Uitvinder Zadoc Dederick experimenteerde in 1868 met robotisering in transportmiddelen

De stoomman oftwel the steamman was een bijzondere uitvinding van de uitvinder Zadoc Dederick. Hij had halverwege de negentiende eeuw een oplossing bedacht voor het aandrijven van voertuigen die gebaseerd was op de stoommachine. Daarvoor had Zadoc Dederick een mechanische robot bedacht in de vorm van een mens die doormiddel van stoomkracht in beweging kon worden gebracht.

De zogenaamde stoomman zag er uit als een man met een hoge hoed. De armen van de stoomman konden worden bevestigd aan een de handvaten van een kar. Op die manier kon de stoomman een kar trekken net zoals een paar dat zou kunnen. De maximale snelheid van de stoomman was 45 kilometer per uur. In de buik van de stoomman werden de steenkolen geplaatst waarmee water werd omgezet in stoom. Ieder drie uur moest de stoomman opgestookt worden met kolen. De hoge hoed diende als een schoorsteen. Op 24 maart 1868 had Zadoc Dederick patent gevraagd op zijn stoomman onder het patentnummer 75874.

Het oorspronkelijke prototype kostte ongeveer 2000 dollar. Als men dat omrekent naar de huidige waarde van de munt dan zou het prototype in totaal 32.487 moderne Amerikaanse dollars kosten. De stoomman werd gebouwd in Newark, New Jersey. De stoomman moest er voor zorgen dat paarden overbodig werden. In feite was de combinatie tussen de stoomman en een kar een aanloop naar de ontwikkeling van auto’s. Halverwege de negentiende eeuw werden veel voertuigen en machines nog ontwikkeld op een manier dat men er menselijke of dierlijke kenmerken in kon zien. Daarom was de stoomman in feite een soort robot die er uit zag als een man, compleet met jas en hoge hoed. De stoomman had metalen benen die daadwerkelijk konden lopen en werd bediend met een aantal hendels in de wagen die door de stoomman in beweging werd gebracht.

De stoomman zorgde voor veel belangstelling in de technische wereld. Het idee van de stoomman was gebaseerd op een idee uit The Steam Man of the Prairies van Edward S. Ellis. Dit was een van de eerste sciencefictionboeken. Die in grote oplage werd gedrukt. Toch was het concept nooit een succes geworden. Dederick slaagde er echter nooit in om de stoomman goedkoop in massaproductie te produceren.

Wat zijn cobots of collaboratieve robot?

Cobots zijn robots die ontwikkeld zijn om fysiek samen te werken met mensen op een werkplek. Reguliere robots zijn ontwikkeld om autonoom bewerkingen uit te voeren in een specifieke ruimte die om veiligheidsredenen grotendeels is afgeschermd voor mensen. Cobots werken juist samen met mensen en tussen mensen. De benaming cobot maakt dat ook duidelijk, deze benaming is namelijk een samenvoeging uit de Engelse woorden collaborative robot. Dit kan letterlijk worden vertaald met samenwerkende robot.

Ontwikkeling van de cobot
Er zijn verschillende soorten cobots ontwikkeld in de afgelopen Jaren. De ontwikkeling van cobots behoort tot de mechatronica en robotica. De eerste cobot werd uitgevonden in 1996 door J. Edward Colgate and Michael Peshkin. Zij waren werkzaam als professoren aan de Northwestern University. In 1997 werd er in Amerika een pattent ingediend voor cobots waarin een cobot werd beschreven als “an apparatus and method for direct physical interaction between a person and a general purpose manipulator controlled by a computer.”

