CN110435144B - 一种多臂协作式生物三维打印装置 - Google Patents

一种多臂协作式生物三维打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多臂协作式生物三维打印装置，包括喷头关节模块、肘关节模块、基座关节模块、旋转关节模块及附属配件。各模块均包含电机驱动单元、限位开关、刹车及其连接件；喷头关节模块包含喷头夹块、喷头；肘关节模块和基座关节模块包含同步带传动机构、张紧机构、减速单元；旋转关节模块包括圆周导轨、支撑底座、轨道滚轮、承载板、传动齿轮、电机控制单元和润滑装置。本发明基于双平行四边形串联机构实现了多机械臂协作对空间范围内多点的定向打印，且机械臂末端姿态不会随着肘关节和基座关节角度的变化而改变，可根据目标种类选择不同的材料，打印人工植介入体等生物医学工程产品，使用范围广泛。

Description

一种多臂协作式生物三维打印装置
技术领域
本发明涉及一种生物三维打印机构，尤其涉及一种多臂协作式生物三维打印装置。
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沿着重力方向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。
在专利中国·201810583394.6：一种智能化的多源同步定向打印装置的基础上，本发明研发了一种基于双平行四边形串联机构多机械臂协作式生物三维打印装置，可实现对空间范围内多点的定向打印，且末端姿态仅与末端调姿电机有关。
发明内容
本发明主要提出了一种基于双平行四边形串联机构多机械臂协作式生物三维打印装置，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。本发明可以根据目标种类选择不同打印材料，打印人工植介入物等生物医学工程产品，具有通用性。
本发明包括喷头关节模块、肘关节模块、基座关节模块、旋转关节模块及附属配件，所述喷头关节模块包括电机驱动单元、电机法兰、喷头机架、限位开关、刹车单元、喷头夹块、喷头，所述肘关节模块包括电机驱动单元、刹车单元、同步带传动机构、减速单元、肘关节机架、限位开关、光电开关挡钮，所述基座模块包括电机驱动单元、刹车单元、同步带传动机构、减速单元、基座、光电开关挡钮、限位开关、加强筋，所述旋转关节模块包括电机驱动单元、刹车转子毂、电机前端法兰、减速机法兰、减速单元、减速机输出法兰、传动齿轮、承载板、轨道滚轮、润滑装置、电机控制单元、电机控制单元安装板、圆周导轨、支撑底座，所述喷头关节模块通过平行四边形2的两个杆件与肘关节模块相连，所述肘关节模块通过平行四边形1的三个杆件与基座关节相连，所述基座关节通过连接件与承载板相连，所述承载板通过轨道滚轮与圆周导轨相连，所述电机控制单元通过安装板与承载板相连。所述协作式生物三维打印装置机械臂由双平行四边形串联机构组成，所述双平行四边形串联机构由平行四边形1的三个杆件和平行四边形2的两个杆件组成，所述协作式立体定向生物打印机械臂有三种组合方式以实现物体的打印，所述组合方式一：一个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式二：两个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式三：三个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨。
所述喷头关节模块喷头通过连接件与喷头夹块相连，所述喷头夹块通过连接板和紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与喷头机架相连，所述喷头机架通过连接件与电机驱动单元相连，所述电机驱动单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与刹车单元相连，所述刹车单元通过螺栓与喷头机架相连，所述连接板上装有光电开关挡钮，所述限位开关通过螺栓与喷头机架相连。
所述肘关节模块电机驱动单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与肘关节机架相连，所述肘关节机架通过螺栓与刹车单元相连，所述刹车单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与同步带传动机构相连，所述同步带传动机构配有张紧装置，所述张紧装置通过轴、紧定螺钉和连接件与肘关节机架相连，所述同步带传动机构通过减速机输入法兰与减速单元相连，所述减速单元通过螺栓与肘关节机架相连，所述减速单元通过减速机输出法兰、紧定螺钉、键与平行四边形2杆件相连，所述平行四边形2杆件上装有光电开关挡钮，所述限位开关通过螺栓与肘关节机架相连。
所述基座关节模块电机驱动单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与基座相连，所述基座通过螺栓与刹车单元相连，所述刹车单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与同步带传动机构相连，所述同步带传动机构配有张紧装置，所述张紧装置通过轴、紧定螺钉和连接件与基座相连，所述同步带传动机构通过减速机输入法兰与减速单元相连，所述减速单元通过螺栓与基座相连，所述减速单元通过减速机输出法兰、紧定螺钉、键与平行四边形1杆件相连，所述平行四边形1杆件上装有光电开关挡钮，所述限位开关通过螺栓与基座相连，所述基座通过螺栓与加强筋相连，所述加强筋通过螺栓与承载板相连。
