Thor 六轴机械臂：构型、装配与 G-code / ROS 2 控制
📌 本分册目标
Thor 2015 年作为一个毕业设计立项，题目写着「开源 3D 打印 6 自由度机械臂的设计与实现」，此后十年持续小步迭代。它最值得学的不是省钱技巧，而是构型选择：直接采用工业机械臂的 yaw-roll-roll-yaw-roll-yaw（偏航-横滚-横滚-偏航-横滚-偏航），而不是很多 DIY 方案自创的腕部结构。
这意味着它的运动学、奇异位形与工作空间特性都贴近真实工业臂——在这里学到的经验能直接迁移到工业设备上。而硬件总成本不到 350 欧元，伸展高度约 625mm、负载约 750g（含末端执行器自重），已在 17 个国家被复刻出 30 多台。
本分册按 构型 → BOM → 打印 → 装配 → 电子固件 → 控制 六段走，重点标出两处最容易返工的地方：回转支撑的滚珠间隙与关节 2/3 的皮带张紧。
🧭 第一段：构型为什么值得学
| 指标 | 数值与含义 |
|---|---|
| 自由度 | 6（yaw-roll-roll-yaw-roll-yaw），另有 1 台舵机驱动夹爪 |
| 伸展高度 | 约 625mm（不含末端执行器） |
| 负载 | 约 750g，含末端执行器自重——留给夹爪与工件的余量其实不大 |
| 驱动 | 7 台步进电机（关节 2、3 配 5:1 皮带减速）+ MG995 夹爪舵机 |
| 控制 | G-code 指令 + GRBL / RRF 固件（3D 打印机 / CNC 的成熟路线） |
三个「偏航 + 横滚」交替布置的好处：腕部不易出现奇异、运动学模型与工业臂通用。代价是结构件更多、装配精度要求更高——这也是为什么它的装配比同尺寸的简单方案更花时间。
🧾 第二段：BOM 逐项解读（扭矩分档是关键）
| 部件 | 选型理由 |
|---|---|
| 40mm / 40 N·cm ×1 | 关节 1。只需带动整机回转，小扭矩即可。 |
| 34mm / 121.2 N·cm ×3 | 关节 2、3。要扛整条手臂自重，靠 5:1 的 GT2 皮带减速进一步放大扭矩。 |
| 34mm / 26 N·cm ×3 | 关节 4~6。只带动腕部与夹爪。 |
| 传动件 | GT2 闭口同步带 208mm（104 齿）×2、GT2 开口带 1000mm ×1、20 齿同步轮 ×3、40 齿同步轮 ×2。40 齿装在关节 2/3 主轴上配合减速。 |
| 轴承与滚珠 | 16014ZZ ×1（大回转支撑）、625ZZ ×11、MF84ZZ ×2、6mm 滚珠 30~40 颗（回转支撑用）。 |
| 紧固与磁铁 | M3 系列螺丝与螺母为主，另需 M3 热熔铜螺母 ×6、8×1mm 磁铁 ×12（位置检测 / 限位）。 |
| 耗材 | PLA/PETG 3~4kg + ABS 0.5kg（受力的结构件建议 PETG / ABS）。 |
🖨️ 第三段：打印与采购规划
- 先打基础件验证配合：先打底座与关节 1 的承力件，装起来确认配合再打其余——避免整机打完才发现基础件不合。
- 参数起点：0.2mm 层高、30% 左右填充；承力件的层纹方向要顺着受力方向。
- 要改结构就改 FreeCAD 源文件：官方提供 STL（直接打印）、STEP（交换）与 FreeCAD（可修改）三种格式。
- 一次买齐轴承：16014ZZ、625ZZ、MF84ZZ 都是标准件，国内极易采购，凑单一次买全比中途补货省事得多。
🔧 第四段：装配（两处最易返工的地方）
🔌 第五段：电子方案与固件（二选一，先定再买）
| 路线 | 特点 |
|---|---|
| 原版路线 | Arduino Mega 2560 + 自制 Thor ControlPCB（Mega shield），配 8 个 A4988 步进驱动。资料完整、与原项目一致，代价是要自己焊板。 |
| 替代路线 | Fly Super8Pro（自带驱动的 3D 打印机主板），省掉自制 PCB，但固件要走 3D 打印生态（RRF）。 |
- 上电前自查：用万用表逐个确认电机绕组、驱动板供电与 A4988 的电流基准（Vref）。首次上电先不接电机负载。
- 固件与上位机波特率保持一致，否则会出现「连不上」这类看似硬件故障的问题。
