CN108891025B - 一种智能化的多源同步定向三维打印装置 - Google Patents

一种智能化的多源同步定向三维打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机器人化的多源同步三维定向打印装置，包括机械臂调姿模块、多自由度载物平台模块、箱体模块及附属配件。机械臂调姿模块包括远程运动中心定向调姿机构、喷头夹持机构、喷头直线驱动单元、喷头；多自由度载物平台模块包括升降模组、旋转架、六自由度载物台；箱体模块包括圆形轨道、挂物壁、反应器架。本发明实现了基于多机械臂和多喷头同步的空间定向打印，可根据不同打印材料选择不同的喷头，打印生物医用材料及人工植介入体等生物医学工程产品，使用范围广泛。

Description

一种智能化的多源同步定向三维打印装置
技术领域
本发明涉及生物三维打印设备，尤其涉及一种智能化的多源同步定向三维打印装置。
背景技术
三维打印技术是一由数字化模型驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的快速成型技术。随着材料和控制技术的发展，人们对具有生物活性的人工器官、植入物及个性化医疗的需求增长，三维打印开始向生物医学工程领域拓展，生物三维打印当前正处于三维打印研究领域的最前沿。目前的生物三维打印机，受结构和材料的限制，大多数是在普通三维打印机的结构基础上通过改造喷头来实现生物打印的，成型方式为基于传统直角坐标系运动方式来进行材料的逐层堆积，打印的对象在生物学各向异性和生物活性保持率等方面均存在一定不足，使用范围存在局限性。
针对上述问题，本发明设计了一种基于球坐标系空间定位原理的机器人化多源同步三维定向打印装置，机械臂调姿模块采用了远程中心运动(RCM)机构，并搭配圆周运动及垂直升降运动，实现了三维空间的定向打印。
发明内容
本发明主要提出了一种基于球坐标系的机器人化的多源同步三维定向打印装置，可用于定向打印生物医用材料及植介入体、医疗辅具等生物医学工程产品。本发明可以根据不同打印材料可选择安装不同的喷头，具有通用性。
本发明包括机械臂调姿模块、多自由度载物平台模块、箱体模块，所述机械臂调姿模块包括RCM机构、喷头夹持机构、喷头直线驱动单元、喷头，所述多自由度载物平台模块包括升降模组、旋转架、六自由度载物台，所述箱体模块包括圆形轨道、挂物壁、反应器架，所述机械臂调姿模块安装在可沿导轨移动的滑块上，所述滑块安装在圆形导轨上，所述圆形导轨与支撑箱体相连，所述箱体上设有反应器架及挂物壁，所述远程运动中心定向调姿机构末端安装有喷头直线驱动单元，所述夹持机构通过连接件固定在喷头直线驱动单元上，所述打印喷头由夹持机构固定并始终指向打印平台上某固定点并绕该固定点做旋转运动(pivoting)，所述六自由度载物台通过连接件安装在旋转机构上，所述六自由度载物台可以沿x、y、z三个方向平移及绕这三个方向做旋转运动，所述旋转机构固定在竖直安装的模组上，所述多自由度载物平台模块固定在支撑箱体的底板上。
所述RCM机构是基于平行四杆的构型或者类平行四边形构型，所述RCM机构由上臂、下臂、轴轮、压板、涨紧轮、钢丝绳等组成，所述喷头直线驱动单元由滚柱丝杠及相应连接件组成，所述喷头夹持机构由连接板、调节旋钮、轨道滑块、连接块、弹簧等组成，所述喷头夹持机构是对心机构，所述喷头选择现在市场上已有的喷头模型及相关的材料，所述机械臂调姿模块有3种组合方式，所述机械臂调姿模块组合方式一：1个RCM机构外加多自由度载物平台模块及箱体模块，所述机械臂调姿模块组合方式二：2个RCM机构加多自由度载物平台模块及箱体模块，所述机械臂调姿模块组合方式三：3个RCM机构加多自由度载物平台模块及箱体模块。
所述六自由度载物台由1个动平台和1个静平台及6个独立的连杆机构组成，所述六自由度载物台可以沿x、y、z三个方向平移及绕这三个方向做旋转运动，所述升降模组由滚柱丝杠及相应的连接件组成，所述旋转架由推力圆柱滚子轴承及相应的支撑板、连接板组成，所述多自由度载物平台模块有3种组合方式，所述多自由度载物平台模块组合方式一：升降模组+旋转架+六自由度打印载物平台，所述多自由度载物平台模块组合方式二：升降模组+旋转架，所述多自由度载物平台模块组合方式三：升降模组+六自由度载物台。
