robot 機器人

RC SERVO為多數小型機器人最主要的致動器，它的體積小、重量輕並且可提供精確的旋轉角度與足夠的扭力，目前市面上知名的廠牌國產的有祥儀、廣營、栗研 等，日、韓系則有Kondo、Hitec所生產的RC SERVO大部份是透過PWM（脈波寬度調變）來控制。本文將逐步介紹PWM原理、RC SERVO feedback功能、如何使用單板電腦RoBoard產生PWM來控制RC SERVO，最後以KONDO的KRS 788HV RC SERVO為例，編寫一個以示教方式教導機器人完成揮手動作的程式。讓閱讀過本文的讀者了解到RC SERVO的控制原理，以及對如何編輯機器人動作有初步的概念。

什麼是PWM訊號？
它是Pulse Width Modulation的縮寫，是將訊號編碼於脈波寬度上的一種技術，此技術以數位方式來模擬類比訊號，廣泛應用在資料傳輸上。而因數位訊號只存在High，LOW電位的變化，相較於類比訊號，比較不會受到雜訊干擾。
PWM 訊號中，脈波寬度在整個週期所占的比例稱為工作週期（duty cycle），是指位於邏輯高準位（logic high level）的波型在整個週期中占所的比例。下圖一說明兩個不同工作週期的波型差異，其中30%工作週期的波型位於邏輯高準位的時間少於50%工作週期的 波型。
 

圖一 固定週期不同duty cycle的PWM波型

PWM如何控制RC SERVO？
市面上的RC SERVO控制介面可分為以下幾種：PWM、RS232、RS485、I2C，其中PWM控制是一種受歡迎的控制方式，一般是利用duty cycle high的寬度來控制RC SERVO的旋轉角度，舉例來說，KONDO KRS-788HV這個SERVO所接受的duty cycle high寬度介於700us~2300us之間，因此使用者必須提供此範圍的PWM訊號才能令它動作。
下圖二為改變duty cycle high寬度來控制RC SERVO角度示意圖，以KRS-788HV為例，給予1500us的PWM訊號，它會轉到90度處（因為1500us寬度為中間值，KRS-788HV的可動角度為0~180度，所以對應到中間位置）。
 

圖二 改變PWM duty cycle控制RC SERVO角度示意圖

不同的RC SERVO製造商就會有不同的預設PWM與旋轉角度範圍（一般是180度或270度），所以在控制之前，最好先仔細閱讀使用手冊。
一般以PWM訊號控制的RC SERVO對外連接線如下圖三所示，白線為PWM訊號線，紅線為電源線，黑線為地線，使用者通常會透過微處理器連接SERVO 控制器來提供PWM訊號及電源，但RoBoard已經將兩者整合，在使用上較為方便。
 

圖三 PWM SERVO對外連接接頭

RC SERVO的feedback功能
在許多以PWM 控制的RC SERVO中，功能上還可分為：具有feedback與沒有feedback兩種，前者具有回傳絕對角度的功能，後者則沒有，所以前者可讓使用者得知RC SERVO目前所在的絕對角度（必須傳送一特殊PWM訊號）。我們可以利用feedback來完成：以示教方式編輯機器人動作、閉迴路的角度控制等功能。

RoBoard上RC SERVO接口位置
RoBoard有高達24組的RC SERVO連接埠，如下圖四，靠外側的腳位為地線，中間為電源輸出，內側為PWM訊號輸出，編號排序依序為右下方的00至左上方的23，圖五是將伺服馬達 安裝至RoBoard上的情形。（注意：RoBoard支援的電壓為6~24V，且RC SERVO連接埠輸出電壓（圖中的Vxx）與RoBoard的輸入電壓相同，若使用的馬達運作電壓為12V，請提供12V電壓給RoBoard。）
 

圖四 的RC SERVO接口

 
圖五 將3個SERVO安裝在的SERVO連接埠0、1、2

RoBoIO Library中RCSERVO 相關函數簡要說明
1. rcservo_SetServo(channel, servono)
說明：設定channel上所使用的馬達型態，通常在rcservo_Initialize()之前呼叫。
輸入參數一：channel，一個0~23的數字。
輸入參數二：servono，馬達型態。
（1） RCSERVO_KONDO_KRS78X，代表使用的馬達是KONDO KRS786ICS、KRS788HV。
（2） RCSERVO_HITEC_HSR8498，代表使用的馬達是HITEC HSR8498。
（3） RCSERVO_SERVO_DEFAULT，代表使用的馬達是大部分具有feedback功能的馬達。
（4） RCSERVO_SERVO_DEFAULT_NOFB，代表使用的馬達是大部分無feedback功能的馬達。
輸出：True / False。
例如：使用KONDO KRS786ICS與HITEC HSR8498兩種SERVO各接在PWM第1和第5channel，呼叫方式如下：
rcservo_SetServo(1, RCSERVO_KONDO_KRS78X)
rcservo_SetServo(5, RCSERVO_HITEC_HSR8498)
注意：型態必須設定正確，否則SERVO將不會動作。

