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专利摘要

本发明公开了一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，包括如下步骤：第一步、使用软件实现柔性外科手术用夹钳形状的设计；第二步、利用3D打印技术，将第一步得到的建模文件进行3D打印制造。本发明所提供的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法可以根据医生不同的手型和用力习惯自动化设计夹钳，实现了用户个性化的设计方式，并采用3D打印技术完成实物进行功能的检测。本发明设计出的医用柔性夹钳由一个单独的主体构成，极大的减小了夹钳的磨损并延长了医用夹钳的使用寿命。本发明不仅节省了材料的使用也减轻了夹钳的重量，使其在长时间的手术中能帮助医生极大的减轻手部负担。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202111104279.4
申请日期:
2021-09-18
专利申请人:
西南交通大学
分类号:
G06F30/23 ; G06F30/17 ; G06F113/10 ; G06F119/14 ; G06F119/18
发明/设计人:
周子柯，刘晏榕，田怀文，刘建涛，叶若萱，李辰月，孙睿琰
权利要求: 1.一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、使用软件实现柔性外科手术用夹钳形状的设计；S2、利用3D打印技术，将步骤S1得到的建模文件进行3D打印制造。2.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下步骤：S11、定义材料的各项性质，然后编写拓扑优化程序；S12、采集柔性夹钳的长宽高尺寸参数，确定柔性夹钳的大小，并将柔性夹钳的长宽高尺寸参数输入代码，输入的参数作为设计域；S13、将步骤S12中的设计域通过有限元分析，得到整个设计域的有限元分析结果；S14、柔性夹钳的结构为对称结构，确定柔性夹钳钳口部分和对称轴部分的单位格的位置和载荷的输入输出位置及大小，并输入相关向量；S15、设置惩罚函数取最优解，将材料密度介于0到1之间的位置重新判断并定义为有材料或无材料；S16、并利用OC(optimum criteria)算法对于设计域进行优化并画图；OC算法为：S17、计算刚度矩阵：利用各向同性的六面体的刚度矩阵作为每个单元格的刚度矩阵，按照单元格的连接方式，将每个节点的刚度系数首位相加，得到适用于该定义域的全局刚度矩阵，将默认无材料部分的刚度系数定义为无限小，并输入刚度矩阵；S18、计算设计域的位移矩阵：利用力等于刚度系数乘以形变量的关系：F＝K*x，通过步骤S17所计算得到的力的矩阵和刚度矩阵，计算得到相应的唯一矩阵；S19、拓扑优化：通过不断的循环迭代，当单次循环结果改变量小于0.01时，最终得到优化结果并结束计算，找到柔性夹钳形状。3.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：S21、使用TOPslicer v0.8.4—Tomas Zegard程序，可将步骤S19中得到的柔性夹钳形状进行灰度的消除，使柔性夹钳的棱角平均化；S22、将步骤S21中得到的柔性夹钳形状转换成STL文件；S23、采用柔性材料，使用3D打印技术完成柔性夹钳的实物制造；S24、根据步骤S23打印的结构修改程序编写，更改柔性材料的材质，完成不同材料的柔性夹钳的3D打印制造。4.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于，所述步骤S11中材料的各项性质包括固体实心材料杨氏模量，柔性夹钳中实心材料的杨氏模量值为1，有孔材料的杨氏模量值为1e-9，泊松比的值为0.3。5.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于：所述步骤S13中的有限元分析是将步骤S12中的设计域分成有限个大小相等且性质相同的单元格，先对单个单元格进行力学分析，然后将所有单元格的分析结果相加得到整个设计域的分析结果；把单元格以从左到右，从上到下的顺序将每一个单元格编号，相邻单元格之间通过连接点相连，再利用单元格的序号确定每一个连接点的序号，每一个可自由移动的连接点的自由度为3，确定所有连接点的序号并将其输入成为一个矩阵。6.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于、所述步骤S14中输入的载荷在x,y,z方向上，其中x为横向方向，y为纵向方向，z为垂直纸面方向，每个方向分别对应一个自由度，确定各输入点的位置向量，将其大小输入与定义域矩阵同等大小的力的矩阵，并保证其他未定义的点的力值为0。7.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于：所述步骤S15中惩罚函数为dc＝penal*(E0-Emin)*x.^(penal-1).*ce；值为3。8.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于、所述步骤S17中刚度系数为1e-2。9.根据权利要求1所述的一种柔性医用夹钳健壮性设计制造方法，其特征在于、所述步骤S19中循环迭代次数最大为200次，计算得出最小位移值或最大位移值，位移的大小通过设置单元格内材料的密度来改变，最终得到对应的优化结果。