所述箱体模块包括圆形轨道、挂物壁、反应器架，所述挂物壁设在整个箱体周边，所述圆形轨道固定在箱体上部，所述反应器架设在箱体内部。
所述打印喷头可实现同时运行，易于实现多喷头扩展和控制，拆卸和安装方便，可灵活用于生物材料、活细胞和基质材料等三维打印。
所述打印方法是一种基于三维闭合曲面形心的等距曲面分层的三维空间定向打印，首先输入打印目标的STL文件，输出是N个曲面薄壁，其外形接近于打印目标外表面的形状，通过对STL文件所有顶点到轮廓形心连线的等分操作得到N组等分点，每组等分点结合STL文件三角面片的拓扑结构，形成由三角面片组成的与打印目标外表面形状基本相同的封闭曲面。所述打印路径规划采用了一种由内向外曲面分层，层内按螺旋线扫描、沿法向向内的方法，。
本发明的优点在于：机械臂调姿模块和多自由度载物平台模块有多种不同组合方式，所述打印喷头易于实现多喷头扩展和控制，喷头拆卸和安装灵活并可实现多个同时打印，可根据不同打印材料可选择不同半径的喷头，所述打印喷头可用于定向打印生物医用材料及人工植介入体等生物医学工程产品。
附图说明
图1是本发明的一种立体结构示意图。
图1A是本发明的另一视角的立体结构示意图。
图2是本发明中RCM机构的一种立体结构示意图。
图3是本发明中喷头夹持机构的一种立体结构示意图。
图4是本发明多自由度载物平台模块一种立体结构示意图。
图5是本发明中喷头直线驱动单元的一种立体结构示意图。
图6是本发明中升降模组的一种立体结构示意图。
图7是本发明中喷头路径规划流程图。
图中1.升降模组，2.旋转台，3.圆形轨道，4.远程运动中心定向调姿机构，5.喷头，6.六自由度载物台，7.喷头直线驱动单元，8.喷头夹持机构，9.反应器架，10.挂物壁，11.张紧轮机构，12.轴轮，13.压板，14.谐波减速机，15.滑块连接板，16.固定环，17.夹持块，18.夹持滑块，19.连接板，20.伺服电机A，21.调节旋钮，22.夹持连接块，23.箱底连接板，24.支撑连接板，25.伺服电机B，26.电机A连接法兰，27.载物滑块A，28.伺服电机C，29.载物滑块C，30.基于三维闭合曲面形心的等距曲面分层，31.打印路径规划。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例：结合图1和图1A所示，一种智能化的多源同步定向3D打印装置，包括机械臂调姿模块、多自由度载物平台模块、箱体模块，所述机械臂调姿模块包括RCM机构4、喷头直线驱动单元7、喷头夹持机构8、喷头5，所述多自由度载物平台模块包括升降模组1、旋转架2、六自由度载物台6，所述箱体模块包括圆形轨道3、挂物壁10、反应器架9，所述机械臂调姿模块安装在可沿导轨移动的滑块上，所述滑块安装在圆形导轨3上，所述圆形导轨3与支撑箱体相连，所述箱体上设有反应器架9及挂物壁10，所述远程运动中心定向调姿机构4末端安装有喷头直线驱动单元7，所述夹持机构8通过连接件固定在喷头直线驱动单元7上，所述打印喷头5由夹持机构8固定并始终指向打印平台上某固定点并绕该固定点做旋转运动(pivoting)，所述六自由度载物台6通过连接件安装在旋转架2上，六自由度载物台6可以沿x、y、z三个方向的平移及绕这三个方向做旋转运动。所述旋转架2固定在竖直安装的模组1上，所述多自由度载物平台模块固定在支撑箱体的底板上。喷头拆装方便并可实现多个同时打印，可根据不同打印材料可选择不同的喷头，定向打印生物材料或活细胞等生物医学产品，使用范围广泛。
