工程師制作故事:手工制作光能轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人

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

本項(xiàng)目機(jī)器人可以看成一個(gè)“太陽能風(fēng)車”，風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)的能量是風(fēng)能，而“太陽能風(fēng)車”轉(zhuǎn)動(dòng)的能量卻是太陽能——有太陽的時(shí)候會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。本項(xiàng)目采用的同樣是與之前幾個(gè)項(xiàng)目一樣的脈動(dòng)充放電控制電路，運(yùn)行的效果就是曬一會(huì)太陽充會(huì)電，然后轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)，太陽越大轉(zhuǎn)動(dòng)越快；如果太陽足夠火辣則可以幾乎連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而中間沒有停頓，而且這個(gè)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，機(jī)器人整體也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這有點(diǎn)類似2號(hào)蚊子的移動(dòng)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(xiàng)目的機(jī)器人采用太陽能電池作為電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.1   驅(qū)動(dòng)原理

本項(xiàng)目機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理很簡(jiǎn)單，就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式，不過和通常的應(yīng)用有點(diǎn)區(qū)別：一般的電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)是固定的，電機(jī)的軸是旋轉(zhuǎn)的；而本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)是正好相反，電機(jī)的軸是固定的，電機(jī)本身卻是旋轉(zhuǎn)的——電機(jī)的軸是固定在底座的，而電機(jī)和太陽能電池板、以及控制電路等都是和電機(jī)綁定在一起可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，就是說除了一個(gè)固定的底座，其他部分都會(huì)跟著一起旋轉(zhuǎn)。

1.2   機(jī)械結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用的“電機(jī)軸固定、而電機(jī)本身旋轉(zhuǎn)”的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其實(shí)效率并不如果“電機(jī)本身固定，而電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)”，畢竟這樣電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)除了負(fù)擔(dān)實(shí)際的負(fù)載之外，還要負(fù)擔(dān)電機(jī)本身的重量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)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(dòng)的負(fù)載，除了電機(jī)和控制電路等應(yīng)該固定在底座不要跟著轉(zhuǎn)動(dòng)之外；同時(shí)還應(yīng)該考慮太陽能電池板的安裝角度，盡可能對(duì)著太陽以充分獲得太陽能；實(shí)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(huì)那么不穩(wěn)定（轉(zhuǎn)到對(duì)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(xiàng)目機(jī)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(qū)動(dòng)方式來拓寬視野而已。

此外，對(duì)于本項(xiàng)目機(jī)器人，讓電機(jī)本身也一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可以增加轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)整體的動(dòng)能，讓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)更大，而底座相對(duì)接觸地面的面積盡可能小一點(diǎn)，就可以在轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較快的時(shí)候機(jī)器人整體也會(huì)進(jìn)行移動(dòng)，而這個(gè)時(shí)候本項(xiàng)目也不再僅僅是一個(gè)固定的太陽能風(fēng)車，而可以稱得上是一個(gè)會(huì)移動(dòng)的機(jī)器人（見視頻中在燈光下快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的效果），當(dāng)然這個(gè)移動(dòng)效果也不明顯，效率也不高，所以本項(xiàng)目可以說有點(diǎn)不倫不類——低效率的太陽能風(fēng)車，或低效率的移動(dòng)機(jī)器人，可以說作為一種反面教材普及相關(guān)知識(shí)而已。

如果說作為移動(dòng)機(jī)器人，為了讓移動(dòng)的效果更明顯，就要增加轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。要產(chǎn)生更大的震動(dòng)，除了說轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)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(jī)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(jī)的一側(cè)，而不是與電機(jī)同軸的位置，這個(gè)原理詳見PVC-Robot 2號(hào)機(jī)器人的震動(dòng)馬達(dá)的原理（具體見： 曬太陽的蚊子·光能電機(jī)昆蟲的移動(dòng)原理 ）。

不過，如果采用偏心輪的效果，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載過大（轉(zhuǎn)不動(dòng)），在普通強(qiáng)度的太陽光下太陽能風(fēng)車的效果就不是很好——轉(zhuǎn)動(dòng)太慢，轉(zhuǎn)動(dòng)角度太小。本項(xiàng)目機(jī)器人早期有一個(gè)設(shè)計(jì)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(dòng)得比較順）所以被淘汰了。

新舊版本對(duì)比（左舊--右新）

另外，本項(xiàng)目如果從移動(dòng)機(jī)器人來看，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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)就可以讓機(jī)器人移動(dòng)的幅度更大，可以說這作為本項(xiàng)目機(jī)器人的擴(kuò)展裝備。

1.3   電路原理

本項(xiàng)目的電路與PVC-Robot 2號(hào)機(jī)器人項(xiàng)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(shí)，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(jī)獲得電流開始轉(zhuǎn)動(dòng)；

6）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，消耗電解電容中存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)三極管9014已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流除了提供給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)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(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(gè)三極管都截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

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

簡(jiǎn)單的說，即：太陽能電池對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；雖然電機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)通循環(huán)的機(jī)制，仍然會(huì)繼續(xù)放電讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠盡可能的把電解電容中存儲(chǔ)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(duì)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(duì)電解電容進(jìn)行緩慢充電（太陽能電池的電流比較小），充電達(dá)到上限后對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬間放電（電機(jī)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(hào)機(jī)器人的項(xiàng)目中已經(jīng)對(duì)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(jī)昆蟲的電路原理 。

2   準(zhǔn)備工作

本項(xiàng)目需要的器材主要包括：PVC線槽、小型電機(jī)（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(gè)項(xiàng)目一樣的太陽能脈動(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，見下圖，其中LED發(fā)光二級(jí)管這次選擇黃色的。

以下列出本項(xiàng)目主要器材，其中的采購預(yù)算，由于有些器材采購時(shí)一般是批量的，而本項(xiàng)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(xiàng)目上），所以另外加了一項(xiàng)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(gè)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