跳到正文
原文
Hacker News· _Microft·· 21 天前精选AI 评分72

开源 MicroManipulator 发布：低成本亚微米级 XYZ 三轴运动控制平台

Open MicroManipulator – A sub-micrometer 3D motion control plattform

AI 摘要

开源项目 Open Micro-Manipulator 发布低成本、易搭建的电动 XYZ 微操纵运动控制平台，可实现亚微米级精度，面向光学对准、电子元件探针测试和显微操作。

正文 · 中文整理稿

开放式微操纵器

本项目包含一个开源、低成本、易于搭建的电动 XYZ 微操纵器运动控制平台，可实现亚微米级精度。 它专为光学对准、电子元件探测和显微成像等应用而设计。

观看 YouTube 视频，了解更多关于该设备及其搭建方式的信息： 开源电动 XYZ 微操纵器——经济实惠的亚微米运动控制

Image 1 Image 2

得益于其并联运动学结构和微型球铰，它实现了良好的机械刚度和较大的运动范围。 电机为现成的步进电机，由 30 kHz 闭环控制器和非常精确的 PWM 信号驱动。 一种“磁齿轮”方法将低成本磁性旋转编码器的分辨率提高了 30 倍，使步进精度可达 50nm （请注意分辨率和精度之间的区别。绝对精度要差得多。

该设备可通过 USB 串行接口以简单的 G-Code 命令进行控制，因此易于集成到其他项目中。 固件实现了完整的运动规划栈，并带有前瞻功能，可实现平滑且精确的路径跟随能力。

入门指南

以下是如果你想复现该项目可以遵循的高层级步骤列表。 如果你在搭建过程中有疑问或遇到问题，或者只是想讨论与项目相关的主题， 请加入项目社区 Discord 服务器。

  1. 阅读本文档并观看链接的视频
  2. 获取 物料清单 中列出的零件
  3. 搭建设备和电子部分
  4. 根据你的搭建情况修改硬件配置 hw_config.h
  5. 使用带有 PlattformIO 插件的 VSCode 上传固件
  6. 校准轴

另请查看新设备的设置指南：设置指南

✨新功能：硬件版本 4.0

新版本的硬件已发布，修复了之前设计的几个问题：

  • 修复了归位过程中的自碰撞问题。
  • 仅用螺丝连接球铰块约束不佳，可能会轻微旋转。
  • 无法可靠地确保连杆长度一致
  • 不必要的球铰摩擦
  • 准确的球位置严重依赖于打印质量和圆角
  • 橡皮筋一旦粘合就无法更换或移除。

关于改进后的球铰和连杆制造过程的视频可在 YouTube 上找到：为开放式微操纵器打造更好的球铰 此外，FreeCAD 模型经过了重构和改进，现在包含所有销钉和紧固件。它现在为所有所需机械零件提供了参考。

Open Micro-Manipulator GUI

警告：物料清单尚未更新……

开放式微操纵器 GUI

为了让开放式微操纵器的测试和使用变得简单方便，这里提供了一个带有图形用户界面的 Python 控制程序：开放式微操纵器 GUI。 它具有简单的控件来移动设备，同时还能显示实时摄像头画面（例如来自显微镜摄像头）。其他功能包括简单的 g-code 运行器和实时鼠标控制（例如用于生物学应用）。

Open Micro-Manipulator GUI

🐍 Python-API

这个轻量级 Python API 处理所有串口通信，并提供便捷的命令执行和调试信息打印。 该接口包含回零、移动和校准设备的函数，以及查询设备信息的函数。 只需将 open_micro_stage_api.py 文件复制到你的项目中（同时安装 requirements.txt 中的依赖项），即可开始使用。

使用示例

from open_micro_stage_api import OpenMicroStageInterface

# create interface and connect
oms = OpenMicroStageInterface(show_communication=True, show_log_messages=True)
oms.connect('/dev/ttyACM0')

