Robôs são dispositivos mecânicos equipados com inteligência baseada em software que podem realizar tarefas físicas específicas. Existem muitos tipos de robôs e aplicações robóticas. Os robôs são projetados para se adequar à sua aplicação e seu projeto mecânico, corpo, eletrônica e software são projetados de acordo. Os veículos robóticos ou carros robóticos são um dos muitos tipos de projetos robóticos. Os carros robóticos são projetados para se movimentar em superfícies planas onde podem realizar determinadas tarefas por meio de controle remoto ou de forma autônoma. São equipados com sensores, circuitos de controle e atuadores para sua operação.
O próprio movimento de tal robô requer o uso de motores. Existem muitos tipos de motores que podem ser usados em aplicações robóticas. Cada tipo de motor é usado para finalidades diferentes. Os motores auxiliam no movimento do robô e também servem como atuadores no projeto mecânico do robô. Uma aplicação robótica pode envolver os seguintes tipos de movimento –
1) Movimento vertical – mover uma parte do robô para cima e para baixo, geralmente por meio de rotação do ombro
2) Movimento radial – Movendo uma parte do robô para dentro e para fora
3) Movimento rotacional – Rotação no sentido horário ou anti-horário em torno de um eixo vertical ou horizontal ou em torno de um plano em um quadro tridimensional
4) Movimento de inclinação – Movimento para cima e para baixo com movimento rotacional simultâneo
5) Movimento de rotação – Rotação de uma parte do robô em relação ao resto do corpo robótico em um eixo paralelo
6) Movimento de guinada – Movimento giratório para a direita ou para a esquerda de uma parte do robô
7) Locomoção – movimento do robô sobre uma superfície ou meio
Todos esses tipos de movimento são realizados com a ajuda de vários motores ou bombas montados junto com sistemas de transmissão e efetores finais. Neste tutorial, será discutido o uso de motores para fornecer movimento primário ao próprio robô ou a sua parte. O tutorial examinará diferentes tipos de motores, suas aplicações, seleção de um motor e design de um carro robótico.
Tipos de motores
Existem muitos tipos de motores disponíveis na indústria. Para aplicações robóticas, existem certos tipos de motores que normalmente são usados. Os motores normalmente usados em aplicações robóticas podem ser classificados como segue –
• Motor CA
• Motor CC escovado
• Motor CC sem escova
• Motor DC com engrenagem
• Servo motor
• Motor de passo
Motor CA –
Os motores CA são acionados por corrente CA. Eles são normalmente usados em aplicações pesadas onde é necessário alto torque (alta capacidade de carga ou capacidade de carga). É por isso que esses motores são utilizados em linhas de montagem robóticas implantadas em unidades fabris. Os robôs móveis são geralmente alimentados por fontes CC (baterias ou séries de baterias), por isso os motores CA raramente são usados em tais robôs.
Motor CC escovado –
Os motores CC escovados usam as escovas para conduzir corrente entre a fonte e a armadura. Existem diversas variações do motor DC escovado, mas na robótica são usados motores DC de ímã permanente. Esses motores são conhecidos por sua alta relação torque/inércia. Os motores CC com escova têm a capacidade de fornecer torque três a quatro vezes maior que seu torque nominal. Os motores Brush DC consistem em seis componentes diferentes: eixo, comutador, armadura, estator, ímãs e escovas.
Os motores CC com escova possuem dois terminais. Quando a tensão é aplicada entre os dois terminais, uma velocidade proporcional é emitida para o eixo do motor CC com escova. Um motor CC com escova consiste em duas peças: o estator, que inclui a carcaça, ímãs permanentes e escovas, e o rotor, que consiste no eixo de saída, enrolamentos e comutador. Seu estator permanece estacionário, enquanto o rotor gira em relação ao estator. O estator gera um campo magnético estacionário que envolve o rotor.
