CN112706405B - 自由曲面涂层的3d打印方法及3d打印装置、3d打印设备 - Google Patents

自由曲面涂层的3d打印方法及3d打印装置、3d打印设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自由曲面涂层的3D打印方法及3D打印装置、3D打印设备，属于3D打印技术领域，能够解决现有3D打印方法在进行3D模型重构时计算量大，算法复杂、且难以完成对空间自由度要求较高的曲面的3D打印的问题。所述方法包括：获取自由曲面的点云数据；根据点云数据重构自由曲面的三维点云模型；获取三维点云模型中每个点的法向量；根据每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。本发明用于3D打印。

Description

自由曲面涂层的3D打印方法及3D打印装置、3D打印设备
技术领域
本发明涉及一种自由曲面涂层的3D打印方法及3D打印装置、3D打印设备，属于3D打印技术领域。
背景技术
传统的3D打印都是增材成型，即通过对模型切片一层层堆叠起来，每一层只能进行平面运动，同时打印喷头的姿态不可调节，加工自由度较低，容易出现台阶效应，对于空间自由曲面的喷墨打印等操作无法胜任。而随着3D生物打印的发展及应用的普及，骨骼、肝脏、皮肤等人体器官的构建已经通过专用3D打印机实现。由于人体部位的三维模型构造复杂，诸如曲面打印或者涂层等操作需要空间更多自由度的支持，因此传统的平面堆叠打印方式已经难以满足今后3D生物打印的要求。随着机器人技术的广泛应用，机器人应用于喷涂、打磨等空间自由曲面的场景越来越多，其性能完全满足3D曲面打印的发展趋势。
使用机器人进行3D打印的关键环节在于打印路径的规划，而打印路径的规划取决于三维模型的数据处理，即空间曲面模型的数据处理。基于三维模型规划机器人路径的方法目前主要为两种:一种是基于stl或点云等离散点特征的切片求交法获得机器人工具轨迹；另一种是先通过UG等三维软件CAM加工功能得到刀具加工代码，再通过计算得到机器人工具轨迹。现有方法在进行3D模型重构时计算量大，算法复杂，并且现有打印设备只能实现4个自由度上的操作，难以完成对空间自由度要求较高的曲面的3D打印。
发明内容
本发明提供了一种自由曲面涂层的3D打印方法及3D打印装置、3D打印设备，能够解决现有3D打印方法在进行3D模型重构时计算量大，算法复杂、且难以完成对空间自由度要求较高的曲面的3D打印的问题。
本发明提供了一种自由曲面涂层的3D打印方法，所述方法包括：获取自由曲面的点云数据；根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；获取所述三维点云模型中每个点的法向量；根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
可选的，所述根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型具体包括：采用二维点拟合方法分别拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
可选的，所述获取所述三维点云模型中每个点的法向量具体包括：对所述三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片；计算每个所述三角面片顶点的法向量。
可选的，所述根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数具体包括：根据所述每个点的法向量计算其对应的欧拉角；根据所述每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；根据所述每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
可选的，在所述根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数之后，所述方法还包括：根据所述三维点云模型中每个点对应的机械臂的位姿控制参数，生成所述自由曲面涂层的路径控制文件。
可选的，所述获取自由曲面的点云数据具体包括：利用线激光传感器获取自由曲面的点云数据。
可选的，所述二维点拟合方法为最小二乘法。
可选的，所述X轴横截面上的点云的拟合函数与所述Y轴横截面上的点云的拟合函数不同。
本发明另一实施例提供一种自由曲面涂层的3D打印装置，所述装置包括：第一获取模块，用于获取自由曲面的点云数据；重构模块，用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；第二获取模块，用于获取所述三维点云模型中每个点的法向量；第三获取模块，用于根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
可选的，所述重构模块具体用于：采用二维点拟合方法分别拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
可选的，所述第二获取模块具体用于：对所述三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片；计算每个所述三角面片顶点的法向量。
可选的，所述第三获取模块具体用于：根据所述每个点的法向量计算其对应的欧拉角；根据所述每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；根据所述每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
可选的，所述装置还包括：路径生成模块，用于根据所述三维点云模型中每个点对应的机械臂的位姿控制参数，生成所述自由曲面涂层的路径控制文件。
本发明再一实施例提供一种自由曲面涂层的3D打印设备，所述设备包括：线激光传感器和处理器；所述线激光传感器用于获取自由曲面的点云数据；所述处理器用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；并获取所述三维点云模型中每个点的法向量；并根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
本发明能产生的有益效果包括：
1)本发明提供的自由曲面涂层的3D打印方法，通过获取自由曲面的点云数据，然后根据点云数据重构自由曲面的三维点云模型，并获取三维点云模型中每个点的法向量，最后根据每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数，最后生成3D打印的路径轨迹。由于利用机械臂实现3D打印能够进行自由曲面涂层等对空间自由度要求高的操作，因而克服了传统3D打印设备只有4个自由度的局限。同时，本发明对三维点云模型的处理简单，通用性强，精度高，这对后续机械臂末端轨迹规划提供了很大便利。
