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PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

著者: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

ライセンス

  • オープンアクセス
  • 論文: CC BY 4.0

以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。

要約

PCBot は PCB のパターンで作ったコイルで磁石を切り替えることで、軌道式振動テーブル上を移動する。部品 5 点、18 g、組み立て 20 s 未満、70 mAh の 1 回の充電で約 66 m 移動する。

重要な理由

アクチュエータを PCB に組み込むことで作業の大部分が自動化された PCB 製造に移り、手作業で組み立てる部品は 5 点だけになる。3D プリントのシャーシ、PCB、バッテリ、鋼製コアとしてのねじ、そしてゴム張りの磁石である。共用のテーブルはモータで駆動される鋼板であり、著者らは製造もスケールアップも容易だと述べている。

課題

スウォームの規模は各ロボットの複雑さ、コスト、組み立て時間によって制限される。論文は 100 台未満の SWARM-BOT や e-puck のスウォーム、そして 1 台あたり 5 分の手作業による組み立てが必要なためにスウォームが約 1,000 台に制限される Kilobot を挙げている。非常に単純なアクチュエータを持つロボットは、HoverBots が必要とする磁石埋め込みテーブルのように、複雑さを環境に移すことが多い。

提案手法

PCBot は鋼製の軌道式振動テーブル上に置かれ、表面に吸着するか滑るかのタイミングを選ぶことで移動する。唯一のアクチュエータは双安定ソレノイドであり、多層 PCB のパターンで作られたコイルが、ゴム張りのネオジム磁石を「吸着」状態（磁石がテーブルを保持し、ロボットがその周りを回転する）と「離脱」状態（ロボットが慣性で滑る）の間で動かし、電流を流すのは≈1 ms の切り替え時だけである。天井の偏光光源と偏光板で覆われた光センサが、ソフトウェアの位相同期ループを通じて向きを与え、コイルのスパイラル形状は磁石の力の単位あたりのエネルギーを数値的に最小化することで決められる。

主な知見

  • PCB のパターンで作ったコイルがアクチュエータとして機能するため、ワイヤを巻いたり電気永久磁石を作ったりする代わりに、自動化された PCB 工程で製造できる。
  • 双安定の磁石に電力が必要なのは≈1 ms の状態切り替えの間だけであり、数十ミリ秒から数秒続く離脱期間全体ではない。
  • 駆動を共用の軌道式テーブルに移すことで各ロボットを非常に単純にでき、吸着と滑りのタイミングを制御することで任意の 2-D 方向への移動が得られる。
  • 偏光光源の下でテーブルとともに受動的に回転することで、ロボットはジャイロスコープなしで自らの向きを得られる。
  • 材料の選択が摩擦の差を決める。HDPE 上のシャーシは約 0.12、ネオプレン（Neoprene）ゴムは動摩擦 0.45、静摩擦 0.67 で、吸着時の摩擦力は約 73 mN、離脱時は 29 mN となる。

主な結果

  • ロボットのサイズは 48 × 42 × 14 mm、質量 18 g、重心は回転軸から 5.2 mm。主要部品は 5 点で、20 秒未満で組み立てられる。
  • 1 サイクルあたり 100 ms 磁石を持ち上げた場合の直線移動：駆動 10 サイクルあたり平均 47 mm で、標準偏差は方向が 8°、距離が 7 mm。本文ではこの実験を 36 回と記述しているが、Fig. 11 のキャプションでは 30 回としている。
  • 持ち上げ時間 50 ms の場合（30 回の実験）：10 サイクルあたり 21 mm、標準偏差は 4° と 5 mm で、方向はより正確に、距離はより不正確になった。
  • エネルギー：待機時は 18 mW（大部分はマイクロコントローラ）、駆動 1 サイクルあたり 68 mJ。70 mAh のバッテリで約 14,000 サイクル、1 サイクル 4.7 mm で約 66 m、あるいは離脱時間 200 ms 超で 1 ステップ 10 mm 超なら 140 m 以上移動できる。
  • 最適化したコイル形状は、理想化した解析では単純な幅 0.7 mm のコイルと比べて 40% のエネルギーを節約し、実際の PCBot 基板では 70% を節約する。実基板ではビアや近くの部品が単純なコイルの性能を落とすためである。
  • 選ばれた設計点：I0 = 5 A、鋼製コアからテーブルまで 7.5 mm、磁石の高さは吸着時 1.85 mm、離脱時 2.90 mm で、少なくとも 0.1 mm のマージンを持つ。テーブルは 115 ± 2 rpm、軌道半径は 10.7 mm。

制限事項

  • PCBot は現時点では移動しかできず、完全なスウォームロボットに必要なロボット間のセンシングや通信を備えていない。IR トランシーバの搭載が計画されている。
  • 位置のフィードバックがなく、主に HDPE シート上の摩擦の不均一さによってステップ長がばらつくため、長方形の経路はステップ 60 で閉じなかった。
  • 電力消費の大部分は駆動が占める。PCB コイルはワイヤコイルより巻数が約 10 分の 1、抵抗が約 10 倍であるため、毎秒 1 回移動すると駆動電力が 500 mW を超えうる。
  • ロボットは専用の環境に依存する。HDPE コーティングを施した鋼製の軌道式振動テーブルと、天井の偏光光源である。
  • 実験には試作ロボット 1 台のみが用いられ、スウォームとしての動作は試験されていない。

分野への影響

IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design（ROBOTIS 後援）のファイナリストであり、IROS 2022 Best Paper Award と ABB Best Student Paper Award の合同ファイナリストリストにも入った。被引用数は 2 である。論文にはコードや設計ファイルへのリンクはない。

概要

個々のロボットの駆動に必要な複雑さ、コスト、電力は、ロボットスウォームの規模を制限する大きな要因となりうる。本論文では、PCB に直接組み込んだ双安定ソレノイドアクチュエータを用いて、軌道式振動テーブル上を精密に移動できるミニマリストなロボット PCBot を提示する。これによりアクチュエータを自動化された PCB 製造工程の一部として作ることができ、手作業による組み立てへの影響を大きく減らせる。この新しいアクチュエータ設計のおかげで、PCBot の主要部品はわずか 5 点であり、20 秒未満で組み立てることができるため、容易に大量生産できる可能性がある。本論文では PCBot の電磁設計と機械設計を示す。さらに、試作ロボットを用いて、直線移動と与えられた経路への追従ができることを実証する。

リンク

  • 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

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