Kenmerken van een cobot
Een cobot heeft een aantal kenmerken. De volgende punten zijn kenmerkend voor een cobot:

  • Ze kunnen eenvoudig worden geprogrammeerd door een werknemer.
  • Ze hebben een beperkte omvang en maken een beperkte beweging. Daardoor kunnen ze veilig in de buurt van mensen werken.
  • Het gewicht is laag waardoor de cobot gemakkelijk kan worden verplaatst en op meerdere werkplekken ingezet kan worden.
  • Flexibel inzetbaar. Cobots kunnen vaak eenvoudig worden aangepast en worden voorzien van verschillende soorten gereedschap of grijpers waardoor er meerdere bewerkingen door de cobot kunnen worden uitgevoerd.

Door de bovendgenoemde eigenschappen kunnen cobots in de praktijk op verschillende manieren worden toegepast in fabrieken en andere werkomgevingen.

Toepassing cobot
De eerste cobots werden aangedreven en in beweging gebracht door mensen. Er was geen sprake van een interne krachtbron. Er werd wel gebruik gemaakt van een computer die er voor zorgde dat de beweging en aansturing kon worden bepaald in samenwerking met de mens. Later ontstonden er meer cobots die ook werden aangedreven. General Motors heeft zich aan het einde van de vorige eeuw ook bezig gehouden met de ontwikkeling van cobots.
Deze organisatie noemde cobots ook wel Intelligent Assist Device (IAD). Deze IAD werd vooral gebruikt ter ondersteuning van monterus voor het industrieel assembleren van auto’s. Er zijn ook bedrijven buiten de automotive die cobots gebruiken. Dit kunnen ook kleine robotarmen zijn de verplaatsbaar zijn en als een extra arm kunnen functioneren voor mensen. Deze robotarmen zijn overigens veel kleiner dan de grote robotarmen die in de autotechniek worden gebruikt om deuren in voertuigen te plaatsen en bepaalde lasverbindingen te maken (lasrobots).

Wat is een exoskelet?

Een exoskelet is een natuurlijk of kunstmatig uitwendig skelet dat mensen en dieren kan ondersteunen en kan beschermen tegen belasting en andere invloeden van buitenaf. Het exoskelet is vooral bekend vanuit de biologie als uitwendig skelet van geleedpotigen of insecten. Exoskeletten zijn niet alleen in de natuur aanwezig. Engineers ontwikkelen ook exoskeletten voor mensen zodat deze ondersteund worden in fysieke taken en activiteiten.

Kunstmatige exoskeletten
De meest eenvoudige vorm van een kunstmatig exoskelet zijn de harnassen van ridders. Deze werden ontworpen en gedragen om er voor te zorgen dat de ridder of soldaat beter beschermd was tegen de wapens van zijn tegenstander.

Tegenwoordig worden exoskeletten echter ook kunstmatig ontwikkeld ter ondersteuning van mensen als tilhulp maar ook als mechanische ondersteuning voor minder valide mensen. Men noemt de laatste varianten van exoskeletten ook wel ortheses. Een orthese is een beperkte medische vorm van een exoskelet. Een orthese wordt aan de buitenkant van het lichaam of van een ledemaat van het lichaam aangebracht ter ondersteuning van het ledemaat of de ruggengraat zodat deze beter kan bewegen of zwaarder belast kan worden.

Er zijn ortheses die geen aandrijving bevatten en puur de beweging van het ledemaat begeleiden. Daarnaast zijn er ook ortheses die wel een pneumatische of elektrische ondersteuning bieden. Deze kunnen daadwerkelijk krachten en belasting overnemen van mensen. Een voorbeeld hiervan zijn de exoskeletten die worden gebruikt ter ondersteuning van mensen die een dwarslaesie hebben. Een gerobotiseerde exoskelet kan er voor zorgen dat iemand met een dwarslaesie zich toch kan voortbeweging.

Mechatronica en robotica
Een exoskelet is in een mechanische vorm een innovatief product met robotica en mechatronica componenten. De ontwikkeling van exoskeletten zorgt er voor dat mensen extra ondersteund worden in de gebruik van hun lichaam. Niet alleen minder valide mensen kunnen gebruik maken ook mensen die volledig kunnen beschikken over hun lichamelijke capaciteiten kunnen met behulp van een exoskelet nog meer kracht benutten, verder springen of meer belast worden. De ontwikkeling van exoskeletten is iets dat heel futuristisch lijkt maar inmiddels al een echt technisch begrip is geworden.

