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Utilizando os Servos do Kit Alfa (MEC055)

Os servos motores ou simplesmente servos, consistem num recurso dos mais importantes na obtenção de movimentos em robótica. Com eles podemos realizar movimentos de forma controlada (proporcionais) e precisa. Isso nos permite dotar os projetos de braços móveis, garras e sistema de direção e outros mecanismos de manipulação com facilidade. Neste artigo explicaremos um pouco como funcionam os servos e especificamente como utilizar os servos do Kit Alfa.

 

Nos projetos que envolvem movimentos controlados pela eletrônica, e que são amplamente estudados pela mecatrônica, temos basicamente três tipos de dispositivos de conversão de energia elétrica em energia mecânica: os solenóides, os motores de passo e os servomotores ou simplesmente servos.

Os servos, pela sua simplicidade e baixo custo, são especialmente indicados para finalidades experimentais e didáticas.

Neste artigo vamos analisar o princípio de funcionamento dos servos ou servomotores e dar algumas aplicações que podem ser muito interessantes em robótica, com base nos recursos do Kit Alfa.

 

O QUE É UM SERVO

O servo ou servomotor é um dispositivo que converte um sinal elétrico num movimento proporcional ou num deslocamento de uma alavanca.

O servo básico consta de um motor que, por meio de um sistema de redução ou não, aciona um dispositivo de realimentação e uma alavanca. O dispositivo de realimentação serve para indicar a posição da alavanca de modo que o circuito de controle possa levá-la à posição desejada.

Na figura 1 temos a representação simbólica de um servo e que vai servir de ponto de partida para nossas explicações.

 

 

Estrutura básica de um servo
Estrutura básica de um servo

 

 

A idéia básica do servo é converter um sinal elétrico, por exemplo, uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda um cursor.

Se um servo pode ter uma alavanca que se movimente de 90 graus, por exemplo, quando a tensão de entrada varia de 0 à 1 volts, as tensões intermediárias aplicadas na entrada do circuito podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional a estas tensões.

Esta proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada (ou outra grandeza) também leva estes dispositivos a serem classificados como " controles proporcionais".

Em outras palavras, existe uma proporção direta entre o ângulo de giro da alavanca do servomotor e a tensão aplicada à sua entrada, conforme mostra a figura 2.

 

 

Relação entre o ângulo de giro e a tensão aplicada.
Relação entre o ângulo de giro e a tensão aplicada.

 

Esta característica leva este dispositivo a uma poder ser usado numa infinidade de aplicações práticas.

Numa aplicação de controle, por exemplo, basta ter um sensor que indique na forma de uma tensão qual é a posição que deve ser levado um braço mecânico ou alavanca, para que o servo seja capaz de movimentar esta alavanca até a posição desejada.

Uma aplicação muito comum para este tipo de dispositivo é no controle remoto de um barco. Uma alavanca de controle no transmissor tem um potenciômetro que gera um sinal que corresponde à posição que desejamos levar o leme ou o acelerador.

No receptor, um circuito decodificador transforma este sinal numa tensão proporcional que é aplicada ao servo correspondente.

Desta forma, o braço do servo atua sobre o leme ou o acelerador, levando-o à posição desejada. Na figura 3 mostramos como isso funciona.

 

Usando um servo para controlar o leme de um barco radiocontrolado
Usando um servo para controlar o leme de um barco radiocontrolado

 

 

COMO FUNCIONA

Na figura 4 temos a estrutura simplificada de um servomotor que vai servir de base para nossa análise do princípio de funcionamento.

 

O circuito de controle do servo.
O circuito de controle do servo.

 

O motor gira normalmente num sentido ou noutro conforme a polaridade da tensão aplicada, pois trata-se de um motor de corrente contínua comum.

De modo a impedir que ele movimente muito rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo correias) pode ser usado.

O motor, no nosso caso, movimenta tanto a alavanca que vai proporcionar o acionamento externo, ou seja, que vai ser acoplada ao dispositivo final como também o eixo de um potenciômetro. O potenciômetro funciona como sensor de posição para o circuito de realimentação.

O circuito de realimentação tem por base um comparador de tensão comum.

Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de sua saída em determinadas condições. Estas condições podem ser facilmente entendidas a partir do exemplo dado a seguir.

Na entrada inversora (-) aplicamos uma tensão que vai ser a referência do circuito. Esta tensão pode ser aplicada por um divisor resistivo ou mesmo um potenciômetro, conforme mostra a figura 5.

 

 

Aplicando a tensão de referência.
Aplicando a tensão de referência.

 

A seguir, aplicamos na entrada não inversora (+) uma tensão que vai aumentando vagarosamente de valor a partir de zero.

Observe que a fonte de alimentação usada neste circuito é simétrica, ou seja, temos uma tensão positiva em relação ao ponto de zero volt e uma tensão negativa a partir de zero volt. Lembre-se que o motor gira num sentido quando aplicamos uma tensão positiva e gira no sentido oposto quando aplicamos uma tensão negativa, conforme mostra a figura 6.

 

 

O sentido de circulação da corrente determina o sentido da rotação do motor.
O sentido de circulação da corrente determina o sentido da rotação do motor.

 

Partindo então da tensão nula na entrada do comparador de tensão, como ela é inferior à tensão de referência, a saída deste circuito se mantém negativa, com o valor máximo dado pela fonte.

A tensão vai subindo então suavemente, mas mantendo-se inferior à referência nada acontece com saída que se mantém negativa. Chega então o instante em que a tensão de entrada iguala a tensão de referência. Neste momento, o comparador comuta e sua tensão de saída tende a zero.

