CN109703017A - 一种双臂协同3d打印机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双臂协同3D打印机器人，包括机身、头部、电源动力系统、材料供给系统、移动系统、电脑智能系统、3D打印系统、主臂系统、次臂系统、主眼监测器、主臂次眼监测器、次臂次眼监测器和漆料填充装置；所述3D打印系统包括打印喷头和多功能加工机械爪。本机器人具有协同工作的双臂系统。主臂系统上的打印喷头进行主要的打印工作，次臂系统上的多功能加工机械爪进行加工与修补工作，分工明确，增加了打印过程的协调性，解决了传统的3D打印设备仅含单个打印臂或者喷头，从而缺乏协调性的问题，同时改进了打印精度不高需要人工修补的打印效率低的缺点。双臂协同工作，大大提升打印工作效率，更有效的缩短工期和节省人力。

Description

一种双臂协同3D打印机器人

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体是一种双臂协同3D打印机器人。

背景技术

现代社会科技的飞速发展，让建筑“工业化”成为了热潮，这个新的发展时代催生了新的制造技术和建筑技术，在20世纪90年代中期3D打印技术应运而生。基于计算机文件所创建出的虚拟对象，3D打印技术运行“加法制造”的过程，通过三维数字模型设计和多种打印技术的结合，利用某个特定的模式，实现材料层层叠加，让这个虚拟的对象成为现实的打印品。3D打印技术的快速成型，和“工业化”实现了无缝对接。于是，世界上的先进制造技术也都着重于3D打印技术的研发和应用，并且在各个领域都产生了巨大的作用，譬如在航天、国防、医疗设备、教育业以及制造业等领域。

随着人工智能技术的日益成熟，3D打印和人工智能也开始有效的结合工作。工业机器人在很多流水化工序上可以取代传统人力，同时兼具缩短周期，提高工作效率的优势，是推进工业4.0必不可少的“螺丝钉”。毫无疑问，3D打印加速了工业化机器人的生产和使用，那么3D打印智能建造机器人已然成为一个非常有前景的研究方向。

目前，国内的3D打印机器人几乎都是使用单一的机械打印臂实施打印工作，而且整只打印臂和打印喷头功能单一，分工不够清晰，整个打印设备协调性不好，这就导致打印效率较低，打印出的结构构件精细程度不高，同时打印的成品也无法及时的进行修补工作，可能还要附加人工的二次加工，在时间资源和人力资源的缩减上还有待改进。如申请号为201610828816.2的文献公开了一种智能机器人辅助快速建模与3D打印装置，仍然是只有一个打印工作臂，打印方式单一，采用传统的垂直打印工作模式，打印臂的各个功能没有做到协调工作，打印工作有所限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种双臂协同3D打印机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种双臂协同3D打印机器人，包括机身、头部、电源动力系统、材料供给系统、移动系统和电脑智能系统；其特征在于该机器人还包括3D打印系统、主臂系统、次臂系统、主眼监测器、主臂次眼监测器、次臂次眼监测器和漆料填充装置；所述3D打印系统包括打印喷头和多功能加工机械爪；

所述机身安装在移动系统上；所述电源动力系统、材料供给系统和电脑智能系统均安装在机身上；所述头部安装在机身的上部，头部正面安装有主眼监测器；所述主臂系统通过球面副安装在头部的顶部，末端安装有打印喷头；所述次臂系统通过球面副安装在头部的侧面，末端安装有多功能加工机械爪；主臂系统上安装有主臂次眼监测器，次臂系统上安装有次臂次眼监测器和漆料填充装置；

所述材料供给系统分别与打印喷头和多功能加工机械爪的增材打印喷口连接；所述漆料填充装置与多功能加工机械爪的上色喷口连接；所述电脑智能系统分别与打印喷头、多功能加工机械爪、电源动力系统、材料供给系统、移动系统、主臂系统、次臂系统、主眼监测器、主臂次眼监测器、次臂次眼监测器和漆料填充装置连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本机器人具有协同工作的双臂系统。主臂系统上的打印喷头进行主要的打印工作，次臂系统上的多功能加工机械爪进行加工与修补工作，分工明确，增加了打印过程的协调性，解决了传统的3D打印设备仅含单个打印臂或者喷头，从而缺乏协调性的问题，同时改进了打印精度不高需要人工修补的打印效率低的缺点。双臂协同工作，大大提升打印工作效率，更有效的缩短工期和节省人力。

