I.

Inleiding tot robotica en automatisering

Robotica is een wetenschapsdomein waarbij met machines wordt gewerkt die op automatische of semiautomatische wijze taken uitvoeren op basis van vooraf bepaalde en adaptieve programma’s en algoritmes. Deze machines, die we meestal robots noemen, worden ofwel bestuurd door mensen, ofwel werken zij volledig onder toezicht van een computertoepassing en algoritmen. Robotica is een alomvattend begrip dat het bouwen, plannen en programmeren van robots omvat. Deze robots staan in direct contact met de fysieke wereld en ze worden vaak ingezet om monotone en repetitieve taken uit te voeren in de plaats van mensen. Robots kunnen worden gecategoriseerd op basis van hun grootte, toepassingsdomein of doel. Daar hebben we het later over.

Robotica vs. automatisering

Automatisering is een veel breder begrip dan robotica. Het betekent dat specifieke delen van een proces worden of een volledig proces zonder menselijke tussenkomst wordt uitgevoerd. In plaats daarvan wordt het proces alleen bediend door vooraf gedefinieerde of adaptieve computertoepassingen en elektrische of mechanische machines. Met vooraf gedefinieerde toepassingen worden algoritmen bedoeld, waarbij alle bewerkingen vooraf zijn gedefinieerd en onafhankelijk worden uitgevoerd, ongeacht onvoorziene veranderingen in de omgeving. Adaptieve automatisering betekent dat het algoritme zijn gedrag kan aanpassen aan veranderingen in het proces of de omgeving.

Robotica gaat hand in hand met automatisering, aangezien robots in de meeste gevallen deel uitmaken van een geautomatiseerd systeem. Hoewel er soms robots worden ingezet met weinig of zelfs geen automatisering, en je ook automatisering kunt hebben zonder robotica, zijn de twee als een tweeling die veel gemeen hebben, maar elk met hun eigen uitgesproken persoonlijkheid.

Note

Als er machines zijn die taken voor ons uitvoeren, waarom werken we dan nog? De mogelijkheden van robots zijn beperkt. Zelfs als robots er slim uitzien, zijn deze machines doorgaans slechts goed in een zeer smal toepassingsdomein. Ook al zouden we een heel leger van robots inzetten voor de vele taken in ons leven, dan nog overlappen deze domeinen elkaar niet zodanig dat er een volledig systeem ontstaat dat de mens helemaal kan vervangen.

Met andere woorden, aangezien deze robots slechts in een zeer beperkt domein kunnen werken en we nog lang niet in de buurt zijn van algemene machine-intelligentie, moet je niet bang zijn voor kwaadaardige robots of robotdominantie.

Soorten robots

Robots kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld. We bekijken hieronder de vier belangrijkste manieren om ze te onder te brengen:

  • Grootte

  • Toepassingsgebied

  • Doel

  • Aantal

Grootte

Wanneer we kijken naar de grootte, zijn er de volgende categorieën:

  • Nanorobots of nanobots: Nanorobots zijn gemaakt van nanomaterialen, en variëren in grootte van 0,1 tot 10 micrometer (om een idee te geven hoe klein dat is: een menselijke rode bloedcel is ongeveer 5 à 10 micrometer). Nanobots bevinden zich in de vroege onderzoeksstadia; het concept wordt momenteel vooral besproken voor gebruik in de geneeskunde en er moet nog vele jaren hard aan worden gewerkt om ze tot een mogelijke oplossing te maken. Eén visie voor nanorobots is om ze in het lichaam van een patiënt te injecteren om ziekten op te sporen en te genezen.

  • Microbots, millibots en minibots: deze robots zijn heel klein maar nog steeds groter dan nanobots, en ze bestaan eigenlijk al. Microbots, millibots en minibots zijn kleiner dan respectievelijk 1 mm, 1 cm en 10 cm. De kleinste vliegende robot is RoboBee, met een spanwijdte van 1,2 cm en een gewicht van 80 milligram. De vleugels kunnen 120 keer per seconde flapperen en de robot kan op afstand worden bestuurd. Het doel van zo'n klein toestel is een vliegende zwerm te vormen voor zoek- en reddingsacties, of kunstmatige bestuiving.

