开放式微操作器（Open Micro-Manipulator）项目包含一个开源、低成本、易搭建的电动 XYZ 微操作器（XYZ Micro-Manipulator）运动控制平台，可达到亚微米级精度，适用于光学对准、电子元件探测和显微观察。得益于并联运动结构与微型球关节，它具备较好的机械刚性和较大运动范围。

开放式微操作器

本项目包含一个开源、低成本、易于搭建的电动 XYZ 微操作器运动控制平台，可实现亚微米级精度。它面向光学对准、电子元件探测和显微操作等应用。

可观看 YouTube 视频了解更多设备信息与搭建过程：An Open Source Motorized XYZ Micro-Manipulator - Affordable sub µm Motion Control

得益于其并联运动结构和微型球关节，它具备良好的机械刚性和较大的运动范围。电机采用现成的步进电机，由 30 kHz 闭环控制器和高精度 PWM 信号驱动。“磁齿轮”方案将低成本磁性旋转编码器的分辨率提高了 30 倍，从而实现低至 50 nm 的步进（请注意分辨率与精度的区别。绝对精度要差得多）。

该设备可通过 USB 串口使用简单的 G-Code 命令控制，因此很容易集成到其他项目中。固件实现了完整的运动规划栈，具备前瞻（look-ahead）功能，可实现平滑、精确的路径跟踪。

开始使用

如果想复刻这个项目，可按照以下高层步骤进行。如果在搭建中有问题或想讨论项目相关话题，可加入项目社区 Discord Server。

1. 阅读本文档并观看相关视频
2. 获取物料清单中列出的零件
3. 搭建设备与电子部件
4. 根据你的搭建修改硬件配置 hw_config.h
5. 使用带有 PlatformIO 插件的 VSCode 上传固件
6. 校准轴

也可查看新设备的设置指南：Setup Guide

新款：硬件版本 4.0

新版本硬件已发布，修复了先前设计中的若干问题：

• 修复了回零过程中的自碰撞。
• 仅用螺丝连接球关节块的方式约束不佳，可能会发生轻微转动。
• 无法可靠保证连杆长度一致。
• 存在不必要的球关节摩擦。
• 精确的球位置严重依赖打印质量和圆角处理。
• 橡胶圈一旦粘上就无法更换或拆除。

关于改进后的球关节和连杆制造工艺的视频可在 YouTube 观看：更好的球关节：开放式微操作器。FreeCAD 模型也经过了重构和改进，现在包含所有销钉和紧固件，可作为全部所需机械零件的参考。

警告：BOM 尚未更新……

开放式微操作器 GUI

为了让开放式微操作器的测试和使用更轻松方便，这里提供了一个带图形用户界面的 Python 控制程序：开放式微操作器 GUI。它带有简单的控制功能来移动设备，同时显示实时相机画面（例如来自显微镜相机）。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）。

Python-API

这个轻量级的 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。接口包含回零、移动、校准设备以及查询设备信息的函数。只需将 openmicrostage_api.py 文件复制到你的项目中（并安装 requirements.txt 中的依赖项），就可以开始使用了。

使用示例

例如，先创建接口并连接：使用 OpenMicroStageInterface(show_communication=True, show_log_messages=True) 创建实例，然后调用 oms.connect('/dev/ttyACM0') 连接串口。首次使用时需校准三个关节（运行 oms.calibrate_joint(i, save_result=True)，i 取 0 到 2）。随后调用 oms.home() 回零设备，再用 oms.move_to(x, y, z, f=...) 移动到若干坐标（单位 mm），例如 [0.0, 0.0, 0.0]（f=10）、[3.1, 4.1, 5.9]（f=26）和 [0.0001, 0.0, 0.0]（f=10）。最后用 oms.wait_for_stop() 等待移动结束。

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 包含许多较小的改进和错误修复，以及一项重要的新功能：

• 工具：现在支持在 PCB 上 J5 的两个 GPIO 引脚上使用工具（例如激光雕刻）。工具已集成到规划器中，在执行 G-Code 时能快速且按时序正确运行。工具支持 PWM（利用 PIO 功能扩展出额外通道，而不依赖软件 PWM）。用法示例：先用 M3 T0 S0.7 将工具 0 的 PWM 输出设为 70%，然后用 G4 S0.001（或其他运动命令）应用该工具输出，因为新的工具值只会在下一个运动或暂停命令时生效。
• 校准：校准新增了一些错误检查，以改善对编码器对齐等潜在问题的报错。
• 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。参数已针对硬件 v4.0 预设，但如有需要可切换回旧的硬件 v3.0 参数。
• 错误修复：一些较小的错误修复。

重要提示：如果你使用的是硬件版本 v3.0，需要在 kinematicmodeldelta3d.cpp 文件中切换回旧的运动学参数（文件顶部有一个 #define 用于此目的）。