(2)在具有打印喷头的基础上，对以往打印臂单一的功能进行改进，增加了多功能加工机械爪，具有对打印对象进行增材改进、减材修改以及附加上色功能。多功能加工机械爪是辅助加工，其工作状态滞后于打印喷头，二者不会产生作业冲突，提高打印工作效率。

(3)位于机器人头部的主眼监测器、位于主臂系统的主臂次眼监测器和位于次臂系统的次臂次眼监测器组成一套完整的“三位一体”打印进程监视体系，有利于对打印过程的全方位监测、全程记录所有打印工作的状态信息并能够对当前打印方案进行不断修正，提高精度和双臂配合度。

(4)得到的打印构件在精度和外观上更为出色，而且打印进程更加效率化。主臂的打印完成紧跟次臂的修补加工工序，此时下一阶段的打印工作也在同步进行，省去了构件打印完成之后对于构件的大量人为修补过程，让打印构件的人工修复率变得更低，从而更好的节省时间和人力，缩短工期。

(5)本机器人的电脑智能系统能够连接上位机，从而实现远程的人机交互和远程操纵，体现“人工智能化”。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整体结构示意图。

图2是本发明一种实施例的头部安装放大示意图。

图3是本发明一种实施例的主臂系统安装示意图。

图4是本发明一种实施例的次臂系统安装示意图。

图中：1、机身；2、头部；3、3D打印系统；4、电源动力系统；5、材料供给系统；6、移动系统；7、电脑智能系统；8、主臂系统；9、次臂系统；10、主眼监测器；11、主臂次眼监测器；12、次臂次眼监测器；13、漆料填充装置；3-1、打印喷头；3-2、多功能加工机械爪；3-2-1、增材打印喷口；3-2-2、减材切刀；3-2-3、上色喷口；8-1、主臂肩杆；8-2、大主臂；8-3、小主臂；9-1、次臂肩杆；9-2、大次臂；9-3、小次臂；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种双臂协同3D打印机器人(简称机器人，参见图1-4)，包括机身1、头部2、电源动力系统4、材料供给系统5、移动系统6和电脑智能系统7；其特征在于该机器人还包括3D打印系统3、主臂系统8、次臂系统9、主眼监测器10、主臂次眼监测器11、次臂次眼监测器12和漆料填充装置13；所述3D打印系统3包括打印喷头3-1和多功能加工机械爪3-2；

所述机身1安装在移动系统6上；所述电源动力系统4、材料供给系统5和电脑智能系统7均安装在机身1上；所述头部2安装在机身1的上部，头部2正面正中安装有主眼监测器10；所述主臂系统8通过球面副安装在头部2的顶部，末端安装有打印喷头3-1；所述次臂系统9通过球面副安装在头部2的侧面(本实施例为右侧)，末端安装有多功能加工机械爪3-2；主臂系统8上安装有主臂次眼监测器11，次臂系统9上安装有次臂次眼监测器12和漆料填充装置13。

所述3D打印系统3根据电脑智能系统7输入的建模信息指令，进行打印工作；

所述电源动力系统4用于为整个机器人的所有部件提供所需电源动力。

所述材料供给系统5用于打印材料的供给；材料供给系统5通过贯穿于机身1、主臂系统8和次臂系统9的材料输送管道分别与打印喷头3-1和多功能加工机械爪3-2的增材打印喷口3-2-1连接，将材料输送到打印喷头3-1和多功能加工机械爪3-2的增材打印喷口3-2-1处，从而提供打印工作所需的材料，材料优选采用水泥基材料。

所述漆料填充装置13与多功能加工机械爪3-2的上色喷口3-2-3连接，为上色喷口3-2-3填充漆料。

所述移动系统6通过接受电脑智能系统7传达的操控指令而实现机器人的任意位置的移动，从而最大化打印工作面积；

所述电脑智能系统7分别与打印喷头3-1、多功能加工机械爪3-2、电源动力系统4、材料供给系统5、移动系统6、主臂系统8、次臂系统9、主眼监测器10、主臂次眼监测器11、次臂次眼监测器12和漆料填充装置13连接。电脑智能系统7是机器人的中枢处理系统，用于录入建模信息和工作进度智能分析；输入建模的工作信息后，主臂系统8、次臂系统9和3D打印系统3接受指令进行打印工作，控制着整个打印工作的开始与结束；同时可利用无线网络，和人工进行无线衔接，可进行远程无线操纵，实现人机交互。

