Διπλωματική Εργασία των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Διπλωματική Εργασία των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ Διπλωματική Εργασία των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ευαγγελίου Γ. Νικόλαου Α.Μ Γιαταγάνα Θ. Πέτρου Α.Μ Θέμα ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΠΟΛΥΑΡΘΡΩΤΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Επιβλέπων Τζες Αντώνιος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2011

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΠΟΛΥΑΡΘΡΩΤΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ» Των φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ευαγγελίου Γ. Νικόλαου Α.Μ Γιαταγάνα Θ. Πέτρου Α.Μ Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 1/7/2011 Ο Επιβλέπων Τζες Αντώνιος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Κούσουλας Νικόλαος Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΠΟΛΥΑΡΘΡΩΤΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ» Φοιτητές: Ευαγγελίου Νικόλαος Α.Μ Επιβλέπων: Αντώνιος Τζες Γιαταγάνας Πέτρος Α.Μ Περίληψη Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να αποκτήσουμε μία βασική γνώση όλων των διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων που πρέπει να εξεταστούν για να είναι εφικτή η κατασκευή και ο έλεγχος ενός πολυαρθρωτού εργαλείου. Επιπλέον, όλες οι αναλυτικές μέθοδοι ελέγχου που βασίζονται στις ιδιαιτερότητες των SMA παρουσιάζονται λεπτομερώς, ώστε να παραχθεί μία ικανοποιητική λύση βασιζόμενη στις μεταβολές κατάστασης των κραμάτων και του συγκεκριμένου βραχίονα. Με άλλα λόγια, μία πλήρης γνώση του πώς σχεδιάζουμε, κατασκευάζουμε, προσομοιώνουμε, ελέγχουμε και απεικονίζουμε ένα λειτουργικό μικροσκοπικό πολυαρθρωτό βραχίονα, με τένοντες βασισμένους σε SMA για ελάχιστα επεμβατική χειρουργική είναι ο στόχος της παρούσας εργασίας.

4 Eisvagwg Η παρούσ α διπλωματική εργασ ία παρέχει μία αναλυτική παρουσ ίασ η του σ υνόλου των διαδικασ ιών που θα πρέπει να αξιολογηθούν για τον σ χεδιασ μό, την κατασ κευή και τον αποτελεσ ματικό έλεγχο ενός μικροσ κοπικού βραχίονα πολλών βαθμών ελευθερίας, με σ τόχο να μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί σ ε ελάχισ τα ε- πεμβατικές χειρουργικές επεμβάσ εις με την βοήθεια ρομπότ, όπου ο μηχανισ μός ενεργοποίησ ης βασ ίζεται αποκλεισ τικά σ ε έξυπνα υλικά και πιο σ υγκεκριμένα σ τα μορφομεταβλητά κράματα μνήμης γνωσ τά ως SMA. Η ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική είναι μία πολύ σ υγκεκριμένη χειρουργική διαδικασ ία η οποία γνωρίζει μεγάλης απήχησ ης τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων που προσ φέρει τόσ ο για τον γιατρό-χειρούργο όσ ο και για τον ασ θενή. Επιπλέον, οι εξελίξεις σ την ρομποτική έχουν φέρει επανάσ τασ η σ τον ιατρικό χώρο και ειδικά σ την ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική, η οποία κατά σ υνέπεια βρίσ κεται σ υνεχώς σ το προσ κήνιο. Επομένως, σ το πρώτο κεφάλαιο θα παρουσ ιασ τεί μία αναλυτική εξήγησ η της λαπαροσ κοπικής επέμβασ ης και όλων των ιδιοτήτων και των απαιτήσ εων της. Βασ ιζόμενοι σ τις απαιτήσ εις αυτές θα γίνει μία αναλυτική εξέτασ η όλων των υπαρχόντων πλατφορμών για τέτοιου είδους επέμβασ η, που παρουσ ιάζουν όπως θα δούμε μία τεράσ τια ποικιλία σ χημάτων και μηχανισ μών ενεργοποίησ ης, ώσ τε να μπορούμε να καθορίσ ουμε τις προκλήσ εις που εγείρονται κατά την υλοποίησ η τέτοιων εργαλείων (βλ. κεφάλαιο 1). Η επισ κόπησ η των πλατφορμών για ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική θα ακολουθηθεί από μία λεπτομερή μελέτη των υπαρχόντων έξυπνων υλικών για ενεργοποίησ η των μηχανισ μών τους. Τόσ ο οι δυνατότητές τους, όσ ο και οι πιθανές χρήσ εις τους παρουσ ιάζονται αναλυτικά. Ομως, το ενδιαφέρον μας θα σ τραφεί κυρίως γύρω από τα μορφομεταβλητά κράματα μνήμης, τα οποία είναι άλλωσ τε και ο αποκλεισ τικός μηχανισ μός ενεργοποίησ ης που επιλέχθηκε για την παρούσ α εργασ ία. Ειδικότερα οι ιδιότητές των κραμάτων Νικελίου-Τιτανίου που επιλέχθηκαν σ την προκειμένη περίπτωσ η θα παρουσ ιασ τούν αναλυτικά μαζί με τα μειονεκτήματά τους τα οποία και θα πρέπει να ξεπερασ τούν (βλ. κεφάλαιο 2 ). Λαμβάνοντας υπόψη τα προαναφερθέντα θεωρητικά κεφάλαια, θα ξεκινήσ ουμε μία αναλυτική παρουσ ίασ η του σ χεδιασ μένου πρωτοτύπου μας ξεκινώντας από την κινηματική ανάλυσ η. Η ορθή κινηματική και ο χώρος εργασ ίας του βραχίονα υπολογίζονται και διάφορες μέθοδοι αντίσ τροφης κινηματικής εξομοιώνονται ώσ τε να υιοθετηθεί η πιο ικανοποιητική λύσ η για την περίπτωσ ή μας. (βλ. κεφάλαιο 3). Η σ υγκεκριμένη κινηματική ανάλυσ η βασ ίζεται σ αφώς σ τις ιδιότητες του α- 1

