工程師製作故事:手工製作光能轉動機器人

本項目介紹的是與之前幾個項目的機器人一樣，同樣是採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動方式。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/186127.htm

本項目機器人可以看成一個「太陽能風車」，風車轉動的能量是風能，而「太陽能風車」轉動的能量卻是太陽能——有太陽的時候會轉動，把太陽能轉變為動能。本項目採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，然後轉動一會，太陽越大轉動越快；如果太陽足夠火辣則可以幾乎連續轉動而中間沒有停頓，而且這個時候會產生較大的震動，機器人整體也會發生移動，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

本項目的機器人採用太陽能電池作為電源，驅動電機帶動一個轉軸進行轉動。

1.1驅動原理

本項目機器人的驅動原理很簡單，就是驅動電機旋轉的傳動方式，不過和通常的應用有點區別：一般的電機傳動結構，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。

1.2機械結構

本項目採用的「電機軸固定、而電機本身旋轉」的機械結構，其實效率並不如果「電機本身固定，而電機軸旋轉」，畢竟這樣電機轉動時除了負擔實際的負載之外，還要負擔電機本身的重量。實際應用時一般不會採取這種方式，如果真的是作為太陽能風車，合理的方式應該是儘可能的減少驅動的負載，除了電機和控制電路等應該固定在底座不要跟著轉動之外；同時還應該考慮太陽能電池板的安裝角度，儘可能對著太陽以充分獲得太陽能；實在不行至少應該固定太陽能電池板的安裝角度，不至於說獲得太陽能會那麼不穩定（轉到對著太陽的角度則效率高轉得快，轉到背著太陽的角度則效率低轉得慢）。

本項目機器人之所以採用這樣傳動方式，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動方式來拓寬視野而已。

此外，對於本項目機器人，讓電機本身也一起轉動，可以增加轉動時整體的動能，讓轉動時產生的震動更大，而底座相對接觸地面的面積儘可能小一點，就可以在轉動速度比較快的時候機器人整體也會進行移動，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動時的效果），當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，就要增加轉動時產生的震動。要產生更大的震動，除了說轉動時帶動更重的負載外，可以考慮用偏心輪的結構，就是說把除了電機上的其他綁定的負載（太陽能電池板、電路板等）都裝在電機的一側，而不是與電機同軸的位置，這個原理詳見PVC-Robot 2號機器人的震動馬達的原理（具體見：曬太陽的蚊子·光能電機昆蟲的移動原理）。

不過，如果採用偏心輪的效果，會造成電機轉動時的負載過大（轉不動），在普通強度的太陽光下太陽能風車的效果就不是很好——轉動太慢，轉動角度太小。本項目機器人早期有一個設計版本就是屬於偏心輪的結構，後來為了兼顧太陽能風車的效果（太陽不大的情況下也能轉動得比較順）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，還可以把底座的四隻腳都裝上一個小輪子，這樣轉動時產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）當電路電壓達到LED二極體的導通電壓（2V左右）時，LED二極體導通；

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

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

5）三極體9014導通後，電機獲得電流開始轉動；

6）電機轉動，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於LED二極體的導通電壓時，LED二極體截止；

8）雖然三極體9015的基極失去了來自LED的導通電壓，但是由於此時三極體9014已經導通，導通後的電流除了提供給電機轉動之外，還通過電阻分流了一部分重新回到三極體9015的基極（形成一個循環），即三極體的基極還是有足夠的導通電壓；

9）當電機繼續轉動消耗電解電容的電能時，電路電壓進一步下降，則即便三極體9014導通後回流給三極體9015基極的電壓也無法保證三極體9015繼續導通（循環被破壞），則兩個三極體都截止，電機停止轉動；

10）電解電容重新充電，繼續重複上面的各環節。

簡單的說，即：太陽能電池對電解電容充電，當充電量達到由LED二極體設置的充電上限後，則電路開始瞬間放電提供給電機轉動；雖然電機轉動消耗電能使電壓下降至低於LED二極體的下限，但是由於電路存在一個導通循環的機制，仍然會繼續放電讓電機轉動，能夠儘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後，重新由太陽能電池對其進行充電……如此循環往復。

也可以這樣理解：太陽能電池對電解電容進行緩慢充電（太陽能電池的電流比較小），充電達到上限後對電機進行瞬間放電（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對該電路原理進行了更詳細的分析，這裡不再重複。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續了解的，戳這裡曬太陽的蚊子·光能電機昆蟲的電路原理。

2準備工作

本項目需要的器材主要包括：PVC線槽、小型電機（馬達）、太陽能電池、電阻、電解電容、二極體、三極體、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，作為一個經典的電路基本上可以做成通用電路板，見下圖，其中LED發光二級管這次選擇黃色的。

以下列出本項目主要器材，其中的採購預算，由於有些器材採購時一般是批量的，而本項目中實際使用用不了那麼多（剩下的可以留在以後的其他項目上），所以另外加了一項成本折算。

主要的器材都可以從網上購買，我列出了一些淘寶上的網址，基本上我也是通過這個渠道進行採購的，供大家參考。

名稱 規格 數量 採購預算/成本折算 來源 用途

名稱	規格	數量	採購預算/成本折算	來源	用途
PVC線槽	2.5CM寬度	1段	4元 / 0.5元	實體五金店	主要結構材料
小電機	微型馬達	1個	3元	淘寶：morehave	動力
太陽能電池	1.5V	2片	2.2元	淘寶：zhiqiang588	電源
電阻	2.2K	1個	8元 / 0.03元	淘寶：jxpjihao	電子元件
電解電容	4700uf	1個	0.4元	淘寶：東莞創博電子	電子元件
二極體	LED發光二極體（紅/黃/綠）	1個	0.08元	淘寶：lc工作室	電子元件
三極體	9014、9015各1個	2個	4.5元 / 0.15元	淘寶：jxpjihao	電子元件
電路板	電路板/實驗板/萬用板/洞洞板	1塊	1.5元	淘寶：lm750811
齒輪	模數M0.3，70T（軸徑1mm）	1個	2元	淘寶：morehave	底座
M1.2*5螺絲	1.2mm直徑，長5mm	4顆	4元/0.16元	淘寶：精隆五金製品有限公司	固定PVC材料
M2*6螺絲	2mm直徑，長6mm，平頭	1顆	2元/0.02元	淘寶：精隆五金製品有限公司	固定PVC材料
M1.2螺母	1.2mm內徑	4個	15元/0.6元	淘寶：微型螺絲小王	固定PVC材料
M2螺母	2mm內徑	1顆	2元/0.02元	淘寶：精隆五金製品有限公司	固定PVC材料
合計			48.68元/10.66元

3製作過程

以下將按照製作的順序，全程介紹本項目機器人的製作過程。

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，關於電路焊接的說明這不再重複，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，黑芯藍點為焊點，藍色帶代表焊點相連）：

這是「電路板底面布局圖」（有焊點的一面，黑芯藍點為焊點，藍色帶代表焊點相連）：

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，並把齒輪按下圖所示裝好。

這裡之所以用這個齒輪，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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