O rotor, também chamado de armadura, é composto por um ou mais enrolamentos. Quando esses enrolamentos são energizados, eles produzem um campo magnético. Os pólos magnéticos deste campo do rotor são atraídos pelos pólos opostos gerados pelo estator, fazendo com que o rotor gire. À medida que o motor gira, os enrolamentos são constantemente energizados em uma sequência diferente para que os pólos magnéticos gerados pelo rotor não ultrapassem os pólos gerados no estator. Essa mudança de campo nos enrolamentos do rotor é chamada de comutação.
Figura 1: Imagem explicando a construção de um motor CC com escova
Motores DC engrenados –
Os motores CC com engrenagens são uma variação avançada dos motores CC com escovas. Eles possuem um conjunto de engrenagens acoplado ao motor. A velocidade do motor é medida em rotação por minuto (RPM). A velocidade do motor é reduzida com o aumento do torque com o auxílio do conjunto de engrenagens. Ao usar uma combinação correta das engrenagens do motor, a velocidade do motor CC pode ser reduzida com um aumento no torque. Isto proporciona estabilidade na rotação do motor e o motor pode ser parado ou alterado de velocidade de maneira controlada.
Fig. 2: Vista aproximada do motor CC com escova (direita) e do motor CC com engrenagem (esquerda)
Para controlar motores CC com engrenagens, o IC do driver do motor L293D é normalmente usado em robôs de hobby. O IC faz interface com um microcontrolador para controlar a direção e a velocidade do motor DC. O controlador do motor atua como dispositivo intermediário entre o motor, o controlador e as baterias. Embora o microcontrolador decida a velocidade e a direção do motor, ele não pode controlar diretamente o motor devido à potência limitada. Até mesmo o controlador do motor pode fornecer energia ao motor, mas não pode instruí-lo em qual direção ele deve girar. Portanto, o controlador do motor e o microcontrolador precisam trabalhar juntos para controlar o motor. Para controlar o motor CC, é necessário um circuito H-Bridge que permite que a tensão seja aplicada a uma carga em qualquer direção. O L293D é um circuito integrado (IC) de driver de motor com ponte H dupla. Os drivers do motor atuam como amplificadores de corrente, pois recebem um sinal de controle de baixa corrente e fornecem um sinal de corrente mais alta. Este sinal de corrente mais alto é usado para acionar os motores. Possui 16 pinos com a seguinte configuração de pinos:
Figura 3: Tabela mostrando a configuração de PINs em um motor DC
O IC pode conduzir até 1 ampere de corrente e operar entre 4,5V e 36V. Para obter mais informações sobre o IC do driver do motor, consulte a referência L293D IC.
Fig. 4: Diagrama PIN do L293D IC usado no motor DC de robôs
Motores pequenos são projetados para aplicações onde a compactação é mais valorizada que o torque. Embora existam pequenos motores de alto torque, eles tendem a ser caros porque usam ímãs de terras raras, alta eficiência rolamentos e outros recursos que aumentam seu custo. Grandes motores podem produzir mais torque mas também requerem correntes mais altas. Motores de alta corrente requerem baterias de maior capacidade e circuitos de controle maiores que não superaquecem e queimam sob a carga. Portanto, para combinar o tamanho do motor com o resto do robô, é aconselhável não sobrecarregar um robô pequeno com um motor grande. Ao decidir o tamanho do motor, o torque disponível após a redução da engrenagem deve ser considerado. A redução da engrenagem sempre aumenta o torque. O aumento no torque é proporcional à quantidade de redução da engrenagem. Como se a redução fosse de 3:1, o torque aumenta cerca de três vezes.Servo motor –
Servomotores são normalmente usados onde é necessário movimento rotacional preciso. Eles são frequentemente usados em braços robóticos e aplicações de controle de ângulo. Saiba mais sobre servo motores e seu controle no tutorial Servo Motor.Motor de passo –