所述旋转关节模块电机驱动单元通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机驱动单元通过螺栓与电机前端法兰连接，所述电机前端法兰通过螺栓与减速机法兰相连，所述减速机法兰通过螺栓与减速单元相连，所述电机轴通过紧定螺钉、刹车转子毂与刹车单元相连，所述电机轴通过螺栓、轴承与减速单元相连，所述减速单元通过螺栓与承载板相连，所述减速单元通过螺栓与减速机输出法兰相连，所述减速机输出法兰通过键、紧定螺钉与传动齿轮相连，所述传动齿轮通过与圆周导轨啮合进而运动，所述圆周导轨(3)通过螺钉安装到支撑底座上，所述承载板通过电机控制单元安装板、螺栓与电机控制单元相连，所述承载板通过螺柱、螺帽与轨道滚轮相连。
附图说明
图1是本发明的一种立体结构示意图。
图2是本发明机械臂的一种侧视结构示意图。
图3是本发明机械臂等轴侧视角的一种立体结构示意图。
图4是本发明中喷头关节模块的一种侧视结构示意图。
图5是本发明中肘关节模块的一种立体结构示意图。
图6是本发明中基座关节模块的一种立体结构示意图。
图7是本发明中旋转关节模块的一种侧视结构示意图。
图中1.支撑底座，2.润滑装置，3.圆周导轨，4.电机驱动单元，5.减速单元，6.打印模型，7.喷头，8.喷头夹块，9.张紧机构，10.电机控制单元，11.同步带传动机构，12.限位开关，13.传动齿轮，14.承载板，15.轨道滚轮，16.载物平台，17.光电开关挡钮，18.喷头机架，19.平行四边形1杆件，20.平行四边形2杆件，21.基座，22.肘关节机架，23.刹车单元，24.电机法兰，25.加强筋，26.电机控制单元安装板，27.电机前端法兰，28.刹车转子毂，29.减速机法兰，30.减速机输出法兰。
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2所示，一种多臂协作式生物三维打印装置，包括喷头关节模块、肘关节模块、基座关节模块、旋转关节模块及附属配件，所述喷头关节模块包括电机驱动单元4、电机法兰24、喷头机架18、限位开关12、刹车单元23、喷头夹块8、喷头7，所述肘关节模块包括电机驱动单元4、刹车单元23、同步带传动机构11、减速单元5、肘关节机架22、限位开关12、光电开关挡钮17，所述基座模块包括电机驱动单元4、刹车单元23、同步带传动机构11、减速单元5、基座21、光电开关挡钮17、限位开关12、加强筋25，所述旋转关节模块包括电机驱动单元4、刹车转子毂28、电机前端法兰27、减速机法兰29、减速单元5、减速机输出法兰30、传动齿轮13、承载板14、轨道滚轮15、润滑装置2、电机控制单元10、电机控制单元安装板26，所述喷头关节模块通过平行四边形2的两个杆件20与肘关节模块相连，所述肘关节模块通过平行四边形1的三个杆件19与基座关节相连，所述基座关节通过连接件与承载板14相连，所述承载板14通过轨道滚轮15与圆周导轨3相连，所述电机控制单元10通过安装板26与承载板14相连。所述协作式生物三维打印装置机械臂由双平行四边形串联机构组成，所述双平行四边形串联机构由平行四边形1的三个杆件19和平行四边形2的两个杆件20构成，所述协作式生物三维打印装置机械臂有三种组合方式以实现物体的打印，所述组合方式一：一个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式二：两个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式三：三个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述多个协作式机械臂可在圆周导轨3上协同运动并实现对目标的打印，所述喷头拆装方便并可根据目标种类选择不同打印材料，打印人工植介入物等生物医学工程产品，使用范围广泛。
使用状态下，本发明的组合满足构造三维空间的打印要求，可实现对空间范围内多点的协作式立体定向打印，末端姿态仅与末端调姿电机有关，肘关节模块、基座关节模块和旋转关节模块能调整空间内某点的位置，喷头模块的电机驱动单元则能实现对此点的多方向打印，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 (3)

1.一种多臂协作式生物三维打印装置，其特征在于：包括喷头关节模块、肘关节模块、基座关节模块、旋转关节模块及附属配件，其中，
所述喷头关节模块包括电机驱动单元(4)、电机法兰(24)、喷头机架(18)、限位开关(12)、刹车单元(23)、喷头夹块(8)和喷头(7)；所述喷头关节模块喷头(7)通过连接件与喷头夹块(8)相连，所述喷头夹块(8)通过连接板和紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与喷头机架(18)相连，所述喷头机架(18)通过连接件与电机驱动单元(4)相连，所述电机驱动单元(4)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与刹车单元(23)相连，所述刹车单元(23)通过螺栓与喷头机架(18)相连，所述连接板上装有光电开关挡钮，所述限位开关(12)通过螺栓与喷头机架(18)相连；所述喷头夹块(8)位于所述喷头机架(18)的顶端一侧；
