BEAM robotter

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. marts 2021; checks kræver 2 redigeringer .

Robots BEAM - Ordet BEAM er et akronym for Biology , Electronics , Aesthetics , Mechanics . Dette er en betegnelse for princippet om at bygge robotter ved hjælp af simple analoge kredsløb (for eksempel komparatorer ) i stedet for mikroprocessorer for at opnå en usædvanlig enkel (i sammenligning med traditionelle mobile robotter) design, som ofrer fleksibilitet af hensyn til pålidelighed og effektivitet i udførelsen af en bestemt opgave. Der er dog undtagelser, der bruger mere end blot analoge kredsløb (kaldet "mutanter"). BEAM-robotter er normalt et sæt af de førnævnte analoge kredsløb (replikerende biologiske neuroner), der tillader robotten at interagere med arbejdsmiljøet.

Mekanismer og principper

De grundlæggende principper for BEAM er baseret på en maskines evne til at reagere på ydre stimuli. Mekanismen til at simulere neuronernes adfærd ved hjælp af kredsløb blev opfundet af Mark Tilden. Lignende udviklinger blev tidligere udført af Ed Ritman (værket "Eksperimenter inden for kunstige neurale kredsløb"). Tilden-kæden sammenlignes ofte med et vagtregister, men nogle karakteristiske træk gør det nyttigt til brug i mobile robotter. Andre principper eksisterer også og gælder i varierende grad:

Brug så få elektroniske komponenter som muligt ( KISS princip )
Brug elektronisk affald til at skabe en robot
Brug strålingsenergi (såsom sollys)

Der er mange BEAM-robotter, der bruger solpaneler til at drive motoren, hvilket giver dem mulighed for at arbejde selvstændigt under forskellige lysforhold. Ud over de ekstremt forenklede Tilden-kredsløb har BEAM-teknologien givet robotmagerne andre nyttige værktøjer. BEAM-fællesskabet dokumenterer og formidler design til solmotorer, H-bro- kredsløb , taktile sensorer og robotter i håndfladestørrelse.

BEAM-robotter

Med fokus på respons-baseret adfærd (som oprindeligt udtænkt af Rod Brooks), replikerer BEAM-robotik karakteristika og adfærd hos naturlige organismer, og dens ultimative mål er at "tæmme" disse "vilde" robotter. I BEAM robotteknologi er den æstetiske komponent i designet af enheden vigtig, hvilket svarer til mottoet "form følger funktion".

Navnekontrovers

Forskellige mennesker har forskellige meninger om den sande betydning af BEAM. Den mest almindelige afkodning er biologi , elektronik , æstetik , mekanik . Udtrykket blev første gang brugt af Mark Tilden under en diskussion på Ontario Science Center i 1990. Mark præsenterede et udvalg af robotter , han havde skabt, mens han arbejdede på University of Waterloo . Der er dog andre populære fortolkninger af udtrykket, for eksempel:

Bioteknologi Etologi Analogi Morfologi
Opbygning af Evolution Anarchy Modularity

Mikrocontrollere

I modsætning til mange andre typer robotter, der bruger mikrocontrollere , er BEAM-robotter baseret på princippet om at bruge mange adfærdsmodeller, der er direkte forbundet til sensorer med et minimumsniveau af signalbehandling. Denne designfilosofi gentager den klassiske bog Devices: Experiments in Synthetic Psychology. Gennem en række tankeeksperimenter udforsker denne bog skabelsen af kompleks robotadfærd ved hjælp af simple push- og pull-signaler fra sensorer til aktuatorer . Mikrocontrollere og computerprogrammering er normalt ikke en del af en traditionel ("ren") BEAM-robot på grund af dens specifikke filosofi, lav-niveau, hardware-baseret design. Der er velkendte eksempler på robotdesign, der kombinerer disse to teknologier. Disse "hybrider" opfylder kravet om pålidelighed af styresystemer og kombinerer det med fleksibiliteten ved dynamisk programmering . Et eksempel på en sådan hybrid kan være BEAMbots-robotter, der bruger "hest-og-rytter" -topologien (for eksempel ScoutWalker3) Robottens fysiske "krop" ("hesten") styres af traditionel BEAM-teknologi og mikrocontrolleren og programmer styrer "kroppen" fra positionsrytteren." "Rytter"-komponenten er ikke nødvendig for robottens funktionalitet, men uden den vil robotten miste den vigtige indflydelse fra "hjernen", der giver den retninger.

