原創(chuàng) | 文 BFT機(jī)器人

伺服器是電動齒輪箱，可移動到控制信號指定的特定位置或速度。

本文的重點(diǎn)是模擬伺服系統(tǒng)，這些伺服器是傳統(tǒng)上用于R/C汽車和飛機(jī)的伺服系統(tǒng)，最近用于業(yè)余機(jī)器人。數(shù)字舵機(jī)也可以工作，但通常比模擬舵機(jī)更昂貴，消耗更多的功率。

圖1顯示了三種不同的伺服尺寸，從大型“四分之一比例”舵機(jī)(左)到小型 40 克機(jī) (右)。標(biāo)準(zhǔn)尺寸的伺服器 (中心) 尺寸約為20mm長x36 mm寬x40mm高，重量為50-5克最便宜 (~$ 10-$30)的伺服系統(tǒng)使用塑料齒輪和襯套。更好的 ($<>+)使用金屬或"karbonite”齒輪和滾珠軸承，以獲得更大的負(fù)載和更長的使用壽命。

同服通常需要 4.5-6 伏才能運(yùn)行并消耗機(jī)器人中的大部分電力。雖然大多數(shù)微控制器只需要很少的電力并且可以使用微型電池運(yùn)行，但伺服系統(tǒng)需要更大的電池-堿性或可充電電池。驅(qū)動一個或兩個同服系統(tǒng)的最低實(shí)際電源是二個AA堿性電池。

同服電纜有三根電線連接到其三針母連接器: 接地(通常為黑色或棕色):V+(電池正極，通常為紅色)和控制信號(通常為白色、黃色或橙色)。

極性很重要,連接舵機(jī)時請務(wù)必仔細(xì)檢查。

01

伺服：由內(nèi)到外

圖2顯示了典型愛好伺服的分解圖。提供各種內(nèi)齒輪比，提供不同類型的機(jī)械優(yōu)勢。一般來說，高齒輪比伺服 (大量齒輪減速)將以較慢的速度提供更大的扭矩/力。

低齒輪比伺服(齒輪減速較少)將移動得更快，但扭矩/力更小。注意: 強(qiáng)制機(jī)旋轉(zhuǎn)(關(guān)閉時)可能會損壞它。特殊的內(nèi)部齒輪允許某些伺服器比其他伺服系統(tǒng)更容易移動。

對于給定的信號，某些伺服器將以相反的方向旋轉(zhuǎn)。電子伺服反向器的價格為幾美元，但在機(jī)器人中通常不需要，因?yàn)樾D(zhuǎn)很容易在軟件中反轉(zhuǎn)。

伺服規(guī)格列出了 60.4伏和 8 伏的失速扭矩和速度(>度的傳輸時間)進(jìn)行比較，以及施加信號時它們的旋轉(zhuǎn)方向。伺服電機(jī)包括有刷 (標(biāo)準(zhǔn))、無刷和無鐵芯(高性能)。

在機(jī)器人技術(shù)中，我們同時使用標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)。兩者都響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的愛好協(xié)議脈沖，范圍從1-2毫秒(ms)寬。需要恒定的 50 H脈沖流來保持同服通電,一個脈沖不會做任何事情。1 ms 的脈沖寬度驅(qū)動伺服單向;2 ms 的脈沖以相反的方式孤動伺服:1.5 毫秒是旅行的中心。

實(shí)際上，這些數(shù)字提供的行程小于180度，因此機(jī)器人的脈沖范圍可能在0.50 ms-2.50 ms之間變化，以提供完整的行程，如圖3所示。

輸出軸上的花鍵數(shù)量因品牌而異，因此伺服喇叭和附件不一定可以互換。中型雙葉舵機(jī)使用 25 條花鍵而 Hitec舵機(jī)使用 24條花鍵。

不同品牌的母連接器之間也存在一些細(xì)微差異，但沒有什么可以阻止大多數(shù)品牌插入標(biāo)準(zhǔn)的三針公連接器或 PCB (印刷電路板)針座。

但是，請注意1998年之前的Airtronics何服系統(tǒng)，這些伺服器具有反向的電源連接，如果連接到標(biāo)準(zhǔn)伺服控制器，可能會“釋放魔力煙霧”。

