Convertendo um servo motor RC em um dispositivo de tração para micro-robôs

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1 Convertendo um servo motor RC em um dispositivo de tração para micro-robôs Roberto Fernandes Tavares Filho Centro Tecnológico Para Informática Vice-presidente executivo da FIRA Todos aqueles que já se dedicaram a construção de micro-robôs sabem da dificuldade de se obter motores e caixas de redução apropriados a um custo razoável. A primeira tendência geralmente é a de se canibalizar alguns brinquedos (carrinhos e assemelhados), porém isto geralmente resulta em engrenagens de baixa qualidade, e motores que, embora sejam aparentemente semelhantes, possuem parâmetros de modelagem bem diferentes, dificultando o seu controle. A opção mais profissional de motores de qualidade associados a sistemas de redução especialmente projetados, esbarra no alto custo final do dispositivo, principalmente se levarmos em consideração a pequena escala de produção necessária. Após nos debatermos algum tempo com este problema, identificamos uma solução que é de baixíssimo custo mas que garante o nível de qualidade necessário. Além disto, encontra-se todo o material necessário no mercado nacional, em estoque nas lojas especializadas. A idéia é simples, e todos que costumam ler as revistas de eletrônica estrangeiras certamente reconhecerão aqui uma adaptação de conceitos já divulgados anteriormente. Trata-se da modificação de um servo controle utilizado em dispositivos rádios controlados (aviões ou carros) para atuar como servo de velocidade. Todo servo de posição pode ser modificado segundo esta técnica, porém alguns servos são mais fáceis de serem trabalhados do que outros. Além disto, as limitações de espaço físico para instalação dos servos são outro fator determinante na escolha. Tudo o que falaremos aqui se refere a servos da FUTABA, porém não há nenhuma limitação a priori para que se utilizem de outras marcas. Um servo motor RC consiste de um motor DC com caixa de redução de velocidade, de um circuito eletrônico para controle da posição, e de um potenciômetro para realimentação de posição. A conexão elétrica é realizada através de três fios: fio vermelho: alimentação DC. Pode variar entre 4.8 e 6 volts. fio preto: terra fio branco: controle: 1

2 O controle é realizado através de um sistema de pulsos, conforme pode ser visto na figura 1: t1 t2 Figura 1 A largura t1 do pulso indica a posição que deverá ficar o eixo do servo, através da seguinte tabela: largura função 1.5 ms servo fica parado centralizado 1.0 ms servo fica parado deslocado todo no sentido contrário aos ponteiros do relógio 2.0 ms servo fica parado deslocado todo no sentido dos ponteiro do relógio Valores intermediários posicionam o eixo de servo em pontos proporcionais dentro da excursão permitida. O tempo t2 nos dá a taxa com que este pulso deve ser repetido. Normalmente este tempo é da ordem de 28 a 30 milisegundos. O valor de pico do pulso deve ser igual à tensão de alimentação. Esta é a forma de controle do servo como originalmente foi concebido, ou seja, para atuar como controle de posição de flaps, de aceleradores, lemes ou direção de carros. Como nós necessitamos de um servo de velocidade (ou seja, a velocidade de rotação passará a ser controlada pela largura de pulso, e não mais a posição final), uma pequena modificação deve ser realizada. Após esta transformação o servo estará arruinado como servo de posição, porém você terá em mãos um sistema confiavel de tração para microrobôs, controlado por largura de pulso. Estarei me referindo aqui ao servo S133 da Futaba, que pode ser encontrado em lojas de aeromodelismo por cerca de R$70,00 reais. Este servo é indicado para o futebol de robôs devido às suas pequenas dimensões. Mas se a plataforma que você irá desenvolver não tem o limite imposto pelas regras MIROSOT, existem outros servos um pouco maiores mas que custam menos da metade deste valor. Outros servos miniatura podem ser utilizados, mas provavelmente as modificações mecânicas serão ligeiramente 2

3 diferentes. Portanto, o importante é você compreender o conceito do que está sendo feito, e adaptar-se ao servo que você tem em mãos. Ponto importante na escolha do servo RC como dispositivo de tração é o fato do servo já vir com um controlador implementado (normalmente hardware SMD, de dimensões mínimas). Desta forma não precisamos de um microcontrolador no robô para o controle da velocidade. As modificações devem ser executadas na seguinte seqüência (leia tudo primeiro para ter uma noção geral antes de iniciar os trabalhos) abra o servo retirando os quatro parafusos na parte traseira. Mantenha as três partes do corpo do servo juntas. Retire com cuidado a parte superior, mantendo o servo na posição vertical. Você identificará então um conjunto de cinco engrenagens (ao menos no caso do S133), fazendo a redução entre o motor e o eixo de tração do servo. Retire todas as engrenagens anotando a sua posição. Observe a engrenagem principal. É aquela em que o eixo se projeta para fora da tampa superior do servo. Observe que existe na parte inferior desta engrenagem uma haste metálica. Esta haste é a que faz o contato mecânico com o potênciometro de realimentação de posição do servo. Este contato deve ser eliminado cortando-se um pedaço desta haste. Isto deve ser feito com cuidado para se evitar que o corte seja tão grande que a engrenagem fique sem apoio. O melhor é ir cortando aos poucos e verificando quando o contato mecânico deixou de existir. Para identificar isto baste deixar somente esta engrenagem ativa e, girando com a mão, sinta quando o potenciometro deixou de ser ativado pela engrenagem. Em alguns servos este desacoplamento mecânico é feito alargando-se o furo central da engrenagem principal, pois o eixo metálico vai fixo no potenciometro, ao invés de ser fixado na engrenagem, como no caso do S133. Retirado o contato mecânico, agora é a hora de se retirar o fim de curso mecânico que existe na tampa superior do servo. Observe a forma da engrenagem principal. Uma parte dela tem o formato de uma meia lua. Observe também, na parte interna da tampa superior, a existência de um ressalto que impede que esta engrenagem gire mais do que 270 graus. Isto protege o potenciometro original. Recorte este ressalto. Utilizamos para isto uma furadeira para trabalhos delicados, de alta rotação, com um desbastador acoplado. Retire todo o ressalto de forma que a engrenagem gire livre. Monte o servo com a engrenagem principal e verifique se o sistema esta rodando totalmente livre. Se não, ou você não cortou o suficiente do eixo da engrenagem 3

