BEAMロボティクス
アナログ回路を使ったロボット工学

ビームロボティクス[1]（生物学、電子工学、美学、機械工学の用語から）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用いて、非常にシンプルな設計を実現するロボット工学の一種です。マイクロプロセッサベースのロボティクスほど柔軟ではありませんが、ビーム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。

メカニズムと原理

BEAMの基本原理は、機械内部の刺激応答に基づく能力に焦点を当てています。その基盤となるメカニズムは、マーク・W・ティルデンによって発明されました。この回路（またはNvニューロンのNvネット）は、生物学的ニューロンの挙動をシミュレートするために使用されます。同様の研究は、エド・リートマンによって『人工ニューラルネットワークの実験』で以前に行われました。ティルデンの回路はシフトレジスタと比較されることがよくありますが、いくつかの重要な特徴を備えているため、移動ロボットにおいて有用な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. 電子部品の使用を可能な限り少なくする（「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ロボットは、小型ソーラーアレイからの太陽光エネルギーを「ソーラーエンジン」に供給するように設計されており、幅広い光条件下で動作可能な自律ロボットを構築できます。ティルデンの「神経系ネットワーク」のシンプルな計算層に加え、BEAMはロボット工学者のツールボックスに多くの有用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、そしてメソスケール（手のひらサイズ）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

BEAMロボティクスは、「反応に基づく」行動（元々はロドニー・ブルックスの研究に着想を得た）に焦点を当て、生物の特性と行動を模倣し、最終的にはこれらの「野生の」ロボットを家畜化することを目指しています。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、製作者が望ましい機能を実装する際に行う特定の設計選択によって調整されます。

名前に関する紛争

BEAMが実際に何を意味するかについては、人によって様々な解釈があります。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、そして機械工学です。

この用語は、1990 年にオンタリオ サイエンス センターでのディスカッション中にマーク ティルデンによって考案されました。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コレクションを展示していました。

ただし、他にも多くの準人気の名前が使用されており、[要引用]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
  • 建物の進化独裁的なモジュール性

マイクロコントローラ

マイクロコントローラで制御される他の多く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必要とせずに、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理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」[4]に深く反映されています。この本は、一連の思考実験を通して、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を通じて複雑なロボット動作がどのように発達するかを探求しています。非常に低レベルのハードウェア中心の設計哲学のため、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。

これら2つの技術を組み合わせたロボット設計は成功例があります。これらの「ハイブリッド」は、動的計画法の柔軟性を付加した堅牢な制御システムのニーズを満たし、「馬と乗り手」トポロジーのBEAMbots（例：ScoutWalker 3 [5]）に似ています。「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」がその動作を誘導することで、「乗り手」の目的を達成することができます。

種類

BEAMbotには様々な「 -trope 」型があり、それぞれ特定の目的を達成しようとします。シリーズの中では、光探索型が最も一般的です。これは、太陽光で動くロボットにとって、光探索が最も有益な行動であるためです。

  • 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（また、光食動物）は光源に向かいます。
    • 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源に向かいます。
    • 放射線恐怖症の人はRF発生源から離れます。
  • サーモトロープ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。

一般的な

BEAMbotsには、様々な動作と位置決め機構が備わっています。具体的には以下のとおりです。

  • 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。
    • プマー：光のショーや音のパターンを表示する。プ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、夜間に作動することが多い。[7]
    • 装飾品：ビーコンやポン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ある。[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 モードとして磁場を使用します。
    • 旗振り: ディスプレイ (または「旗」) を一定の頻度で移動します。
    • ヘッド：光などの検出可能な現象を旋回して追跡します（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できますが、大型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: 偏心し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：水平方向に波打つように動きます。
    • ミミズ：縦波運動を利用して移動する。
  • クローラー：キャタピラ、または何らかの付属物でロボット本体を転がして移動するロボット。ロボット本体は地面に引きずられることはありません。
    • 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: 表面上を移動しながら不規則な振動運動を生み出します。
    • 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：体の全部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、シャフトの周囲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異なる方向に移動します。
    • 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。比較的短い、まっすぐで水平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ます。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。
  • 歩行器：差動接地脚を用いて移動するロボット。BEAM歩行器は一般的にNVネットワークを使用し、プログラムは一切不要です。モーターからの抵抗入力によって歩行し、地形に反応します。
  • 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: 長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提供します。
    • 飛行機: 固定翼または羽ばたき翼を使用して揚力を生成します。
    • 飛行船: 浮力を得るために中性浮力の気球を使用します。
  • 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。