RoboBee, de kleinste vliegende robot
RoboBee, de kleinste vliegende robot

  • Kleine en middelgrote robots: deze robots zijn meestal kleiner dan 100 cm (klein) of ongeveer zo groot als een mens (100-200 cm, middelgroot). De meeste huishoudrobots, speelgoedrobots en sociale robots, humanoïden (robots die er ongeveer net zo uitzien als mensen - de Transformers uit stripboeken en films zijn een veelvoorkomend voorbeeld), en digitale persoonlijke assistenten zijn van deze grootte. Kleine en middelgrote robots zijn het soort dat we het vaakst zien en tegenkomen in films en in het echte leven.

  • Grote robots: deze robots zijn groter dan wij. Veel groter. Er zijn enkele grote humanoïde robots, zelfs tot 8-10 meter. Maar humanoïde grote robots worden meestal gemaakt voor onderzoeksdoeleinden, of gewoon voor de lol. In feite lijken de meeste grote robots niet op mensen - ze worden gemaakt voor automatisering in productie, bouw, landbouw, autonoom rijden en navigatie.

Toepassingsgebied

Robots kunnen ook worden ingedeeld volgens hun toepassingsgebied, namelijk door ze te verdelen in persoonlijke en industriële robots.

  • Persoonlijke robots worden in ons dagelijks leven gebruikt en zijn ontworpen voor individueel of gezinsgebruik. Niet-technische mensen kunnen persoonlijke robots bedienen om repetitieve en misschien saaie taken uit te voeren om tijd te besparen of om ons te vermaken. Huishoudrobots, sociale robots, digitale persoonlijke assistenten en speelgoed zijn de meest voorkomende persoonlijke robots.

  • Industriële robots zijn robuust en worden gemaakt om specifieke taken uit te voeren op een voorgeprogrammeerde manier in bijvoorbeeld de productie, de bouw of de landbouw. Toepassingen zijn onder meer montage, demontage, montage, schroeven aandraaien, lassen, verven en visuele inspectie. Industriële robots blinken uit in één specifieke taak: het zijn snelle, precieze en betrouwbare machines. Zonder industriële robots zouden we het huidige niveau van technologische ontwikkeling niet echt hebben.

Doel

Verder kunnen we robots ook indelen volgens doel. Robots kunnen een specifiek en een algemeen doel hebben. Maar wat houdt dat in?

  • Taakspecifieke robots: deze machines voeren een bepaalde taak of een reeks mogelijke taken uit. Dat kan gewoon een robotarm zijn die voorwerpen van A naar B verplaatst, maar het kan ook complex zijn, bijvoorbeeld een sociale robot met een geavanceerde natuurlijke taalinterface. De constructie en het gedrag van deze robots kunnen niet worden veranderd; zij volgen vooraf gedefinieerde programma's die in overeenstemming zijn met hun oorspronkelijke doel. Huishoudrobots en industriële robots behoren tot deze machines.

  • Robots voor algemeen gebruik: in dit geval is de taak van de robot niet vooraf bepaald. Verschillende onderdelen van de robots kunnen afzonderlijk worden gekocht, en deze onderdelen kunnen op verschillende manieren worden samengesteld om specifieke taken op te lossen. De componenten kunnen robotarmen, wielen, camera's, stappenmotoren en bijkomende sensoren en actuatoren omvatten. Deze robots kunnen ook draadloze verbindingen hebben, zoals Wi-Fi en Bluetooth. Het ‘brein’ van de robot is meestal een kleine computer en kan ‘getraind’ worden om verschillende taken met verschillende componenten uit te voeren met behulp van aangepaste toepassingen die in computerprogrammeertalen zijn geschreven. Veelgebruikte programmeerbare kleine computers, ook wel ingebedde systemen genoemd, zijn de Nvidia Jetson en Jetson Nano, Raspberry Pi, en Arduino. Deze ingebedde systemen hebben algemene in- en uitvoerverbindingen (GPIO's) waarop sensoren en actuatoren kunnen worden aangesloten via een standaard communicatie-interface.