固件 v1.0.1

此更新改进了校准、回零和日志记录，并新增了若干 G-Code 命令。

改进

• 回零：支持并联回零，重复性更高，几何参考更准确。
• 关节校准：流程更精细，具备持久化闪存存储（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 — 回零关节（支持同时回零多个轴，启动更快）
• 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 — 设置伺服环参数
• M56 — 关节校准（可保存到闪存）
• 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，这样每个人都可以查看和修改设计，而无需订阅或付费使用专有 CAD 软件。请注意，大多数组件的设计目标都是便于在 3 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（碳填充线材可以缓解该问题）。

CAD 文件可在此处找到：CAD Models。请注意，使用的是 FreeCAD 1.2.0dev 版本，旧版本可能无法打开这些文件。

用于打印的 STL 文件可在此处找到：STL Files。

运动学模型

运动学模型在此文件中定义：kinematicmodeldelta3d.cpp。请将你搭建的尺寸与构造函数中设置的值进行核对，尤其要确保臂长匹配。

电子部件

重要提示：如果你制作的是 PCB 版本 v1.2（见板上的版本标签），需要钻掉二极管 D1 上一个错位的过孔，该过孔会将 5V 电源轨短接到地（见修复图片）。此问题已在 v1.3 中修复。

电子部件使用 KiCAD 设计，仅使用常见的现成模块（电机驱动板和 MCU 板），并通过一块简单的 PCB 连接。焊接元器件时不需要焊接 SMD，因此搭建更加容易。对于电机通常的绕组电阻，设备应由 5 V - 6 V（2A）供电，以将电流和发热保持在合理水平。

该仓库现在还包含可直接上传到 PCB 制造商的生产文件。

固件

固件使用 C++ 编写，并从 “SimpleFOC” 项目中获得一些灵感。它力求精简、易读、不引入多余复杂度，专注于本项目使用的硬件。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，因此已可用于驱动六足运动平台；这可能是也可能不是该项目的下一步方向。

引脚编号、电机类型和其他参数的配置可在 hw_config.h 中找到。上传固件前请检查这些配置。

构建和烧录固件

建议使用 Visual Studio Code（Windows 和 Linux 上均可免费获取）来构建和烧录固件。安装 PlatformIO 插件并打开固件文件夹，即可像其他 PlatformIO 项目一样构建和烧录固件。

G-Code 接口

固件仅支持下列一小部分 G-Code 命令。每条命令都会以 ok 或 error 响应作为确认。

如果某条命令会返回附加信息（例如 get position 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再发送下一条，否则行为未定义。

| 命令 | 说明 | | --- | --- | | 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 | 暂停指定时间。• S：秒 • P：毫秒 | | G24 X Y Z A B C | 直接为伺服环设置当前位姿，可带可选的旋转向量* A、B、C。 | | G28 A-F | 回零一个或多个关节。• 可选的关节选择 A–F。 | | M3 | 设置工具输出。• T：工具索引 • S：输出值（0.0..1.0）。注意：新值只会在下一个运动或暂停命令时生效。 | | 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（度）和原始编码器值。 | | M52 | 获取规划器队列中的项目数。 | | M53 | 检查所有规划移动是否已完成（1 = 已完成，0 = 未完成）。 | | M55 A B C D F | 设置伺服环参数。• 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：速度滤波时间常数 | | M56 J S | 校准关节。• J：关节索引 • S：保存校准结果 | | M57 | 获取设备和伺服环信息：回零/校准状态、角度、环频率以及文件列表。 | | M58 | 获取固件版本。 | | M204 L A | 设置线性和角加速度。• L：线性加速度 • A：角加速度 |

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

支持

如果你想支持这个项目，可以考虑以下方式：

• 贡献搭建指南 – 通过提交拉取请求或提出改进建议的 issue，帮助改进或扩展搭建说明。
• 表征典型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见 Cylos Garage：https://www.youtube.com/watch?v=gt2gK-oxy5s）。
• 反馈搭建体验 – 告诉我们哪些地方顺利、哪些地方不顺利，以及如何让其他人的搭建过程更顺畅。
• 在 Ko-fi 上支持项目 – 如果你觉得这个项目有价值，可以通过 Ko-fi 提供资金支持。

YouTube 视频

社区讨论整体偏正面与好奇，并未形成明确对立。关注点集中在推崇作者低调分享高质量自制内容，同时也有人补充同类项目，并对该装置相比 Delta 机器人的运动范围提出疑问。

认为作者低调分享高质量自制内容值得敬佩

• 欣赏作者及其整套制作视频，尤其佩服他把亚微米级自制操纵器默默发到网上、不做任何推广便淡出的做法，认为这种纯粹分享相当罕见。（少数人） > 整套制作视频值得一看，一个普通人默默把亚微米级自制操纵器发到 YouTube 后便消失、毫无推广，堪称传奇。（@option_greek）

认为该装置的运动范围可能不如 Delta 机器人

• 指出 Delta 机器人常用于需要精细分辨率的拾放作业，但其运动范围看起来会比这台装置大得多，因此想弄清两者相比到底如何。（少数人） > 想知道它与 Delta 机器人相比如何，因为后者常用于拾放作业且需要精细分辨率，但 Delta 似乎拥有大得多的运动范围。（@ikidd）

有价值的补充

• RepRapMicron（GitHub 上的开源项目）正在推进类似方向的工作，可作为同类参考。（@RobotToaster）