PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

Autoren: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

PCBot bewegt sich auf einem Orbital-Schütteltisch, indem er einen Magneten mit einer Spule aus PCB-Leiterbahnen schaltet: fünf Teile, 18 g, unter 20 s Montage, etwa 66 m Fahrstrecke pro 70-mAh-Ladung.

Warum es wichtig ist

Die Integration des Aktors in die PCB verlagert den Großteil der Arbeit in die automatisierte PCB-Fertigung, sodass fünf Teile von Hand zu montieren bleiben: ein 3D-gedrucktes Chassis, die PCB, ein Akku, eine Schraube als Stahlkern und ein gummibeschichteter Magnet. Der gemeinsame Tisch ist eine motorgetriebene Stahlplatte, die die Autoren als einfach herzustellen und zu vergrößern beschreiben.

Problem

Die Schwarmgröße wird durch Komplexität, Kosten und Montagezeit jedes Roboters begrenzt: Das Paper nennt SWARM-BOT- und e-puck-Schwärme mit unter 100 Robotern sowie Kilobot, dessen fünf Minuten manueller Montage je Roboter Schwärme auf etwa 1.000 begrenzen. Roboter mit sehr einfachen Aktoren verlagern Komplexität oft in die Umgebung, etwa in den Tisch mit eingebetteten Magneten, den HoverBots benötigen.

Lösungsansatz

PCBot steht auf einem Orbital-Schütteltisch aus Stahl und bewegt sich, indem er wählt, wann er an der Oberfläche haftet oder darauf gleitet. Sein einziger Aktor ist ein bistabiles Solenoid: Eine Spule aus Leiterbahnen in der mehrlagigen PCB bewegt einen gummibeschichteten Neodym-Magneten zwischen einem Zustand „angehaftet“ (der Magnet hält sich am Tisch, der Roboter dreht sich um ihn) und einem Zustand „gelöst“ (der Roboter gleitet durch Trägheit) und zieht nur für den Wechsel von ≈1 ms Strom. Ein polarisiertes Licht von oben und ein mit einem Polarisator abgedeckter Lichtsensor liefern die Orientierung über eine Software-Phasenregelschleife, und die Form der Spulenspirale wird durch numerische Minimierung der Energie je Einheit Magnetkraft bestimmt.

Wichtigste Erkenntnisse

Eine aus PCB-Leiterbahnen gebildete Spule kann als Aktor dienen und wird so im automatisierten PCB-Prozess hergestellt, statt Draht zu wickeln oder Elektropermanentmagnete zu bauen.
Ein bistabiler Magnet braucht nur für den Zustandswechsel von ≈1 ms Energie, nicht für die gesamte gelöste Phase, die zehn Millisekunden bis Sekunden dauert.
Die Verlagerung der Aktuierung in einen gemeinsamen Orbitaltisch erlaubt sehr einfache Roboter; durch das Timing von Haften und Gleiten ergibt sich Bewegung in jede 2-D-Richtung.
Passives Mitdrehen mit dem Tisch unter einer polarisierten Lichtquelle liefert dem Roboter seine Orientierung ohne Gyroskop.
Die Materialwahl bestimmt den Reibungsunterschied: Chassis auf HDPE etwa 0,12, Neoprene-Gummi 0,45 Gleit- und 0,67 Haftreibung, was etwa 73 mN Reibung im angehafteten gegenüber 29 mN im gelösten Zustand ergibt.

Hauptergebnisse

Robotergröße 48 × 42 × 14 mm, Masse 18 g, Massenschwerpunkt 5,2 mm von der Drehachse; fünf Hauptkomponenten, Montage in unter 20 Sekunden.
Geradlinige Bewegung mit 100 ms Magnetanhebung je Zyklus: im Mittel 47 mm pro 10 Aktuierungszyklen, mit Standardabweichungen von 8° in der Richtung und 7 mm in der Strecke. Der Text beschreibt 36 solche Experimente, während die Bildunterschrift von Fig. 11 von 30 spricht.
Mit 50 ms Anhebung (30 Experimente): 21 mm pro 10 Zyklen, mit Standardabweichungen von 4° und 5 mm; die Richtung wurde also genauer, die Strecke ungenauer.
Energie: 18 mW im Leerlauf (überwiegend der Mikrocontroller) und 68 mJ je Aktuierungszyklus; der 70-mAh-Akku reicht für etwa 14.000 Zyklen, etwa 66 m bei 4,7 mm je Zyklus, oder über 140 m bei mehr als 10 mm je Schritt mit über 200 ms gelöster Phase.
Die optimierte Spulenform spart in der idealisierten Analyse 40 % Energie gegenüber einer einfachen, 0,7 mm breiten Spule und 70 % auf der tatsächlichen PCBot-Platine, wo Vias und benachbarte Bauteile die einfache Spule verschlechtern.
Gewählter Auslegungspunkt: I0 = 5 A, Stahlkern zum Tisch 7,5 mm, Magnethöhe 1,85 mm angehaftet und 2,90 mm gelöst, mit mindestens 0,1 mm Reserve; Tisch bei 115 ± 2 rpm mit 10,7 mm Orbitalradius.

Einschränkungen

PCBot bewegt sich derzeit nur; ihm fehlen die Sensorik und Kommunikation zwischen Robotern, die ein vollwertiger Schwarmroboter benötigt, IR-Transceiver sind geplant.
Es gibt keine Positionsrückmeldung, und die Schrittlänge schwankt, vor allem wegen ungleichmäßiger Reibung auf der HDPE-Platte, sodass sich der rechteckige Pfad bei Schritt 60 nicht schloss.
Die Aktuierung dominiert den Energieverbrauch: Eine Bewegung pro Sekunde könnte die Aktuierungsleistung über 500 mW treiben, weil eine PCB-Spule etwa zehnmal weniger Windungen und einen zehnmal höheren Widerstand hat als eine Drahtspule.
Der Roboter ist auf eine eigene Umgebung angewiesen: einen Orbital-Schütteltisch aus Stahl mit HDPE-Beschichtung und ein polarisiertes Licht von oben.
Die Experimente verwenden einen einzigen Prototyp; der Betrieb eines Schwarms ist nicht getestet.

Wirkung auf das Fachgebiet

Finalist für den IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (gesponsert von ROBOTIS) und auf der gemeinsamen Finalistenliste des IROS 2022 Best Paper Award und ABB Best Student Paper Award; 2 Zitierungen. Das Paper verlinkt keinen Code und keine Konstruktionsdateien.

Zusammenfassung

Komplexität, Kosten und Leistungsbedarf für die Aktuierung einzelner Roboter können ein wesentlicher Faktor sein, der die Größe von Roboterschwärmen begrenzt. Hier stellen wir PCBot vor, einen minimalistischen Roboter, der sich mithilfe eines direkt in seine PCB integrierten bistabilen Solenoid-Aktors präzise auf einem Orbital-Schütteltisch bewegen kann. Dadurch kann der Aktor als Teil des automatisierten PCB-Fertigungsprozesses hergestellt werden, was seinen Einfluss auf die manuelle Montage stark verringert. Dank dieses neuartigen Aktordesigns besteht PCBot aus nur fünf Hauptkomponenten und lässt sich in unter 20 Sekunden montieren, was eine einfache Massenfertigung ermöglichen könnte. Hier stellen wir das elektromagnetische und mechanische Design von PCBot vor. Zusätzlich wird ein Prototyp verwendet, um seine Fähigkeit zu demonstrieren, sich geradlinig zu bewegen und vorgegebenen Pfaden zu folgen.

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