Serwa modelarskie w robotyce hobbystycznej – Kompendium wiedzy

Słyszałeś(aś) o serwach modelarskich? Spotkałeś się z ich zastosowaniem w robotyce? Niska cena oraz wysoki moment obrotowy, czynią z nich ciekawe źródło napędu. Cały problem polega na odpowiednich modyfikacjach…Oto kompendium wiedzy na ten temat jak wykorzystać serwa modelarskie w robotyce.

Robotyka hobbystyczna, rozwijająca się w Polsce, od zawsze charakteryzowała się pomysłami znacznie obniżającymi koszty budowy urządzeń. Ograniczenia finansowe, a przede wszystkim rynkowe, wymusiły na majsterkowiczach szukanie rozwiązań pozwalających na ominięcie tych przeszkód. Jednym z takim pomysłów, jest wykorzystanie serw modelarskich w układach napędów, po dokonaniu odpowiednich modyfikacji. Ponadto, serwa znalazły swoje miejsce również w budowie manipulatorów oraz małych maszyn kroczących. Artykuł, który przygotowałem, opisuje szczegółowo budowę, sterowanie oraz mniej lub bardziej popularne sposoby przerabiania serw modelarskich stosowane w robotyce.

I. „KLASYCZNE” WYKORZYSTANIE SERW MODELARSKICH (SERWA NIE PODDANE PRZERÓBCE)

Podział i rodzaje serw:

Najpopularniejsze kryteria podziału serw, to budowa wewnętrzna/sposób działania (serwa analogowe i cyfrowe) i waga (mikro, mini, standard, extra-large itp. – w Polsce najpopularniejsze wydają się być mikro o wadze do 10 gram i standardowe o wadze do 50 gram), można również znaleźć serwa do „specjalnych zastosowań” (np. niskoprofilowe).

Serwa cyfrowe dodatkowo posiadają możliwość zaprogramowania pozycji neutralnej. W zastosowaniach robotyki amatorskiej (głównie ze względu na cenę) zdecydowanie królują serwa analogowe i to na nich skupia się ten artykuł. Różnice między serwami typu mikro i standard, oprócz wagi, dotyczą także ceny, momentu obrotowego, poboru prądu i szybkości reakcji. Dużą rolę w przypadku tych parametrów odgrywa marka serwa (należy zapoznać się z dokumentacją producenta). Moment obrotowy najpopularniejszych mikroserw wynosi zwykle do ok. 1,5kg*cm (ramię o długości 1cm jest w stanie unieść 1,5kg), podczas gdy moment serw standardowych może wynieść od 3kg*cm nawet do 15kg*cm.

Budowa i działanie

Serwo modelarskie to nic innego, jak silnik DC sprzężony poprzez odpowiednie układy z potencjometrem, którego pozycja odpowiada położeniu wału wyjściowego. Wysyłając na wejście przewodu sygnałowego odpowiedni zestaw impulsów, wyznaczamy konkretną pozycję położenia orczyka – zadaniem układów wewnątrz serwa, jest jak najdokładniejsze odwzorowanie tej pozycji w praktyce, poprzez obracaniem wału silnika w lewo lub prawo i sczytywanie wartości z potencjometru. (oczywiście opis działania bardzo uprościłem – szczegóły w książkach z podstaw automatyki, czy chociażby tutaj: http://pl.wikipedia.org/wiki/Serwomechanizm).

Najpopularniejsze kolorystyczne oznaczenia przewodów serw:
» przewód czerwony podpinamy do „+” zasilania (zgodnie z dokumentacją serwa, najczęściej po prostu 5V)
» przewód czarny podpinamy do „-” zasilania
» przewód żółty/biały to przewód, który nas najbardziej interesuje – to po nim wysyłamy sygnał sterujący, żeby określić pozycję orczyka.

Sygnał sterujący składa się z impulsów prostokątnych powtarzanych co 20-25ms. Czas trwania jednego impulsu wynosi od 1-2ms, przy czym orczyk znajduje się w pozycji neutralnej („na środku”) przy impulsie trwającym ok. 1,5ms. 2ms odpowiadają więc za maksymalne wychylenie np. w prawo, 1ms odpowiada za maksymalne wychylenie w lewo. Impuls musi się powtarzać co 20-25ms, gdyż jeśli zaniknie, serwo przestanie stawiać opór w celu utrzymania aktualnej pozycji (nie będzie miało punktu odniesienia). 20-milisekundowa przerwa pozwala dodatkowo na obsługę kilku serw równocześnie (obsługujemy kolejne serwa, podczas trwania „przerwy” w pozostałych).

