Conjunto de rodas Mecanum

O que é

Uma roda Mecanum é uma roda comum com uma série de roletes de livre rotação fixados ao redor da aroa; o eixo de cada rolete fica a 45° em relação ao eixo da própria roda. Bengt Ilon patentou-a em 1972 na empresa sueca Mecanum AB, de onde vem o nome, e robôs de armazém a usam continuamente desde então.

A consequência desse ângulo de 45° explica toda a história. Uma roda normal só pode empurrar ao longo da direção em que rola. Uma roda Mecanum só pode empurrar ao longo do eixo de seu rolete—porque o rolete gira livremente em todas as outras direções e simplesmente não transmite força nelas. Assim, a força de uma roda Mecanum contra o piso fica fixa a 45° em relação ao chassi, independentemente do que o motor fizer.

Uma dessas rodas é inútil. Quatro delas, em pares esquerdo e direito, fornecem quatro vetores de força em ângulos alternados de 45°; a soma desses vetores pode apontar para qualquer direção no piso e conferir um torque. Essa é uma base holonômica: três graus de liberdade controláveis—avanço, movimento lateral e rotação—a partir de quatro motores comuns sem direção de esterço.

Lateralidade e por que ela não é opcional

As rodas Mecanum vêm em duas formas espelhadas, normalmente vendidas como esquerda (A) e direita (B), ou apenas marcadas como L e R no cubo. Um robô precisa de duas de cada, em pares diagonais:

Cantos diagonais têm a mesma lateralidade. Comprar quatro rodas iguais é um erro real e comum—um “conjunto de quatro rodas Mecanum” de um vendedor confiável contém duas de cada, mas duas peças compradas separadamente frequentemente não contêm.

A verificação do X

O teste confiável não exige nenhuma marcação.

1. Coloque o robô na bancada, com as rodas apoiadas no chão.
2. Fique acima dele e olhe diretamente para baixo.
3. Em cada roda, siga a linha dos roletes que você vê no topo.
4. Essas quatro linhas devem apontar para o centro do robô e desenhar um X.

Se as linhas desenharem um losango—a configuração O—troque duas rodas na diagonal e verifique novamente.

Há uma sutileza que atrapalha quando as pessoas tentam raciocinar em vez de olhar: os roletes vistos no topo são espelhados em relação aos que tocam o piso, porque um rolete no topo da roda é o mesmo rolete levado meia volta. Os roletes que fazem o empurrão apontam para o outro lado. Isso não importa—o X que você vê continua sendo o teste correto e é o que todo mundo usa, precisamente porque ele pode ser visto.

Conexão de quatro delas a um Arduino

Mecanum é uma tração de quatro motores; portanto, um único L298N não basta. Use duas pontes H duplas ou uma placa de quatro canais:

Dois detalhes costumam causar problemas:

• Quatro canais PWM que compartilham um temporizador não funcionarão todos. Em um Uno há seis pinos PWM em três temporizadores, e a biblioteca Servo ou tone() roubam um. Um Mega ou ESP32 elimina o problema; em um Uno, verifique o mapa dos temporizadores antes de soldar.
• Quatro encoders exigem quatro pinos de interrupção. Um Uno tem dois. Este é o motivo mais comum para uma montagem Mecanum terminar em um Mega 2560 ou ESP32.

Código mínimo funcional

A cinemática inversa tem quatro linhas. Todo o resto é cabeamento.

// Mecanum inverse kinematics: a chassis command in, four wheel speeds out.
// x is forward, y is to the robot's LEFT, omega is counter-clockwise.
const float LX = 0.075;   // half the wheelbase, m
const float LY = 0.085;   // half the track, m
const float K  = LX + LY; // the only place geometry enters

void driveMecanum(float vx, float vy, float omega) {
  float fl = vx - vy - K * omega;
  float fr = vx + vy + K * omega;
  float rl = vx + vy - K * omega;
  float rr = vx - vy + K * omega;

  // Scale, do not clip. Clipping each wheel on its own keeps the speed and
  // throws the direction away, which is a bug you will chase for a week.
  float peak = max(max(fabs(fl), fabs(fr)), max(fabs(rl), fabs(rr)));
  if (peak > V_MAX) {
    float s = V_MAX / peak;
    fl *= s; fr *= s; rl *= s; rr *= s;
  }

  setWheel(FL, fl); setWheel(FR, fr);
  setWheel(RL, rl); setWheel(RR, rr);
}

setWheel() é onde fica a malha de velocidade, se você tiver uma. Em malha aberta, basta escrever um valor de PWM; a tração Mecanum em malha aberta deriva—veja como fechar a malha na velocidade das rodas.

Os números que importam

São três, e todos os três dependem da geometria, não de algo que você possa resolver comprando outro componente.

A última linha é o que você está pagando. As três primeiras são a conta.

Solução de problemas

Mecanum ou as alternativas?

O resumo honesto: uma base Mecanum é a resposta certa quando o piso é plano e limpo, o espaço é apertado e o robô precisa manter a orientação enquanto se move—um corredor de armazém, um campo de competição, uma plataforma de câmera. É a resposta errada quando o robô precisa empurrar, subir ou saber exatamente onde está apenas pelas rodas.

Onde são usadas

Instale estas rodas sob um chassi e você estará construindo o robô omnidirecional Mecanum. Antes de cortar qualquer peça metálica, passe vinte minutos no simulador de tração Mecanum—montar uma roda invertida ali não custa nada, e essa é a falha mais provável.