La robotica BEAM (da Biologia, Elettronica, Estetica e Meccanica) è uno stile di robotica che utilizza principalmente circuiti analogici semplici, come i comparatori, anziché un microprocessore per produrre un design insolitamente semplice. Pur non essendo flessibile come la robotica basata su microprocessori, la robotica BEAM può essere robusta ed efficiente nello svolgimento dell’attività per cui è stata progettata.

I robot BEAM possono utilizzare un set di circuiti analogici, che imitano i neuroni biologici, per facilitare la risposta del robot al suo ambiente di lavoro.

Meccanismi e principi
I principi base del BEAM si concentrano su un’abilità basata su stimolo-risposta all’interno di una macchina. Il meccanismo sottostante è stato inventato da Mark W. Tilden in cui il circuito (o una rete Nv di neuroni Nv) viene utilizzato per simulare i comportamenti dei neuroni biologici. Alcune ricerche simili sono state precedentemente condotte da Ed Rietman in “Experiments In Artificial Neural Networks”. Il circuito di Tilden è spesso paragonato a un registro a scorrimento, ma con diverse caratteristiche importanti che lo rendono un circuito utile in un robot mobile.

Altre regole incluse (ea vari livelli applicati):

Utilizza il numero più basso possibile di elementi elettronici (“mantieni la semplicità”)
Riciclare e riutilizzare la tecnologia
Usa l’energia radiante (come l’energia solare)

Ci sono un gran numero di robot BEAM progettati per utilizzare l’energia solare da piccoli pannelli solari per alimentare un “motore solare” che crea robot autonomi in grado di operare in un’ampia gamma di condizioni di illuminazione. Oltre al semplice strato computazionale di “Nervous Networks” di Tilden, BEAM ha portato una moltitudine di strumenti utili agli strumenti del robotista. Il circuito “Solar Engine”, molti circuiti H-bridge per il controllo di piccoli motori, progetti di sensori tattili e tecniche di costruzione di robot in scala meso (palmari) sono stati documentati e condivisi dalla comunità BEAM.

Robot BEAM
Essendo focalizzati su comportamenti “basati sulla reazione” (come originariamente ispirato al lavoro di Rodney Brooks), la robotica BEAM tenta di copiare le caratteristiche e i comportamenti degli organismi biologici, con l’obiettivo finale di addomesticare questi robot “selvaggi”. L’estetica dei robot BEAM deriva dal principio “la forma segue la funzione” modulata dalle particolari scelte progettuali che il costruttore realizza mentre implementa la funzionalità desiderata.

Controversie nel nome
Diverse persone hanno idee diverse su ciò che BEAM rappresenta in realtà. Il significato più ampiamente accettato è Biologia, Elettronica, Estetica e Meccanica.

Questo termine è nato con Mark Tilden durante una discussione presso l’Ontario Science Center nel 1990. Mark stava mostrando una selezione dei suoi robot originali che aveva costruito mentre lavorava all’Università di Waterloo.

Tuttavia, ci sono molti altri nomi semi-popolari in uso, tra cui:

Etologia delle biotecnologie Morfologia dell’analogia
Costruire l’evoluzione della modellistica anarchica

microcontrollori
A differenza di molti altri tipi di robot controllati da microcontrollori, i robot BEAM sono basati sul principio dell’utilizzo di più comportamenti semplici collegati direttamente a sistemi di sensori con un piccolo condizionamento del segnale. Questa filosofia di design è strettamente richiamata nel classico libro “Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology”. Attraverso una serie di esperimenti mentali, questo libro esplora lo sviluppo di complessi comportamenti robotici attraverso semplici collegamenti di sensori inibitori ed eccitatori agli attuatori. I microcontrollori e la programmazione per computer di solito non fanno parte di un robot BEAM tradizionale (detto anche “puro”) a causa della filosofia di progettazione hardware-centrica di livello molto basso.

Ci sono progetti di robot di successo che accoppiano le due tecnologie. Questi “ibridi” soddisfano l’esigenza di robusti sistemi di controllo con l’aggiunta della flessibilità della programmazione dinamica, come la topologia BEAMbots “a cavallo e cavaliere” (ad esempio ScoutWalker 3). Il comportamento “a cavallo” è implementato con la tradizionale tecnologia BEAM, ma un “pilota” basato sul microcontrollore può guidare tale comportamento in modo da raggiungere gli obiettivi del “cavaliere”.

tipi
Esistono vari BEAM “-trope”, che tentano di raggiungere un obiettivo specifico. Della serie, i fototropi sono i più diffusi, poiché la ricerca della luce sarebbe il comportamento più vantaggioso per un robot ad energia solare.

