Artificial human muscles have traditionally been operated through pneumatic means, and are known as Pneumatic Artificial Muscles (PAMs). Over the last several decades, Hydraulic Artificial Muscles (HAMs) have also been investigated due to their high power-to-weight ratio and human-like characteristics. Compared to PAMs, HAMs typically exhibit faster response, higher efficiency, and superior position control; characteristics which provide potential for application in rehabilitation robotics. This thesis presents a new approach to actuate artificial muscles in an antagonistic pair configuration. The detailed mechanical design of the test platform is introduced, along with the development of a dynamic model for actuating an artificial elbow joint. Also, custom manufactured Oil-based Hydraulic Artificial Muscles (OHAMs) are implemented in a biceps-triceps configuration and characterized on the test platform. Furthermore, an integrator-backstepping controller is derived for HAMs with different characteristics (stiffness and damping coefficients) in an antagonistic pair configuration. Finally, simulations and experimental results of the position control of the artificial elbow joint are discussed to confirm the functionality of the OHAMs utilizing the proposed actuating mechanism and the effectiveness of the developed control algorithm. / Graduate

Η προσομοίωση της κίνησης των ζώων αποτελεί αντικείμενο έρευνας στον τομέα της ρομποτικής από το 1960. Έκτοτε έχουν κατασκευαστεί πολλά ρομπότ τα οποία εξομοιώνουν πλήρως την κίνηση των θηλαστικών, των πτηνών και των ερπετών και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως αυτά. Συγκεκριμένα στον τομέα των ερπετών ο Hirose το 1972 παρουσίασε το τον ACMIII, το πρώτο φίδι ρομπότ, το οποίο μπορούσε να κινηθεί μόνο σε λεία επιφάνεια, προσομοιώνοντας την κίνηση του φιδιού. Εν συνεχεία, με την πρόοδο της τεχνολογίας και τον πνευματικό κόπο χιλιάδων επιστημόνων, κατασκευάστηκαν διάφορα εξελιγμένα μοντέλα ρομπότ-φιδιών με τεράστιες δυνατότητες. Αποτελεί, πλέον, πραγματικότητα η ύπαρξη ρομπότ-φιδιών, που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Στη διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε η κατασκευή και η λειτουργία ενός σύνθετου ενεργοποιητή αποτελούμενου από μια συστοιχία πνευματικών μυών πεπιεσμένου αέρα και ελεγχόμενου μέσω ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC). Τα έμβολα συνδέονται μεταξύ τους είτε με σταθερή είτε με ελεύθερη άρθρωση επιτρέποντας στη συστοιχία να κινηθεί ευθύγραμμα ή καμπυλόγραμμα αντίστοιχα. Κατά την ευθύγραμμη κίνηση η κατασκευή αποτελείται από 7 τεχνητούς μύες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή άρθρωση και τροφοδοτούνται από ψηφιακές βαλβίδες. Επίσης, η συστοιχία είναι εφοδιασμένη με μια συμπαγή σιδερένια κατασκευή ως ουρά και έναν αυτοσχέδιο μηχανισμό φρένων. Ο χρήστης, αφού φορτώσει το αντίστοιχο πρόγραμμα στην CPU του PLC, με το πάτημα ενός μπουτόν ξεκινά την κίνηση της διάταξης. Στο πρόγραμμα αυτό χρησιμοποιείται ένα πλήθος από χρονομετρητές οι οποίοι καθορίζουν πότε πραγματοποιείται η διαστολή και η συστολή των εμβόλων ρυθμίζοντας έτσι τη συμπεριφορά του πνευματικού ενεργοποιητή. Στην παρούσα διπλωματική αναλύθηκαν 3 μοτίβα ευθύγραμ-μης κίνησης. Στο πρώτο μοτίβο η συστολή και η διαστολή είναι ανεξάρτητες, στο δεύτερο έχουμε διαδοχική