الروبوتات

علم الروبوتات (BEAM) (من علم الأحياء ، والالكترونيات ، وعلم الجمال والميكانيكا) هو نمط من الروبوتات التي تستخدم في المقام الأول الدوائر التماثلية البسيطة ، مثل المقارنات ، بدلا من المعالجات الدقيقة من أجل إنتاج تصميم بسيط غير عادي. في حين أنها ليست مرنة بقدر الروبوتات القائمة على المعالجات الدقيقة ، يمكن أن تكون الروبوتات BEAM قوية وفعالة في أداء المهمة التي صممت من أجلها.

قد تستخدم الروبوتات BEAM مجموعة من الدوائر التناظرية ، ومحاكاة الخلايا العصبية البيولوجية ، لتسهيل استجابة الروبوت لبيئتها العاملة.

الآليات والمبادئ
تركز المبادئ الأساسية للـ BEAM على القدرة القائمة على التحفيز والاستجابة داخل الماكينة. اخترع مارك دبليو تيلدن الآلية الكامنة التي تستخدم فيها الدائرة (أو شبكة Nv net of Nv neurons) لمحاكاة السلوكيات العصبية البيولوجية. وقد قام إد ريتمان سابقا بإجراء بعض الأبحاث المماثلة في “تجارب في الشبكات العصبية الاصطناعية”. غالبًا ما تتم مقارنة دائرة Tilden بسجل shift ، ولكن مع العديد من الميزات المهمة مما يجعلها دارة مفيدة في الروبوت المحمول.

القواعد الأخرى المتضمنة (ودرجاتها المطبقة):

استخدم أقل عدد ممكن من العناصر الإلكترونية (“احتفظ بها بسيطة”)
إعادة تدوير وإعادة استخدام technoscrap
استخدام الطاقة الإشعاعية (مثل الطاقة الشمسية)

هناك عدد كبير من روبوتات BEAM المصممة لاستخدام الطاقة الشمسية من صفائف الطاقة الشمسية الصغيرة لتشغيل “المحرك الشمسي” الذي ينشئ روبوتات ذاتية التشغيل قادرة على العمل في ظل مجموعة واسعة من ظروف الإضاءة. إلى جانب الطبقة الحسابية البسيطة لـ “Nervous Networks” من Tilden ، جلبت BEAM العديد من الأدوات المفيدة إلى صندوق أدوات الروبوت. وقد تم توثيق دائرة “المحرك الشمسي” والعديد من دوائر H-Bridge للتحكم الحركي الصغير وتصميمات أجهزة الاستشعار اللمسية وتقنيات البناء الآلي ذات المقياس المتوسط ​​(Palmm-size) وتقاسمها من قبل مجتمع BEAM.

الروبوتات BEAM
بالتركيز على السلوكيات “المبنية على رد الفعل” (كما كان مستوحى في الأصل من عمل رودني بروكس) ، يحاول الروبوتات النحاسية نسخ خصائص وسلوكيات الكائنات الحية ، مع الهدف النهائي المتمثل في ترويض هذه الروبوتات “البرية”. تستمد جماليات روبوتات BEAM من مبدأ “الشكل يتبع الوظيفة” مشكَّلًا من خلال خيارات التصميم المحددة التي يقوم بها المُنشئ أثناء تنفيذ الوظيفة المطلوبة.

نزاعات في الاسم
مختلف الناس لديهم أفكار مختلفة حول ما يرمز له في الواقع. المعنى الأكثر قبولا على نطاق واسع هو علم الأحياء ، والالكترونيات ، وعلم الجمال ، والميكانيكا.

نشأ هذا المصطلح مع مارك تيلدن خلال مناقشة في مركز أونتاريو للعلوم في عام 1990. كان مارك يعرض مجموعة مختارة من البوتات الأصلية التي قام ببنائها أثناء عمله في جامعة واترلو.

