一种利用3D打印笔的智能3D打印机械臂的制作方法

本发明涉及3D打印领域。

背景技术：

3D打印，又称添加制造技术，是速成型技术的一种，它是一种以三维数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印技术的应用对象可以是任何行业，最早使用在模具制造、工业设计等领域。随着技术的不断发展，其应用领域不断扩展，在航空航天、军事、建筑、影视、家电、医学、考古、首饰等领域都有所应用。

笔，是人类的一项伟大发明，是供书写或绘画用的工具，多通过笔尖将带有颜色的固体或液体(墨水)在纸上或其他固体表面绘制文字、符号或图画，也有利用固体笔尖的硬度书写画图用铅笔和炭笔。

3D打印笔将3D打印技术与笔结合起来，它基于3D打印技术，利用PLA、ABS等塑料为原料，在笔内加热并挤出，然后在空气中迅速冷却，最后固化成稳定的实体。3D打印笔将笔的功能从二维扩展到三维，把人类的想象力从纸张解放到“空气”中，只要插上电就可以让用户进行天马行空的创作。

目前市面上的3D打印笔在创作一个作品后，无法进行作品批量生产，无法利用其他材料对作品进行完美重现；使用户在传播自己作品的过程中造成了一定的麻烦。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用3D打印笔的智能3D打印机械臂，可以让用户在完成一个作品后，对作品进行批量生产，或用其他材料对作品进行重现，实现用户传播自己作品的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用3D打印笔的智能3D打印机械臂，其特征在于，包括支座1、回转轴承2、侧面支板3、回转电机4、小臂主动件5、大臂6、小臂连杆7、小臂8、夹持手爪9、夹持手爪电机10、大/小臂电机(二者对称布置)11。

所述支座1支撑整个机械臂(6、7)，两块侧面支板3与回转电机4相连，支撑上部臂架，所述的回转电机4的转动可带动侧面支板3实现回转运动。两个侧面支板3通过螺钉与支座1相连，两个(大臂/小臂)电机11分别安装在侧面支板3上，二者对称布置，平衡两边的质量，增加支座1稳定性。

所述大臂电机11安装在侧面支板3上，大臂6的一端与大臂电机11轴端相连，另一端与小臂8相连。当大臂电机11回转时，所述的大臂6即可在大臂电机11的带动下实现回转运动，而大臂6另一端则可带动小臂8的相连端作相应运动，改变小臂8左端的空间位置。

所述小臂电机11安装在侧面支板3上，小臂主动件5连接在小臂电机11的轴端，小臂连杆7连接在小臂主动杆5的另一端，小臂连杆7的另一端连接小臂8一端。当小臂电机11回转时，所述的小臂主动件5构成一个曲柄，实现回转运动，从而带动小臂连杆7和小臂8右端作相应运动，而小臂8的左端由大臂6的右端带动运动，两者结合便实现了小臂8的平面运动。

所述夹持手爪电机10安装在小臂8的另外一端，而夹持手爪9通过腕部旋转连接件与夹持手爪电机10轴端相连，构成旋转副。相应地，夹持手爪电机10回转，带动所述夹持手爪装置9腕部转动。

所述的夹持装置9，包括：按键作用舵机91、腕部旋转连接件92、手爪连接销93、夹持手爪94、夹持弹簧95、舵机作用杆101、按键挡块102、挡块弹簧103。

所述夹持手爪装置9通过腕部旋转连接件92与夹持手爪电机11相连接，相应地实现整个夹持装置的腕部上下摆动。

所述夹持手爪94分为左右两个部分，并通过手爪连接销93连接在腕部旋转连接件92上；夹持弹簧95分别与夹持手爪94的左右两个部分相连。相应地，当3D打印笔被夹持在手爪中后，夹持弹簧95为拉弹簧，所述的夹持弹簧95便会对夹持手爪94的左右两个部分施加拉力。

所述按键作用舵机91安装在腕部旋转连接件92上，带动舵机作用杆101运动，当按键舵机91沿某一方向旋转一定角度时，所述的舵机作用杆101做直线运动，方向向后，撤销对于按键挡块102的压力，此时按键挡块102则被处于压缩状态的挡块弹簧103施加压力，向x正方向运动按压住3D打印笔的出丝按键(所述3D打印笔的出丝按键，图中未示意，属现有技术，非本发明技术方案的发明任务)，给3D打印笔的出丝按键施加压力。当按键舵机91沿反方向旋转一定角度时，所述的舵机作用杆101做直线运动，方向向前，通过楔面201给按键挡块102施加压力，此时这个压力在x反方向的分力压缩挡块弹簧103，于是按键挡块102随着挡块弹簧往x反方向缩回，按键挡块102与3D打印笔出丝按键脱离接触，撤销对3D打印笔出丝按键的压力。其中舵机作用杆101通过夹持手爪上的作用杆导向孔104导向的，实现前后的直线运动；而按键挡块102和挡块弹簧103安装在位于夹持手爪上的挡块导向槽105中，由挡块导向槽105导向实现在所述x方向上的小范围来回直线移动。