4 principal ou existem rebarbas no ressalto da tampa superior que ainda estão atrapalhando. Supondo que agora você tem o sistema rodando livremente, e hora de montar novamente o conjunto de redução. Antes de montar tudo como estava antes, no entanto observe o seguinte. A velocidade que se obtém com o servo S133 é da ordem de 0,22s/60 graus. Convertendo isto em rpm temos aproximadamente 45 r.p.m. Se isto for suficiente para você está tudo resolvido. Basta montar as engrenagens do mesmo modo do que o original. O torque disponível será então de 1.52oz/42.0 (Ouce/oz/in). Mas para o caso do futebol de robôs esta velocidade está muito baixa. Isto pode ser facilmente resolvido retirando duas engrenagens intermediárias e montando-se o conjunto com as três restantes. Cada engrenagem tem uma redução de cerca de 9:1, o que significa que teremos uma velocidade bem maior com esta solução. Para o caso do futebol de robôs o torque final é mais do que o suficiente para levar o robô rapidamente ã velocidade máxima e empurrar a bola em direção ao gol. Este é um ponto onde vale a pena maior experimentação. Antes de aparafusar tudo novamente, uma última observação. Você deve estar lembrado do das relações entre a largura de pulso e a posição final assumida pelo servo. Com a modificação deveremos ficar com a seguinte situação: largura função 1.5 ms servo fica parado 1.0 ms toda velocidade no sentido contrário aos ponteiros do relógio 2.0 ms toda velocidade no sentido dos ponteiro do relógio Mas observe com atenção. Isto só será valido se o potenciometro de realimentação estiver bem centralizado (cursor no meio da pista). Atenção estudantes de controle. Vocês sabem dizer o porque disto? A melhor forma de verificar se o potenciometro está bem centralizado é alimentar o servo, e comandá-lo através de um pulso de 1.5 ms. Se o motor não ficar parado o potenciômetro está fora de centro. Retire então a engrenagem principal e introduza uma chave de fenda bem fina até o potenciometro. Regule para que o servo fique parado. Para que este ponto não seja alterado pode-se travar o eixo do potenciometro com cola. A opção certamente mais definitiva seria a substituição do potenciometro por um divisor 4

5 resistivo (4K7 + 4K7, 1%, 1/8W metal film). Há espaço na parte inferior do servo para isto, mas exige um pouco de habilidade para solda em espaços apertados. Para a geração do pulso de 1.5 ms, para aqueles que não dispuserem de laboratório, pode-se utilizar um transmissor RC e o respectivo receptor. Com o transmissor ligado porem sem nenhum comando acionado, o pulso gerado no receptor é de 1.5 ms, quando você pressiona o comando todo num sentido e depois no sentido oposto, a largura destre pulso no receptor irá varia de 1.0 a 2.0 milisegundos. O servo deverá então girar a toda velocidade primeiro num sentido e depois no outro. Isto termina a transformação de um servo de posição em servo de velocidade. Aperte bem os parafusos e está feito. Se o seu objetivo é construir um time de robôs autônomos estude bem os próximos artigos desta série. Qualquer dúvida sobre este ou os outros artigos escreva para a lista leopard. Artigos já publicados (disponíveis em Um breve histórico dos robôs no País do futebol Convertendo um servo motor RC em um dispositivo de tração para micro-robôs Os seguintes artigos estão planejados: Construindo uma plataforma móvel para robôs MIROSOT. Controlando um servo RC por rádio freqüência através de um computador. Uma arquitetura para operação de robôs autônomos num jogo de futebol. Um sistema de visão mínimo para robótica autônoma. Como desenvolver uma DLL em C++ (para geração de estratégias). A estrutura da FIRA. A Copa Brasil de Futebol de Robôs Estes temas foram conseqüência das perguntas a nós enviadas por pessoal interessando em robótica móvel e no MIROSOT. Caso você tenha novas sugestões de temas ou deseja escrever algo sobre os seus experimentos, entre em contato conosco. 5