一种基于Grasshopper的仿生晶格模型的构建方法

一种基于grasshopper的仿生晶格模型的构建方法
技术领域
1.本发明涉及参数化建模技术，具体涉及一种基于grasshopper的仿生晶格模型的构建方法。


背景技术：

2.骨小梁是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，起支持造血组织的作用。骨小梁结构本身是一种不规则立体网状结构，骨小梁结构内部存在许多微孔结构，营养物质与代谢废物在其中的流通性直接关系到骨支架修复性能的好坏。优异的生物渗透率能够促进营养物质和代谢废物在支架内部的流动及扩散，促进细胞在支架内部的附着与骨组织的再生。
3.grasshopper是rhino平台上一款很特别的建模插件，其建模方式与传统建模软件相比有很多明显的不同，最主要的特点是grasshopper可以通过一系列模块化的运算器来搭建起一个模型完整的生成逻辑，并通过计算机运算执行这些运算器来生成最终的模型。
4.随着增材制造技术的出现使得曲面、点阵等极其复杂的三维结构得以被生产制造，增材制造采用与传统加工方式完全不同的思路进行加工，从而使得仿生晶格模型也同样可以利用增材制造中的选择性激光熔化技术来进行生产制造。然而目前对于不规则的仿生晶格模型的构建方法的难度普遍较大，且很难根据用户需求设计一款定制的仿生晶格。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种适用于不规则仿生晶格的基于grasshopper的仿生晶格模型的构建方法。
6.技术方案：本发明的基于grasshopper的仿生晶格模型的构建方法，包括以下步骤：
7.(1)在空间内利用grasshopper的series运算器以等差数列的方式建立规则点阵；
8.(2)以在步骤(1)中的规则点阵的点为中心，生成相同大小的立方体；
9.(3)以步骤(2)的点为基础，通过随机函数在立方体内生成不规则随机点阵；
10.(4)通过grasshopper中的jitter运算器，对不规则随机点阵进行无规律不同程度的抖动，得到最后的随机点阵；
11.(5)通过步骤(4)生成的不规则随机点阵生成得到三维voronoi多边形，利用三维voronoi多边形生成具有三维voronoi不规则多孔结构的仿生晶格模型；
12.(6)对仿生晶格模型进行细分，得到平滑处理后的仿生晶格模型；
13.(7)将步骤(6)中的经平滑处理后的仿生晶格模型以grasshopper中的bake功能使其输出为用于实体编辑的模型。
14.步骤(1)中，对所述规则点阵设置参数，包括规则点阵中的点分别在x、y、z三个方向上的数量，以及规则点阵中的点分别在x、y、z之间的距离。
15.步骤(3)中，所述随机函数为：
16.x’＝x r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
17.y’＝y r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
18.z’＝z r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
19.其中，x、y、z为步骤(1)中的规则点阵点的坐标，x
′
、y
′
、z
′
为经过随机函数生成的随机点的坐标，rand为的随机函数，其服从均一分布且目的是在【0,1】区间内产生一个随机数值。
20.步骤(4)中，所述对不规则随机点阵进行无规律不同程度的抖动，具体为，以对步骤(3)中的点为基础，对其设置不同程度不同距离的偏移，从而得到不规则点阵。
21.步骤(5)中，所述通过步骤(4)生成的不规则随机点阵生成得到三维voronoi多边形，利用三维voronoi多边形生成具有三维voronoi不规则多孔结构的仿生晶格模型，具体包括以下步骤：
22.(5.1)通过步骤(3)中生成的不规则随机点阵的点为中心，利用grasshopper中的voronoi 3d运算器，生成得到三维voronoi多面体；
23.(5.2)利用grasshopper中的brep wireframe运算器，对得到的三维voronoi多面体进行多面体棱边的提取，并且删除原本的多面体从而得到三维voronoi多边形线框，获得仿生晶格模型的基础架构；
24.(5.3)利用end point运算器提取出线框上每条边线的顶点，并且在三维voronoi多边形线框的每条边线上细分相应的点，设置点的数量；
25.(5.4)利用grasshopper中的dendro插件中的point to volume运算器，以边线上每个点分别为不同球的球心，生成与点相同数量且相同半径的球体。
26.步骤(5.4)中，设置生成的球体的光滑程度，数值越小，模型越光滑。
27.有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：该仿生晶格模型更能有效模拟人体骨骼实际情况；可根据人体骨骼状态高效的构建出不同需求的仿生晶格模型；对于此类晶格模型各方面参数的可控性有了提高。
