自己动手DIY炫酷的自平衡立方体原创 pockethome 辅助制作：黑暗之龙先介绍一下自平衡立方体，简单说就是一个方块，在内部集成了陀螺仪、电机飞轮、控制器、电池等电气元件，控制器依据陀螺仪反馈的数据控制电机飞轮转动使方块能够单边或者单点保持近乎稳定平衡的状态。听上去是不是很炫酷？图片实际上自平衡系统目前在很多专业领域都有应用，而作为科教类的模型可能很多玩家没有关注过，其实某云家早就有卖自平衡立方体，主体零件大多为金属，根据采用的平衡方案和实现功能不同价格从一两千至六七百跨度很大，但大部分卖家都只是提供成品，买家收到货接上电池就能玩。不过对于我来说不能自己动手安装调试就丧失了DIY的乐趣（关键是没钱）。图片对于我来说还是更享受自己组装调试的过程，近期在闲逛thingiverse时，一个名叫ReM RC的作者发布了自平衡立方体的打印文件，于是便有了此篇自平衡立方体DIY全过程的分享。图片作者在提供打印图纸同时在github上分享了基于ESP32控制方案的自平衡立方体开源代码并附带了配件资料和电气接线图，还在youtu.be上发布了安装和程序调试视频。图片该项目需要使用的电器部分元件并不多，基本电路清晰明确，通过海鲜市场或某多多渠道都可以买到项目需要的零件，电气元件里最贵的就是ESP32控制板大约50元左右，Nidec24H无刷伺服电机某云家二手拆机件才12块钱一个，11.1V锂电也就20多块钱一块，把其他琐碎零件全算上电气材料成本也就100元，果断下单。图片在等电子零件快递的时候的当然不能闲着，开始进行结构零件的3D打印，ANYCUBIC CHIRON的平台尺寸为400mmX400mm，自平衡立方体的侧面板可以同时打4个。该项目其实总共只需要打印19个零件，除了外壳的六个面，其它零件成型尺寸都不是很大，加上安装用的螺丝和其它材料，成本估算100元足矣。为了能让想自己动手DIY的玩家理解和学习自平衡立方体的安装和调试，我对源作者的安装调试视频进行了翻译并添加了字幕，因为源作者的母语似乎也不是英语（源作者在视频中表示自己的英语并不好），所以翻译可能存在一定的偏差，但安装和调试过程都尽量保持准确并通过我自己实际测试验证，想自己DIY的朋友通过参考源作者的视频和此篇图文版的安装调试说明，相信也可以做出成功的作品。图片全部3D打印零件，为了保障结构强度，CURA软件设置0.2层高、50%填充，打印时间约为40小时左右。作者也建议打印设置填充40%--60%，其它设置各位玩家根据自己打印机的性能酌情设置。此时电气零件也陆续到位，接下来开始安装。图片自平衡立方体使用了3个Nidec 24H的无刷电机，这个电机自带驱动板和100线编码器，作者也表示可能会在之后的代码优化中添加编码功能。收到的电机有原配的安装座，需要拆掉。图片网上的卖家基本都会对电机接线定义进行说明，因为考虑到作者后期更新代码，所以8根线都要焊接，只不过编码器供电5V、信号A、信号B目前并没有任何实际用途。图片电机拆掉原来的安装座后安装3D打印的电机支架，电机排线接口方向并没有指向性位置，我这么装纯粹是为了拍照好看，使用3颗圆机M3X6mm的螺丝进行紧固。图片平衡轮是机械结构的重点部分，平衡轮安装调试的效果直接决定最终自平衡立方体动作的稳定性和功能性。按照作者的视频说明，要求3个平衡轮的重量均为70克，所以需要用电子秤称重，图片中的22.9克是已经安装了电机齿形轮顶丝之后的重量，这个重量根据每个人3D打印的设置参数都会有差别，但重点是要保障配重完成后平衡轮的重量为70克。图片三个平衡轮的配重比较消耗螺丝和螺母，平衡轮外圆上提供了32个4mm的配重螺丝安装孔位，所以螺丝数最多不能超过32个，不够的重量用螺母补。我这里使用了30颗圆机M4螺丝和螺母凑足70克重量。图片需要特别说明一下，在机械动平衡理论中圆形轴向转动的准静不平衡要求在整个圆周上重量尽量均匀，因此上图可以非常明显的看到我用30颗螺丝螺母以中心分割线为基准尽量镜像配重，以保证平衡轮在转动时不会因为整圆配重不均匀而产生额外的动力消耗，同时也能相对降低电机负载，延长电机使用寿命，关键是会更省电一些。图片最终调试好重量的平衡轮，螺丝没有特别的要求，但我建议使用圆机M4X8mm的螺丝配螺母。这样3个平衡轮就要用掉至少90颗螺丝和螺母，准备自己动手的朋友们要有个准备。图片电机齿形轮和平衡轮进行安装后使用顶丝紧固，配重螺丝之所以建议8mm长度，是为了避免平衡轮在转动时配重螺丝在背面和电机安装支架产生干涉。图片立方体电机面板四个立柱里需要安装M3螺母，电机支架和立方体面板使用4颗M3X10mm螺丝固定，其它没有特殊要求。