Faze4 全 3D 打印六轴臂：摆线减速箱、装配与双层控制栈
Faze4 — Cycloidal Gearboxes, Assembly & a Two-layer Control Stack
📌 本分册目标
Faze4 与 PAROL6 出自同一团队（Source Robotics / Petar Crnjak）。它的路线和前几台都不同：不为了便宜而简化结构，而是把工业机械臂的核心机构——摆线针轮减速箱——用 3D 打印做出来，塞进每一个关节。成果是一台约 1000 个零件、约 15kg、线缆全部内藏、外形与工作表现都接近小型工业臂的机器。
为什么值得做：低背隙 + 可维护。摆线减速器天然具有多齿啮合、抗冲击的特点；用打印件做出来后，磨损了、打坏了，重新打一个摆线盘就行——这是买成品关节模组做不到的。
本分册按 机器人数据 → 摆线原理 → 打印 → 装配 → 配电 → 控制栈 六段走。请先接受一个前提：这台机器的时间成本主要在装配（以「周」计），不在打印。
⚠️ 许可证标注存在不一致：仓库侧边栏标注 CERN-OHL-S-2.0（开源硬件许可），而 README 正文写作 MIT。动手复刻、再分发或商用前，请以仓库 LICENSE 文件为准，并直接向作者确认。官方 README 也明确写了项目仍在开发中、可能含 bug，使用风险自担——别把它当成品设备对待。
📐 第一段：机器人数据（写代码前先抄下来）
| 数据 | 数值 |
|---|---|
| L1 / L2 | 0.23682 m / 0.32 m |
| L3 / L4 / L5 | 0.0735 m / 0.2507 m / 0.057 m |
| J1 | 15:1 摆线 + 5:3 同步带 = 25:1 |
| J2 / J3 | 27:1 摆线 / 15:1 摆线 |
| J4 | 11:1 摆线 + 28:26 同步带 ≈ 11.85:1 |
| J5 / J6 | 11:1 摆线 + 1:1 同步带 / 19.19:1 行星 |
| 同步带 | J1 HTD 5M 490mm（需轴承张紧）、J4 HTD 5M 430mm（无需张紧）、J5 HTD 5M 285mm（需轴承张紧），带宽均 10mm |
这张表是后面一切工作的基准：写控制器要用它、做仿真要用它、改结构后更要同步更新它。官方还提供 Faze4_Work_Envelope.m 脚本，用来算工作空间包络——规划轨迹前先跑一遍，别让机械臂撞到自己。
🌀 第二段：摆线针轮为什么低背隙
摆线减速器的原理是：偏心轴带动摆线盘做偏心运动，摆线盘外齿与针齿圈上的针齿多齿同时啮合，通过齿形把偏心运动转成低速同向输出。它便宜、抗冲击、减速比大，缺点是与谐波减速器相比体积略大、加工精度要求高。
- 背隙来源：摆线盘齿形精度、针齿与滚子的配合间隙、输出机构的配合。所以摆线盘的打印质量直接决定关节手感与噪音。
- 可维护性：磨损或打坏后重打一个盘、换一组滚子即可恢复，这是它相对成品关节模组最大的优势。
- 参数化：官方提供
cyclo_disk_STEP_files.zip，可以按需要修改齿形参数——改完务必重新校核配合间隙。
🖨️ 第三段：打印策略
- 先按官方 3D 打印说明调机：文档给了耗材、打印机与打印设置建议。打印件总量大，先打 1~2 个关键件验证尺寸精度与层间强度，合格后再批量。
- 摆线盘一次多打几个：挑尺寸最接近的一组使用，是降低背隙的实用做法。同一台机器不同批次也会有小差异，多做备件永远不亏。
- 轴承与螺丝多备一些：官方明确提醒装配过程中轴承与螺丝可能损坏或报废。螺丝建议本地采购（便宜且质量可控）。
- 整机约 1000 个零件：打印只是开始，规划好「按关节模组分批打」，配合装配节奏，比一次性打完全部再装更不容易乱。
🔧 第四段：装配（先模组、再整机）
1
先装致动器（关节模组）
