PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

Autori: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

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• Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

PCBot si muove su una tavola vibrante orbitale commutando un magnete con una bobina fatta di piste del PCB: cinque parti, 18 g, meno di 20 s per il montaggio e circa 66 m di percorso per carica da 70 mAh.

Perché è importante

Integrare l'attuatore nel PCB sposta la maggior parte del lavoro nella fabbricazione automatizzata del PCB, lasciando cinque parti da montare a mano: un telaio stampato in 3D, il PCB, una batteria, una vite come nucleo in acciaio e un magnete con faccia in gomma. La tavola condivisa è una piastra d'acciaio azionata da motori, che gli autori descrivono come semplice da produrre e da scalare.

Problema

La dimensione di uno sciame è limitata dalla complessità, dal costo e dal tempo di montaggio di ciascun robot: l'articolo cita sciami SWARM-BOT ed e-puck di meno di 100 robot, e i cinque minuti di montaggio manuale per robot di Kilobot che limitano gli sciami a circa 1.000. I robot con attuatori molto semplici spesso spostano la complessità nell'ambiente, come la tavola con magneti incorporati di cui hanno bisogno gli HoverBots.

Soluzione proposta

PCBot poggia su una tavola vibrante orbitale in acciaio e si muove scegliendo quando aderire alla superficie o scivolare su di essa. Il suo unico attuatore è un solenoide bistabile: una bobina fatta di piste nel PCB multistrato sposta un magnete al neodimio con faccia in gomma tra uno stato 'agganciato' (il magnete si fissa alla tavola, il robot ruota attorno a esso) e uno stato 'staccato' (il robot scivola per inerzia), assorbendo corrente solo per la commutazione di ≈1 ms. Una luce polarizzata dall'alto e un sensore di luce coperto da un polarizzatore forniscono l'orientamento tramite un anello ad aggancio di fase software, e la spirale della bobina è sagomata minimizzando numericamente l'energia per unità di forza del magnete.

Idee chiave

• Una bobina fatta di piste del PCB può fungere da attuatore, così viene prodotta nel processo automatizzato del PCB invece che avvolgendo filo o realizzando magneti elettropermanenti.
• Un magnete bistabile richiede energia solo per il cambio di stato di ≈1 ms, non per l'intero periodo staccato, che dura da decine di millisecondi a secondi.
• Spostare l'attuazione in una tavola orbitale condivisa consente a ogni robot di essere molto semplice; scegliere quando aderisce e quando scivola produce un moto in qualsiasi direzione 2-D.
• Ruotando passivamente con la tavola sotto una sorgente di luce polarizzata, il robot ottiene il proprio orientamento senza giroscopio.
• La scelta dei materiali determina la differenza di attrito: telaio su HDPE circa 0,12, gomma Neoprene 0,45 dinamico e 0,67 statico, per circa 73 mN di attrito da agganciato contro 29 mN da staccato.

Risultati principali

• Dimensioni del robot 48 × 42 × 14 mm, massa 18 g, centro di massa a 5,2 mm dall'asse di rotazione; cinque componenti principali, montato in meno di 20 secondi.
• Moto rettilineo con sollevamento del magnete di 100 ms per ciclo: in media 47 mm ogni 10 cicli di attuazione, con deviazioni standard di 8° in direzione e 7 mm in distanza. Il testo descrive 36 esperimenti di questo tipo, mentre la didascalia della Fig. 11 ne indica 30.
• Con un sollevamento di 50 ms (30 esperimenti): 21 mm ogni 10 cicli, con deviazioni standard di 4° e 5 mm, quindi la direzione è diventata più precisa e la distanza meno.
• Energia: 18 mW a riposo (soprattutto il microcontrollore) e 68 mJ per ciclo di attuazione; la batteria da 70 mAh consente circa 14.000 cicli, circa 66 m a 4,7 mm per ciclo, oppure oltre 140 m a più di 10 mm per passo con oltre 200 ms da staccato.
• La forma ottimizzata della bobina fa risparmiare il 40 % di energia rispetto a una semplice bobina larga 0,7 mm nell'analisi idealizzata, e il 70 % sulla scheda reale di PCBot, dove via e componenti vicini degradano la bobina semplice.
• Punto di progetto scelto: I0 = 5 A, 7,5 mm dal nucleo in acciaio alla tavola, altezza del magnete di 1,85 mm da agganciato e 2,90 mm da staccato, con un margine di almeno 0,1 mm; tavola a 115 ± 2 rpm con un raggio orbitale di 10,7 mm.

Limiti

• Per ora PCBot si limita a muoversi; gli mancano il rilevamento e la comunicazione tra robot necessari a un robot per sciami completo, e sono previsti ricetrasmettitori IR.
• Non c'è retroazione di posizione, e la lunghezza del passo varia, soprattutto per l'attrito non uniforme sul foglio di HDPE, per cui il percorso rettangolare non si è chiuso al passo 60.
• L'attuazione domina il consumo: muoversi una volta al secondo potrebbe portare la potenza di attuazione oltre 500 mW, perché una bobina su PCB ha circa dieci volte meno spire e una resistenza circa dieci volte più alta di una bobina a filo.
• Il robot dipende da un ambiente dedicato: una tavola vibrante orbitale in acciaio con rivestimento in HDPE e una luce polarizzata dall'alto.
• Gli esperimenti usano un solo robot prototipo; il funzionamento di uno sciame non è provato.

Impatto sul settore

Finalista dell'IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (sponsorizzato da ROBOTIS) e presente nella lista combinata dei finalisti dell'IROS 2022 Best Paper Award e dell'ABB Best Student Paper Award; 2 citazioni. L'articolo non rimanda a codice né a file di progetto.

Abstract

La complessità, il costo e i requisiti di potenza per l'attuazione dei singoli robot possono avere un peso notevole nel limitare la dimensione degli sciami robotici. Presentiamo qui PCBot, un robot minimalista che può muoversi con precisione su una tavola vibrante orbitale usando un attuatore a solenoide bistabile integrato direttamente nel suo PCB. Ciò consente di realizzare l'attuatore come parte del processo automatizzato di produzione del PCB, riducendo notevolmente il suo impatto sul montaggio manuale. Grazie a questo nuovo design dell'attuatore, PCBot ha appena cinque componenti principali e può essere montato in meno di 20 secondi, il che potrebbe consentirne una facile produzione in serie. Presentiamo qui il progetto elettromagnetico e meccanico di PCBot. Inoltre, un robot prototipo viene usato per dimostrare la sua capacità di muoversi in linea retta e di seguire percorsi assegnati.

Link

• 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