牛人造太阳能卫星机器人，光能陀螺式运动（图文+视频）~*
发布时间：2011-10-22 12:46
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本项目介绍的是太阳能卫星机器人，同样是采用太阳能脉动充放电控制电路，但是却是另外一种全新的运动方式——以陀螺旋转的方式移动，所以又称为太阳能陀螺机器人。 如果了解BEAM机器人的朋友，可能对这样造型的机器人已经很熟悉了——三脚支架中的两脚，加上连接电机的底部转盘，总共三点支撑地面，晒会太阳充会电，电机驱动转盘转动再带动机器人移动。 从以上插图我们可以看到两种不同的造型，不过原理都是基本一样的，只不过结构上有一点区别（有一个带了碰撞环，这个后面会具体说明）。 一、基本原理 1.1、驱动原理 1.2、机械结构 1.3、电路原理 二、准备工作 三、制作过程 3.1、电路焊接 3.2、三脚支架 3.3、电 路 板 3.4、电机支架 3.5、整机组装 3.6、整机调试 四、效果展示 五、扩展完善 5.1、功能扩展 5.2、版本升级 六、常见问题 七、项目总结 一、基本原理 本项目的机器人的外形像一个人造卫星，是以太阳能电池作为电源，电机驱动底部的转盘转动，从而带动整个机器人移动。由于以自身转动的方式进行移动的，就像一个旋转的陀螺，所以本项目机器人又可称为“陀螺机器人”。 1、驱动原理 本项目的驱动原理也是比较简单的，主要是电机带动底部的转盘转动——机器人有一个三脚支架，同时只有相邻的某两脚支撑地面，再加上底部连接电机的转盘，“两脚＋转盘”——三点支撑地面。电机带动转盘转动，则其中一点转动，另外两点支撑，机器人就可以整体移动。 
本项目机器人有一个三脚支脚，主要有三种情况的结构，稍微通过调整就可以有不同的运行效果。 1、如果是三脚支架离地比较高（相对于转盘），且底部用直径比较小的转盘，则三点平衡比较稳定，每完成一次充电周期后电机转动只能带动转盘转一点距离，一般只能是由一组相邻的双脚交换为下一组相邻的双脚支撑地面，每周期移动的距离比较小。 
本项目机器人的控制电路和PVC-2号机器人项目基本是一样的——典型的脉动充放电电路。 但是两者还是有一点区别：PVC-2号项目的电解电容是一个4700uF，而本项目的电路采用的是三个2200uF的电解电容。 三个电解电容并联在一起，其容值就是三个电解电容之和，这样本项目采用的电解电容其实就是6600uF，比PVC-2号的4700uF大一点。对于本脉动充放电电路来说，电解电容的容量越大，储电量就会越大，但充电的时间也会越长，不过放电的时间也会越长，持续运动的时间也会越久。 当然，本项目之所以用三个电解电容并联在一起代替原来的一个电解电容，主要还是因为机械结构的需要，即用三脚支架作为平衡支撑的结构。 
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，可以点击这里：PVC-Robot 2号 电路原理分析。 二、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。 
本项目采用的PVC线槽没有具体的规格要求。 以下列出本项目的主要器件： 三、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和PVC-Robot 2号机器人项目是一样的，虽然一个是单个的大电解电容，一个是三只并联在一起的小电解电容，但是电路板还是一样的（电解电容可以外接）。 
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）： 
作为尝试或者说作为进阶，也可以省去电路板，直接对电子元件的引脚进行搭焊。 因为要围绕电机直接搭焊，为了防止电机的金属外壳把电路给短路了，可以在外壳上包一圈透明胶布。 
直接把电子元件直接焊在电机的电极上。 
焊接好的电路。 
