CN109049714B - 一种3d打印方法及打印系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印方法及打印系统，该3D打印方法，包括：获得载体上待打印区域的第一模型，确定载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；控制机械臂移动至载体的特征标记点，确定特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；根据特征标记点在载体坐标系中的坐标与特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；控制机械臂带动3D打印喷头基于第二模型直接在载体上进行打印。本发明公开的3D打印方法及打印系统，可以实现在载体直接进行3D打印，一次成型，无需植入。

Description

一种3D打印方法及打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤指一种3D打印方法及打印系统。
背景技术
随着3D打印技术越来越成熟，以及越来越普及，主要通过在3D打印机中设置机械臂，由机械臂带动3D打印机中的打印枪移动，实现3D模型的打印。3D生物打印越来越受到人们关注，但目前的3D生物打印通常都需要打印完成后再进行植入。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印方法及打印系统，可以实现在载体直接进行3D打印，一次成型，无需植入。
为了达到本发明目的，一方面，本发明提供了一种3D打印方法，包括：
获得载体上待打印区域的第一模型，确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
控制机械臂移动至所述载体的特征标记点，确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印。
另一方面，本发明提供了一种3D打印设备，包括：存储器和处理器，其中：
存储器用于存储执行指令；
处理器调用所述执行指令，用于：
获得载体上待打印区域的第一模型，确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
控制机械臂移动至所述载体的特征标记点，确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印。
本发明提供的3D打印方法及打印系统，机械臂带动3D打印喷头可以直接在载体上进行打印，实现在载体直接进行3D打印，实现打印一次成型，无需植入，快速便捷，避免了目前打印时需要打印完成后再进行植入的缺陷。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的3D打印方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的机械臂带动3D打印喷头移动的流程图；
图3为本发明实施例一提供的3D打印设备的结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的3D打印设备的结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的3D打印系统的结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的3D打印系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例提供的3D打印方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的3D打印方法，包括：
S101：获得载体上待打印区域的第一模型，确定载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
其中，本发明实施例中的载体例如可以是骨骼。
其中，执行本发明实施例方法的执行主体例如可以是3D打印设备(也可以称为主控设备)，该3D打印设备可以为设置有主控模块的控制终端，如计算机、手机和平板电脑等控制终端。
具体的，本发明实施例可以但不仅限于采用3D扫描仪对载体进行扫描，以获得载体中的待打印区域的第一模型以及载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标。所述第一模型即为待打印区域的3D模型。该3D模型可以是将3D扫描仪扫描获得的数据，与预设的正常模型的数据进行布尔运算，快速获得待打印区域的形态。除了通过3D扫描仪扫描得到第一模型外，也可以通过输入已有3D模型的方式得到所述第一模型。其中，3D打印设备可以将待打印区域的3D模型以stl文件格式存储。以载体为动物骨骼为例，3D扫描仪对动物骨骼进行扫描，以获得骨骼缺损部分。需要说明的是，本发明实施例的3D打印设备可以是工控机，也可以是计算机等终端。
本发明实施例可以预先在载体附近空间中设置三个不共线的特征标记点，也可以在载体上设置三个不共线的特征标记点，只要保证3D扫描仪扫描前后，特征标记点与载体没有产生相对位移即可。当3D扫描仪对载体进行扫描时，同时扫描这三个特征标记点，以得到特征标记点在载体坐标系中的坐标。
