роботы
робототехника
микроконтроллеры
Главная
Новости
Спорт
Шаг за шагом
Статьи
Wiki
Форум
Downloads
Ссылки
Контакты
 

Обзор подходов к созданию роботов с элементами самосознания
Корнеллский робот. Робот университета Мейдзи. Эволюционное моделирование самосознания.

BEAM-РОБОТЫ
Создание BEAM-роботов - это не просто технологический процесс или увлекательное хобби. BEAM - это целая культура, со своей философией и эстетикой.  

Робот "Омнибот" на базе встраиваемого компьютера стандарта PC/104
Робот-теннисист разработан командой механико-математического факультета МГУ.  
BEAM

BEAM-РОБОТЫ

BEAM-роботы.
Создание BEAM-роботов - это не просто технологический процесс или увлекательное хобби. BEAM - это целая культура, со своей философией, эстетикой и широчайшими возможностями для творчества. Есть люди, считающие BEAM-роботов не просто культовым явлением, но своего рода религией. Отчасти это так. Хотя, если говорить о BEAM с точки зрения робототехники, то можно со всеми основаниями утверждать, что идея BEAM является новой технологической и философской парадигмой в современной робототехнике.

BEAM BEAM-робототехника родилась в 1989 году в тот момент, когда 10 ноября в Лаборатории MFCF Hardware университета Waterloo Марком Тилденом (Mark W. Tilden) был создан простой BEAM-робот класса solaroller. За 20 минут, находясь под лучами солнечного света, робот смог преодолеть дистанцию в 15 сантиметров.

Концепция BEAM-роботов, предложенная Марком Тилденом, состояла в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо "мозга", как это происходило и в живой природе, на пути от простейших к человеку. По этому же пути должно идти совершенствование и создание более сложных систем, своего рода "робогенетика" через "робобиологию".
Марк Тилден (Mark Tilden)
Заимствуя эволюционные идеи у природы, Тилден решил создавать простых роботов, которые были бы похожи на живых существ и управлялись преимущественно нейронными цепями. Новый подход был назван BEAM, что означает:

Biolоgy (Биология),
Electronics (Электроника),
Aesthetics (Эстетика),
Mechanics (Механика).

   Четыре слова, которые делают BEAM-роботов живыми.

Биология - мир вокруг нас после 4 миллиардов лет эволюции служит прекрасным источником вдохновения, особенно когда в нашем распоряжении современные материалы, двигатели, электроника. BEAM-роботы могут заимствовать находки матери природы для наилучшего приспособления к реальному миру.

Электроника - используется для управления BEAM-роботом. Одной из особенностей BEAM-стиля является минималистический подход в использовании электроники, который позволяет создавать изящные автоматические творения, повторяющие живых существ, используя всего несколько деталей для того или иного решения. На снове достаточно простых схем можно добиться сложного поведения и реакций на окружающий мир. Часто нейронная цепочка может дать гораздо более приспособленное поведение, чем десятки строк программного кода.

Эстетика - означает, что BEAM-роботы должны выглядеть хорошо. "Я инженер, но даже я ценю красивый дизайн" - говорит Тилден. Конструкция должна быть "красивой", причем не только с точки зрения дизайна, но и по своим конструктивным решениям. Кроме того, если разработка смотрится "чисто", то более вероятно, что она также и будет работать и ее будет легче протестировать и отладить, чем запутанную и непокорную конструкцию. "Сделайте это красиво и оно будет работать лучше".

BEAM-робот. Механика - часто является секретом хорошей разработки BEAM-робота. Использовав "хитрую" конструкцию, вы можете уменьшить сложность остальной части робота (например, уменьшить количество актуаторов или сенсоров). Даже самую простую конструкцию можно сделать разнообразной в поведении, если применить интересные механические решения.



Несмотря на то, что акроним BEAM (Biology Electronics Aesthetics Mechanics) является устоявшимся и предложен самим Тилденом, в BEAM-сообществе существует ряд популярных бэкронимов к слову BEAM, например такие:

Building Evolution Anarchy Modularity
(Создание Эволюция Анархия Модульность)

Biotechnology Ethnology Analogy Morphology
(Биотехнология Этнология Аналогия Морфология)

Существуют также все основания полагать и то, что BEAM является утроенным акронимом, то есть означает сразу

Biology Electronics Aesthetics Mechanics
Building Evolution Anarchy Modularity
Biotechnology Ethnology Analogy Morphology


BEAM-роботы, в отличие от обычных роботов, основанных на цифровой технологии и микропроцессорах, создаются по аналоговым схемам. Вместо дискретной программы поведение роботов задается аналоговыми нейронными цепями, способными гибко выбирать путь обхода препятствий и реагировать на окружающий мир.

