S vibroboty se setkáme především v miniaturním provedení. Důvod je prostý, jednoduchost jejich mechaniky dovoluje v podstatě každému, aby sestavil pohybující se zařízení v délce 15 až 20 mm, což je s jiným principem pohonu mnohem obtížnější. Zkusme se ale podívat na jejich konstrukci a také provoz z trochu jiného úhlu.
Asi nejznámějšími vibroboty vyráběnými a prodávanými jako hračky jsou Hexbug Nano. Základ je vždy stejný, „tělíčko“ z pružného plastu s „nožičkami“ obsahuje vibrační motorek (stejnosměrný elektromotorek s excentrem nasazeným na hřídeli), vypínač a miniaturní knoflíkový článek, to je vše. Vibrující motorek způsobí, že nožičky nestojí na podložce, poskakují. Tím, že nožičky nejsou kolné na podložku, ale skloněné dozadu, se při vibracích kousek po kousku odrážejí a posunují dopředu. Ve výsledku pak vibrobot docela svižně jede, aniž by viditelně pohyboval nějakou svojí částí.
Hexbug Nano ve svém „městě“ (foto z nabídky výrobce)
Výhodou Hexbug Nano je, že výměnné části mohou měnit vzhled robotků (třeba i světélkovat) a je k nim k dispozici i mnoho doplňků, závodních a překážkový drah. Vše je podřízeno atraktivnosti vzhledu … a také náležitě zákazníkem zaplaceno.
Podobně velké vibroboty se dají postavit doma, vychází se obvykle z kartážku na zuby, minimotorku z vibračního vyzvánění mobilu a různě improvizovaných držáků baterie často zkřížených s vypínačem. Takových návodů se dá na internetu najít mnoho, za všechny se podívejte třeba na jeden z „inctructables“ nebo toto video z YouTube. Chytřejší verze mohou mít i mikrokontrolér a být řízeny třeba IR ovladačem od televize, takový najdete například zde, nebo mít čidla na světlo. Dráha se dá vytvořit ze čtvrtky nebo lepenkové krabice, stačí jen trochu vlastní fantazie, nejjednodušší rovná dráha je v podstat jen mělkým korýtkem.
Co mají všechny předchozí vibroboty společného? Jsou napájené z knoflíkových článků, které vzhledem k odběru motorku vydrží v provozu jen krátce, někdy pár minut (často doslova), přinejlepším čtvrt hodiny. Jde-li o to, aby vibrobot byl co nejmenší, není jiná možnost, ale málokdo si uvědomí, jak moc při ceně knoflíkových článků provoz podobného mikrobota „leze do peněz“. Dost často další pokusy a vylepšování skončí právě z těchto důvodů.
Chcete-li s vibroboty více experimentovat, je lepší začít s trochu většími. Potřebujeme kartáček v délce asi 8 až 10 cm, k pohonu lze použít dostupnější elektromotorky a dva mikrotužkové nebo tužkové články. Jako excentr se hodí třeba jeden dílek z klasické svorkovnice („čokolády“), ke spínání levný posuvný vypínač. K přichycení použijeme oboustanně lepicí pásku (vhodnější pro rychlé vyzkoušení, ale dlouho vibrace nevydrží) nebo vhodnější tavné lepidlo nebo silikonový tmel.
Díly potřebné ke stavbě 10 cm dlouhého vibrobota
Když to jde, je lepší umístit motor tak, aby osa motoru byla kolmá na požadovaný směr pohybu (vibrace pohybují kartáčkem ve směru vpřed/vzad), ale většinou asi zůstane motor podélně a vibrace budou působit především do strany. Je také lepší, když z kartáče uprostřed vytrháme štětiny a zbude jen jedna nebo dvě řady po stranách kartáče.
Sestavený vibrobot včetně tužkových akumulátorů
Konstrukce je snad zřejmá z předchozí fotografie. I napájení alkalickými články vychází mnohem levněji než napájení malých vibrobotů „knoflíky“ a daleko snadněji se na kartáč umístí i nějaká ta řídící elektronika. Když použijeme NiMH akumulátory, většinou stačí i takové, které třeba ve fotoaparátu už neslouží dobře, získáme na jedno nabití až několik hodin provozu a akumuláítory jde nabít mnohokrát. Cíle bylo dosaženo, my se ale dál pokusíme na vibrobotu ukázat ještě levnější možnost napájení z kondenzátorů.