Wat is een manipulator en waar worden manipulators gebruikt?

Manipulators zijn instrumenten waarmee het werk van mensen wordt vereenvoudigd of versneld. Het woord manipulator is voor een deel afkomstig uit het Latijn. Het Latijnse woord voor hand is “manus”. Een manipulator kan ook wel worden gezien als een vervanging of versterking van een menselijke hand. Deze instrumenten worden in de werktuigbouwkunde op verschillende manieren toegepast. Bijvoorbeeld het lassen met behulp van een manipulator. De manipulator kan bij lassen bijvoorbeeld een buis langzaam rond laten draaien zodat een (TIG) lasser beide handen kan gebruiken bij het lasproces, de ene hand voor de toorts en de andere hand voor het aanbrengen van las-toevoegmateriaal in het smeltbad. Manipulators kunnen echter op zeer veel verschillende manieren worden toegepast. Niet alleen in de werktuigbouwkunde worden manipulators gebruikt, ook in ziekenhuizen, de ruimtevaart en bij diepzeeduiken worden manipulators gebruikt om de werkzaamheden van de menselijke hand te vervangen.

Wat is het doel van manipulators?
Het doel van manipulators is het werk van mensen veiliger, sneller, effectiever of kwalitatief beter uit te voeren.  Een manipulator voert een gedoseerde kracht of beweging uit in een bepaalde richting en plaats. Zo kunnen manipulators door de directe besturing van mensen voorwerpen oppakken en verplaatsen. Ook het aandraaien van onderdelen van bijvoorbeeld voertuigen of machines kan doormiddel van een manipulator worden gedaan. Een manipulator moet echter niet worden verward met een robot. Er zijn verschillen tussen manipulators en robots. Hierover gaat de volgende alinea.

Wat zijn de verschillen tussen manipulators en robots?
Een manipulator is in feite geen robot. Een manipulator wordt namelijk door de menselijke bediener aangestuurd en vormt samen met deze mens één werkend geheel. Een robot is wel een autonoom geheel die alleen door de mens van te voren wordt gebouwd en geprogrammeerd. Bij een manipulator kan de mens de bewerkingen tijdens het proces voortdurend bijsturen zodat de manipulator de gewenste werkzaamheden uitvoert. Dit gebeurd in real-time in tegenstelling tot een robot. Robots werken daarom vaak in een duidelijk afgebakende gestructureerde omgeving. Dit is logisch want robots moeten doormiddel van sensoren hun positie bepalen. Wanneer de omgeving voortdurend verandert kan een robot van te voren niet goed geprogrammeerd worden.

Waar worden manipulators gebruikt?
Manipulators worden niet alleen tijdens bepaalde lasprocessen gebruikt. Ze worden ook gebruikt in een omgeving waar mensenhanden ernstig zouden beschadigen zoals in een radioactieve ruimte. Ook voor werkzaamheden in de ruimte of in de diepzee worden manipulators gebruikt om de menselijke hand te vervangen zodat de menselijke hand niet kan beschadigen. Voor mensen die gehandicapt zijn is een manipulator vaak een goede oplossing om bepaalde werkzaamheden en taken weer uit te kunnen voeren. Een manipulator kan door een gehandicapte vaak met geringe bewegingen worden bestuurd om zwaardere werkzaamheden te kunnen uitvoeren. Een manipulator hoeft vaak niet voorgeprogrammeerd te worden om effectief te worden gebruikt.

Wat is robotica en waar houdt deze tak van mechatronica zich mee bezig?