ومع ذلك ، هناك العديد من الأسماء شبه الشائعة الأخرى قيد الاستخدام ، بما في ذلك:

Biotechnology علم الأخلاق علم التشكل مورفولوجيا
بناء تطور الفوضى النمطية

ميكروكنترولر
على عكس العديد من أنواع الروبوتات الأخرى التي تتحكم فيها المتحكمات الدقيقة ، فإن روبوتات BEAM مبنية على مبدأ استخدام سلوكيات بسيطة متعددة مرتبطة مباشرة بأنظمة أجهزة الاستشعار مع تكييف قليل للإشارة. وتردد فلسفة التصميم هذه بشكل وثيق في الكتاب الكلاسيكي “المركبات: تجارب في علم النفس الاصطناعي”. من خلال سلسلة من التجارب الفكرية ، يستكشف هذا الكتاب تطور سلوكيات الروبوت المعقدة من خلال روابط مستشعرات بسيطة ومستمرة للمحركات. عادة لا تكون وحدات التحكم الدقيقة وبرمجة الكمبيوتر جزءًا من روبوت BAM التقليدي (المعروف أيضًا باسم “Pure”) نظرًا لفلسفة التصميم المتمركزة على الأجهزة منخفضة المستوى للغاية.

هناك تصاميم روبوت ناجحة تزاوج بين التقنيتين. هذه “الهجينة” تلبي حاجة لأنظمة التحكم القوية مع المرونة المضافة للبرمجة الديناميكية ، مثل طبولوجيا “الحصان والفارس” BEAMbots (على سبيل المثال ، ScoutWalker 3). يتم تنفيذ سلوك “الحصان” باستخدام تقنية BEAM التقليدية ، ولكن “المتسابق” القائم على التحكم الدقيق يمكنه توجيه هذا السلوك لتحقيق أهداف “المتسابق”.

أنواع
هناك العديد من BEAMbots “-trope” ، التي تحاول تحقيق هدف معين. من بين هذه السلسلة ، فإن phototropes هي الأكثر انتشارًا ، حيث أن البحث عن الضوء هو السلوك الأكثر فائدة للروبوت الذي يعمل بالطاقة الشمسية.

Audiotropes تتفاعل مع مصادر الصوت.
عشاق الصوت تذهب نحو مصادر سليمة.
يذهب Audiophobes بعيدا عن مصادر الصوت.

تتفاعل مضادات الضوء (“الباحثين عن الضوء”) مع مصادر الضوء.
يذهب Photophiles (أيضا Photovores) نحو مصادر الضوء.
يذهب Photophobes بعيدا عن مصادر الضوء.

تتفاعل الراديوتروبس مع مصادر التردد الراديوي.
يذهب Radiophiles نحو مصادر RF.
يذهب Radiophobes بعيدا عن مصادر الترددات اللاسلكية.

يتفاعل thermotropes مع مصادر الحرارة.
يذهب Thermophiles نحو مصادر الحرارة.
يزعج ثيرموبيس من مصادر الحرارة.

جنرال لواء
BEAMbots لديها مجموعة متنوعة من الحركات وآليات تحديد المواقع. وتشمل هذه:

المعتصمون: روبوتات غير متحركة لها غرض مادي سلبي.
منارات: نقل إشارة (عادة blip ملاحية) ل BEAMbots أخرى لاستخدام.
Pummers: عرض “عرض خفيف”.
الحلي: اسم جامع للمشجعين الذين ليسوا منارات أو pummers.

Squirmers: الروبوتات الثابتة التي تقوم بعمل مثير للاهتمام (عادة عن طريق تحريك نوع من الأطراف أو الزوائد).
Magbots: استخدم المجالات المغناطيسية لوضعها من الرسوم المتحركة.
Flagwavers: تحريك العرض (أو “العلم”) حول تردد معين.
Heads: Pivot واتباع بعض الظواهر القابلة للاكتشاف ، مثل الضوء (وهي شائعة في مجتمع BEAM. ويمكن أن تكون روبوتات قائمة بذاتها ، ولكنها غالباً ما تُدمج في روبوت أكبر).
الهزاز: استخدم محرك بيجر صغير بوزن خارج المركز ليهز نفسه.

المتزلجون: الروبوتات التي تتحرك عن طريق انزلاق أجزاء الجسم بسلاسة على طول السطح مع البقاء على اتصال معها.
الثعابين: التحرك باستخدام حركة الموجة الأفقية.
ديدان الأرض: التحرك باستخدام حركة موجة طولية.