5 2 νεπτυγμένου λαπαροσ κοπικού εργαλείου. Μία λεπτομερής ανάλυσ η, επομένως, του σ χεδιασ μού και της κατασ κευής αυτού του εργαλείου και της όλης πλατφόρμας παρουσ ιάζονται αναλυτικά σ ε αυτό το κεφάλαιο, μαζί με τις λεπτομέρειες και τα οφέλη κάθε βήματος που γινόταν. Επιπλέον, ένα σ ύσ τημα οπτικής αναγνώρισ ης σ ημείου σ τον τρισ διάσ τατο χώρο, ειδικά σ υγχωνευμένο σ την πλατφόρμα για ανατροφοδότησ η της θέσ ης του βραχίονα θα αναπτυχθεί, καθώς επίσ ης και ένα γραφικό περιβάλλον διεπαφής χρήσ τη, ώσ τε η κίνησ η του εργαλείου να είναι απεικονίσ ιμη σ ε υπολογισ τή και εύκολα κατανοητή (βλ. κεφάλαιο 4). Τέλος, μετά την διαδικασ ία κατασ κευής, έπεται η υλοποίησ η ελεγκτών ανοιχτού και κλεισ τού βρόγχου ώσ τε να μπορέσ ουμε να ελέγξουμε την θέσ η και τον προσ ανατολισ μό του βραχίονα, να εξαλείψουμε τα ελαττώματα των SMA και να οδηγηθούμε σ ε σ υμπεράσ ματα σ χετικά με την απόδοσ η της αναπτυχθείσ ας πλατφόρμας (βλ. κεφάλαιο 5). Αξίζει επίσ ης να σ ημειωθεί ότι ένα ειδικό κεφάλαιο βρίσ κεται σ το τέλος αυτής της εργασ ίας, που επεξηγεί όλους τους κώδικες και τις βιβλιοθήκες σ ε διάφορα προγράμματα που χρησ ιμοποιήθηκαν για την υλοποίησ η της πειραματικής διαδικασ ίας της εργασ ίας μας. Συνοψίζοντας όλες τις παραπάνω παραγράφους σ ε μία, ο σ τόχος αυτής της εργασ ίας είναι να αποκτήσ ουμε μία βασ ική γνώσ η όλων των διαφορετικών σ χεδιασ τικών παραμέτρων που πρέπει να εξετασ τούν για να είναι εφικτή η κατασ κευή και ο έλεγχος ενός πολυαρθρωτού εργαλείου. Επιπλέον, όλες οι αναλυτικές μέθοδοι ελέγχου που βασ ίζονται σ τις ιδιαιτερότητες των SMA παρουσ ιάζονται λεπτομερώς, ώσ τε να παραχθεί μία ικανοποιητική λύσ η βασ ιζόμενη σ τις μεταβολές κατάσ τασ ης των κραμάτων και του σ υγκεκριμένου βραχίονα. Με άλλα λόγια, μία πλήρης γνώσ η του πώς σ χεδιάζουμε, κατασ κευάζουμε, προσ ομοιώνουμε, ελέγχουμε και απεικονίζουμε ένα λειτουργικό μικροσ κοπικό πολυαρθρωτό βραχίονα, με τένοντες βασ ισ μένους σ ε SMA για ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική είναι ο σ τόχος της παρούσ ας εργασ ίας. Αυτή η δουλειά πραγματοποιήθηκε με άψογη σ υνεργασ ία μεταξύ των δύο σ υμμετεχόντων. Ο κ. Γιαταγάνας ήταν κυρίως υπεύθυνος για την υλοποίησ η και σ υγγραφή των κεφαλαίων 1,3,5 και ο κ. Ευαγγελίου για την σ υγγραφή και την υλοποίησ η των κεφαλαίων 2,4,6. Πρέπει να σ ημειωθεί για μια ακόμη φορά, όμως, ότι χωρίς τη σ υνεργασ ία και τις έξυπνες ιδέες και των δύο σ υμμετεχόντων δεν θα μπορούσ ε να ολοκληρωθεί αυτή η εργασ ία.

6 EuqarisvtÐec Η ολοκλήρωσ η της σ υγκεκριμένης εργασ ίας δεν θα ήταν δυνατή εάν δεν υπήρχαν σ υγκεκριμένα άτομα που μας παρείχαν την απαραίτητη γνώσ η και σ τήριξη όπου και όποτε χρειάσ τηκε. Αρχικά τον καθηγητή κ. Τζε, επιβλέποντα της σ υγκεκριμένης εργασ ίας, που ήταν ο εμπνευσ τής της σ υγκεκριμένης εργασ ίας και μας βοήθησ ε σ ημαντικά καθ όλη τη διάρκεια με τις γνώσ εις του, καθώς και σ την ποιοτικότερη ανάλυσ η της διαδικασ ίας και των παραγόμενων αποτελεσ μάτων. Τον καθηγητή κ. Μάνεσ η, ο οποίος ήταν ο σ υνεπιβλέπων καθηγητής και μας παρείχε τις απαραίτητες τεχνικές γνώσ εις για κατάλληλο σ χεδιασ μό και υλοποίησ η του σ υγκεκριμένου εργαλείου. Τους διδακτορικούς φοιτητές του εργασ τηρίου αυτοματισ μών και ελέγχου οι οποίοι είχαν καταλυτική σ υνεισ φορά σ τη σ υγκεκριμένη εργασ ία. Ο κ. Κοβέος, κ. Ανδριανέσ ης, κα. Κελασ ίδη, κ. Αρβανιτάκης, κ. Στεργιόπουλος και η κα. Βάγια μας βοήθησ αν οποτεδήποτε χρειαζόταν να προσ φέρουν και είμασ τε ευγνώμονες για τον κόπο τους. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαρισ τώ σ τους γονείς και φίλους που μας βοήθησ αν, ο καθένας με τον δικό του τρόπο να φέρουμε εις πέρας αυτό το κοπιασ τικό έργο. Σε όλους αυτούς, λοιπόν, τους ανθρώπους που πέρασ αν μέρος του χρόνου τους για να μας ενθαρρύνουν και να μας βοηθήσ ουν με κάθε τρόπο για να πραγματοποιήσ ουμε όχι μία ακόμα εργασ ία, αλλά ένα προσ ωπικό όνειρο, ένα μεγάλο ευχαρισ τώ. 3

7 . 4

8 Perieqìmena Περιεχόμενα 5 Κατάλογος Σχημάτων 9 1 ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ Εισ αγωγή σ την Ελάχισ τα Επεμβατική Χειρουργική Υποβοηθούμενη από Υπολογισ τή Χειρουργική Ρομποτική Χειρουργική Παρούσ α Κατάσ τασ η Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Ρομποτικής Χειρουργικής Σημαντικότερα χειρουργικά ρομποτικά σ υσ τήματα Το ρομποτικό χειρουργικό σ ύσ τημα Da V inci R Η κονσ όλα του χειρούργου Ο χειρουργικός πύργος Το σ ύσ τημα 3D απεικόνισ ης Τα ρομποτικά χειρουργικά εργαλεία EndoW rist R Πρωτότυπο χειρουργικό σ ύσ τημα CardioARM TM Το χειρουργικό ρομπότ i Snake Το ρομποτικό χειρουργικό σ ύσ τημα S.O.F.I.E Ερευνητικές προσ πάθειες εξέλιξης των λαπαροσ κοπικών χειρουργικών εργαλείων Λαπαροσ κοπικά εργαλεία που φέρουν DC - Κινητήρες για ενεργοποίησ η Λαπαροσ κοπικά εργαλεία με πνευματικούς/υδραυλικούς ε- πενεργητές Λαπαροσ κοπικά εργαλεία με χρήσ η έξυπνων υλικών Χρήσ η μορφομεταβλητών κραμάτων μνήμης ως έξυπνα υλικά Χρήσ η άλλων έξυπνων υλικών Γενικό σ υμπέρασ μα ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Εισ αγωγή σ τα Εξυπνα Υλικά