2)本发明提供的自由曲面涂层的3D打印方法，通过利用二维点拟合方法先后从X轴方向和Y轴方向拟合点云数据，来重构自由曲面的三维点云模型。相较于现有技术中直接利用三维曲面重建方法重建三维点云模型，本发明采用的二维点拟合方法算法简单，计算量小，且拟合精度更高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自由曲面涂层的3D打印方法流程图；
图2为本发明实施例提供的自由曲面模型图；
图3为本发明实施例提供的自由曲面的点云数据示意图；
图4为本发明实施例提供的原始点云模型和拟合后的点云模型对比图；
图5为本发明实施例提供的重构的自由曲面的三维点云模型图；
图6为本发明实施例提供的三角剖分及法向量结果示意图；
图7为本发明实施例提供的欧拉角计算示意图；
图8为本发明实施例提供的自由曲面涂层效果图；
图9为本发明实施例提供的自由曲面涂层的3D打印装置框图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明提供了一种自由曲面涂层的3D打印方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101、获取自由曲面的点云数据。
在实际应用中，可以利用线激光扫描仪获取自由曲面的点云数据。
步骤102、根据点云数据重构自由曲面的三维点云模型。
具体的，可以采用二维点拟合方法拟合点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；然后再采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的自由曲面的三维点云模型。
步骤103、获取三维点云模型中每个点的法向量。
具体的，可以对三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片，然后计算每个三角面片顶点的法向量，作为三维点云模型中对应点的法向量。
步骤104、根据每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
具体的，可以首先根据每个点的法向量计算其对应的欧拉角，然后根据每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；接着根据每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
本发明提供的自由曲面涂层的3D打印方法，通过获取自由曲面的点云数据，然后根据点云数据重构自由曲面的三维点云模型，并获取三维点云模型中每个点的法向量，最后根据每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数，最后生成3D打印的路径轨迹。由于利用机械臂实现3D打印能够进行自由曲面涂层等对空间自由度要求高的操作，因而克服了传统3D打印设备只有4个自由度的局限。同时，本发明对三维点云模型的处理简单，通用性强，精度高，这对后续机械臂末端轨迹规划提供了很大便利。
进一步的，参考图1所示，在根据每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数之后，所述方法还包括：
步骤105、根据三维点云模型中每个点对应的机械臂的位姿控制参数，生成自由曲面涂层的路径控制文件。
以图2的曲面模型来说明自由曲面涂层的数据处理过程。利用线激光传感器扫描得到的点云如图3所示，可以看到扫描得到的点云在曲面高度方向出现断层，对于曲面喷涂精度有较大影响，因此需根据误差情况对曲面点云进行重构。
考虑到打印的间隔和精度等因素，设置传感器X轴点云的扫描间隔为0.3mm，Y轴的扫描间隔为1mm。为了简化重构算法，可以用二维点拟合代替三维曲面重建。具体的，先拟合点云模型X轴的横截面，再拟合Y轴横截面，拟合方法为最小二乘法。每组点拟合后合并成新的三维模型。各点集的拟合函数可以相同，也可以不同；当模型曲面比较复杂时，各点集的拟合函数可以不同，这样可以保证最终生成的曲面模型具有更高的精度。以一组点集为例进行图形展示，采用2次函数拟合的结果最接近原始模型，如图4所示，*表示原始点，·表示2次函数拟合结果，o点表示4次函数拟合结果。原始点云模型与拟合后的点云模型如图5所示，拟合后消除了台阶效应误差。
接下来需计算点云模型中每个点的法向量，作为机械臂喷涂到该点时的姿态控制参数。采用三角剖分法进行曲面重建，通过临近点计算向量并叉乘获取该点的法向量。计算结果如图6所示。
在得到每个点的法向量后，需根据每个点的法向量和每个点的位置参数计算UR3机械臂的位姿控制参数。其计算过程为先根据空间法向量计算其对应的Euler(欧拉)角(roll,pitch,yaw)，再转换为控制机械臂姿态的旋转向量Rx,Ry,Rz。结合路径点的控制位置x,y,z，即可获得机械臂的6维控制向量(x,y,z,Rx,Ry,Rz)。
以空间法向量[1 2 3]为例说明姿态控制参数计算过程，如图7所示。当姿态参量为[0 0 0]时，UR3末端姿态为向量[0 0 1]，当以XYZ固定坐标系描述欧拉角时，向量[1 23]的roll角为向量[0 2 3]与向量[0 0 1]的夹角0.588(以弧度表示)，方向为负；其pitch角为向量[1 0 3]与向量[0 0 1]的夹角0.322，方向为正；而其yaw角为0。
已知Euler角γ,β,α，则旋转矩阵为：
Figure BDA0002281344280000061
根据旋转矩阵计算欧拉参数的等效角θ和等效轴kx,ky,kz：
Figure BDA0002281344280000071
Figure BDA0002281344280000072
Figure BDA0002281344280000073
Figure BDA0002281344280000074
Figure BDA0002281344280000075
则其旋转向量为：
[Rx Ry Rz]T＝[kxθ kyθ kzθ]T
对于空间法向量[1 2 3]，其γ＝0.588,β＝0.322,α＝0，则：
[Rx Ry Rz]T＝[-0.5829 0.3124 0.0946]T
根据以上计算过程，即可获得自由曲面所有路径点6维的位姿控制参数，从而实现UR3打印控制。以图2的模型进行自由曲面涂层，采用Z字型路径，涂层效果如图8所示。
本发明提供的自由曲面涂层的3D打印方法，通过利用二维点拟合方法先后从X轴方向和Y轴方向拟合点云数据，来重构自由曲面的三维点云模型。相较于现有技术中直接利用三维曲面重建方法重建三维点云模型，本发明采用的二维点拟合方法算法简单，计算量小，且拟合精度更高。
