工程師制作故事:手工制作光能轉動(dòng)機器人

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

本項目機器人可以看成一個(gè)“太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)”，風(fēng)車(chē)轉動(dòng)的能量是風(fēng)能，而“太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)”轉動(dòng)的能量卻是太陽(yáng)能——有太陽(yáng)的時(shí)候會(huì )轉動(dòng)，把太陽(yáng)能轉變?yōu)閯?dòng)能。本項目采用的同樣是與之前幾個(gè)項目一樣的脈動(dòng)充放電控制電路，運行的效果就是曬一會(huì )太陽(yáng)充會(huì )電，然后轉動(dòng)一會(huì )，太陽(yáng)越大轉動(dòng)越快；如果太陽(yáng)足夠火辣則可以幾乎連續轉動(dòng)而中間沒(méi)有停頓，而且這個(gè)時(shí)候會(huì )產(chǎn)生較大的震動(dòng)，機器人整體也會(huì )發(fā)生移動(dòng)，這有點(diǎn)類(lèi)似2號蚊子的移動(dòng)方式，看來(lái)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(yáng)能電池作為電源，驅動(dòng)電機帶動(dòng)一個(gè)轉軸進(jìn)行轉動(dòng)。

1.1驅動(dòng)原理

本項目機器人的驅動(dòng)原理很簡(jiǎn)單，就是驅動(dòng)電機旋轉的傳動(dòng)方式，不過(guò)和通常的應用有點(diǎn)區別：一般的電機傳動(dòng)結構，電機是固定的，電機的軸是旋轉的；而本項目的結構是正好相反，電機的軸是固定的，電機本身卻是旋轉的——電機的軸是固定在底座的，而電機和太陽(yáng)能電池板、以及控制電路等都是和電機綁定在一起可以轉動(dòng)的，就是說(shuō)除了一個(gè)固定的底座，其他部分都會(huì )跟著(zhù)一起旋轉。

1.2機械結構

本項目采用的“電機軸固定、而電機本身旋轉”的機械結構，其實(shí)效率并不如果“電機本身固定，而電機軸旋轉”，畢竟這樣電機轉動(dòng)時(shí)除了負擔實(shí)際的負載之外，還要負擔電機本身的重量。實(shí)際應用時(shí)一般不會(huì )采取這種方式，如果真的是作為太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)，合理的方式應該是盡可能的減少驅動(dòng)的負載，除了電機和控制電路等應該固定在底座不要跟著(zhù)轉動(dòng)之外；同時(shí)還應該考慮太陽(yáng)能電池板的安裝角度，盡可能對著(zhù)太陽(yáng)以充分獲得太陽(yáng)能；實(shí)在不行至少應該固定太陽(yáng)能電池板的安裝角度，不至于說(shuō)獲得太陽(yáng)能會(huì )那么不穩定（轉到對著(zhù)太陽(yáng)的角度則效率高轉得快，轉到背著(zhù)太陽(yáng)的角度則效率低轉得慢）。

本項目機器人之所以采用這樣傳動(dòng)方式，主要是為了增加一個(gè)趣味性的效果，同時(shí)也作為介紹一種新驅動(dòng)方式來(lái)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動(dòng)，可以增加轉動(dòng)時(shí)整體的動(dòng)能，讓轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)更大，而底座相對接觸地面的面積盡可能小一點(diǎn)，就可以在轉動(dòng)速度比較快的時(shí)候機器人整體也會(huì )進(jìn)行移動(dòng)，而這個(gè)時(shí)候本項目也不再僅僅是一個(gè)固定的太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)，而可以稱(chēng)得上是一個(gè)會(huì )移動(dòng)的機器人（見(jiàn)視頻中在燈光下快速轉動(dòng)時(shí)的效果），當然這個(gè)移動(dòng)效果也不明顯，效率也不高，所以本項目可以說(shuō)有點(diǎn)不倫不類(lèi)——低效率的太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)，或低效率的移動(dòng)機器人，可以說(shuō)作為一種反面教材普及相關(guān)知識而已。

如果說(shuō)作為移動(dòng)機器人，為了讓移動(dòng)的效果更明顯，就要增加轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。要產(chǎn)生更大的震動(dòng)，除了說(shuō)轉動(dòng)時(shí)帶動(dòng)更重的負載外，可以考慮用偏心輪的結構，就是說(shuō)把除了電機上的其他綁定的負載（太陽(yáng)能電池板、電路板等）都裝在電機的一側，而不是與電機同軸的位置，這個(gè)原理詳見(jiàn)PVC-Robot 2號機器人的震動(dòng)馬達的原理（具體見(jiàn)：曬太陽(yáng)的蚊子·光能電機昆蟲(chóng)的移動(dòng)原理）。

