【泡泡一分钟】磁性微型机器人群平台:启用安全屏障证书的低成本试验台

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标题：Magnetic Milli-Robot Swarm Platform: A Safety Barrier Certificate Enabled, Low-Cost Test Bed

作者：Allen Hsu, Huihua Zhao, Martin Gaudreault, Annjoe Wong Foy and Ron Pelrine

来源：2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)

编译：王春颖

审核：柴毅，王靖淇

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成群的微型和微型机器人具有推进生物微操作、微装配和制造的潜力，并为研究大型群体行为和控制提供了理想的平台。由于它们的小尺寸和低成本，数十到数百个微/毫机器人可以并行工作，以执行对于更大的宏观机器人来说过于麻烦或昂贵的任务。在这里，我们展示了一个可扩展的系统和模块化电路架构，用于控制和协调>10个磁性微/毫机器人的运动。通过将安全屏障证书的概念修改到磁性机器人硬件中，在一个低成本桌面(288毫米×288毫米)磁性微型机器人平台上实现了多达N = 16个机器人的微创、无碰撞、2D位置控制(x，y)，自由度高达288。结果表明，随机抖动的引入可以实现100%的成功率(即没有死锁)，使该系统能够作为研究各种类群体行为或多智能体机器人协调的平台。

图2.区域命令生成。(a)根据机器人的位置如何形成低级区域命令的示意图。当机器人从一个区域移动到另一个区域时，必须激活其他区域。v代表机器人的速度。请注意，机器人移动时的方向是不变的。(b)从每个机器人的单个区域命令构建全局区域命令的示意图，通过将单个命令相加，然后用重复命令的数量归一化每个区域。

图3.安全屏障证书。(a)两个机器人，如果继续保持它们原来的速度，最终机器人之间的距离将小于它们定义的安全半径。通过公式1，计算出新的速度u*，然后由机器人执行。(b)由于系统的硬件驱动，u *必须在空间和时间上离散化ud*，以便映射到低级区域命令。机器人可以向灰色箭头所示的离散方向移动。

图4.磁性微型机器人群平台。(a)整个桌面平台的图片(288毫米×288毫米)，包括所有开关电子设备和微控制器。图中未显示用于机器人跟踪的自上而下的摄像头。(b)模块化数字磁驱动单元，驱动磁驱动面上的一系列区域。每个驱动单元包含自己的4通道电流源，带有菊花链H桥。(c)模块化数字磁驱动单元的电路示意图。为了简化栅极驱动电压，齐纳二极管(图中未显示)放置在每个金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极和源极之间。单个栅极电压可用于驱动所有H桥，最终由一系列菊花链移位寄存器的5V信号控制。

图5.ROS架构。(1)用于摄像机校准和机器人跟踪的机器视觉，(2)机器人控制器，包括安全栅证书和低级驱动，以产生位置反馈区域命令。编译后的区域命令通过串行通信发送到微控制器。

图6.磁性微型机器人系统模拟器。(a)硬件模拟器软件架构的ROS图。(b)机器人运动的简化物理模拟，通过计算作用在机器人质心上的总力(公式11).为简单起见，扭矩被忽略，但包含静摩擦项。机器人上产生的力是标准化的力。(c)基于机器人轨迹规划器提供的开始条件和结束目标位置的机器人模拟轨迹。

图7.可变数量机器人的模拟轨迹。初始启动配置是机器人的随机位置，警告没有两个机器人违反安全半径约束。在目标位置，机器人围绕一个圆均匀分布。上图和下图分别显示了N = 5个机器人和N = 20个机器人；它们对应的轨迹是彩色编码的。

图8.模拟轨迹的直方图。x轴是每个机器人行进的距离(Lact)，归一化为它们的理想直线轨迹(Lideal)。左边和右边的图分别代表N = 5和N = 20个机器人。顶部和底部的图形是有和没有随机抖动的轨迹(随机离散化和确定性离散化)。平均行驶距离和成功率η标记在每个图中。

表I：机器人对照表

Abstract

Swarms of micro- and milli-sized robots have the potential to advance biological micro-manipulation, micro-assembly and manufacturing, and provide an ideal platform for studying large swarm behaviors and control. Due to their small size and low cost, tens to hundreds of micro/milli robots can function in parallel to perform a task that otherwise would be too cumbersome or costly for a larger macroscopic robot. Here, we demonstrate a scalable system and modular circuit architecture for controlling and coordinating the motion of >10’s of magnetic micro/milli robots. By modifying the concepts of safety barrier certificates to our magnetic robot hardware, we achieve minimally invasive, collision-free, 2D position control (x, y) of up to N = 16 robots in a low-cost

tabletop (288mm×288mm) magnetic milli-robot platform with up to 288 degrees of freedom. We show that the introduction of random dithering can achieve a 100% success rate (i.e., no deadlocking), enabling the system to serve as a platform for the study of various swarm-like behaviors or multi-agent robotic coordination.

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