行走式建筑3D打印机器人及其配套技术研发与应用...l 【焦点 l 机器人】

3D打印技术在机器人制造领域发挥着重要作用，它允许快速制造出复杂形状的部件，提高制造效率，降低成本，并且能够实现高度定制化，3D打印技术正在以革命性的方式重塑机器人制造流程，实现从定制化机器人零件和外壳到功能性机械系统的快速生产。

本期，通过节选近期国内其他科研机构在机器人增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

©3D科学谷白皮书

2014-2024

3D打印允许设计师和工程师创建复杂的几何形状，这些形状在传统制造技术中可能难以实现或成本过高。这对于人形机器人的关节、外部结构和定制部件尤其有价值。此外，3D打印可以在同一打印过程中集成电子元件和传感器，这为设计具有嵌入式智能的机器人部件提供了可能。”

3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

3D打印在机器人领域的多点研究进展：

行走式建筑3D打印机器人：这种机器人能够进行室外环境下的大尺度建筑3D打印，具有全向移动和垂直提升功能，解决了复杂工况下的打印难题。

六足仿生机器人：通过3D打印技术制造，采用圆形六足式布局和弹簧机械结构，减少了伺服系统的设计，提高了适应性。

四旋翼无人机底座：通过拓扑优化设计，实现了轻量化，提高了无人机的性能。

高楼玻璃幕墙清洁机器人：设计用于替代人工清洁，具有吸附、爬行和清洁功能，提高了清洁效率和安全性。

小型六轴机械臂：设计用于餐厅、医院等场景，具有高灵活性和定位精准性。

磁控软体机器人：利用3D打印技术制造，展示了在生物医疗等领域的应用潜力。

四足机器人腿部结构：通过拓扑优化设计，提升了机器人腿部结构的力学性能。

高压输电线路机器人：设计了防滑挂线轮毂的H型3D打印装置，提高了打印精度和速度。

介电弹性体驱动器的柔性机器人：研究了3D打印快速制作的介电弹性体驱动器，简化了制作过程，提高了制作效率。

仿人机械手臂：一体化结构设计，基于FOC控制算法进行控制，实现了基本功能需求。

Insights that make better life

行走式建筑3D打印机器人

及其配套技术研发与应用

葛杰;白洁;杨燕;韩立芳;黄青隆;连春明;冯俊;许国文;王彬楠;熊浩;贾红学;马俊;沈鹏;陆杨;李鑫

中国建筑第八工程局有限公司

建筑3D打印是当前土木工程领域的前沿技术之一。本项目基于前序课题研究成果,以实现“室外环境下机器人原址打印大尺度建筑”为目标,对行走式建筑3D打印技术开展攻关,取得以下创新成果：

1、研发了由六轴工业机械臂、麦克纳姆轮全向移动底盘、双激光定位导航系统、混合支撑系统、末端供料系统、远程操控器等组成的行走式建筑3D打印机器人(M3DP-Rob)。设备具有零转弯半径、全向移动和垂直提升功能,可在狭小空间范围内灵活作业、在已完成楼面标高继续打印上层建筑,解决了复杂工况下室外原址大尺度建筑3D打印的难题。

2、研发了室外“自生长施工环境”下的一体化导航定位控制技术及无接触式激光标定装置,开发了上位机一体化控制软件(ConRob3D建筑机器人),解决了室外时变环境下行走式建筑3D打印机器人打印过程中导航定位和实时标定的难题,实现了室外现场打印范围内机器人的全自动打印作业。

3、首次提出了包含竖向切片、截面设计、充盈值控制和路径规划等内容的建筑3D打印切片算法,并开发了配套的建筑3D打印切片软件,实现了对打印构件高度误差、线段交叉点表观质量的精确量化控制,减少了打印断点、提高了打印效率,为建筑3D打印机器人施工的规范化和标准化提供支撑。

4、开发了面向空间多尺度的行走式建筑3D打印成套施工工艺,建立了打印参数实时控制方法,实现了打印材料、机械和施工工艺的高效协同,提高了建筑3D打印材料的现场环境适应性和建筑3D打印技术的应用范围。

