BEAMロボティクス

BEAMロボティクス^{[1] （}生物学、電子工学、美学、機械工学から）は、マイクロプロセッサの代わりにコンパレータなどの単純なアナログ回路を主に使用して、非常にシンプルな設計を実現するロボットの一種です。マイクロプロセッサベースのロボットほど柔軟ではありませんが、BEAMロボティクスは設計されたタスクを堅牢かつ効率的に実行できます。

BEAMロボットは、生物のニューロンを模倣したアナログ回路のセット^[2]を使用して、ロボットが作業環境に反応できるようにします。

BEAM の基本原理は、機械内の刺激応答ベースの能力に重点を置いています。基礎となるメカニズムは、回路(またはNv ニューロンのNv ネット)を使用して生物学的ニューロンの動作をシミュレートするMark W. Tildenによって発明されました。同様の研究は、以前 Ed Rietman によって「人工ニューラル ネットワークの実験」で行われました。Tilden の回路はシフト レジスタと比較されることが多いですが、いくつかの重要な機能により、移動ロボットで役立つ回路となっています。

含まれるその他のルール（適用度合いはさまざま）:

1. 電子部品の使用をできるだけ少なくする（「シンプルに保つ」）
2. テクノスクラップをリサイクルして再利用する
3. 放射エネルギー（太陽光など）を利用する

BEAM ロボットの多くは、小型ソーラー アレイからの太陽光エネルギーを利用して「ソーラー エンジン」に電力を供給し、さまざまな照明条件下で動作できる自律型ロボットを作成するように設計されています。ティルデンの「神経ネットワーク」の単純な計算層に加えて、BEAM はロボット工学者のツールボックスに多数の便利なツールをもたらしました。「ソーラー エンジン」回路、小型モーター制御用の多数のH ブリッジ回路、触覚センサー設計、およびメソスケール (手のひらサイズ) のロボット構築技術は、BEAM コミュニティによって文書化され、共有されています。^[3]

BEAM ロボットは、「反応ベース」の動作 (元々はロドニー・ブルックスの研究に触発された) に焦点を当て、生物の特性と動作を模倣し、これらの「野生」ロボットを飼い慣らすことを最終目標としています。BEAM ロボットの美学は、「形態は機能に従う」という原則に由来しており、望ましい機能を実装する際に作成者が行う特定の設計選択によって調整されます。

BEAMが実際に何の略語であるかについては、人によってさまざまな考えがあります。最も広く受け入れられている意味は、生物学、電子工学、美学、および機械工学です。

この用語は、1990 年にオンタリオ サイエンス センターで行われたディスカッション中にマーク ティルデンが考案したものです。マークは、ウォータールー大学で働いていたときに作成したオリジナルのロボットの一部を展示していました。

ただし、他にも多くの準一般的な名前が使用されており、^[要出典]次のようなものがあります。

• バイオテクノロジー動物行動学類推学形態学
• 建物の進化無政府状態モジュール性

マイクロコントローラで制御される他の多くのタイプのロボットとは異なり、BEAMロボットは、信号処理をほとんど行わずにセンサーシステムに直接リンクされた複数の単純な動作を使用するという原則に基づいて構築されています。この設計哲学は、古典的な書籍「Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology」に密接に反映されています。^[4]この本では、一連の思考実験を通じて、アクチュエータへの単純な抑制性および興奮性センサーリンクによる複雑なロボット動作の開発について探究しています。マイクロコントローラとコンピュータプログラミングは、非常に低レベルのハードウェア中心の設計哲学のため、通常、従来の（いわゆる「純粋な」）BEAMロボットの一部ではありません。

2 つの技術を組み合わせたロボット設計は成功しています。これらの「ハイブリッド」は、馬と乗り手」トポロジーのBEAMbots (例: ScoutWalker 3 ^[5] ) のように、動的プログラミングの柔軟性が追加された堅牢な制御システムのニーズを満たします。「馬」の動作は従来の BEAM 技術で実装されていますが、マイクロコントローラ ベースの「乗り手」は、その動作を誘導して「乗り手」の目的を達成できます。

さまざまな「 -trope 」BEAMbotがあり、特定の目標を達成しようとします。シリーズの中では、光を求めることが太陽光発電ロボットにとって最も有益な動作であるため、フォトトロープが最も普及しています。

• オーディオトロープは音源に反応します。
  • オーディオマニアは音源にこだわります。
  • オーディオ恐怖症の人は音源から離れます。
• フォトトロープ（「光を求める者」）は光源に反応します。
  • 好光動物（光食動物ともいう）は光源の方へ向かいます。
  • 光恐怖症の人は光源から離れます。
• 放射性物質は無線周波数源に反応します。
  • ラジオマニアはRFソースに向かいます。
  • 放射線恐怖症の人はRF源から離れます。
• サーモトロピックは熱源に反応します。
  • 好熱菌は熱源に向かいます。
  • 熱を嫌う人は熱源から離れます。

