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舵机在仿生机器人中的应用


舵机在仿生机器人中的应用
摘要:根据控制方式,舵机应该称为微型伺服电机。早期在模型上使用最多,主要用于 控制模型的舵面, 所以俗称舵机。 舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较 精确的角度, 所以非常适合在关节型机器人产品使用。 仿人型机器人就是舵机运用的最高境 界。舵机的结构、类型及控制原理等知识,是机械专业学生需要掌握的基本知识,了解舵机 在机器人中的应

用,对我们下学期科技创新活动制作仿生机器人有着重要作用。 关键词:舵机的结构、类型、工作及控制原理、应用。

一、舵机的结构及工作原理。
舵机简单的说就是集成了直流电机、 电机控制器和减速器等, 并封装在一个便于安装的 外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。

工作原理:控制电路板接受来自信号线的控制信号,控制电机转动,电机带 动一系列齿轮组, 减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相 连的,舵盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号到控 制电路板, 进行反馈, 然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度, 从而达到目标停止。
结构:舵机安装了一个电位器(或其它角度传感器)检测输出轴转动角度,控制板根据 电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。 这样的直流电机控制方式叫闭环控制, 所以舵机更准确的说是伺服马达,英文servo。 舵机的主体结构如下图所示,主要有几个部分:外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控 制电路。简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号,并驱动电机转动;齿轮组将电 机的速度成大倍数缩小,并将电机的输出扭矩放大响应倍数,然后输出;电位器和齿轮组的 末级一起转动,测量舵机轴转动角度;电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度,然后控 制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。

舵机的外壳一般是塑料的, 特殊的舵机可能会有金属铝合金外壳。 金属外壳能够提供更 好的散热,可以让舵机内的电机运行在更高功率下,以提供更高的扭矩输出。金属外壳也可 以提供更牢固的固定位置。 齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。塑料齿轮成本底,噪音小,但强度较 低;金属齿轮强度高,但成本高,在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。小扭矩舵机、 微舵、扭矩大但功率密度小的舵机一般都用塑料齿轮,如Futaba 3003,辉盛的9g微舵。金 属齿轮一般用于功率密度较高的舵机上,比如辉盛的995舵机,在和3003一样体积的情况下 却能提供13KG的扭矩。Hitec甚至用钛合金作为齿轮材料,其高强度能保证3003大小的舵机 能提供20几公斤的扭矩。 混合齿轮在金属齿轮和塑料齿轮间做了折中, 在电机输出齿轮上扭 矩一般不大,用塑料齿轮。

二、舵机的规格及选型。
当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分, 不过数字舵机还是相对较少。 下面的技术 规格同时适用与两种舵机。 舵机的规格主要有几个方面:转速、转矩、电压、尺寸、重量、材料等。我们在做舵机 的选型时要对以上几个方面进行综合考虑。 1、转速 转速由舵机无负载的情况下转过60°角所需时间来衡量,常见舵机的速度一般在 0.11/60°~0.21S/60°之间。

2、转矩。 舵机扭矩的单位是KG·CM,这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水 平距离1CM处,舵机能够带动的物体重量。

3、电压

厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关,在4.8V和6V两种测试电压下这两个参数 有比较大的差别。如Futaba S-9001 在4.8V 时扭力为3.9kg、速度为0.22 秒,在6.0V 时扭力 为5.2kg、速度为0.18 秒。若无特别注明,JR 的舵机都是以4.8V 为测试电压,Futaba则是 以6.0V 作为测试电压。 舵机的工作电压对性能有重大的影响,舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当然,有 的舵机可以在7V以上工作, 比如12V的舵机也不少。 较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。 选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。 4、尺寸、重量和材质 舵机的功率(速度×转矩)和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度,一般同样 品牌的舵机,功率密度大的价格高。 塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿, 金属齿轮的舵机则可能会电 机过热损毁或外壳变形。 所以材质的选择并没有绝对的倾向, 关键是将舵机使用在设计规格 之内。 用户一般都对金属制的物品比较信赖, 齿轮箱期望选择全金属的, 舵盘期望选择金属舵 盘。但需要注意的是,金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁,最后确是电机过热损坏 或外壳变形,而这样的损坏是致命的,不可修复的。塑料出轴的舵机如果使用金属舵盘是很 危险的,舵盘和舵机轴在相互扭转过程中,金属舵盘不会磨损,舵机轴会在一段时间后变得 光秃,导致舵机完全不能使用。 综上, 选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度, 并确定使用电压的条件下, 选择有150% 左右甚至更大扭矩富余的舵机。