9 ΠΕΡΙΕΧ ΟΜΕΝΑ Αγώγιμα Πολυμερή Διηλεκτρικά Ελασ τομερή Πιεζοηλεκτρικά Υλικά Gel Πολυμερή Ηλεκτροενεργά Πολυμερή Μορφομεταβλητά Κράματα Φαινόμενο μνήμη της μορφής Ελεγχος θερμοκρασ ίας ενός SMA σ τοιχείου Θέρμανσ η Ψύξη Στοιχεία Peltier Κύκλοι ζωής του υλικού Υπερελασ τικότητα Διπλής διεύθυνσ ης (Two-way) SME Μίας διεύθυνσ ης (One-way) SME Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των SMA ενεργοποιητών Πλεονεκτήματα: Περιορισ μοί Μαγνητικά Μορφομνήμονα Υλικά - Magnetic Shape Memory (MSM) Materials Εμπορικά κράματα SMA Κράματα με βάσ η το χαλκό (Cu) Κράματα Νικελίου-Τιτανίου (NiTi) Κατασ κευή του κράματος NiTi Διαμόρφωσ η σ χήματος σ τα κράματα NiTi ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Ορθή Κινηματική Προσ ομοίωσ η Αντίσ τροφη κινηματική με χρήσ η της μεθόδου αντισ τροφής της Ιακωβιανής Αντίσ τροφη κινηματική χρησ ιμοποιώντας Αλγόριθμο Βελτισ τοποίησ ης Ελαχισ τοποίησ η του σ φάλματος θέσ ης Ελαχισ τοποίησ η του σ φάλματος γωνίας Εργαλειοθήκες Βελτισ τοποίησ ης Μέθοδος Interior Point για μη γραμμική Ελαχισ τοποίησ η Sequential Quadratic Programming (SQP) Συμπεράσ ματα ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟ- ΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ Σχεδιασ μός και κατασ κευασ τικά σ τοιχεία του λαπαροσ κόπιου Οι σ ταυροειδούς τύπου σ ύνδεσ μοι Σχεδιασ μός του σ ταθερού σ ώματος

10 ΠΕΡΙΕΧ ΟΜΕΝΑ Σταθεροποίησ η του βραχίονα Ανάλυσ η των ανταγωνισ τικών δυνάμεων Σύνδεσ η των ανωτέρω μερών Αρχική ρύθμισ η της κατασ κευής Ρύθμισ η των μορφομεταβλητών κραμάτων μνήμης Ολοκλήρωσ η και βελτισ τοποίησ η της κατασ κευής του βραχίονα Κατασ κευή των ηλεκτρονικών Σύσ τημα Καμερών Γενικά χαρακτηρισ τικά Σύσ τημα Βίντεο Προσ αρμοσ μένη Βάσ η για το Σύσ τημα Καμερών Εύρεσ η του σ ημείου Βαθμονόμησ η των καμερών Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη Συμπέρασ μα ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Στρατηγικές ελέγχου των μορφομεταβλητών κραμάτων μνήμης Ελεγχος ανοιχτού βρόγχου Βηματική Απόκρισ η Χώρος εργασ ίας Ελεγχος κλεισ τού βρόγχου Σύσ τημα ελέγχου Προ-ρυθμισ μένος έλεγχος (Oine Tuned Control) Αναλογικός Ελεγχος (Proportional Control) Διάχυσ η θερμότητας Φορτική ικανότητα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 147 Bibliography 149 Αʹ ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ (vi) ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ LABV IEW 157 Αʹ.1 Αντίσ τροφη Κινηματική (2η ενότητα) Αʹ.2 Εγγραφή σ ε αρχείο (2η ενότητα) Αʹ.3 Απόσ τασ η από το τελικό επιθυμητό σ ημείο (2η ενότητα) Αʹ.4 Ελεγκτές ρευμάτων (2η ενότητα) Αʹ.5 Επικοινωνία με τον μικροεπεξεργασ τή (3η ενότητα) Αʹ.6 Τρισ διάσ τατο σ ύσ τημα καμερών (5η ενότητα) Αʹ.7 Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη Βʹ ΚΩΔΙΚΑΣ MAT LAB 174 Βʹ.1 Ορθή κινηματική Βʹ.2 Αντίσ τροφη Κινηματική - Κώδικας σ υνάρτησ ης fmincon

11 ΠΕΡΙΕΧ ΟΜΕΝΑ 8 Βʹ.3 Ανάλυσ η της διαδικασ ίας σ χεδιασ μού του χώρου εργασ ίας του βραχίονα - Συνάρτησ η Convex Hull (Delaunay triangulation) Βʹ.3.1 Απεικόνισ η Χώρου εργασ ίας χρησ ιμοποιώντας την σ υνάρτησ η mesh

12 Katˆlogoc Sqhmˆtwn 1.1 Υποβοηθούμενη από Υπολογισ τή Χειρουργική Ροή Πληροφορίας σ ε ένα Σύσ τημα Ρομποτικής Χειρουργικής Ισ τορική Αναδρομή σ τα Ρομποτικά Χειρουργικά Συσ τήματα Το ρομποτικό χειρουργικό σ ύσ τημα da Vinci R Ετήσ ιες χειρουργικές επεμβάσ εις με το σ ύσ τημα da Vinci σ ε παγκόσ μιο επίπεδο[1] Στιγμιότυπα από την διαδικασ ία κατασ κευής του χάρτινου αεροπλάνου με το Da Vinci Εγκατάσ τασ η ενός Συσ τήματος Da Vinci κατά τη διάρκεια μιας εγχείρησ ης Διαφορετικά EndoWrist R Εργαλεία Το πρωτότυπο του HARP το Η τελευταία έκδοσ η του CardioARM Το ρομπότ i-snake και το ακραίο σ ημείο του Το ρομποτικό σ ύσ τημα S.O.F.I.E Εικόνες του ρομποτικού εργαλείου χειρός Εικόνες του λαπαροσ κοπικού εργαλείου Naviot Λαπαροσ κοπικός βραχίονας LER του Berkelman με προσ αρμοσ μένο εργαλείο επέμβασ ης Πλατφόρμα του αρθρωτού τηλεχειριζόμενου σ υσ τήματος Κονσ όλα τηλεχειρισ μού Καινοτόμο σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης Εικόνες του DSD βραχίονα με λαβίδα Συναρμολογούμενο χέρι 9 βαθμών ελευθερίας με 3 δάχτυλα Εικόνες του Colobot Πνευματικός βραχίονας του T andano Λαβίδα με ενσ ωματωμένο επενεργητή για το άκρο σ ύσ φιξης Βραχίονας βασ ισ μένος σ ε SMA ενεργοποιητές Ευλύγισ το χάπι βασ ισ μένο σ ε SMA Εξυπνα Υλικά Αγώγιμα πολυμερή Διηλεκτρικά Ελασ τομερή Πιεζοηλεκτρικά Υλικά

