可自由移動的3d打印機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明同時涉及3D打印機技術領域與移動機器人技術領域，特別涉及一種可自由移動的3D打印機器人。
【背景技術】
[0002]3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術，即快速成形技術的一種機器，它是一種數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層一層的粘合材料來制造三維的物體。現階段三維打印機被用來制造產品，逐層打印的方式來構造物體的技術。
[0003]由于3D打印技術可用于珠寶，鞋類，工業設計，建筑，工程和施工(AEC)，汽車，航空航天，牙科和醫療產業，教育，地理信息系統，土木工程，和許多其他領域。常常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型或者用于一些產品的直接制造，因此該技術正在21世紀初全行業迅速普及。小到打印出食物，人體器官，大到打印出整幢建筑，是3D打印機未來的發展方向。
[0004]然而市面上各種型號款式的3D打印機主要面向的都是工業領域和個人消費領域，前者側重點在于打印零件的強度與精度，后者關注的是打印時間與價格，無論側重點如何變化，打印機的基本形態都是三維空間運動機構(例如三維笛卡爾直線運動機構，參考專利[201410083017.8]，再例如三維delta并聯運動機構，參考專利[201320614957.6]和[201310246765.9])，末端固定有三維打印頭，通過數字模型文件驅動三維空間運動機構運動到指定位置，運用粉末材料粘合或塑料材料融化，通過逐層累加的方式來構造三維物體的。這種方法的一個巨大缺陷是所打印物體理論上的最大尺寸不大于三維空間運動機構的運動空間尺寸，這對于未來打印例如房屋建筑墻壁等大型物體非常不利，因為制造出大于房屋的3D打印機無論從成本上還是打印時間，代價都是非常昂貴的，然而制造大尺寸的3D打印機等快速成型裝置一直是科學界的目標，其中華中科技大學研制的基于粉末床的激光燒結“立體打印”技術，獲得了 2011年國家技術發明獎二等獎，這一具有1.2mX1.2m工作面的世界最大“立體打印機”，入選了兩院院士評選的2011年中國十大科技進展。(參考文獻[I]朱建華，王瀟瀟，葉群.兩院院士評出中國十大科技進展武漢造世界最大“3D打印機，，入選[N].長江日報，2012-01-18.)
綜上所述，如果能有一種新型的常規大小的3D打印機可以突破打印最大尺寸限制，勢必能為3D打印機擴展應用，能為3D打印市場帶來新的商機。
[0005]全方位移動機器人，在平面上能實現三自由度全方位運動的機器人，這種全向運動特性使得全方位運動機構在各行業中有著廣泛的應用前景，已經成為機器人研究領域的一個重要分支，得到越來越多的關注。
[0006]目前已有相關專利對全方位移動機器人有所涉及，例如，專利[201010172301.4]提供了一種全方位移動載人智能機器人及其運行方法，機器人中心對稱布置了斜向45度的4個全向輪，通過控制4個全向輪實現機器人的全方位運動，再例如，專利[200710071084.8]提出了一種全方位自主移動機器人，由四輪車體、兩套機構相同的絲杠滑塊機構、三組傳動齒輪組和四組結構相同的車輪轉向連桿系組成。通過齒輪嚙合的切換，可以改變移動機器人的運動方式，從而實現全方位移動。
[0007]盡管上述專利在機器人領域已被接受，甚至有些已有相關的產品出現，然而用于實現3D打印的全方位移動機器人還沒有類似的概念出現。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于解決現有的3D打印機打印尺寸限制，即所打印物體理論上的最大尺寸不大于3D打印機三維空間運動機構的運動空間尺寸，提供一種可自由移動的常規大小的3D打印機器人，實現大尺寸長條形物體，例如房屋墻壁等的3D打印，并且實現打印效率高、成本低，能多機協調工作的優點。
[0009]為達到上述發明目的，本發明采用下述技術方案:
一種可自由移動的3D打印機器人，包括全方位移動平臺機構、Z軸升降機構、3D打印機構和反饋/通信/控制電路，
其特征在于:所述全方位移動平臺機構上固定連接Z軸升降機構，Z軸升降機構上固定連接3D打印機構，所述全方位移動平臺機構上同時安裝有反饋/通信/控制電路；
1)所述全方位移動平臺機構包括移動平臺基座、運動電機、運動輪，運動電機安裝在移動平臺基座上而輸出端連接有運動輪構成輪運動機構；