Typer

Der er forskellige typer ("stier") af BEAM-robotter, der er designet til at udføre forskellige opgaver. Fototroper er de mest almindelige, da det at finde lys er den mest oplagte opgave for en solcelledrevet robot.

Audiotroper reagerer på lyde.
- Audiofiler følger lydkilder.
- Audiofober forlader dem.
Fototroper reagerer på lys.
- Fotofiler følger lyskilder.
- Fotofober forlader dem.
Radiotroper reagerer på radiofrekvenser.
- Radiofile følger kilder til radiobølger.
- Radiofober forlader dem.
Termotroper reagerer på termisk stråling.
- Termofiler følger varmekilder.
- Heatphobes forlader dem.

Generelle karakteristika

BEAM-robotter har mange bevægelses- og positioneringsmekanismer, såsom:

Sitter: immobile robotter med et passivt formål.
- Beacons: sender et signal (normalt et navigationssignal) til andre BEAM-robotter.
- Pummers: Vis et lysshow.
- Ornamenter: andre robotter.
Squirmers: ubevægelige robotter, der udfører en form for handling (normalt bevægelse af lemmer).
- Magbots: Brug magnetiske felter til deres virkemåde.
- Flagwavers: Flyt displayet ("flag") ved en bestemt frekvens.
- Hoveder: vend mod det fænomen, der bliver opdaget, og følg det. Lys kan fungere som et fænomen. Sådanne robotter er populære i BEAM-fællesskabet og kan være separate robotter, men er ofte inkluderet i større.
- Vibratorer: Brug en lille off-center motor til at vibrere.
Sliders: Robotter, der bevæger sig hen over overflader uden at miste kontakten.
- Slanger: Bevæg dig i en vandret bølge.
- Orme: bevæger sig langs en langsgående bølge .
Crawlere: Robotter, der bevæger sig ved hjælp af larver eller ved hjælp af et lem. Robottens krop rører ikke jorden.
- Turbobots: Rul ved hjælp af lemmer.
- Landmålere: Flyt en del af kroppen fremad, mens den anden del bliver på plads.
- Sporrobotter: brug spor (svarende til tanks ).
Jumpere: Robotter, der hopper af overflader for at bevæge sig rundt.
- Vibrobots: Bevæg dig ved vibration.
- Springbots: Bevæg dig ved at hoppe i en bestemt retning.
Rulleskøjter: robotter, der bevæger sig i ruller.
- Simets: Bevæg dig ved hjælp af en motor, hvis aksel rører jorden og bevæger sig i forskellige retninger afhængigt af akslens bevægelse.
- Solarrollers: Brug en motor til at drive et eller flere hjul, ofte optimeret til at tage den korteste vej til et mål.
- Poppers: brug to motorer og separate solmotorer; bruge forskellige sensorer til at nå målet.
- Minibolde: Flyt massecentret , på grund af hvilken robottens sfæriske krop bevæger sig.
Walkers: Robotter, der bevæger sig ved hjælp af deres ben.
- Motordrevet: Brug motorer til at flytte benene (normalt 3 eller flere motorer).
- Muskeldrevet: Brug nitinol -tråde (nikkel-titanium-legering) til at bevæge benene.
Svømmere: robotter, der bevæger sig videre/i væske (normalt vand).
- Boatbots: bevæger sig på overfladen af en væske.
- Lørdage: bevæg dig i væsken.
Flyers: Robotter, der bevæger sig gennem luften i et bestemt tidsrum.
- Helikoptere: Brug en rotor til stigning og acceleration.
- Fly: Brug vinger til løft.
- Balloner: Brug en inert gasflaske til at løfte.
Klatrere: Robotter, der bevæger sig op eller ned af en lodret overflade, normalt langs et reb eller en wire.