V první verzi osadíme místo akumulátorů jeden kondenzátor 100 F / 2,7 V, ten na snímku je od výrobce YEC a podobný se dá v současné době koupit přes ebay přibližně za 60 Kč respektive 6 kusů přijde asi na 360 Kč včetně dopravy. Kondenzátor nabijeme ze zdroje napětí 2,5 až 2,6 V s omezením proudu. Napětí je nutné dodržet přesně, nejvyšší dovolené napětí na kondenzátoru je 2,7 V. S proudem si moc starosti dělat nemusíme, kondenzátor zvládne klidně 10 A, menším proudem se jen nabije pomaleji, nic víc se nestane.
Stejný vibrobot s napájecím superkondenzátorem
Podstatný je rozdíl v činnosti. Zatímco akumulátory v průběhu vybíjení mění napětí jen málo, a tomu odpovídá sice znatelný, ale ne moc velký úbytek rychlosti pohybu vibrobota, kondenzátoru klesá po spuštění napětí plynule až k nule, takže od počátku se viditelně ztrácí rychlost vibrobota a zpomaluje a zpomaluje … až se nakonec jen líně vleče a zastaví. Doba chodu na kondenzátor je mnohem menší, než na jedno nabití akumulátorů, ale na druhou stranu, který akumulátor můžete nabít za několik sekund a můžete to dělat stále dokola asi tak 500000x v průběhu nejméně 20 roků bez výměny a další údržby? Pokud bychom srovnávali pořizovací cenu zdrojů, vyjdou obě možnosti podobně, ale kondenzátor má nesrovnatelně delší životnost. Na jedno nabití funguje kratší dobu, ale dá se také nesrovnatelně rychleji nabít. Svůj význam má i to, že když ho necháme vybít do nuly, nijak významně mu to na rozdíl od akumulátorů neškodí.
A jak dlouho „běhá“ tento vibrobot na jedno nabití superkondenzátoru? Měřeno na hladkém betonu a až do zastavení neuvěřitelných 39 minut, i když je pravda, že podkles rychlosti byl patrný už během prvních minut. Na stejné místo by se pohodlně vešel i kondenzátor s větším průměrem a kapacitou kolem 200 F, který by čas ještě zdvojnásobil.
Nespokojíme se s tím, že rychlost postupně klesá, a vybavíme vibrobota ve verzi „de luxe“ spínaným zvyšujícím zdrojem na napětí 3,3 V, v daném případě je to typ U1V10F3 od Pololu (číslo výrobku #2563). Tento měnič je v nabídce http://shop.hobbyrobot.cz a dokáže udržet konstantní napětí 3,3 V už od napětí na vstupu kolem 0,6 V. Důsledkem je, že proti napájení z kondenzátoru i z akumulátorů vibrobot při vyšším napětí výrazně „ožije“ a běhá stále konstantní rychlostí, doba funkce je ale nižší a ztráta rychlosti po vyčerpání energie trvá sotva několik sekund, pak se definitivně zastaví.
Vibrobot se zvyšujícím měničem na 3,3 V
Detail měniče
Použití měniče má ještě jednu výhodu, stabilizovaným napětím se snadno napájí další případná elektronika, kterou můžeme robota dovybavit, třeba spínání nebo vypínání chodu motoru světlem, reakce na hvízdnutí a podobně. Třeba mikrokontroléry Picaxe řady M2 na napětí 3,3 V bez problémů pracují. Jak dlouho se stejným kondenzátorem dokáže „běhat“ tato verze? Při zkoušce se podstatně svižnější pohyb zastavil po 12 minutách. Komu by stačila třeba zhruba minuta chodu na jedno několikasekundové nabití, může použít i menší kondenzátor 10 F koupený například v TME.
A můžeme se vrátit zpátky ke kořenům miniaturních vibrobotů ze zubního kartáčku. Daly by se i tyto drobné stroječky napájet z kondenzátoru? Daly. Na fotografii je porovnání velikosti běžného zubního kartáčku, vhodného elektromotoru a superkondenzátoru s kapacitou 1 F. Je pravdou, že tento kondenzátor dokáže pohánět vibrobota jen pár desítek sekund a pokud je to možné, byl by lepší kondezátor s nejméně 3x vyšší kapacitou, ale i tento s pořizovací cenou menší než 20 Kč (TME) a při větším nákupu dokonce pod 7 Kč svou práci udělá a jak motor, tak celého vibrobota, bezpochyby přežije. Malé rozměry ale komplikují další změny a rozšíření a za rozměr nejvhodnější pro vlastní experimenty považuji právě délku kolem 8 až 10 cm.
Porovnání velikosti kartáčku, vhodného motoru a pohonného kondenzátoru
Kat. 2