原创 | 文 BFT机器人
伺服器是电动齿轮箱，可移动到控制信号指定的特定位置或速度。
本文的重点是模拟伺服系统，这些伺服器是传统上用于R/C汽车和飞机的伺服系统，最近用于业余机器人。数字舵机也可以工作，但通常比模拟舵机更昂贵，消耗更多的功率。
图1显示了三种不同的伺服尺寸，从大型“四分之一比例”舵机(左)到小型 40 克机 (右)。标准尺寸的伺服器 (中心) 尺寸约为20mm长x36 mm宽x40mm高，重量为50-5克最便宜 (~$ 10-$30)的伺服系统使用塑料齿轮和衬套。更好的 ($<>+)使用金属或"karbonite”齿轮和滚珠轴承，以获得更大的负载和更长的使用寿命。
同服通常需要 4.5-6 伏才能运行并消耗机器人中的大部分电力。虽然大多数微控制器只需要很少的电力并且可以使用微型电池运行，但伺服系统需要更大的电池-碱性或可充电电池。驱动一个或两个同服系统的最低实际电源是二个AA碱性电池。
同服电缆有三根电线连接到其三针母连接器: 接地(通常为黑色或棕色):V+(电池正极，通常为红色)和控制信号(通常为白色、黄色或橙色)。
极性很重要,连接舵机时请务必仔细检查。
01
伺服：由内到外
图2显示了典型爱好伺服的分解图。提供各种内齿轮比，提供不同类型的机械优势。一般来说，高齿轮比伺服 (大量齿轮减速)将以较慢的速度提供更大的扭矩/力。
低齿轮比伺服(齿轮减速较少)将移动得更快，但扭矩/力更小。注意: 强制机旋转(关闭时)可能会损坏它。特殊的内部齿轮允许某些伺服器比其他伺服系统更容易移动。
对于给定的信号，某些伺服器将以相反的方向旋转。电子伺服反向器的价格为几美元，但在机器人中通常不需要，因为旋转很容易在软件中反转。
伺服规格列出了 60.4伏和 8 伏的失速扭矩和速度(>度的传输时间)进行比较，以及施加信号时它们的旋转方向。伺服电机包括有刷 (标准)、无刷和无铁芯(高性能)。
在机器人技术中，我们同时使用标准舵机和连续旋转舵机。两者都响应标准的爱好协议脉冲，范围从1-2毫秒(ms)宽。需要恒定的 50 H脉冲流来保持同服通电,一个脉冲不会做任何事情。1 ms 的脉冲宽度驱动伺服单向;2 ms 的脉冲以相反的方式孤动伺服:1.5 毫秒是旅行的中心。
实际上，这些数字提供的行程小于180度，因此机器人的脉冲范围可能在0.50 ms-2.50 ms之间变化，以提供完整的行程，如图3所示。
输出轴上的花键数量因品牌而异，因此伺服喇叭和附件不一定可以互换。中型双叶舵机使用 25 条花键而 Hitec舵机使用 24条花键。
不同品牌的母连接器之间也存在一些细微差异，但没有什么可以阻止大多数品牌插入标准的三针公连接器或 PCB (印刷电路板)针座。
但是，请注意1998年之前的Airtronics何服系统，这些伺服器具有反向的电源连接，如果连接到标准伺服控制器，可能会“释放魔力烟雾”。
02
伺服测试仪
电子伺服测试仪(图4)非常方便且便宜，有些低至2美元。可以同时连接多个伺服器。大多数测试仪有一种模式，可通过按钮开关进行选择。
模式1允许手动伺服控制: 扭转旋钮，伺服器相应旋转。模式2将舵机锁定在其中心位置。模式3 来回摆动伺服。一些简单的项目甚至可能不需要伺服测试仪以外的任何东西。
图四
便宜的测试仪只发送1-2毫秒的输出脉冲，使大多数伺服器旋转小于180度。这对于在可编程控制器可用之前检查项目的伺服运动仍然很有用。
带有显示脉冲宽度的内置显示屏的测试仪非常有价值。为避免损坏测试仪和舵机，在连接电池(也是4.5V-6V)和舵机时，请务必仔细检查极性。在连接任何舵机之前，请先连接电池以验证 LED 是否正常亮起。DIY爱好者可以构建图5所示的简单伺服测试仪。
03
标准舵机
示准何服器将其输出轴旋转约 180 度，或旋转半圈。另一种说法是它们从中心位置移动+90度。它们用于精确的旋转定位;也许是移动机器人手臂或腿关节，转向车轮，扫描传感器或瞄准激光。内部电位计(旋转传感器)检测输出轴位置并向内部控制电路提供反馈。这称为“闭环”控制系统。