συστολή/διαδοχική διαστολή και στο τρίτο η διαστολή επικαλύπτει τη συστολή. Η διακοπή της κίνησης γίνεται μέσω του μπουτόν λήξης. Για το σενάριο της οφιοειδούς και της πλάγιας κίνησης η κατασκευή αποτελείται από 5 τεχνητούς πνευματικούς ενεργοποιητές. Οι 4 χρησιμοποιούνται ως ενεργό μέρος της συστοιχίας, ενώ ο πέμπτος ως κεφαλή. Ανάμεσα στα έμβολα υπάρχει αρθρωτή ζεύξη με δυνατότητα κίνησης. Έτσι, κατά τη συστολή και την διαστολή των μυών δημιουργείται μια γωνία μεταξύ τους. Ρυθμίζοντας αυτή τη γωνία κατάλληλα μέσω της πίεσης επιτυγχάνουμε την οφιοειδή κίνηση του σύνθετου πνευματικού ενεργοποιητή. Ο χρήστης μέσω μπουτόν έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την κίνηση της συστοιχίας. Επιλέγει την έναρξη και τη λήξη της κίνησης καθώς και το αναποδογυρίζει. Στην ευθύγραμμη κίνηση εστιάσαμε την προσοχή μας στην εύρεση του βέλτιστου πλάνου κίνησης ώστε να επιτευχθεί το γρηγορότερο αποτέλεσμα. Από την άλλη μεριά στην καμπυλόγραμμη κίνηση τα πράγματα δεν ήταν τόσο απλά. Κύριο ζητούμενο εδώ ήταν η προσομοίωση της οφιοειδούς κίνησης. Η αδυναμία εφαρμογής του θεωρητικού υπόβαθρου που ήδη υπάρχει για τα φίδια-ρομπότ, εξαιτίας της ασυμμετρίας της κατασκευής, της αδυναμίας να επιτευχθούν οι επιθυμητές γωνίες λόγω παραμόρφωσης του σκελετού και της μη γραμμικής συμπεριφοράς της, οδήγησαν στη διενέργεια πολλών πειραμάτων ώστε να υπερκεραστούν οι δυσκολίες και να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Παράλληλα, στην πλάγια κίνηση μελετήθηκε η ικανότητα μετακίνησης της συστοιχίας σε ανισόπεδα τερέν. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρουσιάστηκε μια πληθώρα προβλημάτων τα οποία έπρεπε να αντιμετωπιστούν τόσο στην ευθύγραμμη όσο και στην οφιοειδή κίνηση. Λόγω της μεγάλης δύναμης που ασκούν οι μύες κατά την εκτόνωσή τους και του μικρού συντελεστή τριβής του εδάφους του εργαστηρίου, η συστοιχία κατά τη διαστολή των εμβόλων ολίσθαινε προς τα όπισθεν, δημιουργώντας έτσι σημαντική καθυστέρηση στην συνολική μετακίνηση της συστοιχίας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιήθηκε ένα σιδερένιο βαρίδιο και ένα αυτοσχέδιο φρένο στην “ουρά” της συστοιχίας, που συγκρατούσαν τη συστοιχία κατά τη διαστολή των μυών και την ωθούσαν προς τα εμπρός. Αυτή η μεγάλη δύναμη των μυών ήταν πρόβλημα και για την καμπυλόγραμμη κίνηση, καθώς προκαλούσε παραμόρφωση του σκελετού, εισάγοντας έτσι σημαντικούς περιορισμούς στη μέγιστη πίεση των μυών. Ταυτόχρονα, οδηγούσε σε “χαλάρωση” των βιδών που συγκρατούσαν την κινούμενη άρθρωση. Εκτός αυτών, ένα επιπλέον εμπόδιο που παρουσιάστηκε ήταν η παρακώλυση της κίνησης από τους σωλήνες που τροφοδοτούσαν τα έμβολα. Αυτό το θέμα ήταν μείζονος σημασίας για την οφιοειδή κίνηση, καθώς αν δεν ομαδοποιούνταν κατάλληλα οι σωλήνες, η μετακίνηση της συστοιχίας ήταν μηδενική. Τέλος, οι βαλβίδες έπρεπε να είχαν τη δυνατότητα της εύκολης μετακίνησης, καθώς, λόγω του περιορισμένου μήκους σωλήνων, εισάγονταν περιορισμοί στο διάστημα που μπορούσε να διανύσει η συστοιχία. Τα θέματα αυτά αντιμετωπίσθηκαν με πρακτικούς τρόπους ώστε η μεταφορά των βαλβίδων να γίνεται εύκολα και με ασφάλεια, χωρίς να παρενοχλείται η κίνηση. Εν κατακλείδι, το αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής ήταν να δημιουργηθεί ένας σύνθετος ενεργοποιητής, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να κινείται πλάγια, ευθύγραμμα, καθώς και να προσομοιώνει την κίνηση του φιδιού σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό με μικρό όμως αποτέλεσμα ως προς την ταχύτητα. Η χρήση αισθητήρων για μέτρηση της γωνίας που δημιουργείται μεταξύ των εμβόλων και η κατασκευή πιο ανθεκτικού σκελετού, ώστε να αντέχει στη μεγάλη δύναμη που ασκούν οι μύες, θα οδηγούσαν σε ένα καλύτερο αποτέλεσμα αλλά θα ξέφευγε από τα όρια της εργασίας αυτής. / --

