CN107696675A - 并联柔索驱动的大空间多功能3d打印机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，包括柔索稳定机构、柔索牵引机构、多功能3D打印执行器、抓手驱动装置，由柔索稳定机构和柔索牵引机构配合实现多功能3D打印执行器的动作，并由抓手驱动装置驱动多功能3D打印执行器中抓手的动作。本发明实现了3D打印的大空间运动，且实现了3D打印实体与搬运重物的双重功能。

Description

并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人

技术领域

本发明涉及3D打印机器人领域，具体是一种并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人。

背景技术

3D 打印是一种增量制造技术，其功能与激光成型技术类似，采用分层加工、迭加成形来生成实体，其优于传统的去除材料加工技术显著的一点是能最大程度地减少甚至遏制材料的浪费，在机构的运动上主要表现为控制出料口模块的三维移动，3D打印技术与传统的切割或模具塑造技术相比有着成本低、效率高等显而易见的优势。3D打印技术同时应用到建筑领域，与传统建筑技术相比它速度更快，绿色环保，不需要大量的建筑工人，大大提高了生产效率。目前普通的3D打印机采用刚性机械臂控制喷头进行3D打印，存在工作空间小，不适合打印大尺寸物体，而且只能实现简单的打印功能，功能单一。

发明内容 本发明的目的是提供一种并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，以解决现有技术3D打印机打印空间小，功能单一的问题，并实现大空间工作、高性能运动输出，实现打印实体与搬运重物，且能应用到建筑领域。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：包括柔索稳定机构、柔索牵引机构、多功能3D打印执行器、抓手驱动装置，其中：

柔索稳定机构包括三个竖直的立式支架，三个立式支架在空间上按三角形分布，每个立式支架下端分别通过下角件固定在地面上，每个下角件上分别通过导向滑轮基座转动安装有一对导向滑轮组，每个立式支架上端分别连接有上角件，上角件内侧分别设有伺服电机，每个立式支架上还分别竖直滑动安装有滑块，每个伺服电机分别通过滑块传动机构驱动对应立式支架上的滑块升降，每个滑块连接有两股稳定柔索，每个滑块上两股稳定柔索一一对应向下绕过对应导向滑轮基座上的一对导向滑轮组后再倾斜向上伸向三个立式支架围成的空间中；

柔索牵引机构包括三个水平的上支撑架，三个上支撑架分别连接在柔索稳定机构中相邻两个上角件之间，由三个上支撑架和上角件围成三角形，每个上支撑架上分别转动安装有由伺服驱动电机驱动的卷筒，卷筒上分别缠绕有牵引柔索，三个牵引柔索分别倾斜向下延伸并伸向柔索稳定机构中三个立式支架围成的空间中；

多功能3D打印执行器包括壳体，壳体为上下通透的管形结构，壳体设置在柔索稳定机构三个立式支架围成的空间中，壳体下端边沿设有三个下吊耳，三个下吊耳呈环向均匀分布，柔索牵引机构中三个牵引柔索分别倾斜向下延伸并一一对应连接在壳体的下吊耳上，壳体上端管口中心设有喷头连接件，喷头连接件通过三个辐条对与壳体上端管口边沿连接，每个辐条对分别由两个辐条构成，每个辐条的外端分别设有上吊耳，柔索稳定机构中每个滑块上两股稳定柔索向下绕过导向滑轮组后再倾斜向上一一对应连接在每个辐条对中的两上吊耳上，壳体下端管口中心设有3D打印喷头，3D打印喷头通过喷头连接件引入外部材料轮输送的材料线，壳体上端外壁对应每个辐条对位置还分别设有抓手座，三个抓手座呈环向均匀分布，每个抓手座顶部分别转动安装有导向定滑轮，每个抓手座底部分别转动安装有抓手，每个抓手分别竖直向下后再倾斜向下伸向壳体下端管口下方，每个抓手的竖直段外侧分别通过吊耳连接有弹簧，每个弹簧上端分别竖直向上固定在对应的抓手座上，每个抓手的倾斜段内侧还分别设有吊耳；

