CN104527067B - 可自由移动的3d打印机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可自由移动的3D打印机器人。它包括全方位移动平台机构、Z轴升降机构、3D打印机构和反馈/通信/控制电路。其特征在于所述全方位移动平台机构上固定连接Z轴升降机构，Z轴升降机构上固定连接3D打印机构，所述全方位移动平台机构上同时安装有反馈/通信/控制电路，利用所述反馈/通信/控制电路控制所述全方位移动平台机构与Z轴升降机构带动所述3D打印机构实现三维空间无尺寸限制的长条形物体打印。特点是结构紧凑，体积小，无传统3D打印机的打印物体尺寸限制，运动灵活性高，打印速度快，同时实现了任意多台打印机器人的协作通信，进一步增强了3D打印效率。特别适合大距离长条形物体，例如建筑物墙壁的低成本、高效率打印。

Description

可自由移动的3D打印机器人

技术领域

本发明同时涉及3D打印机技术领域与移动机器人技术领域，特别涉及一种可自由移动的3D打印机器人。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层一层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品，逐层打印的方式来构造物体的技术。

由于3D打印技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，因此该技术正在21世纪初全行业迅速普及。小到打印出食物，人体器官，大到打印出整幢建筑，是3D打印机未来的发展方向。

然而市面上各种型号款式的3D打印机主要面向的都是工业领域和个人消费领域，前者侧重点在于打印零件的强度与精度，后者关注的是打印时间与价格，无论侧重点如何变化，打印机的基本形态都是三维空间运动机构（例如三维笛卡尔直线运动机构，参考专利[201410083017.8]，再例如三维delta并联运动机构，参考专利[201320614957.6] 和[201310246765.9]），末端固定有三维打印头，通过数字模型文件驱动三维空间运动机构运动到指定位置，运用粉末材料粘合或塑料材料融化，通过逐层累加的方式来构造三维物体的。这种方法的一个巨大缺陷是所打印物体理论上的最大尺寸不大于三维空间运动机构的运动空间尺寸，这对于未来打印例如房屋建筑墙壁等大型物体非常不利，因为制造出大于房屋的3D打印机无论从成本上还是打印时间，代价都是非常昂贵的，然而制造大尺寸的3D打印机等快速成型装置一直是科学界的目标，其中华中科技大学研制的基于粉末床的激光烧结“立体打印”技术，获得了 2011 年国家技术发明奖二等奖，这一具有 1.2m×1.2m工作面的世界最大“立体打印机”，入选了两院院士评选的 2011 年中国十大科技进展。（参考文献 [1] 朱建华，王潇潇，叶群．两院院士评出中国十大科技进展 武汉造世界最大“3D打印机”入选 [N]．长江日报，2012-01-18.）

综上所述，如果能有一种新型的常规大小的3D打印机可以突破打印最大尺寸限制，势必能为3D打印机扩展应用，能为3D打印市场带来新的商机。

全方位移动机器人，在平面上能实现三自由度全方位运动的机器人，这种全向运动特性使得全方位运动机构在各行业中有着广泛的应用前景，已经成为机器人研究领域的一个重要分支，得到越来越多的关注。

目前已有相关专利对全方位移动机器人有所涉及，例如，专利[201010172301.4]提供了一种全方位移动载人智能机器人及其运行方法，机器人中心对称布置了斜向45度的4个全向轮，通过控制4个全向轮实现机器人的全方位运动，再例如，专利[200710071084.8]提出了一种全方位自主移动机器人，由四轮车体、两套机构相同的丝杠滑块机构、三组传动齿轮组和四组结构相同的车轮转向连杆系组成。通过齿轮啮合的切换，可以改变移动机器人的运动方式，从而实现全方位移动。

尽管上述专利在机器人领域已被接受，甚至有些已有相关的产品出现，然而用于实现3D打印的全方位移动机器人还没有类似的概念出现。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的3D打印机打印尺寸限制，即所打印物体理论上的最大尺寸不大于3D打印机三维空间运动机构的运动空间尺寸，提供一种可自由移动的常规大小的3D打印机器人，实现大尺寸长条形物体，例如房屋墙壁等的3D打印，并且实现打印效率高、成本低，能多机协调工作的优点。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种可自由移动的3D打印机器人，包括全方位移动平台机构、Z轴升降机构、3D打印机构和反馈/通信/控制电路，

