一种现场3D打印装置及打印方法

一种现场3d打印装置及打印方法
技术领域
1.本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是指一种适用于骨修复内陷缺陷的现场3d打印装置及打印方法。


背景技术：

2.骨缺损是一种常见的骨科疾病，其引发原因多种多样，这就导致了骨缺损形状的大小和严重情况各不相同，复杂多变的病情使得临床治疗变得十分困难，并且临床治疗常常伴随着治疗周期长，手术创伤大，多种并发病等多种问题。在进行传统的修复手术时需要先对骨缺损的形状扫描，再通过专业的人员对获得的图像进行分析处理，进行建模。再建立了模型之后，也是在体外先制备人造骨，再由医生凭借自己的经验和对病人伤口形状的判断进行反复修剪，再修剪完成后再和病人进行匹配。整个过程繁琐，手术周期长，且由于需要太多的人力，无法保证其精度，常常会导致治疗效果不好，需要重新将上述流程进行一遍，既浪费了材料和时间，还会给病患带来二次创伤。


技术实现要素：

3.本发明根据现有技术的不足，提供了设计了一种现场3d打印装置及打印方法，能够做到对病患伤口进行在线扫描，利用包裹打印技术对骨缺损进行修复打印，过程简洁，不需要太多的人力，还能完成不规则内陷骨缺损的打印问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种现场3d打印装置，包括机架、三自由度运动平台、多自由度悬挂活动臂、挤出打印机构、扫描机构和手术床车，所述三自由度运动平台安装在机架顶部，所述多自由度悬挂活动臂安装三自由度运动平台上，所述挤出打印机构安装在多自由度悬挂活动臂上，所述扫描机构安装在机架中端，所述机架安装手术床车上。
6.作为优选，所述三自由度运动平台包括纵向直线电机模组、横向直线电机模组和短竖直向短直线模组，两个所述纵向直线电机模组平行设置在机架顶部，所述纵向直线电机模组上滑动安装有纵向滑块，所述横向直线电机模组两端固定两块纵向滑块上，所述横向直线电机模组上滑动安装有横向滑块，所述竖直向短直线模组固定安装在横向滑块上，所述竖直向短直线模组上滑动安装有竖直滑块，所述多自由度悬挂活动臂安装在竖直滑块上。
7.作为优选，所述纵向直线电机模组包括伺服电机、传动带和滑轨，所述纵向滑块可滑动安装在滑轨上，所述伺服电机设置在滑轨的一端，所述滑轨的另一端设置滚轴，所述传动带绕接在伺服电机的输出轴和辊轴上，所述传动带与纵向滑块固定连接，所述横向直线电机模组和短竖直向短直线模组结构与纵向直线电机模组相同。
8.作为优选，所述多自由度悬挂活动臂包括安装第一连杆、第一气缸、第二连杆、第二气缸和第三连杆，所述第一连杆的一端固定安装在竖直滑块上，所述第一连杆的另一端通过铰接件与第二连杆的顶端铰接，所述第一气缸的顶部固定连接至第一连杆的中间位
置，所述第一气缸的动力输出端通过铰接件铰接至第二连杆的中间位置，所述第三连杆的顶端与第二连杆底端，所述第二气缸的顶部固定安装在第二连杆上，所述第二气缸的动力输出端通过铰接件铰接至第三连杆，所述挤出打印机构安装在第三连杆的底端。
9.作为优选，所述扫描机构包括位置调节机构和图像采集单元，所述位置调节机构包括直线模组、第一电机、大齿轮、小齿轮、滚珠丝杆和丝杆螺母滑块，两个所述直线模组平行设置在机架的中部位置，所述直线模组的结构与纵向直线电机模组相同，所述直线模组上滑动连接有连接滑块，两块所述连接滑块的相对侧分别固定设置有第一连接板，两块所述第一连接板之间水平安装有固定长板，所述第一电机安装在固定长板的上表面，所述滚珠丝杆位于固定长板的下方，且滚珠丝杆的两端通过旋转轴承可转动连接至两块第一连接板，所述大齿轮固定设置在第一电机的输出端，所述小齿轮固定安装在滚珠丝杆上，所述大齿轮和小齿轮相互啮合，所述丝杆螺母滑块螺纹连接在滚珠丝杆上，所述图像采集单元安装在丝杆螺母滑块上。