抓手驱动装置包括三个分别转动安装在地面上的卷筒及驱动卷筒转动的伺服电机，每个卷筒上分别缠绕有夹紧柔索，三个夹紧柔索分别倾斜向上一一对应绕过多功能3D打印执行器中的导向定滑轮后，再倾斜向下穿过壳体后一一对应连接在抓手倾斜段内侧的吊耳上。

所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：柔索稳定机构中，滑块传动机构包括竖直安装在立式支架上的同步带，所述伺服电机通过同步带轮与同步带传动连接，滑块与同步带的带面固定连接，由伺服电机通过同步带轮、同步带带动滑块在竖直方向升降。

所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：每个牵引柔索中分别接入有拉力传感器。

所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：还包括电脑、控制板，所述电脑通过数据总线与控制板连接，控制板通过导线与各个伺服电机连接。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的大空间多功能3D打印机器人，实现了3D打印的大空间运动，且实现了3D打印实体与搬运重物的双重功能，通过柔索驱动进行夹持物体，减轻了末端执行器的重量，结构简单、易拆装、成本低、动力性能好，具有良好的实用性。通过更换喷头，将打印材料换成混凝土，并与砖块、木材等配合可以实现简单的建筑应用。

附图说明

图1为本发明的柔索并联机构用于3D打印时的整体主视图。

图2为本发明的柔索并联机构用于3D打印时的机构俯视图。

图3为本发明的柔索并联机构用于搬运、建筑时的机构轴侧图。

图4为本发明多功能3D打印执行器主视图。

图5为本发明多功能3D打印执行器俯视图。

图6为本发明控制方法流程图。

图中：1-3D打印产品，2-热床，3-稳定柔索，4-导向滑轮基座，5-下角件，6-导向滑轮组，7-滑块，8-立式支架（铝型材），9-同步带，10-上角件，11-牵引柔索，12-伺服驱动电机，13-卷筒，14-卷筒基座，15-多功能3D打印执行器，16-拉力传感器，17-定滑轮，18-伺服电机，19-上支撑架（铝型材），20-弹簧，21-壳体，22-3D打印喷头，23-抓手，24-下吊耳，25-吊耳，26-导向定滑轮，27-喷头连接件，28-上吊耳，29-夹紧柔索，30-伺服电机，31-卷筒，32-卷筒基座,33-内吊耳，34-砖块，35-电脑，36-数据总线，37-控制版，38-导线，39-材料线，40-材料轮，41-材料轮机座。

具体实施方式

如图1-图5所示，并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，包括柔索稳定机构、柔索牵引机构、多功能3D打印执行器、抓手驱动装置，其中：

柔索稳定机构包括三个竖直的立式支架8，三个立式支架8在空间上按三角形分布，每个立式支架8下端分别通过下角件5固定在地面上，每个下角件5上分别通过导向滑轮基座4转动安装有一对导向滑轮组6，每个立式支架 8上端分别连接有上角件10，上角件10内侧分别设有伺服电机18，每个立式支架8上还分别竖直滑动安装有滑块7，每个伺服电机18分别通过滑块传动机构驱动对应立式支架8上的滑块7升降，每个滑块7连接有两股稳定柔索3，每个滑块7上两股稳定柔索3一一对应向下绕过对应导向滑轮基座4上的一对导向滑轮组6后再倾斜向上伸向三个立式支架 8围成的空间中；

柔索牵引机构包括三个水平的上支撑架19，三个上支撑架19分别连接在柔索稳定机构中相邻两个上角件10之间，由三个上支撑架19和上角件10围成三角形，每个上支撑架19上分别转动安装有由伺服驱动电机12驱动的卷筒13，卷筒13上分别缠绕有牵引柔索11，三个牵引柔索11分别倾斜向下延伸并伸向柔索稳定机构中三个立式支架8围成的空间中；

