Comparação Prática de Servos Inteligentes de Barramento Serial para Robótica

Os servos inteligentes de barramento serial tornaram-se uma escolha comum para projetos acessíveis de robótica DIY, incluindo braços robóticos, cães robóticos e mecanismos compactos similares. Eles combinam motor, redutor, encoder, controlador e interface serial em um único pacote, o que os torna muito mais fáceis de integrar do que um motor avulso com driver externo.

Há uma variedade considerável de modelos disponíveis, mas as folhas de dados nem sempre respondem às perguntas relevantes quando o servo é instalado em um mecanismo real. Os valores publicados de torque, velocidade e corrente são pontos de partida úteis, porém não descrevem completamente o consumo de energia, a elevação de temperatura sob carga, o comportamento próximo ao torque nominal ou por quanto tempo o servo consegue manter torque constante sem superaquecer ou desligar.

Para esta comparação, testamos cinco modelos populares que abrangem tanto opções de menor custo quanto as mais capazes:

• STS3215
• STS3235
• STS3250
• HLS3930M
• HLS3950M

O objetivo é avaliar as compensações práticas: torque máximo, consumo de corrente, elevação de temperatura sob carga, comportamento no torque nominal, folga e detalhes construtivos como engrenagens de latão versus aço completo e carcaças plásticas versus metálicas. Prestamos atenção especial à operação em força constante, pois a documentação dos fabricantes não oferece detalhes suficientes para avaliar esse comportamento apenas pela folha de dados.

Especificações comparadas

O principal ponto em comum é que todos os cinco servos são construídos em torno do mesmo conceito de controle: servo inteligente TTL serial com saída de eixo duplo, realimentação por encoder magnético, controle por pacotes digitais e malha PID interna. Eles também compartilham a mesma relação de redução de 1/345, o mesmo limite de folga declarado de 0,5 grau ou menos, o mesmo formato de pinhão 25T e praticamente o mesmo envelope físico. Isso significa que geralmente podem ser considerados mecanicamente similares ao projetar uma articulação de robô, pelo menos externamente.

As maiores diferenças estão na classe de torque, construção, velocidade e tipo de motor. STS3215 e STS3235 são as opções de menor classe, com 30 kg·cm, HLS3930M situa-se no meio com 35 kg·cm, e STS3250 e HLS3950M pertencem à classe de 50 kg·cm. Os modelos mais rápidos são STS3250 e HLS3950M, ambos especificados em 75 RPM, enquanto os demais são especificados em 45 RPM. Os modelos de 50 kg·cm também utilizam motores sem núcleo, o que os torna mais interessantes para aplicações que exigem maior velocidade e resposta mais firme.

A construção é outro aspecto prático diferenciador. O STS3215 é o servo mais leve e o único neste grupo com carcaça de plástico PA+GF. Ele também especifica engrenagens de cobre/metal em vez de aço completo. Os outros quatro servos utilizam carcaças de alumínio e engrenagens de aço, portanto são candidatos melhores para articulações de maior carga, ciclos de trabalho mais severos e situações em que a durabilidade do redutor importa mais do que economizar alguns gramas.

Os valores de corrente também mostram que torque mais alto não se traduz em um aumento linear simples na corrente especificada. O STS3250 tem a maior corrente de bloqueio listada, com 4,2 A, enquanto o HLS3950M é listado em 2,4 A apesar de pertencer à mesma classe de torque de 50 kg·cm. Essa diferença é uma das razões pelas quais os testes de bancada são importantes: os números da folha de dados sugerem que os motores não são simples versões escalonadas uns dos outros, e o consumo real de corrente sob carga precisa ser medido diretamente.

As especificações do fabricante a seguir são úteis para reduzir o campo de escolha antes dos testes.