电路调试 特别注意，本项目的太阳能机器人一般只能在太阳下才能运行，而在普通灯光下由于亮度不足将无法正常运行。如果要在室内测试太阳能机器人，由于光线不足就需要借助特别的灯光——可以选择100瓦的白炽灯（在实体五金店中可以很容易买到灯泡和插座），以代替阳光。（注意：不能用一般日光灯或是节能灯，因为其亮度无法让太阳能电池有足够的输出功率）。 
在白炽灯下，进行电路测试。 正常效果，马达会每隔几秒钟转动几下。调整白炽灯与太阳能电池板的距离，查看马达在光线不同时的效果——光线越亮，马达每两次转动的间隔就会越短，如果灯泡贴着太阳能电池板甚至马达会持续转动。3.2、三脚支架 用三只电解电容做成三脚支架。 先把三只电解电容按下图布局排好。 
把电解电容的引脚折成如下图形状，把三只电解电容的电极分成两层连在一起，注意正极的与正极连一起，负极与负极的连在一起。 
把三只电解电容的电极并联焊在一起。 
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。 
对应到以下电路板底面图中橙色圈所对应的焊点位置，把电机电极直接焊接在电路板上。 
焊接好的电路板和电机。 
3.4、电机支架 用剪刀把PVC材料剪裁并用尖嘴钳折成一个电机的支架，如下图所示。 
开始整机组装。 准备好所有的待组装器件：太阳能电池板、太阳能电池板的支架、电机支架、电机以及电路板。 
把电机、电机支架以及太阳能电池板用螺丝固定起来。 
把太阳能电池板用双面胶布固定在支架上，按照电路原理图把电解电容以及太阳能电池板的电极用电线与电路板连接起来。同时把小齿轮安装到电机上，并且在小齿轮上套上一截自行车气门芯胶管（也可以省略）。 
在电机支架外露的两边各插入一块PVC方片，同时把电解电容的三脚支架插到电机支架上，并用尖嘴钳调整三脚支架把电机支架正好夹住，并在两个方片的靠近太阳能电池板的一侧（没有固定三脚支架的一侧）用透明胶布包好，把方片固定在电机支架上。 
用502胶水把三脚支架和电机支架粘贴在一起固定好来。 特别提醒：由于502胶水渗透性强，干得快，使用时要格外小心，如果没有控制好用量，轻则会把不该粘住的东西粘起来了，严重的有可能会导致器件的损坏报废，一般建议使用前先试一下会不会出水孔过大一次性会滴出过多胶水，必要的时候可以用牙签之类的工具蘸着胶水涂到要粘贴的部位。
组装完毕的机器人。 
完成整机组装后，需要进行调试。 首先，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）。 
四、最终展示 最终效果展示。
5.1、功能扩展 除了调整三脚支架可以改变本机器人的最终运行效果外，还可以通过更换底部的转盘改变运行效果，即可以把底部的小齿轮转盘改为大齿轮转盘。（具体可参见视频中灯光下的大直径转盘部分的效果）。 
作为升级版本，本项目的机器人可以增加一个“碰撞环”：用PVC剪成细条做一个环，再用三根细条支架固定在周围一圈。安装了“碰撞环”之后，如果在转动移动的过程中，碰到障碍物后会有一个反弹转向的效果，之后再继续转动移动。 以下为一个升级版本的光能陀螺，带“碰撞环”，并且结构部分重新作了设计，定名为“PVC-Robot 5号-B版”。具体运行效果可以见上面视频中碰撞环的部分。 
材料准备和第一个版本是类似的，电路板也是直接焊接在电机电极上的，不过三个电解电容可以选择形状上稍微细长的类型，且引脚不需要很长的那种。 
用剪刀和尖嘴钳把PVC材料加工成如下图所示的尺寸和形状，下图从上到下分别是电机支架、太阳能电池板底板／支架。注意电机支架做成边长为15mm左右的等边三角形。 
把电机支架夹住电机外壳，并且用透明胶布从支架外圈绑几圈固定好。 
太阳能电池板支架的一端裁好，正好插入电机支架的三角空隙中。 
用双面胶布把太阳能电池板粘贴在太阳能电池板底板上。 
把太阳能电池板的底板和支架用M2*6的螺丝/螺母固定好来。 