优选地，所述电源动力系统4和材料供给系统5均安装在机身1的侧面端口上(本实施例为右侧)；所述电脑智能系统7安装在机身1后部；当3D打印工作出现偏差或者故障，必须要人为地需要操作电脑智能系统7的时候，由于电脑智能系统7位于机身1后部，操作员就能直面3D打印工作进程，方便实时了解工作进度情况；与此同时，为了不影响人工操作和3D打印工作，所以将电源动力系统4和材料供给系统5放在机身1一侧(本实施例为右侧)，让动力和材料的提供工作也能同时进行。

所述主眼监测器10的形状为球型，球型半径为2～5cm，主要用于对打印物的打印状态进行正面监控，收集信息；同时具有激光扫描定位功能，达到减小工作误差的目的。所述主臂次眼监测器11和次臂次眼监测器12均为小型球状摄像头，球体半径为2～4cm，在不影响正常的3D打印工作的前提下，用于打印物的实时状态信息的收集。

所述打印喷头3-1用于进行3D打印的正常打印工作；喷头是管状结构，喷头半径可选用2mm、3mm、5mm、1cm、2cm或4cm；所述多功能加工机械爪3-2具有3个爪端，每一个爪端上各自设置有增材打印喷口3-2-1、减材切刀3-2-2和上色喷口3-2-3；增材打印喷口3-2-1用于对打印对象进行增材改进，喷头半径可选用2mm、3mm、5mm或1cm；减材切刀3-2-2用于对打印对象进行减材修改，长度为0.2m～0.4m；上色喷口3-2-3用于对打印对象进行上色，喷头半径可选用5mm、1cm或2cm。

所述主臂系统8具有6个自由度，包括主臂肩杆8-1、大主臂8-2和小主臂8-3；所述主臂肩杆8-1的一端安装在头部2的顶部，与头部2构成球面副，能够在顶部任意转动；所述大主臂8-2的一端通过转轴与主臂肩杆8-1的另一端连接，与主臂肩杆8-1构成转动副；所述小主臂8-3的一端通过转轴与大主臂8-2的另一端连接，与大主臂8-2构成转动副；所述小主臂8-3的另一端安装有主臂次眼监测器11，小主臂8-3的末端安装有打印喷头3-1。

所述次臂系统9具有6个自由度，包括次臂肩杆9-1、大次臂9-2和小次臂9-3；所述次臂肩杆9-1的一端安装在头部2的侧面(本实施例为右侧)，与头部2构成球面副，能够在侧部任意转动；所述大次臂9-2的一端通过转轴与次臂肩杆9-1的另一端连接，与次臂肩杆9-1构成转动副；所述小次臂9-3的一端通过转轴与大次臂9-2的另一端连接，与大次臂9-2构成转动副；所述小次臂9-3的另一端安装有次臂次眼监测器12和漆料填充装置13，漆料填充装置13位于次臂次眼监测器12后方，小次臂9-3的末端安装有多功能加工机械爪3-2。

所述漆料填充装置13的面积为6～12cm²。

本发明的工作原理和工作流程是：

在外部计算机的建模软件上建立实物模型并规划打印路径的信息，将信息输入到电脑智能系统7，同时设置好次臂系统9的加工模式，选定是时间滞后还是路径滞后。

首先检查机器人的主臂系统8和次臂系统9能否正常工作，材料是否充足，电源是否充足；若未达标，可人工操作通过外部计算机无线控制电脑智能系统7，再通过电脑智能系统7控制材料供给系统5和电源动力系统4对其及时进行调整。外部计算机控制移动系统6将机器人移动至工作位置，移动过程利用主眼监测器10进行准确定位。

