機器人的舵機：對電機轉(zhuǎn)動位置的精確控制

我們知道，電機本質(zhì)上就是利用磁場將電能轉(zhuǎn)化為機械能的機器，簡單地說，我們給 電機輸入電能，就能得到機械運動的輸出。絕大部分的機器人都是由電機驅(qū)動的，我們的 小機器人肯定也不例外。在第二節(jié)課就已經(jīng)提到過，小機器人是由直流減速電機提供雙 輪的驅(qū)動力，而它的手臂則是由舵機驅(qū)動的。那么這兩種電機之間有什么區(qū)別呢?

我們先說說直流減速電機。從它的名字就可以知道，它其實是由一臺依靠直流電提供 動力的電機和一個減速箱連接而成的。其中，減速箱的作用就是把電機的轉(zhuǎn)動速度降下來。 可是為什么要把電機的轉(zhuǎn)速降下來呢?這是有科學道理的。我們可以來計算一道簡單的算 術(shù)題：假設(shè)機器人小車的輪子直徑約為6.5cm, 一般電機的轉(zhuǎn)速能達到12000r/min 。 我們 很快可以計算出，如果小車以這樣的速度前進，它能跑150km/h 。 簡直比高速公路上的 小轎車跑得還要快了!顯然，對于小機器人來說，這樣的速度是不可能達到的。

事實上， 如果將電機去掉減速箱直接連到機器人的輪子上，那它只會一動不動。因為，這時電機雖 然轉(zhuǎn)速快，但它的“力氣”實在太小了，根本無法推動機器人。不過別擔心，只要為它連接 上減速箱，它就立刻會化身為“大力士”了。

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

不過在有的時候，單單有直流減速電機也是不夠用的，因為它的運動并不準確，僅靠它我們是無法知道電機運動的準確速度或位置的。而當我們制作機器人的手臂，肯定需要知道手臂的準確運動狀態(tài)，否則我們的器人也就沒法準確地完成任務(wù)了。因此，這個時 候就需要使用舵機了，如圖11-1所示。它其實就是在直流減速電機的基礎(chǔ)上增加了一個檢測位置的微型傳感器和一個控制器組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)動位置的準確控制。舵機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。因為航海模愛好者們經(jīng)常用這種電機 來控制模型的方向舵，所以它就被俗稱為“舵機”了。下面就來學習如何用舵機制作和控 制機器人手臂的運動。

通常使用的舵機能實現(xiàn)從0°~180°的準確轉(zhuǎn)動。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線。這個 順序和我們的機器人主控制板上接頭的順序是完全一致的，因此舵機的連接線可以直接 插到主控板上。然后就可以用程序發(fā)出適當?shù)男盘枺�讓舵機實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動了。