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.

Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, η παραγωγή, η κατασκευή και ο έλεγχος ενός χειρουργικού ρομποτικού εργαλείου με βελτιωμένα χαρακτηριστικά από το προηγούμενο πρωτότυπο. Το λαπαροσκοπικό εργαλείο αποτελείται από συνδέσμους σε σειρά οι οποίοι ενεργοποιούνται με μορφομνήμονα καλώδια, οι οποίοι λειτουργούν σαν δυαδικοί ενεργοποιητές με δύο πιθανές καταστάσεις. Κάθε σύνδεσμος αποτελείται από τρεις πρισματικούς ενεργοποιητές, οι οποίοι δημιουργούν μια πλατφόρμα Stewart και παρέχουν μια 3 βαθμών ελευθερίας κινητικότητα σε κάθε σύνδεσμο. Τα ηλεκτρονικά είναι ενσωματωμένα στο εσωτερικό των συνδέσμων, σε αρχιτεκτονική Master-Slave. Η επικοινωνία μεταξύ του χειρούργου και του εργαλείου επιτυγχάνεται με I2C δικτυωμένους μικρο-ελεγχτές, Στον τελευταίο σύνδεσμο του εργαλείου, υπάρχει μια στερεοσκοπική κάμερα και μια πλακέτα IMU η οποία προσφέρει πληροφορίες προσανατολισμού. Επιπρόσθετα, ένα σύστημα αντίληψης δύναμης το οποίο είναι ικανό να επικολληθεί στην επόμενη έκδοση του εργαλείου. Εν κατακλείδι, σχεδιαστικές παράμετροι καθώς και η κινηματική του δυαδικού βραχίονα παρουσιάζεται σε προσομοίωση και πειραματικές μελέτες του λαπαροσκοπικού πρωτότυπου εργαλείου. / The subject of this master thesis is the design, the fabrication, the construction and the control of a surgical robotic tool with improved characteristics than previous version. The laparoscopic tool consists of cascaded links which are powered by Shape Memory Alloys wires, acting as binary actuators with two stable states. Each link is composed of three prismatic actuators, creating a Stewart platform and providing a 3-DOF maneuverability for each joint. The electronics are embedded in the inner cavity of the links in, Master-Slave architecture. The communication between the surgeon and the tool is achieved with I2C-networked microcontrollers. In the distal link of the tool, there is a stereoscopic camera and an IMU board that offers orientation information. Moreover, a Force Sensing System, that is able to be attached to the next version of the current tool. Finally, certain design aspects as well as the kinematics of the binary manipulator are presented simulation and experimental studies on the laparoscopic tool prototype.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός αποδοτικού συστήματος ελέγχου που θα επιτυγχάνει τον ακριβή έλεγχο της θέσης ενός λαπαροσκοπικού ρομποτικού εργαλείου που χρησιμοποιεί ‘έξυπνα μορφομνήμονα κράματα’ ως τένοντες-επενεργητές. Το γεγονός ότι το εργαλείο που χρησιμοποιείται είναι με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, καθιστά ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα την επίλυση της αντίστροφης κινηματικής. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι, μέσω τεχνικών υπολογιστικής όρασης, να επιλυθεί προσεγγιστικά η αντίστροφη κινηματική ανάλυση της θέσης των αρθρώσεων του ρομποτικού εργαλείου. Ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου χρησιμοποιεί την αριθμητική επίλυση των γωνιών των αρθρώσεων από την αντίστροφη κινηματική για την επιτυχή παρακολούθηση της επιθυμητής τροχιάς του ρομποτικού εργαλείου. / This thesis deals with the development of a robust control system responsible for the precise position control of an innovative, SMA-based tendon-driven endoscopic robotic surgical tool. Given the hyper-redundant features of this robotic tool, the solution to the inverse kinematics problem is quite complicated. Henceforth, the main objective of this thesis is the numerical solution of the joints' positions using image processing techniques. The proposed control law utilizes this information for trajectory tracking purposes of the tool's end-effector.