开始工作，主臂系统8和打印喷头3-1按照规划的打印路径开始工作，同时主眼监测器10开始实时的监测打印工作进程，主臂次眼监测器11和次臂次眼监测器12同时辅助监测。将主眼监测器10、主臂次眼监测器11和次臂次眼监测器12采集的打印构件状态信息和打印工作进度信息传输到电脑智能系统7进行实时分析，此分析过程和分析软件为现有技术。电脑智能系统7将每个打印阶段的打印路径状态和打印成品状态与之前外部计算机生成的信息进行对比；若符合此阶段的预期打印效果，次臂系统9和多功能加工机械爪3-2在此阶段不会收到加工指令，此阶段不工作；若不符合此阶段的预期打印效果，电脑智能系统7会发出修改指令，次臂系统9和多功能加工机械爪3-2开始对这一阶段进行加工：首先次臂系统9运动到工作位置，然后增材打印喷口3-2-1对打印对象有缺陷的位置进行增材改进，接着减材切刀3-2-2对打印对象有缀余的位置进行减材处理，最后上色喷口3-2-3对打印对象需要上色的位置进行喷色处理，至此完成这一阶段的工作，在次臂系统9和多功能加工机械爪3-2工作的同时，主臂系统8和打印喷头3-1开始下一阶段的工作。

主臂系统8和次臂系统9协同工作，直至完成整个打印工作。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种双臂协同3D打印机器人，包括机身、头部、电源动力系统、材料供给系统、移动系统和电脑智能系统；其特征在于该机器人还包括3D打印系统、主臂系统、次臂系统、主眼监测器、主臂次眼监测器、次臂次眼监测器和漆料填充装置；所述3D打印系统包括打印喷头和多功能加工机械爪；

所述机身安装在移动系统上；所述电源动力系统、材料供给系统和电脑智能系统均安装在机身上；所述头部安装在机身的上部，头部正面安装有主眼监测器；所述主臂系统通过球面副安装在头部的顶部，末端安装有打印喷头；所述次臂系统通过球面副安装在头部的侧面，末端安装有多功能加工机械爪；主臂系统上安装有主臂次眼监测器，次臂系统上安装有次臂次眼监测器和漆料填充装置；

所述材料供给系统分别与打印喷头和多功能加工机械爪的增材打印喷口连接；所述漆料填充装置与多功能加工机械爪的上色喷口连接；所述电脑智能系统分别与打印喷头、多功能加工机械爪、电源动力系统、材料供给系统、移动系统、主臂系统、次臂系统、主眼监测器、主臂次眼监测器、次臂次眼监测器和漆料填充装置连接。

2.根据权利要求1所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于所述电源动力系统和材料供给系统均安装在机身的侧面端口上；所述电脑智能系统安装在机身后部。

3.根据权利要求1所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于所述主眼监测器的形状为球型，球型半径为2～5cm，同时具有激光扫描定位功能；所述主臂次眼监测器和次臂次眼监测器均为球状摄像头，球体半径为2～4cm。

4.根据权利要求1所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于所述多功能加工机械爪具有3个爪端，每一个爪端上各自设置有增材打印喷口、减材切刀和上色喷口；增材打印喷口用于对打印对象进行增材改进；减材切刀用于对打印对象进行减材修改；上色喷口用于对打印对象进行上色。

5.根据权利要求1所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于所述主臂系统包括主臂肩杆、大主臂和小主臂；所述主臂肩杆的一端安装在头部的顶部，与头部构成球面副；所述大主臂的一端与主臂肩杆的另一端连接，与主臂肩杆构成转动副；所述小主臂的一端与大主臂的另一端连接，与大主臂构成转动副；所述小主臂的另一端安装有主臂次眼监测器，小主臂的末端安装有打印喷头。

6.根据权利要求1所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于所述次臂系统包括次臂肩杆、大次臂和小次臂；所述次臂肩杆的一端安装在头部的侧面，与头部构成球面副；所述大次臂的一端与次臂肩杆的另一端连接，与次臂肩杆构成转动副；所述小次臂的一端与大次臂的另一端连接，与大次臂构成转动副；所述小次臂的另一端安装有次臂次眼监测器和漆料填充装置，小次臂的末端安装有多功能加工机械爪。

7.根据权利要求6所述的双臂协同3D打印机器人，其特征在于漆料填充装置位于次臂次眼监测器后方。