電子發(fā)燒友App
本項目介紹的是太陽能衛(wèi)星機(jī)器人，同樣是采用太陽能脈動充放電控制電路，但是卻是另外一種全新的運動方式——以陀螺旋轉(zhuǎn)的方式移動，所以又稱為太陽能陀螺機(jī)器人。
如果了解BEAM機(jī)器人的朋友，可能對這樣造型的機(jī)器人已經(jīng)很熟悉了——三腳支架中的兩腳，加上連接電機(jī)的底部轉(zhuǎn)盤，總共三點支撐地面，曬會太陽充會電，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動再帶動機(jī)器人移動。
一、基本原理
1.1、驅(qū)動原理
1.2、機(jī)械結(jié)構(gòu)
1.3、電路原理
二、準(zhǔn)備工作
三、制作過程
3.1、電路焊接
3.2、三腳支架
3.3、電 路 板
3.4、電機(jī)支架
3.5、整機(jī)組裝
3.6、整機(jī)調(diào)試
四、效果展示
五、擴(kuò)展完善
5.1、功能擴(kuò)展
5.2、版本升級
六、常見問題
七、項目總結(jié)
從以上插圖我們可以看到兩種不同的造型，不過原理都是基本一樣的，只不過結(jié)構(gòu)上有一點區(qū)別（有一個帶了碰撞環(huán)，這個后面會具體說明）。
一、基本原理
本項目的機(jī)器人的外形像一個人造衛(wèi)星，是以太陽能電池作為電源，電機(jī)驅(qū)動底部的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而帶動整個機(jī)器人移動。由于以自身轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行移動的，就像一個旋轉(zhuǎn)的陀螺，所以本項目機(jī)器人又可稱為“陀螺機(jī)器人”。
1、驅(qū)動原理
本項目的驅(qū)動原理也是比較簡單的，主要是電機(jī)帶動底部的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動——機(jī)器人有一個三腳支架，同時只有相鄰的某兩腳支撐地面，再加上底部連接電機(jī)的轉(zhuǎn)盤，“兩腳＋轉(zhuǎn)盤”——三點支撐地面。電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，則其中一點轉(zhuǎn)動，另外兩點支撐，機(jī)器人就可以整體移動。
2、機(jī)械結(jié)構(gòu)
本項目機(jī)器人有一個三腳支腳，主要有三種情況的結(jié)構(gòu)，稍微通過調(diào)整就可以有不同的運行效果。
1、如果是三腳支架離地比較高（相對于轉(zhuǎn)盤），且底部用直徑比較小的轉(zhuǎn)盤，則三點平衡比較穩(wěn)定，每完成一次充電周期后電機(jī)轉(zhuǎn)動只能帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一點距離，一般只能是由一組相鄰的雙腳交換為下一組相鄰的雙腳支撐地面，每周期移動的距離比較小。
2、如果是三腳支架離地過高（相對于轉(zhuǎn)盤），則三點平衡相當(dāng)穩(wěn)定，雖然能夠帶動機(jī)器人移動，但是因為支架過高導(dǎo)致無法交換支撐地面的雙腳，就是說一直都是開始運動時默認(rèn)支撐地面的雙腳著地。
3、如果是三腳支架離地比較低（相對于轉(zhuǎn)盤），以及底部用直徑比較大的轉(zhuǎn)盤，則三點平衡相對不夠穩(wěn)定，每個充電周期后的運行可以接近平滑移動，也就是說每周期移動的距離相對會大一點。
作為擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)功能，本項目的機(jī)器人還可以增加一個“碰撞環(huán)”：用PVC剪成細(xì)條做一個環(huán)，再用三根細(xì)條支架固定在周圍一圈。本機(jī)器人加了“碰撞環(huán)”后，如果在轉(zhuǎn)動移動的過程中，碰到障礙物后會有一個反彈轉(zhuǎn)向的效果，之后再繼續(xù)轉(zhuǎn)動移動（具體見：版本升級）。
3、電路原理
本項目機(jī)器人的控制電路和PVC-2號機(jī)器人項目基本是一樣的——典型的脈動充放電電路。
但是兩者還是有一點區(qū)別：PVC-2號項目的電解電容是一個4700uF，而本項目的電路采用的是三個2200uF的電解電容。