02

伺服測試儀

電子伺服測試儀(圖4)非常方便且便宜，有些低至2美元?？梢酝瑫r連接多個伺服器。大多數(shù)測試儀有一種模式，可通過按鈕開關(guān)進(jìn)行選擇。

模式1允許手動伺服控制: 扭轉(zhuǎn)旋鈕，伺服器相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。模式2將舵機(jī)鎖定在其中心位置。模式3 來回擺動伺服。一些簡單的項(xiàng)目甚至可能不需要伺服測試儀以外的任何東西。

圖四

便宜的測試儀只發(fā)送1-2毫秒的輸出脈沖，使大多數(shù)伺服器旋轉(zhuǎn)小于180度。這對于在可編程控制器可用之前檢查項(xiàng)目的伺服運(yùn)動仍然很有用。

帶有顯示脈沖寬度的內(nèi)置顯示屏的測試儀非常有價值。為避免損壞測試儀和舵機(jī)，在連接電池(也是4.5V-6V)和舵機(jī)時，請務(wù)必仔細(xì)檢查極性。在連接任何舵機(jī)之前，請先連接電池以驗(yàn)證 LED 是否正常亮起。DIY愛好者可以構(gòu)建圖5所示的簡單伺服測試儀。

03

標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)

示準(zhǔn)何服器將其輸出軸旋轉(zhuǎn)約 180 度，或旋轉(zhuǎn)半圈。另一種說法是它們從中心位置移動+90度。它們用于精確的旋轉(zhuǎn)定位;也許是移動機(jī)器人手臂或腿關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)向車輪，掃描傳感器或瞄準(zhǔn)激光。內(nèi)部電位計(旋轉(zhuǎn)傳感器)檢測輸出軸位置并向內(nèi)部控制電路提供反饋。這稱為“閉環(huán)”控制系統(tǒng)。

同服器知道它的位置以及它是否需要根據(jù)輸入的控制信號移動。它會戰(zhàn)斗和“咆哮”以保持位置-甚至到打破或剝離其齒輪的地步。當(dāng)涉及強(qiáng)大的力時，會消耗額外的動力來移動重物或保持固定位置。

標(biāo)準(zhǔn)伺服在每個行程限制處都有內(nèi)部機(jī)械擋塊;通常是輸出齒輪上的一個卡舌，它擊中了外殼的一部分在某些伺服器上，輸出齒輪只有半個檔位(又名扇形)，因?yàn)樗恍D(zhuǎn) 180 度。

如果您發(fā)送控制信號使舵機(jī)嘗試旋轉(zhuǎn)超過其機(jī)械停止，您將浪費(fèi)電源并可能損壞舵機(jī)。每個舵機(jī)都略有不同，因此如果您計劃將舵機(jī)驅(qū)動到其機(jī)械極限，則需要對其進(jìn)行單獨(dú)測試并確定與其機(jī)械極限相對應(yīng)的自定義控制信號(程序中的數(shù)字)。

標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)在上電時略微旋轉(zhuǎn) - 即使未施加控制信號也是如此。旋轉(zhuǎn)將始終是CW或CCW，具體取決于伺服。通常這不是問題，但這里有一個例子。

當(dāng)伺服器輕微移動時，可能會無意中觸發(fā)上電。為了避免這種情況，我構(gòu)建了我的機(jī)制，以便在同服器向與上電相反的方向移動時觸發(fā)。用機(jī)械極限作為程序中的開始和結(jié)束位置，這樣伺服就靠在急停上，開機(jī)時根本無法旋轉(zhuǎn)。

模擬舵機(jī)是啞的。采取兩種方式:它們不是帶有自己的微處理器的智能伺服器，而且它們不會說話。就象與他們的控制器交談一樣。他們是聽話的奴隸--他們會盡最大努力按照命令移動，盡可能快地移動。伺服有自己的內(nèi)部反饋--一個閉環(huán)系統(tǒng)，不斷嘗試按照指示進(jìn)行操作。但是，微型從未從伺服器獲得任何反饋。伺服器可能沒有動力、扭矩或時間移動到命令位置。微觀不會知道這一點(diǎn)。

在舵機(jī)上增加了一根電線，連接到位置感應(yīng)電位器的中心游標(biāo)，該游標(biāo)為伺服器的內(nèi)部電子設(shè)備提供位置反饋。電位器是一個分壓器，輸出與輸出軸位置成比例的模擬電壓。

如果我們允許微型使用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)讀取該電壓，它可以確定同服器的位置。有很多方法可以做到這一點(diǎn)，這取決于我們使用的微控制器。

