PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

Autores: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

Licencias

• Acceso abierto
• Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

PCBot se mueve sobre una mesa vibratoria orbital conmutando un imán con una bobina hecha de pistas de la PCB: cinco piezas, 18 g, menos de 20 s de montaje y unos 66 m de recorrido por carga de 70 mAh.

Por qué importa

Integrar el actuador en la PCB traslada la mayor parte del trabajo a la fabricación automatizada de la PCB y deja cinco piezas para montar a mano: un chasis impreso en 3D, la PCB, una batería, un tornillo como núcleo de acero y un imán con cara de goma. La mesa compartida es una placa de acero accionada por motores, que los autores describen como sencilla de fabricar y de escalar.

Problema

El tamaño de un enjambre está limitado por la complejidad, el coste y el tiempo de montaje de cada robot: el artículo cita enjambres de SWARM-BOT y e-puck de menos de 100 robots, y los cinco minutos de montaje manual por robot de Kilobot, que limitan los enjambres a unos 1.000. Los robots con actuadores muy sencillos a menudo trasladan la complejidad al entorno, como la mesa con imanes integrados que necesitan los HoverBots.

Solución propuesta

PCBot se apoya en una mesa vibratoria orbital de acero y se mueve eligiendo cuándo adherirse a la superficie o deslizar sobre ella. Su único actuador es un solenoide biestable: una bobina hecha de pistas en la PCB multicapa mueve un imán de neodimio con cara de goma entre un estado 'adherido' (el imán se sujeta a la mesa y el robot pivota a su alrededor) y un estado 'despegado' (el robot se desliza por inercia), consumiendo corriente solo durante la conmutación de ≈1 ms. Una luz cenital polarizada y un sensor de luz cubierto por un polarizador dan la orientación mediante un lazo de seguimiento de fase por software, y la espiral de la bobina se diseña minimizando numéricamente la energía por unidad de fuerza del imán.

Ideas clave

• Una bobina hecha con pistas de la PCB puede servir de actuador, de modo que se produce en el proceso automatizado de la PCB en lugar de bobinando hilo o fabricando imanes electropermanentes.
• Un imán biestable solo necesita energía durante el cambio de estado de ≈1 ms, no durante todo el periodo despegado, que dura desde decenas de milisegundos hasta segundos.
• Trasladar la actuación a una mesa orbital compartida permite que cada robot sea muy sencillo; elegir cuándo se adhiere y cuándo desliza da movimiento en cualquier dirección 2-D.
• Girar de forma pasiva con la mesa bajo una fuente de luz polarizada da al robot su orientación sin giroscopio.
• La elección de materiales fija la diferencia de fricción: chasis sobre HDPE unos 0,12, goma de Neopreno 0,45 cinética y 0,67 estática, lo que da unos 73 mN de fricción adherido frente a 29 mN despegado.

Resultados principales

• Tamaño del robot 48 × 42 × 14 mm, masa 18 g, centro de masas a 5,2 mm del eje de rotación; cinco componentes principales, montado en menos de 20 segundos.
• Movimiento en línea recta con una elevación del imán de 100 ms por ciclo: 47 mm por cada 10 ciclos de actuación de media, con desviaciones estándar de 8° en dirección y 7 mm en distancia. El texto describe 36 experimentos de este tipo, mientras que el pie de la Fig. 11 se refiere a 30.
• Con una elevación de 50 ms (30 experimentos): 21 mm por cada 10 ciclos, con desviaciones estándar de 4° y 5 mm, es decir, la dirección fue más precisa y la distancia menos.
• Energía: 18 mW en reposo (sobre todo el microcontrolador) y 68 mJ por ciclo de actuación; la batería de 70 mAh permite unos 14.000 ciclos, unos 66 m a 4,7 mm por ciclo, o más de 140 m a más de 10 mm por paso con más de 200 ms despegado.
• La forma optimizada de la bobina ahorra un 40 % de energía frente a una bobina simple de 0,7 mm de ancho en el análisis idealizado, y un 70 % en la placa real de PCBot, donde las vías y los componentes cercanos degradan la bobina simple.
• Punto de diseño elegido: I0 = 5 A, 7,5 mm del núcleo de acero a la mesa, altura del imán de 1,85 mm adherido y 2,90 mm despegado, con un margen de al menos 0,1 mm; mesa a 115 ± 2 rpm con un radio orbital de 10,7 mm.

Limitaciones

• Por ahora PCBot solo se mueve; carece de la detección y la comunicación entre robots que necesita un robot de enjambre completo, y se prevén transceptores IR.
• No hay realimentación de posición, y la longitud del paso varía, sobre todo por la fricción irregular a lo largo de la lámina de HDPE, por lo que la trayectoria rectangular no se cerró en el paso 60.
• La actuación domina el consumo: moverse una vez por segundo podría llevar la potencia de actuación por encima de 500 mW, porque una bobina de PCB tiene unas diez veces menos espiras y una resistencia unas diez veces mayor que una bobina de hilo.
• El robot depende de un entorno específico: una mesa vibratoria orbital de acero con recubrimiento de HDPE y una luz cenital polarizada.
• Los experimentos usan un solo robot prototipo; no se prueba el funcionamiento de un enjambre.

Impacto en el campo

Finalista del IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (patrocinado por ROBOTIS) y en la lista combinada de finalistas del IROS 2022 Best Paper Award y del ABB Best Student Paper Award; 2 citas. El artículo no enlaza código ni archivos de diseño.

Resumen

La complejidad, el coste y los requisitos de energía para la actuación de los robots individuales pueden ser un factor importante que limita el tamaño de los enjambres robóticos. Aquí presentamos PCBot, un robot minimalista que puede moverse con precisión sobre una mesa vibratoria orbital usando un actuador de solenoide biestable integrado directamente en su PCB. Esto permite fabricar el actuador como parte del proceso automatizado de fabricación de la PCB, lo que reduce en gran medida su impacto en el montaje manual. Gracias a este novedoso diseño del actuador, PCBot tiene apenas cinco componentes principales y puede montarse en menos de 20 segundos, lo que podría permitir fabricarlos fácilmente en masa. Aquí presentamos el diseño electromagnético y mecánico de PCBot. Además, se usa un robot prototipo para demostrar su capacidad de moverse en línea recta y de seguir trayectorias dadas.

Enlaces

• arXiv 2404.05087: https://arxiv.org/abs/2404.05087
• DOI 10.1109/IROS47612.2022.9981377: https://doi.org/10.1109/IROS47612.2022.9981377
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2404.05087v1