自己动手造个球平衡机器人

你是否曾对那些能够精妙地保持平衡的机器设备感到好奇？

从无人机到独轮平衡车，背后都蕴藏着复杂的控制系统。

今天，我们来介绍一个充满挑战与乐趣的项目——制作一个球平衡机器人。这不仅是一个酷炫的摆件，更是一次深入学习机器人、传感器和控制系统的机会。

这个项目源于一位创客的亲身实践，他从零开始，通过这个项目掌握了传感器、控制系统和逆运动学等核心知识，甚至学会了如何系统性地解决问题。它也适合新手，为那些希望将理论知识付诸实践的学生提供了完美的平台。

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自己动手造个球平衡机器人

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项目解析：三足鼎立的“平衡大师”

球平衡机器人，从工程角度看，是一个精巧的“三维平面并联机构”（3-RRS parallel manipulator）。你可以把它想象成一个由三条腿支撑的托盘。当小球偏离中心时，这三条“腿”——也就是三个步进电机——会协同工作，精确地调整托盘的倾斜角度，就像一个经验丰富的服务员在托盘上保持酒杯平衡一样，最终让小球始终回到中心位置。

那么，它到底是怎么做到这一切的呢？

简单来说，整个过程遵循一个闭环控制系统：

1. 感知（输入）： 平台上的电阻式触摸屏会实时感知小球的位置坐标。
2. 计算（处理）： 微控制器接收到这些坐标后，会进行复杂的运算，包括逆运动学和PID控制。逆运动学计算出为了让小球回到中心，三个电机需要转动的角度；PID控制器则像机器人的“大脑”，不断地根据小球的当前位置和速度，精细地调整输出，以确保小球能平稳、快速地回到中心，而不是来回振荡。
3. 执行（输出）： 电机驱动器接收到微控制器的指令后，会精准地控制步进电机转动，从而调整平台的角度。

准备材料

要打造这个机器人，你需要准备以下核心部件和工具。

每个选择都有讲究：

• 主控核心：Teensy 4.0 微控制器。为什么不用常见的Arduino？因为球平衡机器人需要高速、复杂的计算来处理实时传感器数据和控制算法，Teensy 4.0 的强大处理能力是其成功的关键。

• 驱动核心：三个 Nema 17 步进电机。步进电机能提供高扭矩和精确的步进控制，这对于实现平台角度的微调至关重要。

• 感知核心：一个电阻式触摸屏。它充当了机器人的“眼睛”，通过电阻变化来判断小球的精确位置。

• 驱动模块：三个 TMC2208 步进电机驱动器。这些驱动器能将微控制器的信号转化为电机所需的电流，并且拥有静音驱动功能，让机器人运行更平顺。

• 电源： 一个能提供至少 24V、5A 电源的直流电源。步进电机需要较高的电压才能发挥出足够的扭矩。

• 工具： 剪线钳、电烙铁、万用表等基础电子工具。此外，项目的大部分结构件需要通过 3D 打印制作，如果你没有3D打印机，可以寻找线下的创客空间或线上打印服务。

机械结构制作

项目最酷的部分之一就是它的机械设计。作者使用了 Solidworks 设计了所有的机械零件。好消息是，你不需要自己从头设计，作者已经将所有 3D 打印文件开源，你可以直接获取文件并进行打印。这一步主要是将各个零件打印出来，为后续组装做好准备。

电路搭建

这是项目的核心“神经系统”。

你需要根据项目提供的电路图，将 24V 电源、三个电机驱动器和 Teensy 4.0 微控制器连接起来。由于电机需要高压，而微控制器需要5V，因此需要一个稳压器将高压降下来。这一步考验的是你的焊接和电路连接能力，务必确保连接正确、牢固。

物理组装

将 3D 打印好的零件、电机、电路板和触摸屏组装在一起。这个过程需要一定的耐心，将每个部件都按照设计图纸安装到位，确保机械结构能够顺畅地移动，没有卡顿。

程序代码上传与调试

赋予机器人“生命”的关键一步。你需要将项目的代码上传到 Teensy 微控制器中。

代码包含了用于驱动电机、读取触摸屏数据以及实现平衡算法的所有逻辑。上传代码后，你还需要进行校准（Calibration），告诉机器人平台的水平位置，并调整 PID 参数，让它能够更平稳地控制小球。

完成以上步骤，你的球平衡机器人就大功告成了。当你亲手制作的机器人，在代码的驱动下，精准地保持小球的平衡，那种成就感是无与伦比的。

如果你对这个项目感兴趣，可以访问项目的 GitHub 页面，获取所有设计文件和代码：https://github.com/skulkarni3000/ball-balancing-bot