工程师制作故事:手工制作光能转动机器人 - 全文

本项目介绍的是与之前几个项目的机器人一样，同样是采用太阳能脉动充放电控制电路。通过这些项目，我们可以再了解一种新的机器人驱动方式。

本项目机器人可以看成一个“太阳能风车”，风车转动的能量是风能，而“太阳能风车”转动的能量却是太阳能——有太阳的时候会转动，把太阳能转变为动能。本项目采用的同样是与之前几个项目一样的脉动充放电控制电路，运行的效果就是晒一会太阳充会电，然后转动一会，太阳越大转动越快；如果太阳足够火辣则可以几乎连续转动而中间没有停顿，而且这个时候会产生较大的震动，机器人整体也会发生移动，这有点类似2号蚊子的移动方式，看来作为亲戚还是有不少地方的相似的，呵呵。

1   基本原理

本项目的机器人采用太阳能电池作为电源，驱动电机带动一个转轴进行转动。

1.1   驱动原理

本项目机器人的驱动原理很简单，就是驱动电机旋转的传动方式，不过和通常的应用有点区别：一般的电机传动结构，电机是固定的，电机的轴是旋转的；而本项目的结构是正好相反，电机的轴是固定的，电机本身却是旋转的——电机的轴是固定在底座的，而电机和太阳能电池板、以及控制电路等都是和电机绑定在一起可以转动的，就是说除了一个固定的底座，其他部分都会跟着一起旋转。

1.2   机械结构

本项目采用的“电机轴固定、而电机本身旋转”的机械结构，其实效率并不如果“电机本身固定，而电机轴旋转”，毕竟这样电机转动时除了负担实际的负载之外，还要负担电机本身的重量。实际应用时一般不会采取这种方式，如果真的是作为太阳能风车，合理的方式应该是尽可能的减少驱动的负载，除了电机和控制电路等应该固定在底座不要跟着转动之外；同时还应该考虑太阳能电池板的安装角度，尽可能对着太阳以充分获得太阳能；实在不行至少应该固定太阳能电池板的安装角度，不至于说获得太阳能会那么不稳定（转到对着太阳的角度则效率高转得快，转到背着太阳的角度则效率低转得慢）。

本项目机器人之所以采用这样传动方式，主要是为了增加一个趣味性的效果，同时也作为介绍一种新驱动方式来拓宽视野而已。

此外，对于本项目机器人，让电机本身也一起转动，可以增加转动时整体的动能，让转动时产生的震动更大，而底座相对接触地面的面积尽可能小一点，就可以在转动速度比较快的时候机器人整体也会进行移动，而这个时候本项目也不再仅仅是一个固定的太阳能风车，而可以称得上是一个会移动的机器人（见视频中在灯光下快速转动时的效果），当然这个移动效果也不明显，效率也不高，所以本项目可以说有点不伦不类——低效率的太阳能风车，或低效率的移动机器人，可以说作为一种反面教材普及相关知识而已。

如果说作为移动机器人，为了让移动的效果更明显，就要增加转动时产生的震动。要产生更大的震动，除了说转动时带动更重的负载外，可以考虑用偏心轮的结构，就是说把除了电机上的其他绑定的负载（太阳能电池板、电路板等）都装在电机的一侧，而不是与电机同轴的位置，这个原理详见PVC-Robot 2号机器人的震动马达的原理（具体见： 晒太阳的蚊子·光能电机昆虫的移动原理 ）。

不过，如果采用偏心轮的效果，会造成电机转动时的负载过大（转不动），在普通强度的太阳光下太阳能风车的效果就不是很好——转动太慢，转动角度太小。本项目机器人早期有一个设计版本就是属于偏心轮的结构，后来为了兼顾太阳能风车的效果（太阳不大的情况下也能转动得比较顺）所以被淘汰了。

新旧版本对比（左旧--右新）

另外，本项目如果从移动机器人来看，为了增加移动效果，还可以把底座的四只脚都装上一个小轮子，这样转动时产生的震动就可以让机器人移动的幅度更大，可以说这作为本项目机器人的扩展装备。

1.3   电路原理

本项目的电路与PVC-Robot 2号机器人项目的电路是一摸一样的，电路原理也是一摸一样的——典型的脉动充放电控制电路。

基本原理如下：

1）太阳能电池板给电解电容充电，电解电容两端的电压不断上升；

2）当电路电压达到LED二极管的导通电压（2V左右）时，LED二极管导通；

3）三极管9015的基极从导通的LED二极管获得足够的导通电压，则三极管9015导通；

4）三极管9015导通后，又使三极管9014的基极获得足够的导通电压，则三极管9014导通；

5）三极管9014导通后，电机获得电流开始转动；

6）电机转动，消耗电解电容中存储的电能，电路电压下降；

7）当电路电压下降到低于LED二极管的导通电压时，LED二极管截止；

8）虽然三极管9015的基极失去了来自LED的导通电压，但是由于此时三极管9014已经导通，导通后的电流除了提供给电机转动之外，还通过电阻分流了一部分重新回到三极管9015的基极（形成一个循环），即三极管的基极还是有足够的导通电压；

9）当电机继续转动消耗电解电容的电能时，电路电压进一步下降，则即便三极管9014导通后回流给三极管9015基极的电压也无法保证三极管9015继续导通（循环被破坏），则两个三极管都截止，电机停止转动；

