ArduinoでMG996Rサーボ：トルク、電流、電源とコード

MG996Rサーボは、メタルギアと6 Vで最大11 kg·cmのトルクを持つことから、Arduinoのプロジェクトで重い作業を任される定番のサーボです。55 gの本体で、ロボットアームの肩を持ち上げたり、重いふたを開けたり、パン・チルトのカメラ台を動かしたりできます。ただし、この力には代償があります。負荷がかかるとMG996Rは最大2.5 Aの電流を流します。そのためSG90のようにArduinoの5Vピンにそのまま挿して使うことはできず、5〜6 Vの外部電源、共通GND、サーボの近くに置いたコンデンサが必要です。これらのルールを守らないと、サーボが震え、Arduinoがリセットを繰り返し、パソコンがUSBポートを止めてしまうことさえあります。

このガイドでは、MG996Rのトルクと電流の数値を実際の数字で読み解く方法、適切な電源の選び方、Servoライブラリで500〜2500 µsの範囲を使って手元のサーボの限界を見つける方法、ジッターとリセットを防ぐ方法を学びます。続いて、ESP32とRaspberry Pi Picoのコード、2本の線で16個のサーボを動かすPCA9685モジュール、ロボットアーム用のサーボの選び方、SG90やMG90Sとの比較を紹介します。

MG996Rサーボとは？仕組みは？

MG996Rは、TowerProの旧モデルMG995の改良版です。設計を見直した制御基板とギアにより、中央位置への戻りが安定し、ガタも小さくなっています。ケースの中には、小さなDCモーター、モーターの回転を落としてトルクを増やす金属製のギアボックス、出力軸の角度を測るポテンショメーター、そしてこれらをまとめて制御する基板が入っています。基板は20 msごと（50 Hz）に信号線に届くパルスの幅を読み取り、指示された角度とポテンショメーターが示す角度を比べ、差がなくなるまでモーターを回します。約1500 µsのパルスは中央位置を意味し、パルスが短いと軸は一方向に、長いと反対方向に回ります。データシートにある5 µsの不感帯は、それより小さな変化にはサーボが反応しないという意味です。サーボモーター全般の仕組みはサーボモーターとは？で解説しています。

トルクとは？kg·cmの値を正しく読む

トルクとは、軸から一定の距離にある負荷を回す力のことで、力 × 距離で表します。11 kg·cmは、軸から1 cmの位置で11 kg、10 cmの位置なら1.1 kgを支えられるという意味です。距離が2倍になると、支えられる負荷は半分になります。ニュートンメートルに換算するには0.098を掛けます。11 kg·cm ≈ 1.08 N·mです。ここで大事なのは、データシートの値がストールトルクだという点です。これは軸が止まり、電流がピークに達し、サーボが発熱する限界の値です。連続して使う場合は、この値の半分以下に抑えると、サーボが熱くならず、ジッターが減り、ギアも長持ちします。

この表は先端の負荷だけを考えたものです。実際の機構では、アーム自体の重さ、その上に取り付けたほかのサーボ、グリッパーもすべてトルクに加わります。各部品の質量に軸からの距離を掛け、それを合計する必要があります。たとえば15 cmのアームの先に150 gのグリッパーと100 gの物体がある場合、この2つだけで0.25 × 15 = 3.75 kg·cmになり、アーム自体の重さを加えると合計5 kg·cmに達することもあります。これは6 VでのMG996Rのストールトルクの半分を少し下回るので、MG996Rは適切な選択です。部品ごとのトルク計算の例はArduinoのロボットアームのガイドにあります。

電流：なぜMG996RはArduinoの5Vピンで動かせないのか

MG996Rは無負荷で静止しているときは約10 mAしか流しませんが（負荷を保持すると、負荷に応じて増えます）、動いている間は0.5〜0.9 Aに上がり、軸に負荷がかかったときや、毎回の起動直後の数ミリ秒間は2.5 A近くに達します。Arduino UnoをUSBで動かしている場合、5Vピンから取り出せる電流の合計はボードの500 mAのヒューズで制限され、その一部はボード自体が使います。サーボが動き出した瞬間、5 Vのラインは数ミリ秒間はっきりと下がり、プロセッサーが不安定になってボードが再起動します。また、パソコンは過大な電流がしばらく流れたUSBポートを止めることもあります。

