不會倒的立方體：自平衡陀螺儀式立方體的誕生

大家好，我是 Timon Moser。我和來自奧地利霍拉布倫高等技術學院（HTL Hollabrunn）機械設計與構造系的 Alexander Moldaschl 及 Florian Fafilek 一起，作為畢業設計的一部分，共同開發了一款自平衡陀螺儀式立方體（Cubli）。

創意源起：一個不會輕易倒下的立方體

這個專案並非始於一個典型的日常問題，而是源於一項技術挑戰：能否利用內部的反應飛輪讓一個立方體實現自我穩定？ 這一創意最終演變成了一個功能完備的 Cubli——一個集成了機械設計、電子工程和控制工程的緊湊系統。 Cubli 是一種陀螺儀式立方體，它能夠利用旋轉飛輪的動力，僅憑一條邊或一個角就能保持平衡。 感測器用來檢測立方體的姿態位置，微控制器對數據進行處理並控制馬達運轉。 透過改變飛輪的轉速，系統可以產生反作用力矩，從而幫助立方體恢復並維持平衡。

從 2D 測試裝置走向 3D Cubli

最終呈現的 3D Cubli 由六個矩形框架件拼接構成立方體外殼。 其內部裝有三個呈正交排列的反應飛輪、馬達、馬達固定座、扭矩傳輸部件，以及包括 PCB 電路板在內的電子元器件。

這個中間步驟至關重要。2D 裝置有助於理解單個動量輪的行為，觀察質量分佈，並在早期階段發現潛在的設計問題。只有在這之後，該原理才被應用到三個空間軸上。 最終的 3D Cubli 由六個形成立方體的矩形框架部件組成。內部是三個正交排列的動量輪、馬達、馬達座、扭矩傳輸部件以及包含電路板在內的電子元件。每個軸必須能夠獨立運作，且不會與其他飛輪或零組件發生干涉與碰撞。

設計難點：當重心決定功能性

在這樣的專案中，成功不僅取決於所有部件能否完美拼裝在一起，同樣重要的是質量分佈在哪裡。 在平衡時，Cubli 處於不穩定平衡狀態。重心的微小偏差都會產生額外的傾覆力矩，從而增加控制難度。因此，重量較大的部件必須盡可能靠近中心放置。同時，立方體還需要有足夠的空間來容納馬達、動量輪、軸承、扭矩傳輸部件和電子器件。 我主要負責專案的機械部分。Alexander 負責軟體和 PCB 電路設計，而 Florian 則負責電子器件、計算、接線和組裝。這種明確的職責分工非常重要，因為在這個專案中，機械、電子和控制工程是直接相互作用的。 其中最重要的機械部件包括：

作為支撐結構的框架部件

用於產生角動量的動量輪

馬達座

扭矩傳輸部件

軸承與連接元件

3D 列印角件

PCB 及電子元件

最大的挑戰在於協調所有機械部件，使這套裝置後續能夠真正運轉起來，並且各個零件能夠精準配合。

雷射切割框架部件——奠定穩固基石

對於框架部件，我們選擇了雷射切割工藝。這些組件構成了立方體的基本結構，要求輕量、穩固且高精度加工。鋁合金顯然是理想之選，因為它完美結合了低重量與足夠的穩定性。 雷射切割的框架部件在 Xometry 擇冪科技的支持下完成製造。對我們團隊來說，重要的不僅是製造本身，還有快速且簡便的流程。在畢業論文專案中，時間非常緊迫。因此，報價、決策和製造步驟都需要快速高效地銜接。 對我們團隊而言，這既是切實的幫助，也證明了企業對於學生技術專案的重視。在一個預算有限、日程緊張的專案中，一個可靠的製造合作夥伴可以帶來決定性的改變。除了精細的表面光潔度，框架部件還必須保證機械組裝的精準度。

遭遇挑戰：製造細節上的小疏忽帶來大後果 與許多技術專案一樣，這個陀螺儀立方體也表明，最重要的經驗教訓往往不會出現在 CAD 模型中，而是在實際組裝過程中浮現。 其中一個特別的挑戰是在不鏽鋼部件上攻絲（切削螺紋）。絲錐折斷並卡在了馬達座和扭矩傳輸部件中。結果導致部分螺紋初始階段無法完成加工。這不僅令人沮喪，還阻礙了後續的機械組裝。 我們尋找了外部解決方案，並深刻體會到了面向可製造性設計（DFM）究竟有多麼重要。有些孔本可以早點做出調整，某些螺紋深度對於手動加工來說並不理想，而微小的細節產生的後果遠超預期。 這也成為了該專案最重要的體會之一：即使是微小的設計決策，後續也可能對製造、組裝和功能產生重大影響。

專案未來的發展方向

最終，產出的不僅是一個技術展示樣機，更是一個將理論與實踐緊密結合的專案。團隊成功打造了一個可運行的 2D 測試裝置，完成了 3D Cubli 的最終機械和電氣組裝，並在設計、製造、電子和專案管理方面積累了寶貴的經驗。 對我來說，看到一個想法逐漸變成現實存在的物理系統特別有成就感。最讓我興奮的是，最終呈現在你面前的是一個真正能運轉的實體系統，而不僅僅是一個理論概念。

Cubli 接下來的步驟是穩定系統的全面實施與測試。未來一個可能展的方向是讓 Cubli 能夠實現自主站立起擺。 然而，最重要的感悟已經非常明確：技術專案極少能夠一帆風順地完成。而這也恰恰是它們的價值所在。規劃、精度和規範的設計非常重要——但面對問題靈活應變並堅持下去的能力也同樣重要。