CN104760280A - 可飞行的3d打印机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可飞行的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

可飞行的3D打印机器人

技术领域

本发明同时涉及3D打印机技术领域与飞行机器人技术领域，特别涉及一种可飞行的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整幢房屋建筑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。[1]

综上所述，如果能有一种新型的常规大小的3D打印机可以在XYZ三轴上全面突破打印最大尺寸束缚，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。

多旋翼无人飞行器，是一种能够垂直起降、稳定悬停能力的无人飞行设备，运动不受空间大小限制，运动灵活，稳定悬停能力出色，定点定位精度高，一直是航空摄影领域的不二选择，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多选一无人飞行器有所涉及，例如，专利[201310410471.5]提供了

一种四旋翼飞行器，包括机舱和设于该机舱前端的云台，云台的后端设有前后延伸的第一转轴，云台通过该第一转轴与所述机舱转动连接，无论飞行器如何转动、倾斜、翻转，云台都可保持水平稳定，具有摄得影片质量高的优点；再例如，专利[201310512470.1] 公开了一种多旋翼无人飞行器，包括机身，机身的中心设置有中心涵道，该中心涵道的外围呈辐射状地周向均布 n 个旋翼支撑臂，每一个旋翼支撑臂上均安装有周边旋翼组件，具有气动布局新颖、悬停稳定可靠、负载能力强且易于工程实现的优点。

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打印的多旋翼无人飞行器机器人还没有类似的概念出现。

发明内容

本发明的目的在于彻底解决现有的3D打印机打印物体尺寸限制，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，提供一种可飞行的3D打印机器人，实现大尺寸物体的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：

一种可飞行的3D打印机器人，包括多旋翼无人飞行器机构、3D打印机构和反馈/通信/控制电路，其特征在于：所述多旋翼无人飞行器机构上固定连接3D打印机构和反馈/通信/控制电路；所述3D打印机构包括打印头，连接臂，连接臂固定于多旋翼无人飞行器机构外壳上，连接臂末端固定有打印头，打印头包含送料电机、加热腔、挤出头、打印材料，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；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，反馈/通信/控制电路安装于多旋翼无人飞行器机构的机壳上，电源为整台设备提供电力，定位传感器电路为控制电路提供位置反馈，通信电路为多机协作控制提供通信，控制电路实现整台设备的运动控制算法。所述定位传感器电路包括能够检测多旋翼无人飞行器机构飞行高度的高度传感器、能够检测多旋翼无人飞行器机构水平面运动距离的水平面定位传感器。

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中的水平面定位传感器为发光二极管定位传感器或者激光定位传感器，或者所述水平面定位传感器安装在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，无运动范围限制的多旋翼无人飞行器，带动3D打印机构中的打印头进行3D打印，多旋翼无人飞行器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，然后多旋翼无人飞行器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。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：

本发明可飞行的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。特别适合大尺寸物体，例如整幢建筑物的低成本、高效率打印。

附图说明

图1是本发明原理结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明一种3D打印机构结构示意图。

图4是本发明另一种3D打印机构结构示意图。

图5是本发明一种水平面定位传感器示意图。

图6是本发明多机通讯协作示意图。

图7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2，本可飞行的3D打印机器人，包括多旋翼无人飞行器机构100、3D打印机构200、反馈/通信/控制电路300，多旋翼无人飞行器机构100上固定连接3D打印机构200，同时多旋翼无人飞行器机构100上同时安装有反馈/通信/控制电路300；

       多旋翼无人飞行器机构100包括机壳111、运动电机112、螺旋桨113，运动电机112安装在机壳111上，末端连接有螺旋桨113。

3D打印机构200包括连接臂211、打印头212，连接臂211固定于多旋翼无人飞行器机构100的机壳111上，连接臂211末端固定有打印头212，打印头212包含送料电机213、加热腔214、挤出头215、打印材料216，送料电机213将打印材料216送入加热腔214经过加热融化后通过挤出头215挤出进行3D打印。

