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CN111391300B - 余料回抽控制方法及生物打印机 - Google Patents

余料回抽控制方法及生物打印机 Download PDF

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CN111391300B
CN111391300B CN202010215720.5A CN202010215720A CN111391300B CN 111391300 B CN111391300 B CN 111391300B CN 202010215720 A CN202010215720 A CN 202010215720A CN 111391300 B CN111391300 B CN 111391300B
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Abstract

本公开涉及一种余料回抽控制方法及生物打印机。余料回抽控制方法包括：获得打印机的喷头外部附着的打印材料的长度；根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽，直至所述喷头外部附着的打印材料的长度不高于允许值。本公开实施例能够有效地消除打印机喷头上附着的打印材料。

Description

余料回抽控制方法及生物打印机
技术领域
本公开涉及生物打印技术，尤其涉及一种余料回抽控制方法及生物打印机。
背景技术
生物打印机是指利用3D打印的原理和方法，将生物墨汁打印成为设计的三维结构体的设备。将生物材料(例如细胞)和生物相容性材料(例如细胞溶液)制成生物墨汁，通过控制生物打印机的喷头移动并将生物墨汁喷出，使得生物墨汁按照预设的目标打印物体的三维构建数字模型打印成型。
在生物打印之前，需要对喷头进行生物墨汁的预填充。为了保障预填充时生物墨汁能将喷头充满，生物墨汁的预填充体积一般会大于或等于喷头的内腔体积。当生物墨汁的预填充体积大于喷头的内腔体积时，喷头的喷嘴位置会附着生物墨汁。生物墨汁因粘度较高而不会从喷嘴处自行滴落，因此会在喷嘴位置形成液滴。若不及时清除喷嘴上的液滴，则该液滴会对后续的打印件造成影响，或者与其他打印材料发生反应而堵塞喷嘴。
为了清除喷嘴上附着的液滴，一些相关技术采用清除部件对喷嘴上的液滴进行刮除。
发明内容
在本公开的一个方面，提供一种余料回抽控制方法，包括：
获得打印机的喷头外部附着的打印材料的长度；
根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽，直至所述喷头外部附着的打印材料的长度不高于允许值。
在一些实施例中，获得打印材料的长度的步骤包括：
根据对所述喷头及所述喷头外部附着的打印材料进行拍照所获得的图像内的打印材料对应的像素值，计算所述打印材料的长度。
在一些实施例中，所述余料回抽控制方法还包括：
在所述材料驱动机构回抽打印材料之前，通过所述材料驱动机构使所述喷头向外喷出打印材料；
在所述喷头喷出的打印材料的长度达到第一预设值时，使所述材料驱动机构停止驱动打印材料，并等待预设时长，以便所述喷头外部附着的打印材料稳定。
在一些实施例中，根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽的步骤包括：
将等待预设时长后的所述打印材料的长度设定为长度初始值L0，并根据所述长度初始值L0设定所述打印材料的回抽长度D；
按照所述回抽长度D，通过所述材料驱动机构在多次循环中对所述喷头外部附着的打印材料进行回抽；
在每次循环中，根据所述回抽长度D对所述喷头外部附着的打印材料进行回抽后，获得本次回抽后所述喷头外部附着的打印材料的当前长度L，并计算所述当前长度L与所述长度初始值L0的比例；
如果所述比例位于第一预设范围R1，则计算所述材料驱动机构对所述打印材料的驱动方向改变时产生的反向位置误差δb，并通过所述反向位置误差δb对下一次回抽的回抽长度D进行补偿；
如果所述比例位于第二预设范围R2，则计算所述材料驱动机构回抽所述打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿，所述第二预设范围R2的最大值小于所述第一预设范围R1的最小值。