三個電解電容并聯(lián)在一起，其容值就是三個電解電容之和，這樣本項目采用的電解電容其實就是6600uF，比PVC-2號的4700uF大一點。對于本脈動充放電電路來說，電解電容的容量越大，儲電量就會越大，但充電的時間也會越長，不過放電的時間也會越長，持續(xù)運動的時間也會越久。
當(dāng)然，本項目之所以用三個電解電容并聯(lián)在一起代替原來的一個電解電容，主要還是因為機(jī)械結(jié)構(gòu)的需要，即用三腳支架作為平衡支撐的結(jié)構(gòu)。
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(jī)獲得電流開始轉(zhuǎn)動；
6）電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動；雖然電機(jī)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(jī)制，仍然會繼續(xù)放電讓電機(jī)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?。潆娺_(dá)到上限后對電機(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號機(jī)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，可以點擊這里：PVC-Robot 2號 電路原理分析。
二、準(zhǔn)備工作
本項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。
本項目采用的PVC線槽沒有具體的規(guī)格要求。
以下列出本項目的主要器件：
三、制作過程
以下將按照制作的順序，全程介紹本項目機(jī)器人的制作過程。
3.1、電路焊接
本項目機(jī)器人的控制電路和PVC-Robot 2號機(jī)器人項目是一樣的，雖然一個是單個的大電解電容，一個是三只并聯(lián)在一起的小電解電容，但是電路板還是一樣的（電解電容可以外接）。
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）：
選讀內(nèi)容——搭焊：
作為嘗試或者說作為進(jìn)階，也可以省去電路板，直接對電子元件的引腳進(jìn)行搭焊。
因為要圍繞電機(jī)直接搭焊，為了防止電機(jī)的金屬外殼把電路給短路了，可以在外殼上包一圈透明膠布。
直接把電子元件直接焊在電機(jī)的電極上。
焊接好的電路。
搭焊電路的效果比較有粗放的藝術(shù)質(zhì)感，而且不同的人可能焊接布局的方式不同，最終的效果也都不一樣，作為DIY來說會比較有個性。但直接搭焊對于焊接的技巧要求比較高，尤其是稍微復(fù)雜一點的電路不好把握好。正因為如此，在我們PVC教程中只是把搭焊作為一個附屬的“選修”內(nèi)容。
電路調(diào)試
特別注意，本項目的太陽能機(jī)器人一般只能在太陽下才能運行，而在普通燈光下由于亮度不足將無法正常運行。如果要在室內(nèi)測試太陽能機(jī)器人，由于光線不足就需要借助特別的燈光——可以選擇100瓦的白熾燈（在實體五金店中可以很容易買到燈泡和插座），以代替陽光。（注意：不能用一般日光燈或是節(jié)能燈，因為其亮度無法讓太陽能電池有足夠的輸出功率）。
在白熾燈下，進(jìn)行電路測試。
正常效果，馬達(dá)會每隔幾秒鐘轉(zhuǎn)動幾下。調(diào)整白熾燈與太陽能電池板的距離，查看馬達(dá)在光線不同時的效果——光線越亮，馬達(dá)每兩次轉(zhuǎn)動的間隔就會越短，如果燈泡貼著太陽能電池板甚至馬達(dá)會持續(xù)轉(zhuǎn)動。
3.2、三腳支架
用三只電解電容做成三腳支架。
先把三只電解電容按下圖布局排好。
把電解電容的引腳折成如下圖形狀，把三只電解電容的電極分成兩層連在一起，注意正極的與正極連一起，負(fù)極與負(fù)極的連在一起。
把三只電解電容的電極并聯(lián)焊在一起。
3.3、電路板
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。
可以直接把電機(jī)的電極與電路板焊接在一起。具體焊接點需要對照之前的電路圖，而且讓電機(jī)的位置正好位于電路板中央位置。
對應(yīng)到以下電路板底面圖中橙色圈所對應(yīng)的焊點位置，把電機(jī)電極直接焊接在電路板上。
焊接好的電路板和電機(jī)。
3.4、電機(jī)支架
