WER机器人利用马达自制舵机应用策略研究

WER机器人利用马达自制舵机应用策略研究

 彭海 

佛山市顺德区北滘镇西海小学  广东省  528311

摘要：

WER是一项面向全球3-18岁青少年儿童的教育机器人比赛，而教育机器人是将教育运用在机器人领域的代表。舵机是机器人的核心部件，是控制方向的机械装置，通过编码程序连续控制其转角并应用于机器人各类关节运动中。其中数字舵机由于反应速度快、无反应范围小、定位精度高、抗干扰能力强等优势已逐渐取代模拟舵机应用于教育机器人中。根据创新思维学习，通过知识迁移由自制舵机模式下的活动成果阐述舵机在WER机器人中的应用策略。

关键词：教育机器人  创新思维 

（一）背景阐述

舵机是一种位置伺服驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。数字舵机是新型时代出现的舵机，因此数字在反应速度方面与模拟舵机相比是有优势的。因为微处理器的关系，数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前，对输入的信号根据设定的参数进行处理。这意味着动力脉冲的宽度，就是说激励马达的动力，可以根据微处理器的程序运算而调整，以适应不同的功能要求，并优化舵机的性能。

（二）舵机的种类分析

1. 模拟电机

（1）基本结构

主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成。

（2）控制原理

模拟RC伺服电机是一种标准的伺服电机。它通过简单地发送开关脉冲来调节电机的速度。通常情况下，脉冲电压在4.8V到6.0V之间，并在此期间保持基本恒定。舵机每秒接收50个脉冲的模拟信号 ，当舵机处于静止状态时，表示没有电压发送给它。如果“开”脉冲发送到伺服系统的时间越长，那么电机旋转得越快，产生的转矩也就越高。

（3）缺点

模拟舵机需要给它不停的发送PWM信号，才能让它保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动。

2. 数字电机

（1）基本结构

主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成。

（2）控制原理

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

（3）优点

数字舵机以高得多的频率向马达发送动力脉冲。就是说，相对与传统的50脉冲/秒，现在是300脉冲/秒。虽然，以为频率高的关系，每个动力脉冲的宽度被减小了，但马达在同一时间里收到更多的激励信号，并转动得更快。这也意味着舵机动作会更精确，而且“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；数字舵机提供更高的精度和更好的固定力量。

（4）缺点

数码舵机以更高频率去修正马达，需要消耗更多的动力，马达等转动部位的小号促使舵机使用寿命较短。

（三）数字舵机的使用方法

通过向舵机的信号线发送PWM信号来控制舵机的输出量，举个例子：当我们向舵机发送脉冲宽度为1.5毫秒（ms）的信号时，舵机的输出轴将移至中间位置（90度）；脉冲宽度为1ms时，舵机的输出轴将移至最小的位置（0度）；脉冲宽度为2ms时，舵机的输出轴将移至最小的位置（180度）。

舵机的控制信号为周期为20ms的脉宽调制信号，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms～2.5ms，对应的舵机转动角度为0～180°，理想情况下脉冲高电平宽度与舵机转动角度成正比。即舵机转动角度=180°×（脉冲高电平宽度-0.5）/2。可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，整个系统工作可靠。

（四）创新思维下的自制舵机应用

1. 数字舵机系统结构分析

数字舵机系统主要由外壳、微型直流电机、传感器、电路板以及机械结构4部分组成。舵机的驱动力来自——直流电机，通过变速齿轮的传动和变速，将动力传输到输出轴。传感器即检测舵机转角的传感器，常用有可调电位计（也就是旋转变阻器），当然还有磁编码器，但是价格比较高。舵机内部设有的角度传感器和控制电路板用来参与舵机的转动角度的控制和信号的反馈检测工作。机械结构一般为变速速齿轮组，通常小型直流电机转速快，转矩小，通过减速齿轮组可以降低转速，放大马达的扭矩，有效提高转矩。齿轮有塑料齿轮、混合材料齿轮和金属齿轮。

2. 基于数字舵机系统结构下的自制舵机系统结构分析

何克抗认为：为了使创客教育真正成为中国创新教育体系的有机组成，教育教学者们应从培养创新人才的角度入手，从培养学习者的创新意识、创新思维和创新能力为切入点，从而构建中国特色的创客教育。因此，针对创客教育器材的选择问题可以引导学生或者其他任何创客爱好者在充分认识了解数字舵机系统结构及工作原理的基础上动手制作一个舵机。该自制舵机系统主要由直流电机、齿轮、驱动轴、轴承以及若干孔梁零件。将一个方形梁通过紧配梢连接在舵机上，分别将一个直轴和一个

U形梁套在驱动轴上，再将一个锥直齿轮套在直轴上，与一个连接直轴的半高锥齿轮组合在一起，在执行命令时通过在方形梁的不同孔位插入横梁或者其他连接棒，此时通过连接制作的云台，从而舵机就可以达到控制仰角的效果，如图1。

图1

3. 自制舵机的创新意义

通过利用数字舵机控制角度旋转而完成任务迁移到通过自制舵机连接方形梁控制角度完成解锁任务，这不仅让学习者有一个模仿到创造、从简单任务到复杂任务过渡的过程，还培养了学习者的创新意识、创新思维和创新能力。

4. 自制舵机在解锁任务中的应用

测量出小车由两个方形梁拼接成的“8”字支架碰到由横梁组装成的“锁”的距离和角度，确定与舵机连接的方形梁上的合适的孔位并插上横梁。小车执行任务，自制舵机通过信号线发送控制脉冲，控制电路接收；齿轮组将电机的速度按倍速缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出并驱动电机转动；小车的“8”字支架打下，完成解锁任务，如图2。

图2

（五）小结

解锁任务的最终完成证明了基于创新思维下的自制舵机应用模式的可行性，其重要性在于拓宽学习者的创造能力及创新思维的培养。通过真实项目活动的引导，学生者进行研发，激发了学习者的学习热情，提高了学习者的动手能力和创新能力。

参考文献

[1]吴尝,边玉亮.基于单片机的舵机控制仿真实验研究[J].淮北职业技术学院学报,2017,16(01):136-137+142.

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[5]白滢. 小型高精度电动舵机伺服控制系统设计[D].大连理工大学,2018.

[9]百度百科