所述肘关节模块包括电机驱动单元(4)、刹车单元(23)、同步带传动机构(11)、减速单元(5)、肘关节机架(22)、限位开关(12)和光电开关挡钮(17)；所述肘关节模块电机驱动单元(4)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与肘关节机架(22)相连，所述肘关节机架(22)通过螺栓与刹车单元(23)相连，所述刹车单元(23)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与同步带传动机构(11)相连，所述同步带传动机构(11)配有张紧装置，所述张紧装置通过轴、紧定螺钉和连接件与肘关节机架(22)相连，所述同步带传动机构(11)通过减速机输入法兰与减速单元(5)相连，所述减速单元(5)通过螺栓与肘关节机架(22)相连，所述减速单元(5)通过减速机输出法兰、紧定螺钉、键与平行四边形2杆件(20)相连，所述平行四边形2杆件(20)上装有光电开关挡钮(17)，所述限位开关(12)通过螺栓与肘关节机架(22)相连；
所述基座关节模块包括电机驱动单元(4)、刹车单元(23)、同步带传动机构(11)、减速单元(5)、基座(21)、光电开关挡钮(17)、限位开关(12)和加强筋(25)；所述基座关节模块电机驱动单元(4)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过轴承与基座(21)相连，所述基座(21)通过螺栓与刹车单元(23)相连，所述刹车单元(23)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机轴通过紧定螺钉与同步带传动机构(11)相连，所述同步带传动机构(11)配有张紧装置，所述张紧装置通过轴、紧定螺钉和连接件与基座(21)相连，所述同步带传动机构(11)通过减速机输入法兰与减速单元(5)相连，所述减速单元(5)通过螺栓与基座(21)相连，所述减速单元(5)通过减速机输出法兰、紧定螺钉、键与平行四边形1杆件(19)相连，所述平行四边形1杆件(19)上装有光电开关挡钮(17)，所述限位开关(12)通过螺栓与基座(21)相连，所述基座(21)通过螺栓与加强筋(25)相连，所述加强筋(25)通过螺栓与承载板(14)相连；
所述旋转关节模块包括电机驱动单元(4)、刹车转子毂(28)、电机前端法兰(27)、减速机法兰(29)、减速单元(5)、减速机输出法兰(30)、传动齿轮(13)、承载板(14)、轨道滚轮(15)、润滑装置(2)、电机控制单元(10)、电机控制单元安装板(26)、圆周导轨(3)和支撑底座(1)；所述旋转关节模块电机驱动单元(4)通过紧定螺钉与电机轴相连，所述电机驱动单元(4)通过螺栓与电机前端法兰(27)连接，所述电机前端法兰(27)通过螺栓与减速机法兰(29)相连，所述减速机法兰(29)通过螺栓与减速单元(5)相连，所述电机轴通过紧定螺钉、刹车转子毂(28)与刹车单元(23)相连，所述电机轴通过螺栓、轴承与减速单元(5)相连，所述减速单元(5)通过螺栓与承载板(14)相连，所述减速单元(5)通过螺栓与减速机输出法兰(30)相连，所述减速机输出法兰(30)通过键、紧定螺钉与传动齿轮(13)相连，所述传动齿轮(13)通过与圆周导轨(3)啮合进而运动，所述圆周导轨(3)通过螺钉安装到支撑底座(1)上，所述承载板(14)通过电机控制单元安装板(26)、螺栓与电机控制单元(10)相连，所述承载板(14)通过螺柱、螺帽与轨道滚轮(15)相连；
所述喷头关节模块通过两个平行四边形2杆件(20)与肘关节模块相连，所述肘关节模块通过三个平行四边形1杆件(19)与基座关节相连，所述基座关节通过连接件与承载板(14)相连，所述承载板(14)通过轨道滚轮(15)与圆周导轨(3)相连，所述电机控制单元(10)通过安装板(26)与承载板(14)相连。
2.根据权利要求1所述的一种多臂协作式生物三维打印装置，其特征在于：协作式生物三维打印装置机械臂由双平行四边形串联机构组成，所述双平行四边形串联机构由平行四边形1的三个杆件(19)和平行四边形2的两个杆件(20)组成，协作式立体定向打印机械臂有三种组合方式以实现物体的打印，所述组合方式一：一个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式二：两个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨，所述组合方式三：三个定向打印机械臂外加载物平台及圆周导轨。
3.根据权利要求1所述的一种多臂协作式生物三维打印装置，其特征在于：协作式生物三维打印装置机械臂之间协同工作，共同打印一件物品，载物平台(16)为Stewart平台。
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