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        工程師制作故事:手工制作光能轉動機器人

        作者: 時間:2012-07-09 來源:網絡 收藏

        本項目介紹的是與之前幾個項目的機器人一樣,同樣是采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.104case.com/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。本項目采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,然后轉動一會,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

        本項目的機器人采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

        本項目采用的“電機軸固定、而電機本身旋轉”的機械結構,其實效率并不如果“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采取這種方式,如果真的是作為太陽能風車,合理的方式應該是盡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,盡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,不至于說獲得太陽能會那么不穩定(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采用這樣傳動方式,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,對于本項目機器人,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盡可能小一點,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·電機昆蟲的移動原理)。

        不過,如果采用偏心輪的效果,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于偏心輪的結構,后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,還可以把底座的四只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二極管的導通電壓(2V左右)時,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于LED二極管的導通電壓時,LED二極管截止;

        8)雖然三極管9015的基極失去了來自LED的導通電壓,但是由于此時三極管9014已經導通,導通后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管9015的基極(形成一個循環),即三極管的基極還是有足夠的導通電壓;

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

        10)電解電容重新充電,繼續重復上面的各環節。

        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二極管設置的充電上限后,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于LED二極管的下限,但是由于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),充電達到上限后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,戳這里曬太陽的蚊子·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、二極管、三極管、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,其中的采購預算,由于有些器材采購時一般是批量的,而本項目中實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采購的,供大家參考。

        名稱 規格 數量 采購預算/成本折算 來源 用途

        名稱規格數量采購預算/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1.5V2片2.2元淘寶:zhiqiang588電源
        電阻2.2K1個8元 / 0.03元淘寶:jxpjihao電子元件
        電解電容4700uf1個0.4元淘寶:東莞創博電子電子元件
        二極管LED發光二極管(紅/黃/綠)1個0.08元淘寶:lc工作室電子元件
        三極管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5mm4顆4元/0.16元淘寶:精隆五金制品有限公司固定PVC材料
        M2*6螺絲2mm直徑,長6mm,平頭1顆2元/0.02元淘寶:精隆五金制品有限公司固定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:精隆五金制品有限公司固定PVC材料
        合計48.68元/10.66元

        3制作過程

        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,關于電路焊接的說明這不再重復,具體請參考曬太陽的蚊子·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,并把齒輪按下圖所示裝好。

        這里之所以用這個齒輪,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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