在一些实施例中，在每次循环中，如果所述比例位于第三预设范围R3，则将所述回抽长度D设置为本次回抽后的当前长度L，所述第三预设范围R3的最大值小于所述第二预设范围R2的最小值。
在一些实施例中，根据所述长度初始值L0设定所述打印材料的回抽长度D的步骤包括：
使所述回抽长度D等于所述长度初始值L0的1/3～1/5倍。
在一些实施例中，所述第一预设范围R1的最大值为1，最小值为7/8～9/10；所述第二预设范围R2的最小值为1/3～1/5。
在一些实施例中，反向位置误差δb通过公式δb＝D-(L0-L)计算得出，所述位置误差δp通过公式δb＝D-(Ln-1-Ln)计算得出，其中，Ln-1和Ln分别为所述当前长度L在上一次循环和本次循环的取值，n为大于1的正整数。
在一些实施例中，所述材料驱动机构包括伺服电机和注射器，所述注射器的活塞由所述伺服电机通过丝杆进行驱动，所述反向位置误差δb对应的补偿量Cb为(δb/Pth)*Rc，所述位置误差δp对应的补偿量Cp为(δp/Pth)*Rc，其中，Pth为所述丝杆的螺距，Rc为所述伺服电机的编码器分辨率。
在一些实施例中，在将所述回抽长度D设置为本次回抽后的当前长度L后，判断所述喷头外部附着的打印材料的长度是否已不高于允许值La，以及回抽的循环次数N是否已超过预设次数N0，
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度已不高于允许值La，则使所述材料驱动机构结束回抽操作；
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N已超过预设次数N0，则发出提示喷头排空异常的报警信号；
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N未达到预设次数N0，则计算所述材料驱动机构回抽所述打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
在一些实施例中，所述打印机为生物打印机，所述打印材料为生物墨汁。
在本公开的一个方面，提供一种生物打印机，包括：
材料驱动机构，具有喷头，并被配置为驱动打印材料经由所述喷头喷出或回抽，所述打印材料为生物墨汁；
检测机构，被配置为获得用于表征所述喷头外部附着的打印材料的长度的信号；
控制器，与所述检测机构和所述材料驱动机构信号连接，被配置为执行前述的余料回抽控制方法。
在一些实施例中，所述材料驱动机构包括：动力单元和注射器，所述注射器具有注射器筒、所述喷头和活塞，所述动力单元与所述活塞驱动连接。
在一些实施例中，所述动力单元包括：
伺服电机，具有与所述活塞驱动连接的动力输出端。
在一些实施例中，所述检测机构包括：
摄像头；和
摄像头调整机构，与所述摄像头连接，被配置为调整所述摄像头的拍摄位置和拍摄角度。
在一些实施例中，所述摄像头调整机构包括：
支撑座；
滑座，通过导向结构与所述支撑座连接，且相对于所述支撑座可滑动；和
旋转台，可滑动地设置在所述滑座上，并与所述摄像头可转动地连接。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是根据本公开生物打印机的一些实施例的功能方块图；
图2是根据本公开生物打印机的一些实施例的结构示意图；
图3是根据本公开生物打印机的一些实施例中材料驱动机构的安装结构示意图；
图4是根据本公开生物打印机的一些实施例中检测机构的结构示意图；
图5是根据本公开余料回抽控制方法的一些实施例的流程示意图；
图6是根据本公开余料回抽控制方法的另一些实施例的流程示意图；
图7是根据本公开余料回抽控制方法的又一些实施例的流程示意图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在一些相关技术中，采用清除部件对喷嘴上的液滴进行刮除。经研究发现，鉴于打印的生物组织或器官的特殊性，刮除方式可能会对喷嘴或喷嘴中的生物墨汁造成污染，从而使得打印出的生物组织或器官无法使用。
有鉴于此，本公开实施例提供一种生物打印机及余料回抽控制方法，能够有效地消除打印机喷头上附着的打印材料。
