BEAM Robotik

BEAM-Robotik (von Biologie, Elektronik, Ästhetik und Mechanik) ist eine Robotik, die hauptsächlich einfache analoge Schaltungen wie Komparatoren anstelle eines Mikroprozessors verwendet, um ein ungewöhnlich einfaches Design zu erzeugen. BEAM-Robotik ist zwar nicht so flexibel wie Mikroprozessor-basierte Robotik, kann aber die Aufgabe, für die sie entwickelt wurde, robust und effizient ausführen.

BEAM-Roboter können einen Satz analoger Schaltungen verwenden, die biologische Neuronen nachahmen, um die Reaktion des Roboters auf seine Arbeitsumgebung zu erleichtern.

Mechanismen und Prinzipien
Die BEAM-Grundprinzipien konzentrieren sich auf eine Reizreaktionsfähigkeit innerhalb einer Maschine. Der zugrunde liegende Mechanismus wurde von Mark W. Tilden erfunden, bei dem der Kreislauf (oder ein Nv-Netz von Nv-Neuronen) zur Simulation biologischer Neuronenverhalten verwendet wird. Ähnliche Forschungen hat Ed Rietman zuvor in “Experiments In Artificial Neural Networks” durchgeführt. Tildens Schaltung wird oft mit einem Schieberegister verglichen, jedoch mit mehreren wichtigen Funktionen, die es zu einer nützlichen Schaltung in einem mobilen Roboter machen.

Andere Regeln, die enthalten sind (und in unterschiedlichem Maße angewendet):

Verwenden Sie die niedrigste Anzahl an elektronischen Elementen (“Keep it simple”).
Technoscrap recyceln und wiederverwenden
Strahlungsenergie verwenden (z. B. Solarenergie)

Es gibt eine große Anzahl von BEAM-Robotern, die dafür ausgelegt sind, Sonnenenergie aus kleinen Solararrays zu verwenden, um eine “Solar Engine” anzutreiben, die autonome Roboter schafft, die unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen arbeiten können. Neben der einfachen Rechenebene von Tildens “Nervous Networks” hat BEAM eine Vielzahl nützlicher Werkzeuge in die Toolbox des Robotikers gebracht. Die “Solar Engine” -Schaltung, viele H-Brückenschaltungen für die Steuerung kleiner Motoren, taktile Sensorkonzepte und Robotertechniken im Meso-Maßstab (Handfläche) wurden von der BEAM-Community dokumentiert und gemeinsam genutzt.

BEAM-Roboter
BEAM Robotics konzentriert sich auf “reaktionsbasiertes” Verhalten (wie ursprünglich von Rodney Brooks inspiriert) und versucht, die Merkmale und das Verhalten biologischer Organismen zu kopieren, um diese “wilden” Roboter zu domestizieren. Die Ästhetik von BEAM-Robotern beruht auf dem Prinzip “Form folgt Funktion”, das von den jeweiligen Konstruktionsentscheidungen des Builders moduliert wird, während die gewünschte Funktionalität implementiert wird.

Streitigkeiten im Namen
Verschiedene Menschen haben unterschiedliche Vorstellungen davon, wofür BEAM eigentlich steht. Die am weitesten verbreitete Bedeutung ist Biologie, Elektronik, Ästhetik und Mechanik.

Dieser Begriff stammt von Mark Tilden während einer Diskussion im Ontario Science Center im Jahr 1990. Mark zeigte eine Auswahl seiner ursprünglichen Bots, die er während seiner Arbeit an der University of Waterloo gebaut hatte.

