概要
第8回目です。今回は RCサーボモータ（あーるしーさーぼもーた） について扱います。
「RCサーボモータ」について、はじめて見聞きする方は、まず、YouTubeの動画 を適当に $2$ ～ $3$ 本程みていただくと、以降の説明が分かりやすいと思います。
RCサーボモータ
RCサーボモータとは「回転角度を指定できる機構とマイコンを内蔵したモータ」のことで、小型ヒューマノイドロボットの関節などに利用されています。このため、ロボット用サーボと呼ばれることもあります。
普通のDCモータとの違いは**クルクル回転するわけではなく、外部からパルスで指定した角度まで回転して、その位置を保持する**という点です。また、最大動作角も180°程度（1回転しない）ということも大きな特徴的になります。
もともとは、RC（Radio Control）という名前のとおり、ラジコンカーのステアリング制御（進行方向を決める車輪のハンドル制御）、ラジコン飛行機の翼角度制御などに使われていました。
なお、一般にサーボモータといった場合は、産業用ロボットに使用される「ACサーボモータ」を指します。ACサーボは基本的に専用アンプ（ドライバ）を通して駆動させるもので、ここで紹介する方法では制御・駆動できません（RCサーボとACサーボは基本的に別物と考えてください）。
構造
RCサーボは、ケースボックスのなかに「DCモータ」「歯車（ギア）減速機」「ポテンショメータ（角度センサ）」「制御マイコン」などが収められています。これらがシステムとして機能して、外部から指定した角度まで回転して、それを保持するように動作します。
ギアが内蔵されているため、トルクは非常に大きいです。写真の S03T 2BB は、トルクが $7.4, \mathrm{kgf}\cdot \mathrm{cm}$ です。ホーン の先端（回転軸から$2\mathrm{cm}$の位置）に $2.0\mathrm{L}$ のペットボトル を取付けても余裕で持ち上げることができます。
スペック
RCサーボのスペックとしては、トルク、動作電圧、動作角、動作速度、価格 などに注意してください。
**トルク**は、$\mathrm{kgf}\cdot \mathrm{cm}$ の単位で表記されます。トルクとは、回転させる力の大きさで「回転軸（出力軸）から力が加わる点までの距離」に「力」を乗じたものになります。
たとえば、次のように回転軸から $1.5\mathrm{cm}$ のところに、$4.0\mathrm{kg}$ の負荷を取り付けた場合、$1.5\times 4.0 = 6.0, \mathrm{kgf}\cdot \mathrm{cm}$ の負荷トルクがかかります。このとき、RCサーボモータの出力トルクが、$6.0 ,\mathrm{kgf}\cdot \mathrm{cm}$ よりも大きければ、負荷を上に引き上げることができます。
**動作電圧**は、小型のものでは $5.0\mathrm{V}$ 前後のものがあります。Arduinoのロジックレベルと同じなので使いやすいです。$4.8\mathrm{V}$ という表記のものを見かけますが、実用上、$5.0\mathrm{V}$ 電源で使用して問題ありません。なお、電圧は $5.0\mathrm{V}$ ですが、駆動時・高負荷時には大きな電流を必要とします。そのため、外部電源できれば電池・バッテリーの使用が望ましいです。
**動作角（最大動作角度）**は、ロボット用のものであれば、$\pm,90$°（$180$°）の製品がメジャーです。ラジコン用では$\pm,60$° の製品もあるので注意します。また、$360$°の連続回転が可能なローテーションサーボという商品もあります（回転角度でなく回転速度と方向が制御できるようです）。
- 360°連続回転サーボ（ローテーションサーボ）@共立エレショップ
**価格**は、性能により大幅に変わってきます。低トルクの安いものは数百円から、高トルクのものは1万円以上のものまであります。
- 近藤科学 KRS-5054HV トルク $58.6$ $ \mathrm{kgf}\cdot \mathrm{cm}$（$22,000$円）
動作速度は、$60$°を回転させるために必要な時間として表記されます。例えば $0.1,\mathrm{sec}/60\mathrm{deg}$ のように表記されます（度=degree）。内部に減速機があるので、トルクを求めると速度が犠牲になります。基本的にサーボモータ自体には速度の制御機能はありません（ゆっくり回転させたい場合は、小刻みに目標値（角度）を与えます）。
制御方法
回転させたい角度を指定するためにはPWM信号（パルス）を使います（シリアル通信で制御するタイプの製品もあります）。一般には、$10$～$20\mathrm{ms}$ の周期で、パルス幅を $1$～$2\mathrm{ms}$ 程度の範囲で変化させることで角度を指定します。
一般的なRCサーボモータでは、パルス幅の $1$～$2\mathrm{ms}$ の変化に対して、サーボホーンが約 $180$° 回転します。
ところで、周期が $10 \mathrm{ms}$ ということは、周波数 $100\mathrm{Hz}$ です。第5回 で学習しましたが、analogWrite(...) による PWM出力の周波数は基本的に固定で、5番と6番ポートは $970\mathrm{Hz}$ 、その他は $490\mathrm{Hz}$ でした。ということで、analogWrite(...) を使ったPWM信号で、RCサーボモータを制御することはできません。
制御には、専用のライブラリを使用します。
回路の構成
次のように回路を接続します。RCサーボモータは、動くときに大きな電流を必要とするので、それに対応できるように外部電源を準備します（Arduinoの $5\mathrm{V}$ 単位では電流容量が大きくないので使用しません）。回路はとてもシンプルです。
※ 外部電源のGND と ArduinoのGND を接続することを忘れないでください。
ここでは、デジタル12番ポートを制御信号を出力するためのポートとして使用しましたが、12番以外でもOKです。
ロジックの構成
まずは、ブロックを使ってロジックを構成してみましょう。
シミュレーションを開始するとモータが回転することが分かります。しっかりと観察すると、可動域（動作角度範囲）が$180$度よりも少し狭いことがわかります。このように、可動域は、データシートを参照したり、実際に実験をしたりして確認する必要があります。
- 回路例はこちら（TinkerCadに移動します）。
ここで、次のことを試してみて下ください。
- 「2秒を待機」を「0.5秒を待機」にしてシミュレーションを実行
