La robótica BEAM [1] (de biología , electrónica , estética y mecánica ) es un estilo de robótica que utiliza principalmente circuitos analógicos simples , como comparadores , en lugar de un microprocesador para producir un diseño inusualmente simple. Si bien no es tan flexible como la robótica basada en microprocesadores, la robótica BEAM puede ser robusta y eficiente en la realización de la tarea para la que fue diseñada.
Los robots BEAM pueden utilizar un conjunto de circuitos analógicos, [2] que imitan neuronas biológicas, para facilitar la respuesta del robot a su entorno de trabajo.
Mecanismos y principios
Los principios básicos de BEAM se centran en una capacidad basada en estímulo-respuesta dentro de una máquina. El mecanismo subyacente fue inventado por Mark W. Tilden , donde el circuito (o una red Nv de neuronas Nv ) se utiliza para simular comportamientos neuronales biológicos. Ed Rietman realizó una investigación similar anteriormente en "Experiments In Artificial Neural Networks". El circuito de Tilden a menudo se compara con un registro de desplazamiento , pero con varias características importantes que lo convierten en un circuito útil en un robot móvil.
Otras reglas que se incluyen (y se aplican en distintos grados):
- Utilice el menor número posible de elementos electrónicos ( "manténgalo simple" )
- Reciclar y reutilizar chatarra tecnológica
- Utilice energía radiante (como la energía solar )
Hay una gran cantidad de robots BEAM diseñados para utilizar energía solar proveniente de pequeños paneles solares para alimentar un "motor solar" que crea robots autónomos capaces de operar bajo una amplia gama de condiciones de iluminación. Además de la sencilla capa computacional de las " redes nerviosas " de Tilden, BEAM ha aportado una multitud de herramientas útiles a la caja de herramientas del robotista. El circuito del "motor solar", muchos circuitos de puente H para el control de motores pequeños, diseños de sensores táctiles y técnicas de construcción de robots a escala media (del tamaño de la palma de la mano) han sido documentados y compartidos por la comunidad BEAM. [3]
Robots BEAM
Centrada en comportamientos "basados en la reacción" (como los inspirados originalmente por el trabajo de Rodney Brooks ), la robótica BEAM intenta copiar las características y comportamientos de los organismos biológicos , con el objetivo final de domesticar estos robots "salvajes". La estética de los robots BEAM se deriva del principio " la forma sigue a la función ", modulado por las elecciones de diseño particulares que hace el constructor al implementar la funcionalidad deseada.
Disputas en el nombre
Diferentes personas tienen ideas diferentes sobre lo que significa realmente BEAM. Los significados más aceptados son Biología , Electrónica , Estética y Mecánica .
Este término se originó con Mark Tilden durante una discusión en el Centro de Ciencias de Ontario en 1990. Mark estaba mostrando una selección de sus robots originales que había construido mientras trabajaba en la Universidad de Waterloo .
Sin embargo, hay muchos otros nombres semipopulares en uso, [ cita requerida ] incluidos:
- B iotecnología E tología A nalogía M orfología
- Construyendo Evolución Anarquía Modularidad
Microcontroladores
A diferencia de muchos otros tipos de robots controlados por microcontroladores , los robots BEAM se construyen sobre el principio de utilizar múltiples comportamientos simples vinculados directamente a sistemas de sensores con poco acondicionamiento de señales . Esta filosofía de diseño se refleja estrechamente en el libro clásico "Vehículos: experimentos en psicología sintética". [4] A través de una serie de experimentos mentales, este libro explora el desarrollo de comportamientos robóticos complejos a través de enlaces de sensores inhibidores y excitadores simples a los actuadores . Los microcontroladores y la programación informática generalmente no son parte de un robot BEAM tradicional (también conocido como "puro") debido a la filosofía de diseño centrada en el hardware de muy bajo nivel .
