PCBot: a Minimalist Robot Designed for Swarm Applications

作者: Jingxian Wang, Michael Rubenstein · IROS 2022

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• 论文: CC BY 4.0

以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

PCBot 用由 PCB 走线构成的线圈切换磁铁，从而在轨道振动台上移动：五个零件，18 g，组装不到 20 s，每次 70 mAh 充电约可行进 66 m。

为何重要

将执行器内置于 PCB，把大部分工作转移到自动化 PCB 制造中，只剩五个零件需要手工组装：一个 3D 打印底盘、PCB、一块电池、一颗作为钢芯的螺钉，以及一块表面覆橡胶的磁铁。共用的振动台是一块由电机驱动的钢板，作者称其易于制造和扩大规模。

问题

集群规模受限于每台机器人的复杂度、成本和组装时间：论文提到 SWARM-BOT 和 e-puck 集群不足 100 台机器人，而 Kilobot 每台需要五分钟手工组装，使集群规模上限约为 1,000 台。执行器非常简单的机器人往往会把复杂性转移到环境中，例如 HoverBots 所需的嵌有磁铁的台面。

提出的方法

PCBot 放置在一个钢制轨道振动台上，通过选择何时吸附在表面、何时在表面上滑动来移动。它唯一的执行器是一个双稳态螺线管：由多层 PCB 中的走线构成的线圈，驱动一块表面覆橡胶的钕磁铁在「吸附」状态（磁铁吸住台面，机器人绕其转动）和「分离」状态（机器人依靠惯性滑动）之间切换，只在≈1 ms 的切换期间耗电。顶部的偏振光源和覆有偏振片的光传感器通过软件锁相环提供朝向信息，线圈螺旋的形状则通过数值方法最小化单位磁力所需能量来确定。

关键见解

• 由 PCB 走线构成的线圈可以充当执行器，因此它可以在自动化 PCB 流程中生产，而无需绕制导线或制作电永磁体。
• 双稳态磁铁只需在≈1 ms 的状态切换时供电，而不是在整个分离期间供电，后者持续数十毫秒到数秒。
• 把驱动转移到共用的轨道振动台上，使每台机器人都可以非常简单；通过控制何时吸附、何时滑动，可以实现任意 2-D 方向的运动。
• 在偏振光源下随振动台被动旋转，使机器人无需陀螺仪即可获得自身朝向。
• 材料选择决定了摩擦差：底盘在 HDPE 上约为 0.12，氯丁橡胶（Neoprene）动摩擦 0.45、静摩擦 0.67，吸附时摩擦力约 73 mN，分离时为 29 mN。

主要结果

• 机器人尺寸 48 × 42 × 14 mm，质量 18 g，质心距旋转轴 5.2 mm；五个主要部件，20 秒内完成组装。
• 每个周期磁铁抬起 100 ms 时的直线运动：平均每 10 个驱动周期移动 47 mm，方向标准差 8°，距离标准差 7 mm。正文描述了 36 次此类实验，而图 11 的图注称为 30 次。
• 磁铁抬起 50 ms 时（30 次实验）：每 10 个周期移动 21 mm，标准差分别为 4° 和 5 mm，因此方向更准确，而距离准确性下降。
• 能耗：待机时 18 mW（主要来自微控制器），每个驱动周期 68 mJ；70 mAh 电池可支持约 14,000 个周期，按每周期 4.7 mm 约为 66 m，若每步超过 10 mm、分离时间超过 200 ms，则可超过 140 m。
• 在理想化分析中，优化后的线圈形状比简单的 0.7 mm 宽线圈节省 40% 能量；在实际 PCBot 电路板上节省 70%，因为过孔和附近元件会使简单线圈性能下降。
• 选定的设计点：I0 = 5 A，钢芯到台面 7.5 mm，磁铁高度在吸附时为 1.85 mm、分离时为 2.90 mm，至少留有 0.1 mm 余量；振动台转速 115 ± 2 rpm，轨道半径 10.7 mm。

局限

• PCBot 目前只能移动；它缺少完整集群机器人所需的机器人间感知和通信能力，计划加入 IR 收发器。
• 没有位置反馈，且步长会变化，主要原因是 HDPE 板上摩擦不均匀，因此矩形路径在第 60 步时没有闭合。
• 驱动占据了主要功耗：每秒移动一次可能使驱动功率超过 500 mW，因为 PCB 线圈的匝数比导线线圈少约十倍，电阻高约十倍。
• 机器人依赖专用环境：带 HDPE 涂层的钢制轨道振动台和顶部偏振光源。
• 实验只使用一台原型机器人；未测试集群运行。

对领域的影响

入围 IROS 2022 机器人机构与设计最佳论文奖（由 ROBOTIS 赞助）决选，并列入 IROS 2022 最佳论文奖与 ABB 最佳学生论文奖的联合决选名单；被引用 2 次。论文未链接代码或设计文件。

摘要

单个机器人驱动所需的复杂度、成本和功耗，可能在很大程度上限制机器人集群的规模。在这里，我们提出 PCBot，一种极简机器人，它利用直接内置于其 PCB 中的双稳态螺线管执行器，能够在轨道振动台上精确移动。这使执行器可以作为自动化 PCB 制造流程的一部分来制造，大大减少了它对手工组装的影响。得益于这种新颖的执行器设计，PCBot 仅有五个主要部件，可在 20 秒内完成组装，有望实现轻松的大规模制造。在这里，我们介绍 PCBot 的电磁和机械设计。此外，我们使用一台原型机器人展示了它沿直线移动以及跟随给定路径的能力。

链接

• 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