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熠耀科技电子设计论坛原创作品区全国大学生电子设计大赛作品专区 → PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人


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主题:PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人

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PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人  发贴心情 Post By:2011/11/7 12:14:37

 一、基本原理

   1.1、驱动原理

   1.2、传动结构

   1.3、电路原理

  二、准备工作

  三、制作过程

    3.1、电路焊接

    3.2、支撑骨架

    3.3、减速电机

    3.4、电路组装

    3.5、太阳能电池

    3.6、转动摇臂

    3.7、调试完善

  四、效果展示

  五、扩展升级

  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特征有点类似海洋中的比目鱼:比目鱼是平躺在海底,而本机器人是平躺在地面;比目鱼的两只眼睛都是长在身体朝上的一侧,而本机器人是只有朝上对着阳光的一面的太阳能电池板能够有效工作为运行提供电能——正因为如此本项目机器人得名为“比目鱼机器人”。
 
1、驱动原理
  本项目机器人虽然外形特征与比目鱼有点类似,但是其运动方式却是与比目鱼是不同的,其主要依靠一个电机带动转动的摇臂改变支撑身体的角度,不断地“翻跟斗”前进。
  因为机器人身体两侧都有太阳能电池板,所以无论支撑身体成什么角度,都有一侧(朝上的一面)的太阳能电池板能够对着阳光,都能为驱动摇臂的电机提供电能。

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻身机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

  

2、传动结构
  本项目机器人依靠电机驱动摇臂改变支撑身体的角度,不断往前翻着跟斗前进。要支撑身体的重量翻跟斗,如果直接用电机驱动摇臂,则肯定是力量不足的。
  至于为什么直接用电机驱动摇臂的力量不足,我们这里先不展开讨论(想要了解更多可以关注后续项目:PVC-Robot 11号——机械结构)。
  在此,我们只要知道“直接用电机驱动摇臂的力量不足”这是一个客观存在的事实。为此,我们用了一个特殊的传动结构——齿轮传动机构,来增大电机输出的力量。【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot
 
  齿轮传动的基本原理,就是两个齿轮,互相咬合在一起(齿的大小一样),其中一个转动,带动另外的一个转动,主动转动的称为主动轮,被动转动的称为从动轮

  主动轮一般连接电机作为动力输入,而从动轮则作为动力输出,两个齿轮之间的旋转方向是正好相反的(一个顺时针、一个逆时针)。
  1、主动轮的直径比较大(齿数多),则主动轮转一圈的时候从动轮就会转动很多圈,即实现了“转速增加”
  2、主动轮的直径比较小(齿数少),则主动轮转很多圈的时候从动轮才会转一圈,即实现了“转速减少”
 
  两个齿轮之间的转速比用i表示,则:
     主动轮转速   从动轮齿数    从动轮直径
  i= ——————— = ———————  =  ———————
     从动轮转速   主动轮齿数    主动轮直径
 
  旋转运动传递的动力,称之为“扭矩”,用字母T表示,其单位为:N·M(牛顿·米)。
  一对互相咬合的齿轮(A和B),假如AB齿轮的转速分别为n1和n2,而各自的扭矩分别为T1和T2,用N1和N2分别表示两个齿轮的能量,则: 
   N1=n1*T1       N2=n2*T2
  而齿轮传动实际上就是进行能量的交换传递,假设在理想状态下齿轮之间交换的能量没有损失,则: 
   N1=N2
   n1*T1=n2*T2
   i=n1/n2=T2/T1
  总结来说,两个互相咬合的齿轮,转速小的那个扭矩大,而转速大的那个扭矩小,也就是说要获得高扭矩,就必须用减速的齿轮传动结构。  
 
  在实际应用中,齿轮传动机构一般不会仅有两个齿轮,而可能是有多个齿轮,即“齿轮箱”。

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 
  本项目机器人的摇臂,并不需要转动得很快,但是需要必须有足够的力量(扭矩),而利用齿轮传动结构中的减速传动结构——齿轮减速箱,经过多个齿轮的传递减速,可以把普通电机输出的“高转速/低扭矩”,转变为“低转速/高扭矩”
 

