Robótica BEAM

robótica BEAM (de biología, electrónica, estética y mecánica) es un estilo de robótica que utiliza principalmente circuitos analógicos simples, como comparadores, en lugar de un microprocesador para producir un diseño inusualmente simple.. Si bien no es tan flexible como la robótica basada en microprocesadores, la robótica BEAM puede ser robusta y eficiente para realizar la tarea para la que fue diseñada.

Los robots BEAM pueden usar un conjunto de circuitos analógicos, que imitan las neuronas biológicas, para facilitar la respuesta del robot a su entorno de trabajo.

Mecanismos y principios

Los principios básicos de BEAM se centran en una capacidad basada en estímulo-respuesta dentro de una máquina. El mecanismo subyacente fue inventado por Mark W. Tilden, donde el circuito (o una red Nv de neuronas Nv) se usa para simular comportamientos neuronales biológicos. Ed Rietman realizó previamente una investigación similar en 'Experiments In Artificial Neural Networks'. El circuito de Tilden a menudo se compara con un registro de desplazamiento, pero con varias características importantes que lo convierten en un circuito útil en un robot móvil.

Otras reglas que se incluyen (y se aplican en diversos grados):

1. Utilice el menor número posible de elementos electrónicos ("mantenlo simple")
2. Reciclar y reutilizar tecnocrap
3. Use energía radiante (como energía solar)

Hay una gran cantidad de robots BEAM diseñados para usar la energía solar de pequeños paneles solares para alimentar un "Motor solar" que crea robots autónomos capaces de operar bajo una amplia gama de condiciones de iluminación. Además de la capa computacional simple de las 'Redes Nerviosas' de Tilden, BEAM ha traído una multitud de herramientas útiles a la caja de herramientas de los robóticos. El "Motor solar" La comunidad BEAM ha documentado y compartido muchos circuitos de puente H para el control de motores pequeños, diseños de sensores táctiles y técnicas de construcción de robots a mesoescala (del tamaño de la palma de la mano).

Robots BEAM

Estar enfocado en "basado en reacciones" comportamientos (como se inspiró originalmente en el trabajo de Rodney Brooks), la robótica BEAM intenta copiar las características y los comportamientos de los organismos biológicos, con el objetivo final de domesticar a estos organismos "salvajes" robots La estética de los robots BEAM se deriva del principio "la forma sigue a la función" modulado por las elecciones de diseño particulares que hace el constructor al implementar la funcionalidad deseada.

Disputas en el nombre

Varias personas tienen diferentes ideas sobre lo que realmente significa BEAM. El significado más aceptado es Biología, Electrónica, Estética y Mecánica.

Este término se originó con Mark Tilden durante una discusión en el Centro de Ciencias de Ontario en 1990. Mark estaba mostrando una selección de sus bots originales que había construido mientras trabajaba en la Universidad de Waterloo.

Sin embargo, hay muchos otros nombres semipopulares en uso, incluidos:

• Biotecnología Ethology Analogy Morfología
• BUilding Evolution Anarquía Modularidad

Microcontroladores

A diferencia de muchos otros tipos de robots controlados por microcontroladores, los robots BEAM se basan en el principio de utilizar múltiples comportamientos simples vinculados directamente a sistemas de sensores con poco acondicionamiento de señales. Esta filosofía de diseño se refleja de cerca en el libro clásico "Vehículos: Experimentos en Psicología Sintética". A través de una serie de experimentos mentales, este libro explora el desarrollo de comportamientos robóticos complejos a través de simples enlaces de sensores inhibitorios y excitatorios a los actuadores. Los microcontroladores y la programación informática no suelen formar parte de un robot BEAM tradicional (también conocido como 'puro') debido a la filosofía de diseño centrada en el hardware de muy bajo nivel.

Hay diseños de robots exitosos que combinan las dos tecnologías. Estos "híbridos" satisfacer la necesidad de sistemas de control robustos con la flexibilidad añadida de la programación dinámica, como el "caballo y jinete" topología BEAMbots (por ejemplo, el ScoutWalker 3). 'Caballo' El comportamiento se implementa con la tecnología BEAM tradicional, pero un 'rider' basado en un microcontrolador. puede guiar ese comportamiento para lograr los objetivos del 'ciclista'.

Tipos

Hay varios "-trope" BEAMbots, que intentan lograr un objetivo específico. De la serie, los fototropos son los más frecuentes, ya que la búsqueda de luz sería el comportamiento más beneficioso para un robot alimentado por energía solar.