配線も問題の一部です。ブレッドボードで使う細いジャンパーワイヤーとブレッドボードの接点は、合わせると簡単に0.2 Ωになります。オームの法則で計算すると、2.5 Aのピークでは2.5 × 0.2 = 0.5 Vが配線だけで失われるので、5 Vの電源がサーボには4.5 Vとして届き、サーボの力が落ちてジッターが起きます。また、ブレッドボードの接点は約1 Aを想定して作られています。MG996Rの電源線はブレッドボードを通さず、ネジ端子（端子台）や、はんだ付けした電源分配用のバスに直接つなぎ、20〜22 AWGの線を使ってください。

正しい電源の取り方：5〜6 Vの外部電源、共通GND、コンデンサ

1. 電源を選ぶ：使うサーボの数に応じて、上の表の電流を供給できる5 Vまたは6 Vのスイッチング式ACアダプターを使います。持ち運ぶプロジェクトなら、単3ニッケル水素電池4本（4.8 V）か、6 Vに設定した降圧レギュレーター（UBEC）と2S LiPoの組み合わせが適しています。
2. プラスはサーボにだけ：電源のプラスをMG996Rの赤い線につなぎます。Arduinoの5Vピンにはつながないでください。
3. GNDをつなぐ：電源のマイナスを、サーボの茶色の線とArduinoのGNDピンの両方につなぎます。信号はGNDを基準に測る電圧なので、共通GNDがないとサーボはパルスを読み取れません。
4. 信号をつなぐ：オレンジの線をArduino UnoのD9ピンにつなぎます（ESP32ではGPIO 18、PicoではGP15）。
5. コンデンサを追加する：470〜1000 µF / 16 Vの電解コンデンサを、サーボの電源線の間にできるだけサーボの近くで入れます。帯の印がある足がマイナス側です。サーボが複数ある場合は、1個あたり約100 µFを目安にします。
6. Arduinoは別に給電する：ボードはUSBかDCジャックから動かします。こうすると、サーボが原因の電圧降下がプロセッサーに届きません。

Servoライブラリと500〜2500 µsの範囲

ArduinoのServoライブラリはIDEに最初から入っています。servo.attach(9)と書くと、ライブラリは544〜2400 µsの初期範囲を使い、write(0)とwrite(180)をこの両端に割り当てます。多くのMG996Rは、この範囲では180度に少し届きません。範囲を広げるにはservo.attach(9, 500, 2500)と書きます。この点が重要なのは、writeMicroseconds()もattachで指定した限界を超えられないからです。限界を設定せずにwriteMicroseconds(2500)と書くと、ライブラリは何も知らせずに2400に切り詰めます。またwrite()は、544未満の数を角度として、それより大きい数をマイクロ秒として扱います。

Arduino UnoのServoライブラリは最大12個のサーボに対応し、Timer1を使うため、サーボを接続している間は9番と10番ピンでanalogWriteが動作しません。また、MG996Rの機械的な限界は個体ごとに少しずつ違います。メーカーのデータシートでは標準の1000〜2000 µsのパルスで約120度の回転とされていますが、広い範囲を使うとほとんどのサーボが180度近くまで回ります。限界を超えて動かされたサーボは内部のストッパーに当たり、ストール電流を流し、うなって発熱します。そこで最初の作業は、下のスケッチで手元のサーボの安全なパルス範囲を見つけることです。