Es werden jedoch viele andere halb populäre Namen verwendet, darunter:

Biotechnologie-Ethologie Analogie Morphologie
Aufbau der Anarchie der Modularität

Mikrocontroller
Im Gegensatz zu vielen anderen Robotertypen, die von Mikrocontrollern gesteuert werden, basieren BEAM-Roboter auf dem Prinzip der Verwendung mehrerer einfacher Verhaltensweisen, die direkt mit Sensorsystemen mit geringer Signalaufbereitung verbunden sind. Diese Designphilosophie spiegelt sich im klassischen Buch “Fahrzeuge: Experimente in der synthetischen Psychologie” wieder. In einer Reihe von Gedankenexperimenten wird in diesem Buch die Entwicklung komplexer Roboterverhalten durch einfache hemmende und exzitorische Sensorverbindungen zu den Stellgliedern untersucht. Mikrocontroller und Computerprogrammierung sind normalerweise nicht Teil eines traditionellen BEAM-Roboters (aka. “Pure”), da sich die Hardware-zentrierte Designphilosophie auf sehr niedrigem Niveau befindet.

Es gibt erfolgreiche Roboterkonzepte, die beide Technologien miteinander verbinden. Diese “Hybride” erfüllen den Bedarf an robusten Steuerungssystemen mit der zusätzlichen Flexibilität der dynamischen Programmierung, wie die BEAMbots “Horse-and-Rider” -Topologie (z. B. der ScoutWalker 3). Das „Pferdeverhalten“ wird mit der traditionellen BEAM-Technologie implementiert, aber ein auf einem Mikrocontroller basierender „Fahrer“ kann dieses Verhalten lenken, um die Ziele des „Reiters“ zu erreichen.

Typen
Es gibt verschiedene “-trope” BEAMbots, die versuchen, ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Von den Serien sind die Phototrope am weitesten verbreitet, da Lichtsuchen das vorteilhafteste Verhalten für einen solarbetriebenen Roboter wäre.

Audiotropes reagieren auf Schallquellen.
Audiophile gehen auf Schallquellen zu.
Audiophobos gehen von Klangquellen weg.

Phototrope (“Lichtsucher”) reagieren auf Lichtquellen.
Photophile (auch Photovores) gehen auf Lichtquellen zu.
Photophobes gehen von Lichtquellen weg.

Radiotrop reagieren auf Radiofrequenzquellen.
Radiophile gehen auf RF-Quellen zu.
Radiophobes gehen von RF-Quellen weg.

Thermotrope reagieren auf Wärmequellen.
Thermophile gehen auf Wärmequellen zu.
Thermophoben gehen von Wärmequellen weg.

Allgemeines
BEAMbots haben eine Vielzahl von Bewegungen und Positionierungsmechanismen. Diese schließen ein:

Sitter: Unbewegte Roboter, die einen physisch passiven Zweck haben.
Baken: Übertragen Sie ein Signal (normalerweise ein Navigations-Blip), das andere BEAMbots verwenden sollen.
Pummers: Zeigen Sie eine “Lichtshow” an.
Ornamente: Ein Sammelbegriff für alle, die keine Beacons oder Pummers sind.

Squirmers: Stationäre Roboter, die eine interessante Aktion ausführen (normalerweise durch Bewegen einer Art Gliedmaßen oder Anhängsel).
Magbots: Verwenden Sie Magnetfelder für ihren Animationsmodus.
Flagwavers: Bewegen Sie eine Anzeige (oder “Flagge”) mit einer bestimmten Frequenz.
Köpfe: Pivot und folgen einigen erkennbaren Phänomenen, wie z. B. einer Leuchte (Diese sind in der BEAM-Community sehr beliebt. Sie können Stand-Alone-Roboter sein, werden jedoch häufiger in einen größeren Roboter eingebaut.).
Vibratoren: Verwenden Sie einen kleinen Pager-Motor mit einem außermittigen Gewicht, um sich zu schütteln.

Sliders: Roboter, die sich durch gleitende Körperteile entlang einer Oberfläche bewegen und dabei in Kontakt bleiben.
Schlangen: Bewegen Sie sich mit einer horizontalen Wellenbewegung.
Regenwürmer: Bewegen Sie sich mit einer longitudinalen Wellenbewegung.