BEAMbots には、さまざまな動作と位置決め機構が備わっています。これには次のものが含まれます。

• シッター：物理的に受動的な目的を持つ動かないロボット。^[6]
  • ビーコン: 他の BEAMbot が使用できるように信号 (通常はナビゲーション ブリップ) を送信します。
  • パマー: 「光のショー」や音のパターンを表示します。パマーは夜行性のロボットで、日中に太陽エネルギーを蓄え、夜間に作動します。^[7]
  • 装飾品：ビーコンやプマー以外のシッターの総称。多くの場合、これらは主に電子アートです。^[8]
• スクワーマー：興味深い動作（通常は何らかの手足や付属肢を動かすことによって）を実行する固定型ロボット。^[9]
  • Magbots: アニメーション モードに磁場を使用します。
  • 旗振り: ディスプレイ (または「旗」) を一定の頻度で動かします。
  • ヘッド：光などの検出可能な現象を回転して追跡します（これらはBEAMコミュニティで人気があります。スタンドアロンロボットになることもありますが、より大きなロボットに組み込まれることが多いです）。^[10]
  • バイブレーター: 中心からずれた重りが付いた小型のポケベル モーターを使用して、振動させます。
• スライダー: 表面に接触したまま、体の一部を表面に沿って滑らかにスライドさせて移動するロボット。
  • ヘビ：水平方向の波動を使って移動します。
  • ミミズ：縦波運動を利用して移動する。
• クローラー: 履帯を使用して移動するロボット、または何らかの付属物でロボットの体を転がして移動するロボット。ロボットの体は地面に引きずられません。
  • ターボット：腕や鞭毛を使って体全体を転がします。
  • インチワーム: シャーシの残りの部分が地面についたまま、体の一部を前方に移動します。
  • 無限軌道ロボット:戦車のような無限軌道の車輪を使用します。
• ジャンパー: 移動手段として地面から自ら推進するロボット。
  • バイブロボット: 表面の周りを移動しながら不規則な振動運動を生成します。
  • スプリングボット: 特定の方向に跳ねながら前進します。
• ローラー：体全体または一部を転がして移動するロボット。
  • Symets: シャフトが地面に接触した状態で単一のモーターを使用して駆動され、シャフトの周りの複数の対称接触点のどれが地面に接触しているかに応じてさまざまな方向に移動します。
  • ソーラーローラー: 1 つ以上の車輪を駆動する単一のモーターを使用する太陽光発電車。比較的短く、まっすぐで平坦なコースを最短時間で完走できるように設計されています。
  • ポッパー: 別々のソーラー エンジンを備えた 2 つのモーターを使用し、差動センサーを利用して目標を達成します。
  • ミニボール:重心が移動し、球体が転がります。
• ウォーカー: 差動接地の脚を使用して移動するロボット。BEAM ウォーカーは一般にNv ネットワークを使用し、いかなる形でもプログラムされていません。歩行し、モーターからの抵抗入力を介して地形に反応します。
  • モーター駆動: モーターを使用して脚を動かします (通常は 3 個以下のモーター)。
  • 筋肉ワイヤー駆動:脚のアクチュエーターにニチノール(ニッケル -チタン合金) ワイヤーを使用します。
• スイマー：アクアボットまたはアクアヴォアとも呼ばれる。液体（通常は水）の表面上または表面下で移動するロボット。^[11]
  • ボートボット: 液体の表面で動作します。
  • サブボット: 液体の表面下で動作します。
• 飛行機: 一定時間空中を移動するロボット。
  • ヘリコプター: 動力付きローターを使用して揚力と推進力の両方を実現します。
  • 飛行機: 固定翼または羽ばたく翼を使用して揚力を生成します。
  • 飛行船: 中性浮力の気球を揚力として使用します。
• クライマー: 通常はロープやワイヤーなどのトラック上で垂直面を上下に移動するロボット。

^現時点では、自律型ロボットは^、 iRobot Roombaロボット掃除機や数台の芝刈りロボットなどの例外を除き、商業的にはあまり利用されていません^{。BEAMの主な実用化は、モーション システムや趣味/教育アプリケーションのラピッド プロトタイピングです。Mark Tilden は、BIOBug や RoboRaptor で実証されているように、} Wow-Wee Robotics の製品のプロトタイピングに BEAM をうまく使用しています。Solarbotics Ltd.、Bug'n'Bots、JCM InVentures Inc.、PagerMotors.com も、BEAM 関連の趣味および教育用商品を市場に投入しています。Vex は、小型 BEAM ロボットHexbugsも開発しました。

BEAM ロボット工学を志す人々は、しばしば「純粋な」BEAM 制御回路を直接制御できないという問題を抱えています。自然システムを模倣するバイオモルフィック技術は、従来の技術に比べてパフォーマンス面で大きな優位性があると思われるため、その評価作業が進行中です。小さな昆虫の脳が最先端のマイクロエレクトロニクスよりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮できる例が数多くあります。^{[引用が必要]}