1#include <Servo.h>
2
3const byte SERVO_PIN = 9;          // turuncu sinyal kablosu / orange signal wire
4Servo servo;
5int pulseUs = 1500;                // orta konum / center position
6
7void setup() {
8  Serial.begin(115200);
9  servo.writeMicroseconds(pulseUs);      // önce darbe, sonra attach / pulse first, then attach
10  servo.attach(SERVO_PIN, 500, 2500);    // aralığı genişlet / widen the range
11  Serial.println(F("500-2500 arasi bir deger yaz / type a value between 500 and 2500"));
12}
13
14void loop() {
15  if (Serial.available()) {
16    long value = Serial.parseInt();             // yazılan sayıyı oku / read the typed number
17    while (Serial.available()) Serial.read();   // satır sonunu temizle / clear the line ending
18    if (value >= 500 && value <= 2500) {
19      int step = (value > pulseUs) ? 10 : -10;  // 10 µs adımlarla yavaşça git / move slowly in 10 µs steps
20      while (abs(value - pulseUs) >= 10) {
21        pulseUs += step;
22        servo.writeMicroseconds(pulseUs);
23        delay(5);
24      }
25      pulseUs = value;
26      servo.writeMicroseconds(pulseUs);
27      Serial.print(F("Darbe / pulse: "));
28      Serial.print(pulseUs);
29      Serial.println(F(" us"));
30    }
31  }
32}

1. スケッチを書き込み、シリアルモニタを115200ボーで開き、改行コードをNew Line（LFのみ）に設定します。
2. 1500と入力すると、サーボが中央に移動します。このタイミングで、機構の中央位置を指すようにサーボホーンを取り付けます。
3. 1000、800、700のような値で、50 µsずつ下限に近づけます。サーボが動かなくなったり、うなり始めたりしたら、最後の値から30〜50 µs戻し、その数をMIN_USとしてメモします。
4. 上限も同じように、2000、2200、2300のような値でMAX_USを見つけます。この2つの数は次のスケッチで使います。

滑らかな動き：電流の急増とガクつきを抑えるコード

servo.write(160)のような1回の命令だけだと、サーボは全速力で目標まで動き、6 Vでは60度を0.14秒で回ります。その間モーターはストール電流に近い電流を流し、機構はガクッと動き、つかんでいる物が落ちることもあります。動きを小さなステップに分けると、電流のピークも機械的な衝撃も小さくなります。下のスケッチはサーボを15 msごとに1度ずつ進め（約67°/秒）、millis()を使っているので、同時にほかの処理もできます。

1#include <Servo.h>
2
3const byte SERVO_PIN = 9;
4const int MIN_US = 550;            // kalibrasyonda bulduğun alt sınır / lower limit from calibration
5const int MAX_US = 2450;           // kalibrasyonda bulduğun üst sınır / upper limit from calibration
6const byte STEP_MS = 15;           // derece başına süre: 15 ms ≈ 67°/sn / time per degree: 15 ms ≈ 67°/s
7
8const int POSES[] = {20, 160, 90, 45, 135};    // sırayla gidilecek açılar / angles to visit in order
9const byte POSE_COUNT = sizeof(POSES) / sizeof(POSES[0]);
10
11Servo servo;
12int current = 90;                  // şu anki açı / current angle
13int target = 90;                   // hedef açı / target angle
14byte poseIndex = 0;
15unsigned long lastStep = 0;
16unsigned long arrivedAt = 0;
17
18int angleToUs(int angle) {
19  return map(angle, 0, 180, MIN_US, MAX_US);   // açıyı darbeye çevir / angle to pulse width
20}
21
22void setup() {
23  servo.writeMicroseconds(angleToUs(current)); // önce konum, sonra attach / position first, then attach
24  servo.attach(SERVO_PIN, MIN_US, MAX_US);
25  arrivedAt = millis();
26}
27
28void loop() {
29  unsigned long now = millis();
30
31  // Hedefe 1 derecelik adımlarla yaklaş / approach the target in 1-degree steps
32  if (current != target && now - lastStep >= STEP_MS) {
33    lastStep = now;
34    current += (target > current) ? 1 : -1;
35    servo.writeMicroseconds(angleToUs(current));
36    if (current == target) arrivedAt = now;
37  }
38
39  // Hedefte 1 sn bekle, sonra sıradaki poza geç / wait 1 s at the target, then take the next pose
40  if (current == target && now - arrivedAt >= 1000) {
41    target = POSES[poseIndex];
42    poseIndex = (poseIndex + 1) % POSE_COUNT;
43  }
44
45  // Burada başka işler de yapılabilir / other tasks can run here too
46}