本发明另一实施例提供一种自由曲面涂层的3D打印装置，如图9所示，所述装置包括：
第一获取模块901，用于获取自由曲面的点云数据；
重构模块902，用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；
第二获取模块903，用于获取所述三维点云模型中每个点的法向量；
第三获取模块904，用于根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
可选的，重构模块902具体用于：采用二维点拟合方法分别拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
可选的，第二获取模块903具体用于：对所述三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片；计算每个所述三角面片顶点的法向量。
可选的，第三获取模块904具体用于：根据所述每个点的法向量计算其对应的欧拉角；根据所述每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；根据所述每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
可选的，所述装置还包括：路径生成模块905，用于根据所述三维点云模型中每个点对应的机械臂的位姿控制参数，生成所述自由曲面涂层的路径控制文件。
本发明实施例还提供一种自由曲面涂层的3D打印设备，所述设备包括：线激光传感器和处理器；所述线激光传感器用于获取自由曲面的点云数据；所述处理器用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；并获取所述三维点云模型中每个点的法向量；并根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数。
本发明实施例还提供一种3D打印系统，其中的打印执行机构为末端加装针管的UR3机械臂，打印时通过加压挤出材料实现喷墨打印。打印的材料位于四轴平台上，可移动的四轴平台能够保证打印时机械臂不会处于奇点位置，从而实现较好的打印效果。本发明可以以羟基磷灰石为材料实现生物材料的3D打印，特别是能够在人工骨等自由曲面模型上进行羟基磷灰石的涂层。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种自由曲面涂层的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：
获取自由曲面的点云数据；
根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；
获取所述三维点云模型中每个点的法向量；
根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数；
所述根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型具体包括：
用二维点拟合代替三维曲面重建，拟合方法为最小二乘法；先采用二维点拟合方法拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；
再采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述获取所述三维点云模型中每个点的法向量具体包括：
对所述三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片；
计算每个所述三角面片顶点的法向量。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数具体包括：
根据所述每个点的法向量计算其对应的欧拉角；
根据所述每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；
根据所述每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在所述根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数之后，所述方法还包括：
根据所述三维点云模型中每个点对应的机械臂的位姿控制参数，生成所述自由曲面涂层的路径控制文件。
5.一种自由曲面涂层的3D打印装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取自由曲面的点云数据；
重构模块，用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；
第二获取模块，用于获取所述三维点云模型中每个点的法向量；
第三获取模块，用于根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数；
所述重构模块具体用于：用二维点拟合代替三维曲面重建，拟合方法为最小二乘法；
重构模块先采用二维点拟合方法分别拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；
再采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，所述第二获取模块具体用于：
对所述三维点云模型进行三角剖分，形成多个三角面片；
计算每个所述三角面片顶点的法向量。
7.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，所述第三获取模块具体用于：
根据所述每个点的法向量计算其对应的欧拉角；
根据所述每个点的法向量对应的欧拉角计算每个点的旋转向量；
根据所述每个点的旋转向量和每个点的位置参数获得机械臂的位姿控制参数。
8.一种自由曲面涂层的3D打印设备，其特征在于，所述设备包括：线激光传感器和处理器；
所述线激光传感器用于获取自由曲面的点云数据；
所述处理器用于根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型；并获取所述三维点云模型中每个点的法向量；并根据所述每个点的法向量和每个点的位置参数获取机械臂的位姿控制参数；
所述根据所述点云数据重构所述自由曲面的三维点云模型具体包括：
用二维点拟合代替三维曲面重建，拟合方法为最小二乘法；
先采用二维点拟合方法拟合所述点云数据中X轴横截面上的点云，并将拟合后的X轴横截面上的点云合并；
再采用二维点拟合方法拟合合并后的点云数据中Y轴横截面上的点云，并将拟合后的Y轴横截面上的点云合并，形成重构后的所述自由曲面的三维点云模型。
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