Комплект колёс Mecanum

Что это такое

Колесо mecanum — обычное колесо с кольцом свободно вращающихся роликов по ободу, причём ось каждого ролика установлена под 45° к оси колеса. Bengt Ilon запатентовал его в 1972 году в шведской компании Mecanum AB, откуда взялось название, и складские роботы с тех пор незаметно его используют.

Следствие наклона 45° составляет всю суть. Обычное колесо может создавать тягу только вдоль направления качения. Колесо mecanum — только вдоль оси ролика, поскольку ролик свободно вращается во всех остальных направлениях и просто отказывается передавать силу. Поэтому сила от одного колеса mecanum на земле постоянно направлена под 45° к шасси, независимо от команды двигателю.

Одно такое колесо бесполезно. Четыре колеса, два левых и два правых, дают четыре вектора сил под чередующимися углами 45°, и сумма четырёх векторов может направить робот в любую сторону пола и сообщить ему вращение. Это голономическая платформа: три управляемые степени свободы — движение вперёд, вбок и вращение — от четырёх обычных двигателей без рулевого управления.

Направление колеса

Колёса mecanum выпускаются в двух зеркальных исполнениях, обычно обозначаемых левое (A) и правое (B) либо просто метками L и R на ступице. Роботу нужны по два каждого, расположенных по диагонали:

Диагональные углы имеют одинаковое направление. Покупка четырёх одинаковых колёс — реальная распространённая ошибка: «комплект из четырёх колёс mecanum» от надёжного продавца содержит по два каждого типа, но два одиночных заказа часто включают одинаковые.

Проверка X

Надёжная проверка вообще не требует меток.

1. Поставьте робота на верстак колёсами вниз.
2. Встаньте над ним и смотрите строго вниз.
3. На каждом колесе проследите линию роликов, видимых сверху.
4. Эти четыре линии должны быть направлены к центру робота и образовывать X.

Если образуется ромб, то есть конфигурация O, поменяйте местами два колеса по диагонали и проверьте снова.

При попытке вывести направление вместо визуальной проверки возникает тонкость: ролики, видимые сверху, зеркальны относительно касающихся пола, поскольку ролик в верхней части колеса — это тот же ролик, перенесённый на полоборота. Ролики, создающие тягу, направлены в другую сторону. Это не имеет значения: видимый X остаётся правильной проверкой и именно поэтому используется всеми, ведь его можно увидеть.

Подключение четырёх колёс к Arduino

Mecanum — привод на четыре двигателя, поэтому одного L298N недостаточно. Нужны два двойных H-моста или одна четырёхканальная плата:

Две детали создают проблемы:

• Четыре канала PWM с общим таймером не будут работать одновременно. На Uno шесть выводов PWM распределены по трём таймерам, а библиотека Servo или tone() займёт один. Mega или ESP32 снимают проблему; на Uno проверьте карту таймеров перед пайкой.
• Четырём энкодерам нужны четыре вывода прерываний. У Uno их два. Это самая частая причина, по которой сборка mecanum переносится на Mega 2560 или ESP32.

Минимальный рабочий код

Обратная кинематика занимает четыре строки. Всё остальное — соединения и обмен данными.

// 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() — место для контура скорости, если он есть. В разомкнутом режиме это просто запись PWM, но mecanum в разомкнутом контуре дрейфует; см. замыкание контура по скорости колёс.

Числа, которые имеют значение

Их три, и все три определяются геометрией, а не покупкой:

Последняя строка — то, за что вы платите. Первые три — счёт.

Диагностика

Mecanum или альтернативы?

Честный итог: платформа mecanum — правильный ответ на ровном чистом полу, в тесном пространстве и когда робот должен сохранять курс во время движения: проход между стеллажами склада, соревновательная площадка, платформа камеры. Это неверный ответ, когда робот должен толкать, преодолевать подъёмы или определять своё точное положение только по колёсам.

Где применяется

Установите такие колёса под платформу — и получите всесторонне управляемого робота mecanum. Перед резкой металла проведите двадцать минут в симуляторе привода mecanum: неверная установка колеса там ничего не стоит, а именно такую ошибку вы с наибольшей вероятностью допустите.