CN108312546B - 基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法 - Google Patents

基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于生物打印技术领域，提供了一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，包括：分析控制模块，用于接收设置指令，设置系统运行参数，并控制轨迹驱动模块和环境调节模块的运行；轨迹驱动模块，用于接受所述分析控制模块的指令，执行打印工作，并将实时打印的轨迹数据传输到所述分析控制模块；环境调节模块，用于根据分析控制模块指令，调节环境参数。本发明相应的提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制方法。借此，本发明可以较为准确的对血管实现3D打印。

Description

基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法
技术领域
本发明涉及生物打印技术领域，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法。
背景技术
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)即以太网控制自动化技术，是基于以太网的开放式现场总线系统。EtherCAT能够直达控制系统的I/O层，涵盖所有设备，无任何下层子总线和网关延迟。
TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)是BECKHOFF公司的运动控制软件的名称，即基于Windows操作系统的自动化控制技术，其中，TwinCAT PLC是为PLC编程设计的一个完整的开发环境，TwinCAT NC是基于PC的纯软件的运动控制方式。
随着我国人口老年化和人民生活水平的提高，人们迫切需要一个更健康的生活，血管作为运输营养物质和排放废物的组织，具有重要的作用，3D血管打印技术可以直接进行血管的打印，其在医学康复领域上的应用已经被人们普遍看好。
3D血管打印的控制系统是一种对打印轨迹控制精度和打印环境要求很高的三维多任务智能自动控制系统。目前3D血管打印存在着诸多问题，如成形质量差，打印时血管活性较低，对血管的存活有着极大的影响，因此需要对3D血管打印的控制系统进行研究，解决目前遇到的问题。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法，其可以高效的实现对血管的3D打印。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，包括：
分析控制模块，用于接收设置指令，设置系统运行参数，并控制轨迹驱动模块和环境调节模块的运行；
轨迹驱动模块，用于接受所述分析控制模块的指令，执行打印工作，并将实时打印的轨迹数据传输到所述分析控制模块；
环境调节模块，用于根据分析控制模块指令，调节环境参数。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述分析控制模块包括：
用于分析控制的主控器；
用于执行参数设置的输入装置；以及
用于提供电源的电源装置。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述轨迹驱动模块包括：驱动器及连接于驱动器的直线电机、旋转电机、霍尔传感器和编码器；
所述霍尔传感器和编码器用于向驱动器进行实时位置与速度反馈；所述驱动器用于将实时位置与速度数据传送到所述主控器，并根据主控器的命令进一步控制所述直线电机和旋转电机。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述环境调节模块包括：
环境检测单元，用于检测当前环境参数；
环境调节单元，用于根据分析控制模块的指令，调节环境参数。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述输入装置为触摸式输入装置。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述环境参数包括：温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数；
所述环境调节单元包括液体循环恒温槽控制器、湿度调节装置、气压调节装置、含氧量调节装置和pH调节装置。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述液体循环恒温槽控制器用于向打印区域循环输送恒温液体，使打印区域的温度达到预设值，所述打印区域的温度包括打印喷头、打印成形和打印环境的温度。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，温度控制在0～40℃，湿度控制在90％以上，气压控制在0.2～1MPa，含氧量控制在40％左右，pH值控制在6～8。
本发明还相应提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制方法，所述方法包括：
