Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός λαπαροσκοπικού εργαλείου με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας (ΒΕ). Ο βραχίονας αποτελείται από συνδεδεμένα τμήματα ή «σπονδύλους» που ενεργοποιούνται από καλώδια Ni-Ti, γνωστά και ως Shape Memory Alloys, που λειτουργούν ως δυαδικοί ενεργοποιητές με 2 καταστάσεις. Έτσι, εξασφαλίζεται η επαναληψιμότητα στις κινήσεις του βραχίονα και δεν απαιτούνται αισθητήρες για τη θέση των αρθρώσεων. Κάθε σπόνδυλος αποτελείται από 3 ενεργούς πρισματικούς ενεργοποιητές (SMA) τοποθετημένους έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα τρίποδο, το οποίο παρέχει 3 ΒΕ σε κάθε άρθρωση (δύο περιστροφικούς και ένα μεταφορικό). Η ανεξάρτητη ενεργοποίηση κάθε άρθρωσης γίνεται από μικροελεγκτές που επικοινωνούν με το πρωτόκολλο I2C και είναι τοποθετημένοι στο εσωτερικό κάθε συνδέσμου. Θα παρουσιαστούν διάφορα ζητήματα σχεδιασμού, η κινηματική και η προσομοίωση του εργαλείου, καθώς και ένα αρχικό πείραμα. / The subject of this work is the development of a prototype hyper-redundant laparoscopic tool. The manipulator consists of cascaded modules which are powered by Shape Memory Alloy wires (NiTi), acting as binary actuators with two stable states. As a result, the repeatability of the manipulator’s movement is ensured, alleviating the need for sensing of the manipulator’s joint-positions. Each module is composed of three active prismatic actuators in a tripod configuration providing a 3-DOF (two rotational and one translational) maneuverability for each joint. I2C-networked microcontrollers activate the individual tendon in each joint. Certain design aspects as well as the kinematics of the binary manipulator are presented followed by simulation and experimental studies on the laparoscopic tool prototype.

Η διερεύνηση της περιοχής χωρητικότητας και της περιοχής επιτεύξιμων ρυθμών μετάδοσης καναλιών αποτελεί βασικό αντικείμενο της Θεωρίας Πληροφορίας. Η Ευθυγράμμιση Παρεμβολών είναι μια καινούρια ιδέα που δίνει μια εναλλακτική οπτική στο αντικείμενο αυτό, μέσω της διαφορετικής λογικής που εισάγει σχετικά με την κωδικοποίηση και τη μετάδοση της πληροφορίας. Σε πρόσφατες δημοσιεύσεις έχουν προταθεί μοντέλα που επιτρέπουν την εφαρμογή της θεωρίας της Ευθυγράμμισης Παρεμβολών και τη χρήση της σε πρακτικά συστήματα επικοινωνιών και καταδεικνύουν την υπεροχή της σε σχέση με συμβατικές μεθόδους. Παράλληλα, παρόλο που προς το παρόν έχει δοθεί έμφαση στην εδραίωση της Ευθυγράμμισης Παρεμβολών στις επικοινωνίες, η μαθηματική της βάση καθιστά δυνατή την εφαρμογή της σε αντικείμενα που ανήκουν σε άλλους τομείς. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η εφαρμογή της Αναδρομικής Ευθυγράμμισης Παρεμβολών για μετάδοση πληροφορίας σε Συστήματα Επικοινωνιών, καθώς και η διερεύνηση της απόδοσης της μεθόδου σε πρακτικά συστήματα. / The study of the channel capacity region and the achievable rate region is one of the main topics of Information Theory. Interference Alignment is a new idea that provides new insights through the introduction of a different viewpoint on data encoding and transmission. In recent publications, models have been proposed that allow the application of the theory of Interference Alignment to practical communication systems and demonstrate its superiority compared to traditional approaches. Furthermore, although for the time being emphasis has been put on establishing the use of Interference Alignment to communication systems, its mathematical formulation makes possible its use to other areas. The purpose of this thesis is to study and to apply Retrospective Interference Alignment to data transmission in communication systems and to evaluate the performance of the method in practical systems.