S102：控制机械臂移动至载体的特征标记点，确定特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
具体的，3D打印设备将机械臂调至示教模式，通过机械臂工具端对准特征标记点，具体为：自由驱动机械臂工具端分别至特征标记点，通过读取当前机械臂工具端的位置，分别得到三个特征标记点在机械臂坐标系统下的坐标。
需要说明的是，在机械臂工具端对准特征标记点后，3D打印设备将机械臂调制正常工作模式，如打印模式。
本发明实施例中，机械臂的工具端上安装有打印喷头，也可以通过工具端上的打印喷头对准特征标记点，具体为：自由驱动机械臂工具端上打印喷头分别至特征标记点，通过读取当前机械臂工具端上打印喷头的位置，分别得到三个特征标记点在机械臂坐标系统下的坐标。
本发明实施例中，通过将机械臂工具端对准特征标记点，或者，通过工具端上的打印喷头对准特征标记点，均可以实现控制机械臂移动至载体的特征标记点。机械臂有两组坐标系，除了基座坐标系外，还有工具端坐标系，通过预设工具端坐标系的任意一点A的位置，然后用这个A点去对准特征标记点，即可实现控制机械臂移动至载体的特征标记点。其中，这个A点可以是预先设置的打印喷头上任意一点，也可以预先设置的工具端上任意一点。
S103：根据特征标记点在载体坐标系中的坐标与特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得第一模型在机械臂坐标系中的第二模型。
其中，本发明实施例中，将3D扫描仪扫描获得的数据，与预设的正常模型的数据进行布尔运算，快速得到的待打印区域的三维模型称为第一模型，将该第一模型相对于载体的位置进行坐标转换后的模型称为第二模型。
具体的，由于在传统3D打印的三轴系统中，坐标系通常是固定不变的，而本发明实施例由于需要实现在载体直接打印，比如直接在已有骨骼上进行新骨骼的打印，机械臂需要有其自身的坐标系统，也即，机械臂系统中的工具端坐标系会实时改变。因此需要进行坐标转换以确保空间位置的统一，以及空间位置对机械臂系统位置的传输。
本发明实施例中，特征标记点作为坐标系转换所需的信息，3D打印设备可以实现相对于载体的位置的第一模型三维坐标信息到机械臂坐标系的转换；基于转换后的第二模型进行打印。其具体实现方法包括：
以机械臂坐标系统为全局O-XYZ坐标系，机械臂工具端测得三个特征标记点在全局坐标系的空间位置P1＝{u1,v1,w1}、P2＝{u2,v2,w2}、P3＝{u3,v3,w3}，建立该组特征标记点的局部O’-X’Y’Z’坐标系，坐标中心
Figure BDA0001812179490000051
X轴方向定义为
Figure BDA0001812179490000052
方向，Y轴方向定义为
Figure BDA0001812179490000053
方向，Z轴方向定义为
Figure BDA0001812179490000054
方向。
根据P1、P2、P3三个特征标记点在全局系统坐标系O-XYZ中的位置，计算出局部坐标系O’-X’Y’Z’到全局坐标系O-XYZ的旋转矩阵
Figure BDA0001812179490000055
Figure BDA0001812179490000056
以及平移向量T＝[TxTyTz]。
假设局部坐标系O’-X’Y’Z’中的点P(x,y,z)为载体待打印区域上某一点，根据公式P(u,v,w)＝R·(P(x,y,z)-T)计算出P点在全局坐标系O-XYZ中的位置。
S104：控制机械臂带动3D打印喷头基于第二模型直接在载体上进行打印。
具体的，通过坐标转换计算对机械臂系统进行简化后，可将机械臂看作拥有两个坐标系：第一个是基座坐标系，该坐标系是以机械臂基座的中心为坐标原点，当机械臂位置固定后，该坐标系统相对于世界坐标系也将固定；第二个是工具端坐标系，该坐标系统可看作是以机械臂末端即工具端的中心点为坐标原点，在机械臂进行运动时，工具端坐标系也将会发生改变。相比于三轴系统进行轴向的运动，机械臂将拥有更高的自由度，包括对打印喷头方向的旋转。因此在机械臂带动3D打印喷头打印时，可将通常所用的平行于轴向的切分改为以任意方向进行切分，然后通过坐标系统的转换和机械臂的控制更加高效地完成3D打印。
需要说明的是，虽然机械臂拥有基座标坐标系和工具端坐标系两个坐标系，然而考虑到一般待打印载体的体积相对于机械的活动范围，机械臂所拥有的两个坐标系在路径规划的时候，实际上是不需要考虑的。本发明实施例中的机械臂坐标系指的是基座坐标系，只有少数情况会用到工具端坐标系，这两个系统是通过机械臂自身的D-H参数，和当前的位姿进行计算转换的，其中，机械臂自身的D-H参数以及当前的位姿计算转换与现有技术相同，本发明实施例在此不进行限定和赘述。
需要说明的是，本发明实施例中直接在载体打印时用的生物墨水都有一定的黏性，而且可以在其中添加起到黏附作用的成分，可以实现打印时一边打印一边发生交联反应，不会脱落，可确保打印体与载体之间连接的坚固性，以及避免打印体在打印过程中脱落。