angleToUs()関数は、キャリブレーションで見つけたMIN_USとMAX_USの間に角度を割り当てるので、0度と180度がサーボの実際の安全な端点になります。サーボは電源を切ると位置を覚えておらず、最初のパルスを受け取ると指示された角度まで全速力で動きます。attach()の前にwriteMicroseconds()を呼ぶと、ライブラリは初期値の1500 µsのパルスを送らず、指定した開始角度をすぐに送ります。電源を切る前に機構を同じ開始姿勢に戻しておけば、電源投入時の跳ねはほとんどなくなります。速度はSTEP_MSで設定します。30 msでゆっくり滑らかな動きに、5 msで速いもののガクつく動きになります。ポテンショメーターでサーボを動かしたい場合は、読み取った値を角度に変換してtarget変数に書き込むだけです。

ジッターとArduinoのリセット：原因と対策

ESP32でMG996Rを制御する

標準のArduino ServoライブラリはESP32では動作しません。ライブラリマネージャからESP32Servoライブラリをインストールしてください。使い方はほぼ同じで、setPeriodHertz(50)で周期を設定します。このライブラリは500〜2500 µsの範囲外の限界を受け付けません。ESP32の信号出力は3.3 Vですが、ほとんどのMG996Rは問題なく読み取ります。サーボが反応しない、または動きがおかしい場合は、信号線にレベル変換モジュールを入れてください。下の例では、GPIO 34につないだポテンショメーターでサーボを回します。ESP32のADCは12ビットなので読み取り値は0〜4095の範囲になり、ノイズも少しあります。そのためコードではフィルタと不感帯を使っています。

1#include <ESP32Servo.h>
2
3const int SERVO_PIN = 18;          // servo sinyali / servo signal
4const int POT_PIN = 34;            // pot orta bacağı (ADC1) / pot wiper (ADC1)
5const int MIN_US = 500;            // ESP32Servo bu aralığın dışına çıkmaz / ESP32Servo stays within 500–2500
6const int MAX_US = 2500;
7
8Servo servo;
9float smooth = 0;                  // süzülmüş pot değeri / filtered pot value
10int lastAngle = -1;
11
12void setup() {
13  Serial.begin(115200);
14  ESP32PWM::allocateTimer(0);              // servo için zamanlayıcı ayır / reserve a timer for the servo
15  servo.setPeriodHertz(50);                // 50 Hz = 20 ms periyot / 20 ms period
16  servo.attach(SERVO_PIN, MIN_US, MAX_US);
17  smooth = analogRead(POT_PIN);
18}
19
20void loop() {
21  smooth += (analogRead(POT_PIN) - smooth) * 0.1;   // ADC gürültüsünü süz / filter ADC noise
22  int angle = map((int)smooth, 0, 4095, 0, 180);    // 12 bit ADC: 0–4095
23  if (abs(angle - lastAngle) >= 2) {                // ölü bant: titremeyi keser / deadband stops jitter
24    servo.write(angle);
25    lastAngle = angle;
26    Serial.println(angle);
27  }
28  delay(20);
29}

Raspberry Pi PicoでMG996Rを使う（MicroPython）

Raspberry Pi Picoでは追加のライブラリは要りません。PWMを50 Hzに設定し、duty_ns()でパルス幅をナノ秒で指定します。500 µsは500000 nsです。Picoの信号も3.3 Vです。サーボをPicoのVBUSピンやVSYSピンから給電しないでください。これらのピンの電流はパソコンのUSBポートから来ているので、MG996Rのピーク電流でPicoが再起動してしまいます。サーボは外部電源から給電し、GNDをつなぎます。下のコードは、3つの位置の間でサーボを1度ずつ滑らかに動かします。

