Введение
BEAM-робототехника (от биологии, электроники, эстетики и механики) – это стиль робототехники, который преимущественно использует простые аналоговые схемы, такие как компараторы, вместо микропроцессора для создания необычайно простой конструкции. Хотя она и не обладает такой гибкостью, как робототехника на основе микропроцессоров, BEAM-робототехника может быть надежной и эффективной при выполнении задачи, для которой она была спроектирована. BEAM-роботы могут использовать набор аналоговых схем, имитирующих биологические нейроны, чтобы обеспечить реакцию робота на окружающую среду.
Роботы BEAM
Будучи сосредоточенной на поведении, основанном на реакциях (как изначально вдохновлено работами Родни Брукса), BEAM-робототехника стремится воспроизвести характеристики и поведение биологических организмов, с конечной целью "одомашнивания" этих "диких" роботов. Эстетика BEAM-роботов вытекает из принципа "форма следует за функцией", модифицируемого конкретными дизайнерскими решениями, которые создатель принимает при реализации желаемой функциональности.
Микроконтроллеры
В отличие от многих других типов роботов, управляемых микроконтроллерами, роботы BEAM строятся на принципе использования множества простых поведенческих реакций, напрямую связанных с сенсорными системами с минимальной обработкой сигнала. Эта философия проектирования тесно перекликается с классической книгой "Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology" ("Транспортные средства: эксперименты в синтетической психологии"). В книге исследуется развитие сложного поведения роботов посредством простых тормозящих и стимулирующих связей датчиков с исполнительными механизмами. Микроконтроллеры и компьютерное программирование обычно не используются в традиционных (так называемых "чистых") роботах BEAM из-за философии проектирования, ориентированной на аппаратную часть низкого уровня. Однако существуют успешные конструкции роботов, объединяющие обе технологии. Эти "гибриды" отвечают потребности в надежных системах управления с дополнительной гибкостью динамического программирования, как, например, топология BEAM-роботов "лошадь и всадник" (например, ScoutWalker 3). Поведение "лошади" реализуется с использованием традиционной технологии BEAM, но микроконтроллер, выступающий в роли "всадника", может направлять это поведение для достижения своих целей.
Типы
Существуют различные BEAMботы, использующие "тропизм", которые пытаются достичь определенной цели. Из них фототропы – наиболее распространены, поскольку следование за светом было бы наиболее полезным поведением для робота, работающего на солнечной энергии. Аудиотропы реагируют на источники звука. Аудиофилы направляются к источникам звука. Аудиофобы удаляются от источников звука. Фототропы ("светоискатели") реагируют на источники света. Фотофилы (также фотоворы) направляются к источникам света. Фотофобы удаляются от источников света. Радиотропы реагируют на источники радиочастот. Радиофилы направляются к источникам радиочастот. Радиофобы удаляются от источников радиочастот. Термотропы реагируют на источники тепла. Термофилы направляются к источникам тепла. Термофобы удаляются от источников тепла.