Gli audiotropi reagiscono alle sorgenti sonore.
Gli audiofili vanno verso fonti sonore.
Gli audiofobi si allontanano dalle fonti sonore.

I fototropi (“cercatori di luce”) reagiscono alle fonti di luce.
I fotofili (anche i Photovore) vanno verso fonti di luce.
I fotofobici si allontanano dalle fonti di luce.

I radiotrasmetti reagiscono alle sorgenti di radiofrequenza.
I radiofili si dirigono verso le sorgenti RF.
I radiofisi si allontanano dalle sorgenti RF.

I termotropi reagiscono alle fonti di calore.
I termofili vanno verso fonti di calore.
I termofori vanno lontano da fonti di calore.

Generale
I BEAMbots hanno una varietà di movimenti e meccanismi di posizionamento. Questi includono:

Sitter: robot immobili che hanno uno scopo fisicamente passivo.
Segnali acustici: trasmettono un segnale (solitamente un blip di navigazione) per altri BEAMbots da utilizzare.
Pummer: mostra uno “spettacolo di luci”.
Ornamenti: un nome generico per i soggetti che non sono fari o pummer.

Squirmers: robot stazionari che svolgono un’azione interessante (di solito spostando una sorta di arti o appendici).
Magbots: usa i campi magnetici per la loro modalità di animazione.
Flagwavers: sposta un display (o “flag”) intorno ad una certa frequenza.
Teste: ruotare e seguire alcuni fenomeni rilevabili, come una luce (sono molto popolari nella comunità BEAM. Possono essere robot autonomi, ma sono più spesso incorporati in un robot più grande).
Vibratori: utilizzare un piccolo motore per cercapersone con un peso decentrato per scuotersi.

Cursori: robot che si muovono facendo scorrere le parti del corpo in modo fluido lungo una superficie rimanendo in contatto con essa.
Serpenti: muovi usando un movimento ondulatorio orizzontale.
Lombrichi: muoversi utilizzando un movimento ondulatorio longitudinale.

Crawler: robot che si muovono usando le tracce o facendo rotolare il corpo del robot con una sorta di appendice. Il corpo del robot non viene trascinato a terra.
Turbots: rotoli i loro corpi interi usando il loro braccio (i) o flagelli.
Inchworms: sposta in avanti una parte del corpo, mentre il resto del telaio è a terra.
Robot cingolati: usa ruote cingolate, come un carro armato.

Maglioni: robot che si spingono da terra come mezzo di locomozione.
Vibrobots: producono movimenti irregolari che si muovono su una superficie.
Springbots: andare avanti saltando in una particolare direzione.

Rulli: robot che si muovono facendo rotolare tutto o parte del loro corpo.
Symets: guidato da un singolo motore con il suo albero che tocca il suolo e si muove in direzioni diverse a seconda di quale dei numerosi punti di contatto simmetrici attorno all’albero tocchino il terreno.
Solarrollers: auto ad energia solare che utilizzano un solo motore che guida una o più ruote; spesso progettato per completare un percorso abbastanza breve, dritto e di livello nel minor tempo possibile.
Poppers: utilizzare due motori con motori solari separati; contare su sensori differenziali per raggiungere un obiettivo.
Miniballs: sposta il loro centro di massa, facendo rotolare i loro corpi sferici.

Camminatori: robot che si spostano usando le gambe con contatto differenziale a terra.
Motor Driven: utilizzare i motori per muovere le gambe (in genere 3 motori o meno).
Cavo muscolare: utilizzare fili in Nitinol (lega di nichel-titanio) per i loro attuatori per le gambe.

Nuotatori: robot che si muovono sopra o sotto la superficie di un liquido (tipicamente acqua).
Boatbot: operare sulla superficie di un liquido.
Sottotubi: operare sotto la superficie di un liquido.

Volantini: robot che si muovono nell’aria per periodi prolungati.
Elicotteri: utilizzare un rotore motorizzato per fornire sia l’ascensore che la propulsione.
Piani: utilizzare le ali fisse o sbattenti per generare sollevamento.
Dirigibili: utilizzare un pallone a galleggiamento neutro per il sollevamento.