Especificações por modelo

Especificações comuns

Especificação	Valor comum
Dimensões	45.22 × 24.72 × 35 mm
Tipo	Servo inteligente TTL serial, eixo duplo, encoder magnético
Resolução do encoder	Encoder magnético 12-bit; 4096 contagens de encoder, 0,088° por pulso
Tipo de controle	Pacote digital, serial assíncrono half-duplex; controle PID
Tipo de pinhão	25T / OD 5.9 mm
Relação de redução	1/345
Folga	≤0.5°
Proteções	Sobrecarga, sobretensão, sobretemperatura, sobrecorrente

Servos de força constante e realimentação de força

Neste artigo, servo de força constante significa um servo inteligente que pode ser usado como atuador de força controlada, não apenas como atuador de posição. Em um pequeno servo serial, isso geralmente não significa controle de força em nível laboratorial com célula de carga calibrada. Significa que o controlador pode comandar ou limitar o esforço do motor — normalmente por meio de parâmetros de corrente ou relacionados ao torque — e o mecanismo pode reagir contra a carga em vez de simplesmente se mover para um ângulo alvo com a força máxima disponível.

Os motores da série STS são principalmente servos de posição com limitação de torque. Eles podem reduzir a saída por meio da configuração Torque Limit, o que ajuda a proteger os mecanismos, mas o modelo de controle ainda é centrado em comandos de posição. Os servos da série HLS são mais interessantes para aplicações sensíveis à força porque o torque pode ser inserido diretamente como parâmetro do comando de movimento, e a sensibilidade da leitura de corrente parece ser muito maior. Isso torna as pequenas variações de carga mais fáceis de observar e utilizar no software.

Esse comportamento é útil em garras, onde o objetivo é frequentemente fechar até o contato e então manter uma força de pressão controlada em vez de esmagar o objeto. Também é útil em braços mestres e cabos de ensino, onde uma pessoa move o mecanismo manualmente e o controlador lê posição, carga ou resistência como realimentação. Nesse papel, o servo não apenas move uma articulação; ele torna-se parte do dispositivo de entrada.

Outros exemplos práticos incluem articulações de exoesqueletos, órteses assistivas, manoplas hápticas, cabos de teleoperação, mãos robóticas, mecanismos de tensionamento de cabos, braços robóticos complacentes, detecção de contato de efetores finais, fixadores de teste com mola e robôs educacionais com limitação de segurança. Nesses casos, o comportamento previsível de força e a realimentação de corrente legível podem ser mais importantes do que o maior torque de bloqueio possível.

A compensação é o calor. Uma aplicação de força constante pode manter o motor energizado mesmo quando o eixo de saída mal se move, de modo que a energia elétrica se converte em calor durante a retenção. É por isso que o consumo de corrente, a elevação de temperatura e o material da carcaça são centrais nesta comparação: o comportamento de controle de força só é útil se o motor, o driver, o redutor e a carcaça conseguirem suportar o ciclo de trabalho pretendido.

Configuração e métodos dos testes

Cada servo foi avaliado com três testes práticos de bancada: um teste breve de torque máximo e corrente máxima, um teste de elevação de temperatura de dois minutos sob carga de 50%, e uma medição de folga enquanto o servo mantinha a posição. Em conjunto, esses testes cobrem a saída de pico, o comportamento térmico sob carga sustentada, a demanda de corrente e a folga mecânica na saída.

Teste de torque máximo e corrente

O teste de torque máximo utilizou uma estrutura impressa em 3D para fixar rigidamente uma balança de gancho digital na frente do servo. Um braço de alavanca de 10 cm foi preso ao pinhão do servo e posicionado perpendicularmente à balança. Na posição neutra, o braço foi conectado à balança sem pré-carregá-la.

Uma sequência programada de movimentos acionava o servo contra a balança e o carregava até o torque máximo que o motor conseguia produzir. Como o braço de alavanca tinha 10 cm de comprimento, a leitura da balança pode ser convertida diretamente em torque: o torque em kg·cm é a leitura da balança em kgf multiplicada por 10. O mesmo resultado pode ser expresso em Nm como kgf × 0,9807.

Este teste representa uma condição de torque de pico breve, não um ponto de operação normal. É útil como referência para comparar quanta força cada servo pode produzir antes de parar, saturar ou atingir um limite prático de corrente. Não deve ser confundido com o torque nominal: o torque nominal é a carga que um servo deve suportar de forma mais contínua, enquanto o torque máximo ou de bloqueio é um limite de curta duração e é muito superior ao valor nominal. Por exemplo, um servo nominal de 10 kg·cm pode anunciar 30 kg·cm de torque de bloqueio, mas isso não significa que ele possa segurar 30 kg·cm de forma segura como carga contínua de articulação.

