工程師制作故事:手工制作光能轉(zhuǎn)動機器人

本項目介紹的是與之前幾個項目的機器人一樣，同樣是采用太陽能脈動充放電控制電路。通過這些項目，我們可以再了解一種新的機器人驅(qū)動方式。

本項目機器人可以看成一個“太陽能風(fēng)車”，風(fēng)車轉(zhuǎn)動的能量是風(fēng)能，而“太陽能風(fēng)車”轉(zhuǎn)動的能量卻是太陽能——有太陽的時候會轉(zhuǎn)動，把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。本項目采用的同樣是與之前幾個項目一樣的脈動充放電控制電路，運行的效果就是曬一會太陽充會電，然后轉(zhuǎn)動一會，太陽越大轉(zhuǎn)動越快；如果太陽足夠火辣則可以幾乎連續(xù)轉(zhuǎn)動而中間沒有停頓，而且這個時候會產(chǎn)生較大的震動，機器人整體也會發(fā)生移動，這有點類似2號蚊子的移動方式，看來作為親戚還是有不少地方的相似的，呵呵。

1基本原理

本項目的機器人采用太陽能電池作為電源，驅(qū)動電機帶動一個轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

1.1驅(qū)動原理

本項目機器人的驅(qū)動原理很簡單，就是驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的傳動方式，不過和通常的應(yīng)用有點區(qū)別：一般的電機傳動結(jié)構(gòu)，電機是固定的，電機的軸是旋轉(zhuǎn)的；而本項目的結(jié)構(gòu)是正好相反，電機的軸是固定的，電機本身卻是旋轉(zhuǎn)的——電機的軸是固定在底座的，而電機和太陽能電池板、以及控制電路等都是和電機綁定在一起可以轉(zhuǎn)動的，就是說除了一個固定的底座，其他部分都會跟著一起旋轉(zhuǎn)。

1.2機械結(jié)構(gòu)

本項目采用的“電機軸固定、而電機本身旋轉(zhuǎn)”的機械結(jié)構(gòu)，其實效率并不如果“電機本身固定，而電機軸旋轉(zhuǎn)”，畢竟這樣電機轉(zhuǎn)動時除了負(fù)擔(dān)實際的負(fù)載之外，還要負(fù)擔(dān)電機本身的重量。實際應(yīng)用時一般不會采取這種方式，如果真的是作為太陽能風(fēng)車，合理的方式應(yīng)該是盡可能的減少驅(qū)動的負(fù)載，除了電機和控制電路等應(yīng)該固定在底座不要跟著轉(zhuǎn)動之外；同時還應(yīng)該考慮太陽能電池板的安裝角度，盡可能對著太陽以充分獲得太陽能；實在不行至少應(yīng)該固定太陽能電池板的安裝角度，不至于說獲得太陽能會那么不穩(wěn)定（轉(zhuǎn)到對著太陽的角度則效率高轉(zhuǎn)得快，轉(zhuǎn)到背著太陽的角度則效率低轉(zhuǎn)得慢）。

本項目機器人之所以采用這樣傳動方式，主要是為了增加一個趣味性的效果，同時也作為介紹一種新驅(qū)動方式來拓寬視野而已。

此外，對于本項目機器人，讓電機本身也一起轉(zhuǎn)動，可以增加轉(zhuǎn)動時整體的動能，讓轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的震動更大，而底座相對接觸地面的面積盡可能小一點，就可以在轉(zhuǎn)動速度比較快的時候機器人整體也會進(jìn)行移動，而這個時候本項目也不再僅僅是一個固定的太陽能風(fēng)車，而可以稱得上是一個會移動的機器人（見視頻中在燈光下快速轉(zhuǎn)動時的效果），當(dāng)然這個移動效果也不明顯，效率也不高，所以本項目可以說有點不倫不類——低效率的太陽能風(fēng)車，或低效率的移動機器人，可以說作為一種反面教材普及相關(guān)知識而已。

如果說作為移動機器人，為了讓移動的效果更明顯，就要增加轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的震動。要產(chǎn)生更大的震動，除了說轉(zhuǎn)動時帶動更重的負(fù)載外，可以考慮用偏心輪的結(jié)構(gòu)，就是說把除了電機上的其他綁定的負(fù)載（太陽能電池板、電路板等）都裝在電機的一側(cè)，而不是與電機同軸的位置，這個原理詳見PVC-Robot 2號機器人的震動馬達(dá)的原理（具體見：曬太陽的蚊子·光能電機昆蟲的移動原理）。

不過，如果采用偏心輪的效果，會造成電機轉(zhuǎn)動時的負(fù)載過大（轉(zhuǎn)不動），在普通強度的太陽光下太陽能風(fēng)車的效果就不是很好——轉(zhuǎn)動太慢，轉(zhuǎn)動角度太小。本項目機器人早期有一個設(shè)計版本就是屬于偏心輪的結(jié)構(gòu)，后來為了兼顧太陽能風(fēng)車的效果（太陽不大的情況下也能轉(zhuǎn)動得比較順）所以被淘汰了。

