3D打印机算得上近两年来比较热门的一个玩意儿，可以说各种各样定制化的3D打印机被各路创客们都快玩儿坏了，今天我们给大家带来一款别样的3D巧克力打印机的设计方案，其中伽利略开发板作为扫描驱动环节，可以说是整个系统最大的亮点所在，也是该系统区别于其他3D打印机的最大特点。
传统的3D打印机需要先去电脑建模，然后再输入程序进行打印，对于设计师来说比较直接，但是在生活中很多时候我们需要的是直接的复制，或者是把看到的东西复制出来，这时候用3D软件建模不是每个人都能完成的任务，所以能轻松依照原物复制的3D打印机就变得更具市场应用的前景。比如用3D打印机定制个性化巧克力，可以根据自己想要的模型去设计个巧克力的外观，一定比传统的巧克力更具心意，更能表达自己的情感，同时还能解决个性化巧克力存在的模具和设计成本高，设计难度大、手工加工困难等难题。
图1 巧克力3D打印平台整体效果
本平台使用Kinect深度相机作为三维数据采集设备，利用Intel Galileo开发板作为Kinect控制器，Intel Bay Trail处理器作为运算和控制核心，结合面向巧克力的挤出头设计和温控模块，搭建了整个巧克力3D打印平台。在整个系统中，扫描的部分是本设计的最大亮点所在，有效的解决了定制化设计中的复制目标的问题。针对常见的手持式三维扫描容易跟踪丢失问题，以Intel Galileo开发板为控制核心设计了搭载Kinect深度相机水平移动旋转的装置，有效的提高了扫描的稳定性，从而保证了较高的三维数据成型质量。
图2 三维扫描单元实物图
三维扫描单元主要由一台Kinect深度相机和可控滑动支撑台物理连接而成。可控滑动支撑台用于支撑Kinect深度相机，并带动其水平移动和左右旋转，其主要由MG995舵机云台、光轴支撑滑轨和12V减速电机同步传送带组成，并由Intel Galileo开发板进行控制。 总控单元利用串口对Kinect扫描单元发出信号后，首先启动Kinect深度相机并进行相机的水平移动和旋转以获得待扫描目标的不同角度的深度数据。深度数据会在线发送给总控单元进行相应处理。
三维扫描单元主要功能在于获取扫描目标表面的几何信息，并将其传送给 Intel BayTrail总控单元进行模型数据处理。为了获得尽可能完整的模型信息，在进行扫描时需要对扫描对象的正面和侧面进行一定范围的特征取样。扫描目标的三维数据主要通过Kinect深度相机在多个位置和角度连续取样获取。在进行三维扫描时，Kinect深度相机在MG995舵机云台的支撑和带动下旋转，与此同时，MG995舵机云台在在12V减速电机的作用下，通过电机带动的同步轮和同步带沿着光轴支撑滑轨进行水平移动。由此，在云台转动和平移的共同作用下，Kinect深度相机可以对扫描目标的正面多个角度进行连续取样，从而获得更多的模型局部细节信息。
为了对 Kinect深度相机的位置进行控制，光轴支撑滑轨的两侧安装了用于发出中断信号的限位开关。当Kinect深度相机在云台的作用下平移到光轴支撑滑轨的某一侧时，限位开关会被触发，从而产生中断信号。在采集控制模块接收到该中断信号后，立即控制12V减速电机进行反向转动，在同步带和同步轮的反向转动作用下，Kinect深度相机开始向另一侧移动，同时，云台向反方向开始旋转，带动Kinect相机开始反向旋转。下图展示了以人体为扫描目标时的三维数据获取单元工作示例。
图3 三维数据获取单元工作示例
在工作原理上，整个三维扫描单元在Intel Galileo 控制板控制下完成相关工作。其中减速电机MOTOR驱动L298N的IN1端、IN2端、ENA端分别接Intel Galileo 控制板的8 、9、10引脚，当ENA置1时L298N便可以工作，IN1端、IN2端接收到控制的PWM信号时就可以控制减速电机MOTOR的正反转。1号限位开关、2号限位开关的输出信号端分别接Intel Galileo 控制板的~3、2引脚，当搭建了Kinect深度相机的MG995舵机云台运行到轨道端点时触发限位开关输出信号，Intel Galileo 控制板采集到限位开关输出信号变化，便可改变减速电机旋转方向，从而使Kinect深度相机改变其扫描方向，达到来回扫描的目的。同时为了能够精确控制 MG995舵机云台的旋转角度，利用Intel Galileo控制板的PWM输出功能控制舵机，使云台能产生精确的旋转角，在本系统中舵机信号线与Intel Galileo 控制板的11号引脚相连。当收到Intel Galileo 控制板的不同的控制信号时，Kinect深度相机便可对准人体不同位置。
图4 三维扫描单元硬件框架图
前景展望
该设计是一个更前卫的3D打印机，如果可以再继续优化算法，可以将整套系统用于标准的工业级3D复刻打印设备中，更为突出的是结合了立体扫描与重建优化系统，从而实现对被打印目标从扫描到建模再到原物重现的工作，可以实现目标的复制和修复。