Общий
BEAMботы обладают разнообразными механизмами движения и позиционирования. К ним относятся:
Ситтеры: неподвижные роботы, выполняющие физически пассивную функцию. Маяки: передают сигнал (обычно навигационный импульс) для использования другими BEAMботами. Пуммеры: демонстрируют "световое шоу" или звуковой рисунок. Пуммеры часто являются ночными роботами, накапливающими солнечную энергию в течение дня и активирующимися ночью. Орнаменты: общее название для ситтеров, не являющихся маяками или пуммерами. Зачастую это преимущественно электронное искусство. Сквирмеры: стационарные роботы, выполняющие интересное действие (обычно посредством движения конечностей или придатков). Магботы: используют магнитные поля для приведения в движение. Флагверы: перемещают дисплей (или "флаг") с определенной частотой. Головы: поворачиваются и следуют за обнаруживаемыми явлениями, такими как свет (популярны в сообществе BEAM. Могут быть автономными роботами, но чаще интегрируются в более крупную конструкцию). Вибраторы: используют небольшой мотор от пейджера со смещенным центром тяжести для создания колебаний. Слайдеры: роботы, перемещающиеся путем плавного скольжения частями тела по поверхности, оставаясь с ней в контакте. Змеи: двигаются волнообразным горизонтальным движением. Дождевые черви: двигаются волнообразным продольным движением. Кроулеры: роботы, перемещающиеся с помощью гусениц или перекатывая корпус с помощью каких-либо придатков. Корпус робота не волочится по земле. Турботы: перекатывают весь корпус, используя руки или жгутики. Черви-дрожжи: перемещают часть корпуса вперед, в то время как остальная часть шасси остается на земле. Гусеничные роботы: используют гусеничные колеса, как у танка. Прыгуны: роботы, отталкивающиеся от земли для передвижения. Виброботы: создают нерегулярные колебания, перемещаясь по поверхности. Спрингботы: двигаются вперед, подпрыгивая в определенном направлении. Роллеры: роботы, перемещающиеся путем перекатывания всем или частью корпуса. Симеты: приводятся в движение одним мотором, ось которого касается земли, и двигаются в разных направлениях в зависимости от того, какая из нескольких симметричных точек контакта вокруг оси касается земли. Соларроллеры: солнечные автомобили, использующие один мотор для привода одного или нескольких колес; часто разрабатываются для прохождения относительно короткого, прямого и ровного участка пути за минимальное время. Попперы: используют два мотора с отдельными солнечными двигателями; полагаются на дифференциальные датчики для достижения цели. Миниболлы: смещают центр масс, заставляя свои сферические тела катиться. Ходоки: роботы, перемещающиеся с помощью ног с дифференциальным контактом с землей. BEAM-ходоки обычно используют сети Nv и не программируются каким-либо образом — они ходят и реагируют на рельеф местности посредством резистивного сигнала от своих моторов. Моторные ходоки: используют моторы для движения ног (обычно 3 мотора или меньше). Ходоки с приводом от мускульной проволоки: используют нитиноловые провода (сплав никеля и титана) для привода ног. Пловцы: также называются акваботами или акваворами. Роботы, перемещающиеся на или под поверхностью жидкости (обычно воды). Боатботы: работают на поверхности жидкости. Сабботы: работают под поверхностью жидкости. Флаеры: роботы, перемещающиеся в воздухе в течение продолжительного времени. Вертолеты: используют двигаемый ротор для обеспечения как подъемной силы, так и тяги. Самолеты: используют неподвижные или машущие крылья для создания подъемной силы. Дирижабли: используют нейтральный воздушный шар для обеспечения подъемной силы. Альпинисты: робот, перемещающийся вверх или вниз по вертикальной поверхности, обычно по направляющей, такой как веревка или провод.
