Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της μεθόδου Ilizarov καθώς και το σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο ενός ισοδύναμου με ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor στοιχείου δράσης, του οποίου η ενεργοποίηση επιτυγχάνεται με τη χρήση έξυπνων υλικών και συγκεκριμένα μεταλλικών κραμάτων με μνήμη της μορφής (SMA). Πρωτεύον μέλημά μας αποτελεί η μελέτη των γενικών χαρακτηριστικών της εξωτερικής σταθεροποίησης και η κατανόηση της μεθόδου Ilizarov με τη χρήση του πλαισίου Taylor (Κεφάλαιο 2). Ακολούθως, κάνουμε λόγο για τους ενεργοποιητές που χρησιμοποιούνται στη διάταξή μας, αναλύοντας εκτενώς τις ιδιότητες των κραμάτων με μνήμη της μορφής και πιο συγκεκριμένα των κραμάτων NiTi (Κεφάλαιο 3). Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα προηγούμενα, είμαστε σε θέση να προχωρήσουμε στην υλοποίηση μίας κατασκευής που προσομοιώνει ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor και η οποία ενεργοποιείται από τα παραπάνω έξυπνα υλικά. Πειράματα ανοικτού και κλειστού βρόχου ελέγχου της διάταξης εκτελούνται εν συνεχεία με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Κεφάλαιο 4). Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προοπτικές της εν λόγω εργασίας (Κεφάλαιο 5). / The present diplomatic work consists of the study of Ilizarov method as well as the planning, the construction and the control of one out of six degrees of freedom of a Taylor platform. The activation of the experimental provision is achieved with the use of intelligent material and concretely shape memory alloys (SMA). Our first concern is the study of the general characteristics of the exterior stabilization of the bones and the comprehension of Ilizarov method using the Taylor platform (Chapter 2). Followingly, we deal with the activators that are used in our provision, analyzing extensively the attributes of shape memory alloys and more concretely the alloys NiTi (Chapter 3). Taking into consideration all the above, we are in position to advance in the concretisation of a structure that simulates one degree of freedom of the Taylor platform and is activated by the SMA. We executed control experiments using LabView in an open and closed loop in order to test the provision (Chapter 4). Finally, are presented the conclusions and the prospects of this project (Chapter 5.)

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την κατασκευή και τον έλεγχο ενός καινοτόμου τεχνητού χεριού, για προσθετικές κυρίως εφαρμογές, κάνοντας χρήση βιομιμητικών ενεργοποιητών και πιο συγκεκριμένα ειδικά κατεργασμένων λεπτών κυλινδρικών αγωγών από μορφομνήμονα μεταλλικά κράματα νικελίου-τιτανίου. Εκμεταλλευόμενοι τα συγκριτικά πλεονεκτήματα των ενεργοποιητών αυτών έναντι των αντίστοιχων συμβατικών, αναπτύσσεται μια πλήρως λειτουργική συσκευή με μικρό μέγεθος και βάρος, ανθρωπομορφική εμφάνιση, αθόρυβη λειτουργία και χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης, ικανή να εκπληρώσει σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις των ατόμων με αναπηρία στα άνω άκρα. Για τη φυσική υλοποίηση του σκελετού του τεχνητού αυτού χεριού χρησιμοποιείται η τεχνολογία της ταχείας προτυποποίησης. Καθένα από τα πέντε δάκτυλά του ελέγχεται ανεξάρτητα μέσω ενός υπο-ενεργοποιούμενου μηχανισμού κίνησης με τεχνητούς τένοντες. Για τον έλεγχο θέσης κάθε δακτύλου, αναπτύσσεται και εφαρμόζεται μία νέα μέθοδος ελέγχου βασισμένη στην έμφυτη δυνατότητα ανάδρασης θέσης των προαναφερθέντων ενεργοποιητών μέσω μέτρησης της ηλεκτρικής τους αντίστασης. Επιπλέον, αναπτύσσεται κατάλληλος αλγόριθμος για τον σχηματισμό διαφόρων θέσεων και συλλήψεων του τεχνητού χεριού. Για τη βελτίωση του ελέγχου, το χέρι εξοπλίζεται με αισθητήρες αφής στα ακροδάκτυλα, καθώς και με τη δυνατότητα οδήγησης συσκευών οπτικής και απτικής ανάδρασης. Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που είναι απαραίτητα για την οδήγηση των ενεργοποιητών και τον έλεγχο του χεριού αναπτύσσονται και ενσωματώνονται στο εσωτερικό του φυσικού πρωτοτύπου. Με τη βοήθεια ειδικού προγραμματιστικού πακέτου, σχεδιάζεται μία γραφική διεπαφή ελέγχου μέσω της οποίας μελετάται και αξιολογείται η δυνατότητα του αναπτυχθέντος χεριού σε πειράματα σύλληψης διαφόρων αντικειμένων. Τέλος, προτείνονται διάφορες τεχνικές ελέγχου του χεριού από τους χρήστες του, ενώ αναπτύσσεται και κατάλληλος αλγόριθμος ελέγχου βασισμένος στη χρήση ηλεκτρομυογραφικών σημάτων. / This doctoral thesis presents the development and control of an innovative artificial hand, mostly for use in prosthetic applications, utilizing biomimetic actuators, and, more specifically, specially processed thin cylindrical wires made of shape memory nickel-titanium alloys. By exploiting the comparative advantages of these actuators over the conventional ones, a fully functional device is developed, of low size and weight, anthropomorphic appearance, silent operation, low fabrication and maintenance cost, which is capable of satisfying to a great extent the needs of the upper limb amputees. The physical implementation of the chassis of this artificial hand has been performed using rapid prototyping technology. Each of its five digits is