基于梯形槽结构的连续体手术器械弹性关节建模、仿真和实验验证

摘要

面向经自然腔道内镜手术(natural orifice transluminal endoscopic surgery,NOTES),根据手术器械的弯曲性和刚度需求,设计了具有梯形槽结构的连续体手术器械弹性关节,并提出了连续体弹性关节的结构特征参数.为消除结构参数原始单位及其数值数量级的影响,便于确定参数的取值区间,以特征长度为单位将连续体弹性关节的结构特征抽象为4个无量纲的结构参数.由于连续体弹性关节的结构沿轴线方向是循环重复的,切槽部分的变形相同,所以首先提取一节弹性关节进行静力学分析,然后通过叠加获得连续体弹性关节考虑其形状特征的静力学模型.为验证连续体弹性关节力学性能,基于有限元分析软件ABAQUS进行仿真.一方面,基于正交实验设计方法,验证各结构参数对力学性能影响的变化趋势以及显著性,不涉及对具体数值的验证;另一方面,基于控制变量法,验证结构参数对力学性能的影响,并根据仿真结果校正了静力学模型.同时,基于控制变量法,通过实验验证结构参数对刚度系数的影响.结果表明该模型可以有效描述弹性关节的弯曲性能和抗压性能,为弹性关节设计提供指导.