Scalatori: robot che si muove su o giù su una superficie verticale, di solito su una pista come una fune o un filo.

Applicazioni e progressi attuali
Al momento, i robot autonomi hanno visto un’applicazione commerciale limitata, con alcune eccezioni come l’aspirapolvere robot iRobot Roomba e alcuni robot per falciare il prato. La principale applicazione pratica di BEAM è stata la prototipazione rapida di sistemi di movimento e applicazioni di hobby / educazione. Mark Tilden ha utilizzato con successo BEAM per la prototipazione di prodotti per Wow-Wee Robotics, come evidenziato da B.I.O.Bug e RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug’n’Bots, JCM InVentures Inc. e PagerMotors.com hanno anche portato sul mercato articoli per hobby ed educativi relativi a BEAM. Vex ha anche sviluppato Hexbugs, piccoli robot BEAM.

I robot aspiranti BEAM spesso hanno problemi con la mancanza di controllo diretto sui circuiti di controllo BEAM “puri”. C’è un lavoro in corso per valutare le tecniche biomorfe che copiano i sistemi naturali perché sembrano avere un incredibile vantaggio in termini di prestazioni rispetto alle tecniche tradizionali. Ci sono molti esempi di come cervelli di insetti minuscoli sono in grado di prestazioni di gran lunga migliori rispetto alla microelettronica più avanzata.

Un altro ostacolo alla diffusa applicazione della tecnologia BEAM è la natura casuale percepita della “rete nervosa”, che richiede nuove tecniche da apprendere dal costruttore per diagnosticare e manipolare con successo le caratteristiche del circuito. Un gruppo di esperti di accademici internazionali si incontra annualmente a Telluride, in Colorado per affrontare direttamente questo problema, e fino a poco tempo fa, Mark Tilden ha fatto parte di questo sforzo (ha dovuto ritirarsi a causa dei suoi nuovi impegni commerciali con i giocattoli Wow-Wee).

Non avendo memoria a lungo termine, i robot BEAM generalmente non imparano dal comportamento passato. Tuttavia, c’è stato un lavoro nella comunità BEAM per affrontare questo problema. Uno dei robot BEAM più avanzati in questo senso è Hider di Bruce Robinson, che ha un notevole grado di capacità per un design senza microprocessore.

pubblicazioni

brevetti

Brevetto U.S. 613,809 – Metodo e apparecchiatura per il controllo del meccanismo di veicoli o veicoli in movimento – brevetto “telautomaton” di Tesla; Primo cancello logico.
Brevetto U.S. 5.325.031 – Sistemi nervosi robotizzati adattivi e relativi circuiti di controllo – brevetto di Tilden; Un circuito di controllo auto-stabilizzante che utilizza circuiti di ritardo di impulso per il controllo degli arti di un robot a linea, e un robot che incorpora un tale circuito; “neuroni” artificiali.

Libri e documenti

Conrad, James M. e Jonathan W. Mills, “Stiquito: esperimenti avanzati con un robot semplice ed economico”, Il futuro dei robot a propulsione a propulsione di nitinol, Mark W. Tilden. Los Alamitos, California, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W. e Brosl Hasslacher, “Macchine viventi”. Laboratorio Nazionale Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, USA.
Tilden, Mark W. e Brosl Hasslacher, “The Design of” Living “Biomech Machines: Quanto in basso si può andare?” “Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.
Ancora, Susanne e Mark W. Tilden, “Controller per una macchina a quattro zampe”. ETH Zuerich, Istituto di Neuroinformatica e Divisione di Biofisica, Laboratorio Nazionale di Los Alamos.
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. e Brosl Hasslacher, “Robotica e macchine autonome: la biologia e la tecnologia degli agenti autonomi intelligenti”, ID della carta LANL: LA-UR-94-2636, primavera 1995.
Dewdney, A.K. “Photovores: i robot intelligenti sono costruiti da Castoff”. Scientific American Sept 1992, v267, n3, p42 (1)
Smit, Michael C. e Mark Tilden, “Beam Robotics”. Algoritmo, vol. 2, n. 2, marzo 1991, pagg 15-19.
Hrynkiw, David M. e Tilden, Mark W., “Junkbots, Bugbots e Bots on Wheels”, 2002. ISBN 0-07-222601-3 (sito web di supporto per i libri)