サーボ（ラジオコントロール）

サーボ（RCサーボとも呼ばれる）は、無線制御や小規模ロボットに使用される、小型で安価な大量生産のサーボモーターまたはその他のアクチュエーターです。^[要出典]

ほとんどのサーボはロータリーアクチュエータですが、他のタイプも利用できます。リニアアクチュエータが使用されることもありますが、ベルクランクとプッシュロッドを備えたロータリーアクチュエータを使用する方が一般的です。もともと模型ヨットの帆 ウインチとして使用されていたタイプの中には、連続的に回転できるものもあります。

典型的なサーボは、減速ギア列を駆動する小型電気モーターで構成されています。ポテンショメータは出力シャフトに接続されています。いくつかの簡単な電子機器によって、閉ループ サーボ機構が実現されます。

ポテンショメータによって測定された出力の位置は、制御装置 (無線制御装置など) から指令された位置と継続的に比較されます。差異があると、適切な方向にエラー信号が発生し、電動モーターが前方または後方に駆動され、出力シャフトが指令された位置に移動します。サーボがこの位置に到達すると、エラー信号が減少してゼロになり、その時点でサーボは動きを停止します。

コマンドが変更されたか、サーボが設定位置から機械的に押し出されたかの理由でサーボの位置がコマンドから変更された場合、エラー信号が再び表示され、モーターはサーボ出力シャフトを必要な位置に戻します。

現代のサーボのほとんどは比例サーボであり、この指令位置は移動範囲内のどこにでも設定できます。初期のサーボ、およびエスケープメントと呼ばれる前身のデバイスは、限られた数の設定位置にしか移動できませんでした。

無線制御サーボは、標準的な 3 線接続で接続されています。2 本の線は DC 電源用、もう 1 本はパルス幅変調(PWM) 信号を伝送する制御用です。各サーボには、無線制御受信機からの個別の接続と PWM 信号があります。この信号は、単純な電子機器、またはArduinoなどのマイクロコントローラによって簡単に生成できます。このことと低コストにより、ロボット工学や物理コンピューティングで広く採用されています。

RC サーボは、標準の 0.025 インチ角ピンと嵌合する 3 ピン 0.1 インチ間隔ジャック (メス) を使用します。最も一般的な順序は、信号、+ 電圧、接地です。標準電圧は 4.8 V DC ですが、一部のサーボでは 6 V および 12 V も使用されます。制御信号は、50 Hz フレーム レートのデジタル PWM 信号です。20 ms の時間枠ごとに、アクティブ ハイのデジタル パルスが位置を制御します。パルスの公称範囲は 1.0 ms から 2.0 ms で、1.5 ms が常に範囲の中心になります。この範囲外のパルス幅は、「オーバートラベル」に使用できます。つまり、サーボを通常の範囲を超えて移動します。

PWM には、一般的に 2 つのタイプがあります。各 PWM は、サーボが想定される位置を決定するために使用する値を定義します。最初のタイプは「絶対」で、アクティブ ハイ タイム パルスの幅と任意の長さのロー タイムで値を定義します。2 番目のタイプは「相対」で、コントロールがアクティブ ハイである時間とロー タイムのパーセンテージで値を定義します。「絶対」タイプでは、比較的単純な電子回路を使用して制御信号を多重化することで、最大 8 つのサーボが 1 つの通信チャネルを共有できます。これは、最新の RC サーボの基礎となっています。「相対」タイプは、より伝統的な PWM の使用法で、単純なロー パス フィルタが「相対」PWM 信号をアナログ電圧に変換します。サーボはパルスの幅に応答するため、2 つのタイプは両方とも PWM です。ただし、最初のケースでは、サーボはパルスの順序にも敏感になる場合があります。

サーボは、接地、電源、制御の 3 本のワイヤによって制御されます。サーボは、アクチュエータ アームの角度を設定する制御ワイヤを介して送信されるパルスに基づいて移動します。サーボは、角度に関する正確な情報を取得するために、20 ミリ秒ごとにパルスを期待します。サーボ パルスの幅によって、サーボの角度動作の範囲が決まります。

1.5 ms 幅のサーボ パルスは通常、サーボを「ニュートラル」位置 (通常は指定された全範囲の半分) に設定し、1.0 ms のパルスは 0° に設定し、2.0 ms のパルスは 90° (90° サーボの場合) に設定します。サーボ ハードウェアの物理的な制限とタイミングはブランドやモデルによって異なりますが、一般的なサーボの完全な角度動作は 90° ～ 180° の範囲で移動し、ニュートラル位置 (45° または 90°) はほぼ常に 1.5 ms です。これは、すべてのホビー アナログ サーボで使用される「標準パルス サーボ モード」です。

ホビー用デジタルサーボは、アナログサーボと同じ「標準パルスサーボモード」のパルスによって制御されます。^[1]ホビー用デジタルサーボの中には、ロボットコントローラがサーボシャフトの実際の位置を読み戻すことができる別のモードに設定できるものもあります。ホビー用デジタルサーボの中には、オプションで別のモードに設定して「プログラム」できるものもあり、後で標準のRC受信機で駆動するときに、必要なPIDコントローラ特性を持つようにすることができます。^[2]

