Construya un robot mecanum omnidireccional con ESP32

Qué va a construir

Un robot de cuatro ruedas que se mueve en cualquier dirección por el suelo sin tener que girar antes, y que puede girar sin cambiar hacia dónde va. Empújalo de lado por un pasillo donde apenas cabe; mantén una cámara apuntando a algo mientras orbitas alrededor; corrige 3 cm de desviación respecto a una línea dando pasos de 3 cm, en vez de salir en curva y volver.

Es el primer robot de este sitio con tres velocidades controlables de forma independiente en lugar de dos. También es el primero cuya tracción es realmente más difícil que sus sensores, y por eso casi toda la construcción son motores, encoders y lazos de control.

La prueba de aceptación es deliberadamente directa: recorre un cuadrado de 1 m desplazándote lateralmente y vuelve a casa con 5 cm de margen y el rumbo sin cambios. Ningún robot de tracción diferencial puede ni intentar esa prueba.

La constante que gobierna el proyecto

Todo en esta construcción se reduce a una constante:

k = lx + ly

donde lx es la mitad de la batalla (del eje delantero al trasero, dividido por dos) y ly la mitad de la vía (de las ruedas izquierdas a las derechas, dividido por dos). En la construcción de referencia, 75 mm y 85 mm, así que k = 0.160 m.

Ese único número acopla la rotación con las ruedas. Si está mal, el robot sigue conduciendo, pero una orden de giro puro se arrastra por el suelo y una traslación pura se curva, porque la rotación y la traslación se están contaminando. Mide de centro de rueda a centro de rueda, no la chapa del chasis, que suele ser más ancha de lo que crees.

Las otras cifras que merece la pena escribir en el chasis con un marcador antes de empezar:

Lista de materiales

£90–170 en total. Las ruedas y el cuádruplo de motores son la razón de que los £50 de un robot de dos ruedas se conviertan en esto.

Cómo se conecta todo

        2S LiPo ──┬── 470 µF ── TB6612FNG #1 ── FL motor ── FL encoder ─┐
                  │                         └── FR motor ── FR encoder ─┤
                  ├── 470 µF ── TB6612FNG #2 ── RL motor ── RL encoder ─┼── ESP32
                  │                         └── RR motor ── RR encoder ─┘   (4 PWM,
                  └── 5 V BEC ──────────────────────────────── ESP32 ──────  8 GPIO,
                                                                   │         I²C)
                                                   MPU6050 ── I²C ─┘

Tres decisiones de cableado que no son obvias:

• El ESP32 tiene su propio regulador. Cuatro motores arrancando a la vez hunden el pack con fuerza, y un controlador que comparta ese raíl se apaga y se reinicia a mitad de una orden. Parece exactamente un fallo de firmware. Lee el tutorial del presupuesto de alimentación antes de culpar a tu código.
• Un condensador de desacoplo en cada driver. 470 µF cerca de la placa. Los puentes en H tiran a rafagas y la inductancia de los cables convierte esas ráfagas en picos.
• La IMU va en la línea central, plana, y tan lejos de los motores como permita la chapa. La deriva en guiñada ya es mala de por sí, sin el campo magnético de cuatro motores encima.

Constrúyelo por hitos

Cada uno tiene su prueba. No arrastres un fallo hacia adelante: en un robot de cuatro motores se multiplican.

1. Ruedas montadas y la comprobación de la X

Atornilla las cuatro ruedas y ponte justo encima del robot. Sigue la línea de los rodillos que ves encima de cada rueda.

Prueba: esas cuatro líneas apuntan al centro del robot y dibujan una X. Si dibujan un rombo, intercambia dos ruedas en diagonal. Superado: una X. Esta es una comprobación de cinco segundos que te ahorra un día.

2. Cada motor por separado

Cablea los cuatro y escribe un sketch que mueva una rueda cada vez al 40 % durante un segundo.

Prueba: llama a cada una y confirma que la rueda correcta gira en el sentido correcto. Superado: cuatro ruedas, cuatro sentidos correctos, ningún par intercambiado. Arregla el cableado en hardware, no con signos menos en el código: acabarás perdiendo el hilo.

3. Encoders

Una vuelta de cada rueda, girada a mano.

Prueba: imprime la cuenta. Superado: dentro del 2 % de 1440, y positiva cuando la rueda gira hacia delante. Una cuenta que da saltos o corre hacia atrás significa que estás interrumpiendo por un canal en vez de dos, o leyendo un volatile long sin desactivar las interrupciones.

