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Robótica BEAM

La robótica BEAM [ 1 ] (de biología , electrónica , estética y mecánica ) es un estilo de robótica que utiliza principalmente circuitos analógicos simples , como comparadores , ...

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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 lograr un diseño inusualmente sencillo. 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.

Un robot BEAM puede 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 la capacidad de respuesta a estímulos dentro de una máquina. El mecanismo subyacente fue inventado por Mark W. Tilden, quien utilizó un circuito (o una red Nv de neuronas Nv ) para simular el comportamiento de las neuronas biológicas. Ed Rietman ya había realizado investigaciones similares en su libro "Experiments In Artificial Neural Networks". El circuito de Tilden se suele comparar con un registro de desplazamiento , pero con varias características importantes que lo convierten en un circuito útil para robots móviles.

Otras reglas que se incluyen (y se aplican en distintos grados):

  1. Utilice la menor cantidad posible de elementos electrónicos ( "manténgalo simple" ).
  2. Recicla y reutiliza la chatarra tecnológica.
  3. Utilizar energía radiante (como la energía solar )

Existe un gran número de robots BEAM diseñados para utilizar energía solar proveniente de pequeños paneles solares para alimentar un " Motor Solar ", lo 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 multitud de herramientas útiles al conjunto de herramientas de los robóticos. El circuito del "Motor Solar", numerosos circuitos de puente H para el control de pequeños motores, diseños de sensores táctiles y técnicas de construcción de robots a mesoescala (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 (inspirada originalmente en el trabajo de Rodney Brooks ), la robótica BEAM intenta imitar las características y el comportamiento de los organismos biológicos , con el objetivo final de domesticar a estos robots "salvajes". La estética de los robots BEAM se basa en el principio de que " la forma sigue a la función ", modulado por las decisiones de diseño específicas que toma el constructor al implementar la funcionalidad deseada.

Disputas en el nombre

Varias personas tienen ideas diferentes sobre lo que realmente significan las siglas BEAM. El significado más aceptado es biología , electrónica , estética y mecánica .

Este término fue acuñado por Mark Tilden durante una charla 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, existen muchos otros nombres semipopulares en uso, entre ellos:

  • Biotecnología, etología, analogía, morfología
  • Construcción, 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 señal . Esta filosofía de diseño se refleja fielmente en el libro clásico "Vehículos: Experimentos en Psicología Sintética". [ 4 ] Mediante una serie de experimentos mentales, este libro explora el desarrollo de comportamientos complejos de robots a través de simples enlaces de sensores inhibitorios y excitatorios a los actuadores . Los microcontroladores y la programación informática generalmente no forman 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 ambas tecnologías. Estos "híbridos" satisfacen la necesidad de sistemas de control robustos con la flexibilidad añadida de la programación dinámica, como los BEAMbots 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 dicho comportamiento para lograr los objetivos del "jinete".

Tipos

Existen varios BEAMbots con características específicas , que intentan alcanzar un objetivo concreto. De la serie, los fototrópicos son los más frecuentes, ya que la búsqueda de luz sería el comportamiento más beneficioso para un robot alimentado por energía solar.

  • Los audiotropos reaccionan a las fuentes de sonido.
    • Los audiófilos se inclinan hacia las fuentes de sonido.
    • Las personas con audifobia se alejan de las fuentes de sonido.
  • Los fototropos ("buscadores de luz") reaccionan a las fuentes de luz.
    • Los fotófilos (también llamados fotovoros ) se dirigen hacia las fuentes de luz.
    • Las personas fotofóbicas se alejan de las fuentes de luz.
  • Los radiotrópicos reaccionan a las fuentes de radiofrecuencia .
    • Los aficionados a la radio se inclinan por las fuentes de radiofrecuencia.
    • Las personas con radiofobia se alejan de las fuentes de radiofrecuencia.
  • Los termotropos reaccionan a las fuentes de calor.
    • Los termófilos se dirigen hacia las fuentes de calor.
    • Las personas termófobas se alejan de las fuentes de calor.

