手把手教你造一个会「玩球」的平衡机器人！

想象一下，有个机器人，不靠手不靠脚，就能让一个球稳稳地待在板子上，无论怎么晃动都掉不下去，听起来是不是挺有意思？



今天，就带大家认识一位“平衡艺术家”—— BaBot！

由 Johan Link 开发的 BaBot，不是什么遥不可及的高科技，而是一个完全开源、你可以亲手打造的球平衡机器人项目！

它能让你亲身感受：

什么是 PID 控制？

传感器怎么玩？

机器人是怎么“思考”并行动的？

无论你是学生想把理论变实践，还是老师想找个有趣的教学案例，或者只是个纯粹热爱折腾的极客，BaBot 都能让你玩到停不下来！



BaBot 的诞生也挺有意思，它从 2018 年一个高中项目起步，最初用电脑加摄像头追球，后来迭代到树莓派版本。但现在这个最新版，用了更精巧的红外传感器和 ATmega32U4 微控制器，体积更小巧，成本更亲民，而且搭建起来也更方便。

准备工作

硬件部分

• 1块 2mm 厚的亚克力板 (PMMA)，就是它的“舞台”啦！
• 16颗 红外光电晶体管 + 16颗 广角红外 LED （BaBot 的“眼睛”）
• 1块 定制 PCB 电路板 (可以在各大PCB平台定制)
• 1颗 ATmega32U4 微控制器 (机器人的大脑)
• 1颗 CD74HC4067 16 通道模拟/数字多路复用器
• 1个 5V 10A 直流电源 (动力来源)
• 3个 MG90 微型舵机 (让板子动起来的小马达)
  

工具部分

• 激光切割机 (处理亚克力板，没有的话可以找服务)
• 3D 打印机 (打印机器人的骨架结构)
  

软件部分

• Arduino IDE 2.0 (上传代码)
  

第一步：搞定最核心的“骨骼”—— PCB 板










可以在这边下载打样：https://www.pcbway.com/project/s ... Robot_7efa0601.html

实物展示：






第二步：打印出机器人的“肌肉”—— 3D 打印结构件



BaBot 的身体框架、机械臂什么的，都是靠 3D 打印机打印出来的。

注意，那些要和舵机亲密接触的零件，打印精度得高一点。





STL文件可以直接到Thingiverse上下载：https://www.thingiverse.com/thing:7021268/files

或者点击文末左下角阅读原文，到DF创客社区论坛下载。

第三步：组装“手臂”和“关节”


3D 打印件到手后，先把那三根机械臂装好，然后把它们连到 MG90S 舵机上。







第四步：搭起机器人的“基座”





接着，把刚才装好的舵机臂安装到底座上。这就是 BaBot 的地基，所有电子器件都要放上面，平衡的魔法也从这里开始！






第五步：给机器人盖上“帽子”—— 安装顶板


现在，把那块亚克力透明顶板装到第二块 PCB 上，球就是在这上面滚来滚去的。






第六步：给机器人“注入灵魂”—— 上传代码





使用 Arduino IDE，把下载好的固件代码上传到主板上的 ATmega32U4 微控制器里。

代码是开源的，在 GitHub 上可以下载：https://github.com/JohanLink/BABOT

代码里有详细注释帮你理解。https://www.ba-bot.com/ 上也有更详尽的解析。


BaBot 到底是怎么做到“球不落地”的？





当你在透明板上放上球，一连串神奇的事情就发生了：

• 红外眼捕捉： 板子下面藏着一块秘密武器——全是红外 LED 和光电晶体管的电路板。LED 不停地向上发射红外光，光碰到球底部后反射回来，被光电晶体管接收到。这样，BaBot 就知道球现在滚到哪儿了，而且是实时的！
• 大脑思考： 球的位置数据嗖嗖地传送到主板上的 ATmega32U4 微控制器（就是 Arduino Leonardo 的同款芯片）。它立刻启动 PID 算法，计算出球现在的位置和它理想中“待着不动”的位置（通常是板子中心）差了多少。
• 计算完美倾斜： 知道了偏差，怎么把球“赶”回中心呢？BaBot 需要聪明地倾斜板子！它会解一系列复杂的逆运动学方程，算出每个舵机需要转动多少角度才能让板子达到那个“刚好”的倾斜角度。
• 身体行动： 舵机收到角度指令，立刻开始转动！连接舵机的机械臂末端有小金属球，它们像灵活的关节一样，通过磁力吸附在板子下面。舵机一动，板子就跟着倾斜！
• 循环往复： 板子动了，球的位置变了。BaBot 的红外眼又立刻捕捉新的位置，然后大脑再次计算、舵机再次调整…… 这个反馈回路每秒钟重复约 30 次！就像给球施了魔法一样，让它稳稳地不掉下来。
  

这就是 BaBot 实时球平衡的秘密，传感器、控制算法、精密机械完美配合。


最后




BaBot 不仅仅是个好玩的玩具，它提供了一个很好的机会，让你亲手搭建并深入理解实时控制系统。开源的设计鼓励你去修改、去实验，无论你是刚入门的小白还是想挑战自己的高手，相信都可以在 BaBot 中找到乐趣。

原项目地址：https://www.instructables.com/Ba ... ll-Balancing-Robot/

项目作者：Johan Link

译文首发于DF创客社区

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