混跡DIY界必備:舵機(jī)知識(shí)全面解析 - 全文

舵機(jī)又稱伺服電機(jī)；作為小型機(jī)器人身上最常用的動(dòng)作元件，如果連舵機(jī)知識(shí)都不懂你又怎么混跡DIY界呢？

1???簡介

舵機(jī)控制的機(jī)器人

● 我猜你肯定在機(jī)器人和電動(dòng)玩具中見到過這個(gè)小東西，至少也聽到過它轉(zhuǎn)起來時(shí)那與眾不同的“吱吱吱”的叫聲。對(duì)，它就是遙控舵機(jī)，常用在機(jī)器人技術(shù)、電影效果制作和木偶控制當(dāng)中，不過讓人大跌眼鏡的是，它竟是為控制玩具汽車和飛機(jī)才設(shè)計(jì)的。

● 舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)不像普通電機(jī)那樣只是古板的轉(zhuǎn)圈圈，它可以根據(jù)你的指令旋轉(zhuǎn)到0至180度之間的任意角度然后精準(zhǔn)的停下來。如果你想讓某個(gè)東西按你的想法運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)可是個(gè)不錯(cuò)的選擇，它控制方便、最易實(shí)現(xiàn)，而且種類繁多，總能有一款適合你呦。

● 用不著太復(fù)雜的改動(dòng)，舵機(jī)就可搖身一變成為一個(gè)高性能的、數(shù)字控制的、并且可調(diào)速的齒輪電機(jī)。在這篇文章中，我會(huì)介紹舵機(jī)使用的的一些基礎(chǔ)知識(shí)以及怎樣制作一個(gè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)舵機(jī)。

2???舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

A.標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)圖解

● 遙控舵機(jī)（或簡稱舵機(jī)）是個(gè)糅合了多項(xiàng)技術(shù)的科技結(jié)晶體，它由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，是一套自動(dòng)控制裝置，神馬叫自動(dòng)控制呢？所謂自動(dòng)控制就是用一個(gè)閉環(huán)反饋控制回路不斷校正輸出的偏差，使系統(tǒng)的輸出保持恒定。我們在生活中常見的恒溫加熱系統(tǒng)就是自動(dòng)控制裝置的一個(gè)范例，其利用溫度傳感器檢測溫度，將溫度作為反饋量，利用加熱元件提輸出，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱器啟動(dòng)，溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加熱器關(guān)閉，這樣不就使溫度始終保持恒定了嗎。

B.閉環(huán)反饋控制

● 對(duì)于舵機(jī)而言呢，位置檢測器是它的輸入傳感器，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置一變，位置檢測器的電阻值就會(huì)跟著變。通過控制電路讀取該電阻值的大小，就能根據(jù)阻值適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的速度和方向，使電機(jī)向指定角度旋轉(zhuǎn)。圖A顯示的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的部件分解圖。圖B顯示的是舵機(jī)閉環(huán)反饋控制的工作過程。

3???選擇舵機(jī)

C.大扭力/微型/標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)

● 舵機(jī)的形狀和大小多到讓人眼花繚亂，但大致可以如圖C所示分類。最右邊身材不錯(cuò)的是常見的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，中間兩個(gè)小不點(diǎn)是體積最小的微型舵機(jī)，左邊的魁梧的那個(gè)是體積最大的大扭力舵機(jī)。它們都是同樣的三線控制，因此你可以根據(jù)需求換個(gè)大個(gè)的或小個(gè)的。

● 除了大小和重量，舵機(jī)還有兩個(gè)主要的性能指標(biāo)：扭力和轉(zhuǎn)速，這兩個(gè)指標(biāo)由齒輪組和電機(jī)所決定。扭力，通俗講就是舵機(jī)有多大的勁兒。在5V的電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力是5.5千克/厘米（75盎司/英寸），轉(zhuǎn)速很容易理解，就是指從一個(gè)位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)位置要多長時(shí)間。在5V電壓下，舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)度是0.2秒移動(dòng)60度。總之，和我們?nèi)艘粯樱鏅C(jī)的個(gè)子越大，轉(zhuǎn)的就越慢但也越有勁兒。

