不只是一台玩具车：开源燃料电池机器人HydroBot全揭秘
这周给大家分享一款充满硬核科技的机器人——HydroBot。
它由德国海姆霍兹埃朗根-纽伦堡可再生能源研究所（HI ERN）的研究团队打造，不仅是一台普通的遥控小车，也是一个展示未来能源技术——氢燃料电池的移动演示平台。
为何选择燃料电池？
作为一辆“燃料电池电动车”（FCEV），HydroBot的核心动力来源是氢燃料电池电堆，而不是传统的锂电池。这不禁让人好奇，既然锂电池如此普及，为何还要大费周章地使用燃料电池呢？
作者对此给出了解答：燃料电池与电池最大的区别在于，它的“燃料箱”和“发动机”是分离的。这意味着，增加机器人的续航里程（增大燃料箱）并不会增加其峰值功率（增大电堆尺寸），这为设计带来了更多灵活性。尤其在追求长续航时，相比于不断增加电池容量带来的重量和成本，使用燃料电池会是更高效的选择。
下面几张图展示了燃料电池车的概念。
系统待机与监控
车载电子设备（芯片图标）监控氢气存储罐、燃料电池和电池的状态，并确保系统安全运行。
这是系统在准备就绪但未运行时所处的状态。
纯电池供电模式
当燃料电池不工作时，车载电子设备和电机由电池供电。
这种模式通常用于系统启动、低功耗运行或燃料电池未激活时的状态。
燃料电池供电与充电模式
燃料电池利用氢气发电，为电池充电，并同时为车载电子设备和电机供电。
这是系统进入正常工作状态，并且需要为电池补充电能时的模式。
电池辅助燃料电池模式
在高负载下，电池辅助燃料电池为车载电子设备和电机提供能量。
HydroBot的动力系统：
- 燃料电池电堆（“发动机”）：选用Horizon H-60 PEM燃料电池，峰值功率60W。
- 储氢罐（“油箱”）：使用8个Hydrostik Pro金属氢化物储氢罐，总供电量可达88Wh。
- 磷酸铁锂电池（“缓冲器”）：一个92Wh的电池组，用于启动系统和应对电机工作时的电流峰值。
这种混合动力架构让HydroBot既能像纯电动汽车（BEV）一样，由电池驱动，也能在电量不足时，通过燃料电池为电池充电，实现类似增程式电动车的续航模式。
全向移动：麦克纳姆轮驱动
如果说燃料电池是HydroBot的“大脑”，那么其独特的移动系统就是它的“四肢”。HydroBot采用麦克纳姆轮（Mecanum wheel）作为驱动系统，这种特殊的轮子允许机器人实现任意方向的平移和原地旋转，无需传统的转向机构。
作者详细介绍了这些麦克纳姆轮的制造过程：
- 定制打印：轮子的主体由PETG材料3D打印而成，而那些以45度角排列的滚轮则使用了柔性的TPU材料。
- 行星齿轮箱：为了降低速度并提供更大的扭矩，轮子内部还集成了3D打印的行星齿轮箱。这种设计巧妙地利用行星架固定在底盘上，太阳轮连接电机，而中空齿轮则与轮辋一体，结构十分紧凑。
通过这种设计，HydroBot在展会或狭小空间内进行演示时，可以灵活自如地移动，展现出非常好的操控性。
电子和控制系统
作为一款开源项目，HydroBot的电子和控制系统是最值得深入探讨的部分。整个项目并没有直接使用昂贵的商业解决方案，而是采用了ESP32和Arduino Nano等常见的开源硬件，通过巧妙的系统集成来实现复杂的功能。
- 双核控制：ESP32作为主控，负责无线通信（ESP-NOW）、电机驱动、灯光控制等；而Arduino Nano则作为辅助，专门处理四个超声波距离传感器的数据，避免了主控因等待传感器回波而造成的代码延迟。
- 智能电源管理：为了安全地将燃料电池与电池连接，设计者没有简单地使用DC-DC转换器，而是增加了一个肖特基二极管来防止电流反向流动，并通过继电器来控制连接，确保只有在燃料电池开路电压正常时才进行充电。
- 远程操控与安全：遥控器同样基于ESP32，可以双向通信，实时显示机器人的电量、压力等信息。此外，系统还内置了多重安全机制，例如在与遥控器失去连接时，机器人会自动停止并切断电源，防止意外发生。
尽管项目开源，但作者也坦诚地分享了开发过程中的“坑”，例如为了解决LCD与主控之间的电压兼容问题而采用的“偏方”，以及在为电池充电时，由于DC-DC转换器无法正常工作而改用二极管和继电器的设计等等。
一个有待完善的未来平台
HydroBot的诞生，是HI ERN研究所研究人员们一次“走出实验室”的尝试。它不仅成功地展示了氢燃料电池的应用前景，也为科研人员提供了宝贵的系统集成经验。
当然，HydroBot也有很多缺点，它目前在成本、加氢便利性、长期可靠性等方面仍有提升空间。
如果你对HydroBot机器人或者清洁能源感兴趣，可以阅读以下HydroBot的开源文档，感受一下这个融合了多领域技术的硬核项目。
项目链接：https://www.instructables.com/HydroBot-a-Fuel-Cell-Powered-Robot/
文章首发于DF创客社区