图1是根据本公开生物打印机的一些实施例的功能方块图。图2是根据本公开生物打印机的一些实施例的结构示意图。图3是根据本公开生物打印机的一些实施例中材料驱动机构的安装结构示意图。
参考图1-图3，在一些实施例中，生物打印机包括：材料驱动机构、检测机构60和控制器70。材料驱动机构具有喷头12。材料驱动机构能够驱动打印材料经由所述喷头喷出或回抽。
检测机构60被配置为获得用于表征所述喷头12外部附着的打印材料的长度的信号。检测机构60可通过多种方式进行检测，例如通过视觉检测方式，或者通过激光、红外线等方式对用于表征所述喷头12外部附着的打印材料的长度的信号进行检测。在一些实施例中，检测机构60通过视觉检测方式进行检测，可有效地提高检测效率。
控制器70与所述检测机构60和所述材料驱动机构信号连接，被配置为获得喷头12外部附着的打印材料的长度，并根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头12外部附着的打印材料进行回抽，以缩短或消除喷头12外部附着的打印材料。
相比于通过刮除喷嘴上的液滴的相关技术，本实施例通过回抽喷头外部附着的打印材料，使得喷头外部附着较少或不附着打印材料，从而避免喷头外部附着的打印材料对后续的打印件造成不良影响或与其他打印材料反应而堵塞喷头，无需采用清除部件对喷嘴或喷嘴中的打印材料进行刮除，相应地避免清除部件对打印材料造成污染，从而确保打印出的产品(例如生物组织或器官)的质量。
在一些实施例中，喷头外部附着的打印材料是指与喷头的喷嘴粘连并悬吊在喷嘴下方的打印材料。相应地，喷头外部附着的打印材料的长度为喷嘴到悬吊在喷嘴下方的打印材料的最低点的距离。在另一些实施例中，喷头外部附着的打印材料除了包括与喷头的喷嘴粘连并悬吊在喷嘴下方的打印材料，也可包括包裹喷头部分外壁的打印材料。相应地，喷头外部附着的打印材料的长度为喷头外包裹的打印材料的最高点到悬吊在喷嘴下方的打印材料的最低点的距离。
在一些实施例中，控制器70可根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构在多次循环中对所述喷头12外部附着的打印材料进行回抽，直至所述喷头12外部附着的打印材料的长度不小于允许值。通过在多次循环中回抽喷头外部附着的打印材料，可使打印材料的回抽过程的控制更加精细，满足不同工况(例如不同粘度的打印材料、不同精度的驱动机构或不同外部环境参数等)下的余料回抽控制要求。
参考图2和图3，材料驱动机构包括动力单元20和注射器10。注射器10具有注射器筒11、喷头12和活塞13。活塞13插设于注射器筒11内部，喷头12位于注射器筒11的一端，且与注射器筒11内部连通。通过动力单元20输出动力，以驱动活塞13相对于注射器筒11运动，能够使注射器筒11内部容积发生变化，从而实现打印材料的抽吸或喷射。在一些实施例中，打印材料为生物墨汁。注射器筒11内的生物墨汁可由生物材料(例如细胞)和生物相容性材料(例如细胞溶液)制成。
参考图3，在一些实施例中，所述动力单元20包括伺服电机21，具有与所述活塞13驱动连接的动力输出端。伺服电机21具有较高的控制精度，可有效地提高生物打印机对打印材料进行余料回抽时的精度。在另一些实施例中，动力单元20也可采用其他驱动元件，例如步进电机、气缸等。
在图3中，动力单元20还可包括滑块22、丝杆、滑槽24和支架23。所述滑槽24和所述注射器筒11设置在所述支架23上，所述丝杆设置在所述支架23上，并与所述动力输出端连接。所述滑块22与所述活塞13连接，并与所述丝杆螺纹配合。在将容纳有生物墨汁的注射器10设置到支架23时，可使滑块22与活塞13卡接。
所述滑块22可滑动地设置在所述滑槽24上。当伺服电机21通过动力输出端输出转矩时，丝杆的转动能够转换呈滑块22沿滑槽24的直线运动。滑块22带动活塞13相对于注射器筒11运动，来改变注射器筒11的内部容积。
为了使打印材料能够按照预设的目标打印物体的三维数字模型进行打印，参考图1和图2，在一些实施例中，生物打印机还包括：台座40和打印位置调整机构30。台座40为生物打印机的工作台，其可固定在地面上或通过轮子在地面上移动。打印平台50可固定或可移动地设置在台座40上。打印位置调整机构30也设置在所述台座40上，并可与所述材料驱动机构驱动连接，用于驱动所述材料驱动机构运动，以调整所述喷头12相对于所述台座40的空间位置。
