Conception d’un cube qui s’équilibre tout seul sur une arête
(willempennings.nl)- Un cube posé sur une arête maintient son équilibre grâce à trois roues de réaction et à un contrôleur ; c’est un projet matériel open source qui contrôle aussi la rotation autour de ses axes
- Le modèle d’origine est le Cubli de l’ETH Zürich, et Bobrow et al., de l’University of São Paulo, y ont ajouté un concept de contrôle réduisant le nombre d’IMU nécessaires de 6 à 1
- Comme les travaux existants étaient pour la plupart fermés, le créateur a rétroconçu la conception mécanique, les circuits, la configuration et le code, puis les a publiés en open source complet
- Le matériel se compose d’une structure en acier inoxydable et en aluminium, de trois moteurs Maxon 60 W, de contrôleurs moteur 4 quadrants, d’une batterie LiPo 6S1P, d’un ESP32-S3 et d’une carte personnalisée intégrant l’IMU
- Pour l’instant, le cube peut maintenir son équilibre après avoir été placé manuellement ; le prochain objectif est de le faire sauter tout seul jusqu’à la position d’équilibre grâce à des freins mécaniques
Un cube de la famille Cubli recréé en open source
- Ce cube peut tenir en équilibre sur une arête et, en même temps, effectuer une rotation contrôlée autour de ses axes
- Le cœur de son fonctionnement repose sur une méthode de contrôle ingénieuse et sur trois roues de réaction
- L’idée d’origine vient du Cubli conçu par des chercheurs de l’ETH Zürich
- Par la suite, Bobrow et al., à l’University of São Paulo, ont introduit un concept de contrôle amélioré qui réduit le nombre d’IMU nécessaires de 6 à 1
- Comme les travaux existants étaient pour la plupart fermés, le créateur a tout rétroconçu et redessiné depuis zéro avant de publier le résultat
- Les fichiers de conception, de configuration et de code sont disponibles dans le dépôt GitHub
- Selon le créateur, la BOM avoisine 2 500 €
Un dispositif davantage tourné vers l’apprentissage et la recherche que vers un usage pratique
- Le cube lui-même relève surtout d’une expérience d’apprentissage et d’un projet de recherche, avec une valeur pratique directe limitée
- Cela dit, des roues de réaction reposant sur le même principe sont utilisées pour le contrôle d’attitude dans des satellites comme le télescope James Webb
- Comme le précédent trieur de M&Ms, un dispositif qui semble inutile au premier abord peut avoir une vraie valeur dans des applications similaires
Structure mécanique et fabrication
- L’ensemble de la structure mécanique est globalement similaire au Cubli original, avec quelques différences de détail
- La structure de base se compose de 8 cornerstones et de 6 face plates
- Parmi les 6 face plates, 3 comportent des formes supplémentaires destinées à soutenir les ensembles moteur et roue de réaction
- Toutes les pièces ont été conçues dans Fusion 360
- Le créateur estime qu’utiliser Fusion 360 plutôt que Siemens NX, qu’il employait auparavant, facilite le partage de la conception avec la communauté DIY
- La plupart des pièces structurelles sont fabriquées en acier inoxydable pour garantir la résistance
- Les face plates sont fabriquées en aluminium afin de réduire le poids
- Après assemblage, la rigidité structurelle était suffisante et il n’était pas nécessaire de fabriquer les face plates en acier
- Les pièces métalliques ont été usinées CNC par PCBWay
- Une partie des coûts a été sponsorisée par PCBWay
- Le processus de commande utilisé calcule automatiquement le devis après téléversement des pièces et choix des matériaux
- De petits problèmes de production ont été résolus rapidement, et les pièces se sont assemblées sans difficulté
Assemblage des moteurs et des roues de réaction
- Les roues de réaction pouvant atteindre jusqu’à 6 000 tr/min, il fallait une conception à la fois robuste et légère
- Le moteur est fixé par trois vis à tête fraisée à un pont en acier inoxydable, lui-même fixé à une face plate en aluminium
- Un petit moyeu est monté sur l’arbre du moteur et maintenu par trois vis de pression
- Si le trou central du moyeu n’est pas perpendiculaire à la face triangulaire plane, la roue ne s’aligne pas avec l’arbre du moteur, ce qui peut provoquer vibrations et usure
- La roue de réaction est fixée au moyeu par trois vis à tête fraisée
- Les petites imperfections du moyeu et de la roue sont compensées en insérant de petits morceaux de papier entre les surfaces de contact
- Un petit roulement à billes radial est inséré dans la face plate et fixé avec de la colle cyanoacrylate
- Ce roulement soutient une extrémité de l’arbre moteur
- L’autre extrémité de l’arbre est soutenue par le roulement interne du moteur
