PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

Auteurs: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

Licences

• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

PCBot se déplace sur une table vibrante orbitale en commutant un aimant à l'aide d'une bobine formée de pistes de PCB : cinq pièces, 18 g, moins de 20 s d'assemblage, environ 66 m de déplacement par charge de 70 mAh.

Pourquoi c'est important

Intégrer l'actionneur dans le PCB transfère l'essentiel du travail vers la fabrication automatisée des PCB, ne laissant que cinq pièces à assembler à la main : un châssis imprimé en 3D, le PCB, une batterie, une vis servant de noyau en acier et un aimant recouvert de caoutchouc. La table partagée est une plaque d'acier entraînée par des moteurs, que les auteurs décrivent comme simple à fabriquer et à agrandir.

Problème

La taille d'un essaim est limitée par la complexité, le coût et le temps d'assemblage de chaque robot : l'article cite des essaims SWARM-BOT et e-puck de moins de 100 robots, et Kilobot, dont les cinq minutes d'assemblage manuel par robot plafonnent les essaims à environ 1 000. Les robots dotés d'actionneurs très simples déplacent souvent la complexité vers l'environnement, comme la table à aimants intégrés dont ont besoin les HoverBots.

Solution proposée

PCBot repose sur une table vibrante orbitale en acier et se déplace en choisissant quand adhérer à la surface ou glisser dessus. Son unique actionneur est un solénoïde bistable : une bobine formée de pistes dans le PCB multicouche déplace un aimant en néodyme recouvert de caoutchouc entre un état « attaché » (l'aimant tient la table, le robot pivote autour de lui) et un état « détaché » (le robot glisse par inertie), ne consommant du courant que pendant la commutation de ≈1 ms. Une lumière polarisée en surplomb et un capteur de lumière recouvert d'un polariseur fournissent l'orientation au moyen d'une boucle à verrouillage de phase logicielle, et la forme de la spirale de la bobine est obtenue en minimisant numériquement l'énergie par unité de force magnétique.

Idées clés

• Une bobine faite de pistes de PCB peut servir d'actionneur ; elle est donc produite par le processus automatisé de fabrication des PCB au lieu de bobiner du fil ou de fabriquer des aimants électropermanents.
• Un aimant bistable n'a besoin d'énergie que pendant le changement d'état de ≈1 ms, et non pendant toute la phase détachée, qui dure de quelques dizaines de millisecondes à quelques secondes.
• Déplacer l'actionnement vers une table orbitale partagée permet des robots très simples ; choisir le moment où le robot adhère et celui où il glisse donne un mouvement dans n'importe quelle direction 2-D.
• Tourner passivement avec la table sous une source de lumière polarisée donne au robot son orientation sans gyroscope.
• Le choix des matériaux fixe l'écart de frottement : châssis sur HDPE environ 0,12, caoutchouc Neoprene 0,45 en dynamique et 0,67 en statique, soit environ 73 mN de frottement à l'état attaché contre 29 mN à l'état détaché.

Principaux résultats

• Taille du robot 48 × 42 × 14 mm, masse 18 g, centre de masse à 5,2 mm de l'axe de rotation ; cinq composants principaux, assemblés en moins de 20 secondes.
• Déplacement en ligne droite avec un soulèvement de l'aimant de 100 ms par cycle : 47 mm pour 10 cycles d'actionnement en moyenne, avec des écarts-types de 8° en direction et de 7 mm en distance. Le texte décrit 36 expériences de ce type, tandis que la légende de la Fig. 11 en mentionne 30.
• Avec un soulèvement de 50 ms (30 expériences) : 21 mm pour 10 cycles, avec des écarts-types de 4° et 5 mm ; la direction est donc devenue plus précise et la distance moins précise.
• Énergie : 18 mW au repos (principalement le microcontrôleur) et 68 mJ par cycle d'actionnement ; la batterie de 70 mAh permet environ 14 000 cycles, soit environ 66 m à 4,7 mm par cycle, ou plus de 140 m à plus de 10 mm par pas avec plus de 200 ms en phase détachée.
• La forme de bobine optimisée économise 40 % d'énergie par rapport à une bobine simple de 0,7 mm de large dans l'analyse idéalisée, et 70 % sur la carte PCBot réelle, où les vias et les composants voisins dégradent la bobine simple.
• Point de conception retenu : I0 = 5 A, noyau en acier à 7,5 mm de la table, hauteur de l'aimant de 1,85 mm à l'état attaché et 2,90 mm à l'état détaché, avec une marge d'au moins 0,1 mm ; table à 115 ± 2 rpm avec un rayon orbital de 10,7 mm.

Limites

• PCBot ne fait actuellement que se déplacer ; il lui manque la perception et la communication entre robots dont un véritable robot d'essaim a besoin, et des émetteurs-récepteurs IR sont prévus.
• Il n'y a aucun retour de position, et la longueur des pas varie, principalement à cause d'un frottement inégal sur la feuille de HDPE, si bien que la trajectoire rectangulaire ne s'est pas refermée au pas 60.
• L'actionnement domine la consommation : se déplacer une fois par seconde pourrait porter la puissance d'actionnement au-delà de 500 mW, car une bobine de PCB a environ dix fois moins de spires et une résistance dix fois plus élevée qu'une bobine en fil.
• Le robot dépend d'un environnement dédié : une table vibrante orbitale en acier revêtue de HDPE et une lumière polarisée en surplomb.
• Les expériences utilisent un seul robot prototype ; le fonctionnement en essaim n'est pas testé.

Impact sur le domaine

Finaliste du IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (parrainé par ROBOTIS) et inscrit sur la liste commune des finalistes du IROS 2022 Best Paper Award et de l'ABB Best Student Paper Award ; 2 citations. L'article ne donne aucun lien vers du code ou des fichiers de conception.

Résumé

La complexité, le coût et les besoins en énergie de l'actionnement de chaque robot peuvent fortement limiter la taille des essaims robotiques. Nous présentons ici PCBot, un robot minimaliste capable de se déplacer avec précision sur une table vibrante orbitale grâce à un actionneur solénoïde bistable intégré directement dans son PCB. Cela permet de fabriquer l'actionneur dans le cadre du processus automatisé de fabrication des PCB, ce qui réduit fortement son impact sur l'assemblage manuel. Grâce à cette conception d'actionneur inédite, PCBot ne compte que cinq composants principaux et peut être assemblé en moins de 20 secondes, ce qui pourrait permettre de le fabriquer facilement en grande série. Nous présentons ici la conception électromagnétique et mécanique de PCBot. En outre, un robot prototype est utilisé pour démontrer sa capacité à se déplacer en ligne droite ainsi qu'à suivre des trajectoires données.

Liens

• 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