想不想自制机器人？第一步是掌握它

金钢狼

哒哒的马蹄不是个错误，而只是舵机在动、机器人在转。

文/马兰

机器人大火的当下，很多人跃跃欲试挑战自制机器人，很多高校、中小学也开始了机器人技术教学，如开设了小型的机器人、模块化的机器人、组件式的机器人课程。那么，在了解这些机器人产品时，有一个必然绕不过的部件——舵机。

从玩具模型中脱颖而出

业内人都知道，解剖一个小型机器人，值得评测的部件之一就是舵机，不仅因为舵机是其中最关键、使用最多的部件，而且因为现在的服务机器人市场“成也舵机、败也舵机”。

那么，舵机是个什么玩意儿？起到什么作用？

简单来说，舵机其实就是一种伺服电机系统，能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。通俗来讲就是舵机影响转角角度，机器人手臂无论是向左转30度，还是向上抬40度，都是通过舵机控制的。

而且，舵机是一种结构精密而用途低端的伺服电机系统。

结构精密是指，一个舵机就集成了直流电机、电机控制器和减速器等设备，封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。

而用途显得低端既跟其来源有关，也跟其可提供的能量有关：舵机其实是个俗称，最早用于航模、船模等模型；而大部分高性能产品一般都需要自有伺服控制系统和电机，且独立存在才能支撑运转。

拆开舵机，可以看到舵机的主体结构主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动；电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。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，电位计将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转动的方向和速度，从而达到目标停止。

简而言之，工作流程就是：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

在服务机器人时代迎来了春天

关于舵机，还有几个容易混淆的概念需要区分，明白舵机、伺服电机和步进电机有哪些不同？

伺服电机，主要用于比较精准的位置、速度或力矩输出。准确地说，伺服电机不是一个电机，而是一个系统，它包含电机、传感器和控制器。但是，直流无刷电机、交流电机都是伺服电机里面的一部分，但并不是伺服电机。而且，伺服电机可以有减速齿轮，也可以没有。

步进电机，主要是依靠定子线圈序列通电，顺次在不同的角度形成磁场，推拉定子旋转。可省掉用于测量电机转角的传感器，而且位置和速度控制相对简单。一般只用于载荷较小而且十分确定、位置精度要求并不非常高、对体积敏感或在较低价格想要做到较高可靠性的场合。最常见的应用器具有光驱、扫描仪、复印机等。

前文说过，舵机以前的应用范围局限于航模等，但现在，舵机凭借自己“简单指令就可自动转动到精确角度”的优势，在服务机器人时代迎来了春天，因为它非常适合在关节型机器人产品领域使用。而且，仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。

依靠优质平价的舵机打开机器人市场

舵机除了应用在航模上，也偶尔会用在工业上，但更多应用场合是智能小车、智能机器人这种场合。在机器人领域，舵机更多是用在有关节的机器人身上，特别是步态行走机器人。精巧的体积，合适的扭矩，让舵机非常适合用在服务机器人的关节处进行控制，目前，舵机一般放置在步态行走电机控制中关节位置处。

现在，典型带有舵机的机器人有很多，做得较好的国外的Nao机器人、Asimo机器人和Atlas机器人，和国内的ALPHA 1S人形机器人。

不过，国内之前的舵机大多通过进口，16个舵机的成本就2000美金，大大遏制了国内机器人市场的发展。因此，国内很多企业向舵机拉开了攻坚战，出现了一些生产舵机的企业，如春天、森汗、辉胜、银燕等。其中，优必选科技有限公司成果明显。甚至有一句话如是说：中国的优必选机器人就是靠优质平价的舵机打开机器人市场的。

一款好的舵机看重一个“稳”字，需要投入多大的精力和成本，而生产高性价比的机器人，却必须先攻克舵机这一关。因此，优必选花费了较大精力做舵机的研发，现在已经掌握了一些机器人舵机关节核心技术，产品具有扭矩大、体积小、精度高等特点。更重要的是，优必选舵机性价比优势明显，成本仅为国外进口同类舵机产品价格的十分之一，大大降低了生产机器人的成本。

目前，这些舵机已经应用在优必选的机器人中。在亮相春晚的阿尔法1S，身上有16个舵机，每一个关节转动都是背后舵机的在演绎其工作原理：传感器得到信号，经芯片判断转动方向，然后驱动无核心电机转动，透过减速齿轮，动力传导至摆臂，同时位置检测器传回信号给芯片，判断是否到达指定位置。

关于舵机，有两个值得提醒的事情。一是有些人遇到了舵机堵转状态。这有可能是因为舵机个体差异的问题，也有可能在给舵机进行初始值设置时，控制值设置过高（如想让肩关节能转到180度位置，所以给了255的控制值），导致电机过热，舵机外壳融化，然后导致减速齿轮箱错位，舵机失效，机器人变残疾的情况。

第二个值得关注的地方是，现在机器人的舵机基本都是并联控制的，线都需要接到控制板上，如果能实现串联，从脚腕关键的舵机串到膝关节，一直串到髋关节，可能行动更为顺畅。其中，优必选公司的阿尔法机器人，舵机上就是使用了串口总线的连结方式，方便布线。

当舵机的问题完全解决了，机器人跑起来就指日可待了！