- Un cubo apoyado sobre una sola arista mantiene el equilibrio con tres ruedas de reacción y un controlador, y además controla la rotación sobre su eje; es un proyecto de hardware open source
- El original fue el Cubli de ETH Zürich, y Bobrow y otros en la University of São Paulo añadieron un concepto de control que reduce las IMU necesarias de 6 a 1
- Como los trabajos previos eran en su mayoría cerrados, el creador hizo ingeniería inversa del diseño mecánico, el circuito, la configuración y el código, y lo publicó como un proyecto completamente open source
- El hardware está compuesto por una estructura de acero inoxidable y aluminio, 3 motores Maxon de 60W, un controlador de motor de 4 cuadrantes, una batería LiPo 6S1P, un ESP32-S3 y una placa personalizada con IMU
- Por ahora está en la etapa en la que una persona lo coloca de pie y luego mantiene el equilibrio; el siguiente objetivo es hacer que el cubo salte por sí solo hasta la posición de equilibrio con un freno mecánico
Un cubo tipo Cubli recreado como open source
- Este cubo puede equilibrarse sobre una arista y, al mismo tiempo, realizar una rotación controlada alrededor de su eje
- La clave de su funcionamiento está en un método de control ingenioso y en tres ruedas de reacción
- La idea original parte del Cubli desarrollado por investigadores de ETH Zürich
- Más adelante, Bobrow y otros introdujeron en la University of São Paulo un concepto de control mejorado que redujo de 6 a 1 la cantidad de IMU necesarias
- Como los trabajos previos eran en su mayoría privados, el creador hizo ingeniería inversa de todo, lo redibujó desde cero y lo publicó
- Los archivos de diseño, configuración y código están disponibles en el repositorio de GitHub
- Según el creador, el BOM ronda los €2500
Un dispositivo más cercano al aprendizaje y la investigación que a la utilidad práctica
- El cubo en sí se acerca más a una experiencia de aprendizaje y a un proyecto de investigación que a un producto con utilidad práctica directa
- Aun así, las ruedas de reacción con el mismo principio se usan para control de actitud en satélites como el James Webb telescope
- Igual que el clasificador de M&Ms anterior, un dispositivo que parece inútil a simple vista puede tener valor real en aplicaciones similares
Estructura mecánica y fabricación
- La estructura mecánica general es en gran medida parecida a la del Cubli original, aunque con algunas diferencias de detalle
- La estructura base está compuesta por 8 cornerstones y 6 face plates
- De las 6 face plates, 3 tienen formas adicionales para sostener el conjunto de motor y rueda de reacción
- Todas las piezas fueron diseñadas en Fusion 360
- El creador considera que usar Fusion 360 en lugar de Siemens NX, que utilizaba antes, facilitó compartir el diseño con la comunidad DIY
- La mayoría de las piezas estructurales se fabricaron en acero inoxidable para obtener mayor resistencia
- Las face plates se fabricaron en aluminio para reducir peso
- Después del ensamblaje, la rigidez estructural resultó suficiente, así que no fue necesario hacer las face plates en acero
- Las piezas metálicas fueron mecanizadas por CNC en PCBWay
- Parte del costo fue patrocinado por PCBWay
- Se utilizó un proceso de pedido en el que la cotización se calcula automáticamente tras subir las piezas y especificar el material
- Algunos pequeños problemas de producción se resolvieron rápido y las piezas encajaron sin inconvenientes
Ensamblaje de motores y ruedas de reacción
- Las ruedas de reacción pueden alcanzar hasta 6000 rpm, así que se necesitaba un diseño resistente pero ligero
- Los motores se unen a un puente de acero inoxidable con tres tornillos de cabeza avellanada, y el puente se fija a una face plate de aluminio
- En el eje del motor se monta un pequeño hub, fijado con tres set screws
- Si el agujero central del hub no queda perpendicular a la cara triangular plana, la rueda puede desalinearse con el eje del motor y causar vibración y desgaste
- La rueda de reacción se monta sobre el hub con tres tornillos de cabeza avellanada
- Las pequeñas imperfecciones entre hub y rueda se corrigieron colocando un pequeño trozo de papel entre las superficies de contacto
- En la face plate se instala un pequeño radial ball bearing, fijado con adhesivo cyanoacrylate
- Este rodamiento sostiene un extremo del eje del motor