官方提供摆线致动器的装配视频——这是全机最值得反复看的素材。先在台面上把每个关节模组装好、试转、测背隙，合格后再往机身上装。逐模块验收能避免「整机装完发现某个关节有问题」的灾难。
2
摆线配合：顺滑、无旷量、无卡点
销 / 滚子与摆线盘的配合是核心。打印件孔位过紧就先修孔再装，绝不要硬敲——打印件的层间强度远不如金属。
3
同步带张紧：J4 不用张紧
J1 与 J5 需要轴承张紧、J4 无需张紧（官方明确指出）。标准是手压有轻微弹性、负载下不跳齿。太紧会显著增加电机负载与轴承磨损。
4
线缆内藏要在装配时同步完成
所有线缆走机身内部通道，装完再穿线基本不可能。关节处预留足够弯曲余量——信号线断一根就要整机拆开查。
5
按官方装配说明书的顺序走
官方提供装配说明书（含 BOM），不要跳步。约 1000 个零件，跳一步的代价往往是要拆回好几层。
🔌 第五段：配电 PCB 与首次上电
- 一定要用配电 PCB V2：官方明确说明 V1 为旧版、不推荐使用。打样前核对 BOM 与元件位号，焊完先做通断与短路检查再加电。
- 首次上电三步走：① 只上电源不接电机，测各路电压正常；② 接电机但不给运动指令，确认驱动器指示灯与待机电流正常；③ 逐个关节小角度点动，逐轴验证方向与限位。
- 零位标定要逐关节单独做：这台机器关节多、减速比大，标定误差会被放大。校验方法是让 J1 转 90°，量末端实际位移与运动学计算值对比，偏差大就是减速比 / 方向参数填错。
📦 配电 PCB V2 资料包（本站重绘 · 可直接打样）
官方仓库给的是 V2 的 Gerber 与 PDF 原理图，位号与网络名全压在图纸里，想改一处就得回 PDF 翻半天。这一包是按 Schematic.PDF 逐脚核对整理出来的 V2 网表与配套资料：142 个器件、105 个网络、429 个引脚连接，全部落成机器可读的 BOM 与网表——便于脚本处理与版本 diff，也可以用附带的扩展在嘉立创EDA专业版里一键重绘出原理图 + PCB。
包里有什么
| 文件 | 说明 |
|---|---|
| bom.csv | 142 个器件的位号 / 型号 / 前缀：Teensy 3.5、24 × BSS138、84 个电阻、18 个二极管、13 个端子 |
| netlist_v2.csv | 网表纯文本版：一行一个「网络名 → 引脚」，便于人工对照与版本 diff |
| netlist_v2.json | 网表结构化版：板框、器件表、105 个网络、429 个引脚连接，附待复核项说明 |
| netlist_v2.net | Protel2 网表：可在嘉立创EDA专业版里走「文件 → 导入 → 网表」直接导入 105 个网络（封装名需重新指定） |
| board_outline.json | 板框尺寸：115 × 195 mm，2 层板 |
| schematic_v2.png | V2 原理图高清位图（原图 3998 × 3000），不装 EDA 也能读 |
| faze4-v2-builder-1.0.2.eext | 嘉立创EDA专业版扩展包：导入后一键生成原理图 + PCB（板框 / 安装孔 / 自动布局布线） |
| README.md | 扩展包的安装与使用说明、走线宽度等参数 |
怎么用
- 只想打样：按
bom.csv备料下单，元件对位号焊；板框115 × 195 mm、双层、1oz 铜、绿油白字即可。 - 想自己改图：全程只用嘉立创EDA专业版。推荐装包里的
.eext扩展（见下方步骤），点菜单 Faze4 V2 → ① 生成原理图、② 生成 PCB 自动重绘；不装扩展也行，直接用包里的netlist_v2.net走专业版的「文件 → 导入 → 网表」（类型选Protel2）把 105 个网络导进 PCB。 - 先核对再投产：见下方「需要你复核的 3 处」——这三处在 PDF 里读不出唯一答案，是按常规设计取的默认值。
装扩展并一键重绘（嘉立创EDA专业版）
1
导入扩展包
