ข่าว

เพื่อให้แขนหุ่นยนต์สามารถเคลื่อนไหวได้อย่างยืดหยุ่นและจับวัตถุได้อย่างแม่นยำ กุญแจสำคัญอยู่ที่การควบคุมข้อต่อแต่ละจุดอย่างแม่นยำ นี่คือหน้าที่ของมอเตอร์เซอร์โว ในฐานะส่วนประกอบขับเคลื่อนหลักของแขนหุ่นยนต์ มอเตอร์เซอร์โวจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่เชิงมุมที่แม่นยำ ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งและควบคุมแขนหุ่นยนต์ได้

การทำความเข้าใจว่ามอเตอร์เซอร์โวควบคุมแขนหุ่นยนต์อย่างไรถือเป็นขั้นตอนสำคัญสู่โลกแห่งการออกแบบและการผลิตหุ่นยนต์

หลักการพื้นฐานในการควบคุมมอเตอร์เซอร์โวของแขนหุ่นยนต์คืออะไร

มอเตอร์เซอร์โวประกอบด้วยมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก ชุดเกียร์ และโพเทนชิโอมิเตอร์ป้อนกลับตำแหน่ง เมื่อคุณส่งสัญญาณควบคุม วงจรควบคุมจะเปรียบเทียบสัญญาณนั้นกับมุมกระแสที่ป้อนกลับโดยโพเทนชิโอมิเตอร์

หากเกิดความคลาดเคลื่อน มอเตอร์จะเริ่มทำงานโดยใช้ชุดเกียร์เพื่อชะลอและเพิ่มแรงบิด ทำให้เพลาส่งกำลังหมุนจนถึงตำแหน่งที่กำหนดและหยุด ระบบควบคุมแบบวงปิดนี้ช่วยให้การควบคุมมุมมีความแม่นยำ

สำหรับแขนหุ่นยนต์ข้อต่อแต่ละข้อมีเซอร์โวติดตั้งอยู่ด้วยการประสานมุมการหมุนของมอเตอร์เซอร์โวหลายตัว เอฟเฟกเตอร์ปลายแขนหุ่นยนต์จึงสามารถเคลื่อนที่ตามวิถีที่กำหนดไว้ล่วงหน้าในอวกาศได้

ตัวอย่างเช่น ในการสร้างแขนหุ่นยนต์ที่มีองศาอิสระสามองศาในการหยิบถ้วยที่วางบนโต๊ะ มอเตอร์เซอร์โวของข้อต่อไหล่ ข้อศอก และข้อมือจะต้องทำงานร่วมกันเพื่อคำนวณและดำเนินการเปลี่ยนแปลงมุมอย่างต่อเนื่องชุดหนึ่ง

เหตุใดมอเตอร์เซอร์โวจึงเหมาะกับการควบคุมแขนหุ่นยนต์?

เซอร์โวมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ นั่นคือ การผสานรวมที่สูง เซอร์โวบรรจุมอเตอร์ เฟืองทดรอบ และวงจรควบคุมทั้งหมดไว้ในตัวเครื่องขนาดกะทัดรัด ช่วยให้นักพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถใช้งานโซลูชันแบบ "เสียบแล้วใช้งานได้ทันที"

ผู้ผลิตแขนหุ่นยนต์ไม่จำเป็นต้องซื้อมอเตอร์และไดรเวอร์แยกกันและไม่จำเป็นต้องปรับแต่งพารามิเตอร์ PID ที่ซับซ้อน วิธีนี้ช่วยลดอุปสรรคในการเข้าสู่ตลาดแขนหุ่นยนต์ได้อย่างมาก และลดระยะเวลาในการพัฒนา

แรงบิดขณะหยุดนิ่งที่มอเตอร์เซอร์โวให้มานั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแขนหุ่นยนต์ เมื่อแขนหุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปถึงตำแหน่งเป้าหมายแล้ว แม้จะถูกรบกวนจากแรงภายนอก มอเตอร์เซอร์โวจะยังคงจ่ายพลังงานเพื่อรักษามุมและแสดง "แรงยึด" ในระดับหนึ่ง

ลักษณะพิเศษนี้ทำให้แขนหุ่นยนต์สามารถยึดวัตถุให้มั่นคงหรือไม่เบี่ยงเบนไปจากท่าทางที่ตั้งไว้ได้ง่ายเมื่อเกิดการชนเล็กน้อย

วิธีเลือกโมเดลเซอร์โวที่เหมาะสมสำหรับแขนหุ่นยนต์

เมื่อเลือกมอเตอร์เซอร์โว แรงบิดและความเร็วเป็นสองปัจจัยที่สำคัญที่สุด แรงบิดเป็นตัวกำหนด “แรง” ของมอเตอร์เซอร์โว ทำให้มอเตอร์สามารถเอาชนะแรงบิดที่เกิดจากน้ำหนักของข้อต่อแขนหุ่นยนต์และภาระได้ วิธีการประมาณค่าอย่างง่ายคือ แรงบิดที่จำเป็นสำหรับข้อต่อควรมีค่าอย่างน้อย 1.5 เท่าของแรงบิดที่เกิดจากข้อต่อและภาระ

ความเร็วส่งผลต่อความนุ่มนวลในการเคลื่อนไหวของแขนหุ่นยนต์ ยิ่งค่าต่ำ เช่น 0.1 วินาที/60° แสดงว่าการเคลื่อนไหวเร็วขึ้น

สำหรับโครงการแขนหุ่นยนต์เพื่อการศึกษาหรือเดสก์ท็อป, สามัญเซอร์โว DS-R003Bรุ่นมอเตอร์มักเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีและคุ้มต้นทุนอย่างยิ่ง

รูปแบบเฉพาะของสัญญาณควบคุมมอเตอร์เซอร์โวคืออะไร?