附图说明
28.图1为本发明的流程示意图；
29.图2为本发明建立的规则点阵示意图；
30.图3为本发明建立的不规则点阵示意图；
31.图4为本发明建立的三维voronoi多边形线框示意图；
32.图5为本发明建立的以线框为基础生成点的示意图；
33.图6为本发明建立的平滑处理后的仿生晶格模型。
具体实施方式
34.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
35.如图1所示，本发明的基于grasshopper的仿生晶格模型的构建方法，包括以下步骤：
36.(1)在空间内利用等差数列建立规则点阵；
37.如图2所示，在空间内的x、y、z三个方向分别生成一定步距和不同数量的规则点阵
点，在series运算器上进行参数设置，其中步距均设置为1.0，x和y方向的点数设置为7，在z方向上的点数设置为5，即可生成具有7*7*5＝245个点的规则点阵。
38.(2)以在步骤(1)中的规则点阵的点为中心，生成相同大小的立方体；
39.本实施例中，以步骤(1)中的规则点阵为基础，生成边长均为4.400mm的立方体，后续得到的不规则点阵点均不会超出此立方体的范围；
40.(3)以步骤(2)的点为基础，通过随机函数在立方体内生成不规则随机点阵；
41.随机函数为：
42.x’＝x r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
43.y’＝y r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
44.z’＝z r*rand*sin(π*rand)*cos(2*π*rand)
45.将步骤(2)中得到的随机点导入进输入了上述随机函数的expression运算器即可得到不规则随机点阵；
46.(4)通过grasshopper中的jitter运算器，对不规则随机点阵进行无规律不同程度的抖动，得到最后的随机点阵；
47.如图3所示，以步骤(3)的规则点阵为基础，设置x、y、z三个方向生成的随机点的随机程度分别为3、6、5，为加强其随机点的不规则度，在x方向上的抖动设置为0.546，y和z方向上的抖动设置为0.787，由此可得到为生成三维voronoi多边形所需的不规则随机点阵。
48.(5)通过步骤(4)生成的不规则随机点阵生成得到三维voronoi多边形，利用三维voronoi多边形生成具有三维voronoi不规则多孔结构的仿生晶格模型，具体包括以下步骤：
49.(5.1)通过步骤(3)中生成的不规则随机点阵的点为中心，利用grasshopper中的voronoi 3d运算器，生成得到三维voronoi多面体；并且检验每一个多面体是否闭合，若有开合面则将其删除；
50.(5.2)利用grasshopper中的brep wireframe运算器，对得到的三维voronoi多面体进行多面体棱边的提取，并且删除原本的多面体从而得到三维voronoi多边形线框，获得仿生晶格模型的基础架构；本方案中，通过panel运算器查看，共得到7530条良好曲线，如图4所示；
51.(5.3)利用end point运算器提取出线框上每条边线的顶点，并且利用divide curve运算器在三维voronoi多边形的每条边线上细分相应的点，利用multiplication运算器设置点的数量，具体点数为将每条线的长度均乘以50以后得到的数值，利用panel查看，共得到184531个点，如图5所示；
52.(5.4)利用grasshopper中的dendro插件中的point to volume运算器，以边线上每个点分别为不同球的球心，生成与点相同数量且相同半径的球体；本方案中，将半径设置为0.173。利用dendro插件中的create settings插件设置生成的球体的光滑程度，设置生成的球体的光滑程度，数值越小，模型越光滑，若数值过大则模型过于粗糙，此数值不得超过球半径的2/3，此处将光滑程度设置为0.03。
53.(6)利用grasshopper中的weaverbird插件对仿生晶格模型再次进行平滑处理，，将平滑等级设置为3级，得到平滑处理后的仿生晶格模型，如图6所示；
54.(7)将步骤(6)中的经平滑处理后的仿生晶格模型以grasshopper中的bake功能使
其输出为用于实体编辑的模型。
55.利用grasshopper建立的模型在rhino中只可做显示观察作用，最后，将所建立的模型bake到rhino中去，即可得到可编辑的模型实体。模型的构建方式即通过grasshopper中的运算器相互连接搭建，因此该发明可通过调整运算器上所设置的参数，轻松实现多种不同要求的仿生晶格模型的实体建模。此类仿生晶格模型更能有效模拟人体骨骼实际情况；可根据人体骨骼状态高效的构建出不同需求的仿生晶格模型；对于此类晶格模型各方面参数的可控性有了提高。