RC サーボは通常、受信機から電力を供給されます。受信機は、バッテリー パック、または内蔵または別個のバッテリー エリミネーター回路(BEC) を備えた電子速度コントローラー(ESC) から電力を供給されます。一般的なバッテリー パックは、NiCd、NiMH、またはリチウムイオン ポリマー バッテリー(LiPo) タイプです。電圧定格はさまざまですが、ほとんどの受信機は 5 V または 6 V で動作します。

趣味用 RC サーボの製造元と販売元は、サーボの機械的特性を表す特定の略記法をよく使用します。通常、サーボ シャフトの回転角速度とシャフトで発生する機械的トルクの 2 つの数値が示されます。速度は、サーボがシャフトを 60° 回転させるために必要な時間間隔として表されます。トルクは、シャフトに取り付けられた特定の半径の滑車にサーボを吊り下げた場合にサーボが引き上げることができる重量として表されます。

たとえば、サーボ モデルが「0.2 s / 2 kg」と説明されている場合、これは「このサーボは 0.2 秒でシャフトを 60° 回転させ、半径 1 cm のプーリーを使用して 2 kg の重りを引き上げることができる」と解釈する必要があります。つまり、その特定のサーボ モデルは、1 cm の距離で 2 kg × 9.81 m/s ² = 19.6  Nの力を発生させながら、角速度 (2π / 6) / 0.2 s = 5.2 rad /sでシャフトを回転させます。つまり、19.6  N × 0.01 m = 0.196 Nm のトルクを発生させます。

SI 単位系やヤードポンド法のいずれにも準拠していませんが、60° のシャフト回転コマンド、1 cm 長のシャフト クランク、およびキログラム力範囲の制御ロッド「力」は、趣味の RC の世界では一般的であるため、この省略表記は実際には非常に便利です。

連続回転サーボは、移動角度に制限がなく、連続的に回転できるサーボです。サーボ入力コントロールを備えたモーターとギアボックスと考えることができます。このようなサーボでは、入力パルスによって回転速度が決まり、通常 1.5 ms の中心値が停止位置になります。値が小さいほどサーボは時計回りに回転し、値が大きいほど反時計回りに回転します。

無線操縦用のシーケンシャル（比例ではないが）アクチュエータの最も初期の形態は脱進機であった。^[3]時計で使用されている装置と同様に、この脱進機はバネまたは輪ゴムに蓄えられたエネルギーの放出を制御する。送信機からの各信号は小さなソレノイドを作動させ、2つまたは4つの突起のある爪を回転させる。爪は時計と同様に2つのパレットを備えているため、信号パルスごとに爪は1つの突起の位置だけ回転する。このメカニズムにより、単純なキー付き送信機でシーケンシャル制御、つまりモデルのいくつかの定義された位置間の選択が可能になる。

舵の制御に使用される典型的な 4 ローブ エスケープメントは、1 番目と 3 番目の位置が「直進」、2 番目と 4 番目の位置が「左」と「右」の舵となるように配置されています。最初の直進位置からの 1 パルスで左に移動し、3 パルスで右を選択します。さらに 1 パルスを入力すると、直進に戻ります。^[4]このようなシステムは、エスケープメントがどの位置にあるか、つまり次のターンに現在の位置から 1 パルスか 3 パルスのどちらが必要かを覚えておく必要があるため、使いにくいです。これを発展させたのが 2 ローブ ポールです。トランスミッターを連続的にキー入力すると (したがってソレノイド パレットが所定の位置に保持される)、前の位置に関わらず、同じキー入力シーケンスでターン位置を選択できます。^[4]

脱進機は低電力だが軽量であった。そのため、模型船よりも模型飛行機で人気があった。^[3]送信機と受信機が複数の制御チャンネルを持つ場合（例：周波数キー付きリード受信機）、チャンネルごとに1つずつ、複数の脱進機を一緒に使用できる。^[3]シングルチャンネルの無線機でも、一連の脱進機をカスケード接続できる場合がある。1つの脱進機を動かすとパルスが与えられ、それが今度は2番目の低速脱進機を駆動する。^[4] 1970年代初頭までに、脱進機は無線制御から姿を消し、サーボが好まれるようになった。^[3]

Graupner Kinematic エスケープメントは、1 つのチャネルで舵と電動モーターの制御に使用できます。モーター用の短いパルス (前進 - 停止 - 後進 - 停止など) と舵用の長いパルス (直進 - 左折 - 直進 - 右折 - 直進など)。

フライボールアクチュエータは1951年にブレイトン・ポールによってR/Cモデリングに導入され、^[5]自由回転軸に接続された電気モーターと遠心調速機で構成され、モーターが回転すると、さまざまな角度で舵のコントロールロッドを引くことができました。キー付き無線システムと組み合わせて使用​​すると、キーを押すタイミングを変えることで、舵の位置をある程度制御できました。モーターの速度が低下すると、舵はスプリングによって引き戻されます。

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