Microchave de alavanca

O que é

Uma microchave de alavanca — uma minichave de ação instantânea — é um contato mecânico em um pequeno corpo de plástico, com uma alavanca metálica saliente. Pressione a alavanca e uma mola interna fecha o contato instantaneamente; solte-a e a mola o retorna. É um dos componentes mais antigos desta biblioteca e, em um robô, um dos mais úteis.

O que a torna um componente de robótica é a ação instantânea. O contato não fecha gradualmente conforme você pressiona; ele salta, em um ponto repetível, com um clique audível. Isso fornece uma resposta definida de sim ou não a partir de um mecanismo que está sendo empurrado por um robô em movimento—exatamente a situação em que um sensor gradual produziria valores sem sentido.

Como funciona

Há três terminais: COM (comum), NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado). Com a chave não pressionada, COM está conectado a NF. Quando ela é pressionada, salta para NA. Você usa dois dos três e ignora o outro.

Para um para-choque de robô, conecte COM à massa e NA ao pino de entrada, com o pull-up interno do pino habilitado:

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);              // idle HIGH
bool pressed = digitalRead(BUMP_L) == LOW;  // LOW means the bumper moved

Essa disposição falha de maneira segura: um fio rompido no para-choque produz HIGH, que significa não pressionado. Conecte ao contrário e um fio partido convince o robô de que existe uma colisão permanente. Em uma parada de emergência, use NF — nesse caso, um fio rompido deve parar a máquina.

A alavanca troca força por curso. O acionador puro quer cerca de 1 N em aproximadamente 1 mm; uma alavanca amplia o deslocamento para que uma carenagem de para-choque possa percorrer 3–5 mm e disparar com um toque muito mais leve. Um rolete na ponta reduz o atrito quando algo desliza sobre a chave, em vez de pressioná-la diretamente.

Quando usar

Use uma microchave sempre que o robô precisar saber que já entrou em contato: para-choques, fins de curso de um braço ou de um cursor, sensores de tampa ou gaveta, ou detectores de encaixe. É a detecção de último recurso, e isso é um elogio—ela encontra a perna preta da cadeira, o painel de vidro e o obstáculo na altura errada que todos os sensores ópticos e acústicos deixam passar.

Ela também é a única detecção necessária a um robô de cobertura com desvios aleatórios. Duas microchaves e um gerador de números aleatórios cobrem uma sala inteira, um comportamento notável para apenas duas peças móveis.

Procure outra opção quando precisar evitar a colisão, em vez de detectá-la—essa é a função de um sensor ultrassônico ou de tempo de voo. Use ambos: o medidor de distância evita a maioria dos obstáculos, e a chave pega os que ele não vê.

Armadilhas comuns

• Um toque gera nove flancos. Trate a oscilação e nunca use uma interrupção que apenas conte — use uma que defina um evento ou registre um horário.
• O corpo da chave não é uma peça estrutural. Dê à carenagem do para-choque um batente mecânico que receba o impacto. Os corpos das microchaves trincam; é isso que os destrói muito antes de os contatos se desgastarem.
• A mola da própria chave não devolve seu para-choque. Uma microchave empurra de volta com 50–100 g. Use elásticos ou molas de compressão leves para o retorno e deixe a chave apenas detectar.
• Um para-choque plano perde impactos de raspão. Envolva a carenagem em pelo menos 45° de cada lado, com uma chave atrás de cada metade para que o código saiba para qual lado virar.
• Fios longos captam ruído dos motores. Mantenha o trecho curto, torça o par e confie no caminho de baixa impedância do pull-up quando a chave fecha.
• As classificações elétricas dos contatos são para rede, não para lógica. Uma chave classificada para 5 A a 125 V CA está sendo solicitada a conduzir microamperes aqui; essa classificação não diz nada útil sobre a vida útil nessa função. O curso preliminar e a força de operação dizem.

Conexão

Dois dos três terminais, e a escolha determina como o robô falha.

A distinção importa. Um para-choque conectado a NA falha de forma segura lendo “sem colisão”, o que está correto—um robô com um fio de para-choque rompido deve continuar andando, não congelar. Uma parada de emergência conectada a NF falha de forma segura lendo “parado”, o que também está correto, pelo motivo oposto.

Use o pull-up interno. Não custa nada, dispensa componentes e define um estado ocioso. Um pino deixado apenas como INPUT, com uma chave conectada, flutua quando a chave está aberta, e pinos flutuantes leem qualquer ruído elétrico por perto—o que, em um robô cheio de motores, significa muito ruído.

