UART串行总线舵机的结构与参数

1. 概要

串行总线舵机(型号: RP8-U45)为例,介绍舵机的外部特征、内部结构、舵机参数与组成部分的对应关系。

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2. 舵机外部结构

舵机(型号: RP8-U45)的外壳由以下几部分构成:

  • 舵机的上下盖,是用高强度的工程塑料精密注塑而成;
  • 中段材质采用6063铝合金,经由CNC精密加工而成,内壁贴合马达,有利于电机与电路板的散热,提高电机的运行效率。

RP8-U45有两个轴,分别为主轴和副轴。主轴(Output Spline)也叫舵机的输出轴,是舵机齿轮组的最后一级齿轮。采用不锈钢材料,经由数控车床加工而成,满足舵机高强度和高精度的要求。

副轴 也叫从动轴,是一个光滑轴,和输出轴同心,用于分担主轴的压力。

输出轴的规格为25T。

注: 齿轮规格的25T,T代表的是齿轮的齿数(Teeth),所以25T代表齿轮有25个齿。

舵盘(Metal Servo Horn),也分主舵盘和副舵盘,分别和主轴及副轴配对使用。舵盘用于将输出轴与连杆或其他结构件(例如U型支架)连接。舵盘不但要和输出轴紧密结合,避免虚位产生,也要提供稳固的链接,方便各类支架安装。

RP8-U45舵机搭配的舵盘,是用7075航空铝合金材质CNC加工而成,采用沉降式台阶设计,并提供8个孔位,方便用户实现各个角度的安装。

另外RP8-U45舵机外壳上输出轴所在的两面,各有5个全对称的M2螺丝孔位,方便舵机与其他机械结构件的连接。

注:M2中M代表(公制 Metric),2是指的螺丝的直径为2mm。

舵机正反两面各有一个单总线串口接口。

单总线:UART通信接收端(Rx)跟发送端(Tx)共用一根线,数据发送与接收分时复用(半双工)。

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通过舵盘,U形支架与其他金属结构件,就可以搭建出任意自由度的机械臂/云台。

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3. 舵机参数

3.1. 控制方式

串行总线舵机(型号: RP8-U45) 使用的通信协议为单线半双工异步串行通信(Half duplex Asynchronous Serial Communication),使用的电平标准为TTL电平(TTL Level)。

注:单线半双工异步串行通信是UART(Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter) 通信协议中的一种。

单线的意思是信号线只有一根,同时负责舵机指令的发送与接收,数据发送与接收交替进行。 舵机两侧各有一个接口,通过转接线舵机就可以串联在一条串行总线上

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串行总线舵机需要配合舵机转接板UC01使用,它的作用是将UART舵机的单线转换为双线TTL接口(Rx接收端,Tx发送端),通过双线TTL串口接口与单片机进行通信。或者通过转接板上的USB转TTL芯片(CH340),通过USB端口与PC进行通信。

UART舵机与PC/单片机之间按照特定的串行总线舵机通信协议进行指令传递与反馈数据的解析。

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3.2. 舵机输入电压

舵机输入电压范围参考各舵机规格参数。舵机有欠压保护与过压保护,当输入电压超出额定电压范围时,电机不动作。

3.3. 空载最高转速

国内舵机转速的表示方法一般以舵机空载时输出轴转过60度所需的时间(单位 sec/60°)为参考。舵机空载的含义是,舵盘上没有负载,不悬挂任何负载的重物。同样,舵机转速与电压有关,电压越高电机的输出功率也就越高,输出轴的转速也就越快。