使用状态下，本发明满足构造三维空间的打印要求，机械臂调姿模块固定于圆形轨道、则打印喷头始终指向打印平台上某固定点并绕该固定点做旋转运动(pivoting)，随着多自由度载物平台模块的旋转、升降及喷头直线驱动单元的运动，则打印喷头末端与打印平台产生相对运动，从而构建三维空间，定向打印生物医用材料及植介入体、医疗辅助等生物医学工程产品。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：包括机械臂调姿模块、多自由度载物平台模块、箱体模块及附属配件，所述机械臂调姿模块包括远程运动中心定向调姿机构(Remote center of motion，RCM)(4)、喷头夹持机构(8)、喷头直线驱动模元(7)、喷头(5)，所述多自由度载物平台模块包括升降模组(1)、旋转架(2)、六自由度载物台(6)，所述箱体模块包括圆形轨道(3)、挂物壁(10)、反应器架(9)，所述机械臂调姿模块安装在可沿导轨移动的滑块上，所述滑块安装在圆形轨道(3)上，所述圆形轨道(3)与支撑箱体相连，所述箱体上设有反应器架(9)及挂物壁(10)，所述RCM机构(4)是基于平行四杆的构型或者类平行四边形构型，所述远程运动中心定向调姿机构(4)末端安装有喷头直线驱动单元(7)，所述夹持机构(8)通过连接件固定在喷头直线驱动单元(7)上，所述喷头(5)由夹持机构(8)固定并始终指向打印平台上某固定点并绕该固定点做旋转运动(pivoting)，所述六自由度载物台(6)通过连接件安装在旋转架(2)上，所述旋转架(2)固定在竖直安装的模组(1)上，所述多自由度载物平台模块固定在支撑箱体的底板上；所述机械臂调姿模块设置有多个。
2.根据权利要求1所述的一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：所述RCM机构(4)由上臂、下臂、轴轮、压板、涨紧轮、钢丝绳组成，所述喷头直线驱动单元(7)由滚柱丝杠及相应连接件组成，所述喷头夹持机构(8)由连接板、调节旋钮、轨道滑块、连接块、弹簧组成，所述喷头夹持机构(8)是对心机构，所述机械臂调姿模块有3种组合方式，所述机械臂调姿模块组合方式一：1个RCM机构(4)外加多自由度载物平台模块及箱体模块，所述机械臂调姿模块组合方式二：2个RCM机构(4)加多自由度载物平台模块及箱体模块，所述机械臂调姿模块组合方式三：3个RCM机构(4)加多自由度载物平台模块及箱体模块。
3.根据权利要求1所述的一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：所述六自由度载物台(6)由1个动平台和1个静平台及6个独立的连杆机构组成，所述六自由度载物台(6)沿x、y、z三个方向平移及绕这三个方向做旋转运动，所述升降模组(1)由滚柱丝杠及相应的连接件组成，所述旋转架(2)由推力圆柱滚子轴承及相应的支撑板、连接板组成，所述多自由度载物平台模块有3种组合方式，所述多自由度载物平台模块组合方式一：升降模组(1)+旋转架(2)+六自由度打印载物平台(6)，所述多自由度载物平台模块组合方式二：升降模组(1)+旋转架(2)，所述多自由度载物平台模块组合方式三：升降模组(1)+六自由度载物台(6)。
4.根据权利要求1所述的一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：所述箱体模块包括圆形轨道(3)、挂物壁(10)、反应器架(9)，所述挂物壁(10)设在整个箱体周边，所述圆形轨道(3)固定在箱体上部，所述反应器架(9)设在箱体内部。
5.根据权利要求1所述的一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：所述喷头(5)可实现同时运行，所述喷头(5)易于实现多喷头扩展和控制，所述喷头(5)拆卸和安装方便，所述喷头(5)可用于打印生物医用材料及人工植介入体生物医学工程产品。
6.根据权利要求1所述的一种智能化的多源同步定向三维打印装置，其特征在于：采用智能化多源同步定向三维打印装置的打印方法是一种基于轮廓形心的等距曲面分层(30)的三维空间定向打印，打印路径规划(31)采用了一种由内向外曲面分层，层内按螺旋线扫描、沿法向向内的方法。
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