Микросервоприводы с пластиковыми шестернями (чаще всего это вездесущие синие 9-граммовые SG90) срывают зубья по одной из трех причин: механическое плечо превышает прочность зубьев на срез, происходит резкий обратный ход при ручном перемещении или падении манипулятора, либо мотор долго работает в упор при непреодолимом механическом ограничении. Решение не всегда заключается в покупке более мощных моторов — достаточно понимать расчет крутящего момента и точно знать, в каких именно сочленениях необходимы металлические шестерни.

Математика сорванных шестерен

Большинство новичков полагают, что если для SG90 заявлен крутящий момент 1,5 кг·см, он легко поднимет 100-граммовый захват. Однако в этом предположении не учитывается плечо рычага. Крутящий момент равен силе, умноженной на расстояние от оси вращения:

• Нагрузка в 100 г на конце 5-сантиметрового предплечья требует статического момента 0.1 kg × 5 cm = 0.5 kg·cm.
• Добавьте вес акриловой или напечатанной на 3D-принтере конструкции (около 40 г с центром масс на расстоянии 2,5 см): это дает еще 0.1 kg·cm.
• Удлините то же плечо до 15 см в плечевом суставе при горизонтальном вылете, и та же полезная нагрузка в 100 г уже потребует 0.1 kg × 15 cm = 1.5 kg·cm — и это без учета веса сервопривода локтя, конструкции предплечья или кронштейна.

При вылете в 15 см плечевой привод уже работает на 100% предельного момента блокировки просто для того, чтобы удерживать манипулятор в горизонтальном положении. Как только программа отправляет команду на подъем, скачок ускорения превышает физическую прочность пластиковых зубьев на срез. Выходной вал проворачивается, крошечные зубья на промежуточной шестерне срезаются, и сервопривод начинает беспомощно жужжать, не совершая вращения.

Проблема ударной нагрузки (обратный ход)

Пластиковые шестерни редко выходят из строя при плавном движении в воздухе. Они ломаются, когда их движение резко блокируется. В школьных классах и мейкерских лабораториях главный враг 9-граммовых сервоприводов — ручное воздействие. Когда ученик вручную перемещает манипулятор робота при выключенном (или, что еще хуже, включенном) питании, редуктор работает как повышающая передача в обратном направлении. Большой выходной качалке приходится раскручивать крошечную ведущую шестерню до огромных скоростей. Сопротивление литого нейлона срезу невелико: резкого толчка рукой достаточно, чтобы мгновенно срезать зубья первой ступени редуктора.

Когда использовать SG90, MG90S и MG996R

Вам вовсе не обязательно собирать всего робота на тяжелых и дорогих стандартных сервоприводах. Практичный подход заключается в выборе сервопривода для каждого сочленения отдельно — на основе длины плеча рычага и риска ударных нагрузок.

Захват: оставайтесь на пластике (как правило)

SG90 отлично подходит для открытия и закрытия легкого захвата. Плечо рычага здесь невелико (менее 4 см), поэтому требования к крутящему моменту минимальны. Более того, пластиковые шестерни в этом узле работают как недорогой механический предохранитель: если ученик задаст команду на сильное сжатие вокруг неподвижного деревянного бруска, мотор просто остановится. Хотя длительная блокировка перегревает обмотку двигателя, она дает запас времени до возникновения опасных скачков тока.

Локоть: прямая замена на MG90S

Если в вашей конструкции используются кронштейны под 9-граммовые микросервоприводы, MG90S послужит прямой заменой. Он полностью совпадает с SG90 по габаритам и крепежным отверстиям, но блок пластиковых шестерен в нем заменен на латунные и алюминиевые. Он обеспечивает крутящий момент порядка 1,8–2,2 кг·см и легко переносит повседневные удары, колебания балансировки и кратковременные перегрузки, которые мгновенно выводят из строя SG90. Если вы заказываете запчасти для учебных наборов манипуляторов, запас сервоприводов MG90S из Sheen Store — наиболее экономичный способ избавиться от постоянного ремонта.

Плечо и основание: переход на стандартный типоразмер

Для любого 4- или 6-осевого манипулятора с вылетом более 12 см микросервоприводы (даже с металлическими шестернями) выходят из строя из-за механических перегрузок на подшипниках. Небольшой выходной вал диаметром 4,8 мм не рассчитан на изгибающий момент (радиальную нагрузку) тяжелой стрелы. В этих узлах необходимо переходить на стандартные металлические сервоприводы вроде MG996R (рассчитанные на ~9–11 кг·см) или цифровые сервоприводы с полым ротором. В них установлены двойные шарикоподшипники, которые изолируют редуктор от радиальных изгибающих нагрузок.

Три практических правила для защиты любого сервопривода

• Используйте программный плавный пуск: никогда не задавайте команду на мгновенный поворот сервопривода с 0° на 180°. Изменяйте целевую позицию пошагово в цикле (например, по 1° каждые 15 миллисекунд). Именно резкое угловое ускорение срезает зубья шестерен.
• Калибруйте механические упоры: если акриловая рама физически упирается на 160°, а в коде задан поворот на 180°, сервопривод будет непрерывно потреблять максимальный ток блокировки, пока не срежет пластиковые шестерни или не сработает защита драйвера двигателя. Откалибруйте минимальные и максимальные углы в коде еще до фиксации качалок винтами.
• Организуйте раздельное питание сервоприводов: сервопривод в состоянии блокировки потребляет от 500 мА (SG90) до 2,5 А (MG996R). Питание напрямую от вывода 5V платы micro:bit или Arduino приводит к просадкам напряжения, перезагрузке микроконтроллера и хаотичному дребезгу, разбивающему шестерни. Всегда используйте отдельный источник питания на 5V/6V с общей землей.