• Audiotropes reaccionan a fuentes de sonido.
  • Audiophiles ir hacia fuentes sonoras.
  • Audiofobos Aléjate de fuentes de sonido.
• Phototropes ("buscadores de luz") reaccionan a fuentes de luz.
  • Fotógrafos (también Photovores) ir hacia fuentes de luz.
  • Fotofobos Vete de fuentes de luz.
• Los radiotropos reaccionan a fuentes de radiofrecuencia.
  • Radiofilos ir hacia fuentes RF.
  • Radiofobos alejarse de las fuentes de RF.
• Los termotropos reaccionan a las fuentes de calor.
  • Termófilos ir hacia fuentes de calor.
  • Thermophobes Aléjate de las fuentes de calor.

Generales

Los BEAMbots tienen una variedad de movimientos y mecanismos de posicionamiento. Éstas incluyen:

• Sitters: Robots que tienen un propósito físico pasivo.
  • Beacons: Transmite una señal (generalmente un blip de navegación) para que otros BEAMbots usen.
  • Pummers: Mostrar un " show de luz" o un patrón de sonidos. Los pummers son a menudo robots nocturnos que almacenan energía solar durante el día, y luego se activan durante la noche.
  • Ornamentos: Un nombre completo para los sitters que no son balizas o pummers. Muchas veces, son en su mayoría arte electrónico.
• Squirmers: Robots estacionarios que realizan una acción interesante (generalmente moviendo algún tipo de extremidades o apéndices).
  • Magbots: utilizar campos magnéticos para su modo de animación.
  • Flagwavers: Mueva una pantalla (o "flag") alrededor a cierta frecuencia.
  • Cabezas: Pivot y seguir algunos fenómenos detectables, como una luz (Estos son populares en la comunidad BEAM. Pueden ser robots independientes, pero son más a menudo incorporados en un robot más grande.).
  • Vibradores: Utilice un pequeño motor de arrastre con un peso fuera del centro para sacudirse.
• Sliders: Robots que se mueven por partes del cuerpo deslizante suavemente a lo largo de una superficie mientras permanecen en contacto con él.
  • Snakes: Mover usando un movimiento de onda horizontal.
  • Terrestres: Muévete usando un movimiento de onda longitudinal.
• Crawlers: Robots que se mueven usando pistas o rodando el cuerpo del robot con algún tipo de apéndice. El cuerpo del robot no es arrastrado en el suelo.
  • Turbots: Rodea sus cuerpos enteros usando sus brazos o flagella.
  • Inchworms: Mover parte de sus cuerpos por delante, mientras el resto del chasis está en el suelo.
  • Robots rastreados: Usa ruedas rastreadas, como un tanque.
• Jumpers: Robots que se alejan del suelo como un medio de locomoción.
  • Vibrobots: Produce un movimiento irregular de agitación que se mueve alrededor de una superficie.
  • Springbots: Avanzamos rebotando en una dirección particular.
• Rollers: Robots que se mueven rodando todo o parte de su cuerpo.
  • Symets: Conducido con un solo motor con su eje tocando el suelo, y se mueve en diferentes direcciones dependiendo de cuál de varios puntos de contacto simétricos alrededor del eje están tocando el suelo.
  • Solarrollers: Automóviles que utilizan un motor único que conduce una o más ruedas; a menudo diseñado para completar un curso bastante corto, recto y de nivel en la menor cantidad de tiempo.
  • Poppers: Utilice dos motores con motores solares separados; confíe en sensores diferenciales para lograr un objetivo.
  • Miniballs: Cambie su centro de masa, causando que sus cuerpos esféricos se enrollen.
• Walkers: Robots que se mueven usando piernas con contacto terrestre diferencial. Los caminantes de BEAM generalmente utilizan las redes Nv y no están programados de ninguna manera: caminan y responden al terreno mediante entrada resistiva de sus motores.
  • Motor Driven: Use motores para mover sus piernas (típicamente 3 motores o menos).
  • Muscle Wire Driven: use alambres Nitinol (nickel - aleación de titanio) para sus actuadores de pierna.
• Swimmers: También se llama aquabots o aquavores. Robots que se mueven sobre o debajo de la superficie de un líquido (agua típica).
  • Botes: Opera en la superficie de un líquido.
  • Subbots: Operar bajo la superficie de un líquido.
• Fliers: Robots que pasan por el aire durante períodos sostenidos.
  • Helicópteros: Utilice un rotor alimentado para proporcionar tanto ascensor como propulsión.
  • Planes: Use alas fijas o aletas para generar ascensor.
  • Blimps: Use un globo neutral para el ascensor.
• Climbers: Robot que mueve hacia arriba o hacia abajo una superficie vertical, generalmente en una pista como una cuerda o alambre.