Todos os motores foram alimentados por uma placa Waveshare Servo Motor Driver HAT capaz de suportar cargas de 10 A. A fonte de bancada foi configurada para 12 V com um limite de corrente de 10 A. Durante cada sequência de teste, registramos tanto os logs do servo quanto vídeos, para que o torque e a corrente medidos possam ser verificados em relação ao comportamento visível da bancada.

Teste de elevação de temperatura sob carga de 50%

O segundo teste mediu a elevação de temperatura enquanto o servo mantinha aproximadamente 50% de carga por dois minutos. Este teste é mais próximo de um cenário prático de carga contínua do que o teste de torque máximo, pois muitas articulações de robôs passam mais tempo retendo ou resistindo à carga do que atingindo brevemente o torque de bloqueio.

Durante este teste, coletamos dados de temperatura de duas fontes: o sensor de temperatura interno do servo e uma câmera térmica externa. O sensor interno mostra o que o servo reporta pela telemetria, enquanto a câmera térmica fornece uma visão independente do aquecimento da carcaça e da superfície. Comparar ambas as leituras ajuda a identificar se o calor está concentrado dentro do motor/driver ou se está se espalhando pela carcaça.

Este teste representa o comportamento térmico sob carga parcial sustentada. Ele responde a uma questão mais prática do que somente o torque de pico: se o servo consegue manter uma carga significativa por um curto período de trabalho sem aquecimento excessivo, consumo elevado de corrente ou sinais de estresse térmico.

Teste de medição de folga

O terceiro teste mediu a folga enquanto o servo mantinha ativamente sua posição comandada. Um braço de alavanca de 10 cm foi mecanicamente solicitado em duas direções, criando pequenas oscilações em torno da posição mantida sem comandar o motor a se mover. Durante esse processo, foram registrados dados de log contendo o erro de posição do encoder.

A folga foi calculada a partir da dispersão entre os erros de posição mínimo e máximo observados durante o teste. Para reduzir o efeito de ruído e picos de amostra única, o cálculo utilizou valores médios de algumas oscilações em cada direção, em vez de apenas um mínimo bruto e um máximo bruto.

O valor final de folga foi convertido de contagens de encoder para graus usando a resolução do encoder. Com o encoder magnético 12-bit, uma contagem equivale a aproximadamente 0,088°, portanto a folga em graus é calculada como contagens de erro de posição × 0,088°. Este teste representa quanta folga mecânica aparece na saída quando o servo tenta manter uma posição fixa contra pequenas forças externas.

Resultados dos testes

Torque e corrente

O primeiro conjunto de resultados compara o comportamento de carga de pico breve com o ponto de 50% de carga usado no teste térmico. As leituras da balança são apresentadas em kgf porque vêm diretamente da balança de gancho. Com o braço de alavanca de 10 cm, o torque em kg·cm é a leitura da balança × 10.

O controle de carga foi diferente entre as duas famílias de servos. Para os motores da série STS, o torque de saída foi limitado pela configuração Torque Limit. Para os motores da série HLS, o valor de corrente foi inserido diretamente como parâmetro do comando de movimento.

Motor	Load	Leitura da balança (kgf)	Torque (kg·cm)	Corrente (A)
STS3215	carga de 100%	3.3	33.0	2.8
STS3215	carga de 50%	2.2	22.0	0.75
STS3235	carga de 100%	3.0	30.0	2.4
STS3235	carga de 50%	2.2	22.0	0.75
STS3250	carga de 100%	5.2	52.0	4.7
STS3250	carga de 50%	3.5	35.0	1.6
HLS3930M	carga de 100%	2.8	28.0	2.4
HLS3930M	carga de 50%	2.2	22.0	0.75
HLS3950M	carga de 100%	6.3	63.0	6.0
HLS3950M	carga de 50%	3.5	35.0	2.4

O HLS3950M produziu o maior torque de pico medido, com 63,0 kg·cm, mas também consumiu a maior corrente de pico, com 6,0 A. É o motor mais potente neste conjunto de testes, mas exige a maior margem elétrica e térmica.