Το κύριο μέρος της διατριβής αρχίζει στο Κεφάλαιο 4 όπου παρουσιάζονται πρωτότυπα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής που αφορούν στην κανονική και χαοτική δυναμική Χαμιλτώνιων συστημάτων λίγων βαθμών ελευθερίας. Περιγράφονται αποτελέσματα πάνω στη συμπεριφορά δεικτών διάκρισης οργανωμένης και χαοτικής δυναμικής στα συστήματα αυτά και γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τέλος, αναφέρονται αποτελέσματα από τη θεωρία και την εφαρμογή της μεθόδου του Γενικευμένου Δείκτη Ευθυγράμμισης GALI, που αποτελεί ένα από τα πιο βασικά νέα στοιχεία της διατριβής, σε μη ολοκληρώσιμα Χαμιλτώνια συστήματα δύο και τριών βαθμών ελευθερίας. Το Κεφάλαιο 5 ασχολείται με την παρουσίαση πρωτότυπων ερευνητικών αποτελεσμάτων σε Χαμιλτώνια δυναμικά συστήματα πολλών βαθμών ελευθερίας. Εδώ, εισάγονται νέες μέθοδοι για την μελέτη των περιοχών κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς συστημάτων πολλών βαθμών ελευθερίας με σκοπό να κατανοηθεί η συμπεριφορά των συστημάτων αυτών στο θερμοδυναμικό όριο και να δοθεί μια απάντηση στο καίριο ερώτημα αν οι νόμοι της Στατιστικής Μηχανικής ισχύουν στην περίπτωση των πολυδιάστατων Χαμιλτώνιων συστημάτων που εξετάζονται εδώ. Ελέγχεται πως αυξάνουν οι χαοτικές περιοχές γύρω από ασταθείς Απλές Περιοδικές Λύσεις (ΑΠΛ) στον χώρο φάσεων, μετά από μία κρίσιμη τιμή της ολικής ενέργειας, η δε μετάβαση από περιορισμένο σε εκτεταμένο χάος, προκύπτει από το ότι συχνά σε περιοχές διαφορετικών ασταθών ΑΠΛ συγκλίνουν τα αντίστοιχα φάσματα Lyapunov στην ίδια εκθετική συνάρτηση. Υπολογίζοντας κατόπιν το άθροισμα των θετικών εκθετών Lyapunov, που αντιστοιχεί στην εντροπία Kolmogorov - Sinai και διαπιστώνεται ότι για τα συστήματα που εξετάζονται στη διατριβή αυτή, η εντροπία KS αυξάνει γραμμικά, συναρτήσει των βαθμών ελευθερίας N, επιβεβαιώνοντας έτσι ότι είναι εκτεταμένη ποσότητα της Στατιστικής Μηχανικής. Τέλος εισάγεται η νέα μέθοδος του Δείκτη Γραμμικής Εξάρτησης (LDI) για τον διαχωρισμό χαοτικών και οργανωμένων τροχιών και αναφέρονται τα συγκριτικά της πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μεθόδους των Κεφαλαίων 3 και 4. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι πολλά αποτελέσματα της διατριβής μπορούν να εφαρμοσθούν για τη μελέτη της δυναμικής συμπλεκτικών απεικονίσεων, για τις οποίες ο κ .Αντωνόπουλος ανέπτυξε μια νέα μέθοδο που συνδυάζει τη χρήση δικών του μεθόδων και των λεγόμενων Διαφοροεξελικτικών Αλγορίθμων, για την εύρεση της δυναμικής ακτίνας ευστάθειας συμπλεκτικών απεικονίσεων που περιγράφουν επιταχυντές σωματιδίων υψηλών ενεργειών. / The main part of the thesis begins with Chapter 3, where new research results are presented which concern the regular and chaotic dynamics of Hamiltonian systems of few degrees of freedom. Results are described on the behavior of indices distinguishing organized from chaotic motion in these systems and a comparison is made with corresponding results in the international literature. Then, new findings are reported on the theory and application of the method of the Generalized Alignment Index GALI, which is one of the most basic discoveries of the thesis in nonintegrable Hamiltonian systems of 2 and 3 degrees of freedom. Chapter 5 deals with the presentation of original research results in Hamiltonian systems of many degrees of freedom. Here new methods are introduced for the study of regions of regular and chaotic behavior of multi degree of freedom systems with the primary aim of understanding the behavior of these systems in the thermodynamic limit to give an answer to the crucial question of whether the laws of Statistical mechanics hold in the case of multi dimensional Hamiltonian systems. The author studies how chaotic regions increase in size around unstable Simple Periodic Orbits (SPOs) in phase space, beyond a critical value of the energy, while the transition from limited to widespread chaos is indicated by the fact that in regions of different unstable SPOs the corresponding Lyapunov spectra converge to the same exponential – like function. Computing then the sum of the positive Lyapunov exponents, which corresponds to the so called Kolmogorov – Sinai entropy, it is shown that the systems that are studied in this thesis the KS entropy increases linearly as a function of the number of degrees of freedom N, thus confirming that it is an extensive quantity of Statistical Mechanics. Finally, the new method of the Linear Dependence Index (LDI) is introduced for distinguishing between regular and chaotic orbits and its advantages are described when compared with