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4MIN_NS = 500000                   # 500 µs = 0 derece / 0 degrees
5MAX_NS = 2500000                  # 2500 µs = 180 derece / 180 degrees
6
7servo = PWM(Pin(15))              # turuncu kablo GP15'e / orange wire to GP15
8servo.freq(50)                    # 50 Hz servo sinyali / 50 Hz servo signal
9
10def write_angle(angle):
11    angle = max(0, min(180, angle))                           # 0–180 ile sınırla / clamp to 0–180
12    servo.duty_ns(MIN_NS + (MAX_NS - MIN_NS) * angle // 180)  # açıyı darbeye çevir / angle to pulse
13
14def move_slow(start, end, ms_per_degree=15):
15    step = 1 if end > start else -1
16    for a in range(start, end + step, step):  # 1 derecelik adımlar / 1-degree steps
17        write_angle(a)
18        time.sleep_ms(ms_per_degree)
19
20write_angle(90)                   # ortadan başla / start at the center
21time.sleep(1)
22
23while True:
24    move_slow(90, 170)
25    time.sleep(1)
26    move_slow(170, 10)
27    time.sleep(1)
28    move_slow(10, 90)
29    time.sleep(1)

PCA9685で16個のサーボ：2本の線でたくさんのMG996Rを動かす

サーボの数が増えたときや、割り込みを止めるライブラリと一緒に使うときは、PCA9685モジュールが便利です。このボードは16チャンネル・12ビットのPWM生成器で、SDAとSCLの2本の線だけを使ってI2CでArduinoと通信します。自分のクロックでパルスを作るので、プロセッサーがほかの処理で忙しいときでも信号は安定しています。初期アドレスは0x40です。ボード上のA0〜A5のはんだジャンパーでアドレスを変えると、同じバスに62枚のボードをつなげるので、理論上は992個のサーボを動かせます。50 Hzでは20 msの周期が4096ステップに分けられ、1ステップは約4.9 µsです。500 µsは約102ステップ、2500 µsは約512ステップになります。

1#include <Wire.h>
2#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
3
4Adafruit_PWMServoDriver pca = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);   // varsayılan adres / default address
5
6const byte SERVO_COUNT = 16;
7const uint16_t MIN_US = 500;       // kalibrasyonla daralt / narrow it after calibration
8const uint16_t MAX_US = 2500;
9
10uint16_t angleToUs(float angle) {
11  return MIN_US + (uint16_t)(angle * (MAX_US - MIN_US) / 180.0);
12}
13
14void setup() {
15  pca.begin();
16  pca.setOscillatorFrequency(27000000);   // kartın gerçek saatine yakın / close to the real board clock
17  pca.setPWMFreq(50);                     // servolar için 50 Hz / 50 Hz for servos
18  delay(10);
19  for (byte ch = 0; ch < SERVO_COUNT; ch++) {
20    pca.writeMicroseconds(ch, angleToUs(90));   // hepsini ortala / center them all
21    delay(200);                                 // sırayla başlat: akım darbesini dağıt / one by one: spread the current surge
22  }
23}
24
25void loop() {
26  // Dalga: her servo komşusundan biraz geride / wave: each servo slightly behind its neighbour
27  float t = millis() / 1000.0;
28  for (byte ch = 0; ch < SERVO_COUNT; ch++) {
29    float angle = 90 + 40 * sin(t * 2.0 - ch * 0.4);   // 50–130° arası / between 50° and 130°
30    pca.writeMicroseconds(ch, angleToUs(angle));
31  }
32  delay(20);
33}