Sitters: Unmoving robots that have a physically passive purpose. Beacons: Transmit a signal (usually a navigational blip) for other BEAMbots to use. Pummers : Display a "light show" or a pattern of sounds. Pummers are often nocturnal robots that store solar energy during the day, then activate during the night. Ornaments : A catch all name for sitters which are not beacons or pummers. Many times, these are mostly electronic art. Squirmers: Stationary robots that perform an interesting action (usually by moving some sort of limbs or appendages). Magbots: use magnetic fields for their mode of animation. Flagwavers: Move a display (or "flag") around at a certain frequency. Heads: Pivot and follow some detectable phenomena, such as a light (These are popular in the BEAM community. They can be stand alone robots, but are more often incorporated into a larger robot.). Vibrators: Use a small pager motor with an off centre weight to shake themselves about. Sliders: Robots that move by sliding body parts smoothly along a surface while remaining in contact with it. Snakes: Move using a horizontal wave motion. Earthworms: Move using a longitudinal wave motion. Crawlers: Robots that move using tracks or by rolling the robot's body with some sort of appendage. The body of the robot is not dragged on the ground. Turbots: Roll their entire bodies using their arms or flagella. Inchworms: Move part of their bodies ahead, while the rest of the chassis is on the ground. Tracked robots: Use tracked wheels, like a tank. Jumpers: Robots which propel themselves off the ground as a means of locomotion. Vibrobots: Produce an irregular shaking motion moving themselves around a surface. Springbots: Move forward by bouncing in one particular direction. Rollers: Robots that move by rolling all or part of their body. Symets: Driven using a single motor with its shaft touching the ground, and moves in different directions depending on which of several symmetric contact points around the shaft are touching the ground. Solarrollers: Solar powered cars that use a single motor driving one or more wheels; often designed to complete a fairly short, straight and level course in the shortest amount of time. Poppers: Use two motors with separate solar engines; rely on differential sensors to achieve a goal. Miniballs: Shift their centre of mass, causing their spherical bodies to roll. Walkers: Robots that move using legs with differential ground contact. BEAM walkers generally use Nv networks and are not programmed in any way—they walk and respond to terrain via resistive input from their motors. Motor Driven: Use motors to move their legs (typically 3 motors or less). Muscle Wire Driven: use Nitinol (nickel titanium alloy) wires for their leg actuators. Swimmers: Also called aquabots or aquavores. Robots that move on or below the surface of a liquid (typically water). Boatbots: Operate on the surface of a liquid. Subbots: Operate under the surface of a liquid. Fliers: Robots that move through the air for sustained periods. Helicopters: Use a powered rotor to provide both lift and propulsion. Planes: Use fixed or flapping wings to generate lift. Blimps: Use a neutrally buoyant balloon for lift. Climbers: Robot that moves up or down a vertical surface, usually on a track such as a rope or wire.
Применение и текущий прогресс
В настоящее время автономные роботы имеют ограниченное коммерческое применение, за исключением некоторых случаев, таких как робот-пылесос iRobot Roomba и несколько роботов-газонокосилок. Основным практическим применением BEAM является быстрое прототипирование систем движения и использование в хобби и образовательных целях. Марк Тилден успешно использовал BEAM для прототипирования продуктов для Wow Wee Robotics, что подтверждается моделями B.I.O. Bug и RoboRaptor. Компании Solarbotics Ltd., Bug'n'Bots, JCM InVentures Inc. и PagerMotors.com также представили на рынке товары для хобби и образования, связанные с BEAM. Vex также разработал Hexbugs – крошечных роботов BEAM. Начинающие специалисты по робототехнике BEAM часто сталкиваются с проблемой отсутствия прямого контроля над "чистыми" схемами управления BEAM. В настоящее время ведутся исследования биоморфных методов, имитирующих природные системы, поскольку они, по-видимому, обладают значительным преимуществом в производительности по сравнению с традиционными подходами. Существует множество примеров, когда крошечные мозги насекомых демонстрируют гораздо более высокую эффективность, чем самая передовая микроэлектроника. Еще одним препятствием для широкого распространения технологии BEAM является кажущаяся случайность работы "нервной сети", требующая от разработчика освоения новых методов для успешной диагностики и управления характеристиками схемы. Ежегодно в Теллурайде, штат Колорадо, собирается группа международных ученых для обсуждения этой проблемы, и до недавнего времени Марк Тилден принимал участие в этих усилиях (он был вынужден отказаться из-за новых коммерческих обязательств перед Wow Wee toys). Поскольку роботы BEAM не обладают долговременной памятью, они, как правило, не учатся на основе предыдущего опыта. Однако в сообществе BEAM предпринимаются попытки решить эту проблему. Одним из самых продвинутых роботов BEAM в этом направлении является Hider Брюса Робинсона, демонстрирующий впечатляющие возможности при отсутствии микропроцессора в конструкции.