- 逐轴验证方向与行程：方向反了改固件里的轴方向参数，不要反接电机线凑——那样以后每次排查都要多绕一层。
- 标定软限位：回零流程跑通后，测出每个关节的软限位写进配置，避免撞击机械限位。
🕹️ 第六段：控制栈（Asgard 与 ROS 2）
- Asgard：官方提供的图形化控制软件，能直接点动各轴、查看位置。先用它验证机械与电子，再考虑接 ROS 2——两套同时调会分不清问题出在哪。
- Thor-ROS：官方维护的 ROS 2 + MoveIt2 集成（含 Docker 部署方式），配合官方 URDF 可以在完全不打印任何零件的前提下先验证运动学、自碰撞与轨迹规划。
- 运动学文档：坐标约定、关节零位与 DH 参数的定义都在官方文档里。想自己写控制代码或改用其它规划库，这份文档是基准。
- 负载边界要重新算：750g 是含末端执行器的上限；装上夹爪与工件后，加速度上限要重新评估。
🚧 避坑要点
- 先选电子路线再采购：Mega + ControlPCB 与 Fly Super8Pro 两条路线固件不同，混买等于双份钱。
- 回转支撑间隙是全机最难配合：多打 1~2 个底座件备用，公差不对就换件试。
- 皮带张力宁松勿紧：太紧会明显发热并加速 625ZZ 轴承磨损。
- 步进电机是开环的：丢步不会有任何反馈告诉你，真机使用要压低加速度并留安全余量。
- 负载数字要看清楚：750g 含末端自重，别按 750g 的工件去设计任务。
- 想学运动学就先用 URDF：结构参数与真机一致，在 MoveIt2 / 仿真里试错零成本。
- 版权提醒：CC-BY-SA-4.0 要求署名 + 相同方式共享，改完再发必须用同一许可。
🔗 官方资料直达
- Thor 官网项目总入口、文档导航与社区
- Bill Of Materials · 逐项物料清单含购买链接与扭矩分档说明
- Assembly Guide · 装配指南回转支撑与皮带减速的装配依据
- 3D Printing Guide · 打印件与切片建议打印批次规划与材料选择
- Electronics · ControlPCB 原理与接线自焊 PCB 方案的全部依据
- Control Software · Asgard 等控制软件图形化点动与调试入口
- Kinematics · 运动学说明坐标约定、关节零位与 DH 参数
- Downloads · STL / STEP / FreeCAD / 固件三种模型格式与固件、控制软件打包
- GitHub · AngelLM/ThorCC-BY-SA-4.0 源文件与设计资料
- Thor-ROS · ROS 2 & MoveIt2 集成含 Docker 部署，可不打零件先仿真
❓ 常见问题
Thor 和项目 02（SmallRobotArm）有什么区别？
两者都是「步进电机 + 3D 打印 + 低成本六轴」，但构型不同：Thor 用工业臂的 yaw-roll-roll-yaw-roll-yaw，项目 02 用的是更常见的 DIY 构型。想学工业臂运动学与奇异分析 → Thor；想先做出一台、社区复刻资料更密集 → 项目 02。两台都值得学，但不必都做。
不到 350 欧元的成本是怎么做到的？
核心是「能打印就打印」：机身结构件、齿轮、乃至回转支撑的滚道都自己造，只买步进电机、轴承、滚珠、同步带与紧固件。真正的成本压缩来自用打印件替代成品轴承结构，代价是装配精度要求更高。
一定要焊那块 ControlPCB 吗？
不一定。官方文档里给了 Fly Super8Pro 这类成品主板的替代路线，能省掉焊板这一步；代价是固件走 3D 打印生态（RRF）。如果你更想专注机械与运动学，选替代路线；想练电子与嵌入式，就自己焊。
能拿它做实际生产/搬运吗？
不建议。负载 750g（含末端），且步进电机开环没有位置反馈，长时间高负载运行会发热与丢步。它的定位是教学与研究平台：学构型、学运动学、学控制栈。要做事就换成闭环或有反馈的方案。
✅ 下一步
回到「做自己的机器人」栏目项目 07，那里有本分册入口、官方下载页与 BOM 的直达卡片。建议顺序：先用 Thor-ROS 的 URDF 在仿真里做一遍运动学 → 定电子路线 → 打基础件验配合 → 按官方顺序装配 → Asgard 点动验证 → 再上 ROS 2 规划。