在图2中，打印位置调整机构包括沿第一方向(例如图2中的X轴方向)运行的第一运动单元和安装在第一运动单元且沿第二方向(例如图2中的Z轴方向)运行的第二运动单元。第二方向可与注射器10的活塞运动方向平行。第二运动单元能够相对于第一运动单元移动。第一运动单元包括用于引导第二运动单元移动的第一导轨和用于驱动第二运动单元沿第一导轨移动的第一驱动部。第一驱动部包括丝杠、与丝杠螺纹配合的螺套和用于驱动丝杠转动的电机。丝杠的延伸方向与该第一导轨的延伸方向一致，螺套与第二运动单元连接。电机驱动丝杠转动时，螺套沿丝杆移动，螺套带动第二运动单元沿第一导轨移动。
第二运动单元包括用于引导材料驱动机构移动的第二导轨和用于驱动材料驱动机构沿第二导轨移动的第二驱动部。第二驱动部也可包括丝杠、与丝杠螺纹配合的螺套和用于驱动丝杠转动的电机。丝杠的延伸方向与该第二导轨的延伸方向一致，螺套与材料驱动机构连接。电机驱动丝杠转动时，螺套沿丝杆移动，螺套带动材料驱动机构元沿第二导轨移动。
图4是根据本公开生物打印机的一些实施例中检测机构的结构示意图。
参考图4，在一些实施例中，检测机构60通过视觉检测方式进行对用于表征喷头外部附着的打印材料的长度的信号进行检测。在图4中，检测机构60包括：摄像头61和摄像头调整机构。摄像头调整机构可设置在所述台座40上，并与所述摄像头61连接，被配置为调整所述摄像头61的拍摄位置和拍摄角度。
参考图2和图4，在一些实施例中，摄像头调整机构可包括：支撑座62、滑座63和旋转台64。支撑座62可设置在所述台座40上。支撑座62的一端可设有连接板65，连接板65可通过连接件(例如螺栓等)与台座40进行固定。滑座63通过导向结构与所述支撑座62连接，且相对于所述支撑座62可滑动。在图4中，导向结构为导轨导槽配合结构，例如在滑座63上设置导槽，并在支撑座62邻近滑座63一侧的表面设置与导槽配合的导轨，从而实现滑座63与支撑座62之间的稳定滑动副。
在图4中，旋转台64可滑动地设置在所述滑座63上，并与所述摄像头61可转动地连接。旋转台64的一部分可嵌设在滑座63的长槽内，该长槽可沿Y轴方向延伸，使得旋转台64能够带动摄像头61沿Y轴调整位置。旋转台64与摄像头61之间通过转动连接，使得摄像头61能够绕Z轴相对于旋转台64转动。通过摄像头61在Y轴上的位置调整和绕Z轴的转动调整，配合打印位置调整机构30对材料驱动机构在Z轴和X轴上的运动驱动，以调整摄像头61相对于喷头12的拍摄位置和拍摄角度，从而在满足图像采集需求的同时实现较高高性价比。
在摄像头61对喷头12及所述喷头12外部附着的打印材料进行拍照而获得图像时，控制器70可根据该图像内的打印材料对应的像素值来计算所述打印材料的长度。例如通过计算或多次实验确定图像内像素值与实际长度的预设比例，根据该预设比例和拍照所得图像内物体在一个方向(例如Z轴方向)上占据的像素值来计算出在该方向上该物体的实际长度。
在上述生物打印机的各个实施例中，控制器可采用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
图5是根据本公开余料回抽控制方法的一些实施例的流程示意图。
参考图5，在一些实施例中，余料回抽控制方法包括：
步骤200、获得打印机的喷头外部附着的打印材料的长度；
步骤400、根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽，直至所述喷头外部附着的打印材料的长度不高于允许值。
余料回抽控制方法可由前述本公开生物打印机的各实施例中的控制器执行，可也由其他能够通过驱动打印材料来实现打印功能的打印机中的控制器执行。打印材料包括但不限于生物墨汁。
在步骤200中，获得打印材料的长度的步骤可包括：根据对所述喷头及所述喷头外部附着的打印材料进行拍照所获得的图像内的打印材料对应的像素值，计算所述打印材料的长度。参考图2和图4，在一些实施例中，摄像头61可以按照一定频次对喷头12及其外部附着的打印材料进行拍照，获得至少一张图像。控制器70可根据图像内打印材料在竖直方向上的像素值换算出喷头12外部附着的打印材料的真实长度。
在步骤400中，控制器可在确定喷头12外部附着的打印材料的真实长度之后，根据该长度向材料驱动机构发送控制指令，使材料驱动机构中的伺服电机21通过丝杆和滑块驱动活塞13进行打印材料的多个循环的回抽操作，从而使喷头12外部附着的打印材料的长度不高于允许值。
