【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及醫療器械設計，更具體地，涉及一種柔性異形導管機器人的結構設計方法、程序產品及柔性異形導管機器人。
技術介紹
1、醫療導管機器人在提高手術精度與安全性、減輕醫生工作負擔、提升手術效率、改善患者體驗以及推動醫療技術創新與發展等方面具有顯著的優勢。以經導管二尖瓣緣對緣修復術（teer）為例，傳統器械在這一過程中操作復雜、效率低下且依賴多人協同配合。導管機器人充分考慮了醫療目的與治療效率，是臨床實踐中的先進工具。
2、手術導管機器人應當在保證病患創傷最小化的前提下，滿足治療術的變形需求，同時盡可能實現輕量化，避免給病患帶來額外的負擔。一般要求導管的最大彎曲角度應大于150°，操作精度應小于5°；導管輸送范圍廣泛且精度要求高，通常要求輸送范圍為0~800mm，操作精度小于1mm。傳統的導管機器人是密實的、薄壁的，其具有通用性。但面對不同的手術工作環境，使用高效的方法設計與之更匹配的導管機器人結構是有必要的。
3、例如，經導管二尖瓣緣對緣修復術（teer）需要導管機器人實現平展、大幅度展開等功能，就可以將導管機器人設計為多剛度網格的形式以實現上述功能：在原本密實的材料上設計大小不一的網格孔洞，既能提升導管機器人的使用性能，同時可以節省材料，實現經濟效應的增長：網格孔洞的存在降低了原材料的剛度，使之柔性更高，可以容許多維度的彎曲；同時網格孔洞容許材料形變的釋放，避免柔性機器人的塑性形變或損傷。目前尚沒有一種以通過情況為優化目標進行導管機器人異形設計的方法。
技術實現思路
1、由于現有技術存在的問題，本專利技術提出一種柔性異形導管機器人的結構設計方法、程序產品及柔性異形導管機器人，旨在通過拓撲優化設計方法為導管機器人結構的異形設計提供一種高效的解決方案。這一方法可以根據導管機器人的工作環境生成相匹配的設計任務，使設計出的導管機器人有更好的服務性能。
2、為實現上述目的，第一方面，本專利技術提供一種柔性異形導管機器人的結構設計方法，包括：
3、步驟s1、建立待設計的導管機器人虛擬模型并實現模型的初始網格化；對模型網格分別標記并一一對應賦值、、……?；為第i個網格處的偽密度，其取值表示該網格處材料的有無；
4、步驟s2、建立拓撲優化的數學表達：對所述導管機器人的使用需求進行數學抽象，明確所述導管機器人的極限應用場景，確定其所受外力的形式、大小、位置；確定所述導管機器人制造材料的極限應變能；
5、建立結構設計的數學描述模型，給出數學描述如下：
6、find:?、、……?
7、優化目標：min:?
8、s.t.??
9、式中，x是由偽密度組成的向量；優化目標是最小化，其中，表示第個單元處的多向應變向量，表示第個單元處的單元彈性（剛度）矩陣，用于對該項的折減，他們的乘積表征為受力形變過程中，第個單元處產生的應變能的密度；優化目標的實現要求：/η,?η是安全系數，是材料的極限應變能密度；同時結合使用場景對材料的最大應變提出約束，不大于最大許用值；為任意位置處的材料在指定方向上的剛度，表示不采用網格設計時的材料單元剛度；通過靜力學公式求解，進而得到單元向量；v表示導管機器人不采用網格設計時所需的材料總用量，v0表示模型網格設計時單一網格的材料用量；
10、步驟s3、求解與后處理：采用優化算法求解所述步驟s3的數學描述模型，得到，并參照按照不同的優化算法進行優化設計，直到收斂；
11、步驟s4、輸出優化后當前時刻的偽密度向量。
12、本申請的第一方面的一些實施例中，所述步驟s3中，所述優化算法包括但不限于遺傳算法、退火算法、粒子群算法、移動漸近線法（mma）算法、全局收斂移動漸近線法（gcmma）算法中的一種或多種。
13、本申請的第一方面的一些實施例中，所述步驟s3中，對每一個個體，均基于偽密度向量與已知的受力情況實施有限元模擬計算，求解各單元的應變情況，?計算各單元位置處的應變能；以應變能為優化指標，實施步驟s3中所述的優化算法。在優化算法的迭代過程中，當所有網格都已經滿足應變能不超限的要求時，對迭代情況進行比選，若發現：迭代進行到某一代后，優化結果收斂，則執行優化設計，否則將該值的倒數作為適應度，輸入并執行求解步驟。
14、本申請的第一方面的一些實施例中，所述步驟s3的基本方法包括以下步驟：
15、步驟s31、隨機地對進行采樣;
16、步驟s32、對復雜情況通過有限元分析求解，計算，合并檢查的大小與計算結果的收斂性;
17、步驟s33、若收斂，則計算終止，輸出；
18、步驟s34、否則，參照按照不同的優化算法進行優化設計，直到收斂。
