简单有趣的太阳能陀螺机器人DIY图解及配件购买地址
人气
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）。
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。
为了方便大家，开通了PVCRobot系列机器人淘宝网店，希望能更好的为大家服务。
本项目套件的淘宝地址： http://item.taobao.com/item.htm?id=9293648011（Ⅰ型） http://item.taobao.com/item.htm?id=9294684279（Ⅱ/Ⅲ型）
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。
2、机械结构
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。
2、如果是三脚支架离地过高（相对于转盘），则三点平衡相当稳定，虽然能够带动机器人移动，但是因为支架过高导致无法交换支撑地面的双脚，就是说一直都是开始运动时默认支撑地面的双脚着地。
3、如果是三脚支架离地比较低（相对于转盘），以及底部用直径比较大的转盘，则三点平衡相对不够稳定，每个充电周期后的运行可以接近平滑移动，也就是说每周期移动的距离相对会大一点。
作为扩展的结构功能，本项目的机器人还可以增加一个“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。本机器人加了“碰撞环”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（具体见：版本升级）。
3、电路原理
本项目机器人的控制电路和PVC2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：PVC2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PVC2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。
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PVCRobot2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：PVCRobot 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。
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
PVC线槽
2.5CM宽度1段
4元 / 0.5元
实体五金店
主要结构材料小电机
微型马达1个
3元
淘宝：morehave
动力太阳能电池
1.5V2片
2.2元
淘宝：zhiqiang588
电源电阻
2.2K1个
8元 / 0.03元
淘宝：jxpjihao
电子元件电解电容
2200uf3个
0.6元
淘宝：东莞创博…
电子元件二极管
LED发光二极管（红/黄/绿）1个
0.08元
淘宝：lc工作室
电子元件三极管
9014、9015各1个2个
4.5元 / 0.15元
淘宝：jxpjihao
电子元件
电路板
1块
1.5元
淘宝：lm750811
齿轮组
大小两个可选的底部转盘1对
2元
淘宝：morehave
底部转盘胶管
自行车气门芯胶管1条
0.2元 / 0.02元
实体五金店
小转盘“外胎”M1.2*5螺丝
直径1.2mm，长5mm
1颗
4元 / 0.04元
淘宝：精隆五金…
固定PVC材料M2*6螺丝
直径2mm，长6mm，平头
1颗
2元 / 0.02元
淘宝：精隆五金…
固定PVC材料M1.2螺母
孔径1.2mm1颗
15元 / 0.15元
淘宝：微型螺丝…
固定PVC材料M2螺母
孔径2mm1颗
2元 / 0.02元
淘宝：精隆五金…
固定PVC材料合计
49.08元 /10.31元
同时为了方便各位朋友，我也开通了PVCRobot系列机器人淘宝网店，希望能更好的为大家服务。 本项目套件的淘宝地址： http://item.taobao.com/item.htm?id=9293648011（Ⅰ型） http://item.taobao.com/item.htm?id=9294684279（Ⅱ/Ⅲ型）
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PVCRobot 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）。
关于电路焊接的说明这不再重复，具体请参考这里：PVCRobot 2号电路焊接。
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）：
选读内容——搭焊：
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。
搭焊电路的效果比较有粗放的艺术质感，而且不同的人可能焊接布局的方式不同，最终的效果也都不一样，作为DIY来说会比较有个性。但直接搭焊对于焊接的技巧要求比较高，尤其是稍微复杂一点的电路不好把握好。正因为如此，在我们PVC教程中只是把搭焊作为一个附属的“选修”内容。如果对搭焊效果有兴趣的朋友，可以访问我朋友的博客：http://digi01.blog.163.com
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。
3.3、电路板
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。
可以直接把电机的电极与电路板焊接在一起。具体焊接点需要对照之前的电路图，而且让电机的位置正好位于电路板中央位置。
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。
3.5、整机组装
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。
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。
3.6、整机调试
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）。
然后，调试机械结构，主要还是调试三脚支架的高度/角度。前面机械原理的章节已经提到通过调整三脚支架的高度（相对转盘）对最终运行效果的影响。因为三脚支架已经粘贴在电机支架上，所以要调整三脚支架的高度，可以把三个电解电容的引脚往底部多折一点。
四、最终展示
最终效果展示。
五、扩展完善
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）。
5.2、版本升级
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“PVCRobot 5号Ⅱ型”。具体运行效果可以见上面视频中碰撞环的部分。
下面简略的介绍一下制作过程。
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。
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。
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。
碰撞环也可以用细一点的金属丝来做，重量更轻、弹性更好，以下是用单芯铜芯胶皮电线做的碰撞环（也可以考虑用网线内芯的铜线）。为便于区分定名为“PVCRobot 5号Ⅲ型”。 用PVC做环的支架，把铜芯电线用502胶水粘贴在支架上。
光能陀螺家族（依次为Ⅱ型、原型、Ⅲ型）。
特别推荐：如果对于全金属版本的陀螺机器人感兴趣的，可以访问我朋友的博客：微型机器人系列太阳能陀螺
六、常见问题
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。
本项目套件的淘宝地址： http://item.taobao.com/item.htm?id=9293648011（Ⅰ型） http://item.taobao.com/item.htm?id=9294684279（Ⅱ/Ⅲ型）
热点文章随机推荐