本发明实施例机械臂带动3D打印喷头可以直接在载体上进行打印，实现在载体直接进行3D打印，实现打印一次成型，无需植入，快速便捷，避免了目前打印时需要打印完成后再进行植入的缺陷。
本发明实施例中，通过控制机械臂进行在载体打印，机械臂在进行打印时拥有更高的自由度，因此在路径规划时提供了更多的选择。同时，本发明实施例在载体打印时，在路径规划时需要考虑机械臂不能碰到载体3D扫描了载体，具体可通过下述方式实现：基于上述实施例中3D扫描仪扫描了载体，以及机械臂读取了特征标记点的位置，机械臂即可获得载体的位置，结合机械臂仿真技术即可控制机械臂不碰到载体。
进一步地，在上述实施例的基础上，本发明实施例实现以预设采样精度对待打印区域进行空间点采样，以及进行路径规划，以控制机械臂按照所规划的路径带动3D打印喷头进行打印，其主要通过以下两种方式实现：
第一种实现方式：以预设采样精度对第一模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第一规划路径；
在控制机械臂带动3D打印喷头在载体上打印过程中，根据特征标记点在载体坐标系中的坐标与特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，对第一规划路径进行坐标转换，获得第二模型在机械臂坐标系中的第二规划路径；
控制机械臂按照第二规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
具体的，本实施例中，先直接对相对于载体的位置的第一模型进行空间点采样，基于采样结果进行路径规划，然后将相对于载体的位置的第一规划路径进行坐标转换，得到在机械臂坐标系下的第二规划路径。
可选的，本实施例中，根据采样结果进行路径规划，包括：识别第一模型的边缘点，以及确定机械臂的起始点和结束点；将边缘点作为机械臂的方向改变点，在起始点和结束点之间采用两点确定一直线的方法或者最小二乘法，得到第一规划路径。
第二种实现方式：以预设采样精度对第二模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第三规划路径；控制机械臂按照第三规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
具体的，本实施例中，先直接对相对于载体的位置的第一模型进行坐标转换，得到在机械臂坐标系下的第二模型，然后对第二模型进行空间点采样，基于采样结果进行路径规划，直接得到在机械臂坐标系下的第三规划路径，无需再进行坐标转换。
可选的，本实施例中，根据采样结果进行路径规划，包括：识别第二模型的边缘点，以及确定机械臂的起始点和结束点；将边缘点作为机械臂的方向改变点，在起始点和结束点之间采用两点确定一直线的方法或者最小二乘法，得到第三规划路径。
在上述两种实现方式中，空间点采样方法是由于在对机械臂进行控制时，机械臂系统并没有空间体积的概念，机械臂的运动皆为点对点的运动，因此在对待打印区域进行3D打印时，需要对待打印载体的打印区域该空间体积进行空间点的采样，以确保本发明实施例采用预设采样精度进行点采样可以与打印精度和路径规划相匹配。
进一步地，3D打印设备根据机械臂的特性和目标点的空间结构对其进行路径规划；通过识别第一模型的边缘点，将边缘点作为机械臂的方向改变点，可以实现在空间结构边缘处调整机械臂工具端的方向，以避免打印头与载体发生碰撞。其中，本发明实施例的机械臂为六轴机械臂，该六轴机械臂的特性在于灵活性更强，通过六个自由度的平移和旋转，可以将机械臂工具端坐标系统定义在机械臂运动范围内的任意位置，并且可以根据待打印载体打印区域的形状和姿态在打印的过程中进行调整。
3D打印设备在起始点和结束点之间采用两点确定一直线的方法或者最小二乘法，得到第三规划路径，包括：根据载体待打印区域的图形，确定采用何种方法进行路径规划，比如，对于简单或规则图形，可采取两点确定一直线的方法确定机械臂的运动路径。对于复杂或不规则图形，可采取最小二乘法迭代计算得到机械臂的最优运动路径。该路径规划包括机械臂的起始位置、停止位置以及起始位置和停止位置之间的运动轨迹。
具体的，先由3D扫描仪对载体(如动物骨骼)进行扫描，3D打印设备以获得待打印区域(骨骼缺损部分)的3D模型(保存为stl文件格式)，对该3D模型或该3D模型进行转换后的模型，根据预设采样精度对模型进行空间点采样，然后由采样得到的数据点进行路径规划，控制机械臂根据所规划的路径带动工具端的3D打印喷头进行打印。
本发明实施例3D打印设备中预先存储有设定的参数，该设定的参数包括预设采样精度，根据设定的参数中预设采样精度对模型进行空间点采样。
可选的，预设采样精度小于或等于3D打印喷头的最小精度。本发明实施例根据3D打印喷头的最小精度0.3mm为预设采样精度来采样目标点，以满足所需的3D打印的精度在0.3mm到0.4mm之间的需求。
本发明实施例提供的3D打印方法，通过3D打印设备以预设采样精度对打印区域进行空间点采样，以及对机械臂进行路径规划；3D打印设备控制机械臂按照所规划的路径带动机械臂工具端的3D打印喷头进行打印，以控制机械臂带动3D打印喷头移动到待打印区域进行打印，实现对机械臂的控制；同时，3D打印设备以预设采样精度对打印区域进行空间点的采样，以满足所需的3D打印的精度在0.3mm到0.4mm之间的需求。