13 Κατάλογος Σχημάτων Gel Πολυμερή Ενεργοποιητής από EAP καμπτόμενος υπό ηλεκτρική διέγερσ η 2 /50Α Σύγκρισ η φυσ ικών παραμέτρων των διάφορων έξυπνων υλικών σ ε σ χέσ η με τα SMA Συγκριτικό διάγραμμα διάφορων έξυπνων υλικών Κρυσ ταλλική Δομή υλικού κατά την διάρκεια το SME Βρόχος Θερμικής Υσ τέρησ ης σ τα SMA Σχέσ η τάσ ης-τροπής σ τα SMA σ τη ψυχρή κατάσ τασ η Υπερελασ τικότητα σ ε ένα αυτο-αναπτυσ σ όμενο NiTiNOL stent Διάφοροι τρόποι παραγωγής δύναμης επαναφοράς Σχέσ η ενεργειακής πυκνότητας - βάρους διάφορων ενεργοποιητών Συγκριτικός πίνακας φυσ ικών ιδιοτήτων διαφόρων SMA Συσ τήματα σ υντεταγμένων όλων των βαθμών ελευθερίας Τρισ διάσ τατη απεικόνισ η του ρομποτικού βραχίονα με το Robotics Toolbox Δισ διάσ τατη απεικόνισ η του ρομποτικού βραχίονα με το Robotics Toolbox Αντίσ τροφη κινηματική βηματικής κίνησ ης για μεταβαλλόμενη αρχική θέσ η Προσ έγγισ η των γωνιών από τον αλγόριθμο βελτισ τοποίησ ης Ο σ ταυροειδής σ ύνδεσ μος Σχεδιασ μός άκαμπτων μερών Κατασ κευασ τική λεπτομέρεια του ακραίου σ ώματος Ξύλινη βάσ η και πάκτωσ η Εικόνα κατασ κευασ μένου μη-ρυθμισ μένου βραχίονα Ηλεκτρονική Ζυγαριά ακριβείας Η τεθλασ μένη ρύθμισ η του βραχίονα από διάφορες γωνίες λήψης Ελασ τικός σ ωλήνας τοποθέτησ ης των τενόντων/sma Τένοντας με χαρακτηρισ τικό άκρο πρόσ δεσ ης Σχηματισ μένοι κρίκοι με χρήσ η ακροδεκτών Χρήσ η tier up για διασ ύνδεσ η με SMA Πάκτωσ η των SMA με καρφιά σ υμπίεσ ης Κρίκος με σ πείρωμα σ το άκρο Δρομολόγησ η αγωγών και τενόντων σ το πίσ ω μέρος της κατασ κευής Δημιουργία σ ήματος τάσ ης μέσ ω παλμού διαμορφωμένου πλάτους Πλακέτα προγραμματισ μού ST M H Ηλεκτρονικό κύκλωμα και πλακέτα υλοποίησ ης Υλοποιημένη πλακέτα ηλεκτρονικών Σύνδεσ η ουδετέρων και σ υνδετήρες καλωδίων Πλήρης όψη ηλεκτρονικής εγκατάσ τασ ης Κάμερα Τρισ διάσ τατη και πραγματική αναπαράσ τασ η της προσ αρμοσ μένης βάσ ης των καμερών

14 Κατάλογος Σχημάτων Κανόνας των όμοιων τριγώνων Παράμετροι βαθμονόμησ ης του επιπέδου προβολής Συσ τήματα αναφοράς σ την προβολή των καμερών D απεικόνισ η μέσ ω του λογισ μικού Solidworks Αναλυτική παρουσ ίασ η του γραφικού περιβάλλοντος Διαφορετική άποψη της τρισ διάσ τατης σ κηνής μέσ α σ το γραφικό περιβάλλον Βηματική απόκρισ η κατά τη φάσ η θέρμανσ ης Βηματική απόκρισ η κατά τη φάσ η ψύξης Χώρος εργασ ίας του βραχίονα Σύσ τημα κλεισ τού βρόχου Απόσ τασ η του τελικού σ ημείου από το σ τόχο Θέσ η του τελικού σ ημείου ανά άξονα Ροή ρευμάτων ανά βαθμό ελευθερίας Τρισ διάσ τατη απεικόνισ η της απόκρισ ης του ρομποτικού βραχίονα Αποκρίσ εις χρόνου των σ υντεταγμένων θέσ ης p m x, p m y και p m z Παρεχόμενα ρεύματα σ τα SMA κατά την κίνησ η Αʹ.1 Ενότητες του block διαγράμματος του κυρίου manipulator.vi Αʹ.2 1η ενότητα του manipulator.vi Αʹ.3 2η ενότητα του manipulator.vi Αʹ.4 3η ενότητα του manipulator.vi Αʹ.5 4η ενότητα του manipulator.vi Αʹ.6 5η ενότητα του manipulator.vi Αʹ.7 Το VI του σ υσ τήματος της Αντίσ τροφης Κινηματικής σ την οποία έχει χρησ ιμοποιηθεί η εργαλειοθήκη Nonlinear Optimization Toolbox Αʹ.8 Αντίσ τροφη Κινηματική (σ ύσ τημα της σ υνάρτησ ης βελτισ τοποίησ ης) 162 Αʹ.9 Το block διάγραμμα της αντίσ τροφης κινηματικής με τη μέθοδο της ημι-ιακωβιανής Αʹ.10Σύσ τημα για εγγραφή σ ε αρχείο Αʹ.11Σύσ τημα υπολογισ μού της απόσ τασ ης από το τελικό επιθυμητό σ ημείο 164 Αʹ.12Διάγραμμα του Προ-ρυθμισ μένου ελεγκτή Αʹ.13Διάγραμμα του αναλογικού ελεγκτή Αʹ.14Σύσ τημα για την επικοινωνία με τον μικροεπεξεργασ τή (είσ οδος) Αʹ.15Σύσ τημα για την επικοινωνία με τον μικροεπεξεργασ τή (έξοδος) Αʹ.16Σύσ τημα επεξεργασ ίας εικόνας Αʹ.17Σύσ τημα επεξεργασ ίας εικόνας της πρώτης κάμερας Αʹ.18Σύσ τημα επεξεργασ ίας εικόνας της δεύτερης κάμερας Αʹ.19Front panel της γραφικής διεπαφής του χρήσ τη Αʹ.20Ενότητες του block διαγράμματος της γραφικής διεπαφής του χρήσ τη 169 Αʹ.21Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (1η ενότητα) Αʹ.22Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (2η ενότητα) Αʹ.23Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (3η ενότητα) Αʹ.24Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (4η ενότητα) Αʹ.25Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (5η ενότητα)

15 Κατάλογος Σχημάτων 12 Αʹ.26Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (6η ενότητα) Αʹ.27Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (7η ενότητα) Αʹ.28Γραφική Διεπαφή Χρήσ τη (8η ενότητα) Βʹ.1 Δειγματοληψία σ ημείων

16 Kefˆlaio 1 ELAQISTA EPEMBATIKH QEIROURGIKH 1.1 Eisvagwg svthn Elˆqisvta Epembatik Qeirourgik Μια νέα προσ έγγισ η σ το χώρο των επεμβάσ εων ξεκίνησ ε να εφαρμόζεται σ τα μέσ α της δεκαετίας του Αυτή η προσ έγγισ η είναι γνωσ τή με τον όρο ε- λάχισ τα επεμβατική χειρουργική (minimally invasive surgery MIS or keyhole surgery). Μέσ ω αυτής της σ ύγχρονης χειρουργικής μεθόδου ήταν δυνατή η ε- κτέλεσ η χειρουργικών επεμβάσ εων με ελάχισ το τραύμα και μικρό χρόνο ανάρρωσ ης των ασ θενών. Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες οι οποίες περιγράφουν το ποσ οσ τό διεισ δυτικότητας των χειρουργικών διαδικασ ιών. Αυτές είναι: α) οι μη επεμβατικές διαδικασ ίες, β) οι ελάχισ τα επεμβατικές διαδικασ ίες, και γ) οι επεμβατικές διαδικασ ίες (αυτές ονομάζονται επίσ ης ανοικτές χειρουργικές επεμβάσ εις). Οι ελάχισ τα επεμβατικές επεμβάσ εις εκτελούνται από εργαλεία που ονομάζονται ενδοσ κοπικά ή λαπαροσ κοπικά. Αυτά εισ άγονται σ το σ ώμα του ασ θενούς μέσ α από μικρές τομές (από 0.5 cm έως το πολύ 2 cm ) και καθοδηγούνται μέσ ω του σ ώματος του ασ θενούς με τη βοήθεια μικροσ κοπικών καμερών, οι οποίες τοποθετούνται σ τις άκρες των εργαλείων, και μεταδίδουν εικόνες από το εσ ωτερικό του ασ θενή σ ε οθόνες. Συνήθως, η σ υνολική επέμβασ η περιλαμβάνει τον τηλεχειρισ μό των διάφορων χειρουργικών οργάνων με την έμμεσ η παρατήρησ η του χειρουργικού πεδίου. Η επιτυχία της μεθόδου ήταν τόσ ο μεγάλη που άλλαξε την πορεία της σ ύγχρονης ιατρικής επισ τήμης και δημιούργησ ε μια νέα ειδικότητα, αυτή της ενδοσ κοπικής χειρουργικής. Αυτή βελτίωσ ε σ ημαντικά τις σ υνθήκες νοσ ηλείας και φροντίδας των χειρουργημένων ασ θενών. Η ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική σ χεδόν μηδένισ ε τον μετεγχειρητικό πόνο, την απώλεια αίματος, τις διάφορες ουλές, λοιμώξεις και μετεγχειρητικές επιπλοκές, όπως οι σ υμφύσ εις, σ ε σ ύγκρισ η με τις αντίσ τοιχες παραδοσ ιακές επεμβατικές διαδικασ ίες. Οι διαδικασ ίες αυτές απαιτούσ αν σ το παρελθόν αρκετές ημέρες νοσ ηλείας, ενώ με την ελάχισ τα επεμβατική μέθοδο απαιτείται το περισ σ ότερο μια ημέρα νοσ ηλείας (one day clinic), με σ υνέπεια χαμηλότερο κόσ τος για τους νοσ ηλευόμενους ασ θενείς. 13