No entanto, o ganho do comparador é muito grande, da ordem de 100 000 vezes ou mais, o que quer dizer que será muito difícil ele se manter exatamente neste ponto, e com a subida da tensão de entrada para um valor maior que a referência, a saída também sobe para o máximo positivo.

Em suma, quando a tensão de entrada supera o valor de referência, a tensão de saída passa do máximo negativo para o máximo positivo, conforme mostra a figura 7.

 

 

Funcionamento do comparador de tensão
Funcionamento do comparador de tensão

 

No caso do servo, a tensão de referência é a tensão aplicada ao controle, ou seja, a tensão que um potenciômetro de controle determina quando ligado como divisor de tensão.

A tensão de entrada, por outro lado, é determinada pelo potenciômetro que está ligado à alavanca, conforme mostra a figura 8.

 

O potenciometro P1 é acoplado mecanicamente
O potenciometro P1 é acoplado mecanicamente

 

 

Quando então colocamos o potenciômetro de controle numa determinada posição, ele determinada a tensão de referência no comparador.

Supondo que o potenciômetro da alavanca não esteja na mesma posição, é aplicada uma tensão diferente da referência e, portanto a saída do comparador pode ser positiva ou negativa.

Conforme sua polaridade esta tensão vai fazer com que o motor gire num sentido ou no outro movimentando o potenciômetro de realimentação.

À medida que o potenciômetro se movimenta a tensão que ele aplica se aproxima rapidamente da tensão de referência até o momento em que elas se igualam. Quando elas se igualam o motor inverte sua rotação e passando gora a girar no sentido oposto ele rapidamente alcança novamente o ponto de comutação.

Oscilando então em torno da tensão de referência, o motor praticamente para na posição desejada, conforme mostra a figura 9.

 

 

Um conversor DAC de 8 bits
Um conversor DAC de 8 bits

 

Esta oscilação vai depender da inércia do circuito que pode ser ajustada tanto por meios elétricos como mecânicos para que não ocorram vibrações fortes. Podemos usar capacitores no circuito de realimentação ou mesmo recursos mecânicos para esta finalidade.

Se o potenciômetro de controle for mudado de posição, muda a tensão de referência. Imediatamente o comparador comuta no sentido de fazer o motor girar levando o potenciômetro de realimentação a uma posição que gere a tensão que iguala à referência.

Evidentemente, em lugar do potenciômetro de controle podemos usar qualquer circuito que gere a tensão na faixa de atuação desejada.

O circuito pode ser um conversor digital/analógico (DAC), por exemplo, para se obter um controle digital a partir de um computador, conforme mostra a figura 10.

 

 

Acoplando o potenciômetro de realimentação a uma caixa de redução.
Acoplando o potenciômetro de realimentação a uma caixa de redução.

 

Podemos usar sensores resistivos como um LDR para movimentar uma janela para que a intensidade de luz chegue exatamente a um nível pré-determinado, ou mesmo um segundo sensor de posição.

 

Os Servos do Kit Alfa

O Kit Alfa Avançado conta com dois servomotores com características que permitem que ele seja controlado diretamente pelos módulos programáveis MC 2.5. Na figura 11 temos o aspecto desses servos.

 

 

 Servomotor semelhante ao encontrado nos kits Alfa.
Servomotor semelhante ao encontrado nos kits Alfa.

 

Na aplicação prática podemos então, através de uma programação apropriada movimentar a alavanca (parte móvel do servo) de modo que ela gire de qualquer ângulo, ou seja, se posicione da maneira exata que desejamos. Uma aplicação interessante é a sugerida pela própria PNCA nos seus programas educacionais da PETe em que, o servo é usado para movimentar uma caneta de modo que o robô possa fazer desenhos, conforme mostra a figura 12.

 

 Robô artista que manipula uma caneta para desenhar na superfície em que ele se move.
Robô artista que manipula uma caneta para desenhar na superfície em que ele se move.

 

Numa aplicação, pode-se programar o eixo para que ele gire de determinado ângulo, por exemplo, 15º ou 60º, e após o giro determinado, o motor pára e espera novo comando.

O módulo MC 2,5 do Kit Alfa pode controlar até 4 servomotores sempre posicionando-os em ângulos múltiplos de 15º.

Um exemplo simples de programa simples de controle do servomotor do kit Alfa é dado a seguir. Este programa começa com a Servo linha ServoX onde o X varia de 1 a 4, identificando qual é o servo que vai ser controlado. Temos então:

 

Código-fonte
Código-fonte

 

Este programa faz com que o servo 1 se movimente de 45 graus e depois de 1 segundo ele irá ate a posição de 90 graus. Depois de mais um segundo o programa termina.

 

Desafio

Utilizando os servos do Kit Alfa na versão Avançado a primeira idéia interessante de projeto seria a de se montar um robô desenhista, como o mostrado na figura 12.

 

No entanto, o movimento dos servos pode levar a muitos outros desafios de projetos como:

a) Montar um "Plotter" que use dois servos combinados para desenhar figuras numa folha de papel.

b) Movimentar um braço mecânico de modo a colocá-lo em posições programadas para manipular objetos.

c) Fazer uma cabeça mecânica que, usando os sensores de cores seja capaz de "olhar" na direção de um objeto que tenha a cor programada.

d) Os servos também podem movimentar as pernas de um robô caminhante. Você seria capaz de projetar um?

 

Estas são algumas das possibilidades que o Kit Alfa com suas diversas versões oferece aos educadores que desejam implantar a robótica nos currículos de suas escolas. Muito mais pode ser encontrado nos outros artigos da série e consultando-se diretamente a PNCA através do nosso site.

 

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