10.作为优选，所述图像采集单元包括双目摄像机和光栅投影仪，所述双目摄像机安装在丝杆螺母滑块上，所述丝杆螺母滑块的侧壁设置有伸缩支架，所述光栅投影仪通过二自由度连接件安装在伸缩支架上，所述光栅投影仪与双目摄像机相配合。
11.作为优选，所述第三连杆的底端设置有万向连接件，所述挤出打印机构通过万向连接件安装至第三连杆的底端。
12.作为优选，所述万向连接件包括第二连接板、球面齿轮、安装座和驱动机构，所述第二连接板的一侧中心处固定连接至第三连杆的底端，两个所述安装座呈对称结构安装在第二连接板另一侧的中位置，所述球面齿轮安装在两个安装座之间，两个所述驱动机构呈对称结构设置在球面齿轮两侧，所述驱动机构包括固定在第二连接板上的电机安装板、箱体固定座，所述箱体固定座上安装有回转齿轮箱体，所述回转齿轮箱体内设置有传动机构，所述电机安装板上安装有第二电机，所述第二电机通过传动机构动力输出至球面齿轮，所述挤出打印机构固定设置在球面齿轮的表面。
13.作为优选，所述传动机构包括单极齿轮、过渡直齿轮、小直齿轮、第二锥齿轮、第一锥齿轮和回转轴承，所述第二锥齿轮固定安装在第二电机的输出端，所述第一锥齿轮通过连接轴安装在回转齿轮箱体的内壁，所述第一锥齿轮和第二锥齿轮相互啮合，所述小直齿轮与第一锥齿轮同轴设置，所述过渡齿轮通过连接轴可转动安装在回转齿轮箱体内，所述小直齿轮与过渡齿轮啮合，所述过渡齿轮通过回转轴承动力传动直单极齿轮，所述单极齿轮啮合至球面齿轮。
14.本发明还提供了一种现场3d打印方法，包括如下步骤：
15.1)目标骨缺损病人躺在上述手术床车上，扫描机构上的双目摄像机与光栅投影仪由直线电机模组与丝杠螺母滑块的驱动来达到病人骨缺损的位置上方，然后由二自由度连接件和伸缩装置完成对双目摄像机与光栅投影仪位姿的调整，使得双目成像区域和投影区域重合，确保扫描与成像完整，并通过双目立体视觉对骨缺损形状进行扫描，并将所获得的数据传输到计算机中进行3d建模，经过计算机对扫描数据的分析处理之后，建立骨缺损形状的三维模型；
16.2)将上述模型的实体数据，经过分层软件分层切片处理，形成相应代码输入到3d打印装置中，再由挤出打印装置实时打印；
17.3)由上述的三自由度运动平台通过三维运动带动多自由度悬挂活动臂来到病人骨缺损部分位置，接下来多自由度悬挂活动臂的三根连杆由两个气缸带动从而发生相对运动带动挤出打印装置达到更为准确合适的位姿，随后挤出打印装置开始工作，利用连接挤出打印装置的球面齿轮部分可根据自身能任意角度转动的功能来使得挤出打印装置可以在多个方向进行打印这一特点，完成对复杂的骨缺损形状的修复打印。
18.本发明具有以下的特点和有益效果：
19.本发明的内陷骨缺损修复的现场3d打印装置，通过球面齿轮关节带动挤出打印装置运动，可以实现打印针管根据实际打印需求改变方向，解决了传统打印的局限性，解决了无法在侧面孔洞类缺损进行打印的困难。
20.本发明方法简单，易于操作，成本低，整体结构采用双层复式结构，扫描模块和打印模块所处不同的运动平面，其各部分设备的移动均十分灵活。多自由度悬挂活动臂在其平面有足够的运动空间，不会与扫描模块的运动发生干涉，利用多自由度悬挂活动臂机构可以实现满足打印头任何空间移动的需求，又避免使用成本较高的六自由度机械臂也能达到相应的效果。
21.该装置应用至骨缺损修复手术中时，可根据现场状态，实时进行3d打印，不仅对于手术周期有所帮助，并且能够根据现场状况进行调整，进而有效提供手术的成功率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明的现场3d打印装置的结构示意图。
24.图2是本发明的三自由度运动平台的机构示意图。
25.图3是本发明的多自由度悬挂活动臂的机构示意图。
26.图4是本发明的扫描机构的机构示意图。
27.图5是图4的另一视角结构示意图。
28.图6是本发明的球面齿轮关节的结构示意图。
29.图7是本发明的挤出打印装置的结构示意图。
30.图8是本发明的现场打印方法流程示意图。