10）电解电容重新充电，继续重复上面的各环节。

简单的说，即：太阳能电池对电解电容充电，当充电量达到由LED二极管设置的充电上限后，则电路开始瞬间放电提供给电机转动；虽然电机转动消耗电能使电压下降至低于LED二极管的下限，但是由于电路存在一个导通循环的机制，仍然会继续放电让电机转动，能够尽可能的把电解电容中存储的电能都消耗掉；消耗完电解电容中的电能后，重新由太阳能电池对其进行充电……如此循环往复。

也可以这样理解：太阳能电池对电解电容进行缓慢充电（太阳能电池的电流比较小），充电达到上限后对电机进行瞬间放电（电机的电流比较大）；放电停止的下限比较低，可以比较彻底的把充电的电量消耗完。

在PVC-Robot 2号机器人的项目中已经对该电路原理进行了更详细的分析，这里不再重复。如果还有不清楚的，或者有兴趣继续了解的，戳这里 晒太阳的蚊子·光能电机昆虫的电路原理 。

2   准备工作

本项目需要的器材主要包括：PVC线槽、小型电机（马达）、太阳能电池、电阻、电解电容、二极管、三极管、螺丝/螺帽等。

电子电路是与前几个项目一样的太阳能脉动充放电控制电路，作为一个经典的电路基本上可以做成通用电路板，见下图，其中LED发光二级管这次选择黄色的。

以下列出本项目主要器材，其中的采购预算，由于有些器材采购时一般是批量的，而本项目中实际使用用不了那么多（剩下的可以留在以后的其他项目上），所以另外加了一项成本折算。

主要的器材都可以从网上购买，我列出了一些淘宝上的网址，基本上我也是通过这个渠道进行采购的，供大家参考。

名称 规格 数量 采购预算/成本折算 来源 用途

3   制作过程

以下将按照制作的顺序，全程介绍本项目机器人的制作过程。

3.1   电路焊接

本项目机器人的控制电路与PVC-2号机器人项目是一样的，关于电路焊接的说明这不再重复，具体请参考 晒太阳的蚊子·光能电机昆虫的电路焊接 。

这是“电路板正面布局图”（无焊点的一面，黑芯蓝点为焊点，蓝色带代表焊点相连）：

这是“电路板底面布局图”（有焊点的一面，黑芯蓝点为焊点，蓝色带代表焊点相连）：

3.2   四足底座

用剪刀把PVC线槽裁剪成如下的形状和尺寸，即两组双足支架。

把两组支架叠在一起，中间打一个孔，并把齿轮按下图所示装好。

这里之所以用这个齿轮，一方面是这个齿轮的孔径是1mm正好可以装上我们选择的轴径为1mm的电机；另一方面可以比较方便的把底座的两组四足支架固定在一起。

把两组支架用502胶水贴在齿轮上，并且把支架的前端剪小一点，并且用尖嘴钳折成如下图所示的样子。

3.3   太阳能电池

把两片太阳能电池板用双面胶布贴在一块PVC方条上，并且在方条中心打一个孔供M2*6的螺丝固定用。

因为太阳能电池板的背面有电极，所以只能对没有电极的一端进行固定，同时用金属线把两片太阳能电池板的正负电极焊接在一起，即把太阳能电池串联起来。

3.4   安装电机

用PVC线槽剪一个长方条，对比电机的长度和电路板的尺寸，折成如下图所示形状的支架。

把电机如下图所示用透明胶固定在长方条支架上。注意电机的轴要穿过方条支架上的小孔，同时方条支架的另一端用M1.2*5mm的螺丝如图所示固定好。

3.5   整机组装

把电路板通过M1.2*5mm的螺丝螺母安装到支架上，因为电路板的主要重量是电解电容，为了保证转动时摆动不要太大，注意电解电容应该与电机在同一个中心轴上。

把太阳能电池板的固定方条用M2*6的螺丝螺母安装到支架上。

把电机的轴插入底座的齿轮的孔中，整体组装在一起。

3.6   整机调试

完成整机组装后，需要进行调试。

首先，调试机械结构。可以在没有阳光的情况下，即在电路没有接通的时候，把机器人放置在水平的桌面上（底座着地），然后用手拨动太阳能电池板，手动让转轴转动起来，看看转轴是否能够转动得比较平滑，一般手工拨动可以让转轴转动几圈。如果发现转轴比较卡，转动不平滑，可以检查太阳能电池板支架的中心是否正好在电机转轴的中心线上，或者检查电路板的电解电容的中心也正好在电机转轴的中心线上。

然后，测试电路是否正常工作，可以在100W白炽灯光下测试电路的充放电控制是否正常，电机是否能够正常转动（见视频中在灯光下的效果）。

3.7   最终展示

最终的效果展示。

3.8   完善升级

为了增加移动效果，还可以把底座的四只脚都装上一个小轮子，这样转动时产生的震动就可以让机器人移动的幅度更大。

4   项目总结

本项目是一个以简单电子元件电路为控制基础的智能机器人。对于刚入门的朋友，可以通过这个项目：

1、加深脉动充放电控制电路在太阳能驱动应用方面的理解；

2、了解太阳能风车结构的原理以及应用；

3、动手制作太阳能风车。

本项目的机械结构也比较特殊，建议有条件的朋友可以试试手作为一次实践经历。