实时分析打印轨迹数据；
实时检测当前的打印环境参数；
根据实时打印轨迹数据和环境参数数据控制打印过程。
根据本发明的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制方法，所述方法还包括：
预设打印轨迹；
预设打印环境参数；
所述根据实时打印轨迹数据和环境参数数据控制打印过程步骤包括：
比较当前打印轨迹是否与预设打印轨迹一致；
比较当前环境参数是否与预设参数一致。
本发明通过设置一分析控制模块，实现数据的分析与控制，通过该分析控制模块，可以预置打印参数，并分别通过轨迹驱动模块及环境调节模块实现打印轨迹及环境因素的控制。具体的，轨迹驱动模块在运行过程中实时的将轨迹数据，如打印头的位置与速度返回给分析控制模块对比分析，如有差错则可及时修正或中止处理。环境调节模块实时检测打印的环境参数，如温度、湿度、压力、含氧量和pH值，并将这些参数实时回传给分析控制模块，分析控制模块根据参数变化调整打印环境，使其保持相对恒定。借此，本发明能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本发明具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明一实施例的系统结构示意图；
图3是本发明的一方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明提供了一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其包括分析控制模块10、轨迹驱动模块20及环境调节模块30，其中：
分析控制模块10用于接收设置指令，设置系统运行参数，并控制轨迹驱动模块和环境调节模块的运行。
轨迹驱动模块20用于接受所述分析控制模块的指令，执行打印工作，并将实时打印的轨迹数据传输到所述分析控制模块。
环境调节模块30用于根据分析控制模块10指令，调节环境参数。
环境调节模块30与分析控制模块10之间分别通过I/O模块和EtherCAT总线Ⅱ进行实时反馈与控制。
结合图2所示的实施例中，分析控制模块10包括：
用于分析控制的主控器11；
用于执行参数设置的输入装置12；以及
用于提供电源的电源装置13。
其中，主控器11是核心分析处理部件，其由硬件、软件或软硬件的结合实现。输入装置12包括至少一显示装置，其即可以是传统的键盘式输入设备，也可以为触摸式输入设备。本发明优选采用触摸式设备，其兼具输入及显示功能。电源装置13则用于为系统的各模块提供电源。分析控制模块10内输入装置12与主控器11之间通过EtherCAT总线Ⅰ进行双向通信。
轨迹驱动模块20包括驱动器21及连接于驱动器的直线电机22、旋转电机23、霍尔传感器24和编码器25。所述霍尔传感器24和编码器25用于向驱动器21进行实时位置与速度反馈。驱动器21用于将实时位置与速度数据传送到所述主控器11，并根据主控器11的命令进一步控制所述直线电机22和旋转电机23。
环境调节模块30包括：
环境检测单元31，用于检测当前环境参数。该环境检测单元31包括至少一环境传感器，以以检测各环境参数。本发明的环境参数至少包括温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数。
环境调节单元32，用于根据分析控制模块10的指令，调节环境参数。该环境调节单元32包括液体循环恒温槽控制器、湿度调节装置、气压调节装置、含氧量调节装置和pH调节装置，借此分别实现温度、湿度、压力含氧量及PH值。其中，液体循环恒温槽控制器用于向打印区域循环输送恒温液体，满足打印区域的温度要求。其打印区域的温度包括打印喷头、打印成形和打印环境的温度。
本发明的实施例中，主控器11采用嵌入TwinCAT NC软件的BECKHOFF平台，通过EtherCAT总线分别与输入装置12和驱动器21进行上下实时双向通信，再通过驱动器21协同控制直线电机22和旋转电机23的空间运动轨迹，霍尔传感器24和编码器25向驱动器4进行实时位置与速度反馈；环境检测单元31将打印环境的各种参数通过I/O模块向主控器11实时传输，主控器11调用函数模块通过EtherCAT总线Ⅱ实时调控环境调节单元32以控制快速成形环境因素。
本发明基于EtherCAT总线的3D血管打印控制系统能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本发明具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。
对于本发明的打印轨迹控制，可以在输入装置12上对各轴的打印轨迹预先进行参数设定，经过EtherCAT总线Ⅰ/Ⅱ的实时通信，主控器11控制驱动器21驱动直线电机22和旋转电机23的运动，控制打印喷头和打印成形的空间轨迹。直线电机22和旋转电机23的运动位置和速度通过霍尔传感器24和编码器25向驱动器21进行实时反馈，反馈信号经EtherCAT总线Ⅱ到达主控器11中的TwinCAT PLC，PLC通过分析实时打印轨迹与轨迹设定值是否一致，如果一致，系统正常进行，否则，PLC会执行错误报警，并更正错误，继续执行轨迹设定值参数。整个控制过程经EtherCAT总线Ⅰ在输入装置12上实时显示，同时，输入装置12还可以通过EtherCAT总线Ⅲ和互联网实现打印轨迹的远程控制，实现3D生物打印的云计算、物联网和智慧制造。