[pt] A robótica aplicada à reabilitação e amplificação humana está em uma fase iminente de se tornar parte de nossa vida diária. A justaposição da capacidade de controle humana e o poder mecânico desenvolvido pelas máquinas oferecem uma promissora solução para auxílio físico e de amplificação humana. O presente trabalho apresenta um exoesqueleto ativo para membros superiores controlado por uma alternativa e simples Interface Homem-Máquina (HMI) que utiliza o Modelo Muscular de Hill para aumentar a força e resistência mecânica do usuário. Músculos Pneumáticos Artificiais (PAM) são utilizados como atuadores por sua alta razão entre potência e peso e atuam o sistema através de um esquema com cabos de aço. Algoritmos Genéticos (GA) aproximam localmente os parâmetros do modelo matemático do atuador e o modelo fisiológico do músculo, que utiliza sinais eletromiográficos superficiais (sEMG) para estimar o torque na articulação do exoesqueleto. A metodologia proposta oferece três vantagens principais: (i) reduz o número de eletrodos necessários para monitorar a atividade muscular, (ii) elimina a necessidade de transdutores de força ou pressão entre o exoesqueleto e o usuário ou o ambiente e (iii) reduz o custo de processamento em tempo-real, necessário para implementações de sistemas embarcados. O exoesqueleto é restrito ao membro superior direito e a estratégia de controle é avaliada verificando o desempenho do usuário ao manipular uma carga de 3.1kg estática e dinamicamente com e sem o auxílio do equipamento assistivo. / [en] Robotics for rehabilitation and human amplification is imminent to become part of our daily life. The juxtaposition of human control capability and machine mechanical power offers a promising solution for human assistance and physical enhancement. This work presents an upper limb active exoskeleton controlled by an alternative and simple Human-Machine Interface (HMI) that uses a Hill Muscle Model for strength and endurance amplification. Pneumatic Artificial Muscles (PAM) are used as actuators for its high power-to-weight ratio and to drive the system through a cable arrangement. Genetic Algorithms (GA) approach locally optimizes the model parameters for the actuator mathematical model and the physiologic muscle model that uses the surface electromyography (sEMG) to estimate the exoskeleton joint torque. The proposed methodology offers three main advantages: (i) it reduces the number of electrodes needed to monitor the muscles, (ii) it eliminates the need for user force or pressure sensoring, and (iii) it reduces the real-time processing effort which is necessary for embedded implementation and portability. The exoskeleton is restricted to the right upper limb and the control methodology is validated evaluating the user performance while dynamically and statically handling a 3.1kg payload with and without the aid of the assistive device.

