舵机的结构和性能分析

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统[28]。目前，在高档遥控玩具，如飞机模型、潜艇模型、遥控机器人中已经得到了普遍应用。舵机（见图2-3）最早用于航模制作。航模飞行姿态的控制就是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。

图2-3　各种舵机

大家肯定在机器人和电动玩具中见到过这个小东西，至少也听到过它转起来时那种与众不同的“吱吱吱”叫声——它就是遥控舵机，常用在机器人、电影效果制作和木偶控制中，不过让人大跌眼镜的是，它最初竟是为控制玩具汽车和模型飞机才设计制作的。

舵机的旋转不像普通电机那样只是呆板、单调地转圈圈，它可以根据你的指令旋转到0至180°之间的任意角度然后精准地停下来[29]。如果你想让某个东西按你的想法随意运动，舵机可是个不错的选择：它控制方便、易于实现，而且种类繁多，总能有一款适合你的具体需求。

典型的舵机是由直流电动机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统[30]。通过发送信号，指定舵机输出轴的旋转角度来实现舵机的可控转动。一般而言，舵机都有最大的旋转角度（比如180°）。其与普通直流电机的区别主要在于：直流电机是连续转动，而舵机却只能在一定角度范围内转动，不能连续转动（数字舵机除外，它可以在舵机模式和电机模式中自由切换）；普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机却可以。此外，它们的用途也不同：普通直流电机一般是整圈转动，作为动力装置使用；舵机是用来控制某物体转动一定的角度（比如机器人的关节），作为调整控制器件使用。

图2-4　舵机结构分解图(www.xing528.com)

舵机的分解如图2-4所示，它主要是由外壳、传动轴、齿轮传动、电动机、电位计、控制电路板元件所构成。其主要工作原理是：由控制电路板发出信号并驱动电动机开始转动，通过齿轮传动装置将动力传输到传动轴，同时由电位计检测送回的信号，判断是否已经到达指定位置[31]。

简言之，舵机控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制舵机转动，舵机带动一系列齿轮组，经减速后传动至输出舵盘[32]。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，实现控制目标后即告停止。

舵机控制板主要是用来驱动舵机和接受电位器反馈回来的信息。电位器的作用主要是通过其旋转后产生的电阻变化，把信号发送回舵机控制板，使其判断输出轴角度是否输出正确。减速齿轮组的主要作用是将力量放大，使小功率电机产生大扭矩[33]。舵机输出转矩经过一级齿轮放大后，再经过二、三、四级齿轮组，最后通过输出轴将经过多级放大的扭矩输出。图2-5所示为舵机的4级齿轮减速增力机构，就是通过这么一级级地把小的力量放大，使得一个小小的舵机能有15 kg·cm^[1]的扭矩。

图2-5　舵机多级齿轮减速机构

为了适合不同的工作环境，舵机还有采用防水及防尘设计的类型，并且因应不同的负载需求，所用的齿轮有塑料齿轮、混合材料齿轮和金属齿轮之分。比较而言，塑料齿轮成本低、传动噪声小，但强度弱、扭矩小、寿命短；金属齿轮强度高、扭矩大、寿命长，但成本高，在装配精度一般时传动中会有较大的噪声。小扭矩舵机、微型舵机、扭矩大但功率密度小的舵机一般都采用塑料齿轮，如Futaba 3003、辉盛的9g微型舵机均采用塑料齿轮。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，该舵机在和Futaba 3003同样大小体积的情况下却能提供13 kg·cm的扭矩。少数舵机，如Hitec，甚至用钛合金作为齿轮材料，这种像Futaba 3003体积大小的舵机能提供20 kg·cm左右的扭矩，堪称小块头的大力士。使用混合材料齿轮的舵机其性能处于金属齿轮舵机和塑料齿轮舵机之间。

由于舵机采用多级减速齿轮组设计，使得舵机能够输出较大的扭矩。正是由于舵机体积小、输出力矩大、控制精度高的特点满足了仿蛇机器人对于驱动单元的主要需求，所以舵机在本书介绍的仿蛇机器人中得到了采用，由它们来为本书介绍的仿蛇机器人提供驱动力或驱动力矩。