2. rcservo_Initialize(usedchannels)
說明：初始化rcservo，並設定輸出PWM訊號的channels。
輸 入參數一：usedchannels，設定輸出PWM訊號的channel，共有RCSERVO_USENOCHANNEL、 RCSERVO_USECHANNEL0~RCSERVO_USECHANNEL23等25個參數，設定複數channel時，彼此必須以“ ”相連。沒有設定到的channel則被當作是一般的GPIO。
輸出：True / False。
例如：對SERVO初始化並將第1 channel和第5 channel設定為輸出PWM訊號，其餘channel為GPIO，呼叫方式如下：
rcservo_Initialize(RCSERVO_USECHANNEL1 RCSERVO_USECHANNEL5)

3. rcservo_Close()
說明：結束RCSERVO相關功能，釋放占用的記憶體，通常在程式結束之前呼叫。
輸入參數：無。
輸出：無。

4. rcservo_EnterCaptureMode()
說明：進入擷取模式，可以開始使用rcservo_ReadPositions()函數。
輸入參數：無。
輸出：無。

5. rcservo_ReadPositions(channels, cmd, * width)
說明：讀取指定channel上的feedback值。
輸入參數一：channels，為讀取feedback訊號的channel，共有RCSERVO_USECHANNEL0~RCSERVO_USECHANNEL23等24個參數。設定複數channel時，彼此必須以“ ”相連。
輸入參數二：預設是0。
輸入參數三：* width，通常為儲存feedback值的陣列。
輸出：無。
例如：將第1、4、5、8 channel所擷取到的feedback值存在position[32]中，呼叫方式如下：
rcservo_ReadPositions(RCSERVO_USECHANNEL1
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL4
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL5
　　　　　　　　　　　RCSERVO_USECHANNEL8, 0, position)

6. rcservo_EnterPlayMode()
明：進入執行模式，可以開始使用rcservo_MoveTo()函數。
輸入參數：無。
輸出：無。

7. rcservo_MoveTo(* width, playtime)
說明：播放馬達移動到下一個位置的單一動作。
輸入參數一：* width，通常是為馬達“下一個”要到達的角度值陣列。
輸入參數二：playtime，執行每個陣列的間隔時間，以1ms為單位。
輸出：無。
 
範例：以教導方式編輯KONDO機器人揮手動作
此範例是在Windows XP與VC2008上做開發，程式撰寫流程如下：設定RC SERVO型態→初始化→進入擷取模式→開始擷取馬達角度→進入播放模式→設定播放參數並開始播放→結束程式。
1.  #include <stdio.h>
2.  #include <conio.h>
3.  #include <roboard.h> //RoBoard可用函數的標頭檔
4.  #define SPACE 100 //擷取的動作個數，預設100
5.  struct frame {
6.  unsigned long position[32];
7.  }motion[SPACE];
8.  int main(void) {
9.  int i,n;
10.  char c;
11.  unsigned long channels=RCSERVO_USECHANNEL0 RCSERVO_USECHANNEL1
12.                        RCSERVO_USECHANNEL2;
13.  for(i=0;i<3;i ) //設定3個channel上的RC SERVO型態
14.  {
15.    rcservo_SetServo(i,RCSERVO_KONDO_KRS78X); //使用KRS788 RC SERVO
16.  }
17.  if(rcservo_Initialize(channels)==false)
18.  {
19.     printf("%s\n",roboio_GetErrMsg());//若初始化失敗，印出錯誤訊息
20.     return 1;
21.  }
22.  rcservo_EnterCaptureMode(); //進如擷取模式
23.  printf("Press any key to read servo position or press \”Esc\” to play motion\n");
24.  i=0;
25.  for(c=getch();c!=27;c=getch()) //按Esc鍵離開擷取模式
26.  {                              //或按其它鍵擷取機器人動作
27.    if(i>(SPACE-1))
28.    {
29.      printf("擷取的動作個數已超過上限!\n");
30.      break;
31.    }
32.    rcservo_ReadPositions(channels,0,motion[i].position);
33.    printf("Record NO.%d motion\n",i );
34.  }
35.  if(i>0)
36.  {
37.    rcservo_EnterPlayMode(); //進入播放模式
38.    for(n=0;n<i;n )
39.    {
40.      rcservo_MoveTo(motion[n].position, 1000L); //每個動作間隔1秒
41.    }
42.  }
43.  rcservo_Close(); //結束程式
44.  return 0;
45.}

實作結果
程式編譯完成後，在RoBoard上執行的結果如下所示，左圖中先以人手調整KONDO機器人的手臂，並按任意鍵讓程式記錄調整好的動作(依照上面程式自定的紀錄空間，共可記錄100組動作)，最後按ESC就會從第一個動作播放至最後動作，完成後就結束程式。

圖說：（由左至右）以人手調整動作並按任一鍵紀錄、按ESC開始播放動作、動作播放完畢

小結
在機器人致動器的選擇上，PWM SERVO是一款很受歡迎的解決方案，本文以逐步介紹的方式帶讀者初步了解機器人動作的原理與生成，應該可了解到玩機器人並非想像中的複雜，讀者不妨可將 動作看做是製作動畫般，先錄製每個單一動作，再以固定速度播放，就完成機器人連續動作。依照此流程，或許讀者可試試將本文範例的PWM輸出channel 數量增加為機器人SERVO的總數，進而編輯出高難度的動作。對於使用不同作業系統的玩家，www.roboard.com上有提供跨平台的RoBoIO Lib讓大家可以免費下載，希望能讓更多玩家加入玩機器人的行列。