   Аналоговая система

Система, которая использует информацию, представленную посредством непрерывно изменяющихся величин.


   Цифровая система

Система, которая использует информацию, представленную посредством дискретно (скачкообразно) изменяющихся величин.


По сравнению с обычным, цифровым, роботом, аналоговый робот показывает гораздо большую приспособляемость, способствующую повышению ошибкоустойчивости, и эффективность в выполнении задания для которого он был разработан. Аналоговые роботы более адаптированы к внешней среде и перспективны, чем цифровые, поскольку последние не могут решать задачи, ответы на которые не заложены в их программе.

Движения аналогового робота очень походят на живые благодаря своей плавности и большому разнообразию оттенков. Многие последователи BEAM-технологии зачастую даже не могут представить себе разработку робота, полностью основанного на цифровой основе, из-за ограничений, которые накладывает цифровая форма.

BEAM-робот класса Turbot.

BEAM-робот класса Turbot передвигается на изогнутых опорах. Такой способ передвижения обеспечивает достаточно высокую степень проходимости в реальной среде. Нейронная цепь робота проектируется таким образом, чтобы не позволять роботу застревать, зацепившись одной из опор.
Конечно же BEAM-концепция представляет собой очень гибкий подход к созданию роботов и не исключает полностью применение цифровых технологий. В тех случаях, когда это оправдано, могут быть разработаны гибридные BEAM-роботы. В таких роботах первый слой поведения и рефлексов обеспечивается нейронными аналоговыми цепями, а во втором слое, являющемся надстройкой над нервной системой робота, используются микроконтроллеры или микропроцессоры.

При разработке сложных робототехнических систем такой подход является одним из самых сильных, так как позволяет создать решения, отличающиеся повышенной эффективностью, имеющие гибкую аналоговую нервную систему, представленную нейронной сетью, и "мозг", построенный на основе микроконтроллера или микропроцессора.



BEAM-робот класса Walker.

BEAM-робот класса Walker.
В отличие от традиционных роботов большинство BEAM-роботов способны "жить" в реальном мире. Биоморфная аналоговая техника имеет невероятное преимущество перед традиционной техникой, также как небольшие мозги насекомого способны обеспечивать жизнь в реальном мире намного более эффективно чем робот, управляемый компьютером с операционной системой Windows.

Реальный мир - сложная среда, которую нельзя регламентировать. Мы не сможем учесть все возможные случайности иррационального мира. И если вы видите что-то на экране монитора, это совсем не означает, что нечто подобное можно осуществить в реальности. Реальность основана совсем на других правилах. Уже более полувека люди бьются над созданием автономных роботов, способных сравниться по интеллекту с человеком. Однако еще ни один из них не смог «жить» в мире за пределами лаборатории.

Если одна часть или приспособление традиционного робота выходят из строя, то гибнет вся система. "Но посмотрите на биологические структуры, которым могут быть нанесены серьезные повреждения. Такие системы отличаются надежностью, и именно это мы хотим реализовать в будущем, особенно когда мы будем создавать системы не только для нахождения невзорвавшихся мин и бомб, но и для нейтрализации опасных радиоактивных отходов в будущих Чернобылях", - говорит Тилден. "Роботы, которые будут находиться в реальном мире, будут совсем не такими, какими вы их себе представляете. И все это начнется с изменения парадигмы нашего преставления о разумных машинах", - добавляет он.

11.09.2007

"Робот - это не компьютер на колесиках".

Для существования в реальном мире роботу необходима нервная система, реализующая основные рефлексы. И эта нервная система должна представлять из себя нейронные цепи, работающие на аналоговых принципах. Именно основываясь на аналоговом управлении мы можем создавать гибко реагирующие конструкции с плавными движениями и поведением, напоминающим биологические системы.

Cybug - популярный канадский BEAM-робот.
Cybug - популярный канадский BEAM-робот.

Марк Тилден - "Большой Бог" BEAM-робототехники.

Доктор Марк Тилден (Mark W. Tilden) начал свою карьеру в Канаде, в университете города Ватерлоо (University of Waterloo), где, работая на математическом факультете, начал заниматься биоморфными робототехническими системами и сформировал концепцию, получившую название BEAM-технология.

Затем он переезжает в США в штат Нью Мексико (New Mexico), где продолжает свои занятия робототехникой в биофизическом подразделении (Division of Biophysics) Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory). В середине 90-х годов за ним закрепляется полушуточное-полусерьезное прозвище "Большой Бог", которое сохраняется до сих пор в BEAM-сообществе.