多功能3D打印执行器15包括壳体21，壳体21为上下通透的管形结构，壳体21设置在柔索稳定机构三个立式支架8围成的空间中，壳体21下端边沿设有三个下吊耳24，三个下吊耳24呈环向均匀分布，柔索牵引机构中三个牵引柔索11分别倾斜向下延伸并一一对应连接在壳体21的下吊耳24上，壳体21上端管口中心设有喷头连接件27，喷头连接件27通过三个辐条对与壳体21上端管口边沿连接，每个辐条对分别由两个辐条构成，每个辐条的外端分别设有上吊耳28，柔索稳定机构中每个滑块7上两股稳定柔索3向下绕过导向滑轮组6后再倾斜向上一一对应连接在每个辐条对中的两上吊耳28上，壳体21下端管口中心设有3D打印喷头22，3D打印喷头22通过喷头连接件27引入外部材料轮40输送的材料线39，壳体21上端外壁对应每个辐条对位置还分别设有抓手座，三个抓手座呈环向均匀分布，每个抓手座顶部分别转动安装有导向定滑轮26，每个抓手座底部分别转动安装有抓手23，每个抓手23分别竖直向下后再倾斜向下伸向壳体21下端管口下方，每个抓手23的竖直段外侧分别通过吊耳25连接有弹簧20，每个弹簧20上端分别竖直向上固定在对应的抓手座上，每个抓手23的倾斜段内侧还分别设有吊耳；

抓手驱动装置包括三个分别转动安装在地面上的卷筒31及驱动卷筒31转动的伺服电机30，每个卷筒31上分别缠绕有夹紧柔索29，三个夹紧柔索29分别倾斜向上一一对应绕过多功能3D打印执行器15中的导向定滑轮26后，再倾斜向下穿过壳体21后一一对应连接在抓手23倾斜段内侧的吊耳上。

柔索稳定机构中，滑块传动机构包括竖直安装在立式支架8 上的同步带 9，伺服电机18通过同步带轮17与同步带 9传动连接，滑块7与同步带9的带面固定连接，由伺服电机18通过同步带轮17、同步带9带动滑块7在竖直方向升降。

每个牵引柔索11中分别接入有拉力传感器16。

还包括电脑35、控制板3 7，电脑35通过数据总线36与控制板37 连接，控制板3 7通过导线3 8与各个伺服电机连接。

如图6所示，并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人系统控制方法，包括以下步骤：

（1）进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标；

（2）利用电脑进行三维建模，电脑软件对模型分层切片，获得控制指令并转化成G代码；

（3）开启各个传感器单元，检测安装在三根牵引柔索上的拉力传感器 输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线；

（4）柔索牵引多功能3D打印执行器运动时，安装3根牵引柔索上的拉力传感器，将测得的对应数据传送到控制板的反馈输入端，控制板实时处 理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给电脑；

（5）电脑对接收到的信号进行分析处理，完成柔索并联机器人力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信接口传送给控制板；

（6）控制板对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给多功能3D打印机器人的控制电路中柔索牵引机构控制电路、柔索稳定机构控制 电路和抓手驱动装置控制电路，完成实时控制多功能3D打印机器人进行柔索的收索与放索协调动作，进而实现多功能3D打印执行器空间三维平动自由度的高精度运动；

（7）安装在三根牵引柔索上的拉力传感器，将进一步的检测柔索应力状态并及时传送到控制板的反馈输入端，控制板实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给电脑。

