PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

作者: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

授權條款

• 開放取用
• 論文: CC BY 4.0

以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。

一句話摘要

PCBot 以 PCB 走線構成的線圈切換磁鐵，從而在軌道式振動台上移動：五個零件、18 g、組裝不到 20 s，每次 70 mAh 充電約可行進 66 m。

為何重要

把致動器內建在 PCB 中，可將大部分工作移到自動化的 PCB 製造，只剩五個零件需要人工組裝：一個 3D 列印底盤、PCB、一顆電池、一根作為鋼芯的螺絲，以及一塊表面覆有橡膠的磁鐵。共用的振動台是一塊由馬達驅動的鋼板，作者表示它容易製造且易於擴大規模。

問題

群體規模受限於每台機器人的複雜度、成本與組裝時間：論文提到 SWARM-BOT 與 e-puck 群體都不到 100 台機器人，而 Kilobot 每台需要五分鐘人工組裝，使群體規模上限約為 1,000 台。致動器非常簡單的機器人，往往會把複雜度轉移到環境中，例如 HoverBots 所需的內嵌磁鐵台面。

提出的方法

PCBot 放在鋼製的軌道式振動台上，透過選擇何時吸附在表面、何時在表面上滑動來移動。它唯一的致動器是一個雙穩態螺線管：由多層 PCB 中的走線構成的線圈，驅動一塊表面覆有橡膠的釹磁鐵在「吸附」狀態（磁鐵吸住台面，機器人繞著它旋轉）與「脫離」狀態（機器人靠慣性滑動）之間切換，只在≈1 ms 的切換期間耗電。上方的偏振光源與覆有偏光片的光感測器透過軟體鎖相迴路提供方向資訊，線圈螺旋的形狀則以數值方法將每單位磁力所需的能量降到最低來決定。

關鍵見解

• 以 PCB 走線構成的線圈可作為致動器，因此能在自動化 PCB 流程中生產，而不必繞線或製作電永磁鐵。
• 雙穩態磁鐵只在≈1 ms 的狀態切換時需要供電，而非整段脫離期間都要供電，後者持續數十毫秒到數秒。
• 把致動轉移到共用的軌道式振動台上，讓每台機器人都能非常簡單；藉由掌握何時吸附、何時滑動，可朝任意 2-D 方向移動。
• 在偏振光源下隨振動台被動旋轉，讓機器人不需陀螺儀就能得知自身方向。
• 材料選擇決定摩擦差：底盤在 HDPE 上約為 0.12，氯丁橡膠（Neoprene）動摩擦 0.45、靜摩擦 0.67，吸附時摩擦力約 73 mN，脫離時為 29 mN。

主要結果

• 機器人尺寸 48 × 42 × 14 mm，質量 18 g，質心距旋轉軸 5.2 mm；五個主要元件，在 20 秒內組裝完成。
• 每個週期磁鐵抬起 100 ms 時的直線運動：平均每 10 個致動週期移動 47 mm，方向標準差 8°，距離標準差 7 mm。內文描述了 36 次這類實驗，而圖 11 的圖說則寫 30 次。
• 磁鐵抬起 50 ms 時（30 次實驗）：每 10 個週期移動 21 mm，標準差分別為 4° 與 5 mm，因此方向更準確，距離則較不準確。
• 能耗：待機時 18 mW（主要來自微控制器），每個致動週期 68 mJ；70 mAh 電池約可支援 14,000 個週期，以每週期 4.7 mm 計約為 66 m，若每步超過 10 mm 且脫離時間超過 200 ms，則可超過 140 m。
• 在理想化分析中，最佳化的線圈形狀比簡單的 0.7 mm 寬線圈節省 40% 能量；在實際的 PCBot 電路板上則節省 70%，因為導通孔與鄰近元件會讓簡單線圈的表現變差。
• 選定的設計點：I0 = 5 A，鋼芯到台面 7.5 mm，磁鐵高度吸附時為 1.85 mm、脫離時為 2.90 mm，至少保留 0.1 mm 餘裕；振動台轉速 115 ± 2 rpm，軌道半徑 10.7 mm。

限制

• PCBot 目前只能移動；它缺少完整群體機器人所需的機器人間感測與通訊能力，計畫加入 IR 收發器。
• 沒有位置回饋，且步長會變動，主要原因是 HDPE 板上的摩擦不均勻，因此矩形路徑在第 60 步時沒有閉合。
• 致動佔了大部分耗電：每秒移動一次可能使致動功率超過 500 mW，因為 PCB 線圈的匝數比繞線線圈少約十倍，電阻則高約十倍。
• 機器人依賴專用環境：具 HDPE 塗層的鋼製軌道式振動台，以及上方的偏振光源。
• 實驗只使用一台原型機器人；並未測試群體運作。

對領域的影響

入圍 IROS 2022 機器人機構與設計最佳論文獎（由 ROBOTIS 贊助）決選，並列入 IROS 2022 最佳論文獎與 ABB 最佳學生論文獎的合併決選名單；被引用 2 次。論文並未連結程式碼或設計檔案。

摘要

個別機器人致動所需的複雜度、成本與電力需求，可能是限制機器人群體規模的一大因素。在此，我們提出 PCBot，這是一款極簡機器人，利用直接內建於其 PCB 的雙穩態螺線管致動器，能在軌道式振動台上精確移動。這讓致動器可以作為自動化 PCB 製造流程的一部分來生產，大幅減少它對人工組裝的影響。由於這種新穎的致動器設計，PCBot 只有五個主要元件，可在 20 秒內組裝完成，有望輕鬆實現大量生產。在此，我們介紹 PCBot 的電磁與機構設計。此外，我們以一台原型機器人展示它沿直線移動以及循著給定路徑前進的能力。

連結

• 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