CN110355756A

CN110355756A - 一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统及方法

Info

Publication number: CN110355756A
Application number: CN201910502721.5A
Authority: CN
Inventors: 赵鹏兵; 杨傲; 郭世超; 胡耀; 李婧
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2019-10-22

Abstract

本发明属于三维打印技术领域，公开了一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统及方法，包括多个可移动机器人，一个双目摄像头，一台总控电脑；可移动机器人包括一个移动平台、安装在平台上的六自由度机械臂，以及安装在机械臂末端的打印喷头。总控电脑控制多台六自由度可移动机器人，实现机器人的移动和机械臂各关节的运动，在大型曲面上打印各种材料。本发明对打印模型进行切片处理；确定打印位置和机器人的运动轨迹数据；使打印喷头垂直于打印平面进行打印；一种材料打印完成后，切换另一种继续打印，直到物件打印完成；使用了多机器人协作的打印方法，使得打印范围有较大提升，打印速度更快，采用了位姿时时修正的方法，打印精度更高。

Description

一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统及方法

技术领域

本发明属于三维打印技术领域，尤其涉及一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：三维打印技术是快速成型技术的一种，它是采用分层制造，逐层叠加的原理来实现的。随着科技的进步，三维打印技术在航空航天、汽车、珠宝等领域都有广泛的应用。但是在目前的三维打印技术中，打印设备都是放在打印腔体内，并安装在规定的导轨上，通过打印设备在导轨上的移动来控制打印位置，虽然在固定导轨上移动可以增大打印精度，但会使得打印范围受打印腔大小的严格限制，从而很难对大型物件进行打印，通常只是打印一个小零件来使用。这一问题在航空航天中更为突出，因此，设计一种能在大型曲面上打印的系统设备将具有非常重要的意义。

目前打印大型物件，要么就是加大打印机机腔的大小，这样使得开支太大，要么打印成一个个小物件然后进行装配，但会随着装配误差的累积使得打印精度下降。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的3D打印机，打印范围有限；加大打印机机腔的大小，开支太大；打印成一个个小零件进行装配，精度会下降。

解决上述技术问题的难度：加大打印范围的同时，设备成本不能太高，打印精度也要满足要求。

解决上述技术问题的意义：随着打印范围的增加，可打印的物件就会越多，使三维打印技术更多的运用在工业领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统，所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统包括：多个移动机器人、双目摄像头和一台总控电脑；

移动机器人包括用于移动的移动平台和用于打印的六自由度机械臂；移动平台包括平台底部的四向轮、平台内安装的深度摄像头、平台上绘制的特征标记图；

四向轮可以在地面上沿各个方向移动；深度摄像头用于构建环境地图以及机器人的导航工作，移动平台上的特征标记图，用于工作台上方的双目摄像头进行特征识别来实现机器人的定位；

六自由度机械臂安装在移动平台上，末端安装着打印装置；打印装置包括材料箱、材料输送装置和打印喷头，材料箱设于移动平台附近，但不影响平台的移动，材料箱内设有负压调节装置，材料输送装置一端与材料箱相连，另一端与打印喷头相连，打印喷头设于机器人末端的夹爪上；

双目摄像头安装在打印场地的上方，用于检测识别移动机器人平台上的特征标记图，计算出摄像头与机器人之间的距离来定位；

总控电脑使用ssh远程控制多台移动机器人，并用于数据的分析和计算。

进一步，所述机械臂关节内安装着一个控制机械臂各连杆的旋转运动的电机。

进一步，所述打印装置由一个圆盘、四个夹爪、四个打印喷头组成，四个夹爪相互垂直安装在圆盘上，夹爪与圆盘采用螺纹连接，四个喷头分别由四个夹爪夹取，喷头的方向朝外。

本发明的另一目的在于提供一种执行所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统的多机器人协作大范围三维打印的控制方法，所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统包括以下步骤：