项目形成专利53项(发明41项),工法1项,论文6篇,授权软件著作权2项。经上海市土木工程学会鉴定,成果总体达到国际先进水平,其中建筑3D打印切片算法达到国际领先水平。目前,项目成果已在深圳市新华医院、上海市机场联络线等多个项目成功应用,节约异形复杂曲面构件加工成本约30～40%、缩短工期约40%～50%,成果合计带来新增产值3491.36万元,新增利润314.22万元,社会、经济和环保效益显著。

行走式建筑3D打印工艺打破了传统打印工艺对构件尺寸的限制,精简工序的同时提升打印质量,适用于各类构件的高精度打印,以及建筑小品或大型建筑物的现场打印。本项技术对于各类劳动力紧张、施工环境恶劣的工程项目,以及定制需求高、环保要求严的城市更新及乡村振兴项目具有广阔的应用前景。

基于EthernetKRL实时通讯的库卡机械臂

在线建筑3D打印控制研究与应用

叶华清1岳承涛1韩立芳2

1. 上海机器人产业技术研究院有限公司2. 中国建筑第八工程局有限公司

六足仿生机器人

结构设计及运动仿真

周梦、郝同鑫、闰文彬、代文杰、韩宁豪

信阳学院理工学院

摘要：

为降低六足机器人制造成本，提高六足机器人在不同环境下的适应性，设计一款新型腿部结构的六足机器人。该机器人使用SolidWorks软件设计结构，机械结构采用3D打印机打印制造，机器人采用圆形六足式布局，腿部关节处使用弹簧机械结构来减少伺服系统的设计，并搭配适用不同地形可拆卸的模块化足端，可以利用较少的伺服系统完成复杂的运动。

通过对机器人进行运动学分析，以3种步态为例分析了不同环境下不同步态的特点，以单腿为例建立坐标系，使用DH法对机器人腿部进行运动学分析，Adams仿真结果表明，机器人在84 mm/s的情况下运行时，机器人重心的变化在9 mm以内，满足设计要求。机器人样机进行了不同地形下运动实验，实验结果与仿真基本一致。仿真实验以及样机运动实验验证了这种新型腿部结构的稳定性与可靠性，说明这种腿部结构在保证稳定性的前提下能够代替同类机器人并降低伺服系统的使用，从而降低了六足机器人的生产成本。

面向增材制造技术的

四旋翼无人机底座拓扑优化设计

朱振国1杨海东2王正宗1

1. 安徽职业技术学院智能制造学院2. 合肥工业大学机械与汽车学院

摘要：

利用Inspire软件对四旋翼无人机底座进行拓扑优化和轻量化设计。首先根据逆向工程技术得到四旋翼无人机底座的三维模型，然后将三维模型导入到Inspire软件进行有限元分析和拓扑优化。结果显示：无人机底座优化前的质量为66.158 g（材料ABS），通过轻量化设计之后的质量为30.218 g，实现了54.32%的减重，同时，最大米塞斯等效应力为3.213MPa，最大位移为0.190 9 mm，最小安全系数为14，减重后的性能满足要求。最后利用3D打印方法将优化后的底座打印出来，并试验验证了拓扑优化方法的合理性和可行性。

高楼玻璃幕墙清洁机器人结构设计

侯贤州、庄梓嘉、卢桂芳、黄志维

广东科技学院机电工程学院

摘要：

针对高楼玻璃幕墙人工清洁作业所存在的安全风险高、劳动强度大、作业效率低等问题，设计了一种可替代人工作业的玻璃幕墙机器人。根据实际高楼玻璃幕墙清洁的需求，设计出能实现高楼玻璃幕墙清洁的机器人。运用SolidWorks对清洁机器人结构进行几何建模，运用有限元分析软件对机器人的运动方式进行分析优化，利用3D打印的技术打印出高空玻璃幕墙清洁机器人结构。选择STM32芯片对舵机、真空泵、清洁机构的控制，实现清洁机器人的爬行、吸附、清洁等功能。利用真空泵实现机器人吸附在非水平面上，利用舵机控制机器人的腿部关节移动，利用滚刷实现对幕墙的清洗。基于仿真与实物实验，计算清洁机器人能在高楼玻璃幕墙上行走所需的吸附力参数，并选用相应的真空泵；计算清洁机器人爬行所需的舵机转动角度；在满足清洁需求的情况下，对清洁机构进行优化。设计的清洁机器人具有整体尺寸小、行走灵活、通过性强、应用场合广等特点，为高楼玻璃幕墙清洁作业提供了技术方案。