- Ce processus d’assemblage est répété trois fois pour fabriquer la moitié du cube, tandis que les autres face plates sont simplement assemblées sans montage particulier
- Pour simplifier le câblage, l’un des moteurs est orienté différemment par rapport à la direction de référence du pont
Configuration électromécanique
- Comme d’autres balancing cubes utilisent les moteurs de la série EC flat de Maxon, ce projet a lui aussi retenu des composants Maxon
- Les moteurs et les contrôleurs sont des composants essentiels pour que le cube tienne en équilibre grâce au couple
- Beaucoup de moteurs DC n’ont pas de fiche technique indiquant la constante de couple
- Beaucoup de contrôleurs BLDC ou d’ESC ne proposent que le contrôle de vitesse, sans contrôle de courant
- Pour ce projet, la relation couple-courant et le contrôle du courant sont indispensables
- Le moteur choisi est un moteur 60 W Maxon, et le contrôleur moteur 4 quadrants compatible peut fournir jusqu’à 6 A de courant
- À 24 V, 6 A correspondent à près de 150 W
- Cela dépasse la puissance nominale du moteur, mais une surcharge brève ne pose pas problème
- Le contrôleur intègre un algorithme I2t qui limite le courant lorsqu’il estime que la température des enroulements deviendrait trop élevée
- Pendant le maintien de l’équilibre, le courant reste généralement très faible, il est donc peu probable que cette limite soit atteinte en fonctionnement normal
- Le logiciel du contrôleur moteur Escon fournit la mise en service du moteur, des outils de réglage, ainsi qu’un tableau de bord affichant l’état et les entrées/sorties pendant le fonctionnement
Batterie et carte personnalisée
- La batterie utilisée est une lithium-polymère 6S1P
- Comme le moteur est nominalement en 24 V, une LiPo 6 cellules à tension nominale de 22,2 V convient bien
- Sa capacité est de 1 300 mAh, soit 29 Wh, et elle permet généralement d’alimenter le cube pendant au moins 1 heure
- La carte principale est une conception personnalisée
- Trois contrôleurs moteur
- IMU
- Carte de développement ESP32-S3
- Circuit de protection
- Régulateur de tension
- Sortie pour servomoteur RC destiné aux freins mécaniques
- La sortie pour freins mécaniques a été prévue dès la conception afin de permettre au cube de se relever par saut jusqu’à sa position d’équilibre
- La conception des freins n’est pas encore terminée
- La carte électronique a été assemblée par dépôt de pâte à braser, placement des composants CMS, refusion dans un petit four grille-pain, puis soudure manuelle des composants traversants
- Lors de l’intégration et des tests, quelques erreurs de routage ont été détectées et corrigées avec des bodge wires
- Une seule des entrées numériques du contrôleur moteur prenait en charge le PWM, mais le signal PWM avait été routé vers une entrée qui ne le prenait pas en charge
- Une carte séparée a aussi été conçue pour monter la batterie
- Deux connecteurs XT60
- Deux interrupteurs câblés en parallèle pour tenir compte d’un courant maximal de 18 A
Portage du contrôleur et contrôle d’équilibre
- Le contrôleur n’a pas été conçu de zéro : le cubli-firmware de Fabio Bobrow a été porté d’Arm Mbed vers Arduino
- Le microcontrôleur utilisé est un ESP32 plutôt qu’une STM32 Nucleo
- Comme l’IMU est une ICM20948 de TDK Invensense, le pilote correspondant a également été réécrit
- Le contrôleur principal d’attitude doit satisfaire simultanément deux objectifs contradictoires
- Maintenir le cube dans l’attitude souhaitée, c’est-à-dire dans une position d’équilibre instable
- Garder la vitesse des roues de réaction aussi proche que possible du minimum
- Si le second objectif n’est pas pris en compte, la vitesse des roues devient incontrôlable, les moteurs peuvent saturer et ne plus être capables d’appliquer un couple au cube
- Si la force qui cherche à maintenir la vitesse des roues proche de 0 est trop élevée, le cube tombe
- À l’inverse, si cette force est trop faible, la vitesse des roues peut littéralement augmenter sans contrôle
- Pour obtenir à la fois un bon équilibre, une bonne suppression des perturbations et une faible vitesse de roue, il faut trouver le bon gain
Erreur constante et intégration de la position des roues
- Le contrôleur comporte aussi un mécanisme pour gérer l’erreur constante
- Une erreur constante désigne le cas où la position d’équilibre configurée et la position d’équilibre réelle diffèrent légèrement en raison d’imperfections dans la répartition du poids du cube
- Dans un contrôleur PID classique, le terme intégral traite ce type d’erreur