Andere robots voor algemeen gebruik hebben een voorgebouwd lichaam met sensoren (zoals camera's en microfoons) en actuatoren (zoals armen en benen). Door verschillende computertoepassingen te ontwikkelen, kan de robot verschillende specifieke taken uitvoeren. Voorbeelden van dergelijke robots zijn Nao, Pepper en Romeo van Softbank Robotics, of Spot, de robot'hond' van Boston Dynamics.

Aantal

Robots kunnen ook worden ingedeeld op basis van hoeveel het er zijn:

  • Enkelvoudige robots: een enkelvoudige robot werkt alleen. Hij heeft een taak die hij uitvoert op basis van een vooraf bepaald programma. Het vooraf bepaalde programma kan geavanceerde technologieën omvatten die hem in staat stellen zich aan te passen aan zijn omgeving, en de robot kan verbonden zijn met het internet, maar de robot is nog steeds alleen. Zelfs als er meerdere afzonderlijke robots op één plaats zijn, zijn ze nog steeds ‘alleen’, omdat ze niet met elkaar kunnen communiceren.

  • Robots in teams: robots kunnen in teams werken, net als mensen. Vaak wordt een taak door meerdere robots achter elkaar uitgevoerd. Denk maar aan video-opnamen van hoe auto's in elkaar worden gezet. Het chassis wordt gelast, dan komen de deuren, dan wordt de auto geverfd, voor- en achterruiten zijn aan de beurt, enzovoort. Al deze stappen worden uitgevoerd door verschillende robots die alleen die specifieke taak kunnen uitvoeren.

  • Zwermrobotica: robots kunnen ook in een zwerm werken. In dit geval wordt een groot aantal eenvoudige robots samen bestuurd. Individuele robots in de zwerm zijn niet bijzonder waardevol, maar de zwerm zelf kan belangrijke taken uitvoeren. Denk maar aan bijen in de natuur. Een enkele bij kan niet veel doen, maar zonder miljoenen bijen die in zwermen werken, zouden mensen waarschijnlijk niet eens bestaan. Mogelijke toepassingen van zwermrobotica zijn verkenning en redding, microbiologie, bewaking en bestuiving. Op het moment van schrijven (2021) bevindt zwermrobotica zich echter vooral in de onderzoeksfase.

The evolutie van robots

Het woord robot is afgeleid van het Tsjechische woord ‘robota’, het werk dat wordt uitgevoerd door een lijfeigene of slaaf.

Het toneelstuk van Karel Čapek uit 1920, waarin machines de wereld overnemen, maakte het woord ‘robot’ algemeen bekend. Maar de mensheid is altijd geïnteresseerd geweest in het heroverwegen van het menselijk bestaan. Al vóór de twintigste eeuw waren er verschillende pogingen om een menselijk wezen te herscheppen en legenden over mensen die daarin geslaagd waren. Een van de beroemdste ideeën behoort toe aan de zestiende-eeuwse alchemist Paracelsus. Hij verklaarde dat een klein mensachtig wezen (een homunculus genoemd) in een kolf kon worden gecreëerd met behulp van uitsluitend chemische procedures. Later, in de zestiende eeuw, deed het woord golem zijn intrede in het publieke bewustzijn. Volgens een volksverhaal, was de golem gemaakt van klei en zou hij mensen dienen als iemand een speciaal perkament in zijn mond of voorhoofd stopte. De golem zou na een tijdje de confrontatie zijn aangegaan met zijn maker en zich uiteindelijk tegen hem hebben gekeerd.

Als we kijken naar de geschiedenis van de robotica, dan zien we dat er een universele belangstelling bestaat om robots te doordringen van menselijkheid of van menselijke eigenschappen. Deze belangstelling heeft over het algemeen drie belangrijke voorwaarden:

  • de robot moet op een bepaalde manier op een mens lijken (qua uiterlijk, qua denken, enz.)

  • de robot moet ergens beter in zijn (sterker, slimmer, enz.)

  • de robot moet volledig onder de controle van zijn schepper staan

Er was een mijlpaal in de geschiedenis van de robotica toen er machines verschenen die sterker waren dan mensen. Machines die de bijdrage van de mens aan het werk vervingen, verschenen tijdens de eerste industriële revolutie rond 1769. In die tijd was het hoofddoel de kosten en de productietijd te verminderen en de hoeveelheid producten te vergroten zonder menselijke tussenkomst. Automatisering werd in die tijd het belangrijkste concept. Met automatisering kunnen verschillende processen worden voltooid zonder menselijke tussenkomst. Aangezien het werk door machines werd gedaan, leidde dit ertoe dat mensen nieuwe manieren van werken en leven gingen zoeken. Machines worden niet moe zoals mensen en kunnen dus 24/7 werken. Ook het risico op fouten en de hoeveelheid afval namen af met de automatisering.

