CN114701039A - 一种增强现实辅助下的画笔式3d打印方法和系统 - Google Patents
一种增强现实辅助下的画笔式3d打印方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法和系统，属于3D打印技术领域，所述方法通过先利用手控器仿真平台对三维模型进行描摹获得完整打印三维模型后的预览路径；然后在现场打印过程中，将包括预览路径的增强现实信息通过用户穿戴设备显示给现场操作人员，以使现场操作人员对现场手控器进行精准操作，进而将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。本发明提供的方法中操作人员根据在虚拟环境下的预览路径，在增强现实信息辅助下，实现自由曲面上的画笔式打印创作，对于自由曲面表面的打印及古建筑修复等具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法和系统。
背景技术
3D混凝土打印技术无需建筑模板，可打破传统建筑设计限制，且具有节约环保等优势。由于混凝土本身所具有的流动性，导致传统打印机程序控制下的打印质量难以把控，且在不规则曲面打印及古建筑修复中路径规划比较复杂，打印效果较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法和系统，其目的在于通过先利用手控器仿真平台对三维模型进行描摹获得完整打印三维模型时3D打印机模型打印的预览路径；然后在现场打印过程中，将包括预览路径的增强现实信息通过用户穿戴设备显示给现场操作人员，以使现场操作人员对现场手控器进行精准操作，进而将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印，由此解决在不规则面打印难度大且效果差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，包括：
S1：建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
S2：当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
S3：在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
S4：将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。
在其中一个实施例中，所述S1包括：
将所述维模型和所述3D打印机模型转化为预设文件格式，以使所述仿真平台能够识别，所述仿真场景用于为提供用户练习环境并最终获得打印所述三维模型的预览路径。
在其中一个实施例中，所述增强显示信息包括：所述预览路径、三维电子罗盘和虚拟尺。
在其中一个实施例中，所述预设映射关系用于表征所述手控器的位置移动量与所述3D打印机模型的控制指令之间的关系，所述预设映射关系为比例映射关系。
在其中一个实施例中，所述S3包括：采用自然特征跟踪注册方法跟踪所述现场3D打印机的当前位置，在所述用户穿戴设备上显示所述当前位置对应预览路径，从而辅助所述现场操作人员对现场手控器进行精准操控。
在其中一个实施例中，所述现场手控器为六自由度手控器，能够获取所述现场打印机和环境的相互作用力信息，以提升所述现场操作人员的力觉临场感。
一种增强现实辅助下的画笔式3D打印系统，包括：
虚拟仿真单元，用于建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
手控器驱动单元，用于当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
增强现实辅助单元，用于在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
打印机单元，用于将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。
一种古建筑修复方法，执行所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，在古建筑保留部分对应的不规则曲面上对古建筑缺失部分进行3D混凝土打印。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，操作人员根据在虚拟环境下的预览路径和打印经验，在增强现实信息辅助下，实现自由曲面(自由曲面指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面)上的画笔式打印创作，对于自由曲面表面的打印及古建筑修复等具有较好的应用前景。
2、本申请通过建立虚拟环境中重现一个仿真的打印场景，操作人员可在虚拟平台中进行打印练习。本申请虚拟平台具备打印示教的功能，操作人员在示教过程中可不断修正打印路径，同时在仿真界面中获取预期打印效果，完成符合预期的打印路径后将示教路径导入打印机进行打印。
3、本申请通过增强现实技术实现将数据和虚拟刻度直观的呈现在操作人员视野中，可以实现远距离观测，辅助操作人员完成精确实时打印任务。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法的环境应用图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，包括：
S1：建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
S2：当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
S3：在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
S4：将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。
图2是本发明一实施例提供的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法的环境应用图。本发明提供了一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，操作人员根据在虚拟环境下的预览路径和打印经验，在增强现实信息辅助下，实现自由曲面(自由曲面指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面)上的画笔式打印创作，对于自由曲面表面的打印及古建筑修复等具有较好的应用前景。
在其中一个实施例中，所述S1包括：
将所述维模型和所述3D打印机模型转化为预设文件格式，以使所述仿真平台能够识别，所述仿真场景用于为提供用户练习环境并最终获得打印所述三维模型的预览路径。