BEAM 技術の広範な応用を妨げるもう 1 つの障害は、「神経ネットワーク」のランダムな性質であると考えられていることです。このため、回路の特性を正しく診断して操作するには、ビルダーが新しい技術を習得する必要があります。国際的な学者のシンクタンク^{[12]が、この問題に直接取り組むために}コロラド州テルライドで毎年会合を開いており、最近までマーク ティルデンがこの取り組みに参加していました (彼は Wow-Wee のおもちゃとの新たな商業的契約のために撤退しなければなりませんでした)。

BEAMロボットは長期記憶を持たないため、一般的に過去の行動から学習しません。しかし、BEAMコミュニティではこの問題に対処するための取り組みが行われてきました。この分野で最も先進的なBEAMロボットの1つは、ブルース・ロビンソンのHider ^[13]で、マイクロプロセッサを使用しない設計としては驚異的な能力を備えています。

特許

• 米国特許 613,809 -移動車両または車両の制御機構の方法および装置- テスラの「テレオートマトン」特許^{[引用が必要]} ; 最初の論理ゲート。
• 米国特許 5,325,031 -適応型ロボット神経系およびその制御回路- ティルデンの特許。四肢ロボットの四肢を制御するためのパルス遅延回路を使用した自己安定化制御回路、およびそのような回路を組み込んだロボット。人工「ニューロン」。

書籍と論文

• Conrad, James M.、Jonathan W. Mills、「Stiquito: シンプルで安価なロボットによる高度な実験」、ニチノール推進歩行ロボットの将来、Mark W. Tilden。カリフォルニア州ロサンゼルスアラミトス、IEEE Computer Society Press、1998 年。LCCN 96029883 ISBN  0-8186-7408-3
• Tilden, Mark W.、およびBrosl Hasslacher、「Living Machines」。ロスアラモス国立研究所、ロスアラモス、NM 87545、米国。
• Tilden, Mark W. およびBrosl Hasslacher、「「生きている」バイオメカニクス マシンの設計: どこまで低くできるか?」」。ロスアラモス国立研究所、ロスアラモス、NM 87545、米国。
• Still, Susanne、および Mark W. Tilden、「4 本足歩行マシンのコントローラー」。ETH Zuerich、神経情報科学研究所、および生物物理学部門、ロスアラモス国立研究所。
• ブライテンバーグ、ヴァレンティーノ、「ビークル：総合心理学の実験」、1984年。ISBN 0-262-52112-1 
• リートマン、エド、「人工ニューラルネットワークの実験」、1988年。ISBN 0-8306-0237-2 
• Tilden, Mark W.、およびBrosl Hasslacher、「ロボット工学と自律マシン:インテリジェント自律エージェントの生物学とテクノロジー」、LANL 論文 ID: LA-UR-94-2636、1995 年春。
• デュードニー、AK「フォトヴォア：インテリジェントロボットは廃棄物から構築される」。サイエンティフィック・アメリカン、 1992年9月、v267、n3、p42(1)
• Smit, Michael C.、および Mark Tilden、「Beam Robotics」。アルゴリズム、第 2 巻、第 2 号、1991 年 3 月、15 ～ 19 ページ。
• Hrynkiw, David M.、および Tilden, Mark W.、「 Junkbots , Bugbots, and Bots on Wheels」、2002 年。ISBN 0-07-222601-3 (書籍サポート Web サイト) 

• アナログロボット- アナログ回路を使用して単純な目標に向かって進むロボット
• ブライテンベルグ車両– 完全に無国籍でありながら知的な行動を示すことができるロボット
• ブロスル・ハスラッハー– 理論物理学者
• 行動ベースのロボット工学– 環境の内部モデルを使用しないロボット工学の分野
• 創発的行動- より単純なルールから複雑なパターンを形成するプロセス
• プロトサイエンス
• Stiquito – ニチノール駆動の六脚歩行ロボットとして設計された趣味用ロボット
• タートル（ロボット） - タートルボットの初期の形はBEAMワークの始まりでした
• ウィリアム・グレイ・ウォルター– 神経生理学者、ロボット工学者
• 有線インテリジェンス- プログラムされたマイクロプロセッサを持たず、センサーとモーターの間にアナログ電子機器を備え、一見知的な動作をするロボット

• BEAM Yahoo! グループ アーカイブ
• Solarbotics、「BEAM コミュニティ サーバーとホスティング」、2003 年
• ミラー、アンドリュー、「マイクロコア」
• ボルト、スティーブン、「PiTronics」、2004 年 10 月
• ヴァン・ゾーレン、AA、「ビーム・ロボティクス」、1998
• ロビンソン、ブルース・N.、「ハイダー」、2005年
• ウォーク、ケビン、「マーク・ティルデン インタビュー」、2000 年 3 月
• ファン・チウユアン、「ビーム・ロボティクス」、1999年
• バーンスタイン、イアン、「BEAM Online」、2003年
• ビームイタリア、「ビームイタリア」、1998年。