- Ici, le contrôleur utilise la position des roues comme valeur intégrale
- Si l’on pose une tomate sur le cube et que l’on modifie ainsi la répartition du poids, les roues de réaction accélèrent puis ralentissent en se déplaçant vers une nouvelle position afin de compenser l’erreur accrue
Les difficultés rencontrées lors du réglage
- La mise en service et le réglage du contrôleur ont représenté la plus grande part du travail lié au code
- Il a d’abord fallu plusieurs jours pour faire correspondre les signes des différents signaux
- Ensuite, il a fallu trouver les gains du contrôleur
- La méthode de réglage décrite dans l’article de Bobrow n’a pas fonctionné sur ce cube
- Ce cube utilise des roues différentes de celles du cube de Bobrow, il n’était donc pas possible de réutiliser directement les gains
- Après des réglages manuels répétés, les performances de stabilisation visibles dans la vidéo ont été obtenues
Cubes similaires et prochaines étapes
- Le créateur considère que ce cube est un cube entièrement open source qui atteint des performances d’équilibre similaires à celles du Cubli
- Les projets similaires relativement bien documentés sont les suivants
- Le prochain objectif est d’ajouter des freins mécaniques aux roues de réaction
- Ces freins peuvent arrêter rapidement les roues et générer un couple bien plus élevé que ce que les moteurs peuvent produire directement
- Ce couple permet au cube de se relever tout seul jusqu’à la position d’équilibre, via une manœuvre de jump-up
- Selon le créateur, cette fonction n’existe actuellement que sur le Cubli original
- Le mécanisme de freinage du Cubli ne lui convenant pas pour plusieurs raisons, il prévoit d’utiliser une autre approche
1 commentaires
Avis sur Hacker News
En tant que titulaire d’un master en contrôle et traitement du signal qui a fini par faire des choses plus ennuyeuses, je pensais que passer des jours à inverser le signe des signaux relevait surtout d’un manque d’expérience.
Il s’est avéré que, même dans ce jugement, je m’étais trompé de signe.
x *= -1.0; //DO NOT TOUCHdans la base de code.Tout le monde fait ça, mais en général on teste avant de fixer le tout au ruban adhésif sur quelques milliers de kg d’explosifs et d’appuyer sur le bouton rouge :)
Tous les contrôleurs que j’ai conçus et implémentés m’ont finalement obligé à accepter la réalité suivante : il faut suffisamment de tests unitaires pour garantir des comportements comme le signe et la direction.
En voyant cette vidéo, je trouve ça vraiment impressionnant.
C’est ce qui s’est le plus rapproché, pour moi, de la pensée « mais c’est juste de la magie, non ? ».
Sa façon de réagir quand on le pousse me rappelle ma première rencontre avec les aimants, sauf qu’ici j’ai l’impression de découvrir une force entièrement nouvelle.
Il maintient tout seul son équilibre, comme s’il était vivant, résiste aux changements de son environnement et, même quand on pose une tomate dessus, il s’adapte immédiatement, comme notre corps s’adapte à une variation de charge.
Le jour où une petite version produite en série à 50 dollars sera vendue sur Amazon, j’aurai vraiment envie de jouer avec.
https://youtu.be/n_6p-1J551Y?si=zvwORnuPZmgXw0S8
Quand j’ai appris la programmation, je me suis dit : « si je prends le temps d’écrire le programme, je peux faire faire à l’ordinateur tout ce que je veux ».
La théorie du contrôle donne une impression similaire, sauf que cette fois on a l’impression de « programmer » les lois de la physique pour changer la manière dont le monde réel fonctionne.
En cherchant sur YouTube, on trouve même des exemples qui ont plus de 10 ans.
J’aime beaucoup ma carrière d’ingénieur logiciel, mais une partie de moi regrette de ne pas avoir étudié un domaine qui m’aurait permis de commencer à construire ce genre de choses.
C’est vraiment génial.
Comme la plupart d’entre nous avons appris à programmer ;-)
Cela dit, mieux vaut ne pas commencer par un cube auto-équilibré comme premier projet : achète une carte Arduino ou ESP et commence par faire clignoter une LED.
Comme compromis, je me suis rabattu sur la domotique et des projets d’électronique amateur avec des microcontrôleurs comme l’esp32 ou le rpi pico.
Pour quelqu’un qui veut fabriquer quelque chose de tangible, ça vaut le coup d’essayer.
À titre de référence, le coût total des composants de ce projet de cube était d’environ 2 500 euros.
Du moins jusqu’à ce que je découvre que les emplois disponibles sur le marché consistaient uniquement à fabriquer des machines qui tuent des gens.
C’est ce qui m’est arrivé ; pour chacun, ça peut être différent.