步骤一，分析曲面模型，对该模型进行切片处理，根据切片处理后的模型，生成由XYZ坐标和法向量组成的路径点；

步骤二，将机器人模型导入Moveit！软件中进行碰撞检测分析，防止发生机器人间的碰撞与自碰撞，并限制机器臂的最大运动范围，生成可达性数据库；

步骤三，控制机器人移动，使用平台上的深度摄像头利用SLAM相关算法构建环境地图，防止机器人在移动时碰撞到环境障碍物；

步骤四，根据第三步的地图将机器人导航到各自的工作位置，然后使用打印平台上方的摄像头对机器人移动平台上的特征检测图进行特征检测，计算出每个机器人与摄像头的相对位置，根据理论位置坐标与检测到的位置进行对比，对机器人的位置进行微调，实现机器人的精确定位；

步骤五，根据第一步计算出的路径点，对该模型进行打印；

步骤六，对于不同打印物件位置，所需材料的不同，可以切换材料，然后重新步骤四和步骤五，直到物件打印完成。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的航空航天三维打印控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的汽车三维打印控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的珠宝三维打印控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的三维打印控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用多台可移动机器人协作打印，使得打印范围更广，打印更快。机器人是采用了六自由度的机械臂，打印的灵活性更高，打印的喷头可以始终与打印平面的法线方向重合，打印效果更好。采用了双目摄像头进行时时定位修正，使得打印精度大大提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多机器人协作大范围三维打印的控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多机器人协作大范围三维打印的控制方法流程图。

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。

针对现有的3D打印机，打印范围有限；加大打印机机腔的大小，打印成本高；打印成一个个小物件进行装配，会使精度下降等问题。本发明采用多台可移动机器人，使得打印范围更广，打印更快。

下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多机器人协作大范围三维打印的控制系统包括两台移动机器人，一个双目摄像头。

移动机器人包括用于移动的移动平台1和用于打印的六自由度机械臂2；移动平台1包括平台底部的四向轮、平台内安装的深度摄像头、平台上绘制的特征标记5；四向轮可以在地面上沿各个方向移动；深度摄像头用于构建环境地图以及机器人的导航工作；移动平台1上的特征标记5，用于工作台上方的双目摄像头3进行特征识别来实现机器人的精确定位；六自由度机械臂2安装在移动平台1上，其末端安装着打印设备，打印设备包括材料箱44、材料输送装置43 和打印喷头41，材料箱44设于移动平台1附近，但不影响平台的移动，材料箱 44内设有负压调节装置，材料输送装置43一端与材料箱44相连，另一端与打印喷头41相连，打印喷头41设于机器人末端的夹爪42上。

双目摄像头3安装在打印场地的上方，用于检测识别移动机器人平台上的特征标记5，然后计算出摄像头3与机器人之间的距离来实现精确定位。

六自由度机械臂2，连杆21可以垂直于移动平台转动，同样其它连杆22、 23、24、25可以绕各自的转动轴转动，机械臂末端是通过旋转切换材料的打印装置，机械臂关节内都安装着一个电机，控制机械臂各连杆的旋转运动；机械臂末端的打印装置，该打印装置由一个圆盘25、四个夹爪42、四个打印喷头41 组成，四个夹爪42相互垂直安装在圆盘上，夹爪42与圆盘25采用的螺纹连接，四个喷头41分别由四个夹爪42夹取，喷头41的方向朝外，由于喷头41相互垂直，在打印的过程中，可以防止其他喷头碰到打印物件6而损坏物件。