用剪刀把PVC材料剪裁并用尖嘴鉗折成一個電機(jī)的支架，如下圖所示。
3.5、整機(jī)組裝
開始整機(jī)組裝。
準(zhǔn)備好所有的待組裝器件：太陽能電池板、太陽能電池板的支架、電機(jī)支架、電機(jī)以及電路板。
把電機(jī)、電機(jī)支架以及太陽能電池板用螺絲固定起來。
把太陽能電池板用雙面膠布固定在支架上，按照電路原理圖把電解電容以及太陽能電池板的電極用電線與電路板連接起來。同時把小齒輪安裝到電機(jī)上，并且在小齒輪上套上一截自行車氣門芯膠管（也可以省略）。
在電機(jī)支架外露的兩邊各插入一塊PVC方片，同時把電解電容的三腳支架插到電機(jī)支架上，并用尖嘴鉗調(diào)整三腳支架把電機(jī)支架正好夾住，并在兩個方片的靠近太陽能電池板的一側(cè)（沒有固定三腳支架的一側(cè)）用透明膠布包好，把方片固定在電機(jī)支架上。
用502膠水把三腳支架和電機(jī)支架粘貼在一起固定好來。
特別提醒：由于502膠水滲透性強(qiáng)，干得快，使用時要格外小心，如果沒有控制好用量，輕則會把不該粘住的東西粘起來了，嚴(yán)重的有可能會導(dǎo)致器件的損壞報廢，一般建議使用前先試一下會不會出水孔過大一次性會滴出過多膠水，必要的時候可以用牙簽之類的工具蘸著膠水涂到要粘貼的部位。
組裝完畢的機(jī)器人。
3.6、整機(jī)調(diào)試
完成整機(jī)組裝后，需要進(jìn)行調(diào)試。
首先，測試電路是否正常工作，可以在100W白熾燈光下測試電路的充放電控制是否正常，電機(jī)是否能夠正常轉(zhuǎn)動（見視頻中在燈光下的效果）。
然后，調(diào)試機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要還是調(diào)試三腳支架的高度/角度。前面機(jī)械原理的章節(jié)已經(jīng)提到通過調(diào)整三腳支架的高度（相對轉(zhuǎn)盤）對最終運行效果的影響。因為三腳支架已經(jīng)粘貼在電機(jī)支架上，所以要調(diào)整三腳支架的高度，可以把三個電解電容的引腳往底部多折一點。
四、最終展示
最終效果展示。
五、擴(kuò)展完善
5.1、功能擴(kuò)展
除了調(diào)整三腳支架可以改變本機(jī)器人的最終運行效果外，還可以通過更換底部的轉(zhuǎn)盤改變運行效果，即可以把底部的小齒輪轉(zhuǎn)盤改為大齒輪轉(zhuǎn)盤。（具體可參見視頻中燈光下的大直徑轉(zhuǎn)盤部分的效果）。
5.2、版本升級
作為升級版本，本項目的機(jī)器人可以增加一個“碰撞環(huán)”：用PVC剪成細(xì)條做一個環(huán)，再用三根細(xì)條支架固定在周圍一圈。安裝了“碰撞環(huán)”之后，如果在轉(zhuǎn)動移動的過程中，碰到障礙物后會有一個反彈轉(zhuǎn)向的效果，之后再繼續(xù)轉(zhuǎn)動移動。
以下為一個升級版本的光能陀螺，帶“碰撞環(huán)”，并且結(jié)構(gòu)部分重新作了設(shè)計，定名為“PVC-Robot 5號-B版”。具體運行效果可以見上面視頻中碰撞環(huán)的部分。
下面簡略的介紹一下制作過程。
材料準(zhǔn)備和第一個版本是類似的，電路板也是直接焊接在電機(jī)電極上的，不過三個電解電容可以選擇形狀上稍微細(xì)長的類型，且引腳不需要很長的那種。
用剪刀和尖嘴鉗把PVC材料加工成如下圖所示的尺寸和形狀，下圖從上到下分別是電機(jī)支架、太陽能電池板底板／支架。注意電機(jī)支架做成邊長為15mm左右的等邊三角形。
把電機(jī)支架夾住電機(jī)外殼，并且用透明膠布從支架外圈綁幾圈固定好。
太陽能電池板支架的一端裁好，正好插入電機(jī)支架的三角空隙中。
用雙面膠布把太陽能電池板粘貼在太陽能電池板底板上。
把太陽能電池板的底板和支架用M2*6的螺絲/螺母固定好來。
用透明膠布把三個電解電容如下圖所示綁貼在電機(jī)支架周圍做成支架，并且給電機(jī)裝上小齒輪并在外面套一截自行車氣門心膠管做成底部轉(zhuǎn)盤（也可以只安裝小齒輪不用氣門芯膠管，運行效果會有不同）。注意電機(jī)軸突出要高過三個電解電容的底部，即讓底部轉(zhuǎn)盤要稍微高過三個電解電容做成的支架。
用PVC裁成細(xì)長條，其中一端折一個彎（用于直接插入三角形電機(jī)支架的三角空隙中），并且在30mm左右的長度再扭一個彎。
三根細(xì)長條都裝到電機(jī)支架的三角空隙（在接合部滴入用502膠水），并且都扭了彎，然后如圖所示保留大約90mm的長度。
