PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

Autores: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

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Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

O PCBot se move sobre uma mesa vibratória orbital comutando um ímã com uma bobina feita de trilhas da PCB: cinco peças, 18 g, menos de 20 s de montagem e cerca de 66 m de deslocamento por carga de 70 mAh.

Por que importa

Construir o atuador na PCB transfere a maior parte do trabalho para a fabricação automatizada da PCB, deixando cinco peças para montar à mão: um chassi impresso em 3D, a PCB, uma bateria, um parafuso como núcleo de aço e um ímã com face de borracha. A mesa compartilhada é uma placa de aço acionada por motores, que os autores descrevem como simples de fabricar e de escalar.

Problema

O tamanho de um enxame é limitado pela complexidade, pelo custo e pelo tempo de montagem de cada robô: o artigo cita enxames de SWARM-BOT e e-puck com menos de 100 robôs, e os cinco minutos de montagem manual por robô do Kilobot, que limitam os enxames a cerca de 1.000. Robôs com atuadores muito simples muitas vezes transferem a complexidade para o ambiente, como a mesa com ímãs embutidos de que os HoverBots precisam.

Solução proposta

O PCBot fica sobre uma mesa vibratória orbital de aço e se move escolhendo quando aderir à superfície ou deslizar sobre ela. Seu único atuador é um solenoide biestável: uma bobina feita de trilhas na PCB multicamada move um ímã de neodímio com face de borracha entre um estado 'acoplado' (o ímã prende a mesa e o robô gira em torno dele) e um estado 'desacoplado' (o robô desliza por inércia), consumindo corrente apenas durante a comutação de ≈1 ms. Uma luz polarizada no teto e um sensor de luz coberto por um polarizador fornecem a orientação por meio de uma malha de captura de fase em software, e a espiral da bobina é projetada minimizando numericamente a energia por unidade de força do ímã.

Principais ideias

Uma bobina feita de trilhas da PCB pode funcionar como atuador, de modo que é produzida no processo automatizado da PCB, em vez de enrolando fio ou fabricando ímãs eletropermanentes.
Um ímã biestável só precisa de energia durante a mudança de estado de ≈1 ms, e não durante todo o período desacoplado, que dura de dezenas de milissegundos a segundos.
Transferir a atuação para uma mesa orbital compartilhada permite que cada robô seja muito simples; escolher quando ele adere e quando desliza gera movimento em qualquer direção 2-D.
Girar passivamente com a mesa sob uma fonte de luz polarizada dá ao robô sua orientação sem giroscópio.
A escolha de materiais define a diferença de atrito: chassi sobre HDPE cerca de 0,12, borracha de Neoprene 0,45 cinético e 0,67 estático, resultando em cerca de 73 mN de atrito acoplado contra 29 mN desacoplado.

Principais resultados

Tamanho do robô 48 × 42 × 14 mm, massa 18 g, centro de massa a 5,2 mm do eixo de rotação; cinco componentes principais, montado em menos de 20 segundos.
Movimento em linha reta com elevação do ímã de 100 ms por ciclo: 47 mm a cada 10 ciclos de atuação em média, com desvios-padrão de 8° na direção e 7 mm na distância. O texto descreve 36 experimentos desse tipo, enquanto a legenda da Fig. 11 menciona 30.
Com elevação de 50 ms (30 experimentos): 21 mm a cada 10 ciclos, com desvios-padrão de 4° e 5 mm, ou seja, a direção ficou mais precisa e a distância menos.
Energia: 18 mW em repouso (principalmente o microcontrolador) e 68 mJ por ciclo de atuação; a bateria de 70 mAh permite cerca de 14.000 ciclos, cerca de 66 m a 4,7 mm por ciclo, ou mais de 140 m a mais de 10 mm por passo com mais de 200 ms desacoplado.
A forma otimizada da bobina economiza 40 % de energia em comparação com uma bobina simples de 0,7 mm de largura na análise idealizada, e 70 % na placa real do PCBot, em que vias e componentes próximos degradam a bobina simples.
Ponto de projeto escolhido: I0 = 5 A, 7,5 mm do núcleo de aço até a mesa, altura do ímã de 1,85 mm acoplado e 2,90 mm desacoplado, com margem de pelo menos 0,1 mm; mesa a 115 ± 2 rpm com raio orbital de 10,7 mm.

Limitações

Por enquanto o PCBot apenas se move; faltam-lhe a percepção e a comunicação entre robôs de que um robô de enxame completo precisa, e transceptores IR estão planejados.
Não há realimentação de posição, e o comprimento do passo varia, principalmente por causa do atrito irregular ao longo da folha de HDPE, de modo que a trajetória retangular não se fechou no passo 60.
A atuação domina o consumo de energia: mover-se uma vez por segundo poderia levar a potência de atuação acima de 500 mW, porque uma bobina de PCB tem cerca de dez vezes menos espiras e resistência cerca de dez vezes maior que uma bobina de fio.
O robô depende de um ambiente dedicado: uma mesa vibratória orbital de aço com revestimento de HDPE e uma luz polarizada no teto.
Os experimentos usam um único robô protótipo; a operação de um enxame não é testada.

Impacto na área

Finalista do IROS 2022 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (patrocinado pela ROBOTIS) e na lista combinada de finalistas do IROS 2022 Best Paper Award e do ABB Best Student Paper Award; 2 citações. O artigo não traz links para código nem arquivos de projeto.

Resumo

A complexidade, o custo e os requisitos de energia para a atuação de robôs individuais podem ser um fator importante na limitação do tamanho de enxames robóticos. Aqui apresentamos o PCBot, um robô minimalista que consegue se mover com precisão sobre uma mesa vibratória orbital usando um atuador solenoide biestável construído diretamente em sua PCB. Isso permite que o atuador seja fabricado como parte do processo automatizado de fabricação da PCB, reduzindo muito seu impacto na montagem manual. Graças a esse novo projeto de atuador, o PCBot tem apenas cinco componentes principais e pode ser montado em menos de 20 segundos, o que pode permitir que seja facilmente produzido em massa. Aqui apresentamos o projeto eletromagnético e mecânico do PCBot. Além disso, um robô protótipo é usado para demonstrar sua capacidade de se mover em linha reta e de seguir trajetórias dadas.

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