無需微控制器的3D打印太陽能蛇形機器人制作指南

在今天的項目文章中，我們將制作一款無需任何微控制器的3D打印太陽能蛇形機器人。它的運動無需計算機編程，而是由簡單的感官輸入決定。當暴露在陽光下或足夠亮的白熾燈下時，它會沿直線向前爬行。

圖1. 完成后的蛇形機器人。圖片由Kristijan Nelkovski提供

該項目基于BEAM機器人技術原理，同時借鑒了一些受蛇類啟發的波浪式機械移動研究。在開始制作機器人之前，我們先來了解這些影響因素。

BEAM機器人技術

BEAM機器人由馬克·W·蒂爾登（Mark W. Tilden）最初發明，它采用自供電設計，不含任何微處理器或微控制器，僅使用簡單的模擬電子元件。其設計目標是讓機器人的反應更接近生物有機體，而非復雜的順序計算機算法。

BEAM是生物學（Biology）、電子學（Electronics）、美學（Aesthetics）和機械學（Mechanics）的縮寫。正如縮寫中“美學”部分所暗示的，這類機器人的設計不僅要表現得像生物，外觀也要像生物。圖2展示了馬克·蒂爾登及其制作的部分概念驗證型BEAM機器人。

圖2. 馬克·蒂爾登與各類概念驗證型BEAM機器人。

除上述原則外，BEAM機器人通常遵循一些簡單的設計規則，包括：

• 使用盡可能少的元件實現刺激-反應功能。

• 使用可再生能源為系統的部分或全部供電。

• 利用回收元件構建電路。

我們這款機器人的體型和移動機制，源于本·古里安大學（Ben Gurion University）的大衛·扎魯克（David Zarrouk）博士及其學生在2016年發表的一項研究。他們開發的機器人名為單驅動器波浪式機器人（Single Actuator Wave-like Robot，簡稱SAW機器人），如圖3所示。

圖3. 原始SAW機器人。圖片由內蓋夫本·古里安大學提供

SAW機器人通過單個直流電機產生垂直的蛇形運動。其軀干由薄而空心的矩形支架組成，支架之間通過兩個機械螺釘串聯在一起。一根長長的螺旋線穿過機器人每個支架的開口，迫使整個結構形成正弦曲線形狀。

這個螺旋部件固定在電機軸上，但不與支架本身連接，使其能夠圍繞支架的開口自由移動。當電機通電時，螺旋線的旋轉運動產生振幅較大的前進正弦波，推動機器人向前或向后移動。

蛇形機器人制作步驟

和我大多數項目一樣，你可以用面包板、萬用板制作這款機器人，甚至可以采用點對點焊接的方式（許多BEAM機器人實際上都是這樣設計的）。當然，我也設計了一個小型印刷電路板（PCB），你可以在此處下載：

https://www.allaboutcircuits.com/projects/constructing-a-solar-powered-snake-robot

其他項目文件可在此處獲取：

https://www.allaboutcircuits.com/projects/constructing-a-solar-powered-snake-robot

表1是該項目的官方物料清單（BOM）。

這些元件中的大部分（如果不是全部）在普通電子工作間里都能找到。你也可以采用真正的BEAM理念，通過回收利用廢棄或損壞電子設備中的元件來獲取所需物料。

你可以使用任何類型的微型舵機，但需要拆除其內部電子元件，并將實際的直流電機端子直接連接到我們的電路中。這是因為我們利用舵機的外殼（其具有易于操作的矩形結構和螺絲孔）及其變速箱的高扭矩，而不使用舵機的驅動機構或反饋電路——畢竟這些部件需要微控制器才能正常使用。

如果你決定重用舊電子元件，請注意最可能出現問題的是電解電容器。如果你曾修理過舊電子設備，就會發現很多時候，一個原本功能完好的系統無法啟動，就是因為電解電容器故障導致電路短路。因此，檢查舊電容器是否有潛在損壞非常重要。

接下來，我們討論如何為蛇形機器人供電。

太陽能引擎電路

在直射陽光下，一塊小型太陽能電池板可提供約5V電壓，電流可能不到100毫安。這僅僅是幾節AA電池能為微型直流電機提供功率的一小部分，顯然不足以滿足我們的機器人項目需求。

幸運的是，我們可以構建一種稱為“太陽能引擎電路”的系統。該系統能夠儲存太陽能電池產生的微弱電能，之后以可用的能量脈沖形式釋放，間歇性地推動蛇形機器人前進。

大多數太陽能引擎設計會監測一個或多個電容器中收集的電壓，以判斷是否有足夠的電能驅動執行器。這類電路結構簡單，且能將大部分儲存的能量用于驅動電機。

本項目中，我選擇了蒂爾登（Tilden）二極管太陽能引擎設計的一種變體。二極管太陽能引擎電路的原理圖如圖4所示。

圖4. 二極管太陽能引擎電路圖。圖片由克里斯蒂揚·內爾科夫斯基（Kristijan Nelkovski）提供

在直射陽光下，電路中電容器兩端的電壓緩慢上升。當電壓超過二極管的閾值電壓時，二極管開始導電。此時，基極與二極管連接的PNP晶體管導通，向NPN晶體管的基極提供電流。這就閉合了電機和電容器之間的電路，從而為機器人供電。

當NPN晶體管的集電極電壓降至零時，電阻中的電流反向并激活PNP晶體管，實際上將二極管從電路中移除。之后，機器人持續運行，直到電容器電壓下降，整個過程再次重復。

底盤和軀干設計

雖然沒有PCB也能完成制作，但如果不3D打印機器人的底盤，就無法實現蛇形移動。我在網上搜索后，未能找到扎魯克（Zarrouk）博士機器人的原始CAD文件，但找到了一些替代方案。

我的設計很大程度上基于Thingiverse平臺上Noobnood的版本，但做了一些修改。例如，我修改了每個支架，使其可以作為單個部件打印，無需粘合零件；同時制作了一個通用支架，用于固定電機、PCB和太陽能電池板。圖5展示了該支架與軀干支架的連接方式。

圖5. 太陽能蛇形機器人的側視圖。

如圖所示，我制作的蛇形機器人有15個軀干支架。如果你想讓蛇更長，可以使用更多支架——我只是因為可用的1.5毫米機械螺釘數量有限才選擇了15個。

至于中央螺旋線，我使用了一根銅線，將其纏繞并拉伸成螺旋形狀（模仿Noobnood的塑料螺旋線）。3D打印不僅耗時過長，還可能帶來很多麻煩：如此小尺寸的塑料容易斷裂，一旦斷裂就需要重新打印螺旋線。

銅線的一端彎曲后連接到舵機的一個搖臂上。我沒有使用特定規格的銅線，螺旋線的實際尺寸也是目測確定的。

動手制作吧

一旦你制作好太陽能引擎電路和移動系統，只要陽光照射到太陽能電池板，你的蛇形機器人就會立刻行動起來！你可以點擊圖6中的視頻鏈接，查看我的原型機運行效果。

現在你已經知道如何制作簡單的太陽能引擎，并將其用作機器人的“大腦”，無需編寫任何計算機代碼。你還會將這個電路用于其他什么類型的項目呢？

原文

https://www.allaboutcircuits.com/projects/constructing-a-solar-powered-snake-robot

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