[发明专利]基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质

说明书

本发明涉及一种基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法。通过将模型进行扁平化变形，使模型可以进行平面切片和路径填充，之后根据存储的变形场，即变形前后的点与点的映射关系，将平面路径反映射回原模型。根据打印路径为机械臂规划无碰撞的空间路径，同步机械臂系统与挤出机系统以配合进行打印任务。本发明还涉及一种相应的装置、处理器及其计算机可读存储介质，采用了本发明的该基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，能发挥多自由度设备的优势，与传统3D打印机打印出的物体相比，打印物体的表面质量有显著提升。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其是针对机器人与增材制造技术相结合的曲面路径规划方法，具体是指一种基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)，又称3D打印技术。相比与传统的减材制造，大大缩短了从概念设计到原型制造的时间。增材制造工艺允许直接从数字模型开始创建三维对象，数字模型一般是由计算机辅助设计(CAD)软件生成，并通过切片软件提供的算法进行预处理，该算法将数字模型分解成数量有限的薄片层，然后3D打印机将逐层创建对象。

传统的3D打印机大多数为三自由度，只允许打印头在平面上的平移运动，用于进行路径规划的切片软件只提供平面切片算法，这使得材料层叠在单一的轴上，在该建造方向上的机械性能明显降低，而在XY平面上也会存在各向异性的问题，这是因为材料在各层中路径的方向性导致的。同时由于每一层层厚有限，使用平面层逼近倾斜轮廓时，会产生明显的阶梯效应，表面光洁度较差。

因此具有多自由度的3D打印设备受到越来越广泛的关注。工业机器人已经在诸多领域获得了广泛应用，其不仅具有更高的自由度，操作灵活、适应性强的特点使得机器人能胜任各种生产任务。此外，由于AM材料的堆积依靠材料本身的化学和物理特性，通过熔融或固化成形，与切削加工相比对加工力的要求较低。因此将机械手臂的灵活性、适应性和可协作性与3D打印工艺结合，能够充分发挥AM中材料定制化的优势。

发明内容

本发明搭建了一个基于机械臂的3D打印平台，将定制的挤出机安装在机械臂末端，为了充分利用多轴设备的多自由度优势，提出了一种曲面路径规划方法，旨在提升打印物体的表面质量。

本发明的技术方案如下：一种基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法。首先，将打印模型进行适当的变形，将弯曲的模型进行扁平化变形，并存储模型的变形场；之后基于扁平化的网格模型进行切片、路径规划与填充；最后将生成的平面路径基于变形场通过逆映射转化为曲面路径。在本流程中主要分为三个部分：(1)网格扁平化变形；(2)连续路径规划；(3)曲面打印路径转化。之后，为机械臂规划相应的空间路径，通过点云法向量估计方法为每层路径上各点生成法向量，计算机械臂末端与法向量对齐的四元数，生成无碰撞的空间路径。在打印过程中，同步机械臂运动速度与挤出机挤出速度，使两套系统能良好配合完成打印任务。

该基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划装置，其主要特点是，所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被所述处理器执行时，实现上述所述的基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法的各个步骤。

该基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述所述的基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法的各个步骤。

该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述所述的基于机械臂3D打印平台的曲面路径规划方法的各个步骤。