● 趕快想好你要做的東西，讓我們開始動(dòng)手吧。確定做什么之后，選擇哪種大小的舵機(jī)（標(biāo)準(zhǔn)型、微型、絞盤型）就是小case了，你可以紳士般的從中選個(gè)最便宜的。在這個(gè)項(xiàng)目中，我選的就是微型系列的HexTronik公司生產(chǎn)的HXT500型舵機(jī)，額定數(shù)值是扭力0.8千克，轉(zhuǎn)速0.10秒，只花不到4美元就搞定了。

4???舵機(jī)的支架和連接裝置

D.多種舵盤

● 想在你的項(xiàng)目中用上舵機(jī)，就要滿足兩個(gè)條件：一是需要個(gè)能把舵機(jī)固定到基座上的支架，二是得有個(gè)能將驅(qū)動(dòng)軸和物體連在一起的連接裝置。支架一般舵機(jī)上就有，而且?guī)в袛Q螺絲用的安裝孔。如果你僅僅是測試的話，用點(diǎn)兒熱熔膠或者雙面泡沫膠帶就能輕松的固定住舵機(jī)。

● 怎樣連接驅(qū)動(dòng)軸呢，你會(huì)發(fā)現(xiàn)舵機(jī)都附帶了一些有孔的小東西，這就是舵盤，它可以套在驅(qū)動(dòng)軸，臂上打上了些小孔。你只要用連接棒或者線把物體連到孔上，就可以將舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成物體的直線運(yùn)動(dòng)了，當(dāng)然了，選用不同的舵盤或固定孔就能產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)啦。

● 圖示的是幾種不同的舵盤。前面4個(gè)白色的是舵機(jī)附帶的舵盤，右邊四個(gè)是用激光切割機(jī)切割塑料得到的DIY舵盤。最右邊的2個(gè)是舵盤和支架的組合，如果你想實(shí)現(xiàn)兩個(gè)舵機(jī)的組合運(yùn)動(dòng)，把這個(gè)舵盤的支架固定到另一個(gè)舵機(jī)的支架上就OK了。

E.普通舵盤設(shè)計(jì)

F.其他舵盤

● 制作普通舵盤對(duì)于童鞋們來說是比較容易的，先用矢量作圖軟件畫一個(gè)多邊形，這個(gè)多邊形的半徑和頂點(diǎn)數(shù)都要和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)軸匹配，這樣它就能連接到驅(qū)動(dòng)軸上了，其他種類的也是這樣畫出來的。

5???如何控制舵機(jī)

G.3線接口

● 像圖所示那樣，舵機(jī)有一個(gè)三線的接口。黑色（或棕色）的線是接地線，紅線接+5V電壓，黃線（或是白色或橙色）接控制信號(hào)端。

H.控制信號(hào)

● 控制信號(hào)（如圖H）是一種脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，凡是微控制器能輕松的產(chǎn)生這種信號(hào)。在此文中，我用的是常用的Arduino開發(fā)環(huán)境下的微控制器。

● 脈沖的高電平持續(xù)1到2毫秒（ms），也就是1000到2000微秒(μs)。在1000μs時(shí)，舵機(jī)左滿舵。在2000μs時(shí)，右滿舵。不過你可以通過調(diào)整脈寬來實(shí)現(xiàn)更大或者更小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

● 控制脈沖的低電平持續(xù)20毫秒。每經(jīng)過20毫秒（50次每秒），就要再次跳變?yōu)楦唠娖剑駝t舵機(jī)就可能罷工，難以保持穩(wěn)定。不過你要是想讓它一瘸一拐的跳舞，倒可以采取這種方法。

這是一個(gè)完整的Arduino設(shè)計(jì)程序，在這個(gè)程序下，舵機(jī)始終在正中間位置，控制起來很容易

I.舵機(jī)連接Arduino實(shí)驗(yàn)板

● 紅色和黑色的線分別接到Arduino開發(fā)板的5V電源腳和接地腳上?？刂凭€接到Arduino開發(fā)板的數(shù)字輸入/輸出腳9腳上。

● 用Arduino控制舵機(jī)也有不太給力的地方，就是Arduino程序把絕大部分時(shí)間都浪費(fèi)在等待延遲命令上，不過童鞋們暫時(shí)不要失望，Arduino中內(nèi)置有舵機(jī)函數(shù)，你可以用它內(nèi)置的計(jì)數(shù)器來同時(shí)控制兩個(gè)舵機(jī)（分別在9腳和10腳），是不是又豁然開朗了，這樣我們不就能把節(jié)省下的編程代碼干別的事情了嗎。

