Всенаправленный велосипед, изготовленный из деталей, напечатанных на 3D-принтере

Джеймс Брутон, британский инженер и видеоблогер, создал всенаправленный велосипед, используя компоненты, напечатанные на 3D-принтере, алюминиевый профиль и систему самобалансировки. Конструкция включает в себя два всенаправленных колеса, установленных под углом 90 градусов друг к другу, что позволяет транспортному средству двигаться в любом направлении, в том числе прямо боком. Брутон использовал переднее колесо от одноколесного балансирующего робота, созданного в апреле 2025 года, и заднее колесо от своего более раннего проекта спидер-байка 2023 года.

Шасси изготовлено из алюминиевого профиля 4040 с Т-образными пазами, соединенного с наклонными и прямоугольными кронштейнами для крепления повторно используемой роботизированной вилки спереди и опоры двигателя с ременным приводом сзади. Держатели осей и шкивы трансмиссии были изготовлены с помощью 3D-принтеров LulzBot, включая TAZ Workhorse и Mini 3. Компания Bruton напечатала крупные структурные компоненты соплами диаметром 1,2 мм для ускорения печати. Для структурных деталей использовался пластик PolyMax PLA от Polymaker , а для корпуса с электроникой использовался пластик PolyLite Pro. Ступицы задних колес были изготовлены из фанеры из-за ограничений размера платформы принтера.

Трансмиссия включает двухступенчатую ременную передачу. Первая ступень обеспечивает увеличение крутящего момента в соотношении 3:1 с помощью промежуточного шкива, а вторая — ремня с профилем HTD8, соединяющегося с большим конечным шкивом на заднем колесе. Система заднего привода приводится в действие одним комплектом серводвигателей ODrive S1. Компания ODrive, специализирующаяся на контроллерах двигателей с открытым исходным кодом, поставляет бесщёточный двигатель и энкодер мощностью до 2 кВт. Натяжение системы можно регулировать, перемещая крепление двигателя вдоль рамы, изготовленной методом экструзии, и фиксируя его алюминиевыми пластинами.

Регулятор поддерживает балансировку, используя данные инерциального измерительного блока BNO086. Микроконтроллер Teensy 4 обрабатывает данные крена и соответствующим образом регулирует крутящий момент колёс. На панели управления расположены кнопки аварийной остановки, запуска, датчики напряжения, регулировка дифферента и уровень для ориентации. Контактор на 500 А изолирует питание двигателя. Две пары литий-полимерных аккумуляторов 6S, соединённых последовательно, обеспечивают напряжение 50 В для приводов двигателей и напряжение 12 В для вспомогательных систем.

Брутон заменил прежние системы управления с поворотной рукояткой двумя трёхкоординатными джойстиками. Правый джойстик отвечает за движение вперёд, назад и вбок. Левый джойстик управляет вращением. Аналоговые сигналы обрабатываются сглаживающим фильтром, настраиваемым ручкой управления, что обеспечивает постепенное замедление при отпускании джойстика. Брутон заметил, что фильтр улучшает плавность хода, смягчая резкие изменения входного сигнала.

Ввод джойстика изменяет заданное значение регулятора, которое по умолчанию равно 0°, что соответствует вертикальному равновесию. Изменение этого значения позволяет мотоциклу наклоняться и двигаться одновременно, подобно тому, как велосипедист наклоняется в поворотах. 

Первоначальные испытания показали, что одно только заднее колесо могло стабилизировать раму. При работе обоих колес велосипед достигал всестороннего движения. Однако рулевое управление выявило дисбаланс крутящего момента. Заднее колесо создавало значительно большую вращательную силу, чем меньшее переднее. Когда Брутон пытался вращаться на месте, шасси наклонялось под нагрузкой, что приводило к чрезмерной коррекции переднего колеса и дестабилизации рамы. Чтобы компенсировать это, он наклонялся в противоположном направлении поворота, противодействуя крутящему моменту шасси.

Чтобы упростить управление, Брутон перенастроил мотоцикл для движения задним ходом. Он установил джойстик сзади и изменил назначение джойстиков. Теперь, когда вес переместился на большее заднее колесо, возмущения крутящего момента уменьшились, а реакция руля улучшилась. 

Несмотря на механическую эффективность, система имеет ограничения. Маленькие ролики на переднем колесе требуют большого тока — около 20 ампер при 50 вольтах даже без нагрузки, — что снижает эффективность. Задний двигатель обеспечивает больший крутящий момент, чем может компенсировать передний, что затрудняет сбалансированное вращение на более высоких скоростях. Брутон обнаружил, что езда задом наперед обеспечивает лучшую управляемость, поскольку его центр масс совпадает с более мощным колесом.