Dexter 是一个开源的机械臂,主要由 3D 打印机制造。它使用 5 个 NEMA-17 步进电机控制其 5 个轴以及其中 3 个轴上的谐波驱动。由于步进电机没有编码器,所以设计者在每根轴上都安装了正交光学编码器,如果强度不够,它们有时会跳过。有了这些编码器,Dexter 上的 FPGA 微控制器就可以快速对传感器进行轮询,并实时校正电机的位置。由于有网关的存在,可以每秒对每个轴进行 500 万次轮询,从而创建一个 200 纳秒的反馈循环。Dexter 是经 GPL3 授权的,因此可以随意复制和修改设计。

 


设计细节
Dexter 是一个开源的 5+轴机械臂。它的零件是用聚乳酸(PLA)进行三维打印的,并用碳纤维带固定在一起进行。它使用 5 个 NEMA-17 步进电机,在 3 个轴上有谐波驱动。它们没有编码器,很容易滑动,所以开发者在轴上设置了光学编码器。采用两个传感器,相位相差 90 度,从而得到了一个正交编码器系统。通过软件将这些值内插为 sin 和 cos,并允许测量每个轴。

 


设计中使用一个 FPGA 来实现对来自编码器的数据的实时处理。有了网关软件,可以每秒测量 500 万次,并得到一个 200 纳秒的控制回路和电机。这允许电机在检测到光学编码器中的变化时作出反应。其中一种控制模式被称为“跟我来”,它允许有人通过触摸来控制 Dexter,而不需要对谐波驱动进行反向驱动(这样做会使它们磨损,最终会削弱传输的完整性)。

 


开发者希望 Dexter 能够很容易地帮助新手学习为机器人编程,并且对代码有基本的理解,所以他们创建了 Dexter 开发环境。由于可访问性的原因,它使用了一个修改过的 javascript 版本,并且附带了有关如何在 DDE 中编程 Dexter 的文档。

 


Dexter 使用了 DDE 的套接字连接,但这并不是唯一使用它的方法。Dexter 社区的一个成员实际上开发了一个与 Dexter 一起使用的统一库。使用 FollowMe 模式,你实际上可以在虚拟现实中连接移动 Dexter 与对象交互。触摸物体将在 Dexter 物理层中产生触觉反馈。

 


有没有觉得很酷,因为这让 Dexter 可能被用作游戏控制器。

这里,Dexter 身上的许多设计创新可以被打散应用到你自己的项目中。例如,Dexter 巧妙的编码器设计。光学编码器通常使用一个有孔的圆盘;通过圆盘将光照射到传感器上,可以通过计算产生的脉冲数来确定位置。

 


Dexter 进一步利用光传感器的模拟值,跟踪每个孔几千个位置,乘以可用的分辨率。这意味着,通过一个 3D 打印的编码器轮和一些严谨的数学计算将其转换成一个位置,Dexter 的编码器可以解决每转超过一百万个位置。这是令人惊叹的精确性,由于计算能力的进步,它的可用性相对较低。

 


具体来说,一个 FPGA 和一些定制的“网关”逻辑代码运行编码器数据到 ARM 位置的转换。没错,Dexter 的开发者正致力于开发一款嵌入式 Linux 电脑,配备有 FPGA 外围设备,用于计算两个关节的位置。你可能会认为这有点大材小用了,但是像这样的手臂,在桌子上的第一个关节中任何小的角度误差都会乘以手臂的伸距。你想要半米手臂末端 0.1 毫米的位置精度,你需要 0.01 度的角度分辨率。用一个 3D 打印的编码器轮和一些繁重的计算来获得这种分辨率是一个伟大的创新。

 


结合这些详细的位置反馈和一些好的软件,你可以设计一个手臂,既强大,而且通过移动它很容易训练。Dexter 在一些轴上使用谐波驱动,虽然你通常不想强加谐波驱动,但位置传感器的极端分辨率让机器人知道何时将其推出位置,或者施加更多的力来保持位置,或者如果它试图学习一个新动作,驱动电机朝运动方向运动,这使得训练变得简单。

 


Dexter 有一组可扩展的末端执行器,通过一个简单的 3D 打印锁环和 Pogo 针排列连接。无论你需要吸尘器、剪刀还是机器人手臂末端的钳子,Dexter 都会为你提供保护。

 


如果说 Dexter 有什么缺陷,那就是运行编码器的 FPGA 代码是用专用的硬件描述语言 vivado 编写的。因此,虽然 Dexter 可以为我们提供一个位流,使我们可以闪存到自己的 FPGA 中,但我们不能调整编码器的算法。开发者的立场是,他们不能承担重新设计 FPGA 代码,因此不能让其成为完全开放的源代码。

最后,就是这只机械臂 Dexter,摘得了 2018 年 HackadayPrize 全球硬件开发者大赛的最高大奖,拿走了 5 万美元的奖金。如大赛评委对它的评价,Dexter 已经不仅仅是各个组件的集合,它的开发者将“真正的极客精神”体现在设计中,即尽可能使整个系统的实现更加实惠,但仍然保持高质量。

关于 Dexter 的技术细节,可打开链接查看:https://hackaday.io/project/158779-dexter

 

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2019 年 3 月 20 日 14:00~16:00,上海新国际博览中心,这个机械手臂将出现在 E5.5352,与非网的展位上,你可以亲身体验下它有多神奇。我们等你来!

 

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不能来到现场的小伙伴也可以在线观看我们的视频直播,一睹 Dexter 真容

https://www.moore8.com/special/livevideo/Hackaday

 

关于 Hackaday Prize

有人说硬件技术将很快达到极限,而在我们看来,硬件创新,尤其是中国硬件工程师的创新,还远未走到尽头,而只是刚刚开始。作为致力于为全球硬件开发者提供技术共享服务的平台,与非网母公司SupplyFrame旗下最大的全球硬件开发者社区 Hackaday.com 已连续五年举办全球硬件开发者大赛 Hackaday Prize,有超过 3000 多个硬件团队在这个赛事中互动交流、切磋技艺。

 

 


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