Programowa obsługa nieprzerobionego serwa modelarskiego (na przykładzie BASCOM-AVR)

Przykładowy kod w BASCOM-AVR:

II. METODY PRZERABIANIA SERW MODELARSKICH

1. Zdejmowanie blokady i obsługa jako zwykły silnik DC z przekładnią

Założenia

Ponieważ silniki DC zintegrowane z przekładnią bywają trudnodostępnym i często drogim towarem, bardzo często o wiele prościej (i taniej) jest wykorzystać jako napęd przerobione serwo modelarskie. Naszym celem jest „ominięcie” elektroniki serwa i zdjęcie mechanicznej blokady z jednej z zębatek. Sterowanie odbywa się jak zwykłym silnikiem DC – poprzez mostek H.

Przerabianie serwa standardowego

1. Zdejmujemy orczyk
2. Wykręcamy śruby ze spodu serwa
3. Zdejmujemy dolną i górną obudowę
4. Wycinamy/piłujemy blokadę mechaniczną (wypustkę na jednej z zębatek)

5. Wycinamy/piłujemy blokadę mechaniczną (wypustkę na jednej z zębatek)
6. Widoczne luty to zaciski silnika
7. Wkładamy cienki śrubokręt między plastikową osłonę i zębatkę na osi silnika i delikatnie wypychamy silnik z obudowy
8. Demontujemy widoczny potencjometr

9. Potencjometr ucinamy i izolujemy przewody
10. Odlutowujemy przewody zasilania i sygnałowy
11. Wybieramy z nich dwa i lutujemy je bezpośrednio do zacisków silnika (patrz: punkt 6.)
12. Wkładamy silnik z płytką do obudowy, zakładamy zębatki

13. Skręcamy obudowę i gotowe 😉

Niektórzy wolą usunąć płytkę z elektroniką i zostawić sam silnik z dwoma przewodami – oczywiście, można i tak. W moim przypadku silnik jest unieruchomiony płytką, więc jej usunięcie sprawi, że zacznie się obracać. Dodatkowo, stosunkowo łatwo można odwrócić zmiany i przywrócić serwo do pierwotnej funkcjonalności (kwestia zastąpienia blokady np. wciśniętym w plastik na gorąco metalowym pręcikiem).

Przerabianie mikroserwa

1. Zdejmujemy orczyk
2. Wykręcamy śruby ze spodu serwa
3. Zdejmujemy dolną i górną obudowę
4. Wycinamy/piłujemy blokadę mechaniczną (wypustkę na jednej z zębatek)

5. Wycinamy/piłujemy blokadę mechaniczną (wypustkę na jednej z zębatek)
6. Usuwamy metalowe „skrzydełka” potencjometru…
7. …żeby potencjometr mógł bez przeszkód obracać się o 360 stopni
8. Odcinamy przewody potencjometru…

9. …przewody zasilania, przewód sygnału sterującego i przewody przylutowane do silnika
10. Wybieramy dwa przewody i lutujemy je bezpośrednio do zacisków silnika (trzeci przewód można odciąć/oderwać, ja zostawiłem, bo nie przeszkadza – żółty przewód nie jest do niczego przylutowany)
11. Skręcamy obudowę i gotowe.

Programowa obsługa przerobionego serwa

Przerobione w ten sposób serwo jest w praktyce zwykłym silnikiem DC z przekładnią, najprościej więc nim sterować za pomocą mostka H.
Schemat połączeń:

Przykładowy kod w BASCOM-AVR:

Zalety rozwiązania

• Sterowanie takie, jak zwykłym silnikiem DC
• Cena i dostępność w porównaniu z silnikami DC zintegrowanymi z przekładnią (choć nie zawsze jest to regułą)
• Zasilanie rzędu 5-6V (w przypadku stosowania popularnych układów scalonych zasilanych napięciem 5V)
• Mocowanie kół przy wykorzystaniu orczyków
• Łatwe mocowanie serwa do podwozia/obudowy robota
• Stosunkowo duży moment obrotowy

Wady:

• Wysokie przełożenie skutkuje małą prędkością obrotową wału wyjściowego (można to do pewnego stopnia kompensować stosując odpowiednio duże koła)

2. Przeróbka typu „BoeBot”

Założenia

Nie zawsze możemy sobie pozwolić na zastosowanie dodatkowego mostka H do sterowania serwami przerobionymi w sposób pokazany w punkcie 1. Istnieje możliwość wykorzystania elektroniki na płytce serwa i jest to ciekawa alternatywa przerabiania serw. Jeśli wyślemy sygnał sterujący odpowiadający skrajnemu wychyleniu orczyka w jednym kierunku, a potencjometr stale będzie wskazywać pozycję neutralną, to silnik będzie pracować tak długo, jak długo będziemy ten sygnał wysyłać. Główne założenie polega więc na „unieruchomieniu” potencjometru w pozycji neutralnej. Możemy to osiągnąć na dwa sposoby.