這是一個(gè)調(diào)用了舵機(jī)函數(shù)的程序

6???舵機(jī)應(yīng)用：云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像頭

J.舵機(jī)控制的云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像頭

● 看了這么多內(nèi)容了，是不是有點(diǎn)迫不及待練練手的沖動(dòng)，那就先來個(gè)簡單的，材料就是下面這些，兩個(gè)舵機(jī)、一個(gè)Arduino板、一個(gè)用來裝攝像頭的可轉(zhuǎn)動(dòng)基座。先用熱膠把第一個(gè)舵機(jī)的舵盤固定到攝像頭的底部，然后把第二個(gè)舵機(jī)固定到基座上，同時(shí)把它的舵盤固定到第一個(gè)舵機(jī)的一側(cè)，最后把舵盤套到各自舵機(jī)上，哇塞，一個(gè)云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像頭就這樣誕生了。

● 圖中是一個(gè)純手工打造的云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，它用的是OpenWrt Linux系統(tǒng)的華碩wi-fi路由器。

● 網(wǎng)絡(luò)攝像頭和Arduino控制板都是用USB集線器連接到路由器上的。

通過Arduino的USB口同時(shí)控制兩個(gè)舵機(jī)的程序

● 大致的流程是這樣滴，當(dāng)串口上有兩個(gè)字節(jié)到來時(shí)，程序開始工作，賦給第一個(gè)字節(jié)0-180的值，讓它調(diào)節(jié)搖擺舵機(jī)（調(diào)左右），同樣賦給第二個(gè)字節(jié)0-180的值，讓它調(diào)節(jié)傾斜舵機(jī)（調(diào)上下）。

7???如何DIY連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)

K.舵機(jī)的內(nèi)部“解剖”結(jié)構(gòu)

● 任何舵機(jī)都能變成一個(gè)雙向、可調(diào)速的降速齒輪電機(jī)。通常情況下，需要驅(qū)動(dòng)芯片和其他一些零件才能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，這些部件舵機(jī)中都會(huì)附帶，所以要想得到一個(gè)用到機(jī)器人上的數(shù)控連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，最簡單也最便宜的的方法就是自己動(dòng)手改造一個(gè)，哈哈，考驗(yàn)動(dòng)手能力的時(shí)候又來了。

L.拿掉金屬擋板

● 需要改動(dòng)的是部分的電路模塊和機(jī)械模塊，電路模塊中，我們要找兩個(gè)阻值相同的電阻來充當(dāng)電位計(jì)，機(jī)械模塊中，則要去掉防止電機(jī)過速的擋板。

M.卸下塑料擋板

● 下面我們就開始吧，首先，卸開舵機(jī)外殼，HTX500舵機(jī)的外殼由3個(gè)塑料部分扣在一起。你可以用個(gè)小一字改錐或是類似的片狀工具把他撬開，然后從軸上取下齒輪組,(記得標(biāo)記好各個(gè)小齒輪的位置哦)，再從下面小心的取出舵機(jī)的電路板。

● 舵機(jī)上有兩個(gè)機(jī)械制動(dòng)擋板，用尖嘴鉗卸下驅(qū)動(dòng)軸基座上的金屬擋板（圖L），用斜嘴鉗卸下外殼頂部的塑料擋板（圖M）。

N.焊上電阻

O.纏上膠帶

● 用兩個(gè)阻值相加約5 kΩ的電阻來替代5 kΩ的電位計(jì)，實(shí)際制作中，選一對(duì)2.2kΩ的電阻就能滿足要求了。把電位計(jì)上的3根線焊下來，像圖N那樣焊到電阻上。再把這個(gè)重新組裝成的家伙用絕緣膠帶或是絕緣管纏好（圖O），最后再和電路板一起重新塞進(jìn)舵機(jī)外殼中，扣好外殼，一個(gè)改造好的舵機(jī)就呈現(xiàn)在我們面前了。