17 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 14 Η ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική μπορεί να επιτρέψει, επίσ ης, σ ε περισ σ ότερους ανθρώπους - μερικοί από τους οποίους μπορεί να μην είναι υποψήφιοι για ανοιχτή χειρουργική επέμβασ η - να υποβληθούν σ ε χειρουργική αποκατάσ τασ η. Η πρώτη καταγεγραμμένη ρομποτική χειρουργική επέμβασ η έγινε σ τις 11 Α- πριλίου 1985 σ το Memorial Medical Center, Long Beach CA, σ τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής [2]. Συγκεκριμένα, το ρομπότ Puma 560 χρησ ιμοποιήθηκε από τον Kwoh για την καθοδήγησ η μιας βελόνας με μεγάλη ακρίβεια κατά τη διάρκεια μιας νευροχειρουργικής βιοψίας με καθοδήγησ η CT (computed tomography). Η ιδέα ήταν να χρησ ιμοποιηθεί μια σ κληρή μηχανική κατασ κευή για να σ ταθεροποιηθεί ο οδηγός έτσ ι ώσ τε να μπορεί να εισ αχθεί ο καθετήρας σ τον ασ θενή και να πλησ ιάσ ει το χειρουργικό σ τόχο βαθιά σ τον εγκέφαλο σ ε ευθεία πορεία αποφεύγοντας ζωτικές δομές του εγκεφάλου. Η ευθεία τροχιά ορίσ τηκε εξαρχής από τον χειρουργό χρησ ιμοποιώντας CT καθοδήγησ η έτσ ι ώσ τε να μην υπάρξουν νευρολογικές βλάβες οφειλόμενες από τον καθετήρα. Από την άλλη πλευρά, η λαπαροσ κοπική χειρουργική ήταν μια τεράσ τια τεχνολογική καινοτομία για την ιατρική, αλλά όταν η χρήσ η της χειρουργικής μεθόδου έγινε ευρύτερη, κάποιες αποτυχίες σ υνέβησ αν που έθεσ αν εμπόδια σ την περαιτέρω ανάπτυξή της. Για παράδειγμα, σ τη λαπαροσ κοπική χειρουργική επέμβασ η ο χειρουργός έπρεπε να χειρουργεί με την καθοδήγησ η βίντεο χωρίς την άμεσ η επαφή με τον ασ θενή, πράγμα που σ ημαίνει ότι χειρουργός θα λειτουργούσ ε σ ε ένα εικονικό δισ διάσ τατο χώρο με την απώλεια του βάθους του χειρουργικού πεδίου. Επίσ ης, δεν υπήρχε απτική ανάδρασ η από το χειρουργικό πεδίο πίσ ω σ το χειρουργό, ο οποίος, επιπλέον, εμποδιζόταν σ ε πολύπλοκες επεμβάσ εις από το μήκος και κυρίως την ακαμψία των εργαλείων. Επιπλέον, ο χειρισ μός της λαπαροσ κοπικής κάμερας οδηγούσ ε σ την κίνησ η της λαπαροσ κοπικής εικόνας σ την οθόνη, καθώς ο φυσ ικός τρόμος του ανθρώπινου χεριού και η κίνησ η του σ φυγμού είχε ως αποτέλεσ μα την ανάλογη σ ε μεγέθυνσ η κίνησ η της λαπαροσ κοπικής εικόνας, ιδιαίτερα όταν η επέμβασ η εκτελείται με δεκαπλάσ ια ή και μεγαλύτερη μεγέθυνσ η του αντικειμενικού χειρουργικού πεδίου.[3] Ο μικρός χώρος εργασ ίας, το περιορισ μένο οπτικό πεδίο και η υποβάθμισ η των φυσ ικών αισ θήσ εων των χειρουργών ήταν σ ημαντικά εμπόδια για τις εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής. Ετσ ι, ενώ ορισ μένες απλές λαπαροσ κοπικές χειρουργικές επεμβάσ εις, όπως είναι η λαπαροσ κοπική χολοκυσ τεκτομή, εξαπλώθηκαν εύκολα και γρήγορα, δε σ υνέβη το ίδιο με τις πιο απαιτητικές χειρουργικές επεμβάσ εις (σ πληνεκτομή, εντερεκτομές, γασ τρεκτομές, προσ τατεκτομή, αποκατάσ τασ η μιτροειδούς βαλβίδας κ.λ.π.). Ολες οι μελέτες έχουν σ υγκλίνει σ το σ υμπέρασ μα ότι οι προηγμένες ελάχισ τα επεμβατικές μέθοδοι απαιτούν σ υνεχή κατάρτισ η, ιδιαίτερη χειρουργική ακρίβεια και επιδεξιότητα (όσ ον αφορά το χειρισ μό των ισ τών του σ ώματος, όπως τομές, σ υρραφές η σ υμβατική ανοιχτή χειρουργική βρίσ κεται σ ε πλεονεκτικότερη θέσ η). Για να ξεπερασ τούν αυτά τα προβλήματα, υπήρχαν δύο επιλογές: είτε να βοηθηθεί τεχνολογικά ο χειρουργός για να βελτιώσ ει τις ικανότητές του είτε αυτός να αντικατασ ταθεί από κάποια αυτόματη μηχανή απαλλαγμένη από ανθρώπινες αδυναμίες. Η έρευνα κινήθηκε από νωρίς και προς τις δύο κατευθύνσ εις.[4]