本实施例通过在多次循环中回抽喷头外部附着的打印材料，可使打印材料的回抽过程的控制更加精细，满足不同工况(例如不同粘度的打印材料、不同精度的驱动机构或不同外部环境参数等)下的余料回抽控制要求。另外，通过检测机构对打印材料长度的检测，并通过控制器对材料驱动机构的回抽控制，避免人为操作所增加的污染风险。
图6是根据本公开余料回抽控制方法的另一些实施例的流程示意图。
参考图6，在一些实施例中，余料回抽控制方法还包括：
步骤110、在所述材料驱动机构回抽打印材料之前，通过所述材料驱动机构使所述喷头12向外喷出打印材料；
步骤120、在所述喷头12喷出的打印材料的长度达到第一预设值时，使所述材料驱动机构停止驱动打印材料，并等待预设时长，以便所述喷头12外部附着的打印材料稳定。
在步骤110之前，可先将已填充打印材料的注射器10安装到动力单元20的支架23上，并使注射器10的活塞13与滑块22固定连接。
在步骤110中，当喷头12移动至预填充位(在摄像头61的拍摄范围之内)后，控制器通过向动力单元20中的伺服电机21发送控制指令，使其驱动活塞13朝向喷头12所在侧运行，以使所述喷头12向外喷出打印材料。在这个过程中，考虑到一些打印材料的流动惯性较大，速度过快则不易控制喷出喷头的打印材料长度，因此材料驱动机构可采用较慢的速度(例如0.5～2mm/s)驱动打印材料从喷头喷出。
在步骤120中，可在喷出打印材料的过程中通过摄像头对喷头以一定的频次进行拍照，并确定拍照得到的图像中打印材料的长度，并在所述喷头12喷出的打印材料的长度达到第一预设值时，使所述动力单元20中的驱动电机21停止驱动所述活塞13。这里第一预设值的确定主要由材料的粘度决定。在一些实施例中，对于一些种类的打印材料，第一预设值可选为2～3mm，从而使得打印材料长度的回抽控制过程满足精度要求，且效率较高。
考虑到打印材料的流动惯性，控制器在使所述材料驱动机构停止驱动打印材料之后并等待预设时长(例如2～4秒)，以便所述喷头12外部附着的打印材料稳定。
上述步骤110和步骤120位于步骤400之前，可位于步骤200之前或者之后，或者与步骤200同时进行。
图7是根据本公开余料回抽控制方法的又一些实施例的流程示意图。
参考图7，在一些实施例中，步骤400包括步骤410和步骤420。在步骤410中，将等待预设时长后的所述打印材料的长度设定为长度初始值L0，并根据所述长度初始值L0设定所述打印材料的回抽长度D。在一些实施例中，可将回抽长度D设置为长度初始值L0的1/3～1/5倍。对于采用PID控制的控制器来说，考虑到根据PID控制的特性，控制过程在整定初期出现超调或者一定范围的震荡，约1-3个周期后趋于平稳，因此在一些实施例中，将回抽长度D设置为长度初始值L0的1/4倍，即D＝L0*1/4，以确保控制曲线尽量稳定。
在步骤420中，按照所述回抽长度D，通过所述材料驱动机构在多次循环中对所述喷头12外部附着的打印材料进行回抽。控制器可控制伺服电机21反转，带动滑块22及活塞13后退，以实现喷头外部附着的打印材料的回抽操作。
在步骤420的每次循环中，可具体包括步骤421到步骤424。
在步骤421中，根据所述回抽长度D对所述喷头12外部附着的打印材料进行回抽后，可等待预设时长(例如2～4秒)，以便所述喷头12外部附着的打印材料稳定。参考步骤200中的长度获得方式，控制器获得本次回抽后所述喷头12外部附着的打印材料的当前长度L(即本次回抽后的剩余长度)，并计算所述当前长度L与所述长度初始值L0的比例L/L0。
以伺服电机驱动注射器的活塞为例，在喷头预填充的过程中，生物墨汁对注射器的挤压作用力能够造成注射器筒向外膨胀的形变，在回抽生物墨汁时，生物墨汁又能够造成注射器向内收缩的形变，而生物墨汁的粘度使注射器产生的形变很难恢复到初始形态，从而间接影响到注射器体积的变化，使得喷头实际喷出的生物墨汁量发生改变。此外，生物墨汁粘度的差异性和机械系统的固有特性，也使得伺服电机执行位置控制命令时，实际喷出/回抽的生物墨汁量与理论值不一样，从而产生了位置误差δp。