进一步地，3D打印设备控制机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径，以及控制机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配，以确保机械臂的绝对位置的精度比3D打印喷头的打印精度高，避免了机械臂绝对位置的精度如果没有达到3D打印喷头的打印精度，则有可能会产生3D打印的物体空间中出现间隙或表面不平整的现象的问题。
可选的，本发明实施例可基于机械臂原厂自身的精度和相应的控制算法实现机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径。具体的，机械臂原厂自身精度是基础，本发明实施例采用的机械臂的自身精度是±0.03mm，控制算法的优化是保证机械臂的自身精度在实际运行中能够达到或者尽可能接近这项数值，具体的方法可根据实验和分析对比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，简称PID)参数进行调试，得到合适的PID值。
本发明实施例中，3D打印设备控制机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径的目的是在打印进行换行的时候，能够使得边缘比较平滑。
可选的，3D打印设备控制机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配包括：在机械臂带动3D打印喷头移动时，3D打印设备控制机械臂的供电输出端口处于开启状态，3D打印喷头的出料口开始出料；在机械臂停止带动3D打印喷头移动时，3D打印设备控制机械臂的供电输出端口处于关闭状态，3D打印喷头的出料口停止出料。
具体的，本发明实施例采用的3D打印喷头的出料口是气动控制，在气动回路中，气动电磁阀控制气流通道的通、断或改变压缩空气的流动方向。主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的换向。电磁阀的额定电压为直流24V，所需功率很小。图2为本发明实施例提供的机械臂带动3D打印喷头移动的流程图，如图2所示，机械臂提供直流24V的供电端口，控制电磁阀的开启、关闭，从而控制3D打印喷头出料口的开启、关闭。当机械臂的直流24V I/O的输出端为ON时，电磁阀上电，出料口开始出料；当输出端为OFF时，电磁阀下电，出料口停止出料。机械臂带动打印喷头运动时，3D打印设备控制机械臂的I/O口中直流24V输出端口为ON时,打印喷头的出料口开始匀速出料；3D打印设备控制机械臂的I/O口中直流24V输出端口为OFF时，打印喷头的出料口关闭，打印喷头不再出料；再次开启为ON时，打印喷头继续出料，如此循环往复。
需要说明的是，本发明实施例中机械臂移动的控制可以是3D打印设备通过以太网信号通信进行位置信息传输的，也可以3D打印设备通过modbus协议等其它通讯方式进行位置信息传输的，可以避免机械臂带动打印喷头移动或停止移动时，打印喷头出料或停止出料存在延时的情况。比如，不存在机械臂带动打印喷头移动时，3D打印设备控制I/O输出端口开启后，打印喷头才开始出料，此时机械臂带动打印喷头已移动一段距离，则该段距离就无法打印到，打印喷头才开始出料这样的延时。机械臂自带的I/O输出端口有数字信号和模拟信号可供选择，具体的延时数据可以通过实验测试与程序调校来消除延时。
进一步地，本发明实施例的3D打印设备控制机械臂的移动速度和3D打印喷头出料速度匹配，以及控制机械臂的绝对位置精度比3D打印喷头的打印精度高，可以确保满足所需的3D打印喷头的打印的精度在0.3mm到0.4mm之间，机械臂的定位精度为0.1mm，重复精度在-0.03mm到+0.03mm之间。具体的，3D打印设备可根据机械臂的出厂精度以及控制信号系统的稳定，来控制机械臂的移动速度和3D打印喷头出料速度匹配，以及控制机械臂的绝对位置精度比3D打印喷头的打印精度高。3D打印设备主要依赖于机械臂的出厂精度，且在对机械臂进行控制时保证控制信号系统的稳定。
应用示例
1.实验选取巴马小型猪骨头标本作为对象。
2.使用摆锯在样本胫骨中段造3厘米长，1厘米深的缺损。
3.使用三维扫描仪对缺损部位进行扫描，将获得形状与健康胫骨模型进行布尔运算，生成缺损部位的待打印模型。
4.切片后倒入机械臂操作端，三维扫描仪与机械臂之间的坐标转换及路径规划如本发明实施例上述方法描述。将机械臂打印喷头于打印起始点进行定位后即可开始原位三维打印。
图3为本发明实施例一提供的3D打印设备的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的3D打印设备，包括：获取模块31、第一确定模块32、第一控制模块33、第二确定模块34、转换模块35和第二控制模块36。
获取模块31，用于获得载体上待打印区域的第一模型；
第一确定模块32，用于确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
第一控制模块33，用于控制机械臂移动至所述载体的特征标记点；