专业版 → 设置 → 扩展 → 扩展管理器 → 右上角 导入 → 选
faze4-v2-builder-1.0.2.eext。本地自签名的包会提示「来源不明」，选择允许即可，装完 重启软件。2
确认扩展已启用
回到 扩展管理器 → 已安装 列表，确认本扩展是启用状态（启用后注册的 Faze4 V2 菜单才会出现在顶部菜单栏）。顺带看下有没有勾「显示在顶部菜单」——不勾的话菜单入口会收在顶部的 高级 菜单里，别以为没装上。改完设置建议 重启软件 一次。
注：本扩展只用嘉立创EDA内部接口，不需要开「外部交互」（那是给需要联网/与外部程序通信的扩展用的，开关也在扩展管理器里点该扩展后可设置）。
注：本扩展只用嘉立创EDA内部接口，不需要开「外部交互」（那是给需要联网/与外部程序通信的扩展用的，开关也在扩展管理器里点该扩展后可设置）。
3
① 生成原理图
新建工程
Faze4_V2_distribution_board → 新建原理图 → 顶部菜单点 Faze4 V2 → ① 生成原理图。它会自动放置 142 个器件（Teensy 3.5 / 24×BSS138 / 84 电阻 / 18 二极管 / 13 个端子），并对每个引脚拉出短线、赋网络名——105 个网络、429 个引脚连接全部自动完成。手头还没工程的话，直接点同一菜单里的 ③ 新建工程并生成原理图 一步到位。4
② 生成 PCB
切到 PCB 编辑器再点 Faze4 V2 → ② 生成 PCB：同步网表 → 画 115 × 195 mm 圆角板框 → 四角 φ3.2 安装孔 →
autoLayout() → autoRouting()。5
看控制台汇总
执行结果和没找到的器件会写进 帮助 → 开发者工具 → Console，同时弹窗汇总。命中不到的关键字会打印
找不到器件: xxx——手动换成你要的型号即可，网络标签已经打好，换器件不会丢连接。💡 要改代码走开发者模式更顺手：扩展管理器 → 开发扩展 → 指向解压后的目录（含
extension.json 与 main.js），每次改完点「重新加载」。板框/孔径/线宽等参数在 main.js 顶部的 CFG 里。⚠️ 扩展用关键字在嘉立创系统库里检索并取第一个可用器件（Teensy 3.5 / BSS138 / PC817 / LED 黄 / 10K 0805 / 4.7K 0805 / 1K 0805 / KF301-5.08 各规格 / 排针）。若某关键字换名或下架就会命中不到，属正常情况，按上面第 5 步手动替换。
需要你复核的 3 处
- 驱动端子 KF301-6P 的电源脚：约定
1=PUL 3=DIR 5=EN，2/6=GND、4=+5V。 - 21P 机械臂线束：9 路输入走奇数脚，偶数脚接 +24V。
- +24V 来源：接在 4P 电源端子上。
📐 走线宽度按 信号 0.2 mm（≈8 mil）/ 电源 0.5 mm（≈20 mil）、双面 1oz 铜、绿油白字——这是嘉立创 2 层板常规工艺下性价比最好的组合（0.15 mm 以下会加价，0.5 mm 电源线在 1oz 下约可过 1.5A，足够驱动光耦与电平转换）。
⚠️ 本资料包由本站从官方 V2 原理图 PDF 还原整理，不是官方发布物。投产前请与手上的官方 Gerber / PDF 逐项比对；大电流与电源部分请按自己项目的安全规范再复核一遍。
📥 控制板 / 配电板生产资料下载（V1 / V2 / V3 全量）
上面一包是本站整理的网表与一键重绘工具；这一节是三版板子逐项可下载的生产资料（装配图 / 钻孔 / 坐标 / BOM / Gerber / STEP / 固件 / 网表与配单表）。各版的完整连接关系请打开对应交互页——点网络查引脚、点器件查位号，页面里的数据与这里的文件完全一致。
V2 · 配电板（官方现行版 · 推荐）
| 文件 | 大小 | 说明 |
|---|---|---|