スケッチを動かすには、ライブラリマネージャからAdafruit PWM Servo Driverライブラリをインストールします。setOscillatorFrequency(27000000)の行は重要です。PCA9685の内部クロックは仕様上25 MHzですが、実際には約23〜27 MHzの間でばらつき、Adafruitのサンプルでは27 MHzを使っています。この設定がないと、writeMicroseconds()で指定したパルスが数パーセントずれることがあります。setupの中でサーボを200 ms間隔で1個ずつ起動すると、16個すべてが同時に起動電流を流すのを防げます。サーボごとに限界が違う場合は、MIN_USとMAX_USを16要素の配列にして、チャンネルごとにキャリブレーションしてください。このスケッチはESP32でもそのまま動きます。ESP32ではWireライブラリが初期設定でGPIO 21と22を使うからです。

MG996R、SG90、MG90Sの比較

決め手は負荷とアームの長さです。数グラムの部品を回すだけ、あるいは試してみるだけならSG90で十分です。同じ大きさで衝撃に強いメタルギアが欲しければMG90Sを選びます。必要なトルクが1 kg·cmを超える場合、たとえば10 cmのアームの先で100 gを運ぶなら、MG996Rに上げてください。MG996RのトルクはSG90の約5倍ですが、速度は遅く、重さは6倍、電流は3〜4倍になるので、電源と機械的な取り付けはそれに合わせて計画してください。11 kg·cmでも足りない場合は、DS3218のような20 kg·cmクラスの大型サーボを検討してください。

ロボットアーム用のサーボの選び方

• 土台：MG996R。アーム全体の重さをサーボの軸にかけないでください。土台にベアリングを入れ、サーボは回すだけにします。
• 肩：最も負担が大きい関節です。MG996Rを使い、アームが20 cmより長い場合は20 kg·cmクラスのサーボかカウンターウェイトを追加します。
• ひじ：MG996R。重いサーボを肩の位置に移し、プッシュロッドでひじを動かすと、肩の負荷が減ります。
• 手首と手首の回転：MG90Sで十分です。ここにMG996Rを使うと、肩が支える重さが増えるだけです。
• グリッパー：SG90かMG90S。閉じる角度は指がちょうど物に触れる位置に設定します。握り続けようとするサーボはストール電流を流します。
• 取り付け：MG996Rの25歯の軸には金属製のサーボホーンを付け、中央のネジで固定します。このトルクでは、プラスチック製のサーボホーンはすぐになめてしまいます。

MG996Rのプロジェクトアイデア

• ロボットアーム：土台、肩、ひじにMG996R、手首とグリッパーにMG90Sを使う6軸のアームです。作り方はロボットアームのガイドを参照してください。
• パン・チルトカメラ：2個のMG996RでESP32-CAMモジュールを水平方向と垂直方向に回します。
• 太陽追尾装置：4個のLDRで光の方向を見つけ、MG996Rで小さなパネルを太陽に向けます。詳しくは太陽追尾装置の記事にあります。
• スマートゴミ箱：手を近づけると重いふたが開くスマートゴミ箱です。
• カード式ドアロック：RFID RC522で正しいカードを読み取ったら、MG996Rでかんぬきを引きます。
• ジョイスティックで操作するクレーン：ジョイスティックで2軸に動く小さなクレーンやショベルカーです。
• 連続回転の駆動：MG996Rの360度タイプを使った、遅いけれど力強い車輪です。違いは360度サーボの記事で解説しています。

正しく給電すれば、MG996Rは小さなサーボでは手に負えない作業も楽にこなす、丈夫で安価なモーターです。ルールを覚えておきましょう。5〜6 Vの外部電源、共通GND、サーボの近くのコンデンサ、キャリブレーションしたパルス範囲と滑らかな動き、そしてサーボが増えたらPCA9685です。BlueGraysアプリには、ポテンショメーターやジョイスティックでのサーボ制御、サーボを使ったESP32のRFIDドアロック、32個のサーボのダンスといったプロジェクトがあり、それぞれステップごとの回路図とすぐに使えるコードが付いています。