第二确定模块34，用于确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
转换模块35，用于根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
第二控制模块36，用于控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印。
本发明实施例提供的3D打印设备用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和实现效果类似，此处不再赘述。
进一步地，所述第二控制模块36，控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第一模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第一规划路径；
在控制所述机械臂带动3D打印喷头在载体上打印过程中，根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，对所述第一规划路径进行坐标转换，获得所述第二模型在机械臂坐标系中的第二规划路径；
控制所述机械臂按照所述第二规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
进一步地，所述第二控制模块36，控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第二模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第三规划路径；控制所述机械臂按照所述第三规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
进一步地，所述第二控制模块36根据采样结果进行路径规划，包括：利用两点确定一直线的方法或者最小二乘法对采样结果进行路径规划，在路径规划过程中，识别所述载体边缘，以避免机械臂与载体发生碰撞。
进一步地，所述预设采样精度小于或等于所述3D打印喷头的最小精度。
进一步地，第二控制模块36还用于：控制所述机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径，以及控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配。
进一步地，第二控制模块36控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配包括：
在所述机械臂带动所述3D打印喷头移动时，控制模块35控制所述机械臂的供电输出端口处于开启状态，所述3D打印喷头的出料口开始出料；
在机械臂停止带动3D打印喷头移动时，控制模块35控制所述机械臂的供电输出端口处于关闭状态，所述3D打印喷头的出料口停止出料。
图4为本发明实施例二提供的3D打印设备的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供的3D打印设备包括：存储器41和处理器42。
存储器41用于存储执行指令，处理器42可以是一个中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)，或者完成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。当3D打印设备运行时，处理器42与存储器41之间通信，处理器42调用执行指令，用于执行以下操作：
获得载体上待打印区域的第一模型，确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
控制机械臂移动至所述载体的特征标记点，确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印。
进一步地，处理器42控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第一模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第一规划路径；
在控制所述机械臂带动3D打印喷头在载体上打印过程中，根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，对所述第一规划路径进行坐标转换，获得所述第二模型在机械臂坐标系中的第二规划路径；
控制所述机械臂按照所述第二规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
进一步地，处理器42控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第二模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第三规划路径；控制所述机械臂按照所述第三规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