Existen diseños de robots exitosos que combinan las dos tecnologías. Estos "híbridos" satisfacen la necesidad de sistemas de control robustos con la flexibilidad añadida de la programación dinámica, como los robots BEAM con topología de "caballo y jinete" (por ejemplo, el ScoutWalker 3 [5] ). El comportamiento del "caballo" se implementa con la tecnología BEAM tradicional, pero un "jinete" basado en un microcontrolador puede guiar ese comportamiento para lograr los objetivos del "jinete".
Tipos
Existen varios BEAMbots " -tropos ", que intentan lograr un objetivo específico. De la serie, los fototropos son los más frecuentes, ya que la búsqueda de luz sería el comportamiento más beneficioso para un robot alimentado con energía solar.
- Los audiótropos reaccionan a las fuentes de sonido.
- Los audiófilos se dirigen a las fuentes de sonido.
- Los audiófobos se alejan de las fuentes de sonido.
- Los fotótropos ("buscadores de luz") reaccionan a las fuentes de luz.
- Los fotófilos (también fotóvoros ) se dirigen hacia las fuentes de luz.
- Los fotófobos se alejan de las fuentes de luz.
- Los radiótropos reaccionan a fuentes de radiofrecuencia .
- Los radiófilos se dirigen hacia fuentes de RF.
- Los radiófobos se alejan de las fuentes de RF.
- Los termotropos reaccionan a las fuentes de calor.
- Los termófilos se dirigen hacia fuentes de calor.
- Los termófobos se alejan de las fuentes de calor.
General
Los BEAMbots tienen una variedad de movimientos y mecanismos de posicionamiento, entre los que se incluyen:
- Sitters : Robots inmóviles que tienen un propósito físicamente pasivo. [6]
- Balizas: transmiten una señal (normalmente un indicador de navegación) para que la utilicen otros BEAMbots.
- Pummers: muestran un "espectáculo de luces" o un patrón de sonidos. Los pummers suelen ser robots nocturnos que almacenan energía solar durante el día y luego se activan durante la noche. [7]
- Ornamentos: Un nombre genérico para los modelos que no son faros ni bombas. Muchas veces, se trata principalmente de arte electrónico . [8]
- Squirmers : Robots estacionarios que realizan una acción interesante (generalmente moviendo algún tipo de extremidades o apéndices). [9]
- Magbots: utilizan campos magnéticos para su modo de animación.
- Abanderados: Mueven una exhibición (o "bandera") con una frecuencia determinada.
- Cabezas: giran y siguen algunos fenómenos detectables, como una luz (son populares en la comunidad BEAM. Pueden ser robots independientes, pero con mayor frecuencia se incorporan a un robot más grande). [10]
- Vibradores: utilizan un pequeño motor de buscapersonas con un peso descentrado para moverse.
- Sliders : Robots que se mueven deslizando partes del cuerpo suavemente a lo largo de una superficie mientras permanecen en contacto con ella.
- Serpientes: Se mueven utilizando un movimiento de onda horizontal.
- Lombrices de tierra: se mueven utilizando un movimiento ondulatorio longitudinal .
- Crawlers : Robots que se desplazan mediante orugas o haciendo rodar el cuerpo del robot con algún tipo de apéndice. El cuerpo del robot no se arrastra por el suelo.
- Rodaballos: Hacen girar todo su cuerpo utilizando sus brazos o flagelos.
- Gusanos medidores: Mueven parte de su cuerpo hacia adelante, mientras el resto del chasis está en el suelo.
- Robots con orugas: utilizan ruedas con orugas, como un tanque .
- Saltadores : Robots que se impulsan desde el suelo como medio de locomoción.
- Vibrobots: Producen un movimiento de vibración irregular moviéndose alrededor de una superficie.
- Springbots: avanzan rebotando en una dirección particular.
- Rodillos : Robots que se mueven haciendo rodar todo o parte de su cuerpo.
- Symets: Accionado por un único motor cuyo eje toca el suelo, se mueve en diferentes direcciones dependiendo de cuáles de los varios puntos de contacto simétricos alrededor del eje tocan el suelo.