- El otro extremo lo sostienen los rodamientos internos del motor
- Este proceso de ensamblaje se repite tres veces para construir la mitad del cubo, y luego las face plates restantes se unen directamente sin un ensamblaje especial
- Para simplificar el cableado, uno de los motores se colocó con una orientación distinta respecto al puente
Configuración eléctrica y mecánica
- Igual que otros balancing cubes que usan motores de la serie EC flat de Maxon, este proyecto también eligió componentes Maxon
- Los motores y controladores son piezas clave para que el cubo se equilibre mediante torque
- Muchos motores DC no tienen datasheets que indiquen la constante de torque
- Muchos controladores BLDC o ESC solo ofrecen control de velocidad y no control de corriente
- En este proyecto son indispensables la relación torque-corriente y el control de corriente
- El motor elegido es un Maxon 60W motor, y el controlador de motor de 4 cuadrantes compatible puede suministrar hasta 6A
- A 24V y 6A se obtienen casi 150W
- Esto supera la potencia nominal del motor, pero las sobrecargas breves no son un problema
- El controlador incluye un algoritmo I2t que limita la corriente si estima que la temperatura del bobinado será demasiado alta
- Durante el equilibrio, la corriente normalmente es muy baja, así que es poco probable alcanzar ese límite en operación normal
- El software del controlador de motor Escon ofrece herramientas para puesta en marcha del motor, ajuste y un dashboard que muestra el estado y las entradas/salidas durante la operación
Batería y placa personalizada
- La batería utilizada es una batería de polímero de litio 6S1P
- Como la tensión nominal del motor es 24V, una LiPo de 6 celdas con tensión nominal de 22.2V encaja bien
- Tiene una capacidad de 1300mAh y 29Wh, y normalmente puede alimentar el cubo por al menos 1 hora
- La placa principal es de diseño personalizado
- tres controladores de motor
- IMU
- placa de desarrollo ESP32-S3
- circuito de protección
- reguladores de voltaje
- salida para RC servo motor del freno mecánico
- La salida para el freno mecánico se dejó prevista para que el cubo pueda hacer jump-up hasta la posición de equilibrio por sí solo
- El diseño del freno aún no está terminado
- La placa se ensambló aplicando solder paste, colocando componentes de montaje superficial, haciendo reflow en un pequeño horno tostador y soldando a mano los componentes through-hole
- Durante la integración y las pruebas se encontraron algunos errores de ruteo que se corrigieron con bodge wires
- Solo una de las entradas digitales del controlador de motor admitía PWM, pero la señal PWM estaba ruteada a una entrada que no lo soportaba
- También se diseñó por separado una placa para montar la batería
- 2 conectores XT60
- 2 interruptores conectados en paralelo considerando una corriente de hasta 18A
Port del controlador y control de equilibrio
- En lugar de diseñar un controlador nuevo, se hizo un port del cubli-firmware de Fabio Bobrow desde Arm Mbed a Arduino
- En vez de una STM32 Nucleo, se usó un ESP32 como microcontrolador
- Como la IMU elegida fue la ICM20948 de TDK Invensense, también fue necesario reescribir su driver
- El controlador principal de actitud debe cumplir dos objetivos contrapuestos al mismo tiempo
- mantener el cubo en la actitud deseada, es decir, en una posición de equilibrio inestable
- mantener la velocidad de las ruedas de reacción cerca del mínimo posible
- Si no se tiene en cuenta el segundo objetivo, la velocidad de las ruedas puede volverse incontrolable y el motor puede saturarse, impidiendo aplicar torque al cubo
- Si la fuerza que intenta mantener la velocidad de las ruedas cerca de 0 es demasiado grande, el cubo se cae
- Por el contrario, si esa fuerza es demasiado débil, la velocidad de las ruedas puede aumentar literalmente sin control
- Para lograr buen equilibrio, rechazo a perturbaciones y baja velocidad de rueda al mismo tiempo, hay que encontrar las ganancias adecuadas
Error constante e integración de la posición de la rueda
- El controlador también incluye un mecanismo para tratar el error constante
- Ese error constante aparece cuando la posición de equilibrio configurada y la posición de equilibrio real difieren un poco por imperfecciones en la distribución del peso del cubo
- En un controlador PID normal, el término integral se encarga de este tipo de error