General

Los BEAMbots cuentan con una variedad de movimientos y mecanismos de posicionamiento. Estos incluyen:

  • Sitters : Robots inmóviles que tienen un propósito físicamente pasivo. [ 6 ]
    • Balizas: Transmiten una señal (normalmente un pulso de navegación) para que la utilicen otros BEAMbots.
    • Pummers  : Exhiben un "espectáculo de luces" o un patrón de sonidos. Los Pummers suelen ser robots nocturnos que almacenan energía solar durante el día y se activan durante la noche. [ 7 ]
    • Adornos  : Un término genérico para los objetos que no son faros ni bombas. Muchas veces, se trata principalmente de arte electrónico . [ 8 ]
  • Robots inquietos : 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") a cierta frecuencia.
    • Cabezas: Giran y siguen algún fenómeno detectable, como una luz (Estos 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 vibrar por sí solos.
  • Deslizadores : Robots que se mueven deslizando suavemente partes de su cuerpo a lo largo de una superficie, manteniendo el contacto con ella.
    • Serpientes: Se mueven mediante un movimiento ondulatorio horizontal.
    • Las lombrices de tierra se mueven mediante un movimiento ondulatorio longitudinal .
  • Robots oruga : Robots que se mueven mediante orugas o haciendo rodar su cuerpo con algún tipo de apéndice. El cuerpo del robot no se arrastra por el suelo.
    • Los rodaballos ruedan todo su cuerpo usando sus brazos o flagelos.
    • Gusanos medidores: Mueven parte de su cuerpo hacia adelante, mientras que el resto del chasis permanece 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 vibratorio irregular mientras se desplazan sobre una superficie.
    • Springbots: Avanza rebotando en una dirección determinada.
  • Robots rodantes : Robots que se mueven haciendo rodar todo o parte de su cuerpo.
    • Symets: Se acciona mediante un único motor cuyo eje toca el suelo y se mueve en diferentes direcciones dependiendo de cuáles de los varios puntos de contacto simétricos alrededor del eje estén en contacto con el suelo.
    • Solarrollers : Vehículos alimentados por energía solar que utilizan un solo motor para impulsar una o más ruedas; a menudo diseñados para completar un recorrido relativamente corto, recto y nivelado en el menor tiempo posible.
    • Poppers: Utilizan dos motores con sistemas solares independientes ; se basan en sensores diferenciales para lograr el objetivo.
    • Minibolas: Cambian su centro de masa , lo que provoca que sus cuerpos esféricos rueden.
  • Robots andantes : Robots que se mueven usando patas con contacto diferencial con el suelo. Los robots andantes BEAM generalmente usan redes Nv y no están programados de ninguna manera; caminan y responden al terreno mediante la entrada resistiva de sus motores.
    • Accionamiento por motor: Utilizan motores para mover sus patas (normalmente 3 motores o menos).
    • Accionamiento muscular mediante cables: Utilice cables de nitinol ( aleación de níquel-titanio ) para los actuadores de las patas.
  • Nadadores : También llamados aquabots o aquavoros. Robots que se mueven sobre o debajo de la superficie de un líquido (normalmente agua). [ 11 ]
    • Botbots: Operan en la superficie de un líquido.
    • Subbots: Operan bajo la superficie de un líquido.
  • Voladores : Robots que se desplazan por el aire durante periodos prolongados.
    • Helicópteros: Utilizan un rotor motorizado para proporcionar tanto sustentación como propulsión.
    • Aviones: Utilizan alas fijas o batientes para generar sustentación.
    • Dirigibles: Utilice un globo de flotabilidad neutra para la elevación.
  • Robots trepadores : Robots que se mueven hacia arriba o hacia abajo sobre una superficie vertical, generalmente sobre un riel como una cuerda o un cable.

Solicitudes y progreso actual

Actualmente , los robots autónomos tienen una aplicación comercial limitada, con algunas excepciones como la aspiradora robot iRobot Roomba y algunos robots cortacésped. La principal aplicación práctica de BEAM ha sido el prototipado rápido de sistemas de movimiento y aplicaciones para aficionados y educación. Mark Tilden ha utilizado con éxito BEAM 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 lanzado al mercado productos para aficionados y educación basados ​​en BEAM. Vex también ha desarrollado Hexbugs , pequeños robots BEAM.

Los aspirantes a ingenieros de robótica BEAM suelen tener problemas con la falta de control directo sobre los circuitos de control BEAM "puros". Se están realizando investigaciones para evaluar técnicas biomórficas que imitan sistemas naturales, ya que parecen ofrecer una ventaja de rendimiento increíble sobre las técnicas tradicionales. Existen numerosos ejemplos de cómo los diminutos cerebros de los insectos son capaces de un rendimiento muy superior al de la microelectrónica más avanzada.

