度偏差阈值；

步骤S1210、根据极限屈曲角度和角度偏差阈值，生成极限屈曲角度范围；

步骤S1212、获取监测单元输出的屈曲角度位于极限屈曲角度范围的持续时间，并记录为保持时间。

在步骤S1202～步骤S1212中，执行主体为实施例2的控制装置。

在步骤S1206中，屈曲角度包括手肘弯曲角度和手掌弯曲角度。

在步骤S1210中，极限屈曲角度为θ，角度偏差阈值为Δ

在其中的一些实施例中，获取复健流程包括：

(一)构建数据库

获取若干康复数据和若干治疗方法，其中，康复数据包括极限屈曲角度和保持时间，治疗方法包括康复训练时间、康复训练强度指标；

将若干康复数据与若干治疗方法相对应，以形成数据库，其中，一康复数据与至少一治疗方法相对应；

(二)构建并训练神经网络

构建神经网络，其中，神经网络包括输入层、至少一隐藏层和输出层；

将康复数据作为输入量，将治疗方法作为输出量输入至神经网络进行训练，以获得训练好的神经网络；

(三)获取复健流程

获取极限屈曲角度和保持时间；

将所述极限屈曲角度和所述保持时间输入至训练好的神经网络，以获取对应的至少一治疗方法；

将治疗方法作为复健流程。

在其中的一些实施例中，输入输入层的参数/输入矩阵为X、矩阵维度为m×n

输入层的神经元数目为n

隐藏层的神经元数据为n

输出层的参数/输入矩阵为Y、矩阵维度为m×n

其中，X为输入矩阵，m为训练样本数(输入数据对应的患者数目)，n

在其中的一些实施例中，隐藏层为j个，其中，j≥2；

第1隐藏层的神经元数据为n

第j隐藏层的神经元数据为n

在其中的一些实施例中，训练神经网络包括：

(一)参数初始化

将参数随机初始化在[-ε，ε]区间内，公式如(1)式所示：

W

其中，ε需要根据数据尺度来获取；

(二)前向传播运算

根据输入至X计算预测值h

Z

A

Z

A

Z

h

其中，预测值h

(三)计算损失函数

对预测结果进行评价，计算公式如(8)所示：

其中，后一项为正则化项，偏置参数不参与计算；

(四)反向传播计算(迭代参数减少损失函数)

(1)计算每一层的反向传播误差，计算公式如(9)～(12)所示：

δ

δ

δ

Δ

(2)计算损失函数的梯度，计算公式如(13)所示：

(3)在使用机器学习算法过程中，通过数值方法来检验利用计算机程序进行损失梯度函数计算的正确性，计算公式如(14)所示：

其中，取ε＝10

(五)更新模型参数

对模型参数进行更新，更新公式如(15)所示：

其中，α为学习率，α＜10；

(六)迭代

重复步骤(一)～(五)来逐步降低损失函数(误差)，实现对神经网络的训练。

在其中的一些实施例中，α＜1。

在其中的一些实施例中，α为0.003、0.03、0.3、3。

在其中的一些实施例中，α为0.03，可以保证学习效率与学习效果。

图13是根据本发明实施例的上肢复健方法的具体流程图。如图13所示，上肢复健方法包括：

(一)构建数据库

患者穿戴上肢复健装置，利用角位移传感器(即角度监测元件)获取稳定屈曲角度(即极限屈曲角度)和保持时间；

获取与极限屈曲角度和保持时间相对应的治疗方案；

将极限屈曲角度、保持时间和治疗方案构建数据库；

(二)机器学习与神经网络训练

将极限屈曲角度、保持时间作为患者的康复数据，并当做输入量；

将治疗方案作为输出量；

利用回归或K聚类算法进行学习并形成神经网络；

神经网络的训练过程如前所述；

(三)复健

将待复健患者的极限屈曲角度和保持时间输入至训练好的神经网络，得到治疗方案；

根据治疗方案形成弯曲指令和/或伸缩指令；

待复健患者穿戴上肢复健装置；

控制装置根据弯曲指令和/或伸缩指令控制上肢复健装置进行弯曲动作和/或伸缩动作。

另外，本申请实施例的上肢复健方法可以由计算机设备来实现。计算机设备的组件可以包括但不限于处理器以及存储有计算机程序指令的存储器。

在一些实施例中，处理器可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

在一些实施例中，存储器可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(HardDiskDrive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(Solid State Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(UniversalSerial Bus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。

存储器可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器所执行的可能的计算机程序指令。

处理器通过读取并执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种上肢复健方法。

在其中一些实施例中，计算机设备还可包括通信接口和总线。其中，处理器、存储器、通信接口通过总线连接并完成相互间的通信。

通信接口用于实现本申请实施例中各单元、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。

总线包括硬件、软件或两者，将计算机设备的部件彼此耦接在一起。总线包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(ControlBus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(FrontSide Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。

该计算机设备可以执行本申请实施例中的上肢复健方法。

另外，结合上述实施例中的上肢复健方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种用于区块链的上肢复健方法。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。