Um problema crônico para todo projetista de unidades robóticas são as caixas de redução, especialmente àqueles que estão começando a trabalhar na área. O preço elevado desses dispositivos muitas vezes torna impraticável a construção de um robô, o que desanima muitos a começar. Dada complexidade destes sistemas, não é tão simples de construí-los artesanalmente.

 

1 – Introdução

 

Visto que na maioria das unidades robóticas o uso de caixas de redução se faz necessário, já trouxemos algumas soluções aos que gostariam de ingressar a esta área e não tem muitos recursos. Agora trazemos uma nova alternativa de aplicar caixas de redução de qualidade em suas montagens e o mais importante, a um preço bastante acessível.

 


 

Autor: Wagner Rambo
Área: Mecatrônica
Nível: Intermediário

 

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O meio mais fácil de obter uma caixa de redução de qualidade é pelo uso de servo-motores, se bem que estes não são dispositivos tão baratos, especialmente os que apresentam giro de 360°, que são ideais para locomoção de um robô móvel. Mas existem os servos de antena parabólica que por sua vez tem um preço bastante acessível no mercado. Entretanto este servo apresenta algumas desvantagens tais como não se movimentar a 360°, não apresentar um eixo adequado para incorporar os sistemas mecânicos utilizados no projeto (rodas, outras engrenagens, etc) e ainda uma pequena travada quando comandado para o ângulo de 0°. E é aí que entra o presente artigo. Eis aqui o modo de como contornar estes problemas, através da conversão destes servos de parabólica (figura 01).

 

Figura 01: Servo-motor utilizado em sistemas de parabólica.

2 – Os Processos Utilizados

Há diversas alternativas para realizar a conversão desses servo-motores, apresentaremos algumas e você leitor decide quais utilizar, pelas que melhor se adequarem aos seus projetos. Dividiremos em tópicos para facilitar o entendimento. O primeiro deles consiste em converter o servo de posição para caixa de redução. Depois, mostraremos como converter o servo de posição para um servo de rotação. O terceiro tópico mostrará como solucionar o problema da ausência do eixo do servo. Finalizaremos o artigo dando dicas para evitar aquele travamento característico, que este servo apresenta no ângulo de 0°.

3 – Servo de Posição para Caixa de Redução

Todo servo de parabólica é originalmente um servo de posição. Servo-motor de posição é aquele que, através de comandos PWM, define-se a posição que o eixo assumirá, dada em graus. Este comando pode ser feito a partir de microcontroladores previamente programados ou então com circuitos eletrônicos específicos de controle, mas isso é outra história.
Uma caixa de redução consiste em um arranjo de engrenagens, destinado a reduzir a velocidade angular do eixo e aumentar o seu torque. O processo de conversão deste tópico irá transformar o servo de parabólica em uma caixa de redução, já contendo o seu motor de tração. Este dispositivo poderá então ser utilizado para locomoção de robôs móveis autônomos, por exemplo, pois apresentará giro de 360°, podendo ser controlado por drives como ponte H.
Iniciaremos abrindo o servo-motor. Com uma chave de fenda média, atue próximo aos furos destinados à fixação do servo para soldar a tampa principal. Depois, com a mesma chave, remova o disco que está encaixado no eixo. Na figura 02 pode-se ver este procedimento.

 

Figura 02: Removendo a tampa principal (A). Servo com a tampa principal removida (B). Removendo o disco do eixo (C). Servo com disco do eixo removido (D).

Alguns servos de parabólica, como o modelo utilizado neste artigo, apresentam uma espécie de resina para fixação dos fios a fim de que caso sofram tensão não sejam arrancados abruptamente do circuito eletrônico de controle. Para abrir o setor da caixa de redução, onde as engrenagens estão localizadas, é necessário remover esta resina. Com uma chave de fenda é possível removê-la, raspando cuidadosamente para não danificar os fios. Depois, com o auxílio de um canivete, force devagar o ponto de encaixe da parte superior, que contém as engrenagens; como a parte inferior que apresenta o motor, potenciômetro e circuito de controle. Isto tornará possível a remoção da parte superior do servo, revelando sua caixa de redução. É neste ponto que iremos atuar para convertê-lo para giro contínuo. Veja na figura 03 os procedimentos descritos. Vale destacar que este procedimento é irreversível, uma vez realizada a conversão não será mais possível tornar o dispositivo um servo de posição.