同服器知道它的位置以及它是否需要根据输入的控制信号移动。它会战斗和“咆哮”以保持位置-甚至到打破或剥离其齿轮的地步。当涉及强大的力时，会消耗额外的动力来移动重物或保持固定位置。
标准伺服在每个行程限制处都有内部机械挡块;通常是输出齿轮上的一个卡舌，它击中了外壳的一部分在某些伺服器上，输出齿轮只有半个档位(又名扇形)，因为它只旋转 180 度。
如果您发送控制信号使舵机尝试旋转超过其机械停止，您将浪费电源并可能损坏舵机。每个舵机都略有不同，因此如果您计划将舵机驱动到其机械极限，则需要对其进行单独测试并确定与其机械极限相对应的自定义控制信号(程序中的数字)。
标准舵机在上电时略微旋转 - 即使未施加控制信号也是如此。旋转将始终是CW或CCW，具体取决于伺服。通常这不是问题，但这里有一个例子。
当伺服器轻微移动时，可能会无意中触发上电。为了避免这种情况，我构建了我的机制，以便在同服器向与上电相反的方向移动时触发。用机械极限作为程序中的开始和结束位置，这样伺服就靠在急停上，开机时根本无法旋转。
模拟舵机是哑的。采取两种方式:它们不是带有自己的微处理器的智能伺服器，而且它们不会说话。就象与他们的控制器交谈一样。他们是听话的奴隶--他们会尽最大努力按照命令移动，尽可能快地移动。伺服有自己的内部反馈--一个闭环系统，不断尝试按照指示进行操作。但是，微型从未从伺服器获得任何反馈。伺服器可能没有动力、扭矩或时间移动到命令位置。微观不会知道这一点。
在舵机上增加了一根电线，连接到位置感应电位器的中心游标，该游标为伺服器的内部电子设备提供位置反馈。电位器是一个分压器，输出与输出轴位置成比例的模拟电压。
如果我们允许微型使用ADC(模数转换器)读取该电压，它可以确定同服器的位置。有很多方法可以做到这一点，这取决于我们使用的微控制器。
使用 PICAXE，在一个小时左右的时间里，有一个修改过的伺服器和代码，通过先手动移动舵机来教授运动序列，然后PICAXE 可以播放它。后来发现LadyAda用Arduino打败了我。事实上,Adafruit出售带有额外反馈线的黑客伺服器。
04
机械连接器
机器人/DIY人群喜欢即兴创作，适应和克服，利用伺服器附带的喇叭。有时可以使用微小的螺母和螺栓将伺服喇叭拧到另一个零件上。这需要相当精确的钻孔和组装。如果您无所畏惧并且非常确定自己的装配技巧，则可以仅使用厚间隙填充CA(氰基酷酸酷，又名强力胶)将零件粘在伺服喇叭上。不要浪费时间使用热熔胶，热熔胶最终会移动或失败，并取消所有仔细的校准和编程。
首先，在粘合之前在零件上钻一个配合孔，以便可以接触到微小的固定螺钉。这样，仍然可以在必要时从伺服器上卸下喇叭组件。尼龙伺服喇叭很难正确粘合。彻底粗糙喇叭的顶部和底部，用粗砂纸或钞刀粘合。
到处都有可见的划痕和凿痕，以获得良好的附着力。清除任何灰尘:使用优质厚胶:并交替使用加速器/踢球器层来构建材料并封装伺服喇叭。显然，不要在伺服器中涂胶水，但要使用大量胶水和充足的通风。
许多伺服系统包括安装螺钉和橡胶垫圈。索环用于模型飞机和汽车的减震和减振。它们不用于机器人技术，因为它们会随着时间的推移而变形，从而允许蠕变并降低定位精度。伺服系统具有用于螺钉安装的安装法兰。
将伺服器安装到平坦表面上的替代方法包括坚固的双面胶带或用于永久组装的胶合。可以使用热熔胶，必要时用酒精去除。前面讨论的厚强力胶显然更持久。与伺服喇叭一样，在舵机上使用胶水之前，用砂纸粗略地处理外部伺服外壳并彻底清洁。
与橡胶安装垫圈一样，伺服保护器最好留给遥控车人群使用，在大多数机器人应用中跳过。转向连杆上的这些弹簧加载减震装置在碰撞中“给”，以避免损坏内齿轮并节省伺服。不幸的是，它们也会在稳定的负载下给出，并引入位置不准确，这对机器人所需的精确定位适得其反。
05
连续旋转舵机
连续旋转舵机 (CR 舵机)看起来像标准舵机，但内部有所不同。它们没有机械挡块，在两个方向上连续旋转，使其适用于驱动机器人上的车轮。