其特征在于：所述全方位移动平台机构上固定连接Z轴升降机构，Z轴升降机构上固定连接3D打印机构，所述全方位移动平台机构上同时安装有反馈/通信/控制电路；

1）所述全方位移动平台机构包括移动平台基座、运动电机、运动轮，运动电机安装在移动平台基座上而输出端连接有运动轮构成轮运动机构；

2）所述Z轴升降机构包括升降电机、升降移动副动端、升降移动副定端、打印头动支架，升降移动副定端固定在全方位移动平台机构的移动平台基座上，升降移动副动端与升降移动副定端匹配并能通过升降电机驱动而产生Z方向直线运动，升降移动副动端上固定有打印头动支架；

3）所述3D打印机构包括连接臂、送料电机、加热腔、挤出头、打印材料，连接臂固定于Z轴升降机构的打印头动支架上，连接臂末端固定有送料电机和加热腔，送料电机依次连接加热腔和挤出头，送料电机将打印材料送入加热腔经过加热融化后通过挤出头挤出进行3D打印；

4）所述反馈/通信/控制电路包括电源、定位传感器电路、通信电路、控制电路，所述反馈/通信/控制电路安装于全方位移动平台的移动平台基座上，所述电源为整台设备提供电力，所述定位传感器电路为能够检测全方位移动平台机构水平面运动距离并为控制电路提供位置反馈，所述通信电路为多机协作控制提供通信，所述控制电路实现整台设备的运动控制算法。

进一步地，所述全方位移动平台机构为按照移动平台基座中心对称布置了相隔90度的4个全向驱动轮运动机构，或者呈矩形布置的4个能够同时实现驱动和转向的轮运动机构。

进一步地，所述Z轴升降机构为直线电机直线运动机构或者滚珠丝杠直线运动机构。

进一步地，所述3D打印机构为活塞针筒式挤出送料机构或者电机齿轮咬合送料机构。

进一步地，所述定位传感器电路为发光二极管定位传感器或者激光定位传感器，或者定位传感器电路安装在3D打印机器人工作的天花板上，为摄像头视觉传感器。

相同的任意多台3D打印机器人能够通过反馈/通信/控制电路中的通信电路实现多机协作通信，共同打印大尺寸长条形，例如房屋墙壁等物体。

本发明的工作原理简述如下：

首先通过软件将待打印的物体数字模型文件经过分层离散，利用高灵活性，无运动范围限制，可以XY运动以及绕Z轴旋转的全方位移动平台，带动全方位移动平台上的Z轴运动机构和打印头进行3D打印，即通过数字模型文件驱动全方位移动平台机构运动到指定位置，全方位运动平台运动完整运动完当前层模型的所有平面空间，带动打印头打印当前模型层，然后Z轴运动机构运动竖直向上运动一个模型层距离后，打印机器人进入到下个模型层进行新一轮的层模型打印，最终运用粉末材料粘合或塑料材料融化，通过逐层累加的方式来构造三维物体。于此同时，可以利用打印机器人中的反馈/通信/控制电路，进行任意多台打印机器人的协作通信，通过任务分解，共同实现大物体的打印目的。

本发明与现有3D打印机相比有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明可自由移动的3D打印机器人结构紧凑，体积小，无传统3D打印机的打印物体尺寸限制，运动灵活性高，打印速度快。同时实现了任意多台打印机器人的协作通信，进一步增强了3D打印效率。特别适合大距离长条形物体，例如建筑物墙壁的低成本、高效率打印。

