[發明專利]一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法

有效

• 申請號: 202111104279.4
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113742981B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 周子柯;劉晏榕;田懷文;劉建濤;葉若萱;李辰月;孫睿琰
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F113/10;G06F119/14;G06F119/18
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

1.一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、使用軟件實現柔性外科手術用夾鉗形狀的設計；

S2、利用3D打印技術，將步驟S1得到的建模文件進行3D打印制造。

2.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于，所述步驟S1還包括以下步驟：

S11、定義材料的各項性質，然后編寫拓撲優化程序；

S12、采集柔性夾鉗的長寬高尺寸參數，確定柔性夾鉗的大小，并將柔性夾鉗的長寬高尺寸參數輸入代碼，輸入的參數作為設計域；

S13、將步驟S12中的設計域通過有限元分析，得到整個設計域的有限元分析結果；

S14、柔性夾鉗的結構為對稱結構，確定柔性夾鉗鉗口部分和對稱軸部分的單位格的位置和載荷的輸入輸出位置及大小，并輸入相關向量；

S15、設置懲罰函數取最優解，將材料密度介于0到1之間的位置重新判斷并定義為有材料或無材料；

S16、并利用OC(optimum criteria)算法對于設計域進行優化并畫圖；OC算法為：

S17、計算剛度矩陣：利用各向同性的六面體的剛度矩陣作為每個單元格的剛度矩陣，按照單元格的連接方式，將每個節點的剛度系數首位相加，得到適用于該定義域的全局剛度矩陣，將默認無材料部分的剛度系數定義為無限小，并輸入剛度矩陣；

S18、計算設計域的位移矩陣：利用力等于剛度系數乘以形變量的關系：F＝K*x，通過步驟S17所計算得到的力的矩陣和剛度矩陣，計算得到相應的唯一矩陣；

S19、拓撲優化：通過不斷的循環迭代，當單次循環結果改變量小于0.01時，最終得到優化結果并結束計算，找到柔性夾鉗形狀。

3.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于，所述步驟S2還包括以下步驟：

S21、使用TOPslicer v0.8.4—Tomas Zegard程序，可將步驟S19中得到的柔性夾鉗形狀進行灰度的消除，使柔性夾鉗的棱角平均化；

S22、將步驟S21中得到的柔性夾鉗形狀轉換成STL文件；

S23、采用柔性材料，使用3D打印技術完成柔性夾鉗的實物制造；

S24、根據步驟S23打印的結構修改程序編寫，更改柔性材料的材質，完成不同材料的柔性夾鉗的3D打印制造。

4.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于，所述步驟S11中材料的各項性質包括固體實心材料楊氏模量，柔性夾鉗中實心材料的楊氏模量值為1，有孔材料的楊氏模量值為1e-9，泊松比的值為0.3。

5.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于：所述步驟S13中的有限元分析是將步驟S12中的設計域分成有限個大小相等且性質相同的單元格，先對單個單元格進行力學分析，然后將所有單元格的分析結果相加得到整個設計域的分析結果；把單元格以從左到右，從上到下的順序將每一個單元格編號，相鄰單元格之間通過連接點相連，再利用單元格的序號確定每一個連接點的序號，每一個可自由移動的連接點的自由度為3，確定所有連接點的序號并將其輸入成為一個矩陣。

6.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于、所述步驟S14中輸入的載荷在x,y,z方向上，其中x為橫向方向，y為縱向方向，z為垂直紙面方向，每個方向分別對應一個自由度，確定各輸入點的位置向量，將其大小輸入與定義域矩陣同等大小的力的矩陣，并保證其他未定義的點的力值為0。

7.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于：所述步驟S15中懲罰函數為dc＝penal*(E0-Emin)*x.^(penal-1).*ce；值為3。

8.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于、所述步驟S17中剛度系數為1e-2。

9.根據權利要求1所述的一種柔性醫用夾鉗健壯性設計制造方法，其特征在于、所述步驟S19中循環迭代次數最大為200次，計算得出最小位移值或最大位移值，位移的大小通過設置單元格內材料的密度來改變，最終得到對應的優化結果。