the methods of Chapters 3 and 4. It is worth mentioning also that many of the results of this thesis can be applied to the study of the dynamics of symplectic mappings, for which Mr. Antonopoulos developed a new method which combines his techniques with those of Evolutionary Algorithms, for determining the dynamical aperture radius for the stability of symplectic maps which describe the dynamics of high energy particle accelerators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε την κλασική δυναμική ατόμου υδρογόνου σε γενικευμένο δυναμικό Van der Waals. Το πρόβλημα ανήκει στην ευρύτερη κατηγορία των μη γραμμικών Χαμιλτώνιων δυναμικών συστημάτων. Σκοπός της μελέτης είναι η ανάλυση των ιδιομορφιών της κανονικής και χαοτικής κίνησης του συστήματος στο μιγαδικό πεδίο του χρόνου και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ολοκληρωσιμότητα και επιλυσιμότητά του. Εκείνο που θέλουμε να κατανοήσουμε, επίσης, είναι τον ρόλο που παίζει η εμφάνιση ιδιομορφιών σε κάποια σημεία του χώρου των φάσεων και κατά πόσο μπορούν αυτές να επηρεάσουν συνολικά τις ιδιότητες των λύσεων. Για πρώτη φορά, επίσης, στην διπλωματική αυτή εργασία εφαρμόζεται σε ένα Χαμιλτώνιο δυναμικό σύστημα μία νέα αριθμητική μέθοδος διάκρισης μεταξύ κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς σε διαφορετικές περιοχές του χώρου φάσεων, η μέθοδος των Μικρότερων Δεικτών Ευθυγράμμισης (Smaller Alignment Indices method ή SALI). Η μέθοδος αυτή έχει χρησιμοποιηθεί κατά το πρόσφατο παρελθόν σε απεικονίσεις δύο, τεσσάρων και έξι διαστάσεων με πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Χαρακτηριστικά της είναι η αποτελεσματικότητα και η δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμων συμπερασμάτων ως προς την κανονική και χαοτική φύση των τροχιών ενός δυναμικού συστήματος με μεγαλύτερη ταχύτητα και αξιοπιστία από την μέθοδο των χαρακτηριστικών εκθετών Lyapunov καθώς και άλλων νεότερων μεθόδων στην σύγχρονη βιβλιογραφία. Εδώ θα παρουσιασθεί η μέθοδος αυτή με ορισμένες βελτιώσεις ώστε να μπορεί να εφαρμοσθεί σε συστήματα μη γραμμικών διαφορικών εξισώσεων οποιασδήποτε διάστασης ελέγχοντας συστηματικά ένα όσο πυκνό πλέγμα αρχικών συνθηκών του χώρου φάσεων επιθυμούμε, αντιστοιχώντας σε κάθε μία από αυτές ένα χρώμα. Κάθε χρώμα αντιστοιχεί και σε ένα διαφορετικό εύρος τάξεων του SALI δημιουργώντας έτσι μία συνολική εικόνα στο χώρο φάσεων που μας επιτρέπει να γνωρίζουμε τη φύση της τροχιάς κάθε συγκεκριμένης αρχικής συνθήκης. Σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο το "μωσαϊκό" του χώρου φάσεων και αποκαλύπτονται περιοχές κανονικής κίνησης, χαοτικής κίνησης καθώς και νησίδες ή περιοχές στις οποίες δεν αντιστοιχεί καθόλου κίνηση. / In this master thesis we study the classical dynamics of hydrogen atoms in a generalized Van der Waals potential. The problem belongs to the class of non linear Hamiltonian systems. Our aim is the singularity analysis of the ordered and chaotic motion of the system in the complex plain of time and the extraction of valuable conclusions concerning its integrability and solvability. What we want to understand, also, is the role of the emergence of singularities in some points of the phase space of the aforementioned system and how the singularities can affect globally the properties of the solutions. For the first time, in this master thesis, we introduce and apply in a Hamiltonian system a new numerical method for the fast and efficient discrimination between ordered and chaotic motion in different parts of phase space, namely the method of the Smaller Alignment Index (SALI). The method has been introduced and applied recently in mappings of two, four and six dimensions with very satisfactory results. Its main characteristics are the effectiveness and the ability of extracting valuable conclusions about the ordered and chaotic nature of trajectories of a dynamical system faster than the traditional method of Lyapunov exponents as well as of other indices in the bibliography. We will introduce SALI with appropriate modifications that help using it in non linear systems of differential equations of arbitrary dimensions checking systematically a dense grid of initial conditions and corresponding in every orbit a different color. Every color corresponds to a different range of SALI values creating by that way a global picture of the phase space that allows us to know the dynamic nature of initial conditions. By that way, we construct a “mosaic” of the phase space and reveal parts of ordered motion as well as parts of chaotic motion and islands of stability.