Entirely soft robots with animal-like behavior and integrated artificial nervous systems will open up totally new perspectives and applications. To produce them we must integrate control and actuation in the same soft structure. Soft actuators (e.g. pneumatic, and hydraulic) exist but electronics are hard and stiff and remotely located. We present novel soft, electronicsfree dielectric elastomer oscillators, able to drive bioinspired robots. As a demonstrator we present a robot that mimics the crawling motion of the caterpillar, with integrated artificial nervous system, soft actuators and without any conventional stiff electronic parts. Supplied with an external DC voltage, the robot autonomously generates all signals necessary to drive its dielectric elastomer actuators, and translates an in-plane electromechanical oscillation into a crawling locomotion movement. Thereby, all functional and supporting parts are made of polymer materials and carbon. Besides the basic design of this first electronic-free, biomimetic robot we present prospects to control the general behavior of such robots. The absence of conventional stiff electronics and the exclusive use of polymeric materials will provide a large step towards real animal-like robots, compliant human machine interfaces and a new class of distributed, neuron-like internal control for robotic systems.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο μιας πειραματικής διάταξης παράλληλου ρομποτικού μηχανισμού, η οποία περιλαμβάνει ηλεκτροπνευματικό εξοπλισμό, όπως τέσσερα πνευματικά έμβολα τύπου τεχνητών μυών, ισάριθμες ανάλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα και έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη που σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε είναι ένας παράλληλος ρομποτικός μηχανισμός πέντε βαθμών ελευθερίας, ο οποίος αποτελείται από τέσσερις δοκούς, δύο βασικά γρανάζια περιστροφής, δύο οδοντωτούς ιμάντες, μια βάση στήριξης και επιπρόσθετα βοηθητικά στηρίγματα. Οι δοκοί συνδέονται μεταξύ τους μέσω περιστροφικών αρθρώσεων και αποτελούν μια κλειστή κινηματική αλυσίδα, στα άκρα της οποίας τοποθετούνται οι κινητήριες αρθρώσεις (γρανάζια). Στόχος είναι με τον έλεγχο της περιστροφής των γραναζιών να εξασφαλίζεται μια επιθυμητή τροχιά του τελικού σημείου. Ο έλεγχος της περιστροφής των γραναζιών επιτυγχάνεται μέσω της ανταγωνιστικής λειτουργίας των μυών της διάταξης μας. Η τροφοδοτούμενη πίεση στους μύες, ελέγχεται μέσω του PLC. Πιο συγκεκριμένα, οι επιθυμητές τροχιές που επιχειρήθηκαν ήταν η παράλληλη, η κατακόρυφη και η κυκλική τροχιά. Οι έλεγχοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ένας έλεγχος ανοιχτού βρόχου και ένας PID έλεγχος κλειστού βρόχου. Συμπερασματικά, τα ζητήματα που μας απασχόλησαν κατά τη διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας είναι ο προγραμματισμός του PLC, οι πνευματικοί μύες, η ανταγωνιστική τους λειτουργία, η μαθηματική περιγραφή του μοντέλου του παράλληλου μηχανισμού και ο έλεγχος για την επίτευξη των επιθυμητών τροχιών. / The thesis consists of designing, manufacturing and controlling a parallel robotic mechanism, including electro-pneumatics equipment, such as four pneumatic artificial muscles, four analogue pneumatic valves and a programmable logical controller (PLC), in order to control the structure's operation. This structure is a 5-degrees-of-freedom robotic mechanism, consisting of four beams, two basic rotating gears, two toothed belts and other complementary brackets. Beams are connected to each other by use of rotary joints and, therefore, constitute a closed kinematic chain. At the ends of the chain are placed the rotating gears. The thesis goal is to achieve the mechanism's end successful move through a certain track by controlling the gears' rotating angles. This is achieved by the competitive operation of pneumatic artificial muscles. Pneumatic muscles' pressure is controlled through the PLC. A parallel, a vertical and a circular track were executed. An open loop and a PID closed loop controller where designed. In conclusion, issues taken into consideration in this thesis were PLC programming, pneumatic artificial muscles and their competitive operation, parallel mechanism's mathematical model description and control implementation.

Doctor of Philosophy (PhD) / With improvements in actuation technology and sensory systems, it is becoming increasingly feasible to create powered exoskeletal garments that can assist with the movement of human limbs. This class of robotics referred to as human-machine interfaces will one day be used for the rehabilitation of paralysed, damaged or weak upper and lower extremities. The focus of this project was the development of an exoskeletal interface for the rehabilitation of the hands. A novel sensor was designed for use in such a device. The sensor uses simple optical mechanisms centred on a spring to measure force and position simultaneously. In addition, the sensor introduces an elastic element between the actuator and its corresponding hand joint. This will allow series elastic actuation (SEA) to improve control and safely of the system. The Hand Rehabilitation Device requires multiple actuators. To stay within volume and weight constraints, it is therefore imperative to reduce the size, mass and efficiency of each actuator without losing power. A method was devised that allows small efficient actuating subunits to work together and produce a combined collective output. This work summation method was successfully implemented with Shape Memory Alloy (SMA) based actuators. The actuation, sensory, control system and human-machine interface concepts proposed were evaluated together using a single-joint electromechanical harness. This experimental setup was used with volunteer subjects to assess the potentials of a full-hand device to be used for therapy, assessment and function of the hand. The Rehabilitation Glove aims to bring significant new benefits for improving hand function, an important aspect of human independence. Furthermore, the developments in this project may one day be used for other parts of the body helping bring human-machine interface technology into the fields of rehabilitation and therapy.