Les tutoriels sont bons, et les produits comme les présentations vidéo sont vraiment bien faits.
Il y a une vidéo pour pratiquement chaque produit, ce qui rend très facile d’y dépenser de l’argent.
Ça aide aussi ma carrière d’ingénieur logiciel en améliorant ma vitesse, ma précision et mon efficacité de codage.
https://www.reddit.com/r/ErgoMechKeyboards/comments/hj0q8x/f...
J’ai hâte de voir la partie où ils ajoutent des freins mécaniques aux roues de réaction pour permettre des manœuvres de saut et laisser le cube atteindre tout seul sa position d’équilibre.
C’est ce que j’ai toujours trouvé le plus cool dans le projet Cubli.
Vidéo : https://youtu.be/n_6p-1J551Y?t=92
Pour monter en marchant, il ne faut pas que ce soit rond, mais pour dévaler en roulant, des arêtes arrondies seraient sans doute préférables.
J’imagine une forme où deux anneaux forment une sphère : une rotation de 90 degrés permettrait de passer du mode roulage au mode marche.
Le cube saute sur une arête, remonte ensuite sur un sommet et commence à tourner, et il peut faire ça sur des surfaces arbitraires.
Même la plupart des gens qui se croient à l’aise avec la physique seraient, je pense, assez déconcertés ; et si le cube sautait soudain de son sommet pour revenir sur une face, montrant qu’il ne s’agit pas d’un dispositif rétractable caché, ils envisageraient peut-être sérieusement la possibilité de la magie.
Il ne manque plus qu’un beau habillage en bois et une base de recharge par induction assortie.
Si c’était sur Kickstarter, ils pourraient prendre mon argent.
Ça me fait penser au train monorail Brennan.
Vidéo très intéressante : https://www.youtube.com/watch?v=kUYzuAJeg3M
C’est un excellent art.
Cette autre œuvre de la même personne est complètement différente, mais tout aussi plaisante à regarder : https://www.youtube.com/watch?v=P9jyNIWsRvI
J’adore vraiment les ingénieurs qui font de l’art.
C’est une œuvre qui fixe une roue de réaction sur un canapé vieux de 170 ans pour le faire tenir, de façon incroyable, sur un seul pied.
Au bout du compte, quand la roue de réaction atteint sa limite, le canapé bascule et explose ; si l’on demandait à l’artiste, il dirait sans doute que cela ressemble à une relation humaine.
De nos jours, il est aussi difficile de ne pas penser à la politique.
L’œuvre a même été distinguée par le Prix Ars Electronica, une très haute reconnaissance dans ce genre.
Vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=uQRP-b68fnE
Article : https://ars.electronica.art/aeblog/en/2014/07/02/auf-der-suc...
En fait, on pourrait probablement combiner les deux assez facilement.
Le dimanche, d’habitude, je suis enthousiaste d’atteindre de nouveaux sommets avec du code, et satisfait d’avoir poussé ma persévérance et ma créativité ; mais quand je vois ce genre de post, je me sens totalement impuissant.
Je manque de patience, et même essayer quelque chose comme ça me fait trop peur.
Ces dernières semaines, j’ai commencé à apprendre React en side project, et j’étais plutôt fier de construire quelque chose que mes amis pourraient vraiment utiliser.
Bien sûr, il n’y a pas l’effet « waouh », mais ça ne m’a pas coûté 2 500 dollars à fabriquer, ni des années, voire des décennies, d’apprentissage.
Très peu de gens deviennent les meilleurs au monde dans un domaine, mais ce n’est pas important.
Cela ne change pas ce que je suis capable de faire.
Beaucoup ne nécessitent même pas de soudure.
Partir de zéro absolu est trop difficile, parce qu’il faut déterminer soi-même quelles pièces vont ensemble, quelle alimentation est nécessaire, etc.
Ce serait beaucoup plus simple, et on pourrait utiliser des composants du commerce ou des pièces faites à la main.
En fait, plus que le fait qu’il tienne en équilibre, c’est surtout son look superbe qui m’attire.
J’ai tout de suite cherché s’il était en vente, et il semble qu’en le fabriquant soi-même, ça coûte environ 2 500 dollars.
Traitez-moi d’inconscient, mais s’il y avait une version plus grande avec des prises le long des arêtes, je paierais pour grimper dessus.
J’aimerais sentir directement comment elle réagit à mes mouvements.
C’est une expérience de pensée amusante.
Je me demande ce que donnerait l’idée de le faire se recoucher tout seul sur un chargeur Qi ou des pogo pins quand la batterie faiblit ou que les roues de commande par réaction saturent.
Ce serait probablement après lui avoir ajouté des freins pour qu’il puisse se redresser tout seul.
La distance pourrait poser problème.