多功能小型六轴机械臂的设计与制作

冯婧、莫谋艺、靳瑜、陈思伟、黄志维

广东科技学院机电工程学院

摘要：

针对新型机器人应用场所多样化的需求，以工业机器人为灵感设计了一种小型六轴机械臂，应用于餐厅、医院等场景，在提升人们生活质量的同时降低用人成本以及劳动强度。所设计的机械臂动作灵活性高，工作空间范围大，具有定位精准、制造成本低、体积小的特点。利用SolidWorks对机械臂机座、机身、手臂以及执行末端机构进行三维整体建模，设计出了小型六轴机械臂的主体，通过Arduino实现对机械臂运动轨迹的控制。通过更换机械臂末端执行器的类型实现不同功能的转化，应用于不同场景。针对餐饮服务业设计了菜盘夹紧机构，实现了对不同类型以及尺寸菜盘的夹紧。通过3D打印技术完成机械臂部分结构的制作，实现了设计目的。

基于3D打印硬磁软材料

的磁控软体机器人开发

黄麟阁1,2张治国1,2,3潘峰3

1. 天津科技大学机械工程学院2. 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室3. 新疆农垦科学院机械装备研究所

摘要：

近年来，磁软体机器人因其优异的生物安全性、环境适应性和快速响应能力受到广泛关注，在生物医疗等领域展示出巨大的应用潜力。本文针对磁软体机器人的墨水直写(DIW)3D打印问题，根据需求和材料特性进行材料设计优化，制备了具有稳定可打印性的硬磁软材料墨水。在此基础上，通过流变性实验验证了混合墨水的可打印性，使用DIW完成了对硬磁软体机器人的制造。之后，设计并制造了一种用于货物搬运的多模态磁软体机器人，在外磁场的作用下机器人可以以爬行和滚动两种模式运动，兼具货物搬运和放置的能力。本文所提出的磁软体机器人3D打印方法将为以后磁软体机器人的材料选择和广泛应用提供基础。

四足机器人腿部结构

拓扑优化设计及力学性能分析

李伟豪1茅健1郑武2张婷1

1. 上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 华融普瑞(北京)科技有限公司

摘要：

基于变密度方法中的SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型，提出一种多复合材料3D打印制造的拓扑优化方法对四足机器人腿部结构进行优化设计。采用体积约束下最小应力的优化方式，同时引入复合材料的本构矩阵，使得优化结果更加合理。针对四足机器人常见工况进行静力学分析，并对最大位移下的载荷情况进行拓扑优化设计。为了验证优化后腿部结构的强度，分别制备拓扑增强和轮廓增强腿部结构并进行试验分析。

试验结果表明，拓扑增强结构最大位移比轮廓增强结构在外摆工况下降低了53.57%。拓扑增强结构承载比在0°和30°外摆工况下比轮廓增强结构分别提升了17.98%和24.57%。通过对四足机器人腿部结构优化前后的试验对比可知，经过拓扑优化设计，四足机器人腿部结构力学性能得到提升，优化设计具有可行性。该拓扑优化方法对于提高产品力学性能，具有一定作用。

高压输电线路机器人防滑挂线轮毂

的H型3D打印装置的研究

张立军1马哲1王钰文2张晓东3贺庆强1王智伟4王吉岱4马龙5王晓强1李明1

1. 中国石油大学(华东)机电工程学院2. 河北北方学院农林科技学院3. 中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院4. 山东科技大学机械电子工程学院5. 江苏省送变电有限公司