其中，步骤S1中当采用图形用户界面和图形库搭建交互是仿真场景。用户可在交互界面中3D打印的仿真动画，同时通过手控器实时操作仿真环境中的打印机进行练习。
具体的，执行现场打印操作前，将待打印机的三维模型及3D打印机模型文件进行处理，转化为iv文件，例如将待打印件的STL等中性文件进行转化成仿真平台能读取的iv文件，在仿真场景中进行布置，执行着色和渲染指令，从而生成虚拟仿真环境。其中，采用图形用户界面和图形库搭建交互是仿真场景，操作人员可通过手控器在虚拟场景中进行打印练习，在虚拟环境中可生成打印路径线条构成预期模型，操作人员可进行路径撤销或微调的工作，同时可以通过保存路径导入打印机实现示教功能。
举例来说，步骤S2中画笔驱动信号由用户端主机每隔100ms采集一次手控器的位置信息，通过比例映射的方法生成相对运动控制指令，再通过可靠网络发送到3D打印模型上，驱动3D打印模型喷嘴完成移动和混凝土材料进出的任务，最终获得打印所述三维模型的预览路径。
在其中一个实施例中，所述增强显示信息包括：所述预览路径、三维电子罗盘和虚拟尺。三维电子罗盘、虚拟尺分别为操作人员提供一个方向和位置的参考标准，多通道操作引导信息为操作人员切换操作模式等提供指引信息。另外，增强显示信息可以通过深度相机进行采集，可以包括：多角度下的预览路径。
在其中一个实施例中，所述预设映射关系用于表征所述手控器的位置移动量与所述3D打印机模型的控制指令之间的关系，所述预设映射关系为比例映射关系。
在其中一个实施例中，所述S3包括：采用自然特征跟踪注册方法跟踪所述现场3D打印机的当前位置，在所述用户穿戴设备上显示所述当前位置对应预览路径，从而辅助所述现场操作人员对现场手控器进行精准操控。
在其中一个实施例中，所述现场手控器为六自由度手控器，能够获取所述现场打印机和环境的相互作用力信息，以提升所述现场操作人员的力觉临场感。
具体的，操作人员可以将手控器运动信息传给现场的机械臂控制器，控制打印机运动。另一方面，该6自由度手控器带有六轴力反馈电机，可计算打印头与环境的相互作用力/力矩或虚拟仿真环境力/力矩信息反馈给施工人员，通过手控器的力反馈实现作用于施工人员手部，为其提供力觉临场感。
本发明提供一种增强现实辅助下的画笔式3D打印系统，包括：
虚拟仿真单元，用于建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
手控器驱动单元，用于当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
增强现实辅助单元，用于在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
打印机单元，用于将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。现场3D打印机搅拌并挤出混凝土、石膏等打印材料，实现增材制造任务。
一种古建筑修复方法，执行所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，在古建筑保留部分对应的不规则曲面上对古建筑缺失部分进行3D混凝土打印。
本领域的技术人员容易理解，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 (8)
1.一种增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，包括：
S1：建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
S2：当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
S3：在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
S4：将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。
2.如权利要求1所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，所述S1包括：
将所述维模型和所述3D打印机模型转化为预设文件格式，以使所述仿真平台能够识别，所述仿真场景用于为提供用户练习环境并最终获得打印所述三维模型的预览路径。
3.如权利要求1所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，所述增强显示信息包括：所述预览路径、三维电子罗盘和虚拟尺。
4.如权利要求1所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，所述预设映射关系用于表征所述手控器的位置移动量与所述3D打印机模型的控制指令之间的关系，所述预设映射关系为比例映射关系。
5.如权利要求1所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，所述S3包括：采用自然特征跟踪注册方法跟踪所述现场3D打印机的当前位置，在所述用户穿戴设备上显示所述当前位置对应预览路径，从而辅助所述现场操作人员对现场手控器进行精准操控。
6.如权利要求1所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，其特征在于，所述现场手控器为六自由度手控器，能够获取所述现场打印机和环境的相互作用力信息，以提升所述现场操作人员的力觉临场感。
7.一种增强现实辅助下的画笔式3D打印系统，其特征在于，包括：
虚拟仿真单元，用于建立画笔式打印的仿真场景，所述仿真场景包括：待打印的三维模型、3D打印机模型和仿真平台，所述仿真平台能够识别所述三维模型和所述3D打印机模型；
手控器驱动单元，用于当用户控制手控器在所述仿真平台上对所述三维模型进行仿真描绘时，每间隔预设时间采集所述手控器的当前位置移动量；基于预设映射关系和所述当前位置移动量获得所述3D打印机模型的当前控制指令，通过所述手控器完整绘制所述三维模型能够得到所述3D打印机模型打印所述三维模型的预览路径；
增强现实辅助单元，用于在现场打印过程中，利用用户穿戴设备显示包括所述预览路径的增强显示信息，所述增强显示信息用于辅助现场操作人员操控现场手控器移动；
打印机单元，用于将所述现场手控器的移动量映射至现场3D打印机，以使其挤出打印材料在不规则曲面上对所述三维模型进行打印。
8.一种古建筑修复方法，其特征在于，执行权利要求1-6任一项所述的增强现实辅助下的画笔式3D打印方法，在古建筑保留部分对应的不规则曲面上对古建筑缺失部分进行3D混凝土打印。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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