Crawler: Roboter, die sich mithilfe von Schienen bewegen oder den Körper des Roboters mit einem Anhängsel rollen. Der Körper des Roboters wird nicht auf den Boden gezogen.
Turbots: Rollen Sie ihren gesamten Körper mit ihren Armen oder Flagellen.
Inchworms: Bewegen Sie einen Teil ihrer Körper nach vorne, während der Rest des Chassis auf dem Boden liegt.
Raupenroboter: Verwenden Sie Raupenräder wie einen Panzer.

Jumper: Roboter, die sich als Fortbewegungsmittel vom Boden abheben.
Vibrobots: Erzeugen Sie eine unregelmäßige Schüttelbewegung, die sich um eine Oberfläche bewegt.
Springbots: Bewegen Sie sich vorwärts, indem Sie in eine bestimmte Richtung springen.

Rollen: Roboter, die sich bewegen, indem sie ihren Körper ganz oder teilweise rollen.
Symets: Sie werden mit einem einzigen Motor angetrieben, wobei die Welle den Boden berührt, und sie bewegen sich in verschiedene Richtungen, abhängig davon, welche von mehreren symmetrischen Kontaktpunkten um die Welle den Boden berühren.
Solarrollers: Solarbetriebene Autos, die einen einzigen Motor verwenden, der ein oder mehrere Räder antreibt; Oft entworfen, um einen recht kurzen, geraden und ebenen Kurs in kürzester Zeit zu absolvieren.
Poppers: Verwenden Sie zwei Motoren mit separaten Solarmotoren; Vertrauen Sie auf Differenzsensoren, um ein Ziel zu erreichen.
Minibälle: Verschieben Sie ihren Massenschwerpunkt, sodass ihre kugelförmigen Körper rollen.

Wanderer: Roboter, die sich mit Beinen mit unterschiedlichem Bodenkontakt bewegen.
Motorbetrieben: Verwenden Sie Motoren, um ihre Beine zu bewegen (normalerweise 3 Motoren oder weniger).
Muscle Wire Driven: Verwenden Sie Nitinol-Drähte (Nickel-Titan-Legierung) für ihre Beinantriebe.

Schwimmer: Roboter, die sich auf oder unter der Oberfläche einer Flüssigkeit bewegen (normalerweise Wasser).
Boatbots: Arbeiten Sie auf der Oberfläche einer Flüssigkeit.
Subbots: Arbeiten Sie unter der Oberfläche einer Flüssigkeit.

Flieger: Roboter, die sich für längere Zeit durch die Luft bewegen.
Hubschrauber: Verwenden Sie einen angetriebenen Rotor, um sowohl Auftrieb als auch Vortrieb zu gewährleisten.
Flugzeuge: Verwenden Sie feste oder Schlagflügel, um Auftrieb zu erzeugen.
Blimps: Verwenden Sie einen neutral schwimmenden Ballon zum Anheben.

Bergsteiger: Roboter, der sich vertikal auf oder ab bewegt, normalerweise auf einer Schiene wie einem Seil oder Draht.

Bewerbungen und aktueller Fortschritt
Gegenwärtig haben autonome Roboter eine begrenzte kommerzielle Anwendung gefunden, mit einigen Ausnahmen, wie dem Roboterstaubsauger iRobot Roomba und ein paar Rasenmährobotern. Die hauptsächliche praktische Anwendung von BEAM war das Rapid Prototyping von Bewegungssystemen und Hobby- / Bildungsanwendungen. Mark Tilden hat BEAM erfolgreich für das Prototyping von Produkten für Wow-Wee Robotics eingesetzt, wie von BIOBug und RoboRaptor belegt. Solarbotics Ltd., Bug’n’Bots, JCM InVentures Inc. und PagerMotors.com haben auch Hobby- und Bildungsartikel im Zusammenhang mit BEAM auf den Markt gebracht. Vex hat auch Hexbugs entwickelt, winzige BEAM-Roboter.