● 手工制作階段到此就結(jié)束了，但是現(xiàn)在還能高興的太早，因?yàn)橹挥姓业交鶞?zhǔn)點(diǎn)才能算是大功告成。在理想條件下，如果兩個(gè)電阻完全相同，舵機(jī)就能精確的停到90度的位置上。不過呢，理想和現(xiàn)實(shí)總是會(huì)差那么一點(diǎn)點(diǎn)，因此舵機(jī)就沒像理想中那樣么精確。為了使舵機(jī)控制更精確，我們要找到一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，方法是把上面編的程序灌進(jìn)電路中，通過實(shí)驗(yàn)來看舵機(jī)究竟停在哪個(gè)角度，這個(gè)角度每個(gè)舵機(jī)都不相同，所以得出結(jié)果后要記錄下來。

● 我們業(yè)余愛好者常用的舵機(jī)一般是用電位計(jì)來檢測驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到的角度，而用在工業(yè)機(jī)器人、電腦數(shù)控機(jī)床等大型系統(tǒng)中的舵機(jī)一般則要用旋轉(zhuǎn)編碼器來確定位置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的原理是這樣的，把一個(gè)帶有窄縫的圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，然后用一個(gè)LED燈和一個(gè)光敏元件來記錄光通過窄縫照到光敏器件上的次數(shù)來計(jì)算當(dāng)前旋轉(zhuǎn)到的位置。其實(shí)生活中這種技術(shù)也很常見，我們每天都要用的光電鼠標(biāo)就是用的這個(gè)原理制作成的。

注：如果你不想撬開你心愛的舵機(jī)，Parallax公司（BASIC Stamp微處理器的制造商）有一款即用型，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)可供你使用。

8???連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的應(yīng)用：5分鐘的繪圖機(jī)器人

P.安裝好的繪圖機(jī)器人*

● 想做個(gè)會(huì)畫畫的的機(jī)器人嗎，那就去找兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)來吧，我們這就開始。圖O這個(gè)繪圖機(jī)器人中包含了舵機(jī)兩個(gè)， 9V電池，面包板， Arduino電路板，三福記號(hào)筆各一個(gè)，外加一對(duì)塑料輪子。

● 它的電路和云臺(tái)攝像頭一樣，我們直接拿來用，而且它的部件都可以用熱膠粘到一起。關(guān)于輪子的選擇，更是簡單，只要是直徑在1到3英寸的圓東西都能用，比如塑料瓶蓋之類的。為了減小摩擦，增大牽引力，我們在車輪上纏上塑料膠帶。

● 這樣組裝階段就完成了。接下來就是程序了，它的程序用一個(gè)包含基準(zhǔn)點(diǎn)的變量來制動(dòng)舵機(jī)，這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)我們上面已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)測出（你的基準(zhǔn)點(diǎn)可能不同）。程序的控制流程為，先讓一個(gè)舵機(jī)朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，然后換成另一個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能得到一個(gè)螺線形的圖畫了。

● 代碼在此：

#include

Servo servoL;

Servo servoR;

int servoLZero = 83; // experimentally found to stop L motor

int servoRZero = 91; // experimentally found to stop R motor

boolean turnleft = false;

void setup() {

servoL.attach(9);

servoR.attach(10);

servoL.write(servoLZero); // start out not moving

servoR.write(servoRZero); // start out not moving

}

void loop() {

turnleft = !turnleft;

if( turnleft ) {

servoL.write( servoLZero - 10 );

servoR.write( servoRZero );

delay(1000);

} else {

servoL.write( servoLZero );

servoR.write( servoRZero + 10 );

delay(4000); // turn more one way than the other

}

}

Q.運(yùn)動(dòng)中的繪圖機(jī)器人

● 注意：永久記號(hào)筆畫的痕跡不好清除，童鞋們千萬小心哈，最好讓繪圖機(jī)器人在硬紙板或其他不透水的紙的畫畫，或者索性換成支水溶性的記號(hào)筆。

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