 

3、电路原理

  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号项目的只有一组太阳能电池,一组两片1.5V串联得到3V;而本项目的电路采用的是左右两组太阳能电池板,每组两片1.5V串联得到3V,两组并联在一起(同一个时间只有一组提供电源)。

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  

  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、电机(带减速齿轮箱)、太阳能电池、电阻、电解电容、二极管、三极管、螺丝/螺帽等。  

  这次的电机选择的是带减速齿轮箱的,而太阳能电池板由两片变为四片。

  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绿色的。

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

    

  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:

 

名称

 规格

数量 

用途 

1

小电机

 带齿轮减速箱的微型马达

1

 动力

2

太阳能电池

 1.5V

4

 电源

3

电阻

 2.2K(色环:红红黑棕棕)

1

 电子元件

4

电阻

47Ω(色环:黄紫黑金棕)

1

 调试备用元件

5

电解电容

 4700uf

1

 电子元件

6

二极管

 LED发光二极管

1

 电子元件

7

三极管

 901490151

2

 电子元件 

8

电路板

 电路实验板/万用板/洞洞板

1

 

9

电路导线

 ///绿

若干

 电路连接

10

曲别针

 标准钢丝文具别针

1

 摇臂

11

M1.2*5螺丝/螺母

 直径1.2mm,长5mm

9

 固定PVC材料

12

M2垫片

 孔径2mm

1

 

 

 

 

 

 

本项目套件的淘宝地址http://item.taobao.com/item.htm?id=9294888985

 

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,虽然一个一组太阳能电池板,另一个是两组太阳能电池板,但是电路板还是一样的(太阳能电池板是外接的)。
  关于电路焊接的说明这不再重复,具体请参考这里:PVC-Robot 2号电路焊接

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 

  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):  

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

    

  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):

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

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)。
【项目】5.2、PVC-Robot【2号】晒太阳的蚊子·太阳能动力机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  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、支撑骨架
  把PVC线槽用剪刀裁剪并用尖嘴钳折成如下形状和尺寸,即支架和两侧的挡板。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用1mm的小电钻(或锥子)把挡板和支架打好安装小孔。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用M1.2*5mm的螺丝和螺母把支架和挡板如下图所示固定起来。 
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  剪两块PVC方片,用502胶水把中间的支架缺口端连接粘贴起来。
  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。  
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 
  
 

3.3、减速电机 

   对于带减速齿轮箱的小电机,要进行一点改装。 
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用刻刀或者划纸刀把齿轮箱边上支架的三角形褶脚切掉,并且小电钻如图所示打一个安装用的小孔(也可以把锥子或别针用电烙铁加热后打孔)。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用PVC线槽剪成长方条,再用尖嘴钳折成如下形状,并用M1.2*5mm螺丝/螺母如下图所示把长方条固定在齿轮箱上(现成的齿轮箱边上的支架已经带一个安装孔,另外一个安装孔按上一步骤进行加工),做成电机支架。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

3.4、电路组装 

  把电路板用螺丝螺母安装到电机支架上。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  把电机支架靠近电机的一端的两侧用小电钻各打一个安装孔(如下图黑色电线处)
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  再把电机支架装入支撑骨架中。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  把电机的电极连接到电路板上(绿色电线),把电机支架用螺丝/螺母固定在支撑骨架的侧挡板上(见下图侧挡板最左边的固定螺丝)。
  特别说明:由于电机的电极机比较小,假如不熟练则不容易给电极上焊锡,建议可以涂上一些焊锡膏后再尝试焊接,并且由于焊锡膏有一定的腐蚀性,所以完成焊接后再用纸巾或者抹布擦干净残留的焊锡膏。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  电机支架固定在支撑骨架的侧挡板上(另一侧,见下图挡板最右边的固定螺丝)。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot


 

3.5、太阳能电池 

  把电路板的正极电线(红色)焊接到一块太阳能电池板的正极上,把电路板的负极电线(黑色)焊接到另外一块太阳能电池板的负极上。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用电线(绿色)把两片太阳能电池板串联焊接起来。在支撑骨架的内部横向支架上贴上双面胶,把太阳能电池板固定在上面(注意避开太阳能电池板背面的焊点)。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot
   
  把一侧的两片太阳能电池板用双面胶都固定在支架上,然后再安装另一侧的两片太阳能电池板。注意每侧的两片太阳能电池板是串联在一起为一组的,然后两组再并联连接到电路板。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  两侧的太阳能电池板的电线都连接好,都用双面胶贴在支架上。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  因为一旦两侧的太阳能电池板都用双面胶固定在支架上后,整体就被完全封装起来,而电路板的电线就将无法修改,所以要求在此之前必须把电路正确的连接好。也就是说,连接好两侧太阳能电池板的电线后马上用灯光测试确保电路正常运行,然后才是完全把两侧的太阳能电池板固定到支架上——完成整体的封装。

  把太阳能电池板都用双面胶布固定在内部支架上之后,为了其能够固定好,再用透明胶布把太阳能电池板表面包一圈加固一下。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 

  注意:两侧的档板比太阳能电池板还要高出一点,主要就是保护太阳能电池板使其不能直接触地,避免被磨花
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot


 

3.6、转动摇臂 

  用曲别针折成如下图所示的形状旋转摇臂,特别注意连接齿轮箱的一段再弯折一个小段。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  用烙铁对曲别针连接齿轮箱一段进行加热,然后趁热把曲别针插入齿轮箱转轴的小孔中,冷却后曲别针就与齿轮箱的转轴固定连接起来了。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

  安装好曲别针摇臂。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

 

3.7、调试完善 

  本项目对应淘宝店提供的套件,采用的小电机的电流比较小,有可能在太阳光比较强烈的情况下,电机转动了一下就停止了,且电机发出小声的吱吱响,这主要是由于电机消耗电流比较小,电路放电的速度赶不上太阳能充电的速度,导致电路一旦导通就无法截止,要解决这个问题可以而在电机两端并联一个几十欧姆的电阻。
  本套件另外选配了一个47欧姆的电阻(色环:黄紫黑金棕),假如出现这样的情况,可以按照如下电路图把该47欧姆的电阻并联在电机两端(红色标注)

【入门】7、PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

  具体可以直接把该电阻焊接在电机的两个电极上。 特别注意:该47欧姆电阻(色环:黄紫黑金棕)与2.2k电阻(色环:红红黑棕棕)的色环颜色有明显的区别,千万不要搞混了

【入门】7、PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 


  关于这个问题更详细的说明请参见:常见问题——第1点

 

 

四、效果展示 

  最终效果展示。
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot 
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot
 
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot
 
【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot


【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

【项目】5.6、PVC-Robot【6号】阳光比目鱼·太阳能翻跟斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot
 
 
 

五、扩展升级 

  作为扩展升级的版本,可以再增加一个组同样的电路,包括增加一个带减速齿轮的电机,在现有机器人摇臂的另一面再增加一个摇臂,而两侧的太阳能电池组各连接其中的一组电路,最后做成一个双摇臂的翻跟斗机器人。

  因为双摇臂的翻跟斗机器人在结构上与当前的单摇臂翻跟斗机器人有较大差异,所以新的双摇臂翻跟斗机器人单独作为一个独立型号的机器人人项目进行介绍,具体请参见:PVC-Robot【10号】蹒跚者·双臂太阳能比目鱼

 

  

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、了解齿轮传动机构的原理以及应用;
  3、了解太阳能比目鱼结构的原理以及应用。
 
  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。
[此贴子已经被作者于2011-11-7 12:16:02编辑过]

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