BEAM-робототехника

BEAM-роботы: технологии и устройство

Из чего и как делают BEAM-роботов

Об устройстве BEAM-роботов

BEAM является отличной школой робототехики и электроники, так как позволяет вести освоение шаг за шагом, от простого к сложному. От создания конструкций с простейшими рефлексами к сложным механизмам, управляемым нейронными цепями.

Нервная система и мозг BEAM-роботов

Простейшая нейронная сеть Марка Тилдена (Bicore)

Классические BEAM-роботы обычно не используют микропроцессоры или микроконтроллеры в своем устройстве. Их нервная система и мозг строятся на основе нейронных сетей. Достаточно часто нейронные сети BEAM-роботов представляют из себя композицию всего из нескольких нейронов, которая состоит из меньшего числа транзисторов чем обычный радиоприемник. Например, насекомообразный ходящий BEAM-робот может полностью управляться и контролироваться всего 12 стандартными транзисторными логическими элементами.

Чаще всего BEAM-роботы не имеют никакой долгосрочной памяти, и не действуют на основе своего прошлого поведения. Тем не менее, существуют BEAM-роботы, имеющие различные виды памяти и способные демонстрировать наличие условных рефлексов.

Нервная система BEAM-роботов строится на принципе использования многочисленных простых поведенческих реакций, связанных непосредственно с сенсорными системами. Эта философия разработки наиболее наглядно представлена в классической книге Брайтенберга "Машины: эксперименты с синтетической психологией" (Valentino Braitenberg "Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology", A Bradford Book / The MIT Press, 1984). Через серию подуманных экспериментов, эта книга рассматривает разработку сложных поведений робота, основанных на простых реакциях, вызываемых сенсорами.

При создании электронной части BEAM-роботов используются ТТЛ- и КМОП-микросхемы. Последние наиболее предпочтительны, так как они работают при напряжении около 3 В и минимальных токах, что является залогом эффективного расходования запасов энергии. Кроме того, это может быть особенно важно при использовании солнечных батарей.

Для реализации драйверов управления электромоторами часто используют буферные усилители, предназначенные для согласования КМОП-логики и ТТЛ-логики.

Модели нейронных сетей делают на основе осцилляторов, построенных из моностабильных генераторов отрицательного импульса (Nv-нейронов Тилдена). Их собирают из инверторов с последовательно подключенными конденсаторами и подтягивающими резисторами. Осцилляторы определяют последовательность движений или действий робота. Простейший осциллятор обычно состоит из двух логических элементов НЕ, двух конденсаторов и двух резисторов.

Хотя основные BEAM-принципы фокусируются на стимул-ответных реакциях, определяющих поведение робота, кроме низкоуровнего вычислительного слоя, построенного на нейронных цепях, существуют успешные примеры соединения нейронных технологий и микропроцессороного управления. Эти решения в BEAM-робототехнике называются "Лошадь и Всадник" ("Horse and Rider").

Гибридные BEAM-роботы полностью отвечают стандартам, требующим создать живучую управляющую систему, сочетающую в себе гибкость динамического программирования. Физическое тело такого робота ( "лошадь") управляется традиционной BEAM-технологией, а программа, исполняемая на микроконтроллере, если необходимо, управляет телом робота из позиции "всадник". Компонент всадника не является абсолютно необходимым для функционирования тела ("лошади"), но без него робот потеряет важные аспекты поведения, определяющиеся "более интеллектуальным мозгом".

В некоторых случаях при использовании в качестве управляющих структур алгоритмов нечеткой логики, цепей Маркова, нейронных сетей, "нервная система" и "мозг" BEAM-робота могут быть целиком смоделированы на однокристальном компьютере (микроконтроллере). Такие микроконтроллерные конструкции при соблюдении основных парадигм BEAM-робототехники также могут относиться к классу BEAM-роботов.



Датчики

Для ориентации в пространстве BEAM-роботы используют самые разнообразные датчики: начиная от простых контактных сенсоров, до современных инфракрасных приемников и ультразвуковых сонаров.

Самыми распространенными датчиками являются фотодатчики, обеспечивающие реакцию на свет, и контактные датчики, чаще всего выполненные в виде усов. Усы обычно направлены вперед и определяют препятствие касанием. В простейшем случае они просто размыкают электрическую цепь и останавливают один из двигателей, тогда робот поворачивает в сторону на втором двигателе, до тех пор пока контактный датчик "не соскочит" с препятствия.

Достаточно часто используют тепловые сенсоры и микрофоны, емкостные датчики и акселерометры. Выбор датчиков для BEAM-робота ограничен только фантазией его создателя.



Электромоторы

При создании BEAM-роботов можно применять самые разнообразные электромоторы и серводвигатели, но предпочтительно использовать двигатели, потребляющие меньшее количество тока. Наиболее популярными являются электродвигатели постоянного тока с потреблением до 40 миллиампер (на холостом ходу).

При создании миниатюрных роботов, работающих от солнечной энергии, чаще всего используют вибромоторочики для мобильных телефонов.

Достаточно часто механическая часть BEAM-робота строится вообще без использования редукторов, в этом случае элетромоторы устанавливают под небольшим углом к поверхности, по которой будет двигаться робот, а на валы двигателей надевают небольшие силиконовые или резиновые трубочки-насадки, чтобы предотвратить проскальзывание. При использовании такой механической схемы следует подбирать моторчики с валами достаточной длины или заранее позаботиться об удлиняющих насадках.



О питании BEAM-роботов

BEAM-робот может использовать для "жизни" любые виды энергии, но наилучшим будет использование возобновляемых источников.

Одним из возможных источников питания для BEAM-роботов являются солнечные батареи. Солнечная батарея, хотя и не является непреложным атрибутом, но может обеспечить BEAM-роботу высокую степень автономности. В этом случае электронная схема робота должна содержать солнечный двигатель (solar engine). Солнечный двигатель - это пороговое устройство, накапливающее энергию в конденсаторе, и включающее исполнительные механизмы, когда напряжение достигает определенного значения.

Хотя солнечный двигатель и обеспечивает BEAM-у возможность существовать в рамках большого разнообразия источников света, но у этого вида питания есть существенный недостаток. Солнечные батареи при небольших размерах не вырабатывают необходимой для непрерывного функционирования энергии. При этом конденсатор солнечного двигателя заряжается весьма медленно. В результате, накопив достаточный заряд, BEAM делает несколько движений, а потом надолго замирает до тех пор, пока снова не накопит необходимую для "жизни" энергию.

Чаще всего использование в конструкциях роботов перезаряжаемых аккумуляторов гораздо более предпочтительно, особенно для начинающих осваивать мир BEAM-культуры.

В недалеком будущем, благодаря наработкам в оптимизации использования энергии обычных батарей, BEAM-роботы, вероятно, будут одними из первых роботов, которые достигнут полной автономии с появлением более дешевых, более эффективных солнечных элементов. Это будет отвечать трем законам робототехники для BEAM-роботов.