En este artículo se describe un componente fundamental en la robótica de pequeña y mediana escala y en el modelismo: el servo.

Un servo es un motor y un regulador que permite controlarlo en base a consignas de posicionamiento, par, velocidades y/o aceleraciones. En el caso de los servomotores de modelismo y robótica, este control siempre se realiza con la consigna de posicionamiento angular.

Característica mecánicas

Los tamaños y pesos de los servos de modelimo son muy variados: desde los microservos para helicópteros RC miniatura hasta maquetas de cohces de RC 1/5 o aeroplanos en escalas superiores. Asociado al tamaño del servo suele ir el par de fuerza que puede realizar, valor que también va ligado a la potencia consumida y a la calidad de los componentes internos.

La salida de fuerza de un servo es un eje estriado en el que se pueden acoplar diferentes accesorios o horns: redondos o de 1 a 4 brazos en cruz, con agujeros de sujeción. Estos accesorios están estriados para encajar en el eje y que no deslicen. Además, van sujetos con un tornillo central para evitar que se desprendan. A diferencia de otros motores, el eje de salida no puede dar vueltas: normalmente está limitado para girar 180º (en realidad suelen alcanzar los 270º), o sea, menos de una vuelta de recorrido total. Esta limitación es tanto mecánica: físicamente NO puede girar; como electrónica: los valores de consigna fuera de rango no responden.

La entrada de alimentación de un servo es normalmente en un rango de tensiones de 4,8V a 6,0V. Los consumos de corriente pueden variar según el par que ese ejerciendo para mantener la posición consigna o para intentar alcanzarla. La variación de la tensión de entrada influye directamente sobre la velocidad de giro, que se suele medir como el tiempo que tarda en girar una cantidad fija de grados, normalemente 60º.

Foto 1: Servo motor de aeromodelismo

Control de un servomotor

El control del servomotro se realiza indicándole una posición angular absoluta de su eje a través del cable de señal. Esta señal es una onda cuadrada con un período constante (sobre los 20ms, dependiendo del fabricante), pero de ciclo de trabajo variable (duty cycle). La señal debe permanecer a un valor alto (tensión de alimentación) durante 0,3ms y el resto del tiempo a 0V para conseguir la posición de 0º; para la posición de 180º la duración de la señal a nivel alto debe ser de 2,1ms. Los valores de tiempos entre 0,3ms y 2,1ms se distribuyen linealmente las posiciones angulares intermedias. Los ángulos crecen en al dirección de las agujas del reloj viendo el eje del motor de frente, al contrario que en el sistema cartesiano.

Es importante indicar que el servo siempre sigue la señal de consigna, esto es, se debe mantener constante la consigna a lo largo del tiempo para asegurarse de que el servo alcanza la posición deseada y para mantenerla. Si cesa la consigna el motor queda en el valor de la última posicion pero no realiza ningún esfuerzo para manternerla. Cualquier fuerza externa apliacada moverá, sin mayor dificultad, el eje del servo.

Componentes internos del servo

Internamente un servo es un conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos. La alimentación y la consigna llegan a un minúscula placa PCB con unos pocos componentes discretos y un chip que es el encargado de realizar las labores de regulación del servo. A esta placa está soldado un motor serie o motor de continua que es el encargado del movimiento del servo. Los motores de continua se mueven a altas velocidades y tienen muy poco par. Para solucionar esto en la parte superior, justo debajo de donde sale el eje, hay una pequeña caja de engranajes que realiza una reducción muy alta para conseguir transformar revoluciones por minuto y poco par del motor serie a un movimiento angular continuo y con mucha fuerza. A uno de los engranajes ya reducidos está unido mecánicamente un potenciómetro (o encoder), que es el elemento de medida que utiliza el chip para conocer la posición angular actual, compararla con la consigna y así saber en qué sentido debe hacer girar el motor.

La calidad de los elementos internos, tanto electrónicos (potenciómetro, encoder, driver de motor y el propio motor) como mecánicos (materiales de la piñonería, rodamientos) determinan la fuerza que es capaz de soportar y ejercer el servo.

Foto 2: Estructura interna de un servo motor

Conector de los servos

El conector eléctrico de los servos es una hembra de 3 contactos, con ancho entre pines de 100 mils (2,54 mm) para pines cuadrados de poste. El pinout es como sigue:

Pin 1: GND (cable negro)

Pin 2: VCC (cable rojo)

Pin 3: Señal de control o consigna (cable blanco, amarillo, naranja u otro color)

Para facilitar la conexión a los receptores de modelismo, los conectores suelen llevar un rebaje en uno de los lados permitiendo conectarlo al receptor RC de una única manera.

Ejemplo de un servomotor

Como ejemplo de las características de un servo se mencionan las de un HITEC HS-422:

Tensión de alimentación: entre 4,8 V y 6,0 V

Par: 4.1 Kg · cm

Peso:45,5 g

Dimensiones: 40,6 mm x 36,6 mm x 19,8 mm

Velocidad de giro (4,8 V): 0,21 s / 60º

Velocidad de giro (6,0 V): 0,16 s / 60º

Trucado de un servomotor para giro libre

Para realizar el trucado de un servo y permitir que gire libremente en ambos sentidos hay que realizar cambios mecánicos sobre el piñón que viene con el tope de movimiento para quitárselo o rebajarlo y hay que sustituir el potenciómetro (que no gira libremente y la consigna que se debe establecer debe ser fija) por un juego resistivo o por otro potenciómetro para realizar un ajuste fino. En internet se pueden encontrar muchas páginas donde se explica paso a paso cómo relizar el trucaje. Una vez realizado se debe calibrar el nuevo potenciómetro.

Por ejemplo si calibramos el potenciómetro a 90º y si se le indica una consigna de 90º, el servo se detendrá; si se le indica una consigna inferior o superior se moverá eternamente intentando alcanzar esa posición. Cuanto más alejada esté esa consigna de 90º con más celeridad intentará alcanzarla y por lo tanto la velocidad del eje de salida aumentará, teniendo así un perfecto motor de poca velocidad y mucho par en un espacio reducido.

Links de interés

Trucado de un servo en X-Robotics

Placa de control de servos de Klugers

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Modelo Servo SolidWorks para uso didáctico