- 角度の指定を「マイナス」や「270」にしてシミュレーションを実行
- Arduinoと外部電源の GND を接続せずにシミュレーションを実行
（サーボモータのGND（接地）を外部電源のGNDだけと接続）
（サーボモータのGND（接地）をArduinoのGNDだけと接続）
また、次のようにオシロスコープを接続して、制御信号（PWM信号）の変化を観測してみるのも面白いです。
コードの確認
エディタのモードをテキストに切り替えて、コードを確認してみましょう。
次のようなコードになっています。
# include <Servo.h>
Servo servo_12;
void setup()
{
servo_12.attach(12);
}
void loop()
{
servo_12.write(180);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
servo_12.write(0);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
}
コードでは、まず最初に #include <Servo.h> により、サーボモータを制御するためのライブラリの読み込みを行なっています。
-
中級者向け補足：このライブラリを使用すると、デジタル入出力ピンの $9$ と $10$ からの PWM出力 が機能が無効になります。詳細はリファレンス参照。
- 公式リファレンス：Servo library
コードの編集
ところで、次のように「setup関数」と「loop関数」の位置を変えると、どうなるでしょうか？
# include <Servo.h>
Servo servo;
void loop()
{
servo.write(180);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
servo.write(0);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
}
void setup()
{
servo.attach(12);
}
実際に書き換えて、そのあとシミュレーションを開始してみましょう。・・・結果、何ら問題なく動きますね。
では、次は #include <Servo.h> と Servo servo; の位置を入れ替えてシミュレーションを開始してみてください。今度は、エラーが発生しますね。
プログラムを効果的に理解・勉強するためには「なぜ、その文（命令）が必要なのか（＝その文が抜けると何が問題なのか」や「その文（命令）は、その位置にある必要があるのか、それとも順序を入れ替え可能なのか」といったことを意識しながら読み書きすることです。そして、自分の考えが正しいかを手間を惜しまずに、試すことです。
また「（結果に影響を与えずに）書き換え可能なところはどこか？」を考えることも勉強になります。たとえば、servo_12 というのは単なる変数名なので、次のように servo に変えても何ら問題ありません（ただし、4カ所すべてをかえてください）。
# include <Servo.h>
Servo servo;
void setup()
{
servo.attach(12);
}
void loop()
{
servo.write(180);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
servo.write(0);
delay(2000); // Wait for 500 millisecond(s)
}
さらに、次のように書き換えることもできます。
# include <Servo.h>
int dTime;
Servo servo;
void setup(){
dTime = 2000;
servo.attach(12);
}
void loop(){
servo.write(180);
delay(dTime);
servo.write(0);
delay(dTime);
}
このように同じ処理をするプログラムでも、ほぼ無限通りの書き方ができるということを意識してください（どんなコードが良い／悪い、というのは状況によって変わり、一概にはいえません）。
複数のサーボモータの制御
リファレンス によれば、最大で $12$ 個のRCサーボが同時に利用できるようです。以下は、2個のサーボモータを同時に使用しています。
実際に、2個のサーボモータを配置・配線して動かしてみてください。
- 回路例はこちら（TinkerCadに移動します）。
制御用ボード（RCサーボコントローラ）
実践において、複数のRCサーボを制御する場合は、専用の制御ボード「RCサーボコントローラ」を利用したほうが便利で確実です。ArduinoからRCサーボコントローラに対しては SPI や シリアル通信 で簡単な命令を送り、RCサーボコントローラでは、それを受け取って PWM信号 を生成・出力します。
おまけ：手動操縦のロボットアーム
ここまでに学習した知識・技術を組み合わせて、アナログスティック／ジョイスティック（内部回路は可変抵抗・ポテンショメータと同じ）とRCサーボモータを組み合わせて、手動操縦ができる簡単なロボットアームをつくることができます。
アナログスティックの操作量をアナログ入力 analogRead(...) で取り込み、その量を処理して、サーボモータ角度出力 servo.write(...) とします。
ただし「サーボモータ角度 $\propto$ アナログスティックの現在の入力量」でロジックをつくると、スティックから指を離したときにアームも最初位置に戻ってしまいます。「サーボモータ角度 $\propto$ アナログスティックの過去の入力量の累積（積分）」でロジックを構成するようにしないといけません。
おまけ：消毒用アルコールの自動プッシュ装置
コロナウィルスの影響で、いろいろな場所に消毒用アルコールが設置されています。このなかで、既存の手動プッシュ式のボトルを取り付け、手をかざすとセンサーが反応し、電動機構が動いてポンプをプッシュしてくれるものがあります（ボトルに手を触れることなく手指の消毒が可能）。
- 参考：自動アルコール噴霧器
このシステムの自作することを考えてみましょう。
RCサーボモータは強力なので、特別な機構なしでポンプのプッシュが可能とします。あとは、どうやって「手がかざれたことを検出するか」「どんなセンサを使用するか」「センサから出力される信号で、サーボモータを駆動させるためには、どのようなロジックが必要か？」を具体的に考えてみてください。
また、可能であれば、TinkerCad Circuit で模擬的なシステムをつくってみましょう。