它们没有位置传感器向内部控制电路提供反馈，因此这是一个“开环”控制系统。伺服将根据控制信号以不同的速度向前和反向转动，但没有内置方法来验证旋转或距离
CR伺服系统应该在指定的控制信号 (1.5毫秒脉冲)处停止，但并非所有舵机都停止，:主要是因为制造公差，温度稳定性等。
一些CR伺服系统可以通过用小螺丝刀转动内部电位计来“调零”(调整) 以实现精确停止。高质量的舵机随着时间的推移是一致的;便宜的漂移，偶尔需要重新清零。
值得注意的是，当CR伺服被清零并收到停止命令(1.5毫秒脉冲)时，它不仅仅是“什么都不做”。它正在应用动态制动，并且比伺服器未通电时更能抵抗转弯。
CR伺服器不是很快;40-50 RPM 是典型的。毫不奇怪，当由更高电压供电时，它们的最高速度会增加。
即使缺乏反馈，速度慢目容易漂移，CR伺服器在业余机器人中仍然很受欢迎。它们相当便宜，可与内置控制电路一起使用，并具有熟悉的伺服外形。许多标准伺服系统可以修改为连续旋转。有些比其他的更容易修改，有些则提供更好的精细速度控制。
要修改伺服，必须断开或更换内部反馈电位计，并修改输出齿轮(和/或外壳)以移除机械挡块。这种流行的“黑客”的许多例子都可以在网上找到。
寻找安装在CR伺服上的轮子可能是一个挑战。有一些预制轮子可以直接安装在伺服花键上 (Pololu和Solarbotics销售双叶花键轮》。有的将匹配的母花键模制到塑料轮中:其他人则附有伺服喇叭。如前所述，可以使用螺钉或胶水将伺服喇叭连接到一些现有车轮上，从而制作自己的车轮。
将喇叭在车轮上居中自然需要精度。否则，轮子会偏心并使机器人摆动。在将同服喇叭粘合到车轮上的情况下，环氧树脂将是比CA更好的选择，因为固化时间是几分钟而不是几秒钟。
当环氧树脂固化时，可以使用伺服测试仪旋转伺服以验证同心度并推动车轮运行。确保将尼龙伺服喇叭粗糙化以促进良好的附着力 (前面也描述过)。
如果方便并且可以使用一些基本的商店工具，则可以用塑料，木材或其他柔软材料的平板制作自己的轮子。用带锯切出一个超大的圆圈，然后按照描述将伺服喇叭牢固地粘在圆圈上，目测中心。现在，将轮子安装在CR伺服器上，然后用伺服测试仪旋转，用铅笔或记号笔画一个直径合适的圆。接下来，使用圆盘或皮带砂光机使轮子变圆-一只是勉强超大。
最后，用伺服测试仪旋转伺服/轮子，同时小心地将其放在砂光机上，使其在所需尺寸下完美圆形。
据悉两个伺服器带有一个直径为1.75英寸的圆形喇叭-一个小而自由的即时轮子。这个直径的“轮子”的前进速度为5-7英寸/秒。驱动轮需要橡胶轮胎进行牵引，通常是O形圈或橡皮筋。定制宽度橡皮筋轮胎的一个方便来源是从自行车内胎中切出一个环，这就是我在 1.75 英寸喇叭上使用的。对于任何给定的伺服和 RPM，较大的车轮将提供更高的速度。
甚至见过花生酱罐盖拧在服喇叭上，使用橡皮筋轮胎在移动机器人上具有很好的优势(图6)。
06
专用舵机
除了传统的爱好旋转舵机外，机器人专家很幸运地拥有一系列专业舵机。已经为人形和手警市场创建了机器人专用何服系统，以及用于制作复杂链接的支架和硬件。高端是Dongbu的Herculex和RobotisDynamixel数字伺服器，具有惊人的高功率和能力。
它们具有编码器、专用程序员和专用通信协议 - 所有这些都超出了本文的范围。最近，它们的一些机械特性出现在更便宜的数字“机器人舵机”上，例如图7所示。
帆绞盘舵机(720 度舵机)具有不同的内部齿轮，可将输出轴旋转两个完整旋转，在每个极端停止。不要将这些与“360 度舵机”混淆--这是连续旋转舵机的替代和不幸术语。
线性伺服器由标准同服信号控制，具有不同的尺寸-从图8中的微小Spektrum 到图9中的巨型 Firgeli.EMS出售10美元的套件，用于将双叶S3003转换为线性，或者您可以以相同的价格购买较小的VS-19
文章来源：用于机器人的模拟舵机 |伺服杂志 (servomagazine.com)
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