机械传动系统一般都存在反向间隙，这使得材料驱动机构对所述打印材料的驱动方向改变的时候(例如伺服电机换向时)产生反向位置误差δb，即背隙。在第一次回抽打印材料时，系统同时存在反向位置误差δb和位置误差δp。在第一次回抽后，有可能会出现喷头12外部附着的打印材料长度无变化或变化微小的情况，此时反向位置误差δb远大于位置误差δp。此时，可忽略位置误差δp，而仅根据反向位置误差δb进行对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
在下一次回抽时根据反向位置误差δb补偿回抽长度D之后，由于反向位置误差δb已被补偿，则可以忽略背隙，而根据位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
在步骤422中，可对所述比例在预设范围进行判断，如果所述比例位于第一预设范围R1(即L/L0∈R1)，则执行步骤423，如果所述比例位于第二预设范围R2(即L/L0∈R2)，则执行步骤424。第二预设范围R2的最大值小于所述第一预设范围R1的最小值。
在步骤423中，计算材料驱动机构对所述打印材料的驱动方向改变时产生的反向位置误差δb，并通过所述反向位置误差δb对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。在步骤424中，计算材料驱动机构回抽打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。在步骤423和步骤424执行之后返回步骤421进行下一次回抽。
本实施例通过在各个回抽循环过程中对背隙和位置误差的计算，并对下一回抽循环的回抽长度进行相应补偿，能够提高回抽精度，避免因较低的回抽精度导致的打印材料回抽过多，进而致使出现打印材料在喷头处内凹的现象。
在一些实施例中，第一预设范围R1的最大值为1，最小值为7/8～9/10，例如7/8。举例来说，在本次回抽(例如第一次回抽)之后，如果1≥L/L0≥7/8，则忽略位置误差δp，而在步骤423中计算反向位置误差δb，并通过所述反向位置误差δb对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。反向位置误差δb可通过公式δb＝D-(L0-L)计算得出。
在一些实施例中，材料驱动机构包括伺服电机21和注射器10。注射器10的活塞13由伺服电机21通过丝杆进行驱动。相应地，根据反向位置误差δb可进一步计算出反向位置误差δb对应的伺服电机的补偿量Cb为(δb/Pth)*Rc。其中，Pth为所述丝杆的螺距，Rc为所述伺服电机21的编码器分辨率。例如，对于采用22位编码器的伺服电机，丝杆螺距为5mm的材料驱动机构来说，可将计算出的补偿量Cb＝[(D-(L0-L))/5]*2^22count补偿至控制器。
在一些实施例中，第二预设范围R2的最小值为1/3～1/5，例如1/4。第二预设范围R2的最大值小于所述第一预设范围R1的最小值。举例来说，在本次回抽(例如第二次回抽)之后，如果7/8>L/L0≥1/4，则忽略背隙，而在步骤424中，计算位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。位置误差δp可通过公式δb＝D-(Ln-1-Ln)计算得出，其中，Ln-1和Ln分别为所述当前长度L在上一次循环和本次循环的取值，n为大于1的正整数。
在一些实施例中，材料驱动机构包括伺服电机21和注射器10。注射器10的活塞13由伺服电机21通过丝杆进行驱动。相应地，根据位置误差δp可进一步计算出位置误差δp对应的伺服电机的补偿量Cp为(δp/Pth)*Rc。其中，Pth为所述丝杆的螺距，Rc为所述伺服电机21的编码器分辨率。例如，对于采用22位编码器的伺服电机，丝杆螺距为5mm的材料驱动机构来说，可将计算出的补偿量Cp＝[(D-(Ln-1-Ln))/5]*2^22count补偿至控制器。
由于打印材料粘度和环境温度等因素，对于每批次打印材料使用相同的回抽长度D对打印材料进行回抽时，打印材料的实际回抽长度可能不相同。而通过计算位置误差δp，能够逐渐消除这种差异。
经过多次回抽循环后，比例L/L0逐渐减小到第三预设范围R3内，则可通过调整下一次回抽长度D来尽量减少喷头12外部附着的打印材料。参考图7，在步骤420的每次循环中，如果所述比例L/L0位于第三预设范围R3，第三预设范围R3的最大值小于所述第二预设范围R2的最小值，则可执行步骤425。在步骤425中，将回抽长度D设置为当前长度L，即以所述当前长度L作为所述回抽长度D进行下一次回抽。
