[發明專利]面向混凝土3D打印的空間路徑擬合方法及系統

有效

• 申請號: 202210057516.4
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114075810B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 姚曉飛;柏松林;田果;劉聲均;吳慶;王伯林;劉世龍
• 申請（專利權）人: 中交第一公路勘察設計研究院有限公司
• 主分類號: E01D21/00
• 分類號: E01D21/00;E01D2/04;E01D4/00;B33Y50/00;G06F17/10;E01D101/24
• 代理公司: 西安唐知知識產權代理事務所(普通合伙) 61284
• 代理人: 奇敏;馬睿

本發明涉及一種面向混凝土3D打印的空間路徑擬合方法及系統。目前鮮有專門針對混凝土3D打印的空間路徑規劃方法。本方法建立打印模型,建立世界坐標系；對打印模型進行切片分層，獲得各層模型路徑點序；提取切片模型的法向量Z，構建相鄰兩點的點間矢量，求解法向量Z和點間矢量所構建平面的法向量Y；構建包含法向量Y和點間矢量的基平面P；根據機器人工具端坐標確定歐拉旋轉矩陣T，對基平面P進行坐標變換，得到機器人工具端坐標系下的空間路徑點序；基于空間路徑點序的坐標信息控制打印頭姿態。該方案根據混凝土模型的特點進行空間分層，提升打印任意復雜的混凝土結構的能力，從而滿足了混凝土多自由度3D打印的靈活要求。

技術領域

本發明涉及混凝土3D打印的路徑數據處理方法，具體涉及一種面向混凝土3D打印的空間路徑擬合方法及系統。

背景技術

3D打印技術作為最核心的數字建造技術，廣泛應用于航天、醫療等領域，目前已逐步趨向于成熟，但在土木工程智能建造領域，3D打印技術仍處于起步階段。目前混凝土3D打印基本采用三自由度方式進行運動，多數應用桁架式打印機在二維平面堆積成型，該方法基于平面分層進而在二維平面進行路徑規劃，無法實現打印頭位姿的實時控制。在當前技術中，缺少混凝土多自由度打印的控制方法，尤其對于空間曲面的分層和空間內非平面的路徑生成尚無方法，不能實現任意復雜的混凝土結構多自由度靈活打印。

此外，雖然在航天、醫療領域已實現多自由度3D打印，各類切片軟件包含豐富的路徑規劃算法。然而目前市場尚未缺少專門針對混凝土3D打印的空間路徑規劃方法，無法根據混凝土打印模型的特點進行空間路徑擬合，進而實現模型分層方向和打印頭路徑走向的最優化。

發明內容

本發明的目的是提供一種面向混凝土3D打印的空間路徑擬合方法及系統，以至少解決混凝土3D打印中模型分層方向和打印頭路徑走向的最優化問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

面向混凝土3D打印的空間路徑擬合方法，所述方法包括：

建立打印模型, 以打印機器人底座為原點建立世界坐標系；

對打印模型進行切片分層，得到多層切片模型，獲得各層切片模型的模型路徑點序；

提取各層切片模型的法向量Z，基于模型路徑點序構建相鄰兩點的點間矢量，求解法向量Z和點間矢量所構建平面的法向量Y；以模型路徑點序為原點，構建包含法向量Y和點間矢量的基平面P；

根據機器人工具端坐標確定歐拉旋轉矩陣T，通過歐拉旋轉矩陣T對基平面P進行坐標變換，得到機器人工具端坐標系下的空間路徑點序；

基于空間路徑點序的坐標信息控制打印頭姿態。

進一步地，對打印模型進行切片分層，得到多層切片模型，獲得各層切片模型的模型路徑點序包括：

選擇切片模型的基準線；

將基準線以固定長度進行等分，分別在等分點處建立切片平面；

基于切片平面對打印模型進行切分，得到打印模型的空間路徑；

提取空間路徑的關鍵點序，獲得各層切片模型的模型路徑點序P₁,P₂，…,P_n，n≥3。

進一步地，提取各層切片模型的法向量Z，基于模型路徑點序構建相鄰兩點的點間矢量，求解法向量Z和點間矢量所構建平面的法向量Y；以模型路徑點序為原點，構建包含法向量Y和點間矢量的基平面P包括：

提取各層切片模型的法向量Z；