新舊版本對比（左舊--右新）

另外，本項目如果從移動機器人來看，為了增加移動效果，還可以把底座的四只腳都裝上一個小輪子，這樣轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的震動就可以讓機器人移動的幅度更大，可以說這作為本項目機器人的擴展裝備。

1.3電路原理

本項目的電路與PVC-Robot 2號機器人項目的電路是一摸一樣的，電路原理也是一摸一樣的——典型的脈動充放電控制電路。

基本原理如下：

1）太陽能電池板給電解電容充電，電解電容兩端的電壓不斷上升；

2）當(dāng)電路電壓達(dá)到LED二極管的導(dǎo)通電壓（2V左右）時，LED二極管導(dǎo)通；

3）三極管9015的基極從導(dǎo)通的LED二極管獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9015導(dǎo)通；

4）三極管9015導(dǎo)通后，又使三極管9014的基極獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9014導(dǎo)通；

5）三極管9014導(dǎo)通后，電機獲得電流開始轉(zhuǎn)動；

6）電機轉(zhuǎn)動，消耗電解電容中存儲的電能，電路電壓下降；

7）當(dāng)電路電壓下降到低于LED二極管的導(dǎo)通電壓時，LED二極管截止；

8）雖然三極管9015的基極失去了來自LED的導(dǎo)通電壓，但是由于此時三極管9014已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流除了提供給電機轉(zhuǎn)動之外，還通過電阻分流了一部分重新回到三極管9015的基極（形成一個循環(huán)），即三極管的基極還是有足夠的導(dǎo)通電壓；

9）當(dāng)電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動消耗電解電容的電能時，電路電壓進(jìn)一步下降，則即便三極管9014導(dǎo)通后回流給三極管9015基極的電壓也無法保證三極管9015繼續(xù)導(dǎo)通（循環(huán)被破壞），則兩個三極管都截止，電機停止轉(zhuǎn)動；

10）電解電容重新充電，繼續(xù)重復(fù)上面的各環(huán)節(jié)。

簡單的說，即：太陽能電池對電解電容充電，當(dāng)充電量達(dá)到由LED二極管設(shè)置的充電上限后，則電路開始瞬間放電提供給電機轉(zhuǎn)動；雖然電機轉(zhuǎn)動消耗電能使電壓下降至低于LED二極管的下限，但是由于電路存在一個導(dǎo)通循環(huán)的機制，仍然會繼續(xù)放電讓電機轉(zhuǎn)動，能夠盡可能的把電解電容中存儲的電能都消耗掉；消耗完電解電容中的電能后，重新由太陽能電池對其進(jìn)行充電……如此循環(huán)往復(fù)。

也可以這樣理解：太陽能電池對電解電容進(jìn)行緩慢充電（太陽能電池的電流比較?。?，充電達(dá)到上限后對電機進(jìn)行瞬間放電（電機的電流比較大）；放電停止的下限比較低，可以比較徹底的把充電的電量消耗完。

在PVC-Robot 2號機器人的項目中已經(jīng)對該電路原理進(jìn)行了更詳細(xì)的分析，這里不再重復(fù)。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續(xù)了解的，戳這里曬太陽的蚊子·光能電機昆蟲的電路原理。

2準(zhǔn)備工作

本項目需要的器材主要包括：PVC線槽、小型電機（馬達(dá)）、太陽能電池、電阻、電解電容、二極管、三極管、螺絲/螺帽等。

電子電路是與前幾個項目一樣的太陽能脈動充放電控制電路，作為一個經(jīng)典的電路基本上可以做成通用電路板，見下圖，其中LED發(fā)光二級管這次選擇黃色的。

以下列出本項目主要器材，其中的采購預(yù)算，由于有些器材采購時一般是批量的，而本項目中實際使用用不了那么多（剩下的可以留在以后的其他項目上），所以另外加了一項成本折算。

主要的器材都可以從網(wǎng)上購買，我列出了一些淘寶上的網(wǎng)址，基本上我也是通過這個渠道進(jìn)行采購的，供大家參考。

名稱 規(guī)格 數(shù)量 采購預(yù)算/成本折算 來源 用途

3制作過程

以下將按照制作的順序，全程介紹本項目機器人的制作過程。

3.1電路焊接

本項目機器人的控制電路與PVC-2號機器人項目是一樣的，關(guān)于電路焊接的說明這不再重復(fù)，具體請參考曬太陽的蚊子·光能電機昆蟲的電路焊接。

這是“電路板正面布局圖”（無焊點的一面，黑芯藍(lán)點為焊點，藍(lán)色帶代表焊點相連）：

這是“電路板底面布局圖”（有焊點的一面，黑芯藍(lán)點為焊點，藍(lán)色帶代表焊點相連）：

3.2四足底座

用剪刀把PVC線槽裁剪成如下的形狀和尺寸，即兩組雙足支架。

把兩組支架疊在一起，中間打一個孔，并把齒輪按下圖所示裝好。

這里之所以用這個齒輪，一方面是這個齒輪的孔徑是1mm正好可以裝上我們選擇的軸徑為1mm的電機；另一方面可以比較方便的把底座的兩組四足支架固定在一起。

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