双轮自平衡微型移动机器人结构设计

　　这款双轮自平衡微型移动载具，核心定位是小型嵌入式控制实验平台，可搭载轻量传感模块完成室内小范围移动巡检、教学演示、算法验证类工作，适配高校自动化专业平衡控制算法实训、创客群体小型智能载具二次开发场景，也可作为桌面级智能交互终端的移动底盘使用。整机采用分层框架式结构设计，从下到上依次为动力舱、控制层、顶层负载安装位，底层动力舱内置两组N20直流减速电机，分别驱动左右两个橡胶轮，轮面采用防滑橡胶材质，接触地面宽度12mm，轮径65mm，两轮同轴间距80mm，保证小范围转向时的灵活性，动力舱外壳采用3D打印PLA材质成型，侧壁预留电池走线槽，可容纳2节18650锂电池组作为供电电源，舱体底部距离地面最小间隙8mm，可平稳通过厚度不超过5mm的地面接缝、地毯毛边等小型障碍。

　　中间控制层采用镂空框架设计，框架立柱为4根截面6mm×6mm的方形打印件，层间间距35mm，预留足够的接线与模块安装空间，控制板安装位可兼容WEMOS MINI D1控制板与MPU6050六轴姿态传感器，传感器安装位置与轮轴处于同一水平高度，可最大程度降低姿态检测的误差，控制层侧面预留3路通用IO接口扩展位，可外接红外避障模块、灰度巡线模块、蓝牙通讯模块等常用外设，无需额外打孔改造即可完成功能拓展。顶层安装位为平面式安装台，台面尺寸70mm×45mm，可承载最大200g的负载，适配小型机械爪、摄像头模组、环境检测传感器等不同功能模块，台面边缘预留M3螺丝安装孔位，孔位间距按照通用创客模块安装尺寸设计，兼容多数市面在售的小型功能模组。

　　整机平衡控制逻辑基于倒立摆模型搭建，姿态传感器实时采集机身俯仰角度与角速度数据，通过PID算法输出两路电机的转速与转向控制量，动态调整机身姿态保持直立，行走过程中机身俯仰角度控制范围在±3度以内，静止状态下姿态波动不超过±1度。结构设计阶段充分考虑3D打印的工艺特性，所有打印件均采用无支撑设计，最小壁厚2mm，打印层厚设置0.2mm时即可获得足够的结构强度，装配环节全部采用M2、M3标准螺丝连接，无粘接结构，方便后期拆装更换部件，整机装配完成后总高度130mm，总宽度90mm，总长度75mm，整体重量控制在320g以内，桌面放置时占用空间不足A4纸的六分之一，适合实验室桌面、家庭创客空间等小场景使用。

　　轮系设计中特意将轮毂与轮轴采用D型截面连接，避免电机正反转时出现轮轴打滑问题，电机安装位设置1mm的调节间隙，可通过调整电机位置张紧轮系配合公差，降低传动过程中的虚位。供电线路沿立柱内侧的走线槽布置，避免运动过程中线路与轮体、运动部件发生剐蹭磨损，控制层与动力层之间设置绝缘隔离片，防止电池接线短路风险。整机运动性能方面，平地最大行进速度可达0.8m/s，最小转弯半径为0，可实现原地自旋转向，适配狭窄空间内的移动需求，爬坡角度最大可达5度，可应对室内常见的小坡度地面、门槛过渡段等场景。