我們推出了一項新計劃，即通過使用了Arduino的簡單制作來學習電子制作的原理和基礎(chǔ)知識。此次為我們分享的嘉賓是伊藤尚未先生，他活躍于媒體藝術(shù)領(lǐng)域，并且在書籍領(lǐng)域以講解“更深層次的原理”而聞名。在第5篇，也就是最后一篇，我們將用Arduino來控制伺服電機。

1. 前言

大家好！我是伊藤尚未。

在這個連載系列中，我們嘗試通過Arduino控制讓各種作品動起來，考慮到還有我沒有試過的部件，所以我決定借此機會嘗試一下，那就是“伺服電機”。

說起“微控制器+動作”，就會讓人想起機器人，但就我而言，我用過一些比較原始的東西（比如田宮齒輪和萬寶至電機）來實現(xiàn)。當然，對于現(xiàn)代的機器人而言，使用的運動部件就是伺服電機。在我的孩提時代，曾經(jīng)有一陣電動遙控車熱，我記得我經(jīng)常和朋友們一起玩。

當然，當時也是超級跑車熱潮的時代，品牌包括蘭博基尼、藍旗亞、保時捷等豪車。我記得當時由于無線電控制器的手柄和加速器使用了伺服電機，遙控車會根據(jù)控制器操縱桿的移動而移動，讓我覺得很不可思議，從那時起我對伺服電機的表現(xiàn)就佩服得很。

那時，我只能按照“它之所以那樣動作，是因為它就是那樣的機制”來理解，但現(xiàn)在我深刻意識到在不可思議中思考“那種機制”是很重要的。

近年來，機器人中所用的伺服電機通常是方形外殼，帶有圓盤或矩形聯(lián)軸器（舵機），與以前的樣子相比幾乎沒什么變化，因此能一眼就看出來。不過考慮到可能有人對它的內(nèi)部并不是非常了解，所以我想借此機會再重新研究一下。

2. 什么是伺服電機？

從廣義上講，伺服電機具有軸旋轉(zhuǎn)檢測機構(gòu)，并具有旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)位置和速度等的控制功能，因此也用于重型機械和工廠生產(chǎn)線等應(yīng)用領(lǐng)域。

不過對于我們來說，各種伺服電機中，無線電遙控設(shè)備和模型機器人等設(shè)備中使用的電機類型是我們在電子制作過程中最為熟悉的。當然，在用Arduino等微控制器來使運動部件像機器人一樣動起來的應(yīng)用中，也會使用常用的伺服電機。

那么，檢測電機旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)到底是怎樣的呢？

從結(jié)構(gòu)圖看，多為下述結(jié)構(gòu)，看起來并不陌生的樣子。

不管怎樣，我想看看它的真面貌，所以把它拆解開了。樣品為大小正合適的GWS公司生產(chǎn)的S03T/2BBMG/FUTABA。

首先，我拆下舵機和四個角的螺絲，并將外殼拆下來。外殼分三部分，拆下頂蓋后會露出齒輪組。

齒輪是金屬的，用軸承連接，結(jié)構(gòu)上很牢固。看起來是4檔減速齒輪，涂了很多潤滑脂，可以想像力矩還是蠻大的。

拆下中間的外殼后，就可以看到電機了。照片右側(cè)的圓柱體金屬部分是電機，左側(cè)是控制器部分。左側(cè)有舵機軸，因此可以推斷通過這里來檢測旋轉(zhuǎn)情況。

當拆掉舵機軸后，可以看到軸本身就是一個旋轉(zhuǎn)傳感器。用手指轉(zhuǎn)動這個軸，從旋轉(zhuǎn)角度和觸感上可以判斷出，這是一個通過物理旋轉(zhuǎn)的滑動接觸點來獲得電阻值變化的可調(diào)電阻器、電位器。通過它可以檢測舵機的旋轉(zhuǎn)位置。果真和結(jié)構(gòu)圖是一致的。

在這個電位器的底部有電路，通過讀取其電阻值，并將電阻值與輸入信號進行比較，然后將其停在平衡點上，應(yīng)該可以使其按所需角度旋轉(zhuǎn)。

所以，一共有三個引腳，一個是GND，一個是正電源，一個是信號線，可以根據(jù)GND和正電源之間的電壓差（比值）來控制。使用這種機制，即使由于電池狀態(tài)等因素造成一些電壓波動，也可以毫無問題地控制旋轉(zhuǎn)角度。

要從Arduino端控制伺服電機的話，已經(jīng)有一個庫可以用，我會直接使用這個庫，其輸出信號是PWM。PWM是在一個周期內(nèi)改變脈沖的寬度，最終以電壓變化體現(xiàn)出來。

在這里，讓我想起了我的童年回憶。當時的無線電控制器是否裝有微控制器？那時候市場上出現(xiàn)的是單板微控制器等較大型的產(chǎn)品。我記得當時我想知道控制器里面都有什么而把它拆開了，但不記得里面是否有微控制器了。可能是因為它是模擬的。

如果使用的是PWM，那么應(yīng)該是通過硬件進行處理的吧。如果這樣想的話，伺服電機不僅可以用通過PWM進行控制，應(yīng)該也可以通過模擬進行控制。如果按照前面提到的控制信號是GND和正電源之間的電壓比來考慮的話，當然模擬也應(yīng)該沒有問題，也就是說，伺服電機本身和以前的模擬輸入時幾乎沒有什么變化。