Продолжая развивать идеи BEAM-робототехники, Марк Тилден выполняет ряд проектов для NASA, DARPA, JPL.

Сейчас доктор Тилден входит в состав административной группы компании Wow-Wee Toys, являющейся подразделением Hasbro. В этой компании в 2004 году Тилден создал робота Robosapien, ставшего одним из самых популярных на Земле.

"Генеральная линия
нашей работы - создание конструкций, действующих на биологических принципах. Вот почему мы делаем акцент на тех возможностях наших конструкций, которые недоступны цифровым механизмам, основанным на алгоритмических излишествах". Читайте "Интервью с Марком Тилденом".

Обычно BEAM-робот сотоит из одного или нескольких моторчиков, датчиков, электронной схемы (нейронного "мозга"), которая обеспечивает робота набором необходимых рефлексов и "тела" (шасси) на котором все это крепится. Но этот набор, который выглядит достаточно естественным, совсем не является обязательным для многих BEAM-ов.


Схема BEAM-робота, движущегося на свет.

Пример электронной схемы BEAM-робота на одной микросхеме. Как сделать такого робота, читайте в статье "Простейший робот на одной микросхеме".


Существуют BEAM-роботы, в которых движителем выступает нитиноловая проволока, нагреваемая электрическим током, или роботы совсем не использующие движение (классы beacon и pummer, которые не содержат механических узлов в своей конструкции и используются для создания световых и звуковых эффектов).

BEAM-робот класса Photovore, созданный Марком Тилденом.
BEAM-робот класса Photovore, созданный Марком Тилденом.

Есть роботы, использующие солнечную энергию для передвижения, а есть роботы, не способные передвигаться, но способные двигать своими частями. Существуют ползающие роботы и роботы передвигающиеся на колесах; BEAM-ы, шагающие как пауки, и BEAM-ы, ползающие как змеи. Есть BEAM-роботы, которые могут только подергиваться, а есть такие, за которыми трудно угнаться, если они вдруг решат закатиться за диван.

Мир BEAM-роботов очень мнообразен, но еще более многообразным является их внутреннее устройство.

Классы BEAM-роботов.

Solaroller - небольшой робот на колесах, который движется за счет энергии, полученной с помощью солнечной батареи. Функционирование робота состоит из двух фаз: фазы накапливания энергии в конденсаторе и фазы, когда конденсатор резко разряжается в электромотор. В зависимости от конструкции, solarroller на одной зарядке может проехать от нескольких миллиметров до нескольких шагов. Среди солнцемобилей существуют соревнования, проводимые на трассе длиной в один метр. Сердцем солнцемобиля является электронная схема, которую называют solar engine (солнечный двигатель). От эффективности солнечного двигателя во многом зависит то, как далеко сможет проехать solarroller за один такт зарядки.

BEAM-робот класса Solaroller
BEAM-робот класса Solaroller.

Photovore - это два solarroller'а, соединенных вместе. В основе роботов типа Photovore лежит реакция фототропизма, которая заставляет их перемещаться к самому яркому источнику света. Основными датчиками таких роботов являются фотосенсоры, позволяющие определить направление к источнику света. Часто роботов оснащают тактильными сенсорами для обнаружения и обхода препятствий, встречающихся на пути. Механическая схема Photovore обычно очень проста: роботы не используют редукторы и передвигаются непосредственно на осях двух моторов.

Walker - ходящий робот, относящийся к самому многочисленному классу BEAM-роботов. Наиболее распространенные роботы этого класса имеют четыре ноги, управляемые двумя моторами. Количество ног и способы передвижения у walker'ов не ограничены. В электронных схемах чаще всего применяются нейронные цепи, построенные на осцилляторах.

Это далеко не полный список классов BEAM-роботов, которых можно насчитать более двух десятков. Существуют также неподвижные роботы Pummers (сверчки), накапливающие днем энергию, которую они используют с наступлением темноты для красочных световых эффектов. Ни на что не похожие Turbots, передвигающиеся на изогнутых "руках", и многие другие.



myROBOT.ru Это оригинальная статья myROBOT.ru
Постоянный адрес статьи: http://myrobot.ru/articles/beam_intro.php





Использованные иллюстрации:

В статье использованы фотографии из книги Дейва Хринкива и Марка Тилдена "Вздорные роботы, роботы-жуки и роботы на колесах. Создание простых роботов по BEAM технологии" (Dave Hrynkiw, Mark W. Tilden "Junkbots, Bugbots & Bots on Wheels. Buildin Simple Robots with BEAM Technology").







Copyright © myrobot.ru, 2005-2013


OpenHosting