19、本申請的第一方面的一些實施例中，所述后處理過程包括以下步驟：
20、步驟s51、使用體積保持的heaviside濾波方法對設計變量進行濾波處理，得到過濾后的密度值；
21、步驟s52、根據過濾后的密度值更新物理密度，用于后續的有限元分析和目標函數、約束函數及靈敏度的計算；
22、步驟s53、使用優化算法更新設計變量，并重復所述步驟s51和s52直到滿足收斂條件。
23、本申請的第一方面的一些實施例中，所述heaviside濾波給出heaviside函數如下：
24、
25、其中，為閾值，待優化變量；為避免過濾前后體積分數變化過于劇烈引起迭代過程不穩定，可以計算優化的取值來保持優化前后的體積分數，引入優化目標如下：
26、
27、即可求滿足體積不變性要求的參數。
28、本申請的第一方面的一些實施例中，引入參數將heaviside函數放松為一連續函數：
29、
30、與的不同取值會影響heaviside函數的情況；時，heaviside函數失去作用；越大，其起到的作用越接近于原始的heaviside階躍函數。
31、第二方面，本專利技術提供一種柔性異形導管機器人，其網格結構設計采用如上所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，輸出的偽密度取值表示該網格處材料的有無；設計計算結果輸入制造設備制作所述柔性異形導管機器人。
32、本申請的第二方面的一些實施例中，所述制造設備為增材制造或3d打印設備。
33、第三方面，本專利技術提供一種計算機程序產品，用于柔性異形導管機器人的結構設計；當所述計算機程序產品在計算機或設備上運行時，使得計算機或設備執行如上所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法。
34、與現有技術相比，本專利技術具有以下技術效果：
35、1.?本專利技術將拓撲優化設計思想引入導管機器人的設計中，通過設計導管機器人網格孔洞，提升了其靈活性與經濟效益。
36、2.?本專利技術的結構設計方法以極限應變能密度作為優化目標，指明“材料被動變形連續”這一現實需求的簡單替換條件，因此具有允許依據特本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述優化算法包括但不限于遺傳算法、退火算法、粒子群算法、移動漸近線法（MMA）算法、全局收斂移動漸近線法（GCMMA）算法中的一種或多種。
3.根據權利要求1或2所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟S3中，對每一個個體，均基于偽密度向量與已知的受力情況實施有限元模擬計算，求解各單元的應變情況，計算各單元位置處的應變能；以應變能為優化指標，實施步驟S3中所述的優化算法；在優化算法的迭代過程中，當所有網格都已經滿足應變能不超限的要求時，對迭代情況進行比選，若發現：迭代進行到某一代后，優化結果收斂，則執行優化設計，否則將該值的倒數作為適應度，輸入并執行求解步驟。
4.根據權利要求3所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟S3的基本方法包括以下步驟：
5.根據權利要求3所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述后處理過程包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述優化算法包括但不限于遺傳算法、退火算法、粒子群算法、移動漸近線法（mma）算法、全局收斂移動漸近線法（gcmma）算法中的一種或多種。
3.根據權利要求1或2所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟s3中，對每一個個體，均基于偽密度向量與已知的受力情況實施有限元模擬計算，求解各單元的應變情況，計算各單元位置處的應變能；以應變能為優化指標，實施步驟s3中所述的優化算法；在優化算法的迭代過程中，當所有網格都已經滿足應變能不超限的要求時，對迭代情況進行比選，若發現：迭代進行到某一代后，優化結果收斂，則執行優化設計，否則將該值的倒數作為適應度，輸入并執行求解步驟。
4.根據權利要求3所述的柔性異形導管機器人的結構設計方法，其特征在于，所述步驟s3的基本方法包括以下步驟：
5.根據權利要...
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