[发明专利]一种非连续栅格划分三维点云面的路径规划方法

说明书

本发明公开了一种非连续栅格划分三维点云面的路径规划方法，以三维点云面为输入，三维打印路径为输出，采用非连续栅格划分三维点云面进行路径规划，采用多个参数控制路径规划的精度和运算量。参数包括两类，基本参数：栅格尺寸参数，栅格间距参数；工艺相关参数：栅格中心点稀疏化参数，线间距参数，边界缩进参数，多层打印参数，喷头抬升参数。该方法直接通过三维点云面进行路径规划，不需要三维建模，非连续栅格在保证精度的前提下，减少了运算量，参数设置时考虑了不同打印工艺以及点云空洞、正交路径等问题，可适用于多种的打印工艺。

技术领域

本发明属于3D打印中材料修补以及原位打印领域，具体涉及一种非连续栅格划分三维点云面的路径规划方法。

背景技术

根据零部件缺损部位的形状及特征，直接在缺损处进行3D打印修复是一种快速简便的修复方式，有望在零件替换中简化加工过程，在生物机体组织损伤的快速修复(也被定义为原位打印)中提高修补或损伤恢复速度。

路径规划技术在很多领域都有广泛的应用，比如机器人自主运动、无人机避障、导弹飞行、日常的GPS导航等。凡是可拓扑为点线网络规划的问题都可以认为是路径规划问题。3D打印技术中，路径规划是打印数据处理的重要组成部分，对成型件的精度、表面质量、打印速度等都有重要的影响，选择合适的扫描路径可以提高工件质量、打印效率和平稳性。根据特定需求和应用场合，需要采用不同的路径规划策略和方案。

以原位打印技术中的路径规划研究为例，康奈尔大学的研究人员在骨软骨原位打印中采用了传统的平面分层打印技术，表面点误差在±1.25mm，成形精度较低。由于原位打印还处于研究初期，大多研究团队没有对原位打印中的路径规划进行研究，如维克森林大学的研究人员在皮肤原位打印修复中，只是确定了采用多个微阀喷头在伤口处1滴/mm打印生物墨水；法国波尔多大学的研究人员采用激光辅助原位打印修复小鼠颅骨，由于缺损面积较小，没有专门进行路径规划的研究。而对于面积较大，形貌复杂缺损的原位打印，路径规划是必不可少的。

路径规划中，传统栅格法划分的栅格是连续栅格，栅格数量多，运算量大，而原位打印中对运算速率要求高，需要一种适用于原位打印的路径规划方法。

发明内容

本发明针对大面积、形貌复杂的缺损修复需求，提供了一种非连续栅格划分三维点云面的路径规划方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种非连续栅格划分三维点云面的路径规划方法，以三维点云面为输入，三维打印路径为输出，采用非连续栅格划分对三维点云面进行路径规划，并采用多个参数控制路径规划的精度和运算量；其中，参数包括两类：基本参数和工艺相关参数，基本参数包括栅格尺寸参数和栅格间距参数；工艺相关参数包括：栅格中心点稀疏化参数、线间距参数、边界缩进参数、多层打印参数和喷头抬升参数。

本发明进一步的改进在于，路径规划的具体步骤如下：

1)形成包围盒

将三维点云面投影到二维平面，形成二维点云面，并在二维点云面中找到x_min、x_max、y_min和y_max，形成一个矩形的包围盒将二维点云面包围在内；

2)在包围盒内确定基本参数

根据缺损面的点云分辨率确定栅格尺寸参数，保证栅格尺寸参数在1-2倍点云分辨率之间；根据允许的边界特征误差选取栅格间距参数，保证二分之一栅格尺寸参数与栅格间距参数的和小于允许的边界特征误差；

3)在包围盒内确定工艺相关参数

将线间距参数设定为实际打印工艺中的线宽；边界缩进参数设定为实际打印工艺中的线宽的一半；根据最终需要的路径点的多少设定栅格中心点稀疏化参数；将多层打印参数设定为打印层数；将喷头抬升参数15)设定为路径不连续时喷头的抬高高度；