31.图9是本发明的现场3d打印装置的打印实例图。
32.图中：1-机架，2-三自由度运动平台，3-多自由度悬挂活动臂，4-扫描机构，5-挤出打印机构，6-手术床车，7-纵向直线电机模组，8-横向直线电机模组，9-竖直向短直线模组，10-第一连杆，11-第一气缸，12-第二连杆，13-第三连杆，14-第二气缸，15-第一电机，16-大齿轮，17-直线模组，18-第一连接板，19-固定长板，20-小齿轮，21-滚珠丝杠，22-丝杠螺母滑块，23-双目摄像机，24-光栅投影仪，25-二自由度连接件，26-伸缩支架，27-球面齿轮，28-单极齿轮，29-过渡直齿轮，30-小直齿轮，31-第二锥齿轮，32-第一锥齿轮，33-回转齿轮箱体，34-回转轴承，35-安装座，36-箱体固定座，37-电机安装板，38-第二电机，39-第二连接板，40-轻质连接件，41-贯穿电机，42-打印筒底盖，43-打印圆筒，44-第四锥齿轮，45-第
三锥齿轮，46小轴，47-第四连杆，48-第五连杆，49-活塞，50-打印喷头。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解-对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解-指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明提供了一种现场3d打印装置，如图1所示，包括机架1、三自由度运动平台2、多自由度悬挂活动臂3、挤出打印机构5、扫描机构4和手术床车6；所述的三自由度运动平台2安装在机架1的上端；所述的多自由度悬挂活动臂3安装在上述三自由度运动平台2上；挤出打印机构5安装在多自由度悬挂活动臂3上；扫描机构4安装在机架1中端；手术床车6固定在机架1底部。
37.上述技术方案中，能够够做到对病患伤口进行在线扫描，利用包裹打印技术对骨缺损的现场状况进行修复打印。
38.本发明的进一步设置，如图2所示，所述的三自由度运动平台2包括安装在机架两侧的纵向直线电机模组7，安装在所述纵向直线电机模组7之上的横向直线电机模组8，安装在所述横向直线电机模组8上的竖直向短直线模组9。两侧纵向直线电机模组7的伺服电机启动，将自身的旋转运动转换成直线运动来带动横向直线电机模组8完成纵向运动，同理，横向直线电机模组8带动竖直向短直线模组9完成横向运动，竖直向短直线模组9可带动安装在它之上的多自由度悬挂活动臂3完成竖直上下的运动。因此多自由度悬挂活动臂3可以完成简单的三维运动。
39.具体的，所述纵向直线电机模组包括伺服电机、传动带和滑轨，所述纵向滑块可滑动安装在滑轨上，所述伺服电机设置在滑轨的一端，所述滑轨的另一端设置滚轴，所述传动带绕接在伺服电机的输出轴和辊轴上，所述传动带与纵向滑块固定连接，所述横向直线电机模组和短竖直向短直线模组结构与纵向直线电机模组相同。
40.需要说明的是，本实施例中，其他结构实现将自身的旋转运动转换成直线运动均适用。
41.进一步的，如图3所示，所述多自由度悬挂活动臂3包括安装在上述三自由度运动
平台2的第一连杆10，安装在所述第一连杆10上的第一气缸11，与所述第一气缸11铰链连接的第二连杆12，安装所述在第二连杆12上的第二气缸14，与所述第二气缸14铰链连接的第三连杆13，安装在所述第三连杆13上的第二连接板18，安装在所述接板39上的安装座35，安装在所述安装座35上的球面齿轮27，与所述球面齿轮27啮合的单级齿轮28，与所述单极齿轮28啮合的过渡直齿轮29，与所述过渡直齿轮29啮合的小直齿轮30，与所述小直齿轮30同轴连接的锥齿轮一号32，与所述的锥齿轮一号32啮合的锥齿轮二号31，与所述锥齿轮二号31固定连接的回转齿轮箱体33，与所述回转齿轮箱体33通过回转轴承34相配合的箱体固定座36，安装在箱体安装座36上的电机安装板37，安装在电机安装板37上的电机38。