This thesis presents the preliminary work in the development of a biomimetic actuation mechanism for prosthetic and wearable robotic hand applications. This work investigates the use of novel artificial muscle technology, namely, shape memory alloys. The mechanism developed is based on the combination of compliant tendon cables and one-way shape memory alloy wires that form a set of agonist–antagonist artificial muscle pairs for the required flexion/extension or abduction/adduction of the finger joints. For the purpose of this thesis, an anthropomorphic four degree of freedom artificial testbed was developed with the same kinematic properties as the human finger. Hence, the size, appearance and kinematic architecture of the index finger were efficiently and practically mimicked. The biomimetic actuation scheme was implemented on the anthropomorphic artificial finger and tested, in an ad-hoc fashion, with a simple microcontroller-based pulse width modulated proportional derivation (PWD-PD) feedback controller. The tests were done to experimentally validate the performance of the actuation mechanism as emulating the natural finger’s joints movement. This thesis details the work done for the finger design process as well as the mechanisms and material used to achieve the actuation and control objectives. The results of the experiments done with the actuation platform are also presented.

Doctor of Philosophy (PhD) / With improvements in actuation technology and sensory systems, it is becoming increasingly feasible to create powered exoskeletal garments that can assist with the movement of human limbs. This class of robotics referred to as human-machine interfaces will one day be used for the rehabilitation of paralysed, damaged or weak upper and lower extremities. The focus of this project was the development of an exoskeletal interface for the rehabilitation of the hands. A novel sensor was designed for use in such a device. The sensor uses simple optical mechanisms centred on a spring to measure force and position simultaneously. In addition, the sensor introduces an elastic element between the actuator and its corresponding hand joint. This will allow series elastic actuation (SEA) to improve control and safely of the system. The Hand Rehabilitation Device requires multiple actuators. To stay within volume and weight constraints, it is therefore imperative to reduce the size, mass and efficiency of each actuator without losing power. A method was devised that allows small efficient actuating subunits to work together and produce a combined collective output. This work summation method was successfully implemented with Shape Memory Alloy (SMA) based actuators. The actuation, sensory, control system and human-machine interface concepts proposed were evaluated together using a single-joint electromechanical harness. This experimental setup was used with volunteer subjects to assess the potentials of a full-hand device to be used for therapy, assessment and function of the hand. The Rehabilitation Glove aims to bring significant new benefits for improving hand function, an important aspect of human independence. Furthermore, the developments in this project may one day be used for other parts of the body helping bring human-machine interface technology into the fields of rehabilitation and therapy.

n recent years, there has been a surge in interest and research into the utilisation of soft actuators within the field of robotics, driven by the novel capabilities of their inherently compliant material. One such actuator is the Pneumatic Artificial Muscle (PAM) which offers a high power-to-mass ratio, compliance, safety, and biological mimicry when compared to their traditional counterparts. However, because of their flexible and complex physical structure and the compressibility of air inside the PAM, they exhibit nonlinear dynamic behaviour, largely due to the influence of the hysteresis phenomenon. In order to implement strategies to counteract this effect, it first needs to be modelled. As such, this thesis investigates two approaches, namely the Maxwell-Slip (MS) and generalised Bouc-Wen (BW) models. Firstly, the test muscle's initial braid angle, maximum displacement, and maximum force are determined to establish the static force using a modified model. Data is then collected on the PAM's force-displacement hysteresis for 2-6 bar of pressure. Using the results from these experiments, the MS and BW model parameters are identified through optimisation. With the static and hysteresis force components characterised, two complete dynamic models are created. The findings show that, when compared to the collected force-displacement data, the BW model has greater accuracy for all pressures except at 4 bar, although both approaches demonstrate results within a satisfactory margin. Lastly, a model validation is conducted to compare the models using a new dataset, separate from the one on which they were trained. Data for this test is recorded at a pressure of 4 bar with a more complex reference that covers four different regions of the muscle's displacement range. Thereafter, both dynamic models are applied to assess their