| faze4_v2_assembly_drawing.pdf | 36 KB | 装配图，A4 1:1，顶层 / 底层位号 + 值，SMT 与手工焊接核对用 |
| faze4_v2_drill_drawing.pdf | 39 KB | 钻孔图，含孔径表（Ø0.80×36 / Ø0.99×48 / Ø1.00×20 / Ø1.20×76，共 180 孔） |
| faze4_v2_nc_drill.zip | 1 KB | NC Drill（Excellon .drl）+ 板框 Gerber（Edge.Cuts） |
| faze4_v2_cpl.csv | 4 KB | 坐标文件 CPL，SMT 贴片用 |
| faze4_v2_bom.csv | 1 KB | BOM，142 件 / 13 种 |
| faze4_v2_kicad.zip | 87 KB | KiCad 8 工程（PCB + 原理图 + 封装 / 符号库） |
| faze4_v2_schematic.pdf | 774 KB | 原理图（上游官方 PDF） |
| faze4_v2_board_dimensions.pdf | 545 KB | 板尺寸 / 位号图（上游官方 PDF） |
| faze4_v2_step.zip | 167 KB | 3D STEP 模型（上游） |
| faze4_v2_pins.h | 1 KB | FAZE4_V2_PINS.h 引脚定义头文件 |
| faze4_v2_stepper_move_test.ino | 2 KB | V2 步进测试固件（Teensy） |
⚠️ V2 上游只放出原理图 PDF、STEP 与板尺寸图，从未放出 Gerber / PCB 源文件。本站还原的 KiCad 工程是「封装 + 坐标 + 网络连接」，没有铜箔走线。上面的装配图 / 钻孔图 / NC Drill / 坐标 / BOM 可直接用于备料与装配核对，但打板所需的铜层 Gerber 必须先自行布线（KiCad Freerouting 或嘉立创自动布线）后再导出。
V1 · 配电板（旧版 · 官方不推荐 · 仅作对照）
| 文件 | 大小 | 说明 |
|---|---|---|
| faze4_v1_gerber.zip | 99 KB | Gerber 全套制板文件（2 层），上游官方发布，可直接下单打样 |
| faze4_v1_nc_drill.zip | 3 KB | NC Drill 钻孔文件 |
| faze4_v1_pick_and_place.zip | 6 KB | 坐标文件（SMT 贴片用） |
| faze4_v1_assembly_drawing.pdf | 54 KB | 装配图（上游） |
| faze4_v1_drill_drawing.pdf | 67 KB | 钻孔图（上游） |
| faze4_v1_stackup.pdf | 393 KB | 叠层报告 |
| faze4_v1_bom.xlsx | 11 KB | BOM（上游原始 xlsx） |
| faze4_v1_bom.pdf | 207 KB | BOM（PDF） |
| faze4_v1_bom.csv | 2 KB | BOM（CSV，含 Digikey 链接） |
| faze4_v1_cpl.csv | 3 KB | 坐标文件 CPL（CSV） |
| faze4_v1_kicad.zip | 279 KB | KiCad 8 工程（PCB + 原理图 + 库） |
| faze4_v1_step.zip | 3.3 MB | 3D STEP 模型 |
| faze4_v1_firmware_Arduino_GUI_code.ino | 27 KB | V1 下位机固件（本页引脚映射来源，port1..port24） |
| faze4_v1_firmware_test_code_1.0.ino | 57 KB | V1 测试固件 |