所述的舵机作用杆101与按键挡块102是通过一个楔面201相接触的，当不打印时，舵机作用杆101向前直线移动，其末端楔面形状与按键挡块楔面形状接触，构成楔面201，然后舵机作用杆101通过楔面201给按键挡块102施加一个垂直于楔面201的压力，而相应地该垂直于楔面的压力在所述x反方向上的分力施加给挡块弹簧103一个方向为x反方向的压力，使得对挡块弹簧103进行压缩，这样按键挡块102随着挡块弹簧103而向x反方向缩回移动，撤销对3D打印笔出丝按键的压力，3D打印笔的出丝按键弹出，出丝终止，打印工作暂停。而相应地，当进行打印时，舵机作用杆101向后直线移动，其末端楔面形状与按键挡块楔面形状脱离，撤销了通过楔面201施加给按键挡块102垂直于楔面201的压力，即此压力在所述x反方向上的分力消失，则按键挡块102被处于压缩状态的挡块弹簧103施加x方向上的压力，在挡块弹簧103施加的压力的作用下向x方向直线移出，从而按压住3D打印笔的出丝按键，给3D打印笔的出丝按键施加压力，使得3D打印笔的出丝按键缩回，出丝继续，打印进行，同时挡块弹簧103的压力是持续作用的，按键挡块102被动持续按压住3D打印笔的出丝按键，使得打印连续进行。

本发明提供的机械臂，结合了3D打印笔与智能机械臂的特点，机械臂端部装有夹持装置，可以夹持多种类型3D打印笔。机械臂端部装有空间位置传感器，可以在用户第一次手动移动机械臂进行创作时记录运动轨迹，而后通过控制处理部分，得到之后机械臂自动复制的运动控制方案，进而在用户创作结束后，机械臂在控制器的控制下可以对作品进行自动复制，或更换其他材料对作品进行重现。

整体机械结构简单易搭建；夹持装置利用弹簧锁扣，可以有效夹紧3D打印笔；采用高精度步进电机保证打印精度。

附图说明

图1为根据本发明的利用3D打印笔的智能3D打印机械臂的结构示意图。

图2为根据本发明的利用3D打印笔的智能3D打印机械臂的持装置立体图。

图3是图2在I-I处的剖图。

图4是图2在J-J处的剖图。

图5是根据本发明的利用3D打印笔的智能3D打印机械臂的运动简图。

1-支座，2-回转轴承，3-侧面支板，4-回转电机，5-小臂主动件，6-大臂，7-小臂连杆，8-小臂，9-夹持手爪装置，91-按键作用舵机，92-腕部旋转连接件，93-手爪连接销，94-夹持手爪，95-夹持弹簧；10-夹持手爪电机，11-大臂/小臂电机(二者对称布置)；101-舵机作用杆，102-按键挡块，103-挡块弹簧；201-楔面

具体实施方式

下面结合附图1,2,3,4,5对本发明的实施例进行详细的描述。

实施例1

一种利用3D打印笔的智能3D打印机械臂，如图1所示，包括支座1、回转轴承2、侧面支板3、回转电机4、小臂主动件5、大臂6、小臂连杆7、小臂8、夹持手爪9、夹持手爪电机10、大/小臂电机(二者对称布置)11。

所述支座1支撑整个机械臂(6、7)，两块侧面支板3与回转电机4相连，支撑上部臂架，所述的回转电机4的转动可带动侧面支板3实现回转运动。两个侧面支板3通过螺钉与支座1相连，两个(大臂/小臂)电机11分别安装在侧面支板3上，二者对称布置，平衡两边的质量，增加支座1稳定性。

所述大臂电机11安装在侧面支板3上，大臂6的一端与大臂电机11轴端相连，另一端与小臂8相连。当大臂电机11回转时，所述的大臂6即可在大臂电机11的带动下实现一定范围的回转运动，而大臂6另一端则可带动小臂8的相连端作相应运动，改变小臂8左端(以图1所示方向为准)的空间位置。

所述小臂电机11安装在侧面支板3上，小臂主动件5连接在小臂电机11的轴端，小臂连杆7连接在小臂主动杆5的另一端，小臂连杆7的另一端连接小臂8一端。当小臂电机11回转时，所述的小臂主动件5构成一个曲柄，实现回转运动，从而带动小臂连杆7和小臂8右端作相应运动，而小臂8的左端由大臂6的右端带动运动，两者结合便实现了小臂8的平面运动，使其位置改变灵活，运动轨迹增多。