Otro obstáculo para la aplicación generalizada de la tecnología BEAM es la naturaleza aparentemente aleatoria de la "red nerviosa", lo que exige que el constructor aprenda nuevas técnicas para diagnosticar y manipular con éxito las características del circuito. Un grupo de expertos académicos internacionales [ 12 ] se reúne anualmente en Telluride, Colorado, para abordar este problema directamente, y hasta hace poco, Mark Tilden formaba parte de este esfuerzo (tuvo que retirarse debido a sus nuevos compromisos comerciales con los juguetes Wow-Wee).

Al carecer de memoria a largo plazo, los robots BEAM generalmente no aprenden de comportamientos pasados. Sin embargo, la comunidad BEAM ha trabajado para abordar este problema. Uno de los robots BEAM más avanzados en este sentido es Hider, de Bruce Robinson [ 13 ] , que posee una capacidad impresionante para un diseño sin microprocesador.

Publicaciones

Patentes

  • Patente estadounidense 613,809 - Método y aparato para controlar el mecanismo de un vehículo o vehículos en movimiento - Patente del " telautómata " de Tesla; Primera puerta lógica .
  • Patente estadounidense 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 documentos

  • 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 Alamos , Los Alamos, NM 87545, EE. UU.
  • Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher , " El diseño de máquinas biomecánicas 'vivas': ¿hasta dónde se puede llegar?" . Laboratorio Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, EE. UU.
  • Aun así, Susanne y Mark W. Tilden, " Controlador para una máquina de caminar de cuatro patas ". ETH Zúrich, Instituto de Neuroinformática y División de Biofísica, Laboratorio Nacional de Los Alamos.
  • 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 los agentes autónomos inteligentes ", LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, primavera de 1995.
  • Dewdney, AK " Fotovoros: Robots inteligentes construidos a partir de desechos ". Scientific American, septiembre de 1992, vol. 267, n.º 3, pág. 42(1).
  • Smit, Michael C., y Mark Tilden, " Robótica de haz ". Algorithm, vol. 2, n.º 2, marzo de 1991, págs. 15-19.
  • Hrynkiw, David M., y Tilden, Mark W., « Junkbots, Bugbots y Bots on Wheels », 2002. ISBN 0-07-222601-3( Sitio web de apoyo al libro )

Véase también

Referencias

  1. ↑ "BEAM Robotics" . Robohub . Consultado el 30 de diciembre de 2019 .
  2. ↑ "Biblioteca de referencia BEAM -- Circuitos BEAMbot" . solarbotics.net . Consultado el 30 de diciembre de 2019 .
  3. ↑ Comunidad BEAM
  4. ↑ Braitenberg, Valentino. Vehículos, experimentos en psicología sintética . Cambridge, Mass: MIT Press, 1984. Impreso.
  5. ↑ "The ScoutWalker 3" . Archivado del original el 17 de julio de 2012. Consultado el 21 de junio de 2012 .
  6. ↑ Seale, Eric, " Sitters ". The EncycloBEAMia, 2003.
  7. ↑ Seale, Eric, " Pummers ". The EncycloBEAMia, 2003.
  8. ↑ Seale, Eric, " Adornos ". The EncycloBEAMia, 2003
  9. ↑ Seale, Eric, " Squirmers ". The EncycloBEAMia, 2003.
  10. ↑ Seale, Eric, " Heads ". The EncycloBEAMia, 2003.
  11. ↑ Seale, Eric, " Swimmer ". The EncycloBEAMia, 2003.
  12. ↑ Instituto de Ingeniería Neuromórfica Archivado el 16/07/2019 en Wayback Machine (INE)
  13. ↑ El escondite de Bruce Robinson
  • Archivo del grupo BEAM de Yahoo!
  • Solarbotics, " Servidor y alojamiento de la comunidad BEAM ", 2003
  • Miller, Andrew, " El MicroCore "
  • Bolt, Steven, " PiTronics ", octubre de 2004
  • Van Zoelen, AA, " BEAM Robotics ", 1998
  • Robinson, Bruce N., " Hider ", 2005
  • Walke, Kevin, " Entrevista a Mark Tilden ", marzo de 2000
  • Fang, Chiu-Yuan, " BEAM Robotics ", 1999
  • Bernstein, Ian, " BEAM Online ", 2003
  • Beamitaly, " BeamItaly ", 1998.