CN108582774B - 空间定位指向作动系统与3d打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间定位指向作动系统，包含支撑平台(100)与直线进给结构；直线进给结构包含箝位驱动件(210)与运动件(260)，箝位驱动件(210)中设置有轴向通孔，所述轴向通孔形成运动件(260)轴向滑动的通行孔(211)；所述直线进给结构还配置有微动结构，所述微动结构为运动件(260)提供振动和/或冲击；运动件(260)提供挤压力复合交变力的施力。本发明还提供了一种包含上述空间定位指向作动系统的3D打印机以及打印方法。本发明能够实现生物体内部的打印、局部充填等，避免了由工作对象与工作系统之间存在不同程度的间距和不可控相对运动，而导致的相对定位误差，因此没有系统级的相对误差。

Description

空间定位指向作动系统与3D打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及一种作动器，具体地，涉及一种空间定位指向作动系统与3D打印机，特别是应用于医疗、3D打印等领域的空间定位指向作动系统与3D打印机及打印方法。

背景技术

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、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、枪支以及其他领域都有所应用。

但是现有技术中，3D打印多用于在暴露空间的打印，缺少一种能够进行穿刺到结构内部再打印的结构，例如生物体内部骨骼等组织的局部填充，往往会产生较大的手术创口。另外，目前3D打印机多是安装在固定基座上，在定位过程中，一方面会由于机械结构偏多产生累积误差，另一方面也会因动作行程较长而产生较大的误差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间定位指向作动系统与3D打印机及打印方法。

根据本发明提供的空间定位指向作动系统，包含支撑平台与直线进给结构；直线进给结构包含箝位驱动件与运动件，箝位驱动件中设置有轴向通孔，所述轴向通孔形成运动件轴向滑动的通行孔；

