不会倒的立方体：自平衡陀螺仪式立方体的诞生

大家好，我是 Timon Moser。我和来自奥地利霍拉布伦高等技术学院（HTL Hollabrunn）机械设计与构造系的 Alexander Moldaschl 及 Florian Fafilek 一起，作为毕业设计的一部分，共同开发了一款自平衡陀螺仪式立方体（Cubli）。

创意源起：一个不会轻易倒下的立方体

这个项目并非始于一个典型的日常问题，而是源于一项技术挑战：能否利用内部的反应飞轮让一个立方体实现自我稳定？ 这一创意最终演变成了一个功能完备的 Cubli——一个集成了机械设计、电子工程和控制工程的紧凑系统。

Cubli 是一种陀螺仪式立方体，它能够利用旋转飞轮的动力，仅凭一条边或一个角就能保持平衡。 传感器用来检测立方体的姿态位置，微控制器对数据进行处理并控制电机运转。 通过改变飞轮的转速，系统可以产生反作用力矩，从而帮助立方体恢复并维持平衡。

从 2D 测试装置走向 3D Cubli

最终呈现的 3D Cubli 由六个矩形框架件拼接构成立方体外壳。 其内部装有三个呈正交排列的反应飞轮、电机、电机固定座、扭矩传输部件，以及包括 PCB 电路板在内的电子元器件。

带电子元件的原型测试装置

这个中间步骤至关重要。2D 装置有助于理解单个动量轮的行为，观察质量分布，并在早期阶段发现潜在的设计问题。只有在这之后，该原理才被应用到三个空间轴上。

最终的 3D Cubli 由六个形成立方体的矩形框架部件组成。内部是三个正交排列的动量轮、电机、电机座、扭矩传输部件以及包含电路板在内的电子元件。每个轴必须能够独立运作，且不会与其他飞轮或零部件发生干涉与碰撞。

最终的 2D 测试装置

设计难点：当重心决定功能性

在这样的项目中，成功不仅取决于所有部件能否完美拼装在一起，同样重要的是质量分布在哪里。 在平衡时，Cubli 处于不稳定平衡状态。重心的微小偏差都会产生额外的倾覆力矩，从而增加控制难度。因此，重量较大的部件必须尽可能靠近中心放置。同时，立方体还需要有足够的空间来容纳电机、动量轮、轴承、扭矩传输部件和电子器件。 我主要负责项目的机械部分。Alexander 负责软件和 PCB 电路设计，而 Florian 则负责电子器件、计算、接线和组装。这种明确的职责分工非常重要，因为在这个项目中，机械、电子和控制工程是直接相互作用的。 其中最重要的机械部件包括：

作为支撑结构的框架部件

用于产生角动量的动量轮

电机座

扭矩传输部件

轴承与连接元件

3D 打印角件

PCB 及电子元件

扭矩传输部件的 CAD 模型

最大的挑战在于协调所有机械部件，使这套装置后续能够真正运转起来，并且各个零件能够精准配合。

激光切割框架部件——奠定稳固基石

对于框架部件，我们选择了激光切割工艺。这些组件构成了立方体的基本结构，要求轻量、稳固且高精度加工。铝合金显然是理想之选，因为它完美结合了低重量与足够的稳定性。 激光切割的框架部件在 Xometry 择幂科技的支持下完成制造。对我们团队来说，重要的不仅是制造本身，还有快速且简便的流程。在毕业论文项目中，时间非常紧迫。因此，报价、决策和制造步骤都需要快速高效地衔接。 对我们团队而言，这既是切实的帮助，也证明了企业对于学生技术项目的重视。在一个预算有限、日程紧张的项目中，一个可靠的制造合作伙伴可以带来决定性的改变。除了精细的表面光洁度，框架部件还必须保证机械组装的精准度。

使用激光切割铝制部件和动量轮组装陀螺仪立方体的步骤

遭遇挑战：制造细节上的小疏忽带来大后果

与许多技术项目一样，这个陀螺仪立方体也表明，最重要的经验教训往往不会出现在 CAD 模型中，而是在实际组装过程中浮现。 其中一个特别的挑战是在不锈钢部件上攻丝（切削螺纹）。丝锥折断并卡在了电机座和扭矩传输部件中。结果导致部分螺纹初始阶段无法完成加工。这不仅令人沮丧，还阻碍了后续的机械组装。 我们寻找了外部解决方案，并深刻体会到了面向可制造性设计（DFM）究竟有多么重要。有些孔本可以早点做出调整，某些螺纹深度对于手动加工来说并不理想，而微小的细节产生的后果远超预期。 这也成为了该项目最重要的体会之一：即使是微小的设计决策，后续也可能对制造、组装和功能产生重大影响。

集成有电机和动量轮的 Cubli 组装阶段

项目未来的发展方向

最终，产出的不仅是一个技术展示样机，更是一个将理论与实践紧密结合的项目。团队成功打造了一个可运行的 2D 测试装置，完成了 3D Cubli 的最终机械和电气组装，并在设计、制造、电子和项目管理方面积累了宝贵的经验。 对我来说，看到一个想法逐渐变成现实存在的物理系统特别有成就感。最让我兴奋的是，最终呈现在你面前的是一个真正能运转的实体系统，而不仅仅是一个理论概念。

集成有电子器件和稳定系统的完整组装

Cubli 接下来的步骤是稳定系统的全面实施与测试。未来一个可能的发展方向是让 Cubli 能够实现自主站立起摆。 然而，最重要的感悟已经非常明确：技术项目极少能够一帆风顺地完成。而这也恰恰是它们的价值所在。规划、精度和规范的设计非常重要——但面对问题灵活应变并坚持下去的能力也同样重要。