Ansøgning og nuværende fremskridt

I øjeblikket er autonome robotter ikke udbredt kommercielt, selvom der er undtagelser, såsom iRobot Roomba robotstøvsugeren og nogle plæneklipperrobotter. Den vigtigste praktiske anvendelse af BEAM er hurtig prototyping af fremdriftssystemer og hobby/uddannelse. Mark Tilden har med succes brugt BEAM til at prototype produkter til Wow-WeeRobotics, som det ses i BIOBug og RoboRaptor.SolarboticsLtd., Bug'n'Bots, JCM InVenturesInc. og PagerMotors.com bragte også BEAM-baserede hobby- og uddannelsesprodukter på markedet. Vex har udviklet Hexbugs, en lille BEAM-robot. Begyndende BEAM-robotbyggere har ofte problemer med ikke at have direkte kontrol over BEAM-kredsløb. Arbejdet fortsætter med at evaluere biomorfe teknikker, der replikerer naturlige systemer, fordi sådanne systemer naturligvis har en stor ydeevnefordel i forhold til traditionelle teknikker. Der er mange eksempler på, hvordan små insekthjerner fungerer meget mere effektivt end selv den mest avancerede mikroelektronik. En anden barriere for den udbredte anvendelse af BEAM-teknologier er neurale netværks tilsyneladende tilfældige natur, som kræver, at designeren studerer nye teknologier for med succes at genkende og manipulere kredsløbs egenskaber. Et internationalt forskermøde afholdes årligt i Telluride, Colorado, USA for at studere dette emne, og indtil for nylig deltog Mark Tilden i det (han måtte trække sig på grund af arbejdet med Wow-Wee-legetøj). I mangel af langtidshukommelse lærer BEAM-robotter normalt ikke af erfaring. Imidlertid arbejder BEAM-fællesskabet på det. En af de mest avancerede BEAM-robotter på dette område er Bruce Robinsons Hider, som har et imponerende udvalg af designmuligheder uden en mikroprocessor.

Publikationer

Patenter

US Patent 613.809 - Fremgangsmåde og apparatur til styring af mekanismer for bevægelige køretøjer eller køretøjer - Teslas " telautomaton " patent; Første logiske port .
US patent 5 325 031 - Adaptive robotnervesystemer og styrekredsløb hertil - Tildens patent; 1 . Selvstabiliserende styrekredsløb, der anvender impulsforsinkelseskredsløb til styring af lemmerne på en robot med ben, og en robot, der inkorporerer et sådant kredsløb; kunstige neuroner.

Bøger og papirer

Conrad, James M. og Jonathan W. Mills, " Stiquito: avancerede eksperimenter med en enkel og billig robot ", The future for nitinol-propelled walking robots , Mark W. Tilden. Los Alamitos, Californien, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W., og Brosl Hasslacher , Living Machines . Los Alamos National Laboratory , Los Alamos, NM 87545, USA.
Tilden, Mark W. og Brosl Hasslacher , " Designet af 'Levende' Biomech Machines: Hvor lavt kan man gå?" Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.
Alligevel, Susanne, og Mark W. Tilden, " Controller til en firbenet gåmaskine ". ETH Zuerich, Institut for Neuroinformatik og Biofysik 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. og Brosl Hasslacher , " Robotics and Autonomous Machines : The Biology and Technology of Intelligent Autonomous Agents ", LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, Spring 1995.
Dewdney, A.K. " Photovores: Intelligente Robots are Constructed From Castoffs ". Scientific American sept. 1992, v267, n3, p42(1)
Smit, Michael C., og Mark Tilden, " Beam Robotics ". Algorithms, Vol. 2, nr. 2, marts 1991, side 15-19.
Hrynkiw, David M. og Tilden, Mark W., " Junkbots, Bugbots and Bots on Wheels ", 2002. ISBN 0-07-222601-3 ( Book support website )
Melnikov SA « BEAM-robotik. Fra teori til skabelsen af praktiske enheder ”, Videnskab og teknologi, ISBN::978-5-94387-897-8, 2022. ( Bogsupportwebsted )