# run this once to calibrate joints
# for i in range(3): oms.calibrate_joint(i, save_result=True)

# home device
oms.home()

# move to several x,y,z positions [mm]
oms.move_to(0.0, 0.0, 0.0, f=10)
oms.move_to(3.1, 4.1, 5.9, f=26)
oms.move_to(0.0001, 0.0, 0.0, f=10)

# wait for moves to finish
oms.wait_for_stop()

API 函数（仅列出最相关的函数）

connect(port, baud_rate=921600)
disconnect()
set_workspace_transform(transform)
get_workspace_transform()
home(axis_list=None)
calibrate_joint(joint_index, save_result)
move_to(x, y, z, f, move_immediately, blocking, timeout)
set_tool_output(tool_idx, output_value, immediate)
set_pose(x, y, z)
dwell(time_s, blocking, timeout)
enable_motors(enable)
wait_for_stop(polling_interval_ms, disable_callbacks)
set_max_acceleration(linear_accel, angular_accel)
set_servo_parameter(pos_kp, pos_ki, vel_kp, vel_ki, vel_filter_tc)

✨ 固件 v1.0.4

固件 1.0.4 带来了许多较小的改进和错误修复，以及一项很棒的新功能：

  • 工具：现在支持在 PCB 上 J5 的两个 GPIO 引脚上使用工具（例如用于激光雕刻）。 工具已集成到规划器中，在执行 g-code 时运行快速且时序正确。 工具支持 PWM（利用 PIO 特性在不依赖软件 PWM 的情况下扩展出额外通道）。

    使用示例：

      M3 T0 S0.7  // set pwm output of tool 0 to 70%
  G4 S0.001   // dwell command (or any other motion command) - necessary to apply the tools output

  • 校准：校准现在增加了一些额外的错误检查，以改进对编码器对齐等潜在问题的错误报告。

  • 运动学模型参数：初始化代码已清理，并为参数添加了更好的注释。参数已针对 HW v4.0 预设，但如有必要，你可以切换回旧的 HW-v3.0 参数。

  • 错误修复：较小的错误修复

重要提示：如果你使用的是 硬件版本 v3.0，则需要在 kinematic_model_delta3d.cpp 文件中切换回旧的运动学参数（文件顶部有一个对应的 #define）。

固件 v1.0.1

此更新改进了校准、回零、日志记录，并新增了若干 G-Code 命令。

改进

  • 回零：支持并行回零、更高的重复精度、更精确的几何参考
  • 关节校准：优化了流程，持久化闪存存储（重启后无需重新校准）
  • 日志记录：输出更清晰、更详细

新增 G-Code 命令

  • G28 — 关节回零（支持同时回零多个轴以加快启动速度）
  • G24 — 设置位姿命令（直接设置伺服目标，绕过运动控制器）
  • M17/M18 — 启用/禁用电机（启用时从编码器恢复位姿）
  • M51 — 读取编码器值
  • M55 — 设置伺服环路参数
  • M56 — 关节校准（可选保存到闪存）
  • M57 — 读取设备状态的各种信息
  • M58 — 读取固件版本

⚙ CAD 文件

所有 CAD 模型均使用 FreeCAD 制作，以便任何人都能查看和修改设计，而无需订阅或付费购买专有 CAD 解决方案。 请注意，大多数组件在设计时已考虑使其易于在三轴 CNC 铣床上加工。 你也可以 3D 打印这些零件，但必须接受热漂移问题（碳填充耗材可以减轻此问题）。

FreeCAD Model

CAD 文件可在此处找到：CAD Models。 请注意，使用的是 FreeCAD 版本 1.2.0dev，这些文件可能无法在旧版本中正常工作。

用于打印的 STL 文件可在此处找到：STL Files

⚙ 运动学模型

运动学模型定义在此处：kinematic_model_delta3d.cpp。 请对照构造函数中设置的值检查你的构建尺寸。尤其要确保臂长匹配。

⚙ 电子部分

重要提示：如果你制作的是 PCB 版本 v1.2（见板上的版本标签），你需要钻掉二极管 D1 上一个位置错误的过孔，该过孔会将 5V 电源轨短路到地（参见修复图片）。该问题已在 v1.3 中修复。