所述箝位驱动件通过以下任一种方式安装在支撑平台上：

--紧固连接；

--轴向滑动连接和/或转动连接；

所述直线进给结构还配置有微动结构，所述微动结构为运动件提供振动和/或冲击；运动件提供挤压力复合交变力的施力。

优选地，所述支撑平台包含依次连接的第一承载台、连接杆、第二承载台，多个连接杆中包含有长度不可调的刚性杆和/或长度可调的伸缩杆；

所述伸缩杆包含以下任一种或全部结构：

--弹性材料杆；

--直线驱动装置。

优选地，箝位驱动件包含驱动部与箝位部；驱动部与箝位部一体成型或紧固连接；

箝位部能够在锁合状态与解锁状态这两种状态之间转换：锁合状态下，运动件与箝位部相对固定；解锁状态下，运动件能够相对箝位部轴向滑动。

优选地，所述驱动部包含一个或多个驱动组，所述驱动组包含在径向方向上槽口位置相反的两个驱动槽；

箝位部则包含箝位槽，多个箝位槽分别位于驱动部沿轴向的两端。

优选地，直线进给结构还包含变形结构与传感结构；

变形结构设置在驱动槽的槽口位置上与箝位槽的槽口位置上；

传感结构设置在驱动槽的槽底位置上与箝位槽的槽底位置上；所述传感结构包含如下任一种或任多种结构：

---静电电极对；

--应变片；

--压阻材料件；

--导电碳纳米管；

--石墨烯件；

--光纤。

优选地，一个或多个箝位部设置在驱动部沿长度方向的两端上；

箝位部包含了箝位盒、卡合件、开合弹性件以及开合开关；

箝位盒中设置有一个或多个锥形孔，卡合件安装在锥形孔中；

所述锁合状态下，运动件与锥形孔的孔壁同时与卡合件接触；所述解锁状态下，卡合件仅与运动件接触或者仅与锥形孔的孔壁接触。

优选地，所述卡合弹性件包含第一弹性件与第二弹性件；

第一弹性件、卡合件、第二弹性件、箝位盒依次连接，箝位盒上安装有开合开关的容纳腔；所述开合开关驱动第一弹性件变形；

开合开关包含以下任一种或任多种结构：

--变形结构；

--带芯轴的电磁铁结构；

--无芯轴的电磁铁结构；

变形结构包含如下任一种或任多种结构：

--压电材料件；

--形状记忆合金弹簧；

--热膨胀材料件；

--电致伸缩材料件；

--磁致伸缩材料件；

--静电电极板；

--液压膨胀体；

--气动膨胀体；

--磁流变液材料件。

本发明还提供了一种3D打印机，包含一个或多个上述的空间定位指向作动系统；

所述运动件包含工作管道，所述工作管道能够在微动结构的作用下，从外部穿刺至封闭的工作对象结构体的内部；

工作管道包含流体引导管，所述流体引导管能够进行喷涂或者喷涂层叠累积；或者，

多个空间定位指向作动系统对应的多个工作管道中包含有激光发射管与流体引导管；激光发射管与流体引导管在长度延伸方向上能够共同指向空间上的任一点。

本发明还提供了一种3D打印方法，包含以下步骤：

步骤S1：将支撑平台安装在被工作对象结构体上，调整支撑平台完成对直线进给结构的定位定向；

步骤S2：控制微动结构与箝位驱动件，将工作管道从外部送入到封闭的被工作对象结构体的内部设定位置后，对工作管道进行箝位固定；

步骤S3：在流体引导管通入打印材料颗粒或流体，在激光发射管中通入激光对打印材料颗粒或流体进行烧结或烧蚀；或者，

仅通过流体引导管进行喷涂或者喷涂层叠累积。

优选地，所述流体引导管的近端孔道形成搅拌腔；

所述流体引导管的管内径在由近端到远端的方向上依次减小；或者，

流体引导管中设置有滤网，在由近端到远端方向上，多个滤网的网孔依次减小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的尺寸可以做到很小，方便直接固定连接在工作对象上，使得与工作对象或内部部件的定位更加准确。

2、本发明能够作为与工作对象尺寸相称的更微小或更大尺寸的平台，即使在微小尺寸小，也能够进行大行程大驱动力地工作。

3、本发明的驱动形式能够实现多样化，可以通过单步累积而成的大行程或无线行程运动，还可以叠加一个微幅振动或微幅冲击运动的运动效果，实现边进给边微振动/微冲击的运动效果。

4、本发明结合信号控制，可以针对被工作对象需刺穿的结构或组织的材料类型、强度、厚度，选择最佳组合的单步驱动幅值、多步累积行程、驱动力、振动、冲击的频率等，以达到最佳效率，做精确进程的穿刺。

5、本发明中通过对箝位驱动件的控制，能够实现运动件的单向锁定、双向锁定、尺蠖运动等，丰富了使用范围。

6、本发明能够实现生物体内部的打印、局部充填等，避免了由工作对象与工作系统之间存在不同程度的间距和不可控相对运动，而导致的相对定位误差，因此没有系统级的相对误差。

7、本发明能够在被工作对象结构体的外部进行控制，虽然盲打，但依次能够保证足够的精确度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的空间定位指向作动系统工作原理示意图；