Um motor de passo divide a rotação em várias etapas. Assim como o servo motor gira em um ângulo específico, um motor de passo gira em um número específico de passos angulares. Saiba mais sobre motor de passo no Tutorial sobre motor de passo.Motor CC sem escova –
Os motores CC sem escova são semelhantes aos motores CC com escova em construção, mas são acionados por controladores de circuito fechado e requerem inversores ou SMPS para fonte de alimentação. Esses motores possuem ímãs permanentes que giram uma armadura fixa. Em contraste com os motores Brush DC, eles possuem controlador eletrônico de circuito fechado no lugar do conjunto do comutador. Esses motores são normalmente usados em robótica industrial onde é necessário controle preciso sobre movimento e posicionamento. No entanto, esses motores são bastante caros e envolvem construção e eletrônica complexas.Selecionando um motor para um robô
Para selecionar um motor elétrico adequado é preciso considerar muitos parâmetros diferentes, como a carga que um motor específico pode suportar, o torque necessário para mover o robô sem ser sobrecarregado, as rotações por minuto do motor quando está carregado, etc. Como existem muitos tipos de motores, dependendo da aplicação, um tipo de motor deve ser selecionado. Por exemplo, para operar o braço robótico, normalmente são usados servos. Os robôs com rodas têm design simples e navegam pelo solo por meio de rodas motorizadas. As rodas também são mais fáceis de projetar e construir em comparação com esteiras ou pernas. O uso de rodas tem desvantagens como a navegação sobre obstáculos ou áreas com baixo atrito não é fácil com rodas. Os motores elétricos mais comuns usados em tais robôs são os motores DC. Os motores DC fornecem alto torque e alta eficiência. Ao aplicar torque em resposta à carga, os motores CC podem ser caracterizados pela curva de velocidade e torque. As classificações de tensão comumente preferidas para motores CC usados em robôs de hobby são 3, 6, 12 e 24 Volts. Se um motor for aplicado com uma tensão inferior à tensão indicada na ficha técnica, o torque não superará o atrito interno – principalmente das escovas. Além disso, se uma tensão superior à suportada for aplicada ao motor, ele poderá aquecer e ser danificado.Combinações de rodas para um carro robótico
De acordo com as leis da física, um peso elevado requer forças fortes para acelerar. Isto significa que um robô mais pesado requer motores mais fortes para acelerar o corpo. Às forças que atuam devido ao peso do robô somam-se as forças de atrito das rodas e o atrito interno no interior do motor. Ao levar em conta que um robô deve subir escadas ou correr em superfícies inclinadas, outras forças também devem ser consideradas, como a força gravitacional. Um motor pode manter uma velocidade constante somente se o torque for maior que as forças combinadas opostas ao movimento do robô. Caso o torque do motor seja menor que o torque de oposição, o motor irá parar e poderá ser danificado, pois a energia elétrica não pode ser convertida em torque. Para a movimentação, os robôs utilizam direção diferencial que aciona as rodas separadamente. O robô pode mudar a direção de rotação de cada roda em velocidades diferentes e, ao adicionar rodas adicionais que não são acionadas por atuadores, o robô pode manter o equilíbrio. Duas rodas mais um rodízio ou quatro rodas são as combinações mais comuns para robôs com rodas. Ambas as combinações de rodas podem girar no lugar e são conhecidas como tração diferencial para a versão de duas rodas, enquanto as quatro rodas devem ser acionadas independentemente para girar no lugar. • Robô de duas rodas e rodízio –
Fig. 5: Imagem mostrando duas rodas e um robô rodízio
• Robô de quatro rodas –
Fig. 5: Um típico robô de quatro rodas
O método de duas rodas e rodízio tem suas vantagens, incluindo a possibilidade de medir o movimento adicionando codificadores. Para o método das quatro rodas, adicionar um codificador pode gerar medições imprecisas em comparação com os movimentos reais do robô, mas, ao mesmo tempo, este sistema é o melhor para controle em circuito fechado e proporciona alta aderência aos pneus.
