【摘 要】
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随着心血管疾病危险因素的普遍暴露,每年因心血管类疾病导致死亡的人数不断增加,为了尽早实现3D生物打印技术在心血管类疾病的临床应用,近年来面向人工血管内皮化的3D生物打印装置的研发工作受到了广大科研工作者的极大关注。在国家863计划项目的支持下,本课题以面向人工血管内皮化的3D生物打印装置控制系统为研究对象,重点从装置的研究目标、控制方案、系统组成、运动控制算法、温度控制算法和人机交互界面等方面展开
【基金项目】
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四川大学承担的国家高技术研究发展计划（863计划）“3D生物打印技术促进人工血管内皮化的研发”的子课题“用于打印内皮化人工血管的3D生物打印装置的研发”（批准编号:2015AA020305-01）； 国家高技术研究发展计划（863计划）子课题“用于打印内皮化人工血管的3D生物打印装置的研发”（批准编号:2015AA020305-01）；
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随着心血管疾病危险因素的普遍暴露,每年因心血管类疾病导致死亡的人数不断增加,为了尽早实现3D生物打印技术在心血管类疾病的临床应用,近年来面向人工血管内皮化的3D生物打印装置的研发工作受到了广大科研工作者的极大关注。在国家863计划项目的支持下,本课题以面向人工血管内皮化的3D生物打印装置控制系统为研究对象,重点从装置的研究目标、控制方案、系统组成、运动控制算法、温度控制算法和人机交互界面等方面展开研究。课题的研究工作和主要创新点如下:（1）通过对血管组织打印技术和快速成形技术的研究,提出了面向人工血管内皮化的3D生物打印装置采用双喷头六轴插补运动的打印方案和3D旋转成形的快速成形方案。（2）针对装置的控制方案和系统组成,重点研究了各子系统的硬件和软件。其中,硬件部分包括主控制器、运动控制系统、半导体直接温控系统、气压控制系统和总装工艺;软件部分包括TwinCAT软件、主控制器的工作流程、直线电机参考回零编程和人机交互界面软件。（3）针对CX2030-0123型控制器的PID控制算法在抑制X轴直线电机轨迹跟踪误差波动方面的局限性,提出了自适应滑模控制算法。通过3D生物打印装置X轴直线电机伺服系统的打印实验和ASMC控制器与PID控制算法的Matlab/Simulink仿真实验,实验结论表明应用于CX2030-0123型控制器中的ASMC控制算法能使得X轴的位置波动误差明显减小,在打印过程中X轴的位置误差精度没有超过±1μm的范围,ASMC控制算法对X轴的推力波动起到了显著的抑制作用。（4）针对温控系统检测实验中出现的温度波动和超调,对提高控温精度和减小超调量提出了温度自整定模糊PID控制算法。通过仿真实验和实验验证表明,在半导体直接致冷致热的热传导过程中,模糊自整定温度PID控制算法能够实现温控系统的控温精度在±0.5℃的范围内,并且能够有效的抑制或消弱非线性系统存在的温度波动与超调,大幅度提高半导体直接致冷致热的控温品质。对于面向人工血管内皮化的3D生物打印而言,有利于满足生物组织快速成形的质量和活性对3D生物打印装置温控系统的严格要求。（5）针对打印的连续性和成形质量这两项实验指标,利用自主研发的3D生物打印装置对生物砖和海澡酸纳与明胶混合物进行现场实验,得到了打印材料快速成形的最佳参数设定区间和相关实验结果,实现了 3D生物打印的快速成形,为本装置同类材料的3D生物打印提供了数据参考。实验结果验证了 3D生物打印装置控制系统的正确性和可靠性。
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