图2为实施例1中直线电机结构示意图；

图3为实施例1中锁合状态下箝位槽示意图；

图4为实施例1中解锁状态下箝位槽示意图；

图5为实施例2中锁合状态下箝位部结构示意图；

图6为实施例2中解锁状态下箝位部结构示意图；

图7为实施例2中直线电机结构示意图；

图8为实施例3中带芯轴电磁铁对应箝位部锁合状态示意图；

图9为实施例3中带芯轴电磁铁对应箝位部解锁状态示意图；

图10为实施例3中无芯轴电磁铁对应箝位部锁合状态示意图；

图11为实施例3中无芯轴电磁铁对应箝位部解锁状态示意图；

图12为实施例3中电致伸缩材料件对应箝位部锁合状态示意图；

图13为实施例3中电致伸缩材料件对应箝位部解锁状态示意图；

图14为实施例4中加微动结构后直线电机结构示意图；

图15为本发明应用于3D打印领域时整体结构示意图；

图16为激光发射管结构示意图；

图17为流体引导管结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

基本实施例：

本发明提供的空间定位指向作动系统包含支撑平台100与直线进给结构。其中所述直线进给结构可以是直线电机结构200，直线电机结构200包含箝位驱动件210与运动件260，箝位驱动件210中设置有轴向通孔，所述轴向通孔形成运动件260轴向滑动的通行孔211。所述箝位驱动件210通过以下任一种方式安装在支撑平台100上：紧固连接；轴向滑动连接和/或转动连接。所述支撑平台100包含依次连接的第一承载台110、连接杆120、第二承载台130，多个连接杆120中包含有长度不可调的刚性杆和/或长度可调的伸缩杆。优选地，对于承载台结构，可以只设置第一承载台110，或者只设置第二承载台130，相应地，连接杆120沿轴向的一端共点或不共点，例如该端直接架设在被加工件上。对于伸缩杆，可以是弹性材料杆，也可以是通过能够产生直线精密运动的直线驱动装置实现伸缩的。实施例中，支撑平台100采用了六根伸缩杆制成的六维运动平台，为直线电机结构200提供空间任一点指向定位或方向瞄准功能，结合直线电机结构200自身具有的直线上的一维运动，能够将运动件260的尖端驱动至空间上的任意一点，从而实现针灸刺入、3D打印等功能。优选地，还可以设置有多个支撑平台100进行组合装配，从而为直线电机结构200提供更多维度、更多自由度的运动。

箝位驱动件210包含驱动部213与箝位部212，驱动部213用于为运动件260提供轴向运动的动力，而箝位部212则对运动件260的动静与运动方向进行控制。箝位部212能够在锁合状态与解锁状态这两种状态之间转换：锁合状态下，运动件260与箝位部212相对固定；解锁状态下，运动件260能够相对箝位部212轴向滑动。

下面对基本实施例的各个优选例进行具体说明。

实施例1：

如图2所示，本实施例中，驱动部213与箝位部212是一体成型的结构，所述驱动部213包含一个或多个驱动组，所述驱动组包含在径向方向上槽口位置相反的两个驱动槽221，箝位部212则包含了在径向方向上槽口位置相同的两个箝位槽222，两个箝位槽222分别位于驱动部213沿轴向的两端。优选地，所述箝位槽222并不局限于上述的布置位置，也可以位于其他位置上，例如位于多个驱动组之间等。箝位驱动件210受到拉伸或压缩时，单个驱动槽221的槽壁面之间、单个箝位槽222的槽壁面之间会相互远离或靠近，进而使得通行孔211的内径产生减小的趋势。对于成对设置的驱动槽221，会产生类似弹簧拉伸或压缩时产生的形变，也就是说，在通行孔211径向方向上的位移会相互抵消，而轴向长度会发生变化。而对于箝位槽222，则无法产生上述的径向方向位移的抵消，通行孔211在箝位槽222处的将产生横截面上的短径，进而使通行孔211的壁面与运动件260之间的压力摩擦力增大，限制运动件260的位移，箝位部212进入锁合状态；或者，如图3所示，运动件260本身带有一定的形状可恢复的弹性，箝位槽222变形会导致运动件260的弯折，从而限制运动件260的位移。如图4所示，当箝位槽222恢复原状时，箝位槽222对运动件260的箝位作用消失，运动件260可以重新滑动，箝位部212进入解锁状态。进一步地，通过控制驱动槽221与箝位槽222的变形规律，可以实现运动件260的尺蠖运动。