本发明的柔索驱动大空间多功能3D打印机器人，包括柔索牵引机构、柔索稳定机构、多功能3D打印执行器2和抓手驱动装置。

柔索牵引机构包括上支撑架和三个卷扬机。支撑架19通过螺钉与上角件10连接固定在整个机构的上方，三个卷扬机分别安装在三根上支撑架上，卷扬机由伺服驱动电机12、卷筒13和卷筒基座14构成，伺服驱动电机12带动卷筒13转动实现牵引柔索11的收放，牵引柔索11负责牵引3D打印执行器2在空间内运动，三根牵引柔索11末端装有拉力传感器16并与3D打印执行器2下表面的下吊耳24相连，拉力传感器16对多功能3D执行器2进行实时监控，保证了运动的精度、稳定性和安全性。

柔索稳定机构包括三个立式支架8，这三个立式支架8均匀分布在多功能3D打印执行器15的环形四周，立式支架8的下端插入下角件5内，通过下角件5固定在地面上，立式支架8上端装有上角件10，上角件10内还装有伺服电机18，伺服电机18与同步带轮17相连，带动同步带9上下运动，立式支架上装有滑块7与同步带9相连，跟随同步带9一起上下运动。滑块7两侧与稳定柔索3相连，柔索11绕过导向滑轮组6与壳体21上的上吊耳28相连，导向滑轮组6和导向滑轮基座4装在下角件5上，稳定柔索跟随多功能3D打印执行器15一起运动，起到稳定多功能3D打印执行器15的作用。

多功能3D打印执行器2包括壳体21，壳体21上表面设有6个上吊耳28，分别与3组稳定柔索3相连，壳体21下表面设有3个下吊耳24，分别与3根牵引柔索11相连，壳体上表面还设有三个导向定滑轮26。壳体21内装有3D打印喷头22，通过喷头连接件27与6个上吊耳28相连。壳体两侧装有三个抓手23，抓手23 内表面装有一个吊耳，与夹紧柔索29相连，夹紧柔索29绕过壳体上表面的导向定滑轮26再与卷扬机相连。抓手外表面装有一个吊耳25和弹簧20相连，弹簧20另一侧挂在壳体21上，弹簧20具有一定的预紧力可以将抓手23拉起，使3个抓手处于张开状态。

抓手驱动装置包括3个卷扬机，伺服电机30带动卷筒基座32上的卷筒31转动，夹紧柔索29缠绕在卷筒31上，夹紧柔索29的另一端与抓手23上的上的内吊耳33相连。

上述电机均接在控制板37上，并通过电脑35进行控制。

工作原理：进行3D打印时，如图1，3个抓手23被弹簧15拉起来，处于张开的状态。电脑35先对要打印的3D模型进行切片、建模、分析，并计算出运动轨迹，并通过数据总线36连接上控制板37，再通过若干根导线38将运动指令传递给机构的这些伺服电机。伺服驱动电机12带动卷筒13转动，牵引柔索11缠绕卷筒13上，实现牵引柔索11的收放，牵引柔索11末端装有拉力传感器16并与3D打印执行器2下表面的下吊耳24相连，拉力传感器16对多功能3D执行器2进行实时监控，保证了运动的精度、稳定性和安全性，进而实现3D打印多功能执行器15在工作空间内精准的运动。同样的，通过控制伺服电机18的转动，实现同步带9及其上的滑块7上下运动，滑块两侧与稳定柔索3相连，稳定柔索3绕过导向滑轮组6与壳体21上的上吊耳28相连，进而通过稳定柔索3实现了多功能3D打印执行器15运动的稳定性，保证了3D打印的精度。当多功能3D打印执行器在空间内运动时，带动材料轮39转动，不断的进行送料，通过3D打印喷头22将材料融化后挤出打印模型，如图1所示我们可以在热床2上，打印一个较大的花瓶状3D打印产品1。

进行夹持物体工作时，多功能3D打印执行器15定位在物体上方，3个伺服电机30带动卷筒31转动，将夹紧柔索29拉紧，夹紧柔索29绕过导向定滑轮26拉起抓手23，实现夹持的功能，当需要放下物体时，将伺服电机30反方向旋转，放开夹紧柔索29，这时物体由于重力下落，抓手23会被外侧的弹簧20拉起来，实现了简单的夹持和搬运功能。为了实现建筑的功能，我们可以更换3D打印的喷头，将3D打印的材料改为混凝土，当抓手23将砖块34抓起放到指定位置后，3D打印喷头22喷出混凝土，这样一层一层的进行堆叠，如图3所示，堆砌出一面墙体，实现了简单的建筑功能。