Solicitudes y progreso actual

En la actualidad, los robots autónomos han tenido una aplicación comercial limitada, con algunas excepciones, como la aspiradora robótica iRobot Roomba y algunos robots cortacésped. La principal aplicación práctica de BEAM ha sido la creación rápida de prototipos de sistemas de movimiento y aplicaciones de pasatiempos/educación. Mark Tilden ha utilizado con éxito BEAM para la creación de prototipos de productos para Wow-Wee Robotics, como lo demuestran B.I.O.Bug y RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug'n'Bots, JCM InVentures Inc. y PagerMotors.com también han llevado al mercado productos educativos y de pasatiempos relacionados con BEAM. Vex también ha desarrollado Hexbugs, pequeños robots BEAM.

Los aspirantes a roboticistas BEAM a menudo tienen problemas con la falta de control directo sobre "puro" Circuitos de control de HAZ. Hay un trabajo en curso para evaluar las técnicas biomórficas que copian los sistemas naturales porque parecen tener una increíble ventaja de rendimiento sobre las técnicas tradicionales. Hay muchos ejemplos de cómo los pequeños cerebros de insectos son capaces de tener un rendimiento mucho mejor que la microelectrónica más avanzada.

Otra barrera para la aplicación generalizada de la tecnología BEAM es la naturaleza aleatoria percibida de la 'red nerviosa', que requiere que el constructor aprenda nuevas técnicas para diagnosticar y manipular con éxito las características de los circuitos. Un grupo de expertos de académicos internacionales se reúne anualmente en Telluride, Colorado, para abordar este tema directamente, y hasta hace poco, Mark Tilden ha sido parte de este esfuerzo (tuvo que retirarse debido a sus nuevos compromisos comerciales con los juguetes Wow-Wee).

Al no tener memoria a largo plazo, los robots BEAM generalmente no aprenden del comportamiento pasado. Sin embargo, ha habido trabajo en la comunidad BEAM para abordar este problema. Uno de los robots BEAM más avanzados en este sentido es Hider de Bruce Robinson, que tiene un grado impresionante de capacidad para un diseño sin microprocesador.

Publicaciones

Patentes

• U.S. Patent 613,809 - Método y aparato para el control del mecanismo de transporte de vehículos o vehículos - La patente "telautomatona" de Tesla; primera puerta lógica.
• U.S. Patent 5,325,031 - Sistemas nerviosos robóticos adaptables y circuitos de control allí para - La patente de Tilden; un circuito de control autoestabilizador mediante circuitos de retardo de pulso para controlar las extremidades de un robot extremado, y un robot que incorpora tal circuito; "neurones artificiales".

Libros y papeles

• Conrad, James M., y Jonathan W. Mills, "Stiquito: experimentos avanzados con un robot simple y barato" El futuro para los robots caminantes propulsados por nitinolMark W. Tilden. Los Alamitos, Calif., IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
• Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher, "Máquinas vivas". Laboratorio Nacional Los Álamos, Los Álamos, NM 87545, EE.UU.
• Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher, "El diseño de las máquinas de biomeca "vivir": ¿Qué tan bajo puede uno ir?"". Laboratorio Nacional Los Álamos, Los Álamos, NM 87545, EE.UU.
• Aún así, Susanne, y Mark W. Tilden, "Controlador para una máquina de caminar de cuatro patas". ETH Zuerich, Instituto de Neuroinformática y División de Biofísica, Laboratorio Nacional Los Álamos.
• Braitenberg, Valentino, "Vehículos: Experimentos en Psicología Sintética", 1984. ISBN 0-262-52112-1
• Rietman, Ed, "Experimentos en redes rurales artificiales", 1988. ISBN 0-8306-0237-2
• Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher, "Robótica y Máquinas Autónomas: Biología y tecnología de agentes autónomos inteligentes", LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, Spring 1995.
• Dewdney, A.K. "Photovores: Los robots inteligentes se construyen desde Castoffs". Scientific American Sept 1992, v267, n3, p42(1)
• Smit, Michael C., y Mark Tilden, "Beam Robotics". Algorithm, Vol. 2, No. 2, marzo 1991, Pg 15-19.
• Hrynkiw, David M., y Tilden, Mark W., "Junkbots, Bugbots y Bots on Wheels", 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Sitio web de soporte para libros)