2)所述Z軸升降機構包括升降電機、升降移動副動端、升降移動副定端、打印頭動支架，升降移動副定端固定在全方位移動平臺機構的移動平臺基座上，升降移動副動端與升降移動副定端匹配并能通過升降電機驅動而產生Z方向直線運動，升降移動副動端上固定有打印頭動支架；
3)所述3D打印機構包括連接臂、送料電機、加熱腔、擠出頭、打印材料，連接臂固定于Z軸升降機構的打印頭動支架上，連接臂末端固定有送料電機和加熱腔，送料電機依次連接加熱腔和擠出頭，送料電機將打印材料送入加熱腔經過加熱融化后通過擠出頭擠出進行3D打印；
4 )所述反饋/通信/控制電路包括電源、定位傳感器電路、通信電路、控制電路，所述反饋/通信/控制電路安裝于全方位移動平臺的移動平臺基座上，所述電源為整臺設備提供電力，所述定位傳感器電路為能夠檢測全方位移動平臺機構水平面運動距離并為控制電路提供位置反饋，所述通信電路為多機協作控制提供通信，所述控制電路實現整臺設備的運動控制算法。
[0010]進一步地，所述全方位移動平臺機構為按照移動平臺基座中心對稱布置了相隔90度的4個全向驅動輪運動機構，或者呈矩形布置的4個能夠同時實現驅動和轉向的輪運動機構。
[0011]進一步地，所述Z軸升降機構為直線電機直線運動機構或者滾珠絲杠直線運動機構。
[0012]進一步地，所述3D打印機構為活塞針筒式擠出送料機構或者電機齒輪咬合送料機構。
[0013]進一步地，所述定位傳感器電路為發光二極管定位傳感器或者激光定位傳感器，或者定位傳感器電路安裝在3D打印機器人工作的天花板上，為攝像頭視覺傳感器。
[0014]相同的任意多臺3D打印機器人能夠通過反饋/通信/控制電路中的通信電路實現多機協作通信，共同打印大尺寸長條形，例如房屋墻壁等物體。
[0015]本發明的工作原理簡述如下:
首先通過軟件將待打印的物體數字模型文件經過分層離散，利用高靈活性，無運動范圍限制，可以XY運動以及繞Z軸旋轉的全方位移動平臺，帶動全方位移動平臺上的Z軸運動機構和打印頭進行3D打印，即通過數字模型文件驅動全方位移動平臺機構運動到指定位置，全方位運動平臺運動完整運動完當前層模型的所有平面空間，帶動打印頭打印當前模型層，然后Z軸運動機構運動豎直向上運動一個模型層距離后，打印機器人進入到下個模型層進行新一輪的層模型打印，最終運用粉末材料粘合或塑料材料融化，通過逐層累加的方式來構造三維物體。于此同時，可以利用打印機器人中的反饋/通信/控制電路，進行任意多臺打印機器人的協作通信，通過任務分解，共同實現大物體的打印目的。
[0016]本發明與現有3D打印機相比有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
本發明可自由移動的3D打印機器人結構緊湊，體積小，無傳統3D打印機的打印物體尺寸限制，運動靈活性高，打印速度快。同時實現了任意多臺打印機器人的協作通信，進一步增強了 3D打印效率。特別適合大距離長條形物體，例如建筑物墻壁的低成本、高效率打印。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明原理結構示意圖。
[0018]圖2是本發明一種全方位移動平臺結構示意圖。
[0019]圖3是本發明另一種全方位移動平臺結構示意圖。
[0020]圖4是本發明一種Z軸升降機構結構示意圖。
[0021]圖5是本發明另一種Z軸升降機構結構示意圖。
[0022]圖6是本發明一種3D打印機構結構示意圖。
[0023]圖7是本發明另一種3D打印機構結構示意圖。
[0024]圖8是本發明一種多機通訊協作示意圖。
[0025]圖9是本發明另一種多機通訊協作示意圖。
[0026]圖10是本發明反饋/通信/控制電路原理圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明及其實施例作進一步說明。
[0028]實施例一
參見圖1和圖10，一種能自由移動的3D打印機器人，包括全方位移動平臺機構100、Z軸升降機構200、3D打印機構300、反饋/通信/控制電路400，全方位移動平臺機構100上固定連接Z軸升降機構200，Z軸升降機構200上固定連接3D打印機構300，同時全方位移動平臺機構100上同時安裝有反饋/通信/控制電路400 ；
全方位移動平臺機構100包括移動平臺基座111、運動電機112、運動輪113，運動電機112安裝在移動平臺基座111上而輸出端連接有運動輪113構成輪運動機構。
[0029]Z軸升降機構200包括升降電機211、升降移動副動端212、升降移動副定端213、打印頭動支架214，升降移動副定端213固定在全方位移動平臺機構100的移動平臺基座111上，升降移動副動端212與升降移動副定端213匹配并能通過升降電機211驅動而產生Z方向直線運動，升降移動副動端212上固定有打印頭動支架214。
[0030]3D打印機構300包括連接臂311、送