42.上述技术方案中，第一气缸11驱动可带动第二连杆12与第一连杆10发生相对运动实现弯曲，第二气缸14带动第三连杆13与第二连杆12发生相对运动完成弯曲，同时第三连杆13带动第二连接板18，第二连接板18带动安装座35，安装座35带动球面齿轮27完成在xoz平面的二维移动，电机38驱动锥齿轮二号31和回转齿轮箱体33同步转动，锥齿轮二号31带动锥齿轮一号32啮合传动，锥齿轮一号32带动小直齿轮30同轴传动，小直齿轮30带动过渡直齿轮29啮合传动，过渡直齿轮29带动单极齿轮28啮合传动，回转齿轮箱体33带动单极齿轮28同步转动，单极齿轮28带动球面齿轮27啮合传动与转动。
43.进一步的，如图7所示，所述的挤出打印机构5包括安装在球面齿轮27上的轻质连接件40，固定在所述轻质连接件40上的打印筒底盖42，安装在所述打印筒底盖42上的贯穿电机41，安装在所述贯穿电机41输出轴上的三号锥齿轮45，与所述三号锥齿轮45相啮合的四号锥齿轮44，固定在所述四号锥齿轮44中的小轴46，与所述小轴46连接的四号连杆47，与所述四号连杆47铰链连接的五号连杆48，与所述五号连杆48铰链的活塞49，与所述活塞49配合的挤出打印筒43，安装在所述挤出打印筒43上的喷头50。
44.贯穿电机41驱动三号锥齿轮45运作，三号锥齿轮45带动四号锥齿轮44和小轴46转动，小轴46带动四号连杆47做圆周运动，四号连杆47带动五号连杆48运动，五号连杆48带动活塞49做直线运动，活塞49将浆料从打印头50针管挤出打印。
45.本发明的进一步设置，如图4和图5所示，所述的扫描机构4包括安装在机架两侧的直线电机模组17，安装在所述直线电机模组17上的第一连接板18，安装在所述第一连接板18上的电机固定长板19，安装在所述电机固定长板19上的电机15，安装在所述电机15输出轴上的大直齿轮16，与所述大直齿轮16啮合的小直齿轮20，与小直齿轮20固定连接的滚珠丝杠21，与所述滚珠丝杠21配合的丝杠螺母滑块22，安装在所述丝杠螺母滑块22上的二自由度连接件25和伸缩装置26，安装在所述二自由度连接件25的双目摄像机23，安装在所述伸缩装置26上的光栅投影仪24。
46.两侧的直线电机模组17的伺服电机带动滚珠丝杠21和丝杠螺母滑块22做纵向移动，电机15驱动滚珠丝杠21转动，滚珠丝杠21带动丝杠螺母滑块22完成横向移动，丝杠螺母滑块22带动双目摄像机23与光栅投影仪24完成横向移动，伸缩装置26带动光栅投影仪24水平移动调整与双目摄像机23的水平距离，二自由度连接件25可以带动双目摄像机23与光栅投影仪24完成二自由度的空间偏转来调整扫描与投影范围重合和扫描死角。
47.上述技术方案中，首先由机架中端的扫描机构4通过直线电机与滚珠丝杠滑块22来带动双目摄像机23与光栅投影仪24移至病患的骨缺损部位，再由二自由度连接件25和伸缩装置26完成对双目摄像机23与光栅投影仪24的位置角度的排布，使得双目成像区域和投
影区域重合，再通过双目立体视觉对骨缺损形状进行扫描，并建模。所得数据通过计算机处理切片将信息传入多自由度悬挂活动臂3，同时多自由度悬挂活动臂3由三自由度运动平台2同样移至病患骨缺损部位上方，随后多自由度悬挂活动臂3通过球面齿轮关节带动挤出打印装置5根据扫描的数据调整到可精确打印的位置，最后挤出打印装置5开始工作，同时多自由度悬挂活动臂3实时配合挤出打印装置5的工作直至打印完成。
48.本发明提供了一种适用于内陷骨缺损修复的现场3d打印方法，采用现场3d打印装置，如图8所示，包括以下步骤：
49.1)目标骨缺损病人躺在上述手术床车6上，扫描机构4上的双目摄像机23与光栅投影仪24由直线电机模组17与丝杠螺母滑块22的二维平面运动至病人骨缺损的位置上方，然后由二自由度连接件25和伸缩装置26的空间转动来完成对双目摄像机23与光栅投影仪24位姿的精确调整，使得双目成像区域和投影区域重合，再通过双目立体视觉对骨缺损形状进行扫描，并将所获得的数据传输到计算机中进行3d建模，经过计算机对扫描数据的分析处理之后，建立骨缺损形状的三维模型；