เซอร์โวใช้สัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation) อย่างกว้างขวางในการควบคุม พัลส์ควบคุมไม่ได้ถูกกำหนดโดยระดับแรงดันไฟฟ้า แต่ถูกกำหนดโดยระยะเวลาของพัลส์ โดยทั่วไปแล้วช่วงเวลาของพัลส์ควบคุมมาตรฐานคือ 20 มิลลิวินาที

ในช่วงเวลานี้ ระยะเวลาของสัญญาณระดับสูงจะเปลี่ยนแปลงระหว่าง 0.5 ถึง 2.5 มิลลิวินาที ความกว้างของพัลส์นี้สัมพันธ์โดยตรงกับการเคลื่อนตัวเชิงมุมของเพลาส่งออกจาก 0° ถึง 180°

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความกว้างพัลส์ 0.5 มิลลิวินาทีโดยทั่วไปจะสอดคล้องกับตำแหน่ง 0°, 1.5 มิลลิวินาทีสำหรับตำแหน่งกลาง 90° และ 2.5 มิลลิวินาทีสำหรับตำแหน่ง 180° คุณต้องใช้พอร์ต I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อสร้างรูปคลื่นพัลส์นี้ที่มีความกว้างที่กำหนด

จะตั้งโปรแกรมการเคลื่อนไหวประสานกันของแขนหุ่นยนต์ได้อย่างไร?

สิ่งสำคัญที่สุดของการใช้โปรแกรมเพื่อควบคุมแขนหุ่นยนต์ที่มีองศาอิสระหลายระดับคือการคำนวณจลนศาสตร์ คุณจำเป็นต้องสร้างความสัมพันธ์แบบแมปปิ้งจาก "ปริภูมิร่วม" ไปยัง "ปริภูมิคาร์ทีเซียน"

เมื่อใช้การเคลื่อนที่เชิงเส้นของเอฟเฟกเตอร์ปลายแขนหุ่นยนต์เป็นตัวอย่าง คุณจะต้องคำนวณเส้นทางตรงนี้ในทิศทางตรงข้าม โดยแปลงเป็นลำดับมุมที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาสำหรับเซอร์โวข้อต่อแต่ละตัว

ในการเขียนโปรแกรมจริง คุณต้องทำก่อนวางแผนวิถีที่ต้องการของเอฟเฟกเตอร์ปลายแขนหุ่นยนต์จากนั้นใช้จลนศาสตร์ผกผันเพื่อคำนวณมุมเป้าหมายที่เซอร์โวแต่ละตัวควรหมุนในเวลาจริง

จากนั้นแผงควบคุมจะส่งสัญญาณ PWM ที่สอดคล้องกันไปยังเซอร์โวแต่ละตัวตามลำดับ เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณจะไปถึงตำแหน่งที่กำหนดพร้อมกันหรือตามลำดับ วิธีนี้ทำให้การเคลื่อนที่แบบผสมเป็นไปอย่างราบรื่นและประสานกัน

ปัญหาทั่วไปเมื่อสร้างแขนหุ่นยนต์ที่ติดตั้งเซอร์โว

สำหรับผู้เริ่มต้น ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดคือข้อต่อแขนหุ่นยนต์อาจสั่นหรือไม่สามารถเคลื่อนที่ไปถึงจุดที่ต้องการได้ ซึ่งโดยทั่วไปเกิดจากแหล่งจ่ายไฟไม่เพียงพอ เมื่อเซอร์โวหลายตัวทำงานพร้อมกัน กระแสไฟฟ้าจะสูงมาก ซึ่งพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์หรือชุดแบตเตอรี่ธรรมดาไม่สามารถตอบสนองได้ ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว

วิธีแก้ปัญหาคือการใช้แหล่งจ่ายไฟแบบแยกที่มีการควบคุมซึ่งมีพลังงานเพียงพอ และเพิ่มตัวเก็บประจุความจุขนาดใหญ่แบบขนานกับสายไฟของเซอร์โวแต่ละตัวเพื่อรองรับความต้องการกระแสไฟ

ปัญหาที่พบบ่อยอีกประการหนึ่งคือ ความแข็งแกร่งเชิงกลที่ไม่เพียงพอ ซึ่งนำไปสู่การประกอบที่แน่นเกินไป การสั่นของโครงสร้างจะลดแรงบิดของเซอร์โว ในขณะที่การประกอบที่แน่นเกินไปจะเพิ่มความต้านทานแรงเสียดทาน ทั้งสองกรณีนี้สามารถนำไปสู่การวางตำแหน่งเซอร์โวที่ไม่ถูกต้องและอาจเกิดความร้อนสูงเกินไปได้

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนแขนหุ่นยนต์ของคุณได้รับการกลึงอย่างแม่นยำ เชื่อมต่ออย่างปลอดภัย และแผ่นไดรฟ์เซอร์โวได้รับการติดตั้งอย่างถูกต้องโดยไม่ลื่นไถลการเพิ่มความล่าช้าในการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมในโค้ดยังสามารถป้องกันการสั่นสะเทือนของเซอร์โวอันเนื่องมาจากการโอเวอร์ชู้ตได้อีกด้วย