对于本发明的环境参数控制，环境检测单元31通过I/O模块的接口端子与主控器11连接，BECKHOFF平台调用TwinCAT PLC中的温度、湿度、压力、含氧量和pH的函数通过EtherCAT总线Ⅱ实时监测与反馈控制环境调节单元32的温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数，使快速成形环境因素，使其符合3D血管打印的需求，即温度控制在0～40℃，湿度控制在90％以上，气压控制在0.2～1MPa，含氧量控制在40％左右，pH值控制在6～8。
参见图3，本发明还提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制方法，其可以通过如图1或2所示的系统实现，该方法包括：
步骤S301，预设打印轨迹。
步骤S302，预设打印环境参数。
步骤S303，实时分析打印轨迹数据，比较当前打印轨迹是否与预设打印轨迹一致，根据比较结果控制打印轨迹。对于本发明的打印轨迹控制，可以在输入装置12上对各轴的打印轨迹预先进行参数设定，经过EtherCAT总线Ⅰ/Ⅱ的实时通信，主控器11控制驱动器21驱动直线电机22和旋转电机23的运动，控制打印喷头和打印成形的空间轨迹。
步骤S304，实时检测当前的打印环境参数，比较当前环境参数是否与预设参数一致，根据比较结构控制环境参数。环境检测单元31通过I/O模块的接口端子与主控器11连接，BECKHOFF平台调用TwinCAT PLC中的温度、湿度、压力、含氧量和pH的函数通过EtherCAT总线Ⅱ实时监测与反馈控制环境调节单元32的温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数，使快速成形环境因素。
综上所述，本发明通过设置一分析控制模块，实现数据的分析与控制，通过该分析控制模块，可以预置打印参数，并分别通过轨迹驱动模块及环境调节模块实现打印轨迹及环境因素的控制。具体的，轨迹驱动模块在运行过程中实时的将轨迹数据，如打印头的位置与速度返回给分析控制模块对比分析，如有差错则可及时修正或中止处理。环境调节模块实时检测打印的环境参数，如温度、湿度、压力、含氧量和pH值，并将这些参数实时回传给分析控制模块，分析控制模块根据参数变化调整打印环境，使其保持相对恒定。借此，本发明能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本发明具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其特征在于，包括：
分析控制模块，用于接收设置指令，设置系统运行参数，并控制轨迹驱动模块和环境调节模块的运行；
轨迹驱动模块，用于接受所述分析控制模块的指令，执行打印工作，并将实时打印的轨迹数据传输到所述分析控制模块；
环境调节模块，用于根据分析控制模块指令，调节环境参数；
所述分析控制模块包括：
用于分析控制的主控器；
用于执行参数设置的输入装置；以及
用于提供电源的电源装置；
所述轨迹驱动模块包括：驱动器及连接于驱动器的直线电机、旋转电机、霍尔传感器和编码器；
所述霍尔传感器和编码器用于向驱动器进行实时位置与速度反馈；所述驱动器用于将实时位置与速度数据传送到所述主控器，并根据主控器的命令进一步控制所述直线电机和旋转电机；
所述环境调节模块包括：
环境检测单元，用于检测当前环境参数；
环境调节单元，用于根据分析控制模块的指令，调节环境参数。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其特征在于，所述输入装置为触摸式输入装置。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其特征在于，所述环境参数包括：温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数；
所述环境调节单元包括液体循环恒温槽控制器、湿度调节装置、气压调节装置、含氧量调节装置和pH调节装置。
4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其特征在于，所述液体循环恒温槽控制器用于向打印区域循环输送恒温液体，使打印区域的温度达到预设值，所述打印区域的温度包括打印喷头、打印成形和打印环境的温度。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其特征在于，温度控制在0～40℃，湿度控制在90％以上，气压控制在0.2～1MPa，含氧量控制在40％左右，pH值控制在6～8。
6.一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制方法，其特征在于，所述方法包括：
实时分析打印轨迹数据；
实时检测当前的打印环境参数；
根据实时打印轨迹数据和环境参数数据控制打印过程；
预设打印轨迹；
预设打印环境参数；
所述根据实时打印轨迹数据和环境参数数据控制打印过程步骤包括：比较当前打印轨迹是否与预设打印轨迹一致；
比较当前环境参数是否与预设参数一致。
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