W przypadku, gdy potencjometr przymocowany jest do PCB „na sztywno”, sprawa jest prosta.

1. Rozkręcamy serwo, demontujemy zębatki
2. Śrubokrętem lub nożykiem podważamy płytkę i wysuwamy ją z obudow
3. Pierwszym krokiem będzie skrócenie wyprowadzeń potencjometru
4. Podgrzewamy trzy pola lutownicze i wpychamy potencjometr nieco głębiej, lutujemy dla pewności i obcinamy wystające „nóżki”
5. Skracamy wystający ruchomy element potencjometru – pilnikiem lub miniszlifierką elektryczną. Staramy się przy tym nie wyginać płytki serwa
6. Podłączamy multimetr i mierzymy rezystancję między dwoma skrajnymi wyprowadzeniami (jeszcze dokładniejszy wynik uzyskamy, gdy zmierzymy to przy wylutowanym rezystorze)
7. Przykładowy wynik dla mojego serwa to 2,29k. Dzielimy to na dwa…
8. Mierzymy rezystancję między dwoma sąsiednimi wyprowadzeniami potencjometru i kręcimy tym co zostało z pokrętła tak, żeby uzyskać nasz wynik z dzielenia…
9. …a następnie unieruchamiamy ten element, np. przy pomocy kleju na gorąco
10. Przymiarka po włożeniu płytki w obudowę – potencjometr nie może wystawać
11. Pamiętamy o usunięciu blokady z zębatki. Składamy składamy i skręcamy serwo – gotowe.

W niektórych serwach – w szczególności w mikroserwach – potencjometr połączony jest giętkimi przewodami. W dodatku, dla mikroserw, trzeba pamiętać, że potencjometr stanowi oś dla dwóch zębatek. Zostawiamy więc odłączony potencjometr, a w jego miejsce podłączamy parę rezystorów.

1. Rozkręcamy serwo, demontujemy zębatki
2. Przecinamy przewody od potencjometru, zapamiętując który odpowiada za które wyprowadzenie
3. Podłączamy multimetr do skrajnych wyprowadzeń potencjometru
4. Zmierzoną wartość (w moim przypadku 5k) dzielimy na 2. Ponieważ nie posiadałem rezystorów o wartości 250Ohm, zastąpiłem je 270Ohm. Po pomiarach przewody dochodzące do potencjometru ucinamy
5. Lutujemy rezystory do przewodów od skrajnych wyprowadzeń potencjometru. WAŻNE Do tego celu najlepiej wykorzystać rezystory subminiaturowe, a nawet w obudowie SMD – jeśli ktoś ma dobry wzrok…
6. Wolne końce rezystorów lutujemy do trzeciego przewodu
7. Po usunięciu blokady z zębatki i „skrzydełek” potencjometru (jak w rozdziale o standardowej przeróbce mikroserwa) staramy się to wszystko „upakować”. Polecam zaizolować nasze rezystory kawałkiem taśmy przed włożeniem do obudowy (żeby nie dotykały metalowego potencjometru). Jeśli przeróbce poddaliśmy standardowe serwo, to stary potencjometr można oczywiście wyjąć i zatrzymać na pamiątkę 😉

Programowa obsługa przerobionego serwa

Przykładowy kod w BASCOM-AVR:

Zalety rozwiązania

• Sterowanie niemal identyczne, jak zwykłym serwem modelarskim (brak konieczności stosowania mostka H)
• Cena i dostępność w porównaniu z silnikami DC zintegrowanymi z przekładnią (choć nie zawsze jest to regułą)
• Zasilanie rzędu 5-6V (w przypadku stosowania popularnych układów scalonych zasilanych napięciem 5V)
• Mocowanie kół przy wykorzystaniu orczyków
• Łatwe mocowanie serwa do podwozia/obudowy robota
• Stosunkowo duży moment obrotowy

Wady:

• Brak możliwości płynnego regulowania prędkości obrotowej wału wyjściowego serwa
• Wysokie przełożenie skutkuje małą prędkością obrotową wału wyjściowego (można to do pewnego stopnia kompensować stosując odpowiednio duże koła)