三、舵机的控制原理
1、模拟舵机的控制原理。 舵机是一个微型的伺服控制系统,具体的控制原理可以用下图表示:

工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲, 并驱动电机转动; 齿轮组将电机的速度成 大倍数缩小,并将电机的输出扭矩放大响应倍数,然后输出;电位器和齿轮组的末级一起转 动,测量舵机轴转动角度;电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度,然后控制舵机转动 到目标角度或保持在目标角度。 模拟舵机需要一个外部控制器 (遥控器的接收机) 产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角 度, 脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。 舵机的控制脉冲周期20ms, 脉宽从0.5ms-2.5ms, 分别对应-90度到+90度的位置。如下图所示:

需要解释的是舵机原来主要用在飞机、汽车、船只模型上,作为方向舵的调节和控制装 置。所以,一般的转动范围是45°、60°或者90°,这时候脉冲宽度一般只有1ms-2ms之 间。 而后舵机开始在机器人上得到大幅度的运用, 转动的角度也在根据机器人关节的需 要增加到-90度至90度之间,脉冲宽度也随之有了变化。 对于控制脉冲有的书上讲的是PPM(脉位调制信号), 有的定义为PWM (脉宽调制信号) 。 对与模型遥控器,发射机到接收机之间的信号编码方式是PPM(也有PCM)方式,当然, 这个信号的编码传输过程不是接收机到舵机之间,切不可混淆。 对与机器人控制而言,我们一般通过单片机产生PWM信号控制舵机,所以下面对于舵 机的控制脉冲都称为PWM信号

2、数字舵机的控制原理。
数字舵机从根本上颠覆了舵机的控制系统设计。 数字和模拟舵机相比在两个方面有明显 的优点。1、防抖。2、响应速度快。 模拟舵机由于使用模拟器件搭建的控制电路, 电路的反馈和位置伺服是基于电位器的比 例调节方式。电位器由于线性度的影响,精度的影响,个体差异性的问题,会导致控制匹配 不了比例电压,比如我期望得到2.5V的电压位置,但第一次得到的是2.3V,经过1个调节周 期后,电位器转过的位置已经是2.6V了,这样控制电路就会给电机一个方向脉冲调节,电机 往回转,又转过头,然后有向前调节,以至于出现不停的震荡,这就是我们所看到的抖舵现 象。我们购买一批舵机会发现有的很好用,有的在空载的时候也会在抖动,有的是在加一定 的负载后就开始抖动。

我们不用装出机器人就可以预期一个事实, 不停抖动的舵机装出来的仿人机器人是不可 能走的很好的,用不停抖动的舵机装出来的机械臂是不可能写字的。可惜的是,现在的数字 舵机还是很贵的,更别提用伺服直流电机+伺服驱动器+运动控制卡搭建的机器人系统了。 模拟舵机的调节周期是20ms (看看模块卡的舵机程序) 也就是它的反应时间是20ms。 , 根据舵机的不同,假设我们估计舵机的速度是0.2s/60°,那么20ms舵机最快的时候转过0.6 度才会进行调节,这就是关节在突然出现大负载的情况下,会被扭矩摆动0.6度,然后才纠 正回来,我们的直观感觉就是这个舵机不“硬”我们掰动舵盘,可以掰动一个位置。 数字舵机可以以很高的频率进行调节,这个周期和角度会变得非常小,并且有PID调节 方式的存在,能够在以很适当的PID参数进行调节,能够让舵机有很高的响应速度,不会出 现超调。

四、舵机在机器人中的应用。
舵机具有以下一些特点: 1) 体积紧凑,便于安装; 2) 输出力矩大,稳定性好; 3) 控制简单,便于和数字系统接口。 正是因为舵机有很多优点,所以,现在不仅仅应用在航模运动中,已经扩展到各种机电 产品中来,在机器人控制中应用更是越来越广泛。 如下图为一个仿人机器人, 机器人各个关节都有一定的自由度数, 而每个舵机正是实 现其中一个个关节在一个自由度上的运动。这样,机器人有几个自由度,一般就需要几个舵 机。

用于制作机器人的舵机型号: 舵机型号的选用主要考虑所需扭力的大小,制作小型机器人一般需要8g、9g左右即可。 参考文献 [1]《舵机基本知识总结》 [2] 百度文库


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