- En este controlador se usa la posición de la rueda como si fuera el valor integrado
- Si se coloca un tomate sobre el cubo y cambia la distribución de peso, las ruedas de reacción aumentan y luego reducen su velocidad mientras se desplazan a una nueva posición, compensando así el error adicional
El punto más difícil: el tuning
- La puesta en marcha y el ajuste del controlador fueron la parte más grande del trabajo relacionado con el código
- Primero se necesitaron varios días para alinear los signos de distintas señales
- Después hubo que encontrar las ganancias del controlador
- El método de tuning descrito en la tesis de Bobrow no funcionó en este cubo
- Este cubo usa ruedas distintas a las del cubo de Bobrow, así que no era posible reutilizar directamente las ganancias
- Tras un proceso repetitivo de ajuste manual, se logró el desempeño de estabilización que se ve en el video
Cubos similares y siguientes pasos
- El creador considera que este cubo es un cubo completamente open source que logró un rendimiento de equilibrio similar al del Cubli
- Los proyectos similares relativamente bien documentados son los siguientes
- El siguiente objetivo es añadir un freno mecánico a las ruedas de reacción
- El freno puede detener la rueda rápidamente y generar un torque mucho mayor que el que el motor puede producir por sí solo
- Ese torque hace posible que el cubo realice por sí mismo una jump-up manoeuver hasta la posición de equilibrio
- Según el creador, por ahora solo el Cubli original cuenta con esta función
- Como el mecanismo de freno del Cubli no le convence por varias razones, planea usar un enfoque distinto
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Como alguien con una maestría en control y procesamiento de señales que terminó haciendo cosas más aburridas, pensaba que pasar días invirtiendo el signo de una señal era por falta de experiencia.
Resulta que incluso en ese juicio me había equivocado de signo.
x *= -1.0; //DO NOT TOUCHen la base de código.Todo el mundo lo hace, pero normalmente se prueba antes de pegarlo con cinta duct tape encima de varios miles de kg de explosivos y apretar el botón rojo :)
Todos los controladores que he diseñado e implementado me han obligado a aceptar la realidad de que, para garantizar comportamientos como signos y direcciones, al final hacen falta suficientes pruebas unitarias.
Ese video me pareció realmente impresionante.
Fue lo más cercano que he estado a pensar “¿esto no es simplemente magia?”.
La forma en que reacciona cuando lo empujan se siente como la primera vez que uno ve imanes, pero ahora parece que estuvieras viendo una fuerza completamente nueva.
Mantiene el equilibrio por sí mismo como si estuviera vivo y resiste cambios en el entorno; incluso si le pones un tomate encima, se adapta de inmediato, como nuestros cuerpos se adaptan a cambios de carga.
Algún día, si venden en Amazon una versión pequeña producida en masa de 50 dólares, definitivamente quiero jugar con una.
https://youtu.be/n_6p-1J551Y?si=zvwORnuPZmgXw0S8
Cuando aprendía programación sentí: “si le dedico tiempo a escribir programas, puedo hacer que la computadora haga lo que quiera”.
La teoría de control da una sensación parecida, solo que esta vez parece que “programaras” las leyes de la física para cambiar cómo funciona la realidad.
Si buscas en YouTube, hay ejemplos de hace más de 10 años.
Disfruto mucho mi carrera como ingeniero de software, pero una parte de mí desearía haber estudiado un campo que me permitiera empezar a construir cosas como esta.
Es realmente genial.
Como la mayoría de nosotros aprendimos programación ;-)
Eso sí, conviene no empezar con un cubo autoequilibrado como primer proyecto; mejor comprar una placa Arduino o ESP y empezar haciendo parpadear un LED.
Como punto medio terminé en la automatización del hogar y proyectos de electrónica de hobby con microcontroladores como esp32 y rpi pico.
Vale la pena probarlo si quieres construir algo tangible.
Como referencia, el costo total de componentes de este proyecto del cubo fue de unos 2500 euros.
Al menos hasta que descubrí que los empleos disponibles en el mercado consistían en fabricar máquinas para matar gente.
En mi caso fue así; cada quien puede tener una experiencia distinta.
Tiene buenos tutoriales y las presentaciones de productos y videos están realmente bien hechas.