Robotica is, zoals in de titel van deze tekst is aangegeven, een technisch vakgebied dat valt onder mechatronica. In het vakgebied robotica wordt de toepassing van robots in de samenleving bestudeerd. Er wordt gekeken naar zowel de theoretische als de praktische mogelijkheden om robots toe te passen in verschillende onderdelen van de samenleving. Zowel sociale ontwikkelingen als technische ontwikkelingen zijn van invloed op robotica. Tegenwoordig worden robots niet alleen maar toegepast in de techniek, ruimtevaart en productiebedrijven. Robotica ontwikkelt ook robots voor onder andere de beveiliging, ziekenhuizen en zorginstellingen. Door deze ontwikkelingen nemen robots in toenemende mate taken over van mensen. De meeste mensen hebben geen problemen met het toepassen van robots in de techniek. Over het toepassen robots in ziekenhuizen en zorginstellingen zijn de meningen echter verdeeld.

Welke technische aspecten komen bij robotica aan de orde?
Een belangrijk technisch aspect bij robotica is de integratie van systemen. Robots zijn uitgerust met verschillende technische systemen waarbij de robot zijn plaats moet bepalen. Dit gebeurd aan de hand van sensoren. Dit wordt ook wel sensing genoemd. Dit is een techniek die onder robotica gerekend kan worden. Sensing is gericht op het bestuderen van de werking en het ontwerp van sensoren. Het waarnemingsvermogen van een robot is van groot belang omdat een robot aan de hand van deze waarnemingen de juiste plaats kan innemen en de juiste handelingen kan verrichten.

Een robot moet de informatie die doormiddel van de sensoren naar binnen komt vertalen naar handelingen. Deze handelingen worden door de actuatoren van de robot uitgevoerd. Een robot is geen mens en kan daarom zijn eigen handelingen niet bepalen. Daarvoor is programmering nodig. Een robot wordt van te voren geprogrammeerd om bepaalde handelingen uit te voeren. Deze programmering is gekoppeld aan de informatie die doormiddel van de sensoren binnenkomt. Wanneer bijvoorbeeld een object een robot nadert nemen de sensoren van de robot dit waar. Vervolgens wordt een seintje gegeven naar het geprogrammeerde deel van de robot. Daarin kan worden vastgelegd dat de robot zijn arm beweegt als het object de robot op een meter afstand is genaderd.

Er wordt binnen een robot nogal wat informatie uitgewisseld. In een robot komen verschillende technische aspecten samen zoals informatica, elektronica, elektrotechniek en werktuigbouwkunde. Robotica is een dynamisch vakgebied waarbij deze verschillende technische vakgebieden zorgvuldig op elkaar moeten worden afgestemd om tot een goed werkend geheel te komen.  Robots zijn verschillend. Dit heeft in belangrijke mate te maken met de toepassing van de robots.

Waar worden robots toegepast?
Aan een robot die in de ruimte wordt gestuurd om werkzaamheden te verrichten aan een ruimtestation worden andere eisen gesteld dan aan een robot die in een fabriek technische werkzaamheden uitvoert. Daarnaast worden aan robots die voor defensie worden gebruikt weer andere eisen gesteld dan aan robots die worden ontwikkelt voor zorginstellingen. Het gebruik van robots voor zowel defensie als voor zorginstellingen staan wel ter discussie. Ethische en sociale aspecten spelen hierbij een rol. Is het wel verantwoord om robots te laten beslissen over leven en dood op het slagveld? Is het voor gehandicapten wel prettig om geholpen te worden door een robot? Dit zijn maatschappelijke vraagstukken die niet enkel en alleen door de techniek kunnen worden beantwoord. Robotica houdt zich echter wel met deze aspecten bezig en kijkt daarom ook naar de vormgeving van robots. Voor zorginstellingen worden robots ontwikkelt die er zo menselijk mogelijk uit zien. Een robot kan echter nooit een mens geheel vervangen. Een mens is een sociaal wezen en die heeft behoefte aan contact met medemensen anders ontstaan sociale afwijkingen.