特別提醒：由于502膠水滲透性強(qiáng)，干得快，使用時要格外小心，如果沒有控制好用量，輕則會把不該粘住的東西粘起來了，嚴(yán)重的有可能會導(dǎo)致器件的損壞報廢，一般建議使用前先試一下會不會出水孔過大一次性會滴出過多膠水，必要的時候可以用牙簽之類的工具蘸著膠水涂到要粘貼的部位。
三根長條如下圖所示彎成互相連接的圓弧，接合部用透明膠布固定。
連接好電路的電線。
完成后的效果。
碰撞環(huán)也可以用細(xì)一點的金屬絲來做，重量更輕、彈性更好，以下是用單芯銅芯膠皮電線做的碰撞環(huán)（也可以考慮用網(wǎng)線內(nèi)芯的銅線）。為便于區(qū)分定名為“PVC-Robot 5號-C版”。
用PVC做環(huán)的支架，把銅芯電線用502膠水粘貼在支架上。
特別提醒：由于502膠水滲透性強(qiáng)，干得快，使用時要格外小心，如果沒有控制好用量，輕則會把不該粘住的東西粘起來了，嚴(yán)重的有可能會導(dǎo)致器件的損壞報廢，一般建議使用前先試一下會不會出水孔過大一次性會滴出過多膠水，必要的時候可以用牙簽之類的工具蘸著膠水涂到要粘貼的部位。
光能陀螺家族（依次為B版、A版、C版）。
六、常見問題
正常情況下，在陽光下測試，電機(jī)會有節(jié)奏的轉(zhuǎn)一陣、停一陣，注意觀察還會發(fā)現(xiàn)在電機(jī)開始轉(zhuǎn)動的瞬間LED會有一點微光閃動。
針對應(yīng)用當(dāng)前的太陽能脈動充放電控制電路制作太陽能動力機(jī)器人，以下列出可能存在的問題以及解決的方法：
1、電機(jī)轉(zhuǎn)一下就停止，電路不再觸發(fā)。
1）電機(jī)內(nèi)阻太大：如果是小電流的電機(jī)，因為內(nèi)阻比較大，電解電容充電分壓在LED兩側(cè)的電壓較低不足以讓LED導(dǎo)通，解決的辦法是可以嘗試在電機(jī)兩端并聯(lián)一個幾十歐姆的電阻。
2）如果是在強(qiáng)烈陽光下存在這個問題，則是太陽能電池板的電壓太高以及電機(jī)功率較小的原因：太陽能電池板電壓高，而電機(jī)功率小而消耗的電流也小，電機(jī)放電的速度趕不上太陽能充電的速度，導(dǎo)致三級管一旦導(dǎo)通后就無法截止，解決的辦法是可以嘗試在NPN三級管基極與PNP三極管集電極之間連接一個1k左右的電阻，使三級管導(dǎo)通的條件提高；另外也可以類似第一種情況在電機(jī)兩端并聯(lián)一個幾十歐姆的電阻，也就是說可以加大放電時的電流，加速放電。
2、電機(jī)一直轉(zhuǎn)動，沒有節(jié)奏性的轉(zhuǎn)／停。
1）太陽能電池板的電壓太高：嘗試多串聯(lián)一個LED以提高電路充電閾值上限（采用本教程對應(yīng)淘寶店提供的套件一般不存在該問題）。
3、電機(jī)不轉(zhuǎn)，LED也不亮。
1）太陽能電池板的電壓太低：至少要求太陽能電池板額定最高電壓能夠達(dá)到3V（采用本教程對應(yīng)淘寶店提供的套件一般不存在該問題）；
2）光線不足：需要在足夠的陽光下或者白熾燈下進(jìn)行測試；
3）電路錯誤：檢查電路焊接是否正確。
4、LED常亮，電路不觸發(fā)。
1）電路錯誤：檢查電路焊接是否正確。
5、電機(jī)嘶嘶響，但是不轉(zhuǎn)。
1）儲能電解電容容量過大：嘗試減小儲能電解電容的容量，根據(jù)經(jīng)驗一般耐壓高、體積大的電解電容用在這個機(jī)器人電路上效果最好（采用本教程對應(yīng)淘寶店提供的套件一般不存在該問題）。
七、項目總結(jié)
本項目是一個以簡單電子元件電路為控制基礎(chǔ)的智能機(jī)器人。對于剛?cè)腴T的朋友，可以通過這個項目：
1、加深脈動充放電控制電路在太陽能驅(qū)動應(yīng)用方面的理解；
2、了解電容并聯(lián)的應(yīng)用；
3、了解太陽能陀螺結(jié)構(gòu)的原理以及應(yīng)用；
4、初步了解電子元件的搭焊。
本項目的機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較特殊，建議有條件的朋友可以試試手作為一次實踐經(jīng)歷。
以下為效果視頻，前一段是在燈光（白熾燈）下進(jìn)行測試的效果（包括帶碰撞環(huán)的效果），后面一段為在陽光下的效果。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論