反馈/通信/控制电路300包括电源311、定位传感器电路312、通信电路313、控制电路314，反馈/通信/控制电路300安装于多旋翼无人飞行器机构100的机壳111上，电源311为整台设备提供电力，定位传感器电路312为控制电路提供位置反馈，通信电路313为多机协作控制提供通信，控制电路314实现整台设备的运动控制算法。定位传感器电路312包括能够检测多旋翼无人飞行器机构100飞行高度的高度传感器321、能够检测多旋翼无人飞行器机构100水平面运动距离的水平面定位传感器322。

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3，在本实施例中，3D打印机构200还应包括旋转丝杠221，挤压螺母222，挤压活塞223，送料电机213依次连接旋转丝杠221，挤压螺母222，挤压活塞223，3D打印机构200为活塞针筒式挤出送料机构，打印材料216预先加入到加热腔214中，通过送料电机213带动旋转丝杠221旋转，推动挤压螺母222，最终推动挤压活塞223将加热后的打印材料216经过挤出头215挤出进行3D打印。

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4，在本实施例中，3D打印机构200还应包括粉碎齿轮231，送料电机213连接粉碎齿轮231，3D打印机构200为电机齿轮咬合送料机构，打印材料216未粉碎加热时呈丝状，通过送料电机213带动粉碎齿轮231旋转，粉粹并推动加热后的打印材料216经过挤出头215挤出进行3D打印。

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5和图7，在本实施例中，所述定位传感器电路312中的水平面定位传感器322安装在多旋翼无人飞行器工作的天花板上，为摄像头视觉传感器332。在3D打印移飞行过程中，摄像头视觉传感器332接收多旋翼无人飞行器的图像，产生位移信息，经过反馈/通信/控制电路300中的通信电路313，反馈给控制电路314进行位置控制。

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6和图7，在本实施例中，通过反馈/通信/控制电路300中的通信电路313，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 (3)

1. 一种可飞行的3D打印机器人，包括多旋翼无人飞行器机构(100)、3D打印机构(200)和反馈/通信/控制电路(300)，其特征在于：所述多旋翼无人飞行器机构(100)上固定连接3D打印机构(200)和反馈/通信/控制电路(300)；

1）所述3D打印机构(200)包括打印头(212)和连接臂(211)，连接臂(211)固定于多旋翼无人飞行器机构(100)的外壳（111）上，连接臂（211）末端固定连接打印头（212）；打印头（212）包含送料电机（213）、加热腔（214）、挤出头（215）和打印材料（216），送料电机（213）依次连接加热腔（214）和挤出头（215），送料电机（213）将打印材料（216）送入加热腔（214）经过加热融化后通过挤出头（215）挤出进行3D打印；

2）所述反馈/通信/控制电路（300）包括电源（311）、定位传感器电路（312）、通信电路（313）和控制电路（314），反馈/通信/控制电路（300）安装于多旋翼无人飞行器机构（100）的机壳（111）上，电源（311）为整台设备提供电力，定位传感器电路（312）为控制电路（314）提供位置反馈，通信电路（313）为多机协作控制提供通信，控制电路（314）实现整台设备的运动控制算法；

3）所述定位传感器（312）电路包括能够检测多旋翼无人飞行器机构（100）飞行高度的高度传感器（321）以及能够检测多旋翼无人飞行器机构（100）水平面运动距离的水平面定位传感器（322）。

2. 根据权利要求1所述的可飞行的3D打印机器人，其特征在于：所述3D打印机构（200）为活塞针筒式挤出送料机构或者电机齿轮咬合送料机构。

3. 根据权利要求1所述的可飞行的3D打印机器人，其特征在于：所述定位传感器电路（312）中的水平面定位传感器（322）为发光二极管定位传感器或者激光定位传感器（331），或者所述水平面定位传感器（322）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（332）。