4. Cinemática en tacos

Pon el robot en tacos y ordena una traslación lateral pura.

Prueba: los pares diagonales se oponen: delantera-izquierda y trasera-derecha van en un sentido, delantera-derecha y trasera-izquierda en el otro. Superado: exactamente ese patrón. Después ordena un giro puro: lado izquierdo en un sentido, lado derecho en el otro. Si una rueda discrepa, está en la esquina equivocada y el paso 1 te ha mentido.

5. Un lazo de velocidad

Ajusta prealimentación y luego PI en una sola rueda, en tacos, y luego bajo carga.

Prueba: ordena 0.3 m/s y presiona un dedo contra el neumático. Superado: la velocidad se mantiene y el PWM sube de forma visible. Haz esto bien una vez; las otras tres son copias con su propio kS y kV.

6. Las cuatro, en recta

Cuatro lazos, 100 Hz, sobre el suelo. Recorre 3 m recto.

Prueba: mide la deriva lateral al final. Superado: menos de 20 mm, y repetible en tres ejecuciones. En lazo abierto esto suele ser 80–200 mm y distinto cada vez.

7. Traslada 1 m

Prueba: avanza exactamente un metro de lado y mide tanto la distancia como el cambio de rumbo. Superado: dentro de 5 cm, rumbo dentro de 3°. Una curva consistente significa que la constante k está mal; una aleatoria significa que un lazo de velocidad no está aguantando.

8. IMU y orientación de campo

Calibra el sesgo en el arranque y añade el botón de reinicio del rumbo.

Prueba: mantén el joystick hacia delante y gira el robot a mano una vuelta completa. Superado: sigue avanzando en la misma dirección al cruzar el suelo. Quieto, la guiñada deriva menos de 3° por minuto.

9. El cuadrado

La prueba de aceptación. Recorre 1 m recto, 1 m a la derecha, 1 m hacia atrás, 1 m a la izquierda, sin ordenar ninguna rotación.

Prueba: distancia al punto de partida y cambio de rumbo. Superado: dentro de 5 cm y 3°.

Qué significa hacerlo bien

Esa última fila es honesta más que decepcionante. En esta tracción el mecanismo es el patinaje de los rodillos, así que la odometría es el número más débil del robot incluso cuando todo funciona. Incorpora esa expectativa en lugar de perseguirla.

Notas de hardware que importan

La mano de la rueda es una propiedad del juego. Dos unidades pedidas por separado del mismo anuncio son casi siempre de la misma mano. Compruébalo antes de taladrar nada.

Cada rodillo debe girar libremente. Hazlos girar uno a uno a mano antes de montar las ruedas. Un rodillo atascado convierte esa esquina en una rueda normal apuntando 45° fuera, a ratos, lo que se lee exactamente como un fallo de software.

Las ruedas mecanum son pesadas. 180–400 g cada una, así que hasta 1.6 kg del robot son ruedas, y eso es masa rotando en los extremos de los brazos de palanca. Hace que el robot parezca perezoso y es la razón de que importe el techo de aceleración.

El suelo es un componente. El hormigón pulido y el vinilo están alrededor de μ = 0.8. Un suelo de gimnasio polvoriento, una capa de laca que alguien usó en otro robot, o una junta en el linóleo lo reducen a la mitad localmente, y el robot cambiará de comportamiento al cruzarla. Mira qué hace μ = 0.25 antes de culpar al ajuste.

Cuando va mal

Hacia dónde llevarlo después

Ruedas pasivas. Dos o tres ruedas omni sin alimentar, montadas sobre muelles y con sus propios encoders. No transmiten par, así que no patinan, y convierten el peor número de este robot en el mejor.

Seguimiento de trayectorias holonómico. Pure pursuit y Stanley asumen un robot que dirige. Una base que puede desplazarse de lado puede hacer más: sigue la posición sobre la ruta y el rumbo de forma independiente, porque tienes actuadores separados para ellos.

Una cámara sobre una base que mantiene el rumbo. El emparejamiento natural: un pipeline de visión es mucho más fácil cuando la cámara puede seguir apuntando al objetivo mientras la base se reposiciona. Eso es para lo que sirve en realidad la tracción holonómica.

ROS 2. Esta es la primera tracción de aquí donde el linear.y de cmd_vel —que un robot de tracción diferencial ignora explícitamente— por fin significa algo. Cambiar la función de twist a ruedas por la versión de mecanum de cuatro filas es casi todo el trabajo.