Soft robotics is an emerging research subject showing great promise for applications where traditional and rigid robotics is limited, for example, creating stroking sensation by using soft robotics. The purpose of this master's thesis project is to convey caress by designing and manufacturing a wearable haptic soft belt with locomotion. This device is mainly composed of pneumatic artificial muscles, pressurized actuator and control loop by Arduino. The locomotion of this device is realized through the elongation, shortening and position change of tubular pneumatic artificial muscles which was inspired by inchworm locomotion. Several different methods and materials were tested in the experiment. The results show that the device based on the principle of different friction successfully realizes the expected function.

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει την σχεδίαση και τον έλεγχο μέσω προγράμματος σε περιβάλλον LabView, ενός διπλού παράλληλου μηχανισμού με Τεχνητούς Πνευματικούς Μύες (Pneumatic Artificial Muscles (PAMs)). Η μηχανική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας διπλός παράλληλος μηχανισμός βασισμένος σε δύο τροποποιημένες πλατφόρμες τύπου Stewart. Ως ενεργοποιητές για την κίνηση στις πλατφόρμες χρησιμοποιήθηκαν Τεχνητοί Πνευματικοί Μύες ενώ για την στήριξη αυτών σε συγκεκριμένο ρυθμιζόμενο ύψος πνευματικά έμβολα διπλής δράσης, με μη περιστρεφόμενα πιστόνια. Παράλληλα, πάνω στις πλατφόρμες τοποθετήθηκαν δύο κλισιόμετρα προκειμένου να παρέχουν πληροφορίες για την κλίση αυτών. Ο έλεγχος της πίεσης του αέρα που υπάρχει στους μύες και στα έμβολα γίνεται μέσω αναλογικών ρυθμιστών πίεσης. Σε λειτουργία Ανοικτού Βρόγχου (Open loop Operation) ο μηχανισμός μπορεί να εκτελέσει παράλληλες ή περιστροφικές κινήσεις σε κάθε πλατφόρμα ξεχωριστά ή και στις δύο ταυτόχρονα. Ο χρήστης επιλέγει το εύρος της κίνησης αλλά και τη συχνότητα εκτέλεσής της. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκε η ανταγωνιστική λειτουργία των μυών και εξετάστηκαν τρόποι για την βελτίωσή της. Σε λειτουργία κλειστού βρόγχου (Closed Loop Operation) ο χρήστης εισάγει στον υπολογιστή με τον οποίο είναι συνδεδεμένη η διάταξη, τις επιθυμητές γωνίες στις οποίες θέλει να βρεθεί η κάθε πλατφόρμα. Υλοποιείται αλγόριθμος ελέγχου τύπου PID για κάθε ζεύγος μυών και μέσω αυτών υπολογίζονται οι κατάλληλες πιέσεις που πρέπει να έχει ο κάθε μυς, ώστε οι πλατφόρμες να επιτύχουν την επιθυμητή γωνία. Όλες οι διεργασίες ελέγχου της πλατφόρμας τόσο σε λειτουργία ανοικτού όσο και σε λειτουργία κλειστού βρόχου υλοποιούνται μέσω τους προγραμματιστικού περιβάλλοντος LabView της εταιρείας National Instruments (NI). / This thesis, presents the development of a double parallel mechanism actuated by Pneumatic Artificial Muscles (PAMs) and controlled via LabView. The mechanical arrangement is a double parallel mechanism based on two modified Stewart platforms. PAMs have been used as platforms’ actuators and also non revolute double action pneumatic cylinders have been incorporated in order to support them at a user specified height. In addition two dual axis inclinometers have been utilized in order to provide the necessary angle feedback for the control loop. The pressure regulation in the PAMs and in the pneumatic cylinders is performed by proportional pressure regulators. In the Open Loop Operation, the mechanism can perform parallel or circular motions, in each platform independently or combined. The user chooses the range and the frequency of the performed motion. Furthermore the antagonistic operation of the PAMs has been studied. In the Closed Loop Operation the user inserts the platforms’ desired angles. A PID controller is implemented for every pair of antagonistic muscles, giving the necessary pressures in the antagonistic PAMs. All the control operations both in Open and Closed Loop are performed via National’s Instruments LabView software.

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.

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

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