independently controlled via a tendon-driven underactuated mechanism. For the position control of each digit, a novel control scheme is devised and implemented based on the inherent position feedback capability of these actuators via the measurement of their electrical resistance. In addition, the necessary algorithm is developed for the formation of various hand postures and prehension patterns. In order to improve the overall hand control, the hand is equipped with tactile sensors at its fingertips, and is also capable of driving optical and tactile feedback devices. All the necessary electronics for driving the actuators and controlling the hand are developed and embedded inside the physical prototype. Using a special programming package, a graphical user interface is designed, through which the grasp capabilities of the developed hand are studied and evaluated for various objects. Finally, several user control techniques of the hand are proposed, and a control algorithm based on the use of electromyographic signals is also developed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάλυση και έλεγχο ρευστοδυναμικών συστημάτων χρησιμοποιώντας έξυπνα υλικά όπως πιεζοκρύσταλλοι για τον σχεδιασμό επενεργητών. Στο Μέρος Ι, εκτιμάται η απόδοση μιας πρωτότυπης πιεζο-υδραυλικής αντλίας με χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων. Η συγκεκριμένη διάταξη αποτελείται από ένα έμβολο και δύο παθητικές βαλβίδες με συχνότητα λειτουργίας μεγαλύτερη των 100Hz. Το αναπτυχθέν μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων λαμβάνει υπόψιν την συμπιεστότητα του ρευστού, την περιορισμένη διάδοση του κύματος πίεσης, τυρβώδη ροή και αμφίδρομη αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού των βαλβίδων. Με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων υπολογίστηκε η απόδοση της αντλίας και ακολούθησε παραμετρική βελτιστοποίηση κύριων παραμέτρων της βαλβίδας. Έτσι, έγινε εφικτή η λειτουργία σε υψηλότερες συχνότητες (500Hz) με βελτιωμένη απόδοση. Στην συνέχεια, μελετήθηκε ιδεατό σύστημα με ενεργές βαλβίδες ώστε να αναπτυχθούν τεχνικές ελέγχου του χρονισμού των βαλβίδων. Οι προσομοιώσεις έδειξαν σημαντικά περιθώρια βελτίωσης με ενεργές βαλβίδες, ενώ ανέδειξαν την σημασία της διάδοσης του κύματος, ιδιαίτερα κατά τον συντονισμό. Στο Μέρος ΙΙ, προτάθηκε ένας πρωτότυπος επενεργητής, βασισμένος στην εκμετάλλευση του συντονισμού του ρευστού. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την μηχανική ολοκλήρωση της αντλίας μέσα στον επενεργητή, ενώ απαιτείται μόνο μια βαλβίδα υψηλής συχνότητας σε αντίθεση με υπάρχοντα συστήματα όπου απαιτούνται δύο (εισαγωγής, εξαγωγής). Ο πρωτότυπος επενεργητής μοντελοποιήθηκε με απευθείας διακριτοποίηση των εξισώσεων Navier Stokes με συμπιεστότητα και εξήχθη ένα μοντέλο χώρου κατάστασης. Παράλληλα με το μοντέλο πιεζοκρυστάλλων και της ροής της βαλβίδας ολοκληρώθηκε το μοντέλο του επενεργητή, ενώ τα βασικά στοιχεία του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Επίσης επιβεβαιώθηκε η αρχή λειτουργίας του προτεινόμενου συστήματος του επενεργητή με πειραματικές μετρήσεις. Στην τελευταία ενότητα της διατριβής αναλύονται βασικά στοιχεία με στόχο την βελτίωση της λειτουργίας του επενεργητή. / The present PhD thesis has a key object the analysis and control of fluid dynamics systems taking advantage of the smart material properties like piezocrystals for the design of actuators. In Part I, the performance of a prototype piezohydraulic pump is estimated using the Finite Element Method. The specific setup consists of a piston and two passive valves with an operating frequency greater than 100Hz. The developed Finite Element Model takes into account fluid's compressibility, the limited pressure wave propagation, turbulent flow and Fluid Structure Interaction of the valves with the fluid. Simulation results were used to calculate the pump's performance and a parametric optimization of valve's key parameters is performed. Much higher operating frequencies (500Hz) with improved performance is achieved. In the sequel, studies on a ideal active valve system are undertaken and control techniques of valve timing are developed. Simulations revealed the potential benefit from an active valve system and also revealed the importance of accounting wave propagation phenomena, especially during resonance. In Part II, a novel fluid actuator based on the exploitation of fluid resonance is proposed. This approach allows the integration of the pump within the actuator, whereas only one high frequency valve is needed, in contrast with existing systems where two high frequency valves are needed (inlet, outlet). The novel actuator is modeled using a direct discretization of the compressible Navier Stokes equations and a state space model is derived. Along with the piezoelectric and valve flow model a complete model of the actuator is formulated. The key components of the model are verified with experimental data from a prototype actuator. Also, the concept of the new actuator is proved by experimental measurements. At the last section of the thesis key aspects of the systems for further improvement of the actuator are proposed.