Η σύγχρονη επιστήμη της εξωτερικής βλητικής έχει εξελιχθεί ως εξειδικευμένος κλάδος της δυναμικής των στερεών σωμάτων, που κινούνται υπό την επίδραση της βαρύτητας και των αεροδυναμικών δυνάμεων και ροπών. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η προσομοίωση του δυναμικού μοντέλου ατμοσφαιρικής τροχιάς των 6 βαθμών ελευθερίας (6-DOF), εφαρμόζεται για ακριβή πρόβλεψη τροχιών από διάφορες γωνίες βολής σε μικρά και σε μεγάλα βεληνεκή και γίνεται σύγκριση με το γραμμικό μοντέλο τροχιάς, για περιστρεφόμενα ή μη περιστρεφόμενα βλήματα και σφαίρες λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό Mach και τις μεταβολές της συνολικής γωνίας εκτροπής σε σχέση με τους μεταβλητούς και σταθερούς αεροδυναμικούς συντελεστές. Επίσης, μελετώνται τα δύο είδη ευστάθειας του βλήματος: η στατική ή γυροσκοπική ευστάθεια που αφορά τη στατική θέση ισορροπίας του βλήματος και η δυναμική ευστάθεια που αφορά την κινητική του κατάσταση. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης για ολοκληρωμένη ή απλοποιημένη κίνηση περιστρεφόμενων αξονοσυμμετρικών βλημάτων, μπορεί να μας περιγράψει την ακρογωνιαία φύση της επικυκλικής κίνησης των βλημάτων. Τέλος, αναπτύσσεται νέα σχέση υπολογισμού της επίδρασης του φαινόμενου της αεροδυναμικής αναπήδησης της ταχύτητας για περιστρεφόμενα βλήματα τα οποία πυροδοτούνται οριζόντια από μεταβλητές γωνίες, μέσα από ιπτάμενο όχημα (ελικόπτερο, πολεμικό αεροπλάνο). / On the battlefield, it is well known that the target effects using artillery systems diminish exponentially with the number of rounds fired at a particular target. To maximize target effects, rounds must be designed to hit a target with a minimum number of rounds that impact the target in rapid succession. The modern science of the exterior ballistics has evolved as a specialized branch of the dynamics of rigid bodies, moving under the influence of gravitational and aerodynamic forces and moments. The six degrees of freedom (6-DOF) simulation flight dynamics model is applied for the accurate prediction of short and long-range trajectories of high and low fin spin-stabilized projectiles and small bullets. Variable coefficients of aerodynamic forces, moments and Magnus effects are taken into account depending on Mach number and total angle of attack variations. The above analysis is compared to the modified linear modified simulation model for rapid trajectory predictions and high accuracy impact point computations for constant and variable aerodynamic coefficients is also applied for the accurate prediction of short and long range trajectories. The computational results of the proposed synthesized analysis give satisfactory agreement with other technical data and recognized exterior atmospheric projectile flight investigations. The variable modified atmospheric flight model can be further coupled to a suitable trajectory tracking control system for current and future control actions applied to projectiles for minimizing the estimated error to target impact area. Epicyclic motion and gyroscopic stability analysis are also examined for spinning and non-spinning projectiles. A new engineering correlation is proposed for the flat-fire disturbance due to aerodynamic jump performance firing at different angles which relative to the helicopter’s flight path motion. The computational results of the generalized aerodynamic jump formula are verified compared to McCoy’s recognized simulation modelling.