如图2所示，本发明实施例提供的多机器人协作大范围三维打印的控制方法包括以下步骤：

S201：分析曲面模型，对该模型进行切片处理，生成由XYZ坐标和法向量组成的路径点；

S202：对机器人进行碰撞检测，限制最大打印范围，生成可达性数据库库；

S203：移动机器人使用平台上的深度摄像头构建环境地图；

S204：将机器人运动到各自的工作位置；

S205：计算每个机器人的路径，对模型进行打印；

S206：打印完成后，切换另一种材料，重复步骤S204和步骤S205，直到物体打印完按成。

本发明实施例提供的多机器人协作大范围三维打印的控制系统的工作过程为：

第一步：对被打印的三维模型进行切片处理，根据处理后的模型，生成由 XYZ坐标和法向量组成的路径点数据库；

第二步：将机器人模型和被打印模型放入Gazebo仿真场景中，使用moveit！软件进行碰撞检测分析，防止机器人之间发生碰撞与自碰撞，同时设置机器臂的最大操作行程，防止超过机器人的最大打印范围；

第三步：让机器人移动平台在实验场地进行移动,特别是在打印场地，然后将平台上的深度摄像头收集的点云信息使用SLAM中的GMapping算法，构建环境地图；

第四步：使用ROS，让机器人移动到各自的指定打印位置，实现粗定位，然后使用打印场所上方的双目摄像头，通过对机器人移动平台上的特征标记图进行检测识别，计算出摄像头与被检测标记图之间的相对位置，再按照实际工作位置要求，微调机器人的位置，实现精确定位；

第五步：使用IKfast求机器人逆解，独立计算出每个机器人的打印路径，根据第一步的数据库并使之在可达范围内不发生碰撞，再次规划路径，使打印喷头垂直于工件。在打印的过程中，由于轮子的可移动性、地面的光滑性等因素的影响，机器人的位置可能发生变化，所以在打印的过程中以一定的频率利用场地上方的双目摄像头收集的机器人位置信息，对机器人进行重新定位，然后重新规划路径，继续完成后面的打印；

第六步：根据被打印物件不同位置所需材料的不同，可以转动机器人末端的打印装置，切换另一种材料进行打印，直到物件打印完成，机器人离开打印场地，回到初始位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多机器人协作大范围三维打印的控制系统，其特征在于，所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统包括：多个移动机器人、双目摄像头和一台总控电脑；

2.如权利要求1所述的多机器人协作大范围三维打印的控制系统，其特征在于，所述机械臂关节内安装着一个控制机械臂各连杆的旋转运动的电机。

3.如权利要求1所述的多机器人协作大范围三维打印的控制系统，其特征在于，所述打印装置由一个圆盘、四个夹爪、四个打印喷头组成，四个夹爪相互垂直安装在圆盘上，夹爪与圆盘采用螺纹连接，四个喷头分别由四个夹爪夹取，喷头的方向朝外。

4.一种执行权利要求1所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统的多机器人协作大范围三维打印的控制方法，其特征在于，所述多机器人协作大范围三维打印的控制系统包括以下步骤：

步骤一，分析曲面模型，对该模型进行切片处理，生成由XYZ坐标和法向量组成的路径点；

步骤二，对机器人进行碰撞检测，限制最大打印范围，生成可达性数据库；

步骤三，移动机器人，使用平台上的深度摄像头构建环境地图；

步骤四，将机器人运动到各自的工作位置；

步骤五，计算每个机器人的路径，对该模型进行打印；

步骤六，打印完成后，切换另一种材料，重新步骤四和步骤五，直到物件打印完成。

5.如权利要求4所述的多机器人协作大范围三维打印的控制方法，其特征在于，所述切片处理是将打印模型切割成多个小平面。

6.如权利要求4所述的多机器人协作大范围三维打印的控制方法，其特征在于，所述碰撞检测使用moveit！模块，通过模型分析得出所有可能的碰撞点，实现自碰撞和相互碰撞的规避。

7.一种应用权利要求4～6任意一项所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的航空航天三维打印控制系统。

8.一种应用权利要求4～6任意一项所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的汽车三维打印控制系统。

9.一种应用权利要求4～6任意一项所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的珠宝三维打印控制系统。

10.一种应用权利要求4～6任意一项所述多机器人协作大范围三维打印的控制方法的三维打印控制系统。