以第二预设范围R2的最小值取值1/4为例，当在本次回抽(例如第一次回抽)之后，如果L/L0<1/4，则将回抽长度D设置为当前长度L。对于回抽长度D的初始值为1/4倍的L0来说，通过将回抽长度D设置为当前长度L，使得下一次循环能够比较精确地将喷头外部附着的打印材料抽吸掉，避免以回抽长度D的初始值抽吸过多打印材料而出现打印材料在喷头处内凹的现象。
在一些实施例中，在以所述当前长度L作为所述回抽长度D进行回抽后，判断所述喷头12外部附着的打印材料的长度是否已不高于允许值La，以及回抽的循环次数N是否已超过预设次数N0。如果所述喷头12外部附着的打印材料的长度L已不高于允许值La，则使所述材料驱动机构结束所述活塞13的回抽操作。
如果所述喷头12外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N已超过预设次数N0，则发出提示喷头12排空异常的报警信号。如果所述喷头12外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N未达到预设次数N0，则计算驱动所述喷头12运动时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
参考图7，步骤420还可包括步骤426和步骤427。在步骤425之后，控制器在步骤426对所述喷头12外部附着的打印材料的长度是否已不高于允许值La进行判断，该允许值La可根据打印材料的材质而有所不同，可将La设定为0.01-0.5mm，例如0.05mm。如果当前长度L已不高于允许值La，则可使所述材料驱动机构结束回抽操作，例如向伺服电机发送控制指令以使其停机，从而结束回抽操作。
如果当前长度L仍然高于允许值La，则执行步骤427来对回抽的循环次数N是否已超过预设次数N0进行判断。预设次数N0可根据多次实验中完成回抽的循环次数的通常值进行确定，例如将N0设置为3，即3次循环。如果回抽的循环次数N已超过预设次数N0，则说明有可能存在例如光源异常、机械故障等故障情况，从而通过声光电等方式向操作人员发出提示喷头12排空异常的报警信号。此时可向材料驱动机构发送控制指令，使伺服电机停机，以便操作人员进行检查和排障。
如果所述回抽的循环次数N未超过预设次数N0，则可返回步骤424来计算材料驱动机构回抽所述打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
在一些实施例中，上述余料回抽控制方法的各步骤被包括在打印前的预填充过程，例如血管打印机的预填充过程。在另一些实施例中，上述余料回抽控制方法的各步骤被包括在打印过程中至少一层打印结束之后，例如骨打印机的打印过程。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种余料回抽控制方法，包括：
获得打印机的喷头外部附着的打印材料的长度；
根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽，直至所述喷头外部附着的打印材料的长度不高于允许值。
2.根据权利要求1所述的余料回抽控制方法，其中，获得打印材料的长度的步骤包括：
根据对所述喷头及所述喷头外部附着的打印材料进行拍照所获得的图像内的打印材料对应的像素值，计算所述打印材料的长度。
3.根据权利要求1所述的余料回抽控制方法，还包括：
在所述材料驱动机构回抽打印材料之前，通过所述材料驱动机构使所述喷头向外喷出打印材料；
在所述喷头喷出的打印材料的长度达到第一预设值时，使所述材料驱动机构停止驱动打印材料，并等待预设时长，以便所述喷头外部附着的打印材料稳定。
4.根据权利要求3所述的余料回抽控制方法，其中，根据所述打印材料的长度，通过材料驱动机构对所述喷头外部附着的打印材料进行多次回抽的步骤包括：
将等待预设时长后的所述打印材料的长度设定为长度初始值L0，并根据所述长度初始值L0设定所述打印材料的回抽长度D；
按照所述回抽长度D，通过所述材料驱动机构在多次循环中对所述喷头外部附着的打印材料进行回抽；