图片正面安装效果，这时可以看到使用圆机螺丝的作用，如果使用内六角圆柱螺丝，则平衡轮在转动时就会和立方体面板支撑筋产生干涉卡阻。图片三个带电机的立方体侧面安装方法是完全一样的，接下来要将3个侧面板合体，按作者视频要求，此时需要拆除电机尾部的护罩。图片电机拆除尾部护罩后可以非常清晰的看到100线格栅式编码器，鼠标滚轮经常使用这种设计，只是格栅在圆上而已。如果通过编码器反馈数据，电机应该可以实现更精准的角度定位或加速度控制，后续扩展空间很大。图片在作者的视频中三面的固定使用了一种蓝色的半透明胶布，但作者没有具体说明。我这里使用了25mm款的纤维胶布进行固定，固定后强度没有问题，但和这个立方体颜色配合不太协调，所以后续会更换为3M的隐形胶布。图片三面固定后的结构图，纤维胶布比较突兀。另外提醒各位准备自己制作的朋友，在装配阶段没有必要按作者视频或我这样一下就固定好，因为后期在调试三轴电机时，可能还要根据陀螺仪数据更换电机位置（或者调换电机通讯线），所以可能还需要拆，在安装调试过程中别给自己找麻烦。图片三个电机面固定的内侧图，由于网上买的电机配给的数据线不够长，所以如果你不想延长数据线，那电机端口方向就要尽量都朝向外侧，不要参考我这张图，我后续做了延长数据线。图片自平衡立方体最终的成型尺寸是150mmX150mmX150mm，所以内部空间还是比较紧凑的，不拆除电机后尾盖装配不上。图片捎带手把另外三面也安装成型，注意安装电气零件的立方体三面是有安装方向的，上图是错误的安装示意。图片此图才是电气零件立方体三面的正确安装方向，实际上我也是在最后装调时才发现最初安装时的错误，各位朋友自行对比一下差异就明白了。图片剩下的机械结构安装相对简单，电池仓和电路板支架使用9颗圆机M3X10mm螺丝和螺母实现一体式结构，电池仓根据电池尺寸不同可以进行调整。图片我使用的是3S500mah25C锂电，尺寸约为57mmX32mmX15mm，电池仓原图纸设计最大尺寸为80mmX38mmX18mm，可以选型容量更大的电池进行安装，使成品的展示时间可以长一些。当然还可以优化这部分的图纸设计，装进去更大规格的电池。图片电路板支架使用M2X15mm螺丝，我这里选用了高度5mm的M2止退螺母进行固定，给电路板背面飞线预留出足够空间。图片三角形的零件即是电池和电路板的安装座，同时也是陀螺仪的安装座。此时已装好三角形顶点的挂件，最终电路板完成后安装在电路板支架上，使用挂件和立方体的另外三个面板连接，机械部分就算安装完成了。接下来开始电气部分，原理图在文章最开始就已经发出来了，基本电气原理大概具备初中以上学历就可以看懂，我就不具体解释了，按图进行焊接即可，如果实在不理解或解决不了，可以扫描最下方二维码和我单独交流。图片该项目使用了MPU6050陀螺仪传感器，传感器板仅需要焊接4根线，此次项目计划中除了基本电子元件，其它部件均使用了插针设计，没有固定的要求，完全看各位玩家自己的需求。图片焊接好的陀螺仪传感器安装在三角形安装座的底部，推荐使用两颗圆机M3X10mm螺丝。图片特别需要说明陀螺仪安装方向，陀螺仪和电气底座的安装方向以及后续的连接立方体三面方面有实际的安装要求，作者在视频中没有详细说明，如果安装方向偏差，会导致陀螺仪反馈数据和程序中算法偏差过大，立方体无法正常自平衡。图片特别说明陀螺仪和电气底座的紧固，特意拍了一张放大图。因为陀螺仪部分元件紧靠安装螺丝孔，如果直接安装螺丝紧固很可能会导致陀螺仪损坏，因此在陀螺仪和螺母之间的螺柱上，必须要安装3mm橡胶圈对螺母和陀螺仪进行隔离，防止损坏电子零件。图片接下来就要按照电气原理图焊接洞洞板了，应该使用50mmX70mm的洞洞板，这样四角的固定孔正好和3D打印的电路板座匹配。某多多有多不可靠由此可见一斑，收货为60mmX80mm尺寸的，追问客服居然坦然说也能用。你知道我干嘛用么？你考虑过安装空间么？唉。。。。。好了不为此事纠结，重新定位打孔其实确实能用，空间也确实能放下。图片洞洞板正面按照电气原理图进行布局，同样布局没有强制要求，每个设计者的思路不同，最终只要能实现功能即可。图片因为不是成型PCB板所以所有的连接点都是飞线，在写这篇文章的同时，为了方便后续其它玩家的制作和完成自我优化，PCB板的设计也在同步进行，感觉这种焊接难度较高的朋友，可以扫描下方二维码加我交流。但这确实是初中毕业就应该会的。图片此时充分体现出电路板支座垫高5mm的重要作用，所有的电线都在电路板座和电路板之间的空挡内，防止意外挤压导致电路故障。当电路板焊接完成并检测没有故障之后，则是要进行ESP32程序的写入并查验陀螺仪参