附图说明

图1是本发明原理结构示意图。

图2是本发明一种全方位移动平台结构示意图。

图3是本发明另一种全方位移动平台结构示意图。

图4是本发明一种Z轴升降机构结构示意图。

图5是本发明另一种Z轴升降机构结构示意图。

图6是本发明一种3D打印机构结构示意图。

图7是本发明另一种3D打印机构结构示意图。

图8是本发明一种多机通讯协作示意图。

图9是本发明另一种多机通讯协作示意图。

图10是本发明反馈/通信/控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其实施例作进一步说明。

实施例一

参见图1和图10，一种能自由移动的3D打印机器人，包括全方位移动平台机构100、Z轴升降机构200、3D打印机构300、反馈/通信/控制电路400，全方位移动平台机构100上固定连接Z轴升降机构200，Z轴升降机构200上固定连接3D打印机构300，同时全方位移动平台机构100上同时安装有反馈/通信/控制电路400；

全方位移动平台机构100包括移动平台基座111、运动电机112、运动轮113，运动电机112安装在移动平台基座111上而输出端连接有运动轮113构成轮运动机构。

Z轴升降机构200包括升降电机211、升降移动副动端212、升降移动副定端213、打印头动支架214，升降移动副定端213固定在全方位移动平台机构100的移动平台基座111上，升降移动副动端212与升降移动副定端213匹配并能通过升降电机211驱动而产生Z方向直线运动，升降移动副动端212上固定有打印头动支架214。

3D打印机构300包括连接臂311、送料电机312、加热腔313、挤出头314、打印材料315，连接臂311固定于Z轴升降机构200的打印头动支架214上，连接臂311末端固定有送料电机312和加热腔313，送料电机312将打印材料315送入加热腔313经过加热融化后通过挤出头314挤出进行3D打印。

所述反馈/通信/控制电路包括电源、定位传感器电路、通信电路、控制电路，所述反馈/通信/控制电路安装于全方位移动平台的移动平台基座上，所述电源为整台设备提供电力，所述通信电路为多机协作控制提供通信，所述控制电路实现整台设备的运动控制算法。

反馈/通信/控制电路400包括电源411、定位传感器电路412、通信电路413、控制电路414，反馈/通信/控制电路400安装于全方位移动平台100的移动平台基座111上，电源411为整台设备提供电力，定位传感器电路412为能够检测全方位移动平台机构100水平面运动距离并为控制电路414提供位置反馈，通信电路413为多机协作控制提供通信，控制电路414实现整台设备的运动控制算法。

实施例二

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图2，在本实施例中，全方位移动平台机构100为按照移动平台基座111中心对称布置了互成90度的4个全向驱动轮运动机构，通过运动电机112控制4个运动轮113的转速实现全方位移动平台的全方位移动。

实施例三

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图3，在本实施例中，全方位移动平台机构100还应包括能够实现运动轮113转向的转向电机121，全方位移动平台机构100为按照移动平台基座111呈矩形布置的4个能够同时实现驱动和转向的轮运动机构，通过转向电机121和运动电机112控制4个运动轮113的转向和转速实现全方位移动平台的全方位移动。

实施例四

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图4，在本实施例中，Z轴升降机构200为滚珠丝杠机构，升降移动副动端212为运动螺母222，升降移动副定端为丝杠223，升降电机211为旋转电机221。

实施例五

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图5，在本实施例中，Z轴升降机构200为直线电机机构，升降移动副动端212为直线电机动子232，升降移动副定端为直线电机定子233，升降电机211为直线电机231。

实施例六

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图6，在本实施例中，3D打印机构还应包括旋转丝杠321，挤压螺母322，挤压活塞323，送料电机312依次连接旋转丝杠321，挤压螺母322，挤压活塞323，3D打印机构300为活塞针筒式挤出送料机构，打印材料315预先加入到加热腔313中，通过送料电机312带动旋转丝杠321旋转，推动挤压螺母322，最终推动挤压活塞323将加热后的打印材料315经过挤出头314挤出进行3D打印。

实施例七

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图7，在本实施例中，3D打印机构还应包括粉碎齿轮331，送料电机312连接粉碎齿轮331，3D打印机构300为电机齿轮咬合送料机构，打印材料315未粉碎加热时呈丝状，通过送料电机312带动粉碎齿轮331旋转，粉粹并推动加热后的打印材料315经过挤出头314挤出进行3D打印。

