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Mais Considerações Sobre os Servos do Kit Alfa (MEC135)

No artigo MEC055 explicamos como funcionam os servos e fizemos algumas considerações sobre o uso dos servos ou servomotores disponíveis no kit Alfa. Na ocasião analisamos como podemos realizar movimentos de forma controlada (proporcionais) e precisa possibilitando dotar os projetos de braços móveis, garras e sistema de direção e outros mecanismos de manipulação com facilidade. Neste artigo explicaremos um pouco mais sobre o uso dos 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. Em artigo anterior explicamos como funcionam, mas lembramos um pouco para os que ainda não viram aquele artigo.

 

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.

 

Tensão mais ângulo de giro.
Tensão mais ângulo de giro.

 

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.

 

 

Os Servos por Duração de Pulso

Um outro tipo de servo que é muito utilizado em aplicações de controle remoto e robótica. Podendo ser adquirido pronto em casas especializadas é o servo por pulso.

Na figura 4 temos um servo deste tipo disponível no kit Alfa.

 

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

 

Neste tipo de servo, que é o mais comum e também o encontrado no kit Alfa, a posição da alavanca é determinada pela largura de um pulso que é enviado pelo sistema de controle.

Os pulsos são enviados a razão de 1 a cada 20 milissegundos, com uma largura que varia entre 1 e 2 milissegundos, conforme mostra a figura 5.

 

 A largura dos pulsos varia entre 1 e 2 ms.
A largura dos pulsos varia entre 1 e 2 ms.

 

Na posição neutra, ou seja, com a alavanca centralizada, o pulso tem uma largura de 1,5 milissegundos. Reduzindo então para 1 milissegundo a alavanca se move para a esquerda até um máximo de 90 graus e aumentando até 2 milissegundos ela se move para a direita até um ângulo máximo de 90 graus, conforme mostra a figura 6.

 

 O movimento completo do servo.
O movimento completo do servo.

 

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 7.

 

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:

 


 

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.

Um ponto importante ao se programar um servo no Kit Alfa é o tempo de espera dado em t (no caso 1 t). Dependendo da aplicação pode ocorrer um certo tempo até que o servo consiga movimentar a parte móvel do projeto até a posição desejada. Isso deve ser levado em conta, mantendo o servo ativado com o sinal até que isso ocorra.

Assim, a escolha do tempo certo (espere xt) pode ser um fator crítico para um projeto.

 

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 7.

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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