3. Nagrywanie ruchu serwa

Założenia

Ten sposób jest dość nietypowy, podobnie jak raczej nietypowe będą jego zastosowania. Należy również być ostrożnym podczas pierwszych prób – jeśli mikroprocesor w porę nie zareaguje na przekroczenie przez orczyk bezpiecznej granicy działania, serwo zatrzyma się na mechanicznej blokadzie – znacznie wzrośnie pobierany prąd (długotrwałe działanie w tym stanie może nawet spowodować stopienie izolacji uzwojeń silnika i – w konsekwencji – zwarcie zasilania silnika), a w przypadku tańszych serw może dojść do uszkodzenia zębatek.
Przerobione w ten sposób serwa (trzy) zastosowałem w moim Smyraczu (być może wkrótce pojawi się na forum), który jest niczym innym jak… manipulatorem „programowanym” na żywo poprzez ręczną animację poszczególnych punktów swobody. Efekt działania takiego serwa można zobaczyć na moim filmie:

Przeróbka niewiele różni się od tej z rozdziału II.1. W tym jednak przypadku zostawiamy blokadę mechaniczną na jednej z zębatek i nie wyrzucamy potencjometru.

Dwa przewody ze starego kabla od serwa lutujemy bezpośrednio do wyprowadzeń silnika (obojętnie czy silnik jest przymocowany do PCB, czy nie), trzeci natomiast do środkowego wyprowadzenia potencjometru. Dodatkowo prowadzimy jeszcze dwa przewody, które lutujemy do zewnętrznych wyprowadzeń potencjometru. Całość widać dobrze na zdjęciu:

Programowa obsługa przerobionego serwa

Przykładowy kod w BASCOM-AVR:

Zmniejszając częstotliwość próbkowania, zwiększamy płynność ruchu kosztem czasu trwania całej nagrywanej sekwencji. Czas ten można zwiększyć odpowiednio zwiększając ilość elementów w tablicy (tak, by nie przepełnić pamięci uC).

Zalety rozwiązania:

• Zasadniczo mamy działający serwomechanizm, przy czym jego funckjonalność została rozszerzona o możliwość nagrywania ruchu

Wady:

• Możliwość uszkodzenia serwa, mostka H i układu zasilania w przypadku niewłaściwego sterowania
• Konieczność zastosowania aż pięciu przewodów.

III. INNE INFORMACJE

1. Mocowanie kół do serwa

Koła zakładane zamiast orczyka

Najwygodniejsze, ale i zarazem dość drogie (głównie ze względu na przesyłkę) rozwiązanie. Koła takie po prostu wsuwa się na wał wyjściowy serwa i dokręca śrubką.

Do kupienia np. w KAMAMI

Koła przykręcane do orczyka

Tutaj można się pokusić o gotowe rozwiązania, jednym z nich są produkty firmy Tamiya:

Do kupienia również w KAMAMI.

„Domowe sposoby”

W tym przypadku jedynym ograniczeniem jest właściwie tylko wyobraźnia i pomysłowość. Najprostszy i chyba najtańszy sposób to niezawodne połączenie wieczek od słoików i paru kropli hot-glue (warto bardzo dokładnie wyznaczyć środek koła):

Nic nie stoi też na przeszkodzie, żeby w takim wieczku wywiercić otwory zgodne z tymi w orczyku i przymocować je przy pomocy cienkich śrubek (ten sam sposób, co w komercyjnych produktach). Dodatkowo można też np. okleić brzeg wieczka gumową uszczelką do okien – znacznie poprawimy w ten sposób przyczepność do podłoża.

Bardziej od wieczek „profesjonalnie” wyglądające koła znajdziemy w sklepie modelarskim (podwozia do samolotów) – wydatek od kilku do kilkunastu złotych za parę (zależnie od rozmiarów i użytego materiału). Pomocą służą również stare zabawki-samochody.

2. Gdzie kupować?

Allegro

Najtańsze nowe serwa typu „standard” można dostać już od ok. 13 zł (Tower Pro SG 5010), mikroserwa od ok. 10zł (Turnigy TG9e). Ponadto, bardzo często po naprawdę okazyjnych cenach można dostać serwa lepszych firm (od HiTec’a aż po Futaba) używane, wystarczy co jakiś czas przeglądać oferty i „polować” na okazję.

Polskie sklepy modelarskie

Serwa w takich sklepach są zazwyczaj nieco droższe niż te same oferowane na Allegro, ale może być to alternatywa dla ludzi np. nie posiadających na Allegro konta lub chcących obejrzeć i „pomacać” towar przed zakupem. 😉