Servomotores: el primer paso hacia tu robot  

Estos dispositivos son considerados una de las materias primas en el diseño y la construcción de los robots. Si combinamos y administramos los movimientos en un montaje mecánico adecuado, un grupo variable de servomotores puede dar motricidad y locomoción a sistemas controlados de manera local o remota. Desde pequeñas aplicaciones didácticas hasta el más complejo diseño robótico. Los límites son tu imaginación y tus ganas de aprender.Dadme un punto de apoyo y moveré al mundo” habría dicho Arquímedes de Siracusa, arrastrado quizá por un entusiasmo desmedido ante su descubrimiento de la ley de la palanca. A partir de allí comienza la historia de las máquinas simples, y el dispositivo que veremos y aplicaremos hoy en este artículo es un buen ejemplo de ello.

   

 Un servomotor es básicamente un actuador mecánico basado en un motor y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final, el cual posee elementos de control para monitorear de manera constante la posición de un elemento mecánico que será el enlace con el mundo exterior. Es decir, ante una acción inducida electrónicamente a un servomotor, obtendremos por resultado una respuesta mecánica controlada. Por ejemplo, los motores que forman parte de una impresora, junto a los sistemas de control de avance o retroceso del papel, forman un servomotor.

 
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Un clásico servomotor de reconocida marca y para aplicaciones sencillas

 
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Las aplicaciones de estos sistemas esclavos se pueden observar mayormente en aeromodelismo y robótica, pero no son exclusivos de estos usos. Cualquier sistema que requiera un posicionamiento mecánico preciso y controlado dependerá de un servosistema o servomecanismo, actuado, por supuesto, por un servomotor. El zoom de una cámara, el autoenfoque de un conjunto óptico, un sistema de movilización de cámaras de vigilancia y hasta las puertas automáticas de un ascensor son sencillos ejemplos de su aplicación.

El motor posee la característica de girar a una buena velocidad, la cual disminuye por los juegos de engranajes de la caja reductora que aprovechan esta velocidad para transformarla en fuerza de trabajo. Al girar el último engranaje acoplado al eje de salida obtenemos una velocidad notablemente reducida, a pesar de que, dentro del sistema, el motor está girando a altas velocidades.

 
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Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor
 

Además, en esta última rueda de acoplamiento encontraremos topes o límites de recorrido para entregarnos en la salida final un giro de 180° del brazo actuador. En la mayoría de los servomotores, este desplazamiento angular es “copiado” por un potenciómetro incorporado al sistema de control y solidario en forma mecánica al eje externo. Este sensor resistivo se encargará de informarle al sistema la posición que posee el actuador exterior para así controlar con exactitud que la instrucción de posicionamiento enviada esté siendo ejecutada fielmente.

Conectando un servo
Las conexiones son muy sencillas y se basan en una normativa de colores muy elementales que involucran al Rojo como positivo de la alimentación principal, junto a otro cable que puede ser de color Negro o Marrón y que, por lógica, podemos deducir que se trata del negativo de alimentación. Un tercer cable, correspondiente al control de posicionamiento del actuador mecánico, es Amarillo o Blanco. En la primera imagen se puede apreciar el conjunto de colores Rojo – Negro y Amarillo para la conexión en servomotores de la marca HITEC.

La tensión de trabajo de los servomotores suele estar comprendida entre los 3 y los 7 Volts, siendo 5 Volts la tensión que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones fijas donde interviene una fuente de alimentación conectada a la red de energía domiciliaria, y 6 Volts para los casos de alimentación a baterías cuando se trata de equipos móviles. En todos los casos, siempre se requiere de una señal de control de 5 Volts de amplitud.

La señal de control del servo
Como mencionamos al principio, los servomotores se controlan mediante impulsos de ancho variable que deben refrescarse periódicamente. Esto significa que si dejamos de enviar la señal de control en el tiempo en el que el servomotor lo necesita, éste (a pesar de estar energizado) dejará de mantenerse en la posición preestablecida y adoptará cualquier orientación regida por el esfuerzo al que esté sometido. Es decir, si no mantenemos la señal de control en forma efectiva todo el tiempo que sea necesario, el sistema quedará a merced de las fuerzas externas a la que sea sometido. Por ejemplo, un brazo de palanca dejará de sostener un objeto y se dejará caer todo el trayecto mecánico que pueda recorrer, o un sistema erguido en vertical se caerá hacia atrás o hacia adelante al momento en el que el servomotor deje de “sostener” la aplicación en la posición preestablecida.

Para bloquear al servomotor en una posición es necesario, entonces, enviarle continuamente la señal con la posición deseada. De esta forma, el sistema de control seguirá operando y el servo conservará su posición y se resistirá a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición.

 

Tiempos de duración de los impulsos y dirección obtenida del actuador
 

El refresco se realiza habitualmente con una frecuencia de 50 veces por segundo, pero es normal y efectivo trabajar entre los 10 y los 30 milisegundos, tal como muestra el diagrama. Por otro lado, el ancho del impulso, es decir, su tiempo de duración, dará la posición u orientación del actuador mecánico. En este punto en particular, es decir, cuando se está constantemente atento a enviar un impulso de duración exacta para evitar oscilaciones mecánicas indeseadas, se centra la complejidad y la cautela al trabajar con servomotores.

Si para el control de uno de estos sistemas utilizamos un microcontrolador que además de actuar sobre el servomotor deba realizar otras actividades, se nos planteará siempre el temor de no lograr actuar en los tiempos requeridos por estos sistemas. Sin embargo, la clave de un funcionamiento satisfactorio y de una realización sin mayores complicaciones se basa en la utilización de un cristal de alta frecuencia (20 Mhz) para poder ejecutar todo el trabajo adicional que sea necesario hasta que llegue el momento de refrescar nuevamente el impulso de control del servomotor. Esto debe ir acompañado, por supuesto, de la observación cuidadosa del diagrama de tiempos de nuestra aplicación.
 

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