| faze4_schematic_v2_reference.pdf | 774 KB | 原理图（V2 版，随 V1 包附带，仅作参考对照） |
💡 两版怎么选：V1 是完整官方发布包，带全套 Gerber，可直接下单打样——V2 没有。想立刻拿到一块能用的配电板，V1 的 Gerber 是唯一开箱即用的选择；但设计上官方明确推荐 V2（输入带光耦隔离、输出 3.3V→5V 电平转换）。
faze4_v2_pins.h 与 faze4_v2_stepper_move_test.ino 两个 V2 固件在 V1 包里也能取到，上面的 V2 表格同样列了。V3 · Teensy 4.1 控制板（本站设计稿 · 尚未打样）
| 文件 | 大小 | 说明 |
|---|---|---|
| faze4_v3_netlist.csv | 5 KB | 引脚级网表，151 网络 / 466 连接（格式 net, ref.pin）；立创EDA 画原理图时逐线核对，画完做「网络表对比」的基准 |
| faze4_v3_bom_jlc.csv | 3 KB | 嘉立创配单 BOM，33 行物料，含已核实的 C 编号（Comment / Designator / Footprint / LCSC Part #），可直接导入 PCBA「BOM 配单」 |
| faze4_v3_design_pack.zip | 3 KB | 上面两个 CSV 打包，一次下载（离线画图 / 导入配单用） |
⚠️ V3 目前是设计稿，还不是可下单的生产资料：已交付的是引脚分配、网表与配单 BOM，没有原理图 / PCB 源文件、Gerber 与实物照片——需按 嘉立创落地指南在立创EDA里画出原理图并布线，才能导出 Gerber 打样。
💡 三版怎么选：V1 / V2 是把驱动信号扇出的配电板（V2 有无源 Backplane + 有源 Shield 两块），V3 是把主控 Teensy 4.1 与对外接口整合的控制板，形态不同、不是简单替换。想立刻拿到能用的板 → 用 V1 的 Gerber；想按官方推荐设计接线 → 看 V2；想自己从头一体化做一块 → 从 V3 的网表与 BOM 起步。V3 的 PORT1~8 六脚顺序与 V2 完全一致，现有线束可直接平移，引脚迁移对照在设计页里有一节专门列出。
🕹️ 第六段：控制栈（Teensy 底层 + Matlab / ROS 上层）
| 层级 | 内容 |
|---|---|
| 底层 | 跑在 Teensy 上。官方分三套底层代码：Matlab 实时脚本测试、Matlab 轨迹规划、ROS。先确定上层走哪条，再烧对应那套。 |
| 上层 | 可选 Matlab（实时脚本做测试与轨迹规划，上手快、适合验证机械性能）或 ROS（规划与可视化）。 |
| 模型 | 官方提供 URDF（URDF_FAZE4），可导入 ROS / 仿真器检查自碰撞与可达性；连杆尺寸以官方 L1~L5 为准。 |
| 工具 | Faze4_Work_Envelope.m：计算工作空间包络，规划前必跑。 |
这套「底层 Teensy + 上层 Matlab / ROS」的分层是它的架构亮点：底层只管实时性与伺服，上层管轨迹与规划，两边用清晰接口分开——真机上每试一个新动作，先在仿真里跑一遍，能省下大量拆装时间。
🎯 延展 · 真实 3D 轨迹实验室（装配前先在浏览器里跑起来）
这台机器约 1000 个零件、装完是以「周」计的工程量，但它的运动学现在就能在浏览器里摸熟：站内的 Faze4 真实 3D 轨迹实验室用官方 STL 转出的真实零件（机身 + 6 个关节连杆，含关节内置摆线针轮减速箱的外形），在网页里实时做 6 轴逆运动学——末端在竖直画板上实际画出 正弦曲线 / 圆形 / 三角形 三种轨迹，右侧同步显示 6 个关节角与跟随误差，并可拖动画板目标点立即看到整臂姿态。