18 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ UpobohjoÔmenh apì Upologisvt Qeirourgik Αν και η υποβοηθούμενη από υπολογισ τή χειρουργική (Computer-Assisted Surgery CAS) αποτελεί μια χειρουργική μέθοδο, που χρησ ιμοποιείται η τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογισ τών για προεγχειρητικό προγραμματισ μό, την καθοδήγησ η και την εκτέλεσ η των χειρουργικών επεμβάσ εων, ο χειρουργός κατέχει κεντρική θέσ η. Ο κύριος σ τόχος της CAS είναι η ποιοτική αναβάθμισ η των αισ θήσ εων και των δεξιοτήτων του χειρουργού, ώσ τε να βελτιωθεί η απόδοσ ή του σ το χειρουργείο. Ο χειρουργός πλέον ενισ χύεται σ τη χειρουργική επέμβασ η με τεχνητές αισ θήσ εις, όπως τρισ διάσ τατη (3D) όρασ η, αφή και τρισ διάσ τατα διαγνωσ τικά βοηθήματα της απεικονισ τικής τεχνολογίας. Αυτό βελτιώνει σ ημαντικά την εργονομία σ το χειρουργείο, μειώνει τον κίνδυνο από χειρουργικά σ φάλματα και μειώνει το χρόνο επέμβασ ης.[5] Figure 1.1: Υποβοηθούμενη από Υπολογισ τή Χειρουργική Rompotik Qeirourgik Η ρομποτική χειρουργική επέμβασ η είναι η τελευταία καινοτομική τεχνολογική εξέλιξη σ το χειρουργικό πεδίο. Για να κατανοήσ ουμε τη χειρουργική ρομποτική, είναι απαραίτητο να γίνει κατανοητή η πιο βασ ική πτυχή της - τι είναι ένα ρομπότ Το Ινσ τιτούτο Ρομποτικής σ το Πανεπισ τήμιο του Carnegie Mellon ορίζει ένα ρομπότ ως έναν επαναπρογραμματιζόμενο χειρισ τή πολλαπλών λειτουργιών, ειδικά σ χεδιασ μένο για να κινεί υλικά, εργαλεία ή εξειδικευμένες σ υσ κευές μέσ ω προγραμματισ μένων κινήσ εων για την επίτευξη διάφορων εργασ ιών. Εφόσ ον το ρομπότ έχει εφοδιασ τεί με το κατάλληλο λογισ μικό, έχει τη θεωρητική δυνατότητα να εκτελέσ ει αυτόματα μια χειρουργική επέμβασ η. Η εισ αγωγή σ την κλινική πράξη των ρομποτικών βραχιόνων ελεγχόμενων από υπολογισ τή που σ υγκρατούν το λαπαροσ κόπιο και κινούνται ανάλογα με τις εντολές του χειρουργού, υπόσ χεται ικανοποιητική λύσ η σ το πρόβλημα της διαχείρισ ης της λαπαροσ κοπικής εικόνας. Οι σ ύγχρονοι ρομποτικοί βραχίονες είτε προσ αρμόζονται σ τη ράγα του χειρουργικού τραπεζιού είτε φέρονται επί μίας κινητής βάσ ης. Η επικοινωνία μεταξύ του

19 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 16 χειρουργού και της ρομποτικής σ υσ κευής είναι μια σ ημαντική πτυχή της λειτουργικής του απόδοσ ης. Στην ιδανική περίπτωσ η η κίνησ η ενός ρομποτικού βραχίονα που κινεί τη λαπαροσ κοπική κάμερα θα πρέπει να βασ ίζεται σ την άμεσ η αντίληψη για των εντολών του χειρουργού και την σ ταθερή, ομαλή, γρήγορη και ακριβή εκτέλεσ η της κίνησ ης. Αν και η ρομποτική χειρουργική ενσ ωματώνει πολλές ε- φαρμογές της CAS, η διαφορά της από αυτή είναι ότι σ τη ρομποτική χειρουργική ο ρόλος του χειρούργου υποβαθμίζεται. Η ρομποτική χειρουργική παρέχει σ τους χειρούργους εξαιρετικά λεπτά και εύκαμπτα εργαλεία που εκτελούν τις χειρουργικές κινήσ εις με πρωτοποριακή α- κρίβεια μέσ α από μικροσ κοπικές τομές σ το δέρμα του ασ θενούς. Η πλειοψηφία των ρομποτικών σ υσ τημάτων αποτελείται από ένα εξαρτημένο σ ύσ τημα (slave) σ το χειρουργικό τραπέζι και έναν κύριο σ ύσ τημα (master) που σ υνδέονται με το υλικό (hardware) του υπολογισ τή, τα ηλεκτρονικά και το υψηλού επιπέδου λογισ μικό. Οπως φαίνεται και από τη ροή των πληροφοριών σ το σ χήμα 1.2, ο χειρουργός σ τέλνει εντολές για τη θέσ η που πρέπει να έχουν τα ρομποτικά χειρισ τήρια και αυτή μεταφράζεται σ ε κίνησ η των βραχιόνων του master. Για τον έλεγχο της σ υνολικής διαδικασ ίας, ο χειρουργός παρατηρεί το εσ ωτερικό πεδίο της επέμβασ ης μέσ ω ενός ενδοσ κοπίου, χειραγωγείται από ένα άλλο ρομποτικό σ ύσ τημα, και αποσ τέλλει βίντεο σ ε μία οθόνη - μόνιτορ. Κάποια ρομποτικά σ υσ τήματα διαβιβάζουν ήχο, δύναμη και απτική ανατροφοδότησ η πληροφοριών. Figure 1.2: Ροή Πληροφορίας σ ε ένα Σύσ τημα Ρομποτικής Χειρουργικής Η σ ύγχρονη ρομποτική τεχνολογία μπορεί να διαιρεθεί σ ε τρεις βασ ικές υποκατηγορίες, ανάλογα με το βαθμό εμπλοκής του χειρούργου σ το χειρουργείο: ˆ Ρομποτικό Σύσ τημα ελεγχόμενο από επόπτη ( Supervisorycontrolled system): Από τα τρία είδη της ρομποτικής χειρουργικής, αυτά τα σ υσ τήματα είναι τα πιο αυτοματοποιημένα. Η χειρουργική επέμβασ η ε- κτελείται αυτόματα από το ρομποτικό σ ύσ τημα ακολουθώντας το πρόγραμμα με το οποίο έχει τροφοδοτηθεί από πριν ο υπολογισ τής. Στην περίπτωσ η αυτή ο ρόλος του χειρούργου περιορίζεται μόνο σ τον προγραμματισ μό και την επίβλεψη της επέμβασ ης για την αποφυγή σ φαλμάτων. Ο τεράσ τιος όγκος των απαιτούμενων πληροφοριών και το οικονομικό κόσ τος κάνουν προς το παρόν αυτή την τεχνολογία σ χεδόν ανεφάρμοσ τη. ˆ Ρομποτικό Σύσ τημα τηλεχειρουργικής ( Telesurgical system ): Σε αυτόν τον τύπο χειρουργικής επέμβασ ης, η επέμβασ η γίνεται από από-