- Solarrollers : automóviles que funcionan con energía solar y que utilizan un solo motor que impulsa una o más ruedas; a menudo diseñados para completar un recorrido bastante corto, recto y nivelado en el menor tiempo posible.
- Poppers: utilizan dos motores con motores solares separados; confían en sensores diferenciales para lograr un objetivo.
- Minibolas: desplazan su centro de masa , provocando que sus cuerpos esféricos rueden.
- Andadores : robots que se mueven utilizando piernas con contacto diferencial con el suelo. Los andadores BEAM generalmente utilizan redes Nv y no están programados de ninguna manera: caminan y responden al terreno mediante la entrada resistiva de sus motores.
- Accionado por motor: utilizan motores para mover sus piernas (normalmente 3 motores o menos).
- Accionado por cables musculares: utilice cables de Nitinol (aleación de níquel y titanio ) para los actuadores de las piernas.
- Nadadores : también llamados aquabots o aquavores. Robots que se mueven sobre o debajo de la superficie de un líquido (normalmente agua). [11]
- Boatbots: operan en la superficie de un líquido.
- Subbots: Operan bajo la superficie de un líquido.
- Voladores : Robots que se mueven por el aire durante periodos prolongados.
- Helicópteros: utilizan un rotor motorizado para proporcionar sustentación y propulsión.
- Aviones: utilizan alas fijas o batientes para generar sustentación.
- Dirigibles: utilice un globo con flotabilidad neutra para elevarse.
- Escaladores : Robot que se mueve hacia arriba o hacia abajo por una superficie vertical, generalmente sobre una pista como una cuerda o un alambre.
Aplicaciones y avances actuales
En la actualidad [¿ cuándo? ] , los robots autónomos han tenido una aplicación comercial limitada, con algunas excepciones como la aspiradora robótica Roomba de iRobot y algunos robots cortacésped. La principal aplicación práctica de BEAM ha sido en el prototipado rápido de sistemas de movimiento y aplicaciones para pasatiempos y educación. Mark Tilden ha utilizado BEAM con éxito para el prototipado de productos para Wow-Wee Robotics, como lo demuestran BIOBug y RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug'n'Bots, JCM InVentures Inc. y PagerMotors.com también han llevado al mercado productos educativos y para pasatiempos relacionados con BEAM. Vex también ha desarrollado Hexbugs , pequeños robots BEAM.
Los aspirantes a roboticistas BEAM suelen tener problemas con la falta de control directo sobre circuitos de control BEAM "puros". Se está trabajando en la evaluación de técnicas biomórficas que copian sistemas naturales porque parecen tener una increíble ventaja de rendimiento sobre las técnicas tradicionales. Hay muchos ejemplos de cómo los diminutos cerebros de insectos son capaces de un rendimiento mucho mejor que la microelectrónica más avanzada. [ cita requerida ]
Otra barrera para la aplicación generalizada de la tecnología BEAM es la naturaleza aleatoria percibida de la "red nerviosa", que requiere que el constructor aprenda nuevas técnicas para diagnosticar y manipular con éxito las características del circuito. Un grupo de expertos de académicos internacionales [12] se reúne anualmente en Telluride, Colorado, para abordar esta cuestión directamente y, hasta hace poco, Mark Tilden ha formado parte de este esfuerzo (tuvo que retirarse debido a sus nuevos compromisos comerciales con los juguetes Wow-Wee).
Los robots BEAM, que no tienen memoria a largo plazo, no suelen aprender de su comportamiento pasado. Sin embargo, en la comunidad BEAM se ha trabajado para abordar este problema. Uno de los robots BEAM más avanzados en este sentido es Hider de Bruce Robinson [13] , que tiene un impresionante grado de capacidad para un diseño sin microprocesador.
Publicaciones
Patentes
- Patente de EE. UU. 613.809 - Método y aparato para controlar el mecanismo de un vehículo o vehículos en movimiento - Patente "telautomaton" de Tesla [ cita requerida ] ; Primera puerta lógica .