 

Figura 03: Removendo a resina de proteção dos fios do servo (A). Utilizando um canivete para soltar a tampa da caixa de redução (B). Tampa removida do servo (C). Detalhe das engrenagens da caixa de redução (D).

Observando-se atentamente a figura 03 (D), podemos notar que, na engrenagem maior, justamente a engrenagem do eixo principal do servo que também está acoplada ao potenciômetro de posicionamento, há uma pequena saliência na lateral do eixo. Esta saliência consiste na trava que impede que a caixa de redução apresente um giro de 360°. O que faremos a seguir é remover esta trava, com auxílio de uma micro retífica com acessório de disco de corte. Quem não tiver esta ferramenta poderá remover a trava com um ferro de solda ou com uma serrinha manual, por exemplo. É importante salientar que o usuário utilize luva de proteção para manusear tais ferramentas. Remova a trava tomando o máximo de cuidado para não danificar a engrenagem e nem as engrenagens vizinhas. Depois, também com o disco de corte, iremos remover outras duas saliências, presentes na parte inferior da tampa da caixa de redução, fazendo com que as engrenagens possam de movimentar livremente (figura 04).

 

Figura 04: Utilizando micro retífica com disco de corte para remover a trava da engrenagem principal (A). Trava totalmente removida da engrenagem principal (B). Removendo as travas da parte interna da tampa da caixa de redução (C). Travas da tampa removidas (D).

Agora iremos retirar o circuito de controle do servo. Para isso, utilize um ferro de solda de 40 ou 60W e sugador apropriado. Iremos dessoldar os três terminais do potenciômetro e os terminais do motor. Com isto será possível retirar o circuito de controle visto que só restarão o motor e o potenciômetro na parte inferior do servo. O potenciômetro é o dispositivo que ainda limita o giro do eixo principal em 270°, no entanto, este não pode ser removido do sistema, a menos que fosse substituído por um eixo adequado, procedimento que daria certo trabalho e possivelmente não teria um resultado satisfatório. O que faremos é remover a trava mecânica que limita o giro deste eixo a 270°, possibilitando-o a girar livremente. Há três engates que devem ser abertos com auxílio de uma chave de fenda. Isto tornará possível remover a base do potenciômetro e seus terminais. Acompanhe na figura 05.

 

Figura 05: Dessoldando os terminais do potenciômetro e do motor para retirar a placa de controle (A). Placa de controle completamente retirada do servo (B). Atuando nas travas para retirar a base do potenciômetro (C & D).

Com a base e terminais do potenciômetro removidos, observe uma peça plástica fixa ao eixo central contendo lâminas metálicas. Esta peça que contém as lâminas é responsável por variar a resistência do potenciômetro, fazendo-o atuar como divisor de tensão, mas não entraremos nestes pormenores, pois não é o foco do presente tutorial. Outra função da mesma peça consiste em servir como trava para o potenciômetro, fazendo-o girar apenas 270°. Em outras palavras, isto torna bem claro o próximo passo que consiste em retirarmos a peça permitindo assim que o eixo do potenciômetro também gire livremente. Em outras palavras, o potenciômetro será convertido para simples acessório mecânico através deste procedimento. Com o disco de corte (ou com acessório de mini esmeril, por exemplo) atue no centro do eixo que fixa esta peça, tomando cuidando para não danificar os setores periféricos. Forçando um pouco com uma chave de fenda, retire a peça completa do potenciômetro. Isto possibilita finalmente que a caixa de redução gire livremente 360°. Solde um capacitor de 100nF / 63V nos terminais dos motores, para servir como fonte de ação rápida e proteção do circuito de controle. Veja estas etapas na figura 06.

 

Figura 06: Atuando no eixo principal para remoção da peça de trava do potenciômetro (A). Removendo com auxílio de uma chave de fenda, a peça plástica (B). Potenciômetro limpo, servindo como acessório mecânico para o eixo principal (C). Capacitor de 100nF / 63V soldado nos terminais do motor (D).

Para finalizar o primeiro processo de conversão descrito, transformando o servo de posição em uma caixa de redução comum, solde um cabo paralelo nos terminais do motor, efetue furos na tampa traseira do servo para passar este cabo e para fixá-lo em seu projeto e feche as tampas superior e inferior (figura 07). As tampas poderão ser fixas com pressão, cola ou parafusos, vai da escolha do projetista. Agora você tem uma caixa de redução industrial, com alto torque, ideal para movimentar um robô móvel autônomo. E o mais importante, confiável e a um baixo custo.