アプリケーションと現在の進捗状況

現時点では[いつ? ]、自律型ロボットの商業的応用は限られていますが、iRobot Roombaロボット掃除機や数台の芝刈りロボットなど一部の例外があります。BEAM の主な実用化は、動作システムや趣味/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 関連の趣味用および教育用商品を市場に投入しています。Vex もHexbugsという小型 BEAM ロボットを 開発しました。

BEAMロボット工学を志す人々は、「純粋な」BEAM制御回路を直接制御できないことにしばしば悩まされます。自然システムを模倣したバイオモルフィック技術は、従来の技術に比べて驚異的な性能優位性を持つと考えられるため、その評価に向けた研究が現在進められています。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性能を発揮できる例は数多くあります。[要出典]

BEAM技術の普及を阻むもう一つの障壁は、「神経回路網」のランダム性であると考えられていることです。そのため、回路の特性を正確に診断し、操作するには、製作者が新たな技術を習得する必要があります。国際的な学者によるシンクタンク[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・ティルデン氏がこの取り組みに携わっていました（彼はWow-Wee Toysとの新たな商業的契約のため、参加を辞退せざるを得ませんでした）。

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することができません。しかし、BEAMコミュニティではこの問題に対処するための研究が行われてきました。この点で最も先進的なBEAMロボットの一つが、ブルース・ロビンソンのHider [13]です。Hiderはマイクロプロセッサレス設計ながら、驚異的な能力を備えています。

出版物

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「テラオートマトン」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

  • ジェームズ・M・コンラッド、ジョナサン・W・ミルズ共著「スティキート：シンプルで安価なロボットによる先進的な実験」ニチノール推進歩行ロボットの未来、マーク・W・ティルデン著。カリフォルニア州ロサンゼルス・アラミトス、IEEEコンピュータ・ソサエティ・プレス、1998年発行。LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
  • マーク・W・ティルデン、ハスラッチャー・ブロスル、「生きている機械」。ロスアラモス国立研究所、ロスアラモス、ニューメキシコ州87545、米国。
  • マーク・W・ティルデン、ブロスル・ハスラッハー、「『生きている』バイオメカニクスマシンの設計：どこまで低空飛行が可能か？」ロスアラモス国立研究所、ロスアラモス、NM 87545、米国。
  • Still, Susanne、Mark W. Tilden、「四足歩行機械用コントローラー」。ETHチューリッヒ、神経情報科学研究所、ロスアラモス国立研究所生物物理学部門。
  • 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（アラスカ州）「光食動物：廃棄物から作られた知能ロボット」サイエンティフィック・アメリカン誌1992年9月号、v267、n3、p42(1)
  • スミット、マイケル・C.、マーク・ティルデン、「ビームロボティクス」。アルゴリズム、第2巻、第2号、1991年3月、15～19ページ。
  • デイビッド・M・ヒリンキウ、マーク・W・ティルデン共著『ジャンクボット、バグボット、そして車輪の上のボット』2002年。ISBN 0-07-222601-3（書籍支援サイト）

参照

参考文献

  1. ^ 「BEAM Robotics」. Robohub . 2019年12月30日閲覧。
  2. ^ 「BEAMリファレンスライブラリ - BEAMbot回路」solarbotics.net . 2019年12月30日閲覧。
  3. ^ BEAMコミュニティ
  4. ^ 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』、マサチューセッツ州ケンブリッジ：MIT出版、1984年。印刷。
  5. ^ “The ScoutWalker 3”. 2012年7月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年6月21日閲覧。
  6. ^ シール、エリック、「シッターズ」。The EncycloBEAMia、2003年。
  7. ^ シール、エリック、「プマーズ」。The EncycloBEAMia、2003年。
  8. ^ シール、エリック、「装飾品」。The EncycloBEAMia、2003年
  9. ^ シール、エリック、「スクワーマーズ」。The EncycloBEAMia、2003年。
  10. ^ シール、エリック、「Heads」。The EncycloBEAMia、2003年。
  11. ^ シール、エリック、「スイマー」。The EncycloBEAMia、2003年。
  12. ^ ニューロモルフィック工学研究所 2019年7月16日アーカイブWayback Machine (INE)
  13. ^ ブルース・ロビンソンのハイダー
  • 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。
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