O STS3250 também produziu torque expressivo de 52,0 kg·cm e atingiu 35,0 kg·cm no ponto de teste de 50%.

Uma das observações mais claras é que o consumo de corrente segue o nível real de carga mais do que o modelo do servo. No ponto de carga similar de 22,0 kg·cm, STS3215, STS3235 e HLS3930M consumiram cerca de 0,75 A cada. No ponto de carga mais alto de 35,0 kg·cm, STS3250 e HLS3950M entraram em uma faixa de corrente mais alta. Na prática, isso significa que servos de famílias diferentes podem consumir corrente muito similar quando executam trabalho mecânico equivalente. Isso também significa que os motores da série HLS não pareceram ser mais eficientes nessas medições, apesar dos valores de corrente mais favoráveis na folha de dados. Sob carga mecânica comparável, seu consumo de corrente ficou na mesma faixa prática dos motores da série STS.

Durante tentativas repetidas do teste de carga de 100%, dois motores foram danificados apesar do controle de temperatura e resfriamento. O STS3215 falhou com a placa controladora queimada, enquanto o STS3250 falhou com o motor queimado. Este é um resultado prático importante: o teste de torque máximo deve ser tratado como uma medição de referência de curta duração, não como um modo de operação contínua seguro.

Gravações do teste de torque

Resultados da elevação de temperatura

O teste de temperatura foi executado no ponto de carga de 50%. A tabela a seguir combina a telemetria de temperatura interna do servo com as leituras da câmera térmica capturadas durante o mesmo tipo de teste.

Motor	Início interno (°C)	Fim interno (°C)	Delta interno (°C)	Início câmera (°C)	Fim câmera (°C)	Delta câmera (°C)
STS3215	31.0	41.0	10.0	30.0	33.5	3.5
STS3235	31.0	36.0	5.0	30.0	34.5	4.5
STS3250	30.0	55.0	25.0	30.0	54.0	24.0
HLS3930M	33.0	35.0	2.0	30.0	31.7	1.7
HLS3950M	31.0	39.0	8.0	30.0	35.6	5.6

O STS3250 foi o caso térmico atípico evidente neste teste. Sua telemetria interna subiu de 30 °C para 55 °C, e a câmera térmica mostrou uma elevação de superfície muito similar, de 30 °C para 54 °C. Isso é muito mais alto do que o restante do grupo sob a mesma condição de teste de carga de 50%.

O HLS3930M apresentou a menor elevação nos dados capturados, com a telemetria interna aumentando apenas 2 °C e a temperatura da câmera térmica em 1,7 °C.

O STS3215 é importante por uma razão diferente: sua temperatura interna subiu 10 °C, enquanto a leitura externa da câmera térmica subiu apenas 3,5 °C. A imagem térmica mostra calor concentrado dentro do corpo. Com a carcaça plástica PA+GF, a dissipação de calor é muito pior do que nos servos com carcaça de alumínio, de modo que a temperatura externa da carcaça pode subestimar o risco de aquecimento interno durante a retenção sustentada.

No geral, os dados de temperatura corroboram as medições de corrente: carga mecânica similar produz estresse elétrico e térmico similar entre vários modelos, enquanto a construção da carcaça afeta fortemente como esse calor é dissipado. Para articulações compactas de robôs que mantêm carga por longos períodos, a margem de temperatura e o material da carcaça são tão importantes quanto o valor nominal de torque.

Gravações do teste de temperatura

Resultados do teste de folga

A folga foi calculada a partir de platôs selecionados de erro de encoder positivo e negativo enquanto cada servo mantinha a posição.

Motor	Média positiva (contagens)	Média negativa (contagens)	Folga (contagens)	Folga (graus)
STS3215	3.75	-5.00	8.75	0.769
STS3235	4.00	-1.00	5.00	0.439
STS3250	1.50	-1.67	3.17	0.278
HLS3930M	2.00	-2.00	4.00	0.352
HLS3950M	3.20	-3.25	6.45	0.567

O STS3250 teve a menor folga medida neste teste, com 0,278 graus, seguido pelo HLS3930M com 0,352 graus e pelo STS3235 com 0,439 graus. Esses três ficaram abaixo do limite de especificação de 0,5 grau.

