ＲＣサーボモーターについて

概要

入手容易で安価、制御が簡単である等とても使いやすいので いろいろなロボットで、ラジコン用サーボモーターを使用しています。 このページでは、ラジコン用サーボモーターについて説明します。

SRM-1301(SX-101Z)

歩行ロボット（６Ｌ１、４Ｌ１、２Ｌ１）で使っているサーボモーターです。 ２０００年５月１８日のサンワのカタログによると、スペックは以下のとおりです。 私が、これを購入したときには、似たような性能のサーボが数機種ありました。 私がラジコン雑誌で見かけた中では、この機種が一番安かったので６Ｌ１を作るときに ２０個、２Ｌ１を作るときに２０個の合計４０個買いました。 ２Ｌ１用に後から買ったサーボはＺコネクターのSX-101Zです。

制御信号

図に示すように、ハイレベル部分が1〜2ミリ秒、周波数45Hz前後の信号でコントロールします。 ハイレベルの時間で、サーボモーターが停止する角度が決まります。そして通常 プロポ(送信機)から動か場合は90度程度の動作角しかありませんが、 機種によっては180度程度の動作角が得られます。
ちなみに２Ｌ１ｖ５では周期＝22.5msec／パルスの最短＝1.12msec／パルスの最長＝2.0msec／ 動作角＝約９０度に調節してSRM-1301を動かしています。 この動作角を8bitで割っているので、計算上の位置決め分解能は0.35度程度になっています。

レベル

ハイレベルの電圧は、マイコンの回路に直結しているため5Vです。ちなみにサーボモータと 同じメーカーの受信機が出す信号を、オシロスコープで見たところ3Vでした。 サーボの電源電圧を4.8V前後にしているので、電源電圧を超える信号を入力 することになっています。これには抵抗を感じましたが、今のところ異常有りません。 幾つかの機種で試していますが、どうやら問題ないようです。

その他

ハイレベルの時間には正確なコントロール要します。しかし、周波数には あまり神経を使わずとも構いません。（周波数によって位置は変わりません） ハイレベルの間だけ保持力を発生するようになっているので周波数を下げる とトルクが下がります。（一定以上に上げてもトルクは下がります）
この性質はロボットの関節の堅さ調整に使えます。また、センサーの向きを変えるなどの 常に位置を保持するトルクを発生させる必要の無い用途では、目標位置に到達した頃を 見計らって信号を止めてしまうという使い方もできます。

動作特性

目標として設定した角度から外れるほど、大きな電流がモーターに流れます。 目標位置に達した状態で、力がかからなければ、モーターには電流が流れま せん。このような性質がありますので、供給電流を調節することによっても、 保持トルクをある程度コントロールできます。

リミッターの類は付いていませんので、過負荷にすると壊れます。私としては ぜひ保護のメカニズムを内蔵して欲しいです。

６Ｌ１の脚の下へはかりを押し当てて、サーボ1の消費電流を計測したところ、 荷重300gで45mA程度、荷重1500g(サーボ軸のトルクに換算すると約3kg・cm)で290mA程度でした。 (サーボレイアウト図)

価格

ラジコン用サーボモーターの実売価格は、 1個あたりおよそ1,300〜15,000円位まであるようです。 サイズが小さい、動作速度が早い、 トルクが大きい等、特徴があるほど高価になります。 ちなみに私のSRMｰ1301は20個まとめて95年9月に、 約29,000円で購入しました。（送料、手数料、消費税込み）

参考書

産業用ラジコン・ハンドブック　電波実験社
ホビーラジコン用のプロポのことや、いわゆるテレコンの事などが説明されている本です。 ＲＣサーボやジャイロの仕組みの説明なども少し詳しく書いてあります。

ひとこと

連続負荷と寿命について

連続的な負荷によるモーターの焼損を懸念しましたが、SRM-1301に関しては 今のところ一つも壊れていません。６Ｌ１と４Ｌ１の「供給電圧を低めに 設定して、カタログの最大トルクを越えないように使う」使い方は正解 だったようです。反対に２Ｌ１ではこの配慮を欠いたせいか、足首のサーボが １個壊れました。

ホビーショーのブースでメーカーの人に 聞いた話では、「ラジコン用なので連続的に負荷がかかり続ける使い方は 想定していませんが、カタログのトルク以下で使っていれば、すぐに壊れる ことは無いでしょう」とのことでした。分解してみると想像がつくと思いますが、 産業用の機械と比べると、寿命は非常〜に短いです。条件や機種によってかなり変わるで しょうが、経験的に言って、歩行ロボットの足に使って歩かせ続ければ 数十時間程度でガタが来ると思います。

使いやすいサーボのタイプ

衝撃に強いこと、安いこと、発熱が少ないこと、消費電流が少ないことなどから、 私はマンガン電池で使用する汎用普及型のサーボモーターが歩行ロボットに 適していると思っています。超小型飛行機用のサーボなどは作りが華奢なので 脚には使わない方が無難だと思います。

デジタルサーボについて

デジタルサーボ（スーパーサーボ）と銘打って売られている機種は、サーボモーターが内部で信号を 補完する等、周波数の変化に対し安定化を図っているので入力信号の周波数変更による 保持トルクの調節が出来ません。しかし、 保持トルクが高く、安定性していることや、周波数を上げることによる追従性アップを期待できる等、 ２足歩行ロボットにとっては、値段と消費電力が数倍になる事を越えるメリットがあります。

ちなみにサンワのERG-VB（カタログのトルク値：13.0kg・cmの通常型)と ERG-WR（カタログのトルク値：8.2kg・cmのデジタルサーボ)を手で負荷をかけて 動き具合を見てみたところ、カタログのトルクの表示が小さいERG-WRの方が 明らかに保持力が高く感じました。 （機会があったら、キチンと計測データを示そうと思います。）