沒有變化的東西屬于“老物件”，但這里的“老物件”不等于“壞東西”，而是“穩(wěn)定的東西”，所以伺服電機在技術(shù)方面的評價是很高的。

不過，由于IC也在日益小型化，所以伺服電機的控制電路部分也已經(jīng)改進，應(yīng)該可以更適當?shù)靥幚鞵WM了。

3. 與Arduino連接

現(xiàn)在，我們嘗試將伺服電機與Arduino連接起來。GND、電源、信號的引腳排列會因伺服電機而異，所以讓我們來確認一下。

這次我用的是GWS的S03T/2BBMG/FUTABA，也就是前面拆卸用的那種。引腳排列如下所示：

從照片左側(cè)開始，引線依次是黑色、紅色和白色，它們分別連接到GND、5V（正電源）和信號線。

與Arduino的連接方法如下：

我使用現(xiàn)有的庫嘗試編寫了如下草圖：

#include<Servo.h>
Servo myServo;  
void setup() {
  myServo.attach(9); 
}
void loop() {
  myServo.write(90);
    delay(1000);
  myServo.write(45);
    delay(1000);
  myServo.write(135);
    delay(1000);
}

讀取伺服電機的庫程序并輸出到引腳9。myServe.write的括號里面表示角度，所以我將其設(shè)置為90度是中間位置，并以此為基準向左右擺動45度。從伺服電機的功能上來看，可以以中間位置為基準向左右擺動90度，但如果改變數(shù)值時像“0”、“180”那樣的角度太多，電機就會顫抖。我不知道具體原因，可能是由于旋轉(zhuǎn)傳感器是模擬的，所以數(shù)值上有些問題。鑒于此，我決定在不受影響的范圍內(nèi)使用。

如果在舵機上安裝一個搖臂，那么擺動幅度也會變大，所以我在這個搖臂頂端安裝了之前自制的執(zhí)行器。這種執(zhí)行器的機制是將漆包線纏繞在吸管上，做成線圈，將釘子插入吸管中，當有電流流過時，釘子就會彈上去。也就是一種自制的螺線管。

為了驅(qū)動這個執(zhí)行器，我使用了之前用過的ROHM生產(chǎn)的“2SD1866”。通過20kΩ電阻器連接到底座并通過Arduino來控制ON和OFF。執(zhí)行器驅(qū)動用的外接電源由兩節(jié)干電池分別提供3V電。

現(xiàn)在，可以在一些特定部位上輕輕敲擊了。

整體電路圖如上圖所示。通過引腳13驅(qū)動自制執(zhí)行器，通過引腳9驅(qū)動伺服電機。

外部電路只有用來驅(qū)動自制執(zhí)行器的晶體管和電阻器，所以我把它們組裝在一個小面包板上了。

我將草圖添加到之前的草圖中，并添加了執(zhí)行器的工作部分。我讓釘子在伺服電機移動到特定角度時彈上去。

#include<Servo.h>
Servo myServo;  
void setup() {
  myServo.attach(9); 
  pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
  myServo.write(90);
    delay(500);
  digitalWrite(13, HIGH);  
  delay(100);               
  digitalWrite(13, LOW);    
  delay(1000);      
  myServo.write(45);
    delay(500);
  digitalWrite(13, HIGH);  
  delay(100);               
  digitalWrite(13, LOW);    
  delay(1000);      
  myServo.write(135);
    delay(500);
  digitalWrite(13, HIGH);  
  delay(100);               
  digitalWrite(13, LOW);    
  delay(1000);      
}

在實際操作時，必須考慮到搖臂的移動時間，所​​以角度越大時間點越難把握。

4. 通過Arduino控制來演奏樂器！

現(xiàn)在，我想用它來演奏樂器。我在100日元商店找到了這樣的一把鐘琴，我決定把它改造一下。

首先，取下鐵片并將它們安裝在另一個框架上。

我用橡膠皮筋將這些鐵片固定在框架上，這樣在敲擊后振動就不會停止。在框架的下方安裝了前面做的帶搖臂的執(zhí)行器。通過Arduino同時控制伺服電機和執(zhí)行器。

在這個框架中，do、re、mi、 fa、sol、la、si、do的位置分別對應(yīng)122、112、102、95、85、77、67、57的角度，我讓伺服電機根據(jù)這些角度旋轉(zhuǎn)并敲擊鐵片。
這些角度值是我通過實際調(diào)整得出的。接下來，怎么演奏呢……我暫時調(diào)整了位置，嘗試讓它演奏出do、re、mi、 fa、sol、la、si、do的聲音。

這樣一來，使我有了讓它演奏一首歌的興致。

哎呀，好像彈出曲調(diào)了，只是有點像我，沒有節(jié)奏感（笑）。只要能享受聲音就好了，知足了！

這一次，我用Arduino控制伺服電機嘗試了演奏樂器。在這個連載系列中，我們介紹了使用Arduino來控制各種設(shè)備的一些方法。怎么樣？有收獲嗎？

我想您已經(jīng)了解到了，即使是身邊熟悉的設(shè)備，也可以用Arduino進行控制，也可以制作出更有趣的電子作品！盼望大家也想出各種創(chuàng)意，享受電子制作的樂趣！