Tratamento antirrebote feito corretamente

Um único toque produz cerca de nove transições em aproximadamente 4,7 ms enquanto os contatos saltam e retornam. Um programa que lê o pino de forma ingênua vê nove toques.

const int BUMP_L = 2, BUMP_R = 3;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 8;      // longer than the ~5 ms bounce

struct Bumper {
  uint8_t pin;
  bool stable;            // the debounced state
  bool lastRead;
  unsigned long changedAt;
};

Bumper left  = {BUMP_L, true, true, 0};
Bumper right = {BUMP_R, true, true, 0};

// Returns true on the frame the bumper newly closes.
bool update(Bumper &b) {
  bool now = digitalRead(b.pin);          // HIGH = open, with INPUT_PULLUP
  if (now != b.lastRead) {
    b.lastRead = now;
    b.changedAt = millis();               // restart the timer on any edge
    return false;
  }
  if (millis() - b.changedAt >= DEBOUNCE_MS && b.stable != now) {
    b.stable = now;
    return (now == LOW);                  // newly pressed
  }
  return false;
}

void setup() {
  pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUMP_R, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  if (update(left))  { backUp(); turnRight(); }
  if (update(right)) { backUp(); turnLeft(); }
}

O detalhe estrutural importante é que o temporizador reinicia em cada flanco, em vez de fazer uma única amostragem e esperar. Amostrar uma vez e esperar pode cair no meio da oscilação e registrar o valor errado; reiniciar a janela significa que o estado só é aceito depois que o pino permanece quieto durante todo o período.

Por que não usar uma interrupção

Interrupções em uma chave de colisão são uma armadilha, por motivos específicos:

• Nunca use uma interrupção que conte. Nove flancos viram nove contagens, e o tratamento antirrebote dentro de uma ISR precisa de millis(), que não avança dentro de uma ISR em um AVR.
• Uma interrupção que define um evento é aceitável, desde que o tratamento antirrebote ocorra no laço principal. Mas consultar uma chave a 100 Hz não custa nada, e o laço do robô já está em execução.
• Reserve D2 e D3 para encoders em um Uno. São os únicos dois pinos de interrupção externa, e encoders realmente precisam deles. Um para-choque, não.

O único caso que justifica uma interrupção é uma parada de emergência que precisa cortar os motores mesmo se o laço principal travar. Esse problema é melhor resolvido conectando a chave à linha de habilitação do driver de motor, para que funcione sem nenhum programa.

Montagem: a parte que realmente decide se funciona

O que foi discutido acima já está resolvido. O projeto mecânico decide se os para-choques funcionam ou falham.

A carenagem recebe o impacto, não a chave. O corpo de uma microchave é plástico fino e trinc sob um impacto direto. Construa uma carenagem de para-choque que gire ou deslize, dê a ela um batente mecânico que receba a força e deixe a chave detectar um pequeno movimento próximo ao final desse curso.

Envolva a carenagem. Um para-choque frontal plano perde tudo o que é atingido em ângulo—e um robô que navega com sensores de distância costuma atingir coisas em ângulo, porque obstáculos frontais já foram detectados. Envolva pelo menos 45° de cada lado.

Duas chaves, não uma. Uma à esquerda e outra à direita, atrás das duas metades da carenagem. Uma chave informa que houve uma colisão; duas informam para qual lado virar. A diferença no comportamento é enorme e o custo extra é de cerca de vinte centavos.

Retorne o para-choque com a mola própria. A mola interna de uma microchave empurra de volta com apenas 50–100 g, insuficiente para reposicionar de forma confiável uma carenagem com atrito no ponto de pivô. Use elásticos ou molas de retorno leves e deixe a chave fazer apenas a detecção.

Defina o curso preliminar para que a carenagem se mova antes de a chave chegar ao fundo. A chave opera após 1–3 mm e tem um pouco mais de sobrecurso além disso; o batente da carenagem precisa chegar dentro desse sobrecurso, ou o impacto será absorvido pelo mecanismo interno da chave.

Escolhendo uma

A classificação dos contatos é irrelevante aqui. Uma chave classificada para 5 A a 125 V CA está sendo solicitada a fornecer alguns microamperes a um pull-up. O que importa é a especificação mecânica: força de operação, curso preliminar e vida útil mecânica nominal (10⁵–10⁷ operações). Um robô que colide cem vezes por execução alcança 10⁵ operações após mil execuções, portanto a vida mecânica é praticamente ilimitada—a chave falhará muito antes por trincar do corpo.

Solução de problemas

Por que este componente barato merece seu lugar

Todos os outros sensores de um robô têm superfícies que eles não conseguem ver. Um sensor ultrassônico não enxerga cortinas nem paredes encontradas em ângulo muito inclinado. Um VL53L0X não enxerga superfícies foscas pretas, espelhos nem algo sob luz solar intensa. Uma câmera precisa de luz.

Uma microchave não tem essa lista. Se algo está tocando o para-choque, a chave fecha. Isso a torna a detecção de último recurso e, em um robô que precisa funcionar sem supervisão, a confiabilidade mais barata disponível—duas chaves, dois pinos e cerca de quarenta centavos.

É também, surpreendentemente, suficiente por si só. Um robô com duas chaves de colisão e uma mudança aleatória de direção ao tocar cobrirá uma sala inteira dado tempo suficiente—que é exatamente como funcionava a primeira geração de robôs aspiradores, e vale entender antes de recorrer a algo mais sofisticado.