الزواحف: الروبوتات التي تتحرك باستخدام المسارات أو عن طريق دحرج جسم الروبوت مع نوع من أطرافهم. لا يتم جر جسم الروبوت على الأرض.
Turbots: دحرج أجسامهم بالكامل باستخدام ذراعهم (أو أذرعهم).
الديدان الشفافة: حرك جزءًا من أجسامهم إلى الأمام ، في حين أن بقية الهيكل على الأرض.
الروبوتات المجنزرة: استخدم عجلات مجنزرة ، مثل الخزان.

الوثب: الروبوتات التي تدفع نفسها بعيدا عن الأرض كوسيلة للتنقل.
Vibrobots: إنتاج حركة اهتزاز غير منتظمة تتحرك بنفسها حول سطح.
Springbots: تحرك للأمام من خلال الارتداد في اتجاه معين.

بكرات: الروبوتات التي تتحرك عن طريق المتداول كل أو جزء من الجسم.
Symets: يتم تحريكها باستخدام محرك واحد مع عمودها الذي يلمس الأرض ، ويتحرك في اتجاهات مختلفة اعتمادًا على أي من نقاط الاتصال المتناظرة العديدة حول العمود تلمس الأرض.
الطاقة الشمسية: السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية التي تستخدم محركًا واحدًا يقود عجلة واحدة أو أكثر ؛ غالبًا ما يتم تصميمها لإكمال دورة قصيرة ومستقيمة إلى حد ما في أقصر وقت ممكن.
بوبرس: استخدام اثنين من المحركات مع محركات الطاقة الشمسية منفصلة. الاعتماد على أجهزة الاستشعار التفاضلية لتحقيق هدف.
مينيبالز: تحويل مركز الكتلة ، مما تسبب في أجسامهم الكروية للفة.

Walkers: Robots التي تتحرك باستخدام الأرجل مع الاتصال الأرضي التفاضلي.
محرك مدفوع: استخدام المحركات لتحريك أرجلها (عادة 3 محركات أو أقل).
سلك العضلات مدفوعة: استخدام أسلاك الننتول (سبائك النيكل – التيتانيوم) لمشغلات الساق الخاصة بهم.

السباحين: الروبوتات التي تتحرك على أو تحت سطح السائل (الماء عادة).
Boatbots: تعمل على سطح السائل.
Subbots: تعمل تحت سطح السائل.

Fliers: الروبوتات التي تتحرك عبر الهواء لفترات طويلة.
المروحيات: استخدم الدوار الكهربائي لتوفير كل من الرفع والدفع.
الطائرات: استخدام أجنحة ثابتة أو ترفرف لتوليد رفع.
Blimps: استخدم منطادًا مزدحماً لرفع السرعة.

المتسلقون: روبوت يتحرك صعودا أو هبوطا على سطح عمودي ، عادة على مسار مثل حبل أو سلك.

التطبيقات والتقدم الحالي
في الوقت الحاضر ، شهدت الروبوتات المستقلة استخدامات تجارية محدودة ، مع بعض الاستثناءات مثل المكنسة الكهربائية الروبوتية iRobot Roomba وعدد قليل من روبوتات جز العشب. كان التطبيق العملي الرئيسي للـ BEAM في النماذج الأولية السريعة لأنظمة الحركة وتطبيقات الهوايات / التعليم. لقد استخدم مارك تيلدن بنجاح نموذج BEAM في إنتاج النماذج الأولية لمنتجات Wow-Wee Robotics ، كما يتضح من BIOBug و RoboRaptor. كما جلبت Solarbotics Ltd. و Bug’n’Bots و JCM InVentures Inc و PagerMotors.com السلع والهوايات التعليمية المتعلقة بالـ BEAM إلى السوق. طورت شركة Vex أيضًا برامج Hexbugs ، روبوتات BEAM الصغيرة.