不過(guò)，如果采用偏心輪的效果，會(huì )造成電機轉動(dòng)時(shí)的負載過(guò)大（轉不動(dòng)），在普通強度的太陽(yáng)光下太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)的效果就不是很好——轉動(dòng)太慢，轉動(dòng)角度太小。本項目機器人早期有一個(gè)設計版本就是屬于偏心輪的結構，后來(lái)為了兼顧太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)的效果（太陽(yáng)不大的情況下也能轉動(dòng)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(dòng)機器人來(lái)看，為了增加移動(dòng)效果，還可以把底座的四只腳都裝上一個(gè)小輪子，這樣轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)就可以讓機器人移動(dòng)的幅度更大，可以說(shuō)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(dòng)充放電控制電路。

基本原理如下：

1）太陽(yáng)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）當電路電壓達到LED二極管的導通電壓（2V左右）時(shí)，LED二極管導通；

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

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

5）三極管9014導通后，電機獲得電流開(kāi)始轉動(dòng)；

6）電機轉動(dòng)，消耗電解電容中存儲的電能，電路電壓下降；

7）當電路電壓下降到低于LED二極管的導通電壓時(shí)，LED二極管截止；

8）雖然三極管9015的基極失去了來(lái)自L(fǎng)ED的導通電壓，但是由于此時(shí)三極管9014已經(jīng)導通，導通后的電流除了提供給電機轉動(dòng)之外，還通過(guò)電阻分流了一部分重新回到三極管9015的基極（形成一個(gè)循環(huán)），即三極管的基極還是有足夠的導通電壓；

9）當電機繼續轉動(dòng)消耗電解電容的電能時(shí)，電路電壓進(jìn)一步下降，則即便三極管9014導通后回流給三極管9015基極的電壓也無(wú)法保證三極管9015繼續導通（循環(huán)被破壞），則兩個(gè)三極管都截止，電機停止轉動(dòng)；

10）電解電容重新充電，繼續重復上面的各環(huán)節。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，即：太陽(yáng)能電池對電解電容充電，當充電量達到由LED二極管設置的充電上限后，則電路開(kāi)始瞬間放電提供給電機轉動(dòng)；雖然電機轉動(dòng)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(gè)導通循環(huán)的機制，仍然會(huì )繼續放電讓電機轉動(dòng)，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(yáng)能電池對其進(jìn)行充電……如此循環(huán)往復。

也可以這樣理解：太陽(yáng)能電池對電解電容進(jìn)行緩慢充電（太陽(yáng)能電池的電流比較?。?，充電達到上限后對電機進(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)行了更詳細的分析，這里不再重復。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續了解的，戳這里曬太陽(yáng)的蚊子·光能電機昆蟲(chóng)的電路原理。

2準備工作

本項目需要的器材主要包括：PVC線(xiàn)槽、小型電機（馬達）、太陽(yáng)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(gè)項目一樣的太陽(yáng)能脈動(dòng)充放電控制電路，作為一個(gè)經(jīng)典的電路基本上可以做成通用電路板，見(jiàn)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，其中的采購預算，由于有些器材采購時(shí)一般是批量的，而本項目中實(shí)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(mǎi)，我列出了一些淘寶上的網(wǎng)址，基本上我也是通過(guò)這個(gè)渠道進(jìn)行采購的，供大家參考。

名稱(chēng) 規格 數量 采購預算/成本折算 來(lái)源 用途

3制作過(guò)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(guò)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(shuō)明這不再重復，具體請參考曬太陽(yáng)的蚊子·光能電機昆蟲(chóng)的電路焊接。

這是“電路板正面布局圖”（無(wú)焊點(diǎn)的一面，黑芯藍點(diǎn)為焊點(diǎn)，藍色帶代表焊點(diǎn)相連）：

這是“電路板底面布局圖”（有焊點(diǎn)的一面，黑芯藍點(diǎn)為焊點(diǎn)，藍色帶代表焊點(diǎn)相連）：

3.2四足底座

用剪刀把PVC線(xiàn)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(gè)孔，并把齒輪按下圖所示裝好。

這里之所以用這個(gè)齒輪，一方面是這個(gè)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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