进一步地，处理器42根据采样结果进行路径规划，包括：利用两点确定一直线的方法或者最小二乘法对采样结果进行路径规划，在路径规划过程中，识别所述载体边缘，以避免机械臂与载体发生碰撞。
进一步地，所述预设采样精度小于或等于所述3D打印喷头的最小精度。
进一步地，处理器42控制所述机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径，以及控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配。
进一步地，处理器42控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配包括：
在所述机械臂带动所述3D打印喷头移动时，处理器42控制所述机械臂的供电输出端口处于开启状态，所述3D打印喷头的出料口开始出料；
在机械臂停止带动3D打印喷头移动时，处理器42控制所述机械臂的供电输出端口处于关闭状态，所述3D打印喷头的出料口停止出料。
图5为本发明实施例一提供的3D打印系统的结构示意图，图6为本发明实施例二提供的3D打印系统的结构示意图，如图5和图6所示，本发明实施例提供的3D打印系统包括：3D打印设备51和3D打印机52。
3D打印机52包括3D扫描仪和机械臂，机械臂工具端安装有3D打印喷头；3D扫描仪用于扫描的待打印载体的打印区域(图6中的待打印部位)，并将扫描的打印区域发送给3D打印设备51；机械臂在3D打印设备51的控制下，带动工具端的3D打印喷头进行打印。其中，3D打印设备51可以为图6中的控制终端。
本发明实施例提供的3D打印系统中的3D打印设备51是图3或/和图4所示的3D打印设备，其实现原理和实现效果类似，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令；所述计算机指令被执行后，能够实现前述一个或多个实施例提供的3D打印方法，例如，执行如图1或图2所示方法中的一个或多个。所述计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。
需要说明的是，本发明实施例除了应用于医学领域外，还可以应用于教育、工业等领域，可根据应用领域场景调整机械臂大小。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种3D打印方法，包括：
先由3D扫描仪对载体进行扫描，3D打印设备以获得待打印区域的3D模型，对该3D模型进行转换后的模型，根据预设采样精度对模型进行空间点采样，然后由采样得到的数据点进行路径规划，控制机械臂根据所规划的路径带动工具端的3D打印喷头进行打印，
获得载体上待打印区域的第一模型，确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
控制机械臂移动至所述载体的特征标记点，确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
特征标记点作为坐标系转换所需的信息，3D打印设备实现相对于载体的位置的第一模型三维坐标信息到机械臂坐标系的转换；基于转换后的第二模型进行打印,其具体实现方法包括：
以机械臂坐标系统为全局O-XYZ坐标系，机械臂工具端测得三个特征标记点在全局坐标系的空间位置P1＝{u1,v1,w1}、P2＝{u2,v2,w2}、P3＝{u3,v3,w3}，建立该组特征标记点的局部O’-X’Y’Z’坐标系，坐标中心
Figure FDA0002629210270000011
X轴方向定义为
Figure FDA0002629210270000012
方向，Y轴方向定义为
Figure FDA0002629210270000013
方向，Z轴方向定义为
Figure FDA0002629210270000014
方向；
根据P1、P2、P3三个特征标记点在全局系统坐标系O-XYZ中的位置，计算出局部坐标系O’-X’Y’Z’到全局坐标系O-XYZ的旋转矩阵
Figure FDA0002629210270000015
以及平移向量T＝[Tx Ty Tz]；
假设局部坐标系O’-X’Y’Z’中的点P(x,y,z)为载体待打印区域上某一点，根据公式P(u,v,w)＝R·(P(x,y,z)-T)计算出P点在全局坐标系O-XYZ中的位置；
控制机械臂带动3D打印喷头基于第二模型直接在载体上进行打印，
具体的，通过坐标转换计算对机械臂系统进行简化后，将机械臂看作拥有两个坐标系：第一个是基座坐标系，该坐标系是以机械臂基座的中心为坐标原点，当机械臂位置固定后，该坐标系统相对于世界坐标系也将固定；第二个是工具端坐标系，该坐标系统看作是以机械臂末端即工具端的中心点为坐标原点，在机械臂进行运动时，工具端坐标系也将会发生改变；
所述控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第一模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第一规划路径；
在控制所述机械臂带动3D打印喷头在载体上打印过程中，根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，对所述第一规划路径进行坐标转换，获得所述第二模型在机械臂坐标系中的第二规划路径；