摘要：

针对目前桌面级3D打印机存在打印速度慢、打印精度低的问题，提出并设计了高压输电线路机器人防滑挂线轮毂的H型结构3D打印机。通过对3D打印机结构建模与运动学分析，建立了其数学模型，推导出其逆运动学方程；提出了H型结构3D打印机的控制算法，运用PID控制调节系统的输入信号和输出信号的误差，获得了3D打印机的稳定工作模式。试验结果表明，提出的H型结构的3D打印机的打印精度高于目前常见Prusa I3型结构，能够实现快速平稳打印，打印速度提高20%左右，末端执行器在80 mm/s速度下仍能平稳工作，且运动轨迹理想，应用前景好。

基于3D打印介电

弹性体驱动器的柔性机器人

宿森

青岛大学

摘要：

介电弹性体驱动器(DEA)作为柔性材料具有大应变、高效率、高能量密度和快速响应等优点,在近几年被广泛地应用于软体机器人、软夹具和各种人工肌肉等方面。但是目前介电弹性体一般都是旋涂制作,制作过程十分复杂,无法实现大量快速制作。本文研究了一种可以3D打印快速制作的DEA,这种介电弹性体材料可以通过紫外光快速固化,并且具有良好的力学性能和电驱动性能。该材料基于CN 9021(丙烯酸酯)进行改性,通过调整稀释剂和交联剂在油墨中的重量比,获得了可以用3D打印制作的粘度和最佳的力学性能。使用有限元分析DEA在驱动过程中的形变,通过添加增强纤维放大了DEA的单方向形变,制作了可以爬行的柔性机器人,在频率为1 Hz的4 k V电压下爬行速度大约为3 mm/s。使用改性后的油墨进行3D打印测试,分析并改进了打印过程。3D打印制作的DEA可以在2.5 k V的电压下产生7.6 mm的自由端位移。对比旋涂方法与3D打印制作的DEA的驱动性能,两种制作方式制作的DEA表现出了相同的性能,这表明3D打印方式在不降低DEA性能的情况下,简化了DEA的制作过程,提高了制作效率。本研究选用电吸附作为机器人攀爬的附着原理。通过仿真分析对比了不同的电极材料和不同的电极厚度对电吸附力的影响,选择多壁碳纳米管作为电吸附垫的电极材料,电极层厚度在nm级别。使用3D打印制作电吸附垫并测试了在不同材料的基板上产生的法向和切向电吸附力。基于3D打印制作的DEA和电吸附垫制作柔性机器人,测试了在不同电压下机器人的驱动力与伸长量的关系,测试了基板材料、驱动电压大小和驱动电压频率对机器人爬行运动产生的影响,本研究制作的柔性机器人在平面上的最大爬行速度约为5.4 mm/s,在45°倾斜面上的最大爬行速度约为1.8 mm/s。

仿人机械手臂一体化

结构设计及其控制系统研究

陈炳阳

北京化工大学

摘要：

伴随着人们日常生活需求的提高与各种机器人相关技术的快速发展,对仿人机器人的研究也逐渐增多。而仿人机械手臂作为仿人机器人重要的组成部分,对其进行设计与研究便具有了很重要的实际意义。

本课题通过对人体手臂的分析,并结合了当今国内外先进的仿人机械手臂的优点,基于解剖学、机器人学、控制系统仿真技术以及机电一体化技术等学科设计了一种仿人机械手臂一体化结构,并基于FOC控制算法对其进行控制。

通过参考人手臂的结构以及运动状况,确定了仿人机械手臂一体化结构的设计方案,并对传动方式与驱动方式进行选择,利用Solidworks软件设计三维模型。对仿人机械臂与机械灵巧手进行运动学分析,利用D-H参数法求解二者的运动学正、逆解,并利用Matlab软件验证运动学正、逆解的正确性,并对二者的工作空间与轨迹规划进行仿真。控制系统方面,基于FOC控制算法,设计了仿人机械手臂一体化结构的控制系统,并用Matlab软件进行仿真,验证控制系统的功能性、稳定性等,并利用试凑法得到合适的参数,使实际运动曲线贴合目标运动曲线。利用3D打印技术搭建仿人机械手臂一体化结构的样机,并搭建其硬件控制系统,利用Visual Studio软件开发上位机,使控制程序的调试与运动控制更加方便与高效。对搭建的样机进行运动试验,试验证明本文设计的仿人机械手臂一体化样机能够实现基本功能需求。

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