用基础电子元件与3D打印制作太阳能蛇形机器人

这款3D打印的太阳能蛇形机器人，不使用任何微控制器。它的运动不由计算机程序决定，而是由简单的感官输入驱动。在阳光或足够强的白炽灯照射下，它会沿直线向前爬行。

完成的蛇形机器人。来源：Kristijan Nelkovski

本项目基于BEAM机器人原理，以及受蛇类启发的波浪式机械运动研究。在开始制作之前，先来了解这些背景。

BEAM机器人由Mark W. Tilden发明，自供电且不含任何微处理器或微控制器，仅使用简单的模拟电子电路。其目标是让机器人像生物有机体一样做出反应，而非执行复杂的计算机算法。BEAM代表生物学（Biology）、电子学（Electronics）、美学（Aesthetics）和机械学（Mechanics）。正如缩写中"美学"部分所暗示的，这类机器人不仅行为上模仿生物，外观设计也追求仿生效果。

除上述原则外，BEAM机器人通常遵循几条简单的设计规则：

• 用尽可能少的元件实现刺激-响应

• 使用可再生能源为系统部分或全部供

• 用回收元件搭建电路

本机器人的体形和运动机构源于2016年Ben Gurion大学David Zarrouk博士及其学生发表的研究。他们开发的机器人名为单驱动器波浪机器人（Single Actuator Wave-like Robot，简称SAW机器人）。

SAW机器人使用单台直流电机产生垂直方向的蛇形运动。其脊柱由薄壁空心矩形支架组成，通过两颗机用螺钉级联连接。一根长螺旋线穿过每个支架的开口之间，迫使整个结构呈正弦波形。螺旋部件固定在电机轴上，但不固定在支架上，使其能在支架开口内自由移动。通电后，螺旋线的旋转运动产生大幅值的推进正弦波，驱动机器人前进或后退。

可以在面包板、洞洞板上搭建，甚至直接点对点焊接每个元件（许多BEAM机器人就是这么做的）。

表1为本项目的正式物料清单。大多数元件在普通电子工作台上都能找到，也可以采用BEAM回收理念从废旧电子产品中拆取。

可以使用任何类型的微型舵机，但需要拆掉内部电子板，将直流电机端子直接连到我们的电路上。因为我们只用舵机的外壳——其矩形几何形状和螺钉孔便于安装——以及齿轮箱的高扭矩，并不使用舵机的驱动机制或反馈电路（后者本身就需要微控制器才能正常利用）。

如果使用旧元件，最可能的薄弱环节是电解电容。修过旧电子产品的人都知道，一个看似完好的系统无法启动，往往是因为某个电解电容失效短路了。务必检查旧电容有无潜在损坏。

接下来讨论如何为蛇形机器人供电。

在直射阳光下，一块小型太阳能板可提供约5 V电压和不到100 mA电流。这甚至远不及两节AA电池供给微型直流电机的功率，对机器人项目来说远远不够。因此本项目选择搭建太阳能引擎电路。该系统能够将太阳能电池的涓流电能存储起来，随后以可用的能量脉冲释放，间歇性地驱使蛇形机器人前进。

大多数太阳能引擎设计通过监测一个或多个电容上的电压，判断何时积累了足够的能量可以驱动执行器。这类电路结构简单，能将大部分存储的能量用于驱动电机。

本项目选用Tilden二极管太阳能引擎设计的变体。电路原理图如下图所示。

二极管太阳能引擎电路图。来源：Kristijan Nelkovski

在直射阳光下，电路电容两端电压缓慢上升。当电压超过二极管的阈值电压时，二极管开始导通。此时与二极管基极相连的PNP晶体管导通，向NPN晶体管的基极施加电流。这使电机与电容之间的电路闭合，驱动机器人运转。当NPN集电极电压降至零时，流经电阻的电流反向并激活PNP晶体管， effectively 将二极管从电路中移除。机器人持续运行直到电容电压下降，整个过程循环往复。

虽然可以不用PCB，但不进行3D打印底盘就无法实现蛇形运动。本设计主要基于Thingiverse上Noobnood的版本，并做了一些修改：将每个支架改为单件打印，无需胶合；同时制作了一个通用的电机、PCB和太阳能板一体支架。

太阳能蛇形机器人侧视图。来源：Kristijan Nelkovski

如上图所示，这版蛇形机器人有15个脊柱支架。如果想加长蛇身可以使用更多支架，值得注意的是3D打印耗时太长且容易出问题。塑料在小尺度下容易断裂，断了就得重新打印。铜线尖端弯折后固定在舵机的一个摇臂上。搭建好太阳能引擎电路和运动系统后，只要阳光照到太阳能板上，蛇形机器人就会立刻动起来。

文中项目相关文件可以加入社群领取哦～

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