20 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 17 ˆ σ τασ η χάρις σ ε ένα προηγμένο σ ύσ τημα αισ θητήρων και την ανατροφοδότησ η της εικόνας από το χειρουργικό πεδίο σ ε πραγματικό χρόνο. Οι εικόνες δείχνουν το σ ημείο της χειρουργικής επέμβασ ης και τα δύο ή τρία χειρουργικά εργαλεία που τοποθετούνται σ τις άκρες των χειρουργικών σ υσ τημάτων. Χρησ ιμοποιώντας χειρισ τήρια ελέγχου με ανατροφοδότησ η δύναμης, ο χειρουργός εκτελεί κινήσ εις τις οποίες αντιγράφει και αναπαράγει το ρομποτικό σ ύσ τημα. Το πιο γνωσ τό ρομποτικό σ ύσ τημα χειρουργική επέμβασ ης σ τον κόσ μο σ ε αυτήν την κατηγορία είναι το da Vinci Surgical System, ένα προϊόν της εταιρείας Intuitive Surgical. Ρομποτικό Σύσ τημα μοιραζόμενου ελέγχου ( Shared-control system): Τα ρομποτικά σ υσ τήματα αυτής της κατηγορίας ενισ χύουν τους χειρούργους κατά τη διάρκεια της επέμβασ ης, αλλά ο ανθρώπινος παράγοντας κυριαρχεί σ τη λειτουργία. Ο χειρούργος εκτελεί ο ίδιος την επέμβασ η ενώ ο ρόλος του ρομπότ περιορίζεται σ την παροχή βοήθειας έτσ ι ώσ τε οι κινήσ εις του χειρουργού να γίνονται πιο ακριβείς και σ ταθερές. Η τεχνολογία αυτή βρίσ κεται σ ε προχωρημένο σ τάδιο εξέλιξης. Ενα ρομποτικό σ ύσ τημα κυρίου - εξαρτημένου (master - slave) χωρίζει φυσ ικά τον χειρούργο από το χώρο της χειρουργικής επέμβασ ης, καθώς ο χειρουργός είναι καθισ μένος σ ε μία κονσ όλα ελέγχου (master) και ελέγχει τον εξαρτημένο ο οποίος όντως εκτελεί τη χειρουργική επέμβασ η σ το τραπέζι. Η πρόθεσ η είναι να διαχωρισ τεί ο χειρουργός από το χώρο της χειρουργικής επέμβασ ης και να υλοποιήσ ει μια τηλεχειρουργική επέμβασ η (η απόσ τασ η γενικά περιορίζεται σ τα 0.5 έως 3 m). Ενα τηλεχειρουργικό σ ύσ τημα μπορεί ακόμη να χρησ ιμοποιηθεί για την προσ τασ ία του χειρουργού από π.χ. επιβλαβές περιβάλλον απεικόνισ ης, επιτρέποντας έτσ ι μια ασ φαλή απόσ τασ η μεταξύ του master και του slave. Επιπλέον, ένα σ ύσ τημα κυρίου - εξαρτημένου μπορεί να επεκτείνει τις δυνατότητες κατάρτισ ης με την εισ αγωγή της έννοιας των χειρουργικών σ χολών οδήγησ ης, καθώς θα μπορούν να χρησ ιμοποιηθούν δύο κύρια σ υσ τήματα ή μέσ α από διαδικασ ίες εκπαίδευσ ης εκ των προτέρων σ ε έναν master σ υνδεδεμένο με ένα εικονικό περιβάλλον. [6, 7, 8] ParoÔsva Katˆsvtasvh Στην παρούσ α φάσ η ορισ μένες εφαρμογές της υποβοηθούμενης από υπολογισ τή χειρουργικής έχουν ήδη περάσ ει σ την κλινική πράξη. Τα ρομποτικά χειρουργικά σ υσ τήματα διαθέτουν εύκαμπτα λαπαροσ κοπικά εργαλεία που θυμίζουν την ελευθερία κίνησ ης που έχει ο ανθρώπινος καρπός του χεριού, αλλά ακόμα είναι σ ε αρχικό επίπεδο. Από την άλλη πλευρά, σ ημαντική ανάπτυξη υπάρχει σ την λαπαροσ κοπική τρισ διάσ τατη όρασ η και η τρισ διάσ τατη απεικόνισ η σ ε πραγματικό χρόνο. Τα σ οβαρότερα εμπόδια που πρέπει να ξεπερασ τούν πριν την είσ οδο των ρομπότ-χειρουργών σ την καθημερινή πράξη είναι η έλλειψη κρίσ ης από την πλευρά τους και η αδυναμία τους να εκπαιδευτούν για να μάθουν. Πριν χειρουργήσ ουν τα ρομπότ απαραίτητη είναι και η ανάπτυξη λογισ μικού που θα ικανοποιεί τις σ υνθήκες ασ φάλειας αναφορικά με τον κίνδυνο μηχανικής βλάβης ή λανθασ μένων

21 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 18 ενεργειών. Χωρίς τα παραπάνω το ρομπότ είναι καταδικασ μένο να παραμείνει ένας ανόητος χειρουργός με περιορισ μένο ρόλο. [9] Pleonekt mata kai Meionekt mata thc Rompotik c Qeirourgik c Σίγουρα η ρομποτική χειρουργική αποτελεί ότι το μέλλον των εγχειρήσ εων καθώς επιδεικνύει σ οβαρά πλεονεκτήματα σ ε σ χέσ η με τους περιορισ μούς της σ υμβατικής λαπαροσ κοπικής χειρουργικής (δισ διάσ τατη, ασ ταθής εικόνα, εργονομικά προβλήματα, έλλειψη βαθμούς ελευθερίας και αίσ θησ ης), προσ φέροντας παράλληλα ασ ύγκριτα πλεονεκτήματα σ τους χειρουργούς: ˆ ˆ ˆ Από τη φύσ η τους, οι υπολογισ τές έχουν καλύτερη οξύτητα σ τον τρισ διάσ τατο χώρο από τους ανθρώπους. Κατά σ υνέπεια, ο χειρουργός είναι σ ε θέσ η να έχει σ τη διάθεσ η του μια υψηλής ανάλυσ ης τρισ διάσ τατη, έγχρωμη εικόνα του εγχειρητικού πεδίου, μεγεθυμένα περισ σ ότερο από 15 φορές, δίνοντάς του τη δυνατότητα να προσ διορίσ ει με ακρίβεια τη δική του θέσ η σ ε σ χέσ η με το όργανο. Ετσ ι δίνεται σ τον χειρούργο η αίσ θησ η ότι τα μάτια και τα χέρια του βρίσ κονται πάνω και μέσ α σ τον ασ θενή, αποκτάς αντίληψη του βάθους του χειρουργικού πεδίου. Αυτές οι μέθοδοι απεικόνισ ης μπορούν να παράγουν είτε τρισ διάσ τατα σ τοιχεία μέσ ω υπολογισ τικής τομογραφίας (CT) και μαγνητικής τομογραφίας (MRI) ή δύο διασ τάσ εων σ τοιχεία, χάρη σ την υπερηχογραφία, την ακτινοσ κόπησ η ή την ακτινογραφία με ακτίνες-χ. Επειδή αυτές οι εικόνες μπορούν να εντοπίσ ουν παθολογικές κατασ τάσ εις, ιδιαίτερη ακρίβεια δίνεται σ τον χειρούργο για την καθοδήγησ η των εργαλείων γύρω από τους υγιείς ισ τούς με ελάχισ το τραυματισ μό. Αυτό έχει τεράσ τια οφέλη σ ε όλους τους τομείς της χειρουργικής επέμβασ ης, ιδιαίτερα σ τη νευροχειρουργική, καθώς προσ φέρει μεγάλη ακρίβεια (μικρότερη από 1 mm) και ελάχισ τες παράπλευρες απώλειες. Η υποβοηθούμενη από ρομπότ χειρουργική εξασ φαλίζει μεγαλύτερη ακρίβεια σ τις κινήσ εις του χειρούργου. Δεδομένου ότι οι χειρισ μοί του χειρουργού μετατρέπονται από μια κονσ όλα σ ε κινήσ εις των ρομποτικών βραχιόνων μέσ ω κατάλληλων ηλεκτρονικών και λογισ μικών φίλτρων, ελαχισ τοποιείται ο φυσ ιολογικός τρόμος των χεριών με αποτέλεσ μα μία πρωτοφανή χειρουργική δεξιότητα. Επίσ ης, τα σ ύγχρονα ρομποτικά χειρουργικά σ υσ τήματα κλιμακώνουν την κίνησ η, έτσ ι ώσ τε οι απότομες κινήσ εις σ τις χειρολαβές ελέγχου να μετατρέπονται σ ε μικρότερες κινήσ εις μέσ α σ το χειρουργικό πεδίο. Παρέχει σ τον χειρουργό μεγαλύτερη άνεσ η κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασ ης. Αντίθετα με τις σ υμβατικές χειρουργικές επεμβάσ εις, η ρομποτική χειρουργική επιτρέπει σ τον χειρουργό να κάθεται κατά τη διάρκεια της επέμβασ ης σ ε ένα προσ εκτικά σ χεδιασ μένο και εργονομικά άρισ το περιβάλλον. Συνεπώς, η σ ωματική κόπωσ η μειώνεται, το οποίο αποτελεί σ ημαντικό πλεονέκτημα ιδιαίτερα σ ε περιπτώσ εις δύσ κολων και πολύωρων

