你是否曾對那些能夠精妙地保持平衡的機器設備感到好奇？

從無人機到獨輪平衡車，背后都蘊藏著復雜的控制系統。

今天，我們來介紹一個充滿挑戰與樂趣的項目——制作一個球平衡機器人。這不僅是一個酷炫的擺件，更是一次深入學習機器人、傳感器和控制系統的機會。

這個項目源于一位創客的親身實踐，他從零開始，通過這個項目掌握了傳感器、控制系統和逆運動學等核心知識，甚至學會了如何系統性地解決問題。它非常適合新手，也為那些希望將理論知識付諸實踐的學生提供了完美的平臺。

項目解析：三足鼎立的“平衡大師”

球平衡機器人，從工程角度看，是一個精巧的“三維平面并聯機構”（3-RRS parallel manipulator）。你可以把它想象成一個由三條腿支撐的托盤。當小球偏離中心時，這三條“腿”——也就是三個步進電機——會協同工作，精確地調整托盤的傾斜角度，就像一個經驗豐富的服務員在托盤上保持酒杯平衡一樣，最終讓小球始終回到中心位置。

那么，它到底是怎么做到這一切的呢？

簡單來說，整個過程遵循一個閉環控制系統：

1. 感知（輸入）： 平臺上的電阻式觸摸屏會實時感知小球的位置坐標。
2. 計算（處理）： 微控制器接收到這些坐標后，會進行復雜的運算，包括逆運動學和PID控制。逆運動學計算出為了讓小球回到中心，三個電機需要轉動的角度；PID控制器則像機器人的“大腦”，不斷地根據小球的當前位置和速度，精細地調整輸出，以確保小球能平穩、快速地回到中心，而不是來回振蕩。
3. 執行（輸出）： 電機驅動器接收到微控制器的指令后，會精準地控制步進電機轉動，從而調整平臺的角度。

準備材料

要打造這個機器人，你需要準備以下核心部件和工具。

每個選擇都有講究：

• 主控核心： Teensy 4.0 微控制器。為什么不用常見的Arduino？因為球平衡機器人需要高速、復雜的計算來處理實時傳感器數據和控制算法，Teensy 4.0 的強大處理能力是其成功的關鍵。

• 驅動核心： 三個 Nema 17 步進電機。步進電機能提供高扭矩和精確的步進控制，這對于實現平臺角度的微調至關重要。

• 感知核心： 一個電阻式觸摸屏。它充當了機器人的“眼睛”，通過電阻變化來判斷小球的精確位置。

• 驅動模塊： 三個 TMC2208 步進電機驅動器。這些驅動器能將微控制器的信號轉化為電機所需的電流，并且擁有靜音驅動功能，讓機器人運行更平順。

• 電源： 一個能提供至少 24V、5A 電源的直流電源。步進電機需要較高的電壓才能發揮出足夠的扭矩。

• 工具： 剪線鉗、電烙鐵、萬用表等基礎電子工具。此外，項目的大部分結構件需要通過 3D 打印制作，如果你沒有3D打印機，可以尋找線下的創客空間或線上打印服務。

機械結構制作

項目最酷的部分之一就是它的機械設計。作者使用了 Solidworks 設計了所有的機械零件。好消息是，你不需要自己從頭設計，作者已經將所有 3D 打印文件開源，你可以直接獲取文件并進行打印。這一步主要是將各個零件打印出來，為后續組裝做好準備。

電路搭建

這是項目的核心“神經系統”。

你需要根據項目提供的電路圖，將 24V 電源、三個電機驅動器和 Teensy 4.0 微控制器連接起來。由于電機需要高壓，而微控制器需要5V，因此需要一個穩壓器將高壓降下來。這一步考驗的是你的焊接和電路連接能力，務必確保連接正確、牢固。

物理組裝

將 3D 打印好的零件、電機、電路板和觸摸屏組裝在一起。這個過程需要一定的耐心，將每個部件都按照設計圖紙安裝到位，確保機械結構能夠順暢地移動，沒有卡頓。

程序代碼上傳與調試

賦予機器人“生命”的關鍵一步。你需要將項目的代碼上傳到 Teensy 微控制器中。

代碼包含了用于驅動電機、讀取觸摸屏數據以及實現平衡算法的所有邏輯。上傳代碼后，你還需要進行校準（Calibration），告訴機器人平臺的水平位置，并調整 PID 參數，讓它能夠更平穩地控制小球。

完成以上步驟，你的球平衡機器人就大功告成了。當你親手制作的機器人，在代碼的驅動下，精準地保持小球的平衡，那種成就感是無與倫比的。

如果你對這個項目感興趣，可以訪問項目的 GitHub 頁面，獲取所有設計文件和代碼：https://github.com/skulkarni3000/ball-balancing-bot

也可以到DF創客社區論壇下載所有打包文件。