用透明胶布把三个电解电容如下图所示绑贴在电机支架周围做成支架，并且给电机装上小齿轮并在外面套一截自行车气门心胶管做成底部转盘（也可以只安装小齿轮不用气门芯胶管，运行效果会有不同）。注意电机轴突出要高过三个电解电容的底部，即让底部转盘要稍微高过三个电解电容做成的支架。 
用PVC裁成细长条，其中一端折一个弯（用于直接插入三角形电机支架的三角空隙中），并且在30mm左右的长度再扭一个弯。 
三根细长条都装到电机支架的三角空隙（在接合部滴入用502胶水），并且都扭了弯，然后如图所示保留大约90mm的长度。 特别提醒：由于502胶水渗透性强，干得快，使用时要格外小心，如果没有控制好用量，轻则会把不该粘住的东西粘起来了，严重的有可能会导致器件的损坏报废，一般建议使用前先试一下会不会出水孔过大一次性会滴出过多胶水，必要的时候可以用牙签之类的工具蘸着胶水涂到要粘贴的部位。
三根长条如下图所示弯成互相连接的圆弧，接合部用透明胶布固定。 
连接好电路的电线。 
完成后的效果。 
用PVC做环的支架，把铜芯电线用502胶水粘贴在支架上。 特别提醒：由于502胶水渗透性强，干得快，使用时要格外小心，如果没有控制好用量，轻则会把不该粘住的东西粘起来了，严重的有可能会导致器件的损坏报废，一般建议使用前先试一下会不会出水孔过大一次性会滴出过多胶水，必要的时候可以用牙签之类的工具蘸着胶水涂到要粘贴的部位。 
光能陀螺家族（依次为B版、A版、C版）。 
正常情况下，在阳光下测试，电机会有节奏的转一阵、停一阵，注意观察还会发现在电机开始转动的瞬间LED会有一点微光闪动。 针对应用当前的太阳能脉动充放电控制电路制作太阳能动力机器人，以下列出可能存在的问题以及解决的方法： 1、电机转一下就停止，电路不再触发。 1）电机内阻太大：如果是小电流的电机，因为内阻比较大，电解电容充电分压在LED两侧的电压较低不足以让LED导通，解决的办法是可以尝试在电机两端并联一个几十欧姆的电阻。 2）如果是在强烈阳光下存在这个问题，则是太阳能电池板的电压太高以及电机功率较小的原因：太阳能电池板电压高，而电机功率小而消耗的电流也小，电机放电的速度赶不上太阳能充电的速度，导致三级管一旦导通后就无法截止，解决的办法是可以尝试在NPN三级管基极与PNP三极管集电极之间连接一个1k左右的电阻，使三级管导通的条件提高；另外也可以类似第一种情况在电机两端并联一个几十欧姆的电阻，也就是说可以加大放电时的电流，加速放电。 2、电机一直转动，没有节奏性的转／停。 1）太阳能电池板的电压太高：尝试多串联一个LED以提高电路充电阈值上限（采用本教程对应淘宝店提供的套件一般不存在该问题）。 3、电机不转，LED也不亮。 1）太阳能电池板的电压太低：至少要求太阳能电池板额定最高电压能够达到3V（采用本教程对应淘宝店提供的套件一般不存在该问题）； 2）光线不足：需要在足够的阳光下或者白炽灯下进行测试； 3）电路错误：检查电路焊接是否正确。 4、LED常亮，电路不触发。 1）电路错误：检查电路焊接是否正确。 5、电机嘶嘶响，但是不转。 1）储能电解电容容量过大：尝试减小储能电解电容的容量，根据经验一般耐压高、体积大的电解电容用在这个机器人电路上效果最好（采用本教程对应淘宝店提供的套件一般不存在该问题）。 七、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、了解电容并联的应用； 3、了解太阳能陀螺结构的原理以及应用； 4、初步了解电子元件的搭焊。 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。 以下为效果视频，前一段是在灯光（白炽灯）下进行测试的效果（包括带碰撞环的效果），后面一段为在阳光下的效果。 来源：OFweek电子工程网 |
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