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Hallo, mein Name ist Timon Moser, und gemeinsam mit Alexander Moldaschl und Florian Fafilek von der Abteilung für Maschinenbau und Konstruktion an der HTL Hollabrunn, Österreich, haben wir im Rahmen unserer Diplomarbeit einen selbstausbalancierenden gyroskopischen Würfel entwickelt.
Die Idee: Ein Würfel, der nicht einfach umfällt
Das Projekt begann nicht mit einem typischen Alltagsproblem, sondern mit einer technischen Herausforderung: Kann ein Würfel mithilfe interner Reaktionsräder stabilisiert werden? Die Idee entwickelte sich schließlich zu einem voll funktionsfähigen Cubli: ein kompaktes System, das mechanische Konstruktion, Elektronik und Regelungstechnik vereint.
Ein Cubli ist ein gyroskopischer Würfel, der mithilfe rotierender Schwungräder auf einer Kante oder Ecke balancieren kann. Ein Sensor erfasst die Position des Würfels, ein Mikrocontroller verarbeitet die Daten und steuert die Motoren. Durch die Änderung der Drehzahl der Schwungräder werden Reaktionsmomente erzeugt, die helfen, das Gleichgewicht des Würfels wiederherzustellen.
Für das Team war das Projekt besonders spannend, da es mehrere Disziplinen vereinte: Mechanik, Elektronik, Software und Regelungstechnik. Mich interessierte besonders die Arbeit an einem Projekt, das nicht nur theoretisch war, sondern tatsächlich gebaut und zum Laufen gebracht werden konnte.
Von einem 2D-Testaufbau zum 3D-Cubli
Vor dem Bau des kompletten 3D-Würfels entwickelte unser Team zunächst einen zweidimensionalen Testaufbau. Dies reduzierte die Komplexität auf eine einzige Kippachse und machte das Grundprinzip einfacher zu regeln: ein Rahmen, ein Motor, ein Reaktionsrad und eine definierte Rotationsachse.
Dieser Zwischenschritt war entscheidend. Der 2D-Aufbau half dabei, das Verhalten eines einzelnen Reaktionsrades zu verstehen, die Massenverteilung zu beobachten und potenzielle Konstruktionsprobleme frühzeitig zu erkennen. Erst dann wurde das Prinzip auf drei Raumachsen übertragen.
Der finale 3D-Cubli besteht aus sechs rechteckigen Rahmenteilen, die den Würfel bilden. Im Inneren befinden sich drei orthogonal angeordnete Reaktionsräder, Motoren, Motorhalterungen, Drehmomentübertragungskomponenten und die Elektronik einschließlich der Leiterplatte (PCB). Jede Achse muss unabhängig agieren können, ohne mit den anderen Rädern oder Komponenten zu kollidieren.
Konstruktion: Wenn der Schwerpunkt die Funktionalität bestimmt
Bei einem solchen Projekt hängt der Erfolg nicht nur davon ab, ob alle Teile zusammenpassen. Ebenso wichtig ist, wo sich die Masse befindet.
Beim Ausbalancieren befindet sich der Cubli in einer instabilen Gleichgewichtslage. Schon kleine Abweichungen im Schwerpunkt können zusätzliche Kippmomente erzeugen und die Regelung erschweren. Deshalb mussten die schweren Komponenten so nah wie möglich am Zentrum positioniert werden. Gleichzeitig benötigte der Würfel ausreichend Platz für Motoren, Reaktionsräder, Lager, Drehmomentübertragungskomponenten und Elektronik.
Ich war hauptsächlich für den mechanischen Teil des Projekts verantwortlich. Alexander übernahm die Software und das PCB-Design, während Florian sich um die Elektronik, Berechnungen, Verkabelung und Montage kümmerte. Diese klare Aufgabenverteilung war wichtig, da Mechanik, Elektronik und Regelungstechnik in diesem Projekt direkt ineinandergreifen.