控制所述机械臂按照所述第二规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印；
所述控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第二模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第三规划路径；
控制所述机械臂按照所述第三规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印；
所述根据采样结果进行路径规划，包括：
利用两点确定一直线的方法或者最小二乘法对采样结果进行路径规划，在路径规划过程中，识别所述载体边缘，以避免机械臂与载体发生碰撞。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设采样精度小于或等于所述3D打印喷头的最小精度。
3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
控制所述机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径，以及控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配包括：
在所述机械臂带动所述3D打印喷头移动时，控制所述机械臂的供电输出端口处于开启状态，所述3D打印喷头的出料口开始出料；
在机械臂停止带动3D打印喷头移动时，控制所述机械臂的供电输出端口处于关闭状态，所述3D打印喷头的出料口停止出料。
5.一种3D打印设备，采用如权利要求1～4中任一所述的方法，其特征在于，包括：存储器和处理器，其中：
存储器用于存储执行指令；
处理器调用所述执行指令，用于：
获得载体上待打印区域的第一模型，确定所述载体的特征标记点在载体坐标系中的坐标；
控制机械臂移动至所述载体的特征标记点，确定所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标；
根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，将所述第一模型相对于载体的位置进行坐标转换，获得所述第一模型在机械臂坐标系中的第二模型；
控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印。
6.根据权利要求5所述的3D打印设备，其特征在于，所述处理器控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第一模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第一规划路径；
在控制所述机械臂带动3D打印喷头在载体上打印过程中，根据所述特征标记点在载体坐标系中的坐标与所述特征标记点在机械臂坐标系中的坐标之间的关系，对所述第一规划路径进行坐标转换，获得所述第二模型在机械臂坐标系中的第二规划路径；控制所述机械臂按照所述第二规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
7.根据权利要求5所述的3D打印设备，其特征在于，所述处理器控制所述机械臂带动3D打印喷头基于所述第二模型直接在载体上进行打印，包括：
以预设采样精度对所述第二模型进行空间点采样，根据采样结果进行路径规划，得到第三规划路径；
控制所述机械臂按照所述第三规划路径带动3D打印喷头直接在载体上进行打印。
8.根据权利要求6或7所述的3D打印设备，其特征在于，所述处理器根据采样结果进行路径规划，包括：
利用两点确定一直线的方法或者最小二乘法对采样结果进行路径规划，在路径规划过程中，识别所述载体边缘，以避免机械臂与载体发生碰撞。
9.根据权利要求6或7所述的3D打印设备，其特征在于，所述预设采样精度小于或等于所述3D打印喷头的最小精度；
所述处理器还用于：控制所述机械臂的位移精度高于3D打印喷头出料的直径，以及控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配。
10.根据权利要求9所述的3D打印设备，其特征在于，所述处理器控制所述机械臂的运动速度与3D打印喷头出料的速度相匹配包括：
在所述机械臂带动所述3D打印喷头移动时，所述控制模块控制所述机械臂的供电输出端口处于开启状态，所述3D打印喷头的出料口开始出料；
在机械臂停止带动3D打印喷头移动时，所述控制模块控制所述机械臂的供电输出端口处于关闭状态，所述3D打印喷头的出料口停止出料。
11.一种3D打印系统，包括如权利要求5-10任一项所述的3D打印设备和3D打印机，所述3D打印机包括3D扫描仪和机械臂，所述机械臂工具端安装有3D打印喷头；
所述3D扫描仪用于扫描载体待打印区域的3D模型，并将所述3D模型发送给所述3D打印设备；所述机械臂在所述3D打印设备的控制下，带动工具端的3D打印喷头进行打印。
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