طموحًا لدى عازفي الروبوتات في كثير من الأحيان مشكلات مع عدم وجود تحكم مباشر في دوائر التحكم في الحركة “النقية”. هناك عمل مستمر لتقييم التقنيات الحيوية التي تقوم بنسخ النظم الطبيعية لأنها تبدو أنها تتمتع بميزة أداء لا تصدق على التقنيات التقليدية. هناك العديد من الأمثلة على كيفية قدرة أدمغة الحشرات الصغيرة على أداء أفضل بكثير من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة الأكثر تقدمًا.

ومن العوائق الأخرى التي تحول دون تطبيق تكنولوجيا BAM على نطاق واسع هو الطبيعة العشوائية المتصورة لـ “الشبكة العصبية” ، التي تتطلب تقنيات جديدة يتم تعلمها بواسطة المنشئ من أجل تشخيص خصائص الدائرة والتحكم بها بنجاح. تجتمع مؤسسة فكرية من الأكاديميين الدوليين سنويًا في تيلورايد بولاية كولورادو لمعالجة هذه القضية بشكل مباشر ، وحتى وقت قريب ، كان مارك تيلدن جزءًا من هذا الجهد (اضطر إلى الانسحاب بسبب التزاماته التجارية الجديدة مع ألعاب Wow-Wee).

ليس هناك روبوتات BEAM التي لا تمتلك ذاكرة طويلة المدى ، ولا تتعلم عمومًا من سلوك الماضي. ومع ذلك ، كان هناك عمل في مجتمع BEAM لمعالجة هذه المسألة. واحد من الروبوتات الأكثر تقدما في هذا السياق هو هيدر بروس روبنسون ، والتي لديها درجة مثيرة للإعجاب من القدرة على تصميم المعالجات الدقيقة أقل.

المنشورات

براءات الاختراع

براءة الاختراع الأمريكية 613،809 – طريقة وجهاز التحكم في آلية نقل المركبات أو المركبات – براءة اختراع Tesla’s “telautomaton” ؛ بوابة المنطق الأول.
براءة الاختراع الأمريكية 5،325،031 – الأنظمة العصبية الآلية التكيفية ودوائر التحكم فيها – براءة تيلدن ؛ دائرة تحكم ذاتية التثبيت تستخدم دوائر تأخير النبض من أجل التحكم في أطراف روبوت آلي ، ورجل آلي يشتمل على مثل هذه الدائرة ؛ “الخلايا العصبية” الاصطناعية.

الكتب والأوراق

Conrad، James M.، and Jonathan W. Mills، “Stiquito: advanced experiments with a simple and inexpensive robot”، The future for nitinol-propelled walking robots، Mark W. Tilden. Los Alamitos، Calif.، IEEE Computer Society Press، c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden، Mark W.، and Brosl Hasslacher، “Living Machines”. مختبر لوس ألاموس الوطني ، لوس ألاموس ، نيو هامبشاير 87545 ، الولايات المتحدة الأمريكية.
Tilden، Mark W. and Brosl Hasslacher، “The Design of” Living “Biomech Machines: How low can one go؟”. Los Alamos National Laboratory، Los Alamos، NM 87545، USA.
ومع ذلك ، سوزان ، ومارك تيلدن ، “تحكم لآلة المشي أربع أرجل”. ETH Zuerich، Institute of Neuroinformatics، and Biophysics Division، Los Alamos National Laboratory.
Braitenberg، Valentino، “Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology”، 1984. ISBN 0-262-52112-1
Rietman، Ed، “Experiments In Artificial Neural Networks”، 1988. ISBN 0-8306-0237-2
Tilden، Mark W.، and Brosl Hasslacher، “Robotics and Autonomous Machines: The Biology and Technology of Intelligent Autonomous Agents”، LANL Paper ID: LA-UR-94-2636، Spring 1995.
Dewdney، AK “Photovores: Intelligent Robots are Constructed Castoffs”. Scientific American Sept 1992، v267، n3، p42 (1)
Smit، Michael C.، and Mark Tilden، “Beam Robotics”. الخوارزمية ، المجلد. 2، No. 2، March 1991، Pg 15-19.
Hrynkiw، David M.، and Tilden، Mark W.، “Junkbots، Bugbots، Bots on Wheels”، 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Book support website)