Aufstrebende BEAM-Robotiker haben oft Probleme mit der fehlenden direkten Kontrolle “reiner” BEAM-Steuerkreise. Es gibt laufende Arbeiten zur Evaluierung biomorpher Techniken, die natürliche Systeme kopieren, da diese scheinbar einen unglaublichen Leistungsvorteil gegenüber traditionellen Techniken aufweisen. Es gibt viele Beispiele dafür, wie kleine Insektengehirne eine weitaus bessere Leistung als die fortschrittlichste Mikroelektronik erzielen können.

Ein weiteres Hindernis für die weit verbreitete Anwendung der BEAM-Technologie ist die wahrgenommene Zufälligkeit des “Nervennetzwerks”. Dies erfordert, dass der Konstrukteur neue Techniken erlernen muss, um die Eigenschaften der Schaltung erfolgreich zu diagnostizieren und zu manipulieren. Jährlich trifft sich in Telluride im US-Bundesstaat Colorado ein Think-Tank internationaler Wissenschaftler, um dieses Problem direkt anzusprechen. Bis vor kurzem war Mark Tilden daran beteiligt (er musste sich wegen seiner neuen geschäftlichen Verpflichtungen mit Wow-Wee Toys zurückziehen).

Da BEAM-Roboter kein Langzeitgedächtnis haben, lernen sie im Allgemeinen nicht aus dem Verhalten der Vergangenheit. In der BEAM-Community wurde jedoch an dieser Problematik gearbeitet. Einer der fortschrittlichsten BEAM-Roboter in dieser Hinsicht ist Bruce Robinson’s Hider, der beeindruckende Fähigkeiten für ein mikroprozessorloses Design bietet.

Veröffentlichungen

Patente

US-Patent 613,809 – Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Mechanismus zum Bewegen eines Fahrzeugs oder von Fahrzeugen – Teslas “Telautomaton” -Patent; Erstes Logikgatter.
US-Patent 5,325,031 – Adaptive Roboter-Nervensysteme und Steuerschaltungen dafür – Patent von Tilden; Eine sich selbst stabilisierende Steuerschaltung, die Impulsverzögerungsschaltungen zum Steuern der Gliedmaßen eines Gliedroboters verwendet, und einen Roboter, der eine solche Schaltung enthält; künstliche “Neuronen”.

Bücher und Papiere

Conrad, James M. und Jonathan W. Mills, “Stiquito: fortgeschrittene Experimente mit einem einfachen und kostengünstigen Roboter”, Die Zukunft für Nitinol-Laufroboter, Mark W. Tilden. Los Alamitos, Kalifornien, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W. und Brosl Hasslacher, “Living Machines”. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.
Tilden, Mark W. und Brosl Hasslacher, “Das Design” lebender “Biomech-Maschinen: Wie tief kann man gehen?” “. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.
Dennoch, Susanne und Mark W. Tilden, “Controller für eine vierbeinige Laufmaschine”. ETH Zuerich, Institut für Neuroinformatik und Biophysik, Los Alamos National Laboratory.
Braitenberg, Valentino, “Fahrzeuge: Experimente in der synthetischen Psychologie”, 1984. ISBN 0-262-52112-1
Rietman, Ed, “Experiments In Artificial Neural Networks”, 1988. ISBN 0-8306-0237-2
Tilden, Mark W. und Brosl Hasslacher, “Robotik und autonome Maschinen: Biologie und Technologie intelligenter autonomer Agenten”, LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, Frühling 1995
Dewdney, AK “Photovores: Intelligente Roboter werden aus Castoffs konstruiert”. Scientific American Sept. 1992, v267, n3, S. 42 (1)
Smit, Michael C. und Mark Tilden, “Beam Robotics”. Algorithm. 2, Nr. 2, März 1991, S. 15-19.
Hrynkiw, David M. und Tilden, Mark W., “Junkbots, Bugbots und Bots on Wheels”, 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Support-Website für Bücher)