Claims (4)

1.并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：包括柔索稳定机构、柔索牵引机构、多功能3D打印执行器、抓手驱动装置，其中：

柔索稳定机构包括三个竖直的立式支架，三个立式支架在空间上按三角形分布，每个立式支架下端分别通过下角件固定在地面上，每个下角件上分别通过导向滑轮基座转动安装有一对导向滑轮组，每个立式支架上端分别连接有上角件，上角件内侧分别设有伺服电机，每个立式支架上还分别竖直滑动安装有滑块，每个伺服电机分别通过滑块传动机构驱动对应立式支架上的滑块升降，每个滑块连接有两股稳定柔索，每个滑块上两股稳定柔索一一对应向下绕过对应导向滑轮基座上的一对导向滑轮组后再倾斜向上伸向三个立式支架围成的空间中；

柔索牵引机构包括三个水平的上支撑架，三个上支撑架分别连接在柔索稳定机构中相邻两个上角件之间，由三个上支撑架和上角件围成三角形，每个上支撑架上分别转动安装有由伺服驱动电机驱动的卷筒，卷筒上分别缠绕有牵引柔索，三个牵引柔索分别倾斜向下延伸并伸向柔索稳定机构中三个立式支架围成的空间中；

多功能3D打印执行器包括壳体，壳体为上下通透的管形结构，壳体设置在柔索稳定机构三个立式支架围成的空间中，壳体下端边沿设有三个下吊耳，三个下吊耳呈环向均匀分布，柔索牵引机构中三个牵引柔索分别倾斜向下延伸并一一对应连接在壳体的下吊耳上，壳体上端管口中心设有喷头连接件，喷头连接件通过三个辐条对与壳体上端管口边沿连接，每个辐条对分别由两个辐条构成，每个辐条的外端分别设有上吊耳，柔索稳定机构中每个滑块上两股稳定柔索向下绕过导向滑轮组后再倾斜向上一一对应连接在每个辐条对中的两上吊耳上，壳体下端管口中心设有3D打印喷头，3D打印喷头通过喷头连接件引入外部材料轮输送的材料线，壳体上端外壁对应每个辐条对位置还分别设有抓手座，三个抓手座呈环向均匀分布，每个抓手座顶部分别转动安装有导向定滑轮，每个抓手座底部分别转动安装有抓手，每个抓手分别竖直向下后再倾斜向下伸向壳体下端管口下方，每个抓手的竖直段外侧分别通过吊耳连接有弹簧，每个弹簧上端分别竖直向上固定在对应的抓手座上，每个抓手的倾斜段内侧还分别设有吊耳；

抓手驱动装置包括三个分别转动安装在地面上的卷筒及驱动卷筒转动的伺服电机，每个卷筒上分别缠绕有夹紧柔索，三个夹紧柔索分别倾斜向上一一对应绕过多功能3D打印执行器中的导向定滑轮后，再倾斜向下穿过壳体后一一对应连接在抓手倾斜段内侧的吊耳上。

2.根据权利要求1所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：柔索稳定机构中，滑块传动机构包括竖直安装在立式支架上的同步带，所述伺服电机通过同步带轮与同步带传动连接，滑块与同步带的带面固定连接，由伺服电机通过同步带轮、同步带带动滑块在竖直方向升降。

3.根据权利要求1所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：每个牵引柔索中分别接入有拉力传感器。

4.根据权利要求1所述的并联柔索驱动的大空间多功能3D打印机器人，其特征在于：还包括电脑、控制板，所述电脑通过数据总线与控制板连接，控制板通过导线与各个伺服电机连接。