Prácticamente todos los productos tienen un video, así que es un lugar donde es muy fácil gastar dinero.
También ayuda a la carrera de ingeniería de software al mejorar la velocidad, precisión y eficiencia al programar.
https://www.reddit.com/r/ErgoMechKeyboards/comments/hj0q8x/f...
Me entusiasma la parte en la que planean agregar frenos mecánicos a las ruedas de reacción para permitir maniobras de salto y hacer que el cubo llegue por sí solo a la posición de equilibrio.
Siempre fue lo que más me pareció genial del proyecto Cubli.
Video: https://youtu.be/n_6p-1J551Y?t=92
Para trepar hacia arriba no debería ser circular, pero para rodar hacia abajo parecería conveniente tener bordes redondeados.
Me imagino una forma en la que dos aros forman una esfera: giran 90 grados para alternar entre modo rodar y modo caminar.
El cubo salta sobre una arista, vuelve a subir a una esquina y empieza a girar, y puede hacerlo sobre superficies arbitrarias.
Creo que incluso la mayoría de las personas que se consideran familiarizadas con la física quedarían bastante confundidas, y si el cubo de pronto saltara de la esquina de vuelta a una cara, mostrando que no era algún dispositivo oculto sobresaliente, quizá empezarían a considerar seriamente la posibilidad de que fuera magia.
Ahora solo falta una buena carcasa de madera y una base de carga inductiva que combine.
Si fuera Kickstarter, podrían quedarse con mi dinero.
Me recuerda al tren monorriel Brennan.
Es un video muy interesante: https://www.youtube.com/watch?v=kUYzuAJeg3M
Es arte excelente.
Esta otra obra de la misma persona es completamente distinta, pero igual de entretenida de ver: https://www.youtube.com/watch?v=P9jyNIWsRvI
Me encantan los ingenieros que hacen arte.
Es una obra en la que le puso una rueda de reacción a un sofá de 170 años para que se mantuviera de forma increíble sobre una sola pata.
Al final, cuando la rueda de reacción llega a su límite, el sofá se cae y explota; si le preguntaras al artista, diría que se parece a las relaciones humanas.
Hoy en día también es difícil que no te haga pensar en la política.
También fue reconocida por el Prix Ars Electronica, un honor muy alto en este género.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=uQRP-b68fnE
Texto: https://ars.electronica.art/aeblog/en/2014/07/02/auf-der-suc...
De hecho, creo que ambos podrían combinarse fácilmente.
Cada domingo normalmente me emociono al alcanzar nuevas alturas con código, y siento satisfacción por haber llevado más lejos la perseverancia y la creatividad; pero cuando veo publicaciones como esta me siento completamente impotente.
Tengo poca paciencia y me da demasiado miedo siquiera intentar algo así.
Durante las últimas semanas empecé a aprender React como proyecto paralelo, y me sentí bastante orgulloso de construir algo que mis amigos realmente podrían usar.
Claro, no tiene ese factor “wow”, pero tampoco me costó 2500 dólares hacerlo, ni requirió años, quizá décadas, de aprendizaje.
Muy pocas personas llegan a ser las mejores del mundo en cualquier área, pero eso no importa.
Ese hecho no cambia lo que yo puedo hacer.
Muchos ni siquiera requieren soldar.
Empezar desde cero absoluto es demasiado difícil, porque tienes que averiguar por tu cuenta qué componentes encajan entre sí, cuánta energía necesitan, etc.
Así se vuelve mucho más fácil, y también puedes usar piezas comerciales o hechas a mano.
En realidad, más que el hecho de que mantenga el equilibrio, me atrae más el aspecto genial del objeto en sí.
Busqué de inmediato si estaba a la venta, y parece que hacerlo uno mismo cuesta unos 2500 dólares.
Llámenme imprudente si quieren, pero si una versión más grande tuviera agarres a lo largo de las aristas, pagaría por subirme.
Quisiera sentir directamente cómo reacciona a mis movimientos.
Es un experimento mental interesante.
Me pregunto qué tal sería la idea de hacer que, cuando la batería esté baja o las ruedas de control de reacción se saturen, vuelva a recostarse por sí solo sobre un cargador Qi o unos pines pogo.
Aunque probablemente eso tendría que venir después de agregarle frenos para que pueda levantarse solo.
La distancia podría ser un problema.