机器人的舵机：对电机转动位置的精确控制

我们知道，电机本质上就是利用磁场将电能转化为机械能的机器，简单地说，我们给 电机输入电能，就能得到机械运动的输出。绝大部分的机器人都是由电机驱动的，我们的 小机器人肯定也不例外。在第二节课就已经提到过，小机器人是由直流减速电机提供双 轮的驱动力，而它的手臂则是由舵机驱动的。那么这两种电机之间有什么区别呢?

我们先说说直流减速电机。从它的名字就可以知道，它其实是由一台依靠直流电提供 动力的电机和一个减速箱连接而成的。其中，减速箱的作用就是把电机的转动速度降下来。 可是为什么要把电机的转速降下来呢?这是有科学道理的。我们可以来计算一道简单的算 术题：假设机器人小车的轮子直径约为6.5cm, 一般电机的转速能达到12000r/min 。 我们 很快可以计算出，如果小车以这样的速度前进，它能跑150km/h 。 简直比高速公路上的 小轿车跑得还要快了!显然，对于小机器人来说，这样的速度是不可能达到的。

事实上， 如果将电机去掉减速箱直接连到机器人的轮子上，那它只会一动不动。因为，这时电机虽 然转速快，但它的“力气”实在太小了，根本无法推动机器人。不过别担心，只要为它连接 上减速箱，它就立刻会化身为“大力士”了。

这里应用了物理学中转速与力矩的关系，减速箱中的齿轮将电机的转速降低下来，而力矩则被等比例地放大。比如，我们机器人的直流 减速电机的减速箱是1:120的，经过减速后，机器人轮子的转速只有12000转的1/120, 也就是100r/min, 而力矩则会变成原来的120倍(假设无损失的理想情况下)。这时电机 的力量就足够驱动机器人运动了，这就是减速箱的作用。

不过在有的时候，单单有直流减速电机也是不够用的，因为它的运动并不准确，仅靠它我们是无法知道电机运动的准确速度或位置的。而当我们制作机器人的手臂，肯定需要知道手臂的准确运动状态，否则我们的器人也就没法准确地完成任务了。因此，这个时 候就需要使用舵机了，如图11-1所示。它其实就是在直流减速电机的基础上增加了一个检测位置的微型传感器和一个控制器组成的闭环反馈控制系统，从而实现对电机转动位置的准确控制。舵机的内部结构如图11-2所示。因为航海模爱好者们经常用这种电机 来控制模型的方向舵，所以它就被俗称为“舵机”了。下面就来学习如何用舵机制作和控 制机器人手臂的运动。

通常使用的舵机能实现从0°~180°的准确转动。它的接头一般有3根不同颜色的 线，棕色或黑色代表接“地”,红色代表接“电源正极”,橙色或白色则代表了信号线。这个 顺序和我们的机器人主控制板上接头的顺序是完全一致的，因此舵机的连接线可以直接 插到主控板上。然后就可以用程序发出适当的信号，让舵机实现自由转动了。