performance. It is evident from the results that the BW model produces a better outcome than the MS, achieving a normalised error of 5.3746% as compared to the latter's 12.835%. The higher accuracy of the generalised BoucWen method is likely due to it having a more complex structure, specialised parameters, and the ability to model asymmetric hysteresis. The Maxwell-Slip model may however still be preferable in some applications due to its relative simplicity and faster optimisation. / Under de senaste åren har intresset och forskningen ökat kring användningen av mjuka ställdon inom robotik, drivet av den innovativa potentialen som erbjuds av egenskaperna hos deras naturligt flexibla material. Ett sådant ställdon är den Pneumatiska Artificiella Muskeln (PAM) som erbjuder hög kraft i förhållande till vikten, elasticitet, säkerhet och biologisk imitation jämfört med dess traditionella motsvarigheter. Trots dessa fördelar så uppvisar PAM:s ett icke-önskvärt olinjärt dynamiskt beteende, till stor del på grund av deras flexibla och komplexa fysiska struktur samt kompressibiliteten av luft inuti PAM:en. Dessa olinjäriteter orsakar hysteresfenomenet i muskeln. För att implementera strategier för att kunna motverka denna effekt så måste den först modelleras. Till följd därav så undersöker denna avhandling två tillvägagångssätt, nämligen Maxwell-Slip (MS) och den generaliserade Bouc-Wen (BW) modellen. Inledningsvis identifieras testmuskelns initiala flätvinkel, maximala förskjutning och maximala kraft för att fastställa den statiska kraften med hjälp av en modifierad modell. Data samlas sedan in på PAM:ens kraft-förskjutningshysteres för 2-6 bar av tryck. Med hjälp av resultaten från dessa experiment identifieras MS- och BW-modellparametrarna genom optimering. Med de statiska och hystereskraftskomponenterna karakteriserade kan två kompletta dynamiska modeller framkallas. Resultaten visar att jämfört med den insamlade kraft-förskjutningsdatan har BW-modellen en större noggrannhet för alla tryck förutom vid 4 bar, men båda metoderna uppvisar resultat som är inom en godtagbar marginal. Slutligen genomförs en modellvalidering för att jämföra modellerna med hjälp av ett nytt dataset, annorlunda från den som de tränades på. Datan för detta test mäts vid ett tryck på 4 bar med en mer komplex referens som täcker fyra olika regioner av muskelns förskjutningsområde. Därefter tillämpas båda dynamiska modellerna för att bedöma deras prestanda. Det är uppenbart från resultaten att BW-modellen ger ett bättre resultat än MS-modellen, och uppnår ett normaliserat fel på 5,3746% jämfört med den sistnämndas 12,835%. Den högre noggrannheten hos den generaliserade Bouc-Wen-metoden beror sannolikt på att den har en mer komplex struktur, specialiserade parametrar och förmågan att modellera asymmetrisk hysteres. Maxwell-Slipmodellen kan däremot ändå vara att föredra i vissa sammanhang på grund av dess relativa simplicitet och snabbare optimering

Future robotic systems will be pervasive technologies operating autonomously in unknown spaces that are shared with humans. Such complex interactions make it compulsory for them to be lightweight, soft, and efficient in a way to guarantee safety, robustness and long-term operation. This set of qualities can be achieved using soft multipurpose systems that combine, integrate and commute between conventional electromechanical and fluidic drives, as well as harvest energy during inactive actuation phases for increased energy efficiency. Recent research work has shown that dielectric fluids with specific properties, can be combined with stretchable or flexible shell structures made of polymeric dielectric/electrode composite films, to implement a novel type of soft electrically-driven fluidic transducers with self-healing and self-sensing capabilities that take the name of Liquid-based Electro-Active Polymer transducers (LEAPs). These devices are similar to dielectric elastomer transducers in regards to their electrostatic working principle, but they can potentially produce larger displacements due to their lower mechanical stiffness. In this thesis a novel electrostatic transducer is presented; the transducer is made of thin polymer films and liquid dielectrics, combined with rigid stiffening elements to form a circular electrostatic bellow muscle (EBM) unit capable of out-of-plane contraction. These units are easy to manufacture and can be arranged in arrays and stacks that can be employed as contractile artificial muscles, pumps for fluid-driven soft robots, or as energy harvesters. As artificial muscles, EBMs of 20 - 40 millimeters in diameter can exert forces of up to 6 newtons, lift loads over a hundred times their own weight, and reach contractions of over 40 per cent with strain rates over 1200 per cents per second, with a bandwidth over 10 Hz. As pump drivers, EBMs produce flow rates of up 0.63 liters per minute and maximum pressure head of 6 kilopascals, whereas as generators, they reach a conversion efficiency close to 20 per cent. The compact shape, low cost, simple assembling procedure, high reliability and large contractions make the EBM a promising technology for high-performance robotic systems.