 

Figura 07: Cabo paralelo soldado nos terminais do motor (A). Finalização do processo, servo-motor totalmente convertido e pronto para ser utilizado como caixa de redução comum (B).

 

4 – Servo de Posição para Servo de Rotação

Um servo de rotação é um dispositivo que apresenta um motor acoplado a uma caixa de redução e é controlado através de pulsos PWM, devido ao circuito de controle contido em seu interior. O que o diferencia de um servo de posição é que este apresenta giro de 360° podendo ser utilizado no lomoção de robôs móveis autônomos. O que o diferencia de uma caixa de redução é o fato de ser controlado de forma semelhante aos servos de posição, afinal uma caixa de redução comum precisa de um circuito drive (como ponte H) e normalmente 2 bits mínimos de comando. Em suma, o servo de rotação não necessita de um circuito drive, visto que apresentará seu próprio circuito de controle e ainda pode ser comandado em ambos os sentidos através de um único bit, com pulsos PWM adequados.
Para efetuar esta conversão, repita os passos supracitados no tópico 3 (Servo de Posição para Caixa de Redução), no entanto somente até a figura 6 (C).
Tudo que precisará ser feito é pegar o circuito de controle que fora removido do dispositivo e, no lugar dos terminais do potenciômetro, soldar dois resistores de 2,2kΩ (1/8W) entre o furo central e a respectiva extremidade, bem como mostra a figura 08. Porque isso? Porque o potenciômetro dos servos de parabólica apresenta o valor de 4,7kΩ (ou 5kΩ em alguns casos). Significa que ao soldar estes resistores de valor constante estamos “enganando” o circuito de controle fazendo-o “enxergar” aqueles pontos como se o potenciômetro estivesse sempre na posição central! Está certo que 2,2kΩ não é exatamente a metade de 4,7kΩ, tão pouco 5kΩ. Mas como se trata do valor comercial mais próximo à metade e, dada tolerância imposta pelos componentes, na prática o funcionamento é satisfatório.

 

Figura 08: Detalhe da placa de controle removida anteriormente do servo-motor (A). Resistores de 2,2kΩ 1/8W soldados na placa, simulando um potenciômetro na posição central (B).

Feito isso, encaixe a placa de controle em seu lugar e ressolde os terminais do motor nos respectivos pontos. Feche o servo completamente e poderá utilizá-lo com giro contínuo em sua unidade robótica móvel, comandando-o através de pulsos PWM em qualquer sentido.


5 – Adaptando um Eixo de Movimentação

Conforme comentamos no início do tutorial, o servo de parabólica ainda apresenta como desvantagem o fato de não possuir um eixo adequado para movimentar as estruturas mecânicas de um robô móvel, visto que é produzido para antenas parabólicas. A próxima etapa consiste na adaptação de um eixo que torne mais fácil a utilização do servo em si. Esta etapa pode ser realizada para o servo de parabólica, seja ele em seu padrão original (servo de posição) ou nas conversões demonstradas nos tópicos anteriores (como caixa de redução ou servo de rotação). O eixo será produzido com dois parafusos de ¼’’, facilmente encontrados em lojas de ferragens, que podem apresentar o comprimento que o projetista necessitar.
Retire o disco que está encaixado no eixo principal do servo. Com um paquímetro, mede-se o diâmetro inferior do disco. Como pode-se verificar o diâmetro é de cerca de 9mm. Realiza-se um furo em uma peça plástica ou de madeira para encaixar o disco, deixando-o em superfície plana, isto facilitará a usinagem na peça. Posicione duas porcas sextavadas de ¼’’ conforme imagem (figura 09) e faça a marcação com caneta de retroprojetor. Nestes pontos serão feitos furos com broca de 3,5mm, por onde passará os parafusos de ¼’’ que servirão como o eixo de movimentação do dispositivo.

 

Figura 09: Medindo o diâmetro interno do disco do servo-motor (A). Posicionando o disco em superfície plano, encaixado em furo de 9mm, posicionando as porcas sextavadas de ¼’’ para marcação (B). Marcando com caneta de retroprojetor os pontos a serem furados (C).