- Patente de EE.UU. 5.325.031 - Sistemas nerviosos robóticos adaptativos y circuitos de control para los mismos - Patente de Tilden; Un circuito de control autoestabilizador que utiliza circuitos de retardo de pulso para controlar las extremidades de un robot con extremidades, y un robot que incorpora dicho circuito; "neuronas" artificiales.
Libros y papeles
- Conrad, James M. y Jonathan W. Mills, " Stiquito: experimentos avanzados con un robot simple y económico ", El futuro de los robots caminantes propulsados por nitinol , Mark W. Tilden. Los Alamitos, California, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
- Tilden, Mark W., y Brosl Hasslacher , " Máquinas vivientes ". Laboratorio Nacional de Los Álamos , Los Álamos, NM 87545, EE. UU.
- Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher , " El diseño de máquinas biomecánicas "vivientes": ¿hasta dónde se puede llegar? ". Laboratorio Nacional de Los Álamos, Los Álamos, NM 87545, EE. UU.
- Still, Susanne y Mark W. Tilden, " Controlador para una máquina caminadora de cuatro patas ". ETH Zurich, Instituto de Neuroinformática y División de Biofísica, Laboratorio Nacional de Los Álamos.
- Braitenberg, Valentino , " Vehículos: experimentos en psicología sintética ", 1984. ISBN 0-262-52112-1
- Rietman, Ed, " Experimentos en redes neuronales artificiales ", 1988. ISBN 0-8306-0237-2
- Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher , " Robótica y máquinas autónomas : la biología y la tecnología de agentes autónomos inteligentes ", LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, primavera de 1995.
- Dewdney, AK " Fotógrafos: robots inteligentes construidos a partir de desechos ". Scientific American, septiembre de 1992, v267, n3, p42(1)
- Smit, Michael C. y Mark Tilden, " Beam Robotics ". Algorithm, vol. 2, n.º 2, marzo de 1991, págs. 15-19.
- Hrynkiw, David M., y Tilden, Mark W., " Junkbots, Bugbots, and Bots on Wheels ", 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Sitio web de soporte del libro)
Véase también
Referencias
- ^ "BEAM Robotics". Robohub . Consultado el 30 de diciembre de 2019 .
- ^ "Biblioteca de referencia BEAM - Circuitos BEAMbot". solarbotics.net . Consultado el 30 de diciembre de 2019 .
- ^ Comunidad BEAM
- ^ Braitenberg, Valentino. Vehículos, experimentos en psicología sintética. Cambridge, Mass.: MIT Press, 1984. Impreso.
- ^ "El ScoutWalker 3". Archivado desde el original el 17 de julio de 2012. Consultado el 21 de junio de 2012 .
- ^ Seale, Eric, " Sitters ". La Enciclopedia BEAMia, 2003.
- ^ Seale, Eric, " Pummers ". La Enciclopedia BEAMia, 2003.
- ^ Seale, Eric, " Adornos ". La Enciclopedia BEAMia, 2003
- ^ Seale, Eric, " Squirmers ". La Enciclopedia BEAMia, 2003.
- ^ Seale, Eric, " Cabezas ". La Enciclopedia BEAMia, 2003.
- ^ Seale, Eric, " Nadador ". The EncycloBEAMia, 2003.
- ^ Instituto de Ingeniería Neuromórfica Archivado el 16 de julio de 2019 en Wayback Machine (INE)
- ^ El escondite de Bruce Robinson
Enlaces externos
- Archivo del grupo BEAM Yahoo!
- Solarbotics, " Servidor y alojamiento de la comunidad BEAM ", 2003
- Miller, Andrew, " El micronúcleo "
- Bolt, Steven, " PiTronics ", octubre de 2004
- Van Zoelen, AA, " BEAM Robotics ", 1998
- Robinson, Bruce N., " Ocultador ", 2005
- Walke, Kevin, " Entrevista a Mark Tilden ", marzo de 2000
- Fang, Chiu-Yuan, " Robótica BEAM ", 1999
- Bernstein, Ian, " BEAM en línea ", 2003
- Beamitaly, " BeamItaly ", 1998.