本实施例中通过变形结构223来驱动上述驱动槽221与箝位槽222的变形，如图2所示，所述变形结构223设置在驱动槽221的槽口位置上与箝位槽222的槽口位置上。所述变形结构223包含如下任一种或任多种结构：压电材料件、形状记忆合金弹簧、热膨胀材料件、电致伸缩材料件243、磁致伸缩材料件、静电电极板、液压膨胀体、气动膨胀体、磁流变液材料件。此外，在驱动槽221的槽底位置上与箝位槽222的槽底位置上还设置有传感结构224，所述传感结构224包含如下任一种或任多种结构：压电材料体、静电电极对、应变片、压阻材料件、导电碳纳米管、石墨烯件、光纤。传感结构224可以反应出驱动槽221与箝位槽222的变形程度，进而得到运动件260的运行速度等信息，并根据这些信息驱动自传感反馈调节，实现运动过程的精细控制。

实施例2：

本实施例为对实施例1提供的结构的变形。如图7所示，本实施例中，箝位部212与驱动部213之间通过组装获得，包含两个箝位部212分别设置在驱动部213沿轴向的两端，箝位部212可以是直接紧固安装在驱动部213上，也可以通过其他结构，例如外套筒等，间接紧固安装在驱动部213上。

如图5、图6所示，本实施例中，箝位部212包含了箝位盒231、卡合件232、开合弹性件以及开合开关235。箝位盒231中设置有一个或多个锥形孔，卡合件232安装在锥形孔中。如图5所示，所述锁合状态下，运动件260与锥形孔的孔壁同时与卡合件232接触；如图6所示，所述解锁状态下，卡合件232仅与运动件260接触或者仅与锥形孔的孔壁接触。所述卡合弹性件包含第一弹性件233与第二弹性件234，第一弹性件233、卡合件232、第二弹性件234、箝位盒231依次连接，箝位盒231上安装有开合开关235的容纳腔，所述开合开关235驱动第一弹性件233变形，进而推动卡合件232的运动，完成箝位部212的开锁或解锁。本实施例中，第一弹性件233的两端分别连接有一个卡合件232，两个卡合件232分别位于设置的两个锥形孔中。所述开合开关235对应上述的变形结构223，如热膨胀材料件，当变形结构223收缩时，第二弹性件234处于释放状态，将卡合件232推至锁合对应位置，将第一弹性件233压缩，如图5所示；当开合开关235受热膨胀下，向下推动第一弹性件233，两个卡合件232脱离锁合对应位置，完成对运动件260的解锁，如图6所示。优选地，所述卡合弹性件还可以是自驱动弹性件，省略掉开合开关235的结构。

优选地，上述的热膨胀材料件形成的开合开关235还可以是在受热膨胀时，驱动卡合件232到达锁合状态对应的位置，例如，第二弹性件234在释放状态下对卡合件232进行拉引，使卡合件232接触锁合，而开合开关235与第一弹性件233的凹侧接触，当开合开关235受热膨胀时，驱动两个卡合件232相互靠拢。

实施例3：

本实施例为对实施例2提供的结构的变形。如图8、图9所示，所述开合开关235为带芯轴242的电磁铁241结构，芯轴242为磁体结构并与第一弹性件233相连接，通过对电磁铁241的通断电控制，来驱动芯轴242的上下运动，进而驱动第一弹性件233变形，完成卡合件232在解锁位置与锁合位置之间的移动转换。优选地如图10、图11所示，所述开合开关235为不带芯轴242的电磁铁241结构，所述第一弹性件233自身为磁体，通过磁场直接吸引或释放第一弹性件233，完成对卡合件232的驱动。优选地，如图12、图13所示，所述开合开关235为电致伸缩材料件243，通过控制开合开关235的通断电，完成对卡合件232的驱动。

优选地，对于上述结构，具体是开合开关235通电时卡合件232完成锁合，还是断电时卡合件232完成锁合，可根据实际需求进行调整。优选地，所述卡合件232可带静电的小球结构，通过控制开合开关235加静电以驱动所述小球，实现静电吸引、静电排斥，进而省略掉卡合弹性件的结构。