电压 RP8-U45的舵机转速(sec/60°)
6.0 v 0.118
7.4 v 0.098
8.4 v 0.085

举例来讲,在7.4V的时候,舵机RP8-45在舵机空载的模式下,从0度旋转到60度仅需要0.098s。 

4. 舵机内部结构

去掉金属外壳之后,我们可以看到齿轮组,电位器,直流马达以及控制电路板。

  1. 空心杯直流电机 | Coreless DC Motor 舵机里面的驱动器就是直流电机(DC Motor),直流电机也分为很多种不同的类型。RP8-U45 舵机所采用的电机类型为空心杯直流电机。
  2. 减速齿轮箱 | Reduction Gear Box 一般直流电机的转速比较快,但是扭矩小,所以直流电机的输出轴并不能直接作为舵机的输出轴。需要经过变速箱(减速齿轮)。齿轮组对直流电机进行减速,同时增大输出轴的扭矩。
  3. 线性旋转电位计 | VR 线性电位计也被称之为可变电阻器(VR,Variable Resistor)。旋转电位计与输出轴同轴,输出轴的角度旋转位移会按照线性关系转换为电阻的阻值。电路板上的MCU对电位计的电阻稳压电路进行ADC采样。通过ADC采样的电压值进一步得出当前舵机输出轴的角度,并给出目标位置的控制指令。
  4. 电路板 | Circuit Board 电路板上有单片机(MCU),电机驱动,电压测量电路,电流测量电路,温度感测线路,电位器ADC采样电路等。单片机负责接受单总线串口发送过来的各类指令,根据当前的运动状态以及目标运动状态进行计算,控制直流电机旋转,与此同时通过电位器的ADC采样获得舵机输出轴角度反馈信息。

5. 保持力矩与堵转力矩

保持力矩,是指机械臂在静止状态下,舵机保持在特定角度,所需要的力矩(Torque,单位是N·m)。下图是一个理想模型,忽略了连杆的重量,连杆的末端有一个质量为m的物体。

摇臂水平时,L与摇臂长度相同,此时舵机的保持力矩最大。

国内的堵转扭矩(Stall Torque)计算方式为,在舵盘上距离舵机主轴轴心位置处1cm的位置,舵机可以静挂的物体重量(单位 Kg),即为摇臂为1cm时的保持力矩

舵机的堵转力矩有两套单位,一套是国际单位N·m,另外一套是kg·cm 。二者之间的换算关系如下:

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舵机的堵转力矩与电压有关系,电压越高直流电机的输出功率也就越大,堵转力矩因此也会增大。

电压 RP8-U45的堵转力矩
6.0 v 39 kg·cm
7.4 v 45 kg·cm
8.4 v 49 kg·cm

当电压为7.4V时,摇臂长度为1cm的时候可以负载45kg的重物。根据杠杆原理可知,当臂长为10cm的时候,最多能负载4.5kg的重物。

6. 减速比

减速比(别名 齿比,Reduction Ratio)是由变速箱里面所配置的齿轮组决定的,减速比/齿比的定义是变速箱输入轴的转速与变速箱输出轴转速的比值。标准UART舵机(型号:RP8-U45)的减速比为273:1,也可以简写为273。

我们来看一个简单的抽象模型,将整个变速箱想象为一个大齿轮。假定直流电机主轴上的小齿轮是10齿的,大齿轮是100齿的。大齿轮旋转一圈,小齿轮就需要旋转10圈。假如1s内小齿轮可以旋转n圈(电机转速为 n转/s),大齿轮1s内只能旋转n/10 圈(输出轴的转速为n/10 转/s)。

所以减速比为:

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一个直流电机,如果减速比越大,舵机输出轴的最大转速越慢,扭矩也就越大。同理,减速比越小舵机输出轴的最大转速越快,扭矩也就越小。

所以在选择舵机的时候,需要在扭矩与转速之间做取舍,根据自己的需求选择合适的减速比的舵机。举例来讲,假如舵机是用在机械臂上,舵机的转速要求不高,但是对负载有要求,这个时候就需要选择减速比较大的舵机。如果UART舵机是应用在小车上(轮转模式),对小车轮子的转速有要求,此时就需要选择减速比较小的舵机。


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