50.2)三自由度运动平台2通过xyz轴运动带动多自由度悬挂活动臂3来到目标骨缺损上方，将扫描机构4建立好的骨缺损形状的三维模型数据传入分层软件中进行分层切片处理，并形成相应代码输入打印装置中；
51.3)多自由度悬挂活动臂3根据代码开始工作：首先根据缺陷位置和模型高度，通过由气缸带动的三个连杆的转动来精确调整出初始打印高度，再由多自由度悬挂活动臂3末端的球面齿轮关节工作，带动挤出打印装置5转动调整到垂直打印姿态，然后开始按照三维模型数据开始打印，先常规打印，当遇到内陷缺陷时，挤出打印机构会由球面关节带动旋转调整到最佳打印姿态进行内缺陷的打印，当挤出打印针管50快要接触到缺陷上檐时，多自由度悬挂活动臂3依靠三自由度运动平台2向外位移出缺损空间，接着多自由度悬挂活动臂3末端的球面齿轮关节工作将挤出打印装置5旋转90度后成水平方向，然后气缸带动连杆转动使得挤出打印装置向上抬起至水平打印时所需高度，同时刚好处在之前打印的结构高一层的位置，随后三自由度运动平台2带动多自由度悬挂活动臂3带动挤出打印装置5的打印针管50缓慢移入缺损空间并在之前打印结构的基础上进行水平打印，将该内缺陷打印完再后续常规打印，直至打印完成。
52.步骤3)中，所述浆料为可以挤出成型的生物墨水，比如由聚乙烯醇和陶瓷粉末按比例混合而成的生物墨水，也可以是其他能够挤出成型的液体。
53.结合上述3d打印装置和打印方法，在实际应用中，给出一下实施例
54.实施例：
55.本实施例的生物材料的制备过程：要形成三维生物结构，可选择的材料有很多种，以聚乙烯醇和掺镁硅酸钙粉末混合形成的三维结构为例，配置6％(wt)的聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液(5.1g)和硅酸钙粉末(4g)均匀混合。
56.如图1-8所示，修复打印图9所示的骨内陷缺损情况，步骤如下：
57.步骤1、目标骨缺损病人躺在上述手术床车上，扫描机构上的双目摄像机与光栅投影仪由直线电机模组与丝杠螺母滑块的二维平面运动来达到病人骨缺损的位置上方，然后由二自由度连接件和伸缩装置的空间转动来完成对双目摄像机与光栅投影仪位姿的精确调整，使得双目成像区域和投影区域重合，再通过双目立体视觉对骨缺损形状进行扫描，并
将所获得的数据传输到计算机中进行3d建模，经过计算机对扫描数据的分析处理之后，建立骨缺损形状的三维模型，同时三自由度运动平台通过xyz轴运动带动多自由度悬挂活动臂来到目标骨缺损上方，将扫描机构建立好的骨缺损形状的三维模型数据传入分层软件中进行分层切片处理，并形成相应代码输入挤出打印装置中；
58.步骤2、多自由度悬挂活动臂根据代码开始工作：首先根据缺陷位置和模型高度，通过由气缸带动的三个连杆的转动来精确调整出初始打印高度，再由多自由度悬挂活动臂末端的球面齿轮关节工作，带动挤出打印装置转动调整到垂直打印姿态，然后开始按照三维模型数据所划分各个分块区域开始打印并完成初步分块打印一部分，如图9a所示；
59.步骤3、随后多自由度悬挂活动臂带动挤出打印装置移动到下一块分块区域处(壁面内凹陷)，球面齿轮带动挤出打印装置旋转一定角度来达到最佳打印姿态，然后继续挤出打印，如图9b所示；
60.步骤4、当缺陷剩余部分快与挤出打印装置快接触时，多自由度悬挂活动臂带动挤出打印装置向外移出指定距离，球面齿轮带动挤出打印装置旋转至水平位姿，随即开始该部分的打印工作，如图9c所示；
61.步骤5、然后多自由度悬挂活动臂带动挤出打印装置移动至下一区域，球面齿轮再次依据数据旋转一定角度使得挤出打印装置与打印区域垂直(最佳打印位置)，再次进行打印，如图9d所示，至此打印完毕，内陷骨缺损修复的现场3d打印装置各部分回到初始位置并停止工作。
62.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。