The soft robotics field is developing rapidly and is poised to have a wide impact in a variety of applications. Soft robots have intrinsic compliance, offering a number of benefits as compared to traditional rigid robots. Compliance can provide compatibility with biological systems such as the human body and can provide some benefits for human safety and control. Further research into soft robots can be advanced by further development of pneumatic actuators. Pneumatic actuators are a good fit for exoskeleton robots because of their light weight, small size, and flexible materials. This is because a wearable robot should be human friendly, therefore, it should be light weight, slim, powerful, and simple. In this paper, a novel pneumatic artificial muscle using soft materials including integrated electronics for wearable exoskeletons is proposed. We describe the design, fabrication, and evaluation of the actuator, as well as the manufacturing process used to create it. Compared to traditional pneumatic muscle actuators such as the McKibben actuator and new soft actuators that were recently proposed, the novel actuator overcomes shortcomings of prior work. This is due to the actuator's very high contraction ratio that can be controlled by the manufacturing process. In this paper, we describe the design, fabrication, and evaluation of a novel pneumatic actuator that can accommodate integrated electronics for displacement and pressure measurements used for data analysis and control. The desired performance characteristics for the actuator were 100 ~ 400N at between 35kPa and 105kPa, and upon testing we found almost 120 ~ 300N which confirms that these actuators may be suitable in soft exoskeleton applications with power requirements comparable to rigid exoskeletons. Furthermore, a novel soft pneumatic elbow exoskeleton based on the pneumatic actuator concept and manufacturing process is presented. Each structure is designed and manufactured with all fabric. The distally-worn structure is only 300g, which is light weight for an arm exoskeleton, and the design is simple, leading to a low materials cost. / Master of Science

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία, μέσω προγραμματισμού, μιας πειραματικής διάταξης αυτοματισμού που περιλαμβάνει εξοπλισμό όπως πνευματικά έμβολα κλατικού τύπου ή τύπου μυών, αισθητήρες θέσης κλπ.- είτε ανεξάρτητα είτε συνδυασμός αυτών - και έναν Προγραμματιζόμενo Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Το κομμάτι του προγραμματισμού αναφέρεται στο PLC. Η πειραματική διάταξη αυτοματισμού που κατασκευάστηκε είναι ένας μηχανικός αναρριχητής. Η διάταξη αναρρίχησης αποτελείται απο 4 έμβολα / τεχνητούς μύες πεπιεσμένου αέρα προσαρμοσμένα στο ένα τους άκρο σε μια κοινή βάση (σώμα του αναρριχητή). Στο άλλο άκρο υπάρχει κατάλληλος μηχανισμός ολίσθησης που τους επιτρέπει να κινηθούν πάνω στην επιφάνεια των κάθετων δοκών αλουμινίου που συνθέτουν τη διαταξη προς αναρρίχηση. Κάθε μηχανισμός ολίσθησης διαθέτει μικρό έμβολο πεπιεσμένου αέρα με χρήση του οποίου επιτυγχάνουμε την παύση της ολίσθησης του άκρου. Η συνδυασμένη και διαδοχική έκταση-συστολή των εμβόλων προκαλεί την κίνηση προς τα πάνω ή προς τα κάτω του σώματος, το οποίο μιμείται κατά έναν τρόπο την αναρρίχηση του ανθρώπου σε σκάλα. Η λειτουργια της διάταξης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε ο αναρριχητής να φθάνει στο επιθυμητό ύψος το οποίο και θα ορίζεται απο τον χρήστη. Η αναρρίχηση στο επιθυμητό σημείο μπορεί να εκτελεστεί με τέσσερις (4) διαφορετικους τροπους: 1) Αναρρίχηση με λειτουργία μόνο των άνω άκρων. 2) Αναρρίχηση με λειτουργία μόνο των κάτω άκρων. 3) Αναρρίχηση με ταυτόχρονη λειτουργία των άνω και κάτω άκρων. 4) Αναρρίχηση με λειτουργία των άνω & κάτω άκρων και PID έλεγχο θέσης. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ορίσει το επιθυμητό σημείο θέσης και να διαλέξει ένα από τα τέσσερα μοτίβα ανάβασης. Στα τρία πρώτα μοτίβα η έκταση και συστολή των μυών γίνεται με χρήση προκαθορισμένων τιμών πίεσης. Με αυτό το τρόπο για τα τρία αυτά σενάρια κίνησης ο έλεγχος θέσης προσεγγίζει τη διακοπτική ON/OFF θεωρία ελέγχου. Στο τέταρτο σενάριο, η ανάβαση πραγματοποιείται επίσης με το διακοπτικό ON/OFF τρόπο, ο τελικός όμως έλεγχος θέσης επιτυγχάνεται με χρήση PID ελεγκτή. Μετά την ολοκλήρωση ή και κατά την διάρκεια εκτέλεσης του εκάστοτε μοτίβου κίνησης, ο χρήστης έχει επίσης την δυνατότητα ενεργοποίησης της ρουτίνας κατάβασης που επιστρέφει τον αναρριχητή στην αρχική του θέση. / This Diploma Thesis consists of the construction and operation, through the means of programming, of an experimental automated system which includes equipment such as pneumatic cylinders (classic or muscle type), position sensors etc. - combined or independent – and a Programmable Logic Controller (PLC) which controls the functions of the automated system. The programming part is referred to the PLC. The experimental automated system that was constructed is that of a mechanical climber. The climber consists of 4 pneumatic cylinders / artificial muscles, the one end of which is attached to a common body. The other end is attached to a sliding mechanism which allows the movement of the muscles on the surface of the vertical aluminum beams that compose the climbing structure. A small pneumatic cylinder is attached on every sliding mechanism, which is used to stop the sliding of the muscles. The combined and successive outstroke and instroke of the cylinders causes the upward or downward movement of the climber’s body, which mimics in a way the movements of a human body while climbing a ladder. Those functions are designed so that the mechanical climber reaches a desired height, which is set by the user. The climb to the desired height can be executed with four (4) different movement patterns: 1) Climb using only the upper limbs. 2) Climb using only the lower limbs. 3) Climb using the upper and lower limbs simultaneously. 4) Climb using the upper and lower limbs and PID position control. The user can set the desired height and choose one of the four movement routines. During the first three movement patterns, the instroke and outstroke of the cylinders is done with the use of predetermined pressure values. In this way, during those patterns the position control approximates the ON/OFF control theory. During the fourth movement pattern, the climb is executed with the same ON/OFF way but the final position control is done by use of a PID controller. After the completion of a movement pattern, or even during movement, the user can always enable the descendance movement routine which returns the climber to its former position.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης, η οποία περιλαμβάνει δύο ρομποτικές αρθρώσεις δύο βαθμών ελευθερίας η καθεμία, οκτώ πνευματικά έμβολα τύπου μυών και ισάριθμες αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, μία οθόνη χειρισμού SCADA και έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της διάταξης. Πιο συγκεκριμένα, η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας ρομποτικός βραχίονας. Ο βραχίονας αποτελείται συνολικά από τις δύο αρθρώσεις και δύο μεταλλικούς σωλήνες, ο ένας από τους οποίους στερεώθηκε σε πάγκο εργασίας, ενώ ο δεύτερος παρεμβάλλεται μεταξύ των αρθρώσεων. Κάθε άρθρωση έχει εσωτερικά δύο ζεύγη νηματόσχοινων, όπου καθένα προκαλεί από μία κίνηση, περιστροφική με άξονα τον σωλήνα ή περιστροφική περιορισμένη στο επίπεδο που είναι κάθετο στον σωλήνα. Η έλξη του ενός ή του άλλου σκοινιού από κάθε ζεύγος ορίζει τη φορά περιστροφής. Τα νηματόσχοινα, που εκτείνονται εσωτερικά των σωλήνων, εξέρχονται στο κάτω μέρος, όπου εφαρμόζουν σε πνευματικούς μύες, υπεύθυνους για την έλξη. Το άλλο άκρο των μυών είναι στερεωμένο στο δάπεδο, ενώ τροφοδοτούνται με πεπιεσμένο αέρα από κατάλληλες βαλβίδες ρύθμισης πίεσης. Η πίεση του αέρα που παρέχεται στους μύες κάθε στιγμή ελέγχεται μέσω του PLC. Στα πλαίσια των πειραμάτων, αναπτύχθηκαν δύο τρόποι κίνησης του βραχίονα. Στην πρώτη περίπτωση, ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να ελέγχει καθεμιά από τις τέσσερις δυνατές κινήσεις ξεχωριστά, μέσω κατάλληλα διαμορφωμένης οθόνης χειρισμού SCADA. Στη δεύτερη περίπτωση, έχει προγραμματιστεί μια προκαθορισμένη κίνηση επίδειξης, που ξεκινά και τερματίζει με εντολή του χρήστη, αλλά δεν μπορεί να επέμβει κατά τη διάρκεια εκτέλεσής της. / -