Zu den wichtigsten mechanischen Komponenten gehörten:
- Rahmenteile als tragende Struktur
- Reaktionsräder zur Erzeugung von Drehimpuls
- Motorhalterungen
- Drehmomentübertragungskomponenten
- Lager und Verbindungselemente
- 3D-gedruckte Eckelemente
- Leiterplatte (PCB) und elektronische Bauteile
Die größte Herausforderung bestand darin, alle mechanischen Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass der Aufbau später tatsächlich funktionierte und präzise zusammenpasste.
Lasergeschnittene Rahmenteile als stabile Basis
Für die Rahmenteile entschieden wir uns für das Laserschneiden. Diese Komponenten bilden die Grundstruktur des Würfels und mussten leicht, stabil und präzise gefertigt sein. Aluminium war die naheliegende Wahl, da es eine gute Kombination aus geringem Gewicht und ausreichender Stabilität bietet.
Die lasergeschnittenen Rahmenteile wurden mit Unterstützung von Xometry gefertigt. Für unser Team war nicht nur die Fertigung an sich wichtig, sondern auch der schnelle und unkomplizierte Ablauf. Bei einer Diplomarbeit ist die Zeit knapp. Angebote, Entscheidungen und Fertigungsschritte müssen daher schnell ineinandergreifen.
Für unser Team war dies eine praktische Hilfe und der Beweis, dass Unternehmen technische Studentenprojekte ernst nehmen. Bei einem Projekt mit begrenztem Budget und engem Zeitplan kann ein zuverlässiger Fertigungspartner den entscheidenden Unterschied machen. Neben einer sauberen Verarbeitung mussten die Rahmenteile eine präzise mechanische Montage gewährleisten.
Herausforderungen: Kleine Fertigungsdetails mit großen Auswirkungen
Wie bei vielen technischen Projekten zeigte sich auch beim gyroskopischen Würfel, dass die wichtigsten Lektionen oft nicht im CAD-Modell auftauchen, sondern erst bei der realen Montage.
Eine besondere Herausforderung war das Gewindeschneiden in Edelstahlkomponenten. Die Gewindebohrer brachen ab und blieben in der Motorhalterung und den Drehmomentübertragungsteilen stecken. Infolgedessen konnten einige Gewinde anfangs nicht fertiggestellt werden. Das Problem war nicht nur frustrierend, sondern blockierte auch die weitere mechanische Montage.
Wir suchten nach externen Lösungen und lernten, wie wichtig Design zur Herstellbarkeit (DfM) wirklich ist. Einige Bohrungen hätten früher angepasst werden können, bestimmte Gewindetiefen erwiesen sich als ungünstig für die manuelle Bearbeitung, und kleine Details hatten größere Auswirkungen als erwartet.
Dies wurde zu einer der wichtigsten Lektionen des Projekts: Selbst kleine Konstruktionsentscheidungen können später große Folgen für Fertigung, Montage und Funktionalität haben.
Wie es mit dem Projekt weitergeht
Am Ende ist das Ergebnis nicht nur ein technischer Demonstrator, sondern ein Projekt, das Theorie und Praxis eng miteinander verbindet. Das Team baute einen funktionsfähigen 2D-Testaufbau, schloss die finale mechanische und elektrische Montage des 3D-Cubli ab und sammelte wertvolle Erfahrungen in den Bereichen Konstruktion, Fertigung, Elektronik und Projektarbeit.
Für mich war es besonders motivierend zu sehen, wie aus einer Idee nach und nach ein physisches System wurde. Am meisten begeistert mich, dass man am Ende ein echtes, funktionierendes System vor sich hat und nicht nur ein theoretisches Konzept.
Die nächsten Schritte sind die vollständige Implementierung und Erprobung des Stabilisierungssystems. Eine mögliche zukünftige Entwicklung wäre, den Cubli in die Lage zu versetzen, sich autonom aufzurichten.
Die wichtigste Erkenntnis ist jedoch bereits klar: Technische Projekte verlaufen selten ohne Umwege. Und genau das macht sie so wertvoll. Planung, Präzision und eine saubere Konstruktion sind wichtig – ebenso wie die Fähigkeit, flexibel auf Probleme zu reagieren und weiterzumachen.
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