在每次循环中，根据所述回抽长度D对所述喷头外部附着的打印材料进行回抽后，获得本次回抽后所述喷头外部附着的打印材料的当前长度L，并计算所述当前长度L与所述长度初始值L0的比例；
如果所述比例位于第一预设范围R1，则计算所述材料驱动机构对所述打印材料的驱动方向改变时产生的反向位置误差δb，并通过所述反向位置误差δb对下一次回抽的回抽长度D进行补偿；
如果所述比例位于第二预设范围R2，则计算所述材料驱动机构回抽所述打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿，所述第二预设范围R2的最大值小于所述第一预设范围R1的最小值。
5.根据权利要求4所述的余料回抽控制方法，其中，在每次循环中，如果所述比例位于第三预设范围R3，则将所述回抽长度D设置为本次回抽后的当前长度L，所述第三预设范围R3的最大值小于所述第二预设范围R2的最小值。
6.根据权利要求4或5所述的余料回抽控制方法，其中，根据所述长度初始值L0设定所述打印材料的回抽长度D的步骤包括：
使所述回抽长度D等于所述长度初始值L0的1/3～1/5倍。
7.根据权利要求4或5所述的余料回抽控制方法，其中，所述第一预设范围R1的最大值为1，最小值为7/8～9/10；所述第二预设范围R2的最小值为1/3～1/5。
8.根据权利要求4所述的余料回抽控制方法，其中，反向位置误差δb通过公式δb＝D-(L0-L)计算得出，所述位置误差δp通过公式δb＝D-(Ln-1-Ln)计算得出，其中，Ln-1和Ln分别为所述当前长度L在上一次循环和本次循环的取值，n为大于1的正整数。
9.根据权利要求8所述的余料回抽控制方法，其中，所述材料驱动机构包括伺服电机和注射器，所述注射器的活塞由所述伺服电机通过丝杆进行驱动，所述反向位置误差δb对应的补偿量Cb为(δb/Pth)*Rc，所述位置误差δp对应的补偿量Cp为(δp/Pth)*Rc，其中，Pth为所述丝杆的螺距，Rc为所述伺服电机的编码器分辨率。
10.根据权利要求5所述的余料回抽控制方法，其中，在将所述回抽长度D设置为本次回抽后的当前长度L后，判断所述喷头外部附着的打印材料的长度是否已不高于允许值La，以及回抽的循环次数N是否已超过预设次数N0，
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度已不高于允许值La，则使所述材料驱动机构结束回抽操作；
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N已超过预设次数N0，则发出提示喷头排空异常的报警信号；
如果所述喷头外部附着的打印材料的长度仍高于允许值La，且所述回抽的循环次数N未达到预设次数N0，则计算所述材料驱动机构回抽所述打印材料时的位置误差δp，并通过所述位置误差δp对下一次回抽的回抽长度D进行补偿。
11.根据权利要求1所述的余料回抽控制方法，其中，所述打印机为生物打印机，所述打印材料为生物墨汁。
12.一种生物打印机，包括：
材料驱动机构，具有喷头，并被配置为驱动打印材料经由所述喷头喷出或回抽，所述打印材料为生物墨汁；
检测机构，被配置为获得用于表征所述喷头外部附着的打印材料的长度的信号；
控制器，与所述检测机构和所述材料驱动机构信号连接，被配置为执行权利要求1～10任一所述的余料回抽控制方法。
13.根据权利要求12所述的生物打印机，其中，所述材料驱动机构包括：动力单元和注射器，所述注射器具有注射器筒、所述喷头和活塞，所述动力单元与所述活塞驱动连接。
14.根据权利要求13所述的生物打印机，其中，所述动力单元包括：
伺服电机，具有与所述活塞驱动连接的动力输出端。
15.根据权利要求12所述的生物打印机，其中，所述检测机构包括：
摄像头；和
摄像头调整机构，与所述摄像头连接，被配置为调整所述摄像头的拍摄位置和拍摄角度。
16.根据权利要求15所述的生物打印机，其中，所述摄像头调整机构包括：
支撑座；
滑座，通过导向结构与所述支撑座连接，且相对于所述支撑座可滑动；和
旋转台，可滑动地设置在所述滑座上，并与所述摄像头可转动地连接。
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Granted publication date: 20220405