🎯 这个页面解决什么、不解决什么：它解的是纯运动学——「几何上到不到得了」，没有重力、惯性与电机扭矩上限。页面右侧会随轨迹模式生成可复制的离线 numpy 预解脚本，跑出
q_traj.npy；把它当 q_des 时间表喂给 Drake 真实动力学分册的 PD + 重力补偿控制器，就能看这台机器在真机约束下跟不跟得上同一条轨迹。一个纯几何、一个含动力学，两边对照着看，装配前就能预判哪些动作会顶到关节限位与扭矩极限。🚧 避坑要点
- 时间主要花在装配：按「关节模组 → 逐模块验收 → 整机」推进，不要一口气全装上。
- 摆线盘一次多打几个：挑配合最好的一组，显著降低背隙与噪音。
- 配电 PCB 用 V2：官方明确 V1 不推荐，别为了省打样费留隐患。
- J4 同步带不需要张紧：硬加张紧结构反而加大负载。
- 线缆必须在装配时内藏：这是它外观整洁的关键，事后返工几乎不可能。
- 15kg / 1000 零件：台面、支架与承重要按工业设备的思路准备，别按桌面玩具对待。
- 先对齐 URDF：改结构后不同步更新 URDF，仿真与真机会不一致，规划必然失效。
- 许可标注不一致：以仓库 LICENSE 为准，商用前问作者。
- 想先评估投入产出：同团队的 PAROL6 路线相近、社区更活跃、成熟度更高，可以先去了解再做决定。
🔗 官方资料直达
- 官方文档站总入口设计决策 / 装配 / 打印 / 电子 / 代码 / 首次上电 / 机器人数据共九章
- Robot Data · 机器人数据L1~L5 连杆、各关节减速比、同步带规格
- Printing · 3D 打印说明耗材、打印机与打印设置建议
- Electronics · 配电 PCB V2 与首次上电元件清单、接线与上电流程
- Code · 底层与上层代码说明Teensy 三套底层代码的用途区分
- GitHub · Faze4-Robotic-armSTL_V2 / 摆线盘 STEP / BOM / 装配说明书 / 配电 PCB
- 同团队 · PAROL6路线相近、社区更活跃的另一台六轴臂
❓ 常见问题
3D 打印的摆线减速箱真的能用吗？
能用，这是 Faze4 的核心命题。它的优势是低背隙、抗冲击、可维护；代价是精度依赖打印质量与装配公差，且承载能力无法与钢制谐波 / RV 减速器相比。它适合科研、教学与原型验证，不适合当工业产线设备用。
需要多大的打印平台？
官方打印说明中给出了打印机与打印设置建议，请以文档为准。要点是：大件（如机身连杆）需要较大的成型空间，或采用分件打印 + 连接的设计。开工前先把零件清单里最大的几个件尺寸与你的打印平台核对一遍。
Teensy 底层代码有三套，该烧哪一套？
看你上层想用什么。走 Matlab → 烧 Matlab 那两套里对应的（实时脚本测试 / 轨迹规划）；走 ROS → 烧 ROS 那套。烧错了上层直接跑不通，这是新手最容易卡住的地方。
Faze4 和 PAROL6 选哪个？
同团队、思路相近。Faze4 更「硬核」：全 3D 打印、关节内置摆线减速箱、约 1000 零件；PAROL6 社区更活跃、资料迭代更成熟。想深入机构设计（尤其是摆线传动）→ Faze4；想更快装出一台稳定可用的机器 → 优先看 PAROL6。
官方说项目在开发中，能稳定用吗？
把它当「可工作的研究对象」而不是「成品设备」：硬件与文档已经能支撑复刻，但 README 明确提示可能有 bug、使用风险自担。做法上建议：先量好机器人数据与 URDF 在仿真里跑通，再逐步上真机，并且每一层都单独验收。
✅ 下一步
回到「做自己的机器人」栏目项目 01，那里有本分册入口、GitHub 设计文件与配电 PCB 文档的直达卡片。建议顺序：读设计决策 → 抄下机器人数据 → 打关键件验证 → 装配关节模组逐个验收 → 配电 PCB V2 上电 → Teensy + ROS / Matlab 跑通 → 用 URDF 在仿真里试错。