电子部分使用 KiCAD 设计，仅使用常见的模块（电机驱动器和 MCU 板），并通过一块简单的 PCB 连接。无需进行 SMD 焊接即可组装电路板，使制作过程更加容易上手。 对于电机通常的绕组电阻，设备应由 \({\color{lightgreen} 5V-6V }\)（2A）供电，以将电流和发热保持在合理水平。

Image 1 Image 2

该仓库现在还包含可直接上传至 PCB 制造商的制造文件。

⚙ 固件

固件使用 C++ 编写，并从“SimpleFOC”项目中获得了一些灵感。它力求精简易读，不添加任何多余内容，专注于本项目所使用的硬件。 它实现了带前瞻的路径规划，并且与许多其他运动控制器项目不同，支持真正的 6DOF 位姿插值和规划，使其可用于驱动六足运动平台；这可能会也可能不会成为本项目的下一步。

你可以在 hw_config.h 中找到引脚编号、电机类型和其他参数的配置。请在上传固件前检查它们。

Image 1 Image 2

构建和烧录固件

对于构建和烧录固件，推荐使用 Visual Studio Code（可在 Windows 和 Linux 上免费获取）。 安装 PlatformIO 插件并打开固件文件夹。现在你可以像任何其他 PlatformIO 项目一样构建和烧录固件。

⚙ G 代码接口

固件仅支持下面列出的一小部分 G 代码命令。 每条命令都会以 ok 或 error 响应进行确认。

如果命令提供附加信息（例如_获取位置_命令），该信息会在 ok 消息之前返回。 客户端必须等待上一条命令的确认后才能发送下一条命令——否则行为未定义。

命令 描述
G0 X Y Z F 将末端执行器沿直线移动到指定位置。
• X、Y、Z：目标位置
• F：进给速率
G1 X Y Z F 与 G0 相同。
G4 S/P 暂停/停留指定时间。
• S：秒
• P：毫秒
G24 X Y Z A B C 直接为伺服回路设置当前位姿，可选旋转向量* A、B、C。
G28 A-F 回零一个或多个关节。
• 可选关节选择 A–F。
M3 设置工具输出。
• T：工具索引
• S：输出值（0.0..1.0）
注意：新值仅在下一个运动或暂停命令时应用
M17 启用电机并将当前位姿读取为起始位姿。
M18 禁用电机。
M50 获取当前内部位姿。（此处不读取编码器）
M51 获取当前编码器角度（以度为单位）和原始编码器值。
M52 获取规划器队列中的项目数。
M53 检查所有计划的移动是否完成（1 = 已完成，0 = 未完成）。
M55 A B C D F 设置伺服回路参数。
• A、B：位置 PI 控制器增益（P 和 I）
• C、D：速度 PI 控制器增益（P 和 I）
• F：速度滤波器时间常数
M56 J S 校准一个关节。
• J：关节索引
• S：保存校准结果
M57 获取设备和伺服回路信息：回零/校准状态、角度、回路频率和文件列表。
M58 获取固件版本。
M204 L A 设置线加速度和角加速度。
• L：线加速度
• A：角加速度

*注意：通信协议使用 3D 向量表示旋转。方向表示旋转轴，向量的长度表示绕该轴旋转的角度。

❤️ 支持

如果您想支持这个项目，可以考虑以下方式：

  • 为构建指南做贡献 – 通过提交拉取请求或提出建议来帮助改进或扩展构建说明。
  • 表征典型的径向步进电机轴误差运动 – 测量多个 Nema-17 步进电机轴的径向误差运动（有关该主题的更多信息，请参阅 Cylos Garage：https://www.youtube.com/watch?v=gt2gK-oxy5s）。
  • 对构建体验提供反馈 – 告诉我们哪些做得好、哪些不好，以及如何让这个过程对其他人更顺畅。
  • 在 Ko-fi 上支持该项目 – 如果您觉得这个项目有价值，可以通过 Ko-fi ☕ 提供经济支持。

Youtube 视频

Watch the video Better Ball Joints for the Open Micro-Manipulator

来源：Hacker News · github.com

#开源权重
00