PVC-Robot【6号】光能比目鱼·太阳能翻跟斗机器人

文号t35029

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pvcbot2011/07/19电子技术 IP:广东

　　本项目介绍的是晒太阳的蚊子的第四个远房亲戚——太阳能比目鱼机器人，这是一种行动方式非常幽默的机器人，“比目鱼”这个名字来自于英文TURBOT的直译，为了尊重外国朋友的原型设计所以直接翻译过来，但从其运动来说我觉得叫“翻跟斗”机器人更形象一点。

　　生活在海洋中的比目鱼是一种很有意思的鱼类，它们的两只眼睛不是长在身体两侧的，而是长在身体的同一侧的，而且身体一般是平躺在海底的，而向上的一侧就是同时长着两只眼睛，也就是说两只眼睛是同时朝上向着海面方向的。
　　有点类似的，本机器人的身体也是平躺在地面的，向上对着阳光的一面是有太阳能电池板的，但是与真实的比目鱼不同的是，本机器人其实是底面也有太阳能电池板的，只不过说同时只有一面（朝上对着阳光的一面）的太阳能电池板是有效工作的。而本机器人靠一个转动的摇臂不断的翻着跟斗向前移动，每次翻跟斗，朝上对着阳光的太阳能电池板就可以供给机器人运动的电能。从这来说，本机器人和真实的比目鱼的情况又是有不同的。
　　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，后面一段为在阳光下的效果。

点击此处查看视频

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。

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。

　　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。

　　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”。

　　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）。

　　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。