Com a posição dos furos marcada no disco, iremos utilizar o ferro de solda para realizar uma pequena reentrância em cada um, facilitando o processo de furação e guiando a broca. Após, mantendo o disco ainda encaixado na mesma superfície, efetuaremos os dois furos com broca de 3,5mm, utilizando para isto a furadeira de bancada (figura 10). Utilize luva de proteção para sua segurança. Caso não possua esta ferramenta poderá utilizar furadeira comum ou, em último caso, efetuar o furo totalmente com ferro de solda, removendo as rebarbas com canivete.

 

Figura 10: Realizando duas pequenas reentrâncias com ferro de solda na marcação dos furos para guiar a broca evitando escorregões (A). Efetuando os furos com a furadeira de bancada e broca de 3,5mm (B). Disco do eixo com os furos finalizados (C & D).

Como pode ser visto da figura 10 (D), ainda restaram vestígios da circunferência central do disco, lateralmente aos furos, eles impedem que o parafuso de ¼’’ possa ser fixo posteriormente com porcas. Estes resíduos devem ser cuidadosamente removidos com disco de corte, até que o parafuso possa ser encaixado nos furos sem problemas. Deve-se tomar extremo cuidado para não danificar o restante da circunferência central, pois ela ainda será necessária para sustentar o disco no eixo principal do servo. Com auxílio de um parafuso auto-atarraxante fixe o disco em uma superfície de madeira para que o mesmo possa ser usinado sem perigo de ferimentos ao projetista (figura 11).

 

Figura 11: Com o disco de corte, retirando os resíduos laterais da circunferência central do disco (A). Disco totalmente usinado (B).

Agora selecione dois parafusos de ¼’’ com o comprimento necessário ao seu projeto e fixe-os com o auxílio de duas porcas sextavadas apropriadas. No caso do exemplo, foram utilizados dois parafusos de ¼’’ com 5cm de comprimento, pois se adequarão ao nosso projeto. Prenda-os fortemente com chave de fenda e alicate de bico (figura 12).

 

Figura 12: Parafusos e porcas de ¼’’ selecionados para fazer as vezes do eixo do servo-motor (A). Fixando os parafusos e porcas no disco (B). Disco com os parafusos e porcas totalmente fixos (C & D).

Agora seleciona-se um pequeno parafuso auto-atarraxante para prender o disco firmemente ao eixo do servo motor. A rosca para este parafuso é feita utilizando ele mesmo e uma chave adequada. Após, encaixa-se o disco no eixo principal do servo e o prendemos com o pequeno parafuso (figura 13).

 

Figura 13: Fazendo a rosca para o pequeno parafuso de fixação do disco (A). Disco fixo e servo finalizado (B & C).

Com o servo finalizado agora é só utilizá-lo na aplicação desejada, através da fixação do elemento a ser movimento nos parafusos/eixo com auxílio de mais porcas sextavadas. Na figura 14 trazemos um exemplo prático, onde uma roda off road para movimentação de robôs móveis autônomos foi fixa no servo-motor convertido.

 

Figura 14: Roda off road presa ao servo-motor já convertido.

6 – Contornando o problema de travamento em 0°

Conforme dito no início do tutorial, para os que utilizarem o servo de parabólica como servo de posição, há o problema do mesmo apresentar uma falha quando direcionado ao ângulo de 0°. Esta falha caracteriza-se com uma travada na movimentação seguida de um solavanco. A dica que damos para que o problema não ocorra é mandar o servo se movimentar até no mínimo 5º, posição em que o problema não ocorre. Como o máximo ângulo consiste em 180°, para manter a simetria, controle o servo entre 5º e 175º, dessa forma o mesmo poderá ser utilizado da mesma forma que os servos convencionais padrão FUTABA. Vale lembrar que os servos de parabólica em geral apresentam torque de 4,1kg.cm, valor bastante eficiente para movimentar estruturas mecânicas. Outra dica consiste na soldagem de conectores MODU fêmea nos fios do servo, facilitando sua conexão com a placa de controle.


7 – Conclusão

Apresentou-se uma alternativa viável para aqueles que desejam incorporar caixas de redução de qualidade em seus projetos, a custos acessíveis, visto que estes dispositivos são de uma utilidade relevante em projetos de robótica, especialmente robôs móveis autônomos. A solução apresentada foi pelo uso de servos de parabólica previamente convertidos que apresentam bom desempenho e torque, ideal para aplicações do gênero. O usuário poderá aplicar os conhecimentos adquiridos da forma que melhor encontrar para seus projetos de robótica ou mecatrônica.

 

 

 


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