22 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 19 ˆ ˆ επεμβάσ εων. Επιπλέον, με την έλευσ η της τεχνολογίας αναγνώρισ ης φωνής, ο χειρουργός δεν χρειάζεται πλέον έναν άνθρωπο για βοηθό ώσ τε να ελέγξει την ενδοσ κοπική κάμερα, όπως κατά τη διάρκεια μιας θωρακοσ κοπική εκτομή του πνεύμονα ή μιας λαπαροσ κοπικής χολοκυσ τεκτομής, καθώς μια ρομποτική κάμερα, της οποίας οι κινήσ εις απαιτούν λιγότερες διορθώσ εις, ελέγχεται από τη φωνή του χειρουργού. Επιπλέον, ένα χειρουργικό ρομπότ διασ φαλίζει σ το χειρούργο την ικανότητα να εκτελεί δύσ κολες χειρουργικές επεμβάσ εις. Τα χειρουργικά εργαλεία των ρομποτικών βραχιόνων μπορούν να εκτελέσ ουν όλες τις κινήσ εις που ένα ανθρώπινο χέρι είναι ικανό να αποδώσ ει (επτά βαθμοί ελευθερίας σ την κίνησ η) με μεγαλύτερη επιδεξιότητα και ακρίβεια, και είναι σ ε θέσ η να περισ τρέφονται περί τα 360 o μέσ α σ το χειρουργικό πεδίο.. Ταυτόχρονα, πολύ σ ημαντικά είναι τα οφέλη της χειρουργικής ρομποτικής και για τους ίδιους τους ασ θενείς. Οπως θα δούμε σ την εργασ ία μας, τα ρομπότ επιτρέπουν ενδοσ κοπικές τεχνικές σ ε περιοχές που παλαιότερα θεωρούνταν απρόσ ιτες - επικίνδυνες. Πιο σ υγκεκριμένα, η ενδοσ κοπικές ρομποτικές επεμβάσ εις παρουσ ιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα για τους α- σ θενείς: - Είναι μια ελάχισ τα επεμβατική και ελάχισ τα τραυματική μέθοδος, κυρίως λόγω της ακρίβειας των κινήσ εων του χειρουργού, - Η μεγάλη ακρίβεια σ την επέμβασ η ισ τών όπως ο εγκέφαλος δεν προκαλεί βλάβες σ τους περιβάλλοντες ισ τούς και, σ υνεπώς, μειώνεται η νοσ ηρότητα, [10] - Εξασ φαλίζει σ τον ασ θενή σ ημαντικά λιγότερο πόνο, με αποτέλεσ μα να χρειάζονται λιγότερα φάρμακα πόνου, - Μειώνεται η έκθεσ η των εσ ωτερικών οργάνων σ ε πιθανούς εξωτερικούς ρύπους και μειώνεται έτσ ι ο κίνδυνος βακτηριακής λοίμωξης, ενδοεγχειρητικών και μετεγχειρητικών επιπλοκών, - Μειώνεται η αιμορραγία, η οποία με τη σ ειρά τις μειώνει την πιθανότητα να χρειασ τεί μετάγγισ η αίματος, - Μειώνεται ο χρόνος ανάρρωσ ης του ασ θενούς σ τις 2 ημέρες, πολύ λιγότερες σ ε σ χέσ η με τις 7 ημέρες που χρειάζεται σ τη σ υμβατική χειρουργική.[11] - Επιτρέπει μικρότερη διάρκεια αναισ θησ ίας. Παρόλα τα αδιαμφισ βήτητα πλεονεκτήματα της χειρουργική επέμβασ ης με τη βοήθεια των ρομπότ, υπάρχουν και κάποια σ ημαντικά μειονεκτήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη: ˆ Στις ενδοσ κοπικές χειρουργικές επεμβάσ εις, ο χειρουργός έχει περιορισ μένο εύρος κίνησ ης σ το χειρουργικό πεδίο με αποτέλεσ μα την απώλεια της επιδεξιότητας του. Είναι περιορισ μένος να παρακολουθεί την εικόνα που παρέχεται από το ρομπότ, και σ υνεπώς δεν μπορεί να έχει αίσ θησ η της κατάσ τασ ης έξω από το πεδίο όρασ ης της κάμερας, εκτός εάν η κάμερα κινείται.

23 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 20 ˆ ˆ ˆ ˆ Ο χειρουργός δεν έχει σ ωσ τή αντίληψη του βάθους. Αν και υπάρχει σ ημαντική πρόοδος προς τη λύσ η αυτού του προβλήματος, σ υχνά η κάμερα περιορίζει τον χειρούργο σ ε μια δισ διάσ τατη προβολή ενός τρισ διάσ τατου χειρουργικού πεδίου. Τεχνικές που προσ φέρουν τρισ διάσ τατη προβολή, παρέχουν ενίοτε και παραμορφωμένες εμφανίσ εις. Αν και μπορούν να επεξεργάζονται περίπλοκες τρισ διάσ τατες εικόνες πληροφοριών για την εκτέλεσ η μίας επέμβασ ης με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια, τα χειρουργικά ρομποτικά σ υσ τήματα έχουν περιορισ μένη δυνατότητα χρήσ ης πληροφοριών από ανόμοιους αισ θητήρες ώσ τε να ελέγχουν τη σ υμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια αυτής. Προς τη λύσ η αυτού του προβλήματος έχουν γίνει πολλές προσ πάθειες, ωσ τόσ ο, αυτές οι μέθοδοι είναι προς το παρόν κυρίως σ ε πειραματικό σ τάδιο. Ο χειρουργός πρέπει να χρησ ιμοποιεί εργαλεία για να αλληλεπιδράσ ει με τον ισ τό αντί να τον χειρίζεται άμεσ α με τα χέρια του, πράγμα που σ ημαίνει ότι σ τον χειρούργο δεν του παρέχεται η ίδια αίσ θησ η δύναμης (force feedback) που θα είχε εάν έκανε επέμβασ η τον ασ θενή άμεσ α. Αυτό οδηγεί σ την αδυναμία τους να κρίνουν με ακρίβεια πόσ η δύναμη πρέπει να εφαρμόσ ουν σ τους ισ τούς, ενώ παράλληλα υπάρχει ο κίνδυνος κατασ τροφής των ισ τών με την εφαρμογή περισ σ