实施例4：

本实施例为对实施例1至实施例3中任一项应用到实际应用时结构上的变化。如图14所示，可以在直线电机结构200上连接有微动结构，所述微动结构可以为运动件260施加微振动或微冲击，微动结构可以是与箝位驱动件210相连的，也可以是直接与运动件260相连的。通过微动结构的设置，一方面，可以是运动件260获得在直线行程上额外增加微幅振动或微幅冲击的运动效果，另一方面，还可以形成衡挤压力加应变的进给力模式。

本发明可用于医疗领域的针灸操作中，另外，如图15所示，多个本发明提供的空间定位指向作动系统的协作可实现3D打印。多个空间定位指向作动系统形成的3D打印机的具体结构为：运动件260为工作管道，其中一个空间定位指向作动系统对应的工作管道为激光发射管261，另外的一个或多个空间定位指向作动系统对应的工作管道为流体引导管262；激光发射管261所包含的针管内腔通入激光，流体引导管262所包含的针管内填充融流固耦合流体，融流固耦合流体可以是气体中金属粉粒，液体中金属粉粒，或挤压流动金属泥；采用多个带有流体引导管262的空间定位指向作动系统，便增加激光建工效果或维度；以便形成多种材料同时烧结或混合梯度烧结的新型复合材料或梯度材料。而实现3D打印加工效果。优选地，工作管道可以提供激光、热流，粘结剂、力压印等，只要是协调将粉粒或流体固定成型的组合手段即可，如激光烧蚀。优选地，工作管道还可以只包含流体引导管262，所述流体引导管262能够进行喷涂或者喷涂层叠累积。

本发明提供了一种3D打印方法，包含以下步骤：步骤S1：将支撑平台100安装在被工作对象结构体上，调整支撑平台100完成对直线电机结构200的定位定向；步骤S2：控制箝位驱动件210将工作管道送入到被工作对象结构体内部设定位置后，对工作管道进行箝位固定；步骤S3：在流体引导管262通入打印材料颗粒或流体，在激光发射管261中通入激光对打印材料颗粒或流体进行烧结或烧蚀；或者，仅通过流体引导管262进行喷涂或者喷涂层叠累积。实际操作时，可以将烧结点或烧蚀点记为作用点，通过控制，多个作用点成线，多条线成面，从而实现设定形状的加工。此外，优选地，在一根流体引导管262中可以通入多种材料，形成复合材料结构。

优选地，所述流体引导管262的近端孔道形成搅拌腔，在搅拌腔中能够对多种材质的颗粒或流体进行充分混合。优选地，所述流体引导管262的管内径在由近端到远端的方向上依次减小；或者，流体引导管262中设置有滤网，在由近端到远端方向上，多个滤网的网孔依次减小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种空间定位指向作动系统，其特征在于，包含支撑平台（100）与直线进给结构；直线进给结构包含箝位驱动件（210）与运动件（260），箝位驱动件（210）中设置有轴向通孔，所述轴向通孔形成运动件（260）轴向滑动的通行孔（211）；

所述箝位驱动件（210）通过以下任一种方式安装在支撑平台（100）上：

--紧固连接；

--轴向滑动连接和/或转动连接；

所述直线进给结构还配置有微动结构，所述微动结构为运动件（260）提供振动和/或冲击；运动件（260）提供挤压力复合交变力的施力；

箝位驱动件（210）包含驱动部（213）与箝位部（212）；驱动部（213）与箝位部（212）一体成型或紧固连接；

箝位部（212）能够在锁合状态与解锁状态这两种状态之间转换：锁合状态下，运动件（260）与箝位部（212）相对固定；解锁状态下，运动件（260）能够相对箝位部（212）轴向滑动；