使用 PICAXE，在一個小時左右的時間里，有一個修改過的伺服器和代碼，通過先手動移動舵機(jī)來教授運(yùn)動序列，然后PICAXE 可以播放它。后來發(fā)現(xiàn)LadyAda用Arduino打敗了我。事實(shí)上,Adafruit出售帶有額外反饋線的黑客伺服器。

04

機(jī)械連接器

機(jī)器人/DIY人群喜歡即興創(chuàng)作，適應(yīng)和克服，利用伺服器附帶的喇叭。有時可以使用微小的螺母和螺栓將伺服喇叭擰到另一個零件上。這需要相當(dāng)精確的鉆孔和組裝。如果您無所畏懼并且非常確定自己的裝配技巧，則可以僅使用厚間隙填充CA(氰基酷酸酷，又名強(qiáng)力膠)將零件粘在伺服喇叭上。不要浪費(fèi)時間使用熱熔膠，熱熔膠最終會移動或失敗，并取消所有仔細(xì)的校準(zhǔn)和編程。

首先，在粘合之前在零件上鉆一個配合孔，以便可以接觸到微小的固定螺釘。這樣，仍然可以在必要時從伺服器上卸下喇叭組件。尼龍伺服喇叭很難正確粘合。徹底粗糙喇叭的頂部和底部，用粗砂紙或鈔刀粘合。

到處都有可見的劃痕和鑿痕，以獲得良好的附著力。清除任何灰塵:使用優(yōu)質(zhì)厚膠:并交替使用加速器/踢球器層來構(gòu)建材料并封裝伺服喇叭。顯然，不要在伺服器中涂膠水，但要使用大量膠水和充足的通風(fēng)。

許多伺服系統(tǒng)包括安裝螺釘和橡膠墊圈。索環(huán)用于模型飛機(jī)和汽車的減震和減振。它們不用于機(jī)器人技術(shù)，因?yàn)樗鼈儠S著時間的推移而變形，從而允許蠕變并降低定位精度。伺服系統(tǒng)具有用于螺釘安裝的安裝法蘭。

將伺服器安裝到平坦表面上的替代方法包括堅固的雙面膠帶或用于永久組裝的膠合?？梢允褂脽崛勰z，必要時用酒精去除。前面討論的厚強(qiáng)力膠顯然更持久。與伺服喇叭一樣，在舵機(jī)上使用膠水之前，用砂紙粗略地處理外部伺服外殼并徹底清潔。

與橡膠安裝墊圈一樣，伺服保護(hù)器最好留給遙控車人群使用，在大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用中跳過。轉(zhuǎn)向連桿上的這些彈簧加載減震裝置在碰撞中“給”，以避免損壞內(nèi)齒輪并節(jié)省伺服。不幸的是，它們也會在穩(wěn)定的負(fù)載下給出，并引入位置不準(zhǔn)確，這對機(jī)器人所需的精確定位適得其反。

05

連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)

連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī) (CR 舵機(jī))看起來像標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，但內(nèi)部有所不同。它們沒有機(jī)械擋塊，在兩個方向上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使其適用于驅(qū)動機(jī)器人上的車輪。

它們沒有位置傳感器向內(nèi)部控制電路提供反饋，因此這是一個“開環(huán)”控制系統(tǒng)。伺服將根據(jù)控制信號以不同的速度向前和反向轉(zhuǎn)動，但沒有內(nèi)置方法來驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)或距離CR伺服系統(tǒng)應(yīng)該在指定的控制信號 (1.5毫秒脈沖)處停止，但并非所有舵機(jī)都停止，:主要是因?yàn)橹圃旃睿瑴囟确€(wěn)定性等。

一些CR伺服系統(tǒng)可以通過用小螺絲刀轉(zhuǎn)動內(nèi)部電位計來“調(diào)零”(調(diào)整) 以實(shí)現(xiàn)精確停止。高質(zhì)量的舵機(jī)隨著時間的推移是一致的;便宜的漂移，偶爾需要重新清零。

值得注意的是，當(dāng)CR伺服被清零并收到停止命令(1.5毫秒脈沖)時，它不僅僅是“什么都不做”。它正在應(yīng)用動態(tài)制動，并且比伺服器未通電時更能抵抗轉(zhuǎn)彎。

CR伺服器不是很快;40-50 RPM 是典型的。毫不奇怪，當(dāng)由更高電壓供電時，它們的最高速度會增加。

即使缺乏反饋，速度慢目容易漂移，CR伺服器在業(yè)余機(jī)器人中仍然很受歡迎。它們相當(dāng)便宜，可與內(nèi)置控制電路一起使用，并具有熟悉的伺服外形。許多標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)可以修改為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。有些比其他的更容易修改，有些則提供更好的精細(xì)速度控制。

