PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

저자: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

PCBot은 PCB 트레이스로 만든 코일로 자석을 전환하여 궤도형 진동 테이블 위에서 움직인다. 부품 5개, 18 g, 조립 20 s 미만, 70 mAh 충전당 약 66 m 이동.

중요한 이유

액추에이터를 PCB에 내장하면 작업의 대부분이 자동화된 PCB 제작으로 옮겨가고, 손으로 조립할 부품은 다섯 개만 남는다. 3D 프린팅 섀시, PCB, 배터리, 강철 코어 역할의 나사, 고무로 덮인 자석이다. 공유 테이블은 모터로 구동되는 강판으로, 저자들은 이를 제작과 규모 확대가 간단하다고 설명한다.

문제

군집 규모는 각 로봇의 복잡성, 비용, 조립 시간에 의해 제한된다. 논문은 100대 미만의 SWARM-BOT 및 e-puck 군집과, 로봇당 5분의 수작업 조립 때문에 군집이 약 1,000대로 제한되는 Kilobot을 예로 든다. 매우 단순한 액추에이터를 가진 로봇은 흔히 HoverBots에 필요한 자석 내장 테이블처럼 복잡성을 환경으로 옮긴다.

제안 방법

PCBot은 강철 궤도형 진동 테이블 위에 놓여, 표면에 붙을지 미끄러질지를 선택하는 시점을 정해 움직인다. 유일한 액추에이터는 쌍안정 솔레노이드이다. 다층 PCB의 트레이스로 만든 코일이 고무로 덮인 네오디뮴 자석을 '부착' 상태(자석이 테이블을 붙잡고 로봇이 그 주위로 회전)와 '분리' 상태(로봇이 관성으로 미끄러짐) 사이에서 움직이며, ≈1 ms의 전환 동안에만 전류를 소모한다. 머리 위의 편광 조명과 편광판으로 덮인 광센서가 소프트웨어 위상 고정 루프를 통해 방향을 제공하며, 코일 나선의 형태는 자석 힘 단위당 에너지를 수치적으로 최소화하여 정해진다.

핵심 통찰

• PCB 트레이스로 만든 코일이 액추에이터 역할을 할 수 있으므로, 전선을 감거나 전자 영구자석을 만드는 대신 자동화된 PCB 공정에서 생산된다.
• 쌍안정 자석은 수십 밀리초에서 수 초까지 지속되는 분리 상태 전체가 아니라 ≈1 ms의 상태 전환 동안에만 전력을 필요로 한다.
• 구동을 공유 궤도형 테이블로 옮기면 각 로봇을 매우 단순하게 만들 수 있다. 붙는 시점과 미끄러지는 시점을 조절하면 어떤 2-D 방향으로든 움직일 수 있다.
• 편광 광원 아래에서 테이블과 함께 수동적으로 회전함으로써 로봇은 자이로스코프 없이 자신의 방향을 알 수 있다.
• 재료 선택이 마찰 차이를 결정한다. HDPE 위 섀시는 약 0.12, 네오프렌(Neoprene) 고무는 운동 마찰 0.45와 정지 마찰 0.67로, 부착 시 약 73 mN, 분리 시 29 mN의 마찰력을 낸다.

주요 결과

• 로봇 크기 48 × 42 × 14 mm, 질량 18 g, 질량 중심은 회전축에서 5.2 mm. 주요 부품 다섯 개, 조립 20초 미만.
• 주기당 100 ms 자석 들어 올림을 적용한 직선 이동: 평균 10 구동 주기당 47 mm, 방향 표준편차 8°, 거리 표준편차 7 mm. 본문은 이러한 실험을 36회로 기술하지만, 그림 11 캡션은 30회로 언급한다.
• 50 ms 들어 올림(실험 30회): 10 주기당 21 mm, 표준편차 4° 및 5 mm로, 방향은 더 정확해지고 거리는 덜 정확해졌다.
• 에너지: 대기 시 18 mW(대부분 마이크로컨트롤러), 구동 주기당 68 mJ. 70 mAh 배터리로 약 14,000 주기, 주기당 4.7 mm 기준 약 66 m, 또는 분리 시간 200 ms 초과로 스텝당 10 mm 이상일 때 140 m 이상을 지원한다.
• 최적화된 코일 형태는 이상화된 분석에서 단순한 0.7 mm 폭 코일 대비 에너지를 40% 절약하며, 비아와 주변 부품이 단순 코일의 성능을 떨어뜨리는 실제 PCBot 보드에서는 70% 절약한다.
• 선정된 설계점: I0 = 5 A, 강철 코어와 테이블 간 거리 7.5 mm, 자석 높이 부착 시 1.85 mm 및 분리 시 2.90 mm, 최소 0.1 mm 여유. 테이블은 115 ± 2 rpm, 궤도 반경 10.7 mm.

한계

• PCBot은 현재 움직이기만 한다. 완전한 군집 로봇에 필요한 로봇 간 감지와 통신이 없으며, IR 송수신기가 계획되어 있다.
• 위치 피드백이 없고 스텝 길이가 주로 HDPE 시트 전체의 불균일한 마찰 때문에 달라지므로, 직사각형 경로는 60번째 스텝에서 닫히지 않았다.
• 전력 사용은 구동이 지배한다. 초당 한 번 움직이면 구동 전력이 500 mW를 넘을 수 있는데, PCB 코일은 전선 코일보다 감은 수가 약 10분의 1이고 저항은 약 10배 높기 때문이다.
• 로봇은 전용 환경에 의존한다. HDPE 코팅을 한 강철 궤도형 진동 테이블과 머리 위의 편광 조명이 필요하다.
• 실험은 단일 프로토타입 로봇을 사용한다. 군집 운용은 시험되지 않았다.

분야에 미친 영향

IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design(ROBOTIS 후원)의 최종 후보였으며, IROS 2022 Best Paper Award 및 ABB Best Student Paper Award 통합 최종 후보 목록에도 올랐다. 인용 수 2회. 논문에는 코드나 설계 파일 링크가 없다.

초록

개별 로봇의 구동에 필요한 복잡성, 비용, 전력 요구량은 로봇 군집의 규모를 제한하는 큰 요인이 될 수 있다. 여기서 우리는 PCB에 직접 내장된 쌍안정 솔레노이드 액추에이터를 사용하여 궤도형 진동 테이블 위에서 정밀하게 움직일 수 있는 미니멀리스트 로봇 PCBot을 제시한다. 이를 통해 액추에이터를 자동화된 PCB 제조 공정의 일부로 만들 수 있어, 수작업 조립에 미치는 영향이 크게 줄어든다. 이 새로운 액추에이터 설계 덕분에 PCBot은 주요 부품이 다섯 개에 불과하고 20초 이내에 조립할 수 있어, 쉽게 대량 생산될 수 있는 가능성이 있다. 여기서 우리는 PCBot의 전자기 및 기계 설계를 제시한다. 또한 프로토타입 로봇을 사용하여 직선으로 이동하는 능력과 주어진 경로를 따라가는 능력을 시연한다.

링크

• 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