实施例八

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图8和图10，在本实施例中，反馈/通信/控制电路400中的定位传感器电路412是发光二极管定位传感器或者激光定位传感器422，固定安装于全方位移动平台机构100中的移动平台基座111上，在3D打印移动过程中，发光二极管定位传感器或者激光定位传感器422不断发送接收信号，产生3D打印机器人的位移信息，经过反馈/通信/控制电路400中的通信电路413反馈给控制电路414进行位置控制，同时，通过通信电路413，实现任意多台3D打印机器人的协作打印工作。

实施例九

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图9和图10，在本实施例中，反馈/通信/控制电路400中的定位传感器电路412是摄像头视觉传感器432，固定安装于3D打印机器人工作的天花板上，在3D打印移动过程中，摄像头视觉传感器432接收地面3D打印机器人的图像经过软件处理，产生3D打印机器人的位移信息，经过反馈/通信/控制电路400中的通信电路413反馈给控制电路414进行位置控制，同时，通过通信电路413，实现任意多台3D打印机器人的协作打印工作。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种可自由移动的3D打印机器人，包括全方位移动平台机构（100）、Z轴升降机构（200）、3D打印机构（300）和反馈/通信/控制电路（400），

其特征在于：所述全方位移动平台机构（100）上固定连接Z轴升降机构（200），Z轴升降机构（200）上固定连接3D打印机构（300），所述全方位移动平台机构（100）上同时安装有反馈/通信/控制电路（400）；

1）所述全方位移动平台机构（100）包括移动平台基座（111）、运动电机（112）和运动轮（113），运动电机（112）安装在移动平台基座（11）上，而运动电机（112）输出端连接有运动轮（113）构成轮运动机构；

2）所述Z轴升降机构（200）包括升降电机（211）、升降移动副动端（212）、升降移动副定端（213）和打印头动支架（214），升降移动副定端（213）固定在全方位移动平台机构（100）的移动平台基座（111）上，升降移动副动端（212）与升降移动副定端（213）能通过升降电机（211）产生Z方向直线运动，升降移动副动端（212）上固定有打印头动支架（214）；

3）所述3D打印机构（300）包括连接臂（311）、送料电机（312）、加热腔（313）、挤出头（314）和打印材料（315），连接臂（311）固定于Z轴升降机构（200）的打印头动支架（214）上，连接臂（311）末端固定有送料电机（312）和加热腔（313），送料电机（312）依次连接加热腔（313）和挤出头（314），送料电机（312）将打印材料（315）送入加热腔（313）经过加热融化后通过挤出头（314）挤出进行3D打印；

4）所述反馈/通信/控制电路（400）包括电源（411）、定位传感器电路（412）、通信电路（413）和控制电路（414），所述反馈/通信/控制电路（400）安装于全方位移动平台机构（100）的移动平台基座（111）上，所述电源（411）为可自由移动的3D打印机器人提供电力，所述定位传感器电路（412）为能够检测全方位移动平台机构（100）水平面运动距离并为控制电路（414）提供位置反馈，所述通信电路（413）为多机协作控制提供通信，所述控制电路（414）实现可自由移动的3D打印机器人的运动控制算法。

2.根据权利要求1所述的可自由移动的3D打印机器人，其特征在于：所述全方位移动平台机构（100）为按照移动平台基座（111）中心对称布置了相隔90度的4个全向驱动轮运动机构。

3.根据权利要求1所述的可自由移动的3D打印机器人，其特征在于：所述Z轴升降机构（200）为直线电机直线运动机构或者滚珠丝杠直线运动机构。

4.根据权利要求1所述的可自由移动的3D打印机器人，其特征在于：所述3D打印机构（300）为活塞针筒式挤出送料机构或者电机齿轮咬合送料机构。

5.根据权利要求1所述的可自由移动的3D打印机器人，其特征在于：所述定位传感器电路（412）为发光二极管定位传感器电路或者激光定位传感器电路，或者定位传感器电路（412）安装在3D打印机器人工作的天花板上，为摄像头视觉传感器电路。