要修改伺服，必須斷開或更換內(nèi)部反饋電位計，并修改輸出齒輪(和/或外殼)以移除機(jī)械擋塊。這種流行的“黑客”的許多例子都可以在網(wǎng)上找到。

尋找安裝在CR伺服上的輪子可能是一個挑戰(zhàn)。有一些預(yù)制輪子可以直接安裝在伺服花鍵上 (Pololu和Solarbotics銷售雙葉花鍵輪》。有的將匹配的母花鍵模制到塑料輪中:其他人則附有伺服喇叭。如前所述，可以使用螺釘或膠水將伺服喇叭連接到一些現(xiàn)有車輪上，從而制作自己的車輪。

將喇叭在車輪上居中自然需要精度。否則，輪子會偏心并使機(jī)器人擺動。在將同服喇叭粘合到車輪上的情況下，環(huán)氧樹脂將是比CA更好的選擇，因?yàn)楣袒瘯r間是幾分鐘而不是幾秒鐘。

當(dāng)環(huán)氧樹脂固化時，可以使用伺服測試儀旋轉(zhuǎn)伺服以驗(yàn)證同心度并推動車輪運(yùn)行。確保將尼龍伺服喇叭粗糙化以促進(jìn)良好的附著力 (前面也描述過)。

如果方便并且可以使用一些基本的商店工具，則可以用塑料，木材或其他柔軟材料的平板制作自己的輪子。用帶鋸切出一個超大的圓圈，然后按照描述將伺服喇叭牢固地粘在圓圈上，目測中心?，F(xiàn)在，將輪子安裝在CR伺服器上，然后用伺服測試儀旋轉(zhuǎn)，用鉛筆或記號筆畫一個直徑合適的圓。接下來，使用圓盤或皮帶砂光機(jī)使輪子變圓-一只是勉強(qiáng)超大。

最后，用伺服測試儀旋轉(zhuǎn)伺服/輪子，同時小心地將其放在砂光機(jī)上，使其在所需尺寸下完美圓形。

據(jù)悉兩個伺服器帶有一個直徑為1.75英寸的圓形喇叭-一個小而自由的即時輪子。這個直徑的“輪子”的前進(jìn)速度為5-7英寸/秒。驅(qū)動輪需要橡膠輪胎進(jìn)行牽引，通常是O形圈或橡皮筋。定制寬度橡皮筋輪胎的一個方便來源是從自行車內(nèi)胎中切出一個環(huán)，這就是我在 1.75 英寸喇叭上使用的。對于任何給定的伺服和 RPM，較大的車輪將提供更高的速度。

甚至見過花生醬罐蓋擰在服喇叭上，使用橡皮筋輪胎在移動機(jī)器人上具有很好的優(yōu)勢(圖6)。

06

專用舵機(jī)

除了傳統(tǒng)的愛好旋轉(zhuǎn)舵機(jī)外，機(jī)器人專家很幸運(yùn)地?fù)碛幸幌盗袑I(yè)舵機(jī)。已經(jīng)為人形和手警市場創(chuàng)建了機(jī)器人專用何服系統(tǒng)，以及用于制作復(fù)雜鏈接的支架和硬件。高端是Dongbu的Herculex和RobotisDynamixel數(shù)字伺服器，具有驚人的高功率和能力。

它們具有編碼器、專用程序員和專用通信協(xié)議 - 所有這些都超出了本文的范圍。最近，它們的一些機(jī)械特性出現(xiàn)在更便宜的數(shù)字“機(jī)器人舵機(jī)”上，例如圖7所示。

帆絞盤舵機(jī)(720 度舵機(jī))具有不同的內(nèi)部齒輪，可將輸出軸旋轉(zhuǎn)兩個完整旋轉(zhuǎn)，在每個極端停止。不要將這些與“360 度舵機(jī)”混淆--這是連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的替代和不幸術(shù)語。

線性伺服器由標(biāo)準(zhǔn)同服信號控制，具有不同的尺寸-從圖8中的微小Spektrum 到圖9中的巨型 Firgeli.EMS出售10美元的套件，用于將雙葉S3003轉(zhuǎn)換為線性，或者您可以以相同的價格購買較小的VS-19

文章來源：用于機(jī)器人的模擬舵機(jī) |伺服雜志 (servomagazine.com)

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