Omni Wheels CAR

這個設計的想法是因為這次要教家長及小朋友做做履帶夾子車（Micro:bit語音夾子車 ），裡頭材料已用了KSB048電機板，只用來驅動二顆馬達有點小用了，所以衍生出一些變化，以前為了實現車子除了可以前進後退左右轉， 還可以橫向移動，常見的CASE都是做麥克納姆輪車，在這兒改用另一種名為全向輪（Omni Wheel）的輪子來做，它不需要成雙成對使用，所以我嘗試了三軸的車子～

Omni wheels Gripper Car

製作一輛三軸的全向輪夾子車，它可以前進後退及左右橫移，還可以原地旋轉，和麥克納姆輪一樣，不過只用了三顆輪子，這段示範影片中，拿另一塊Micro:bit當遙控器，利用廣播的方法來控制車子運動，程式很簡單，用Makecode拉拉積木就行了！

關於全向輪

這Omni Wheels說的就是全向輪，與麥卡納姆輪相似，全向輪是在圓周上具有垂直於轉向方向的小圓盤的車輪，效果是可以全力驅動車輪，但也可以非常輕鬆地橫向滑動。 

這種輪子經常用於小型自主機器人的智慧機器人研究，可以讓機體擁有朝任何方向移動的能力…

資料：en.wikipedia.org/wiki/Omni_wheel 

以3D列印製作車子構成

STL檔下載：drive.google.com/file/d/14NEH3aHDDzOZw0kJLhESjezJwoVcHkyw/view?usp=sharing 

這個設計的重點是要畫正三角形的車身，這樣三個輪子的運作才能均衡，在三個角的位置有安裝N20馬達的固定槽（招數從Miniplan的夾子車學來的），車子中間留的固定孔是以凱斯KSB048擴充板設計，在車子前方預留幾個孔可以安裝夾子或以後安裝別的零件～

輪子的選用

我覺得選擇輪子是這個CASE中最關鍵的部份了，這種輪子一般就是上網去買（也許有人會自己找模型來印），一開始我在熟悉的店裡買了幾個小全向輪（上圖橘紅色這組），老板沒打算上架賣所以一顆80元便宜給，後來我發現這顆輪子的品質不是很好（滾輪的滑動性不好），後來又在網路上買了38mm和48mm的輪徑的輪子，小的150元大的250元，哇！做輛車子的成本也不少！

連軸器的問題

做小車這事在還沒細想時，只覺得輪子部份就套上馬達轉就對了，其實這個部份有很多細節，多大的輪子搭配什麼馬達都得先想好，輪子的中心和馬達套上的部份就是「連軸器」，有的輪子會標明隨附（TT馬達用或N20馬達D軸用），像我買的這顆就說是樂高相容的十字軸孔，那在馬達這端就要是樂高十字軸才能剛剛好，正好最近有人賣這種樂高十字軸的N20馬達…

不過，38mm這顆可就沒附連軸器，輪子的中心是個六角孔，需要自己去找合適的連軸器（一般都是金屬製，裝上去還會凸出一截），所以我決定自己做一個可以直接塞進去且連接N20的D軸，這次還蠻精準地成功了！

測量

畫圖印出

自製的連軸器

設計的連軸器塞進全向輪中間的預留孔剛好塞緊不鬆動，中間留有符合n20馬達的D字型軸的插孔

車體製作

這個部份是相對的簡單的，主要就是固定三顆N20馬達，列印件有提供二種版本，適用一般的N20馬達及最近有人賣一種Lego十字軸的N20，差異在於形狀及軸連結器的不同，輪子要能夠搭配…，N20的減速比1:50或1:100的比較恰當

一般N20的軸是D軸

樂高十字軸的馬達要搭十字孔的車輪

固定馬達的方法

車輪的馬達必須要固定不能滑動，這個使用小束帶來束緊它，這招也是前陣子看了Miniplan的夾子車製作學來的，用條束帶取代以前用的N20馬達固定座

夾子的製作及固定

這輛車的夾子部份的設計是延用miniplan之前釋出的gripper car作品的夾子，可以到github.com/GeorgeChiou/ESP32-CAM-MotorShieldV3.0_Gripper/tree/main/STL 去下載相關的3D模型檔來列印(gyro_arm_sg90.stl , gripper_arm_base_sg90.stl , gripper_A.stl , gripper_B.st l , gripper_arm_l.stl , gripper_arm_r.stl)，組裝方法可以參看→夾子車體的組裝 