一个或多个箝位部（212）设置在驱动部（213）沿长度方向的两端上；

箝位部（212）包含了箝位盒（231）、卡合件（232）、开合弹性件以及开合开关（235）；

箝位盒（231）中设置有一个或多个锥形孔，卡合件（232）安装在锥形孔中；

所述锁合状态下，运动件（260）与锥形孔的孔壁同时与卡合件（232）接触；所述解锁状态下，卡合件（232）仅与运动件（260）接触或者仅与锥形孔的孔壁接触。

2.根据权利要求1所述的空间定位指向作动系统，其特征在于，所述支撑平台（100）包含依次连接的第一承载台（110）、连接杆（120）、第二承载台（130），多个连接杆（120）中包含有长度不可调的刚性杆和/或长度可调的伸缩杆；

所述伸缩杆包含以下任一种或全部结构：

--弹性材料杆；

--直线驱动装置。

3.根据权利要求1所述的空间定位指向作动系统，其特征在于，所述驱动部（213）包含一个或多个驱动组，所述驱动组包含在径向方向上槽口位置相反的两个驱动槽（221）；

箝位部（212）则包含箝位槽（222），多个箝位槽（222）分别位于驱动部（213）沿轴向的两端。

4.根据权利要求3所述的空间定位指向作动系统，其特征在于，直线进给结构还包含变形结构（223）与传感结构（224）；

变形结构（223）设置在驱动槽（221）的槽口位置上与箝位槽（222）的槽口位置上；

传感结构（224）设置在驱动槽（221）的槽底位置上与箝位槽（222）的槽底位置上；所述传感结构（224）包含如下任一种或任多种结构：

---静电电极对；

--应变片；

--压阻材料件；

--导电碳纳米管；

--石墨烯件；

--光纤。

5.根据权利要求1所述的空间定位指向作动系统，其特征在于，所述开合弹性件包含第一弹性件（233）与第二弹性件（234）；

第一弹性件（233）、卡合件（232）、第二弹性件（234）、箝位盒（231）依次连接，箝位盒（231）上安装有开合开关（235）的容纳腔；所述开合开关（235）驱动第一弹性件（233）变形；

开合开关（235）包含以下任一种或任多种结构：

--变形结构（223）；

--带芯轴（242）的电磁铁（241）结构；

--无芯轴（242）的电磁铁（241）结构；

变形结构（223）包含如下任一种或任多种结构：

--压电材料件；

--形状记忆合金弹簧；

--热膨胀材料件；

--电致伸缩材料件（243）；

--磁致伸缩材料件；

--静电电极板；

--液压膨胀体；

--气动膨胀体；

--磁流变液材料件。

6.一种3D打印机，其特征在于，包含一个或多个权利要求1至5中任一项所述的空间定位指向作动系统；

所述运动件（260）包含工作管道，所述工作管道能够在微动结构的作用下，从外部穿刺至封闭的工作对象结构体的内部；

工作管道包含流体引导管（262），所述流体引导管（262）能够进行喷涂或者喷涂层叠累积；或者，

多个空间定位指向作动系统对应的多个工作管道中包含有激光发射管（261）与流体引导管（262）；激光发射管（261）与流体引导管（262）在长度延伸方向上能够共同指向空间上的任一点。

7.根据权利要求6所述的3D打印机，其特征在于，所述流体引导管（262）的近端孔道形成搅拌腔；

所述流体引导管（262）的管内径在由近端到远端的方向上依次减小；或者，

流体引导管（262）中设置有滤网，在由近端到远端方向上，多个滤网的网孔依次减小。

8.一种3D打印方法，其特征在于，采用权利要求1所述的空间定位指向作动系统，包含以下步骤：

步骤S1：将支撑平台（100）安装在被工作对象结构体上，调整支撑平台（100）完成对直线进给结构的定位定向；

步骤S2：控制微动结构与箝位驱动件（210），将工作管道从外部送入到封闭的被工作对象结构体的内部设定位置后，对工作管道进行箝位固定；

步骤S3：在流体引导管（262）通入打印材料颗粒或流体，在激光发射管（261）中通入激光对打印材料颗粒或流体进行烧结或烧蚀；或者，

仅通过流体引导管（262）进行喷涂或者喷涂层叠累积。