機(jī)器人的舵機(jī)：對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的精確控制

我們知道，電機(jī)本質(zhì)上就是利用磁場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們給 電機(jī)輸入電能，就能得到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的輸出。絕大部分的機(jī)器人都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，我們的 小機(jī)器人肯定也不例外。在第二節(jié)課就已經(jīng)提到過(guò)，小機(jī)器人是由直流減速電機(jī)提供雙 輪的驅(qū)動(dòng)力，而它的手臂則是由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的。那么這兩種電機(jī)之間有什么區(qū)別呢?

我們先說(shuō)說(shuō)直流減速電機(jī)。從它的名字就可以知道，它其實(shí)是由一臺(tái)依靠直流電提供 動(dòng)力的電機(jī)和一個(gè)減速箱連接而成的。其中，減速箱的作用就是把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度降下來(lái)。 可是為什么要把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來(lái)呢?這是有科學(xué)道理的。我們可以來(lái)計(jì)算一道簡(jiǎn)單的算 術(shù)題：假設(shè)機(jī)器人小車(chē)的輪子直徑約為6.5cm, 一般電機(jī)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到12000r/min 。 我們 很快可以計(jì)算出，如果小車(chē)以這樣的速度前進(jìn)，它能跑150km/h 。 簡(jiǎn)直比高速公路上的 小轎車(chē)跑得還要快了!顯然，對(duì)于小機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這樣的速度是不可能達(dá)到的。

事實(shí)上， 如果將電機(jī)去掉減速箱直接連到機(jī)器人的輪子上，那它只會(huì)一動(dòng)不動(dòng)。因?yàn)椋�這時(shí)電機(jī)雖 然轉(zhuǎn)速快，但它的“力氣”實(shí)在太小了，根本無(wú)法推動(dòng)機(jī)器人。不過(guò)別擔(dān)心，只要為它連接 上減速箱，它就立刻會(huì)化身為“大力士”了。

這里應(yīng)用了物理學(xué)中轉(zhuǎn)速與力矩的關(guān)系，減速箱中的齒輪將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低下來(lái)，而力矩則被等比例地放大。比如，我們機(jī)器人的直流 減速電機(jī)的減速箱是1:120的，經(jīng)過(guò)減速后，機(jī)器人輪子的轉(zhuǎn)速只有12000轉(zhuǎn)的1/120, 也就是100r/min, 而力矩則會(huì)變成原來(lái)的120倍(假設(shè)無(wú)損失的理想情況下)。這時(shí)電機(jī) 的力量就足夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)了，這就是減速箱的作用。

不過(guò)在有的時(shí)候，單單有直流減速電機(jī)也是不夠用的，因?yàn)樗�的運(yùn)動(dòng)并不準(zhǔn)確，僅靠它我們是無(wú)法知道電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確速度或位置的。而當(dāng)我們制作機(jī)器人的手臂，肯定需要知道手臂的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，否則我們的器人也就沒(méi)法準(zhǔn)確地完成任務(wù)了。因此，這個(gè)時(shí) 候就需要使用舵機(jī)了，如圖11-1所示。它其實(shí)就是在直流減速電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)檢測(cè)位置的微型傳感器和一個(gè)控制器組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確控制。舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。因?yàn)楹胶Ｄ��?ài)好者們經(jīng)常用這種電機(jī) 來(lái)控制模型的方向舵，所以它就被俗稱(chēng)為“舵機(jī)”了。下面就來(lái)學(xué)習(xí)如何用舵機(jī)制作和控 制機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)。

通常使用的舵機(jī)能實(shí)現(xiàn)從0°~180°的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)。它的接頭一般有3根不同顏色的 線，棕色或黑色代表接“地”,紅色代表接“電源正極”,橙色或白色則代表了信號(hào)線。這個(gè) 順序和我們的機(jī)器人主控制板上接頭的順序是完全一致的，因此舵機(jī)的連接線可以直接 插到主控板上。然后就可以用程序發(fā)出適當(dāng)?shù)男盘?hào)，讓舵機(jī)實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)了。