走線

整輛車就三顆馬達二顆舵機，有設計好走線的孔

安裝KSB048擴充板

這個車體的設計就是適用凱斯的KSB048馬達擴充板，預留四個M3螺絲孔，直接鎖上就行了，不用鎖得很緊，能固定板子就行了

車子的操控系統

分析一下這輛車子的電機組成（三顆N20馬達+二顆SG90 Servo），所以只要是能驅動這些電機的方案都是可以的，我預設的想法是使用KSB048電機擴充板，主要是因為它小巧又強大，能驅動四顆馬達及八顆舵機，而且有14500電池座很方便

Micro:bit或PocketCard

KSB048本來就是設計給micro:bit用的擴充板，也是小朋友最容易上手學習的板子(使用Makecode拉積木)，如果要進階一點，也可以搭ESP32核心的PocketCard（使用Arduino IDE寫程式），它的引腳方式被設計成相容於Micro:bit的插槽

Micro:bit Omni Wheels car demoshow 

原則上Micro:bit算是小朋友最容易上手的主板了！在Makecode的積木環境下，搭配KSB048的擴充積木，可以很簡單就設計出讓小車運動的程式

PocketCard Omni Wheels car demoshow

PocketCard就是ESP32的板子，雖然也有積木式的開發環境，不過既然都用到這種板子了，就使用文字式的Arduino IDE來編寫比較有彈性，這demo是用到了ESP32的WEBCAM及WebServer成為一部視訊控制的小車

三軸全向輪的運動原理

運動學分析

無論移動還是旋轉，全向輪很容易就進行方向控制，三個輪軸的車子與一般四輪的移動原理不一樣，而且理論歸理論，實際運行時與地面的摩擦力有很大的關係，這種車子比較適合運行在平滑乾淨又有一定摩擦力的地面，設計這車時必須考慮讓重心儘可能在車子的正中央，而且三個輪子之間是絕對的互成120°安裝。

資料參考：www.guyuehome.com/33732 

車體的平衡設計

在畫這車的形狀時，我有努力地維持它三個輪子保持120°的角度（就是要正三角形的意思，其實不太好畫！）前方裝的夾子剛好可以跟車子的主板加擴充板（14500電池）的重量達成平衡

各輪子的轉動與車子移動方向的關係：下圖是車子運動方向的原則圖（利用力的方向抵消），不過各輪的轉速不一定一樣，可以在程式中控制，並且在實務場景中進行實驗，這樣的車子想往哪個方向移動都是可以的，重點在於改變各輪子的轉動方向及轉速，很適合小朋友思考及實驗…不過，深入探究的理論公式感覺很難！

參考資料：

www.geek-workshop.com/thread-42550-1-1.html 

www.twblogs.net/a/5b7b02372b7177539c24ae36 

https://tw511.com/a/01/10125.html

https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/53/pdf/091004.pdf

ir.hust.edu.tw/bitstream/310993100/4672/1/%E5%85%A8%E5%90%91%E8%BC%AA%E8%87%AA%E8%B5%B0%E8%BB%8A%E7%9A%84%E8%A3%BD%E4%BD%9C%E8%88%87%E9%81%8B%E5%8B%95%E6%8E%A7%E5%88%B6.pdf 

 使用遊戲手把來操控

安裝及使用bluepad32的方式可參考→ESP32-CAM Girpper Car  這個頁面裡的說明，以XBox無線搖桿來說，可操控的回傳數值可就多了（下圖），其實用不上這麼多樣

我的做法是在程式碼中把小車的各項動作都寫成涵式，像是夾子上升就像這樣

void G_UP() {

  gripper_basePos += 3;

  board1.setPWM(gripper_base, 0, angleToPulse(gripper_basePos) );

  delay(10);

}

車子前進

void Move_Forward() {

  Motor(M1A,200);

  Motor(M1B,200);

  Motor(M2A,0);

  delay(50);

}

然後運用bluspad32程式中回傳值去做動作反應，像是

void processGamepad(ControllerPtr ctl) {

    if(ctl->axisX() < -200 ){

      Move_Forward();

      //Serial.println("Key 'up' pressed");

    }else if(ctl->axisX() > 200 ){。。。。。。。。

}else{.........

}

Joycon操控全向輪車

這段範例影片是使用JOYCON左邊的搖桿來與車子連線並控制

Xbox Controller操控全向輪車

這段影片範例是Omni Wheels Gripper Car開電後，開啟Xbox無線搖桿，自動配對並操控車子運動