所述夹持手爪电机10安装在小臂8的另外一端，而夹持手爪9通过腕部旋转连接件与夹持手爪电机10轴端相连，构成旋转副。相应地，夹持手爪电机10回转，带动所述夹持手爪装置9腕部转动。

图1中所述的夹持装置9，细节见图2、图3、图4所示,包括：按键作用舵机91、腕部旋转连接件92、手爪连接销93、夹持手爪94、夹持弹簧95、舵机作用杆101、按键挡块102、挡块弹簧103。

所述夹持手爪装置9通过腕部旋转连接件92与图1中的夹持手爪电机11相连接，相应地实现整个夹持装置的腕部上下摆动。

所述夹持手爪94分为左右两个部分，并通过手爪连接销93连接在腕部旋转连接件92上；夹持弹簧95分别与夹持手爪94的左右两个部分相连。相应地，当3D打印笔被夹持在手爪中后，夹持弹簧95为拉弹簧，所述的夹持弹簧95便会对夹持手爪94的左右两个部分施加拉力，于是3D打印笔便被很好的夹住了。

所述按键作用舵机91安装在腕部旋转连接件92上，带动舵机作用杆101运动，当按键舵机91沿某一方向旋转一定角度时，所述的舵机作用杆101做直线运动，方向向后，撤销对于按键挡块102的压力，此时按键挡块102则被处于压缩状态的挡块弹簧103施加压力，向x正方向运动按压住3D打印笔的出丝按键(图中未示意)，给3D打印笔的出丝按键施加压力。当按键舵机91沿反方向旋转一定角度时，所述的舵机作用杆101做直线运动，方向向前，通过楔面201给按键挡块102施加压力，此时这个压力在x反方向的分力压缩挡块弹簧103，于是按键挡块102随着挡块弹簧往x反方向缩回，按键挡块102与3D打印笔出丝按键脱离接触，撤销对3D打印笔出丝按键的压力。其中舵机作用杆101通过夹持手爪上的作用杆导向孔104导向的，实现前后的直线运动；而按键挡块102和挡块弹簧103安装在位于夹持手爪上的挡块导向槽105中，由挡块导向槽105导向实现在所述x方向上的小范围来回直线移动。

如图3中的I-I剖视图,是对夹持手爪94的右边夹持打印笔的部分进行左右剖分的视图；

而如图4所示的J-J剖视图，是对夹持手爪94的右边夹持打印笔的部分进行上下剖分的视图。

相应地，从图4所示的J-J剖视图中可以看出，所述的舵机作用杆101与按键挡块102是通过一个楔面201相接触的，当不打印时，舵机作用杆101向前直线移动，其末端楔面形状与按键挡块楔面形状接触，构成楔面201，然后舵机作用杆101通过楔面201给按键挡块102施加一个垂直于楔面201的压力，而相应地该垂直于楔面的压力在所述x反方向上的分力施加给挡块弹簧103一个方向为x反方向的压力，使得对挡块弹簧103进行压缩，这样按键挡块102随着挡块弹簧103而向x反方向缩回移动，撤销对3D打印笔出丝按键的压力，3D打印笔的出丝按键弹出，出丝终止，打印工作暂停。而相应地，当进行打印时，舵机作用杆101向后直线移动，其末端楔面形状与按键挡块楔面形状脱离，撤销了通过楔面201施加给按键挡块102垂直于楔面201的压力，即此压力在所述x反方向上的分力消失，则按键挡块102被处于压缩状态的挡块弹簧103施加x方向上的压力，在挡块弹簧103施加的压力的作用下向x方向直线移出，从而按压住3D打印笔的出丝按键，给3D打印笔的出丝按键施加压力，使得3D打印笔的出丝按键缩回，出丝继续，打印进行，同时挡块弹簧103的压力是持续作用的，按键挡块102被动持续按压住3D打印笔的出丝按键，使得打印连续进行。

基于以上结构设计，以下描述一种机械臂末端执行机构的空间坐标确定公式：

图5中展示了机械臂运动简图。支座与大臂电机的水平距离为L₀，垂直距离为L₁；大臂、小臂的臂长为L_２、L₃，给定支座、大臂、小臂的转角分别为θ₀、θ₁、θ₂。

以图中O点为坐标原点，用(x,y,z)坐标来描述机械臂末端执行机械的位置，确定末端执行机构的唯一位置：

x＝L₀sinθ₀+L₂sinθ₂sinθ₀+L₃sinθ₃sinθ₀

y＝L₀cosθ₀+L₂sinθ₂cosθ₀+L₃sinθ₃cosθ₀

z＝L₁+L₂cosθ₂+L₃cosθ₃

式中，通过x，y，z，可以确定末端执行机构的唯一位置。