Robots worden ook gekenmerkt door gecontroleerde nauwkeurigheid en doeltreffendheid. In de jaren 1800 was computertechnologie nog niet aanwezig. Mensen waren echter wel in staat grote machines te maken om complexe taken uit te voeren. Na 1950 vond er een belangrijke ontwikkeling in de robotica plaats.

Voorbeeld
Shakey the Robot, de eerste mobiele robot voor algemene doeleinden
Shakey the Robot, de eerste mobiele robot voor algemene doeleinden

Shakey

De eerste industriële robot ‘Unimate’ werd gecreëerd en gebruikt in autofabrieken ter vervanging van de handarbeiders, en er werd ook een eerste mobiele robot voor algemeen gebruik gemaakt: ‘Shakey’. Shakey had ingebouwde camera's en aanraaksensoren en was in staat tot interactie met zijn omgeving.

VEr kunnen verschillende positieve uitspraken worden gedaan over het bestaan van robots, maar de mensheid is niet 100% tevreden. De arbeidsmarkt staat onder voortdurende druk van mensen die willen werken, aangezien werknemers die repetitieve taken uitvoeren door machines zouden kunnen worden vervangen. In verband met robots bestaat er altijd een zekere angst dat zij de menselijke arbeidskrachten zullen vervangen, of dat robots meer controle over de mens zullen hebben dan wenselijk is.

Naarmate robots realistischer worden, steekt een andere angst de kop op. Mensen tolereren over het algemeen robotachtige robots.- Onze hersenen kunnen robotachtige humanoïde robots gemakkelijk categoriseren zoals we industriële robots in de verwerkende industrie categoriseren. Mensen kunnen verward en zelfs gefrustreerd raken wanneer ze een overdreven realistische robot tegenkomen. In dit geval weten we dat het een robot is. Maar de hersenen kunnen dit feit niet echt verwerken door zijn realistische uiterlijk. Zijn huid, bewegingen en zelfs spraak lijken erg op die van een mens, maar onze hersenen worstelen met de categorisering: is het echt een robot? Heeft hij gedachten? Kan of moet ik hem vertrouwen?

Note

Deze angsten zouden een reden kunnen zijn om in het midden van de twintigste eeuw de ‘regels van de robots’ op te stellen, ook wel bekend als De drie roboticawetten van Asimov, zo genoemd naar de schrijver Isaac Asimov.

De drie wetten zijn:

  • Een robot mag een mens geen letsel toebrengen of door niet te handelen toestaan dat een mens letsel oploopt.

  • Een robot moet de bevelen uitvoeren die hem door mensen gegeven worden, behalve als die opdrachten in strijd zijn met de eerste wet.

  • Een robot moet zijn eigen bestaan beschermen, voor zover die bescherming niet in strijd is met de eerste of tweede wet.

(Asimov 1950)



Een andere mijlpaal in de geschiedenis van de robotica was toen de eerste op afstand bestuurde mobiele robot rond 1970 het maanoppervlak ontdekte. Iets later, in 1986, startte Honda een project om humanoïde robots te maken die op mensen leken. De evolutie ging verder en robots verschenen op steeds meer domeinen, zoals gezondheidszorg, productie en logistiek. De evolutie van robots is nog steeds aan de gang en nu treffen we robots in ons dagelijks leven aan. Robots zijn bijvoorbeeld te vinden in woningen (stofzuigers), op werkplekken (assemblagerobots) en in de gezondheidszorg (sociale robots bij de behandeling van patiënten of chirurgierobots).

De mensheid bevindt zich in de vierde industriële revolutie, die de heetste opkomende technologieën integreert, zoals robotica, IoT, 5G, kunstmatige intelligentie en nog veel meer, om de industrie naar een nieuw niveau te tillen.

Next section
II. Hoe werken robots?