O STS3215 apresentou a maior folga medida, com 0,769 graus, claramente acima do limite declarado de 0,5 grau. O HLS3950M também ficou acima do limite, com 0,567 graus.

O resultado não se correlaciona diretamente com a classe de torque. O servo mais potente no teste de torque, o HLS3950M, não obteve o melhor resultado de folga, enquanto o STS3250 mediu o melhor neste conjunto. Para articulações onde a sensação de posicionamento importa, o comportamento do redutor deve ser verificado diretamente, em vez de inferido apenas a partir do torque máximo.

Conclusões

Os testes confirmaram a maioria das especificações publicadas, mas também mostraram por que as folhas de dados não são suficientes ao selecionar servos para um robô. Alguns valores eram difíceis de avaliar antes dos testes. A folga é um exemplo: vários motores ficaram próximos do limite declarado, mas STS3215 e HLS3950M mediram pior do que a especificação de 0,5 grau. A corrente é outro exemplo: os valores da folha de dados sugeriam grandes diferenças de eficiência, mas sob carga mecânica similar os motores frequentemente consumiram aproximadamente a mesma corrente.

O STS3215 é o motor mais básico desta comparação. É leve e econômico, mas também apresenta as limitações mais claras: carcaça plástica, dissipação de calor mais fraca, preocupações térmicas sob carga sustentada e a pior folga medida. Ainda assim, é útil para aplicações simples de baixo custo, especialmente quando não é necessária força constante elevada. Também pode ser uma boa opção para braços mestres, bancadas de ensino e outros mecanismos movidos manualmente, onde baixo custo e fácil integração importam mais do que a máxima potência de saída.

O STS3235 parece ser uma opção prática mais robusta do que o STS3215, mantendo-se em uma classe de torque similar. As especificações de torque e velocidade nominais são próximas, mas o STS3235 possui engrenagens de aço, carcaça de alumínio e folga medida melhor. Para muitas articulações compactas de robôs, provavelmente é a escolha mais segura quando o envelope do STS3215 é atraente, mas a carcaça plástica e o comportamento do redutor são preocupações.

O STS3250 é um dos candidatos mais fortes do grupo. Possui alto torque, alta RPM, construção totalmente metálica e a melhor folga medida em nosso teste. São vantagens expressivas para articulações de robôs que precisam de força e sensação de posicionamento. A principal cautela é o comportamento térmico: observamos uma elevação de temperatura incomum durante o teste de carga de 50%. Isso pode estar relacionado à condição específica do teste ou a esta amostra particular do motor, por isso deve ser reavaliado antes de tirar uma conclusão ampla sobre o modelo.

O HLS3930M é uma opção interessante, mas nessas medições pareceu um pouco mais fraco que os demais. Seu resultado de torque de pico foi inferior às opções STS comparáveis, e não é a escolha óbvia se o único objetivo é a máxima saída. Sua vantagem está no comportamento de controle HLS: o comando direto de torque e a realimentação de corrente mais sensível o tornam útil para garras, braços mestres, experimentos de realimentação de força e mecanismos onde detectar contato ou variações de carga é importante.

O HLS3950M produziu o maior torque de pico medido, sendo o motor mais potente neste conjunto de testes. No entanto, o resultado de folga foi decepcionante, e ele também exige uma margem elétrica significativa em alta carga. É um bom candidato quando a força máxima é a principal prioridade, mas é menos convincente para articulações de precisão onde a folga na saída é importante.

No geral, a melhor escolha depende da aplicação. Para mecanismos simples e econômicos, o STS3215 pode ser suficiente. Para uma articulação de baixo custo mais robusta, o STS3235 é mais atraente. Para alto torque com boa folga medida, o STS3250 é o candidato mais forte, desde que o comportamento térmico seja validado. Para aplicações sensíveis à força, como garras e braços mestres, o comportamento de controle da série HLS pode ser mais valioso do que a eficiência bruta. Para torque máximo, o HLS3950M lidera, mas sua folga deve ser considerada cuidadosamente.