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 embedded system en wat is embedded software?

Embedded software is software die is geschreven om machines te besturen. Embedded software kan door fabrikanten worden ingebouwd in de elektronica van auto’s en andere voertuigen. Daarnaast wordt embedded software ook in telefoons, digitale horloges en modems geplaatst. Robots die bepaalde bewerkingen moeten uitvoeren hebben vaak ook embedded software die verbonden is aan de elektronica. Ook beveiligingssystemen voor brand en inbraak zijn voorzien van embedded software. De software die in deze uiteenlopende producten, voertuigen en werktuigen is geplaatst is heel verschillend. Er wordt gebruik gemaakt van een processor en een aantal bytes aan geheugen. Voor vliegtuigen, raketten

Wat is een embedded system?
Hierboven is kort omschreven wat embedded software is. Dit maakt onderdeel uit van een embedded system. Dit systeem is elektronisch en bestaat uit zowel uit hardware als software. Andere termen die worden gebruikt voor een embedded system zijn geïntegreerd systeem of ingebed systeem. Dit systeem is gemonteerd in apparaten, werktuigen en gebruiksartikelen. In het verleden bestonden elektronische meetsystemen en regelsystemen geheel uit hardware. Tegenwoordig is software in machines en apparaten steeds belangrijker. Het doel van het embedded systemen is het implementeren van ‘intelligent gedrag’ in deze producten. De software zit ingebed in het hardware-apparaat. De meettaken en regeltaken zorgen er voor dat een machine, werktuig of apparaat datgene doet wat het behoort te doen. Met andere woorden deze producten moeten de bewerkingen kunnen uitvoeren waarvoor ze bedoelt zijn. Een embedded system zorgt de software er voor dat de meettaken en regeltaken worden aangestuurd. Software is over het algemeen eenvoudiger te vervangen dan hardware. Software vormt het brein van een machine en bepaald welke bewegingen een machine kan maken. Dit zorgt er voor dat de apparaten waarin de software is geplaatst door het veranderen van de software ook andere bewerkingen kunnen uitvoeren. Hierbij moet natuurlijk wel gekeken worden naar de mechanische mogelijkheden van het apparaat.

Waaruit bestaat een embedded system?
Een embedded system bestaat uit een aantal onderdelen. Het sensorgedeelte van dit systeem neemt de omgeving waar waarin de machine of het apparaat staat opgesteld. Dit kan belangrijk zijn voor veiligheidsaspecten maar ook voor de beweging die de machine kan uitvoeren. Bijvoorbeeld het wegschuiven van een doosje als deze zich voor de sensor bevind. Er komt via de sensoren informatie binnen in het systeem. Deze informatie wordt in een communicatiegedeelte geconverteerd. Dit kan bijvoorbeeld door de informatie te digitaliseren. Vervolgens wordt de informatie gezonden naar een gedeelte die de informatie verwerkt. Dit informatieverwerkend gedeelte bestaat uit software en een processor. Het informatieverwerkend gedeelte zorgt er voor dat er ‘beslissingen’ worden genomen op basis van de gegevens die binnen komen. Het actuatorgedeelte stuurt de machine of het werktuig aan en zorgt er voor dat de ‘beslissingen’ worden uitgevoerd.

Waar wordt een embedded system en embedded software toegepast?
Embedded systems met bijbehorende embedded software worden steeds meer toegepast in machines, werktuigen en apparaten. Dit komt mede doordat deze systemen goedkoper worden geproduceerd. Daarnaast worden deze systemen ook flexibeler. Hierdoor is een grote diversiteit aan ingebedde systemen op de markt gekomen. Men kan hierbij denken aan magnetrons, wasmachines, drogers en consumentenelektronica. Ook in auto’s, jachten en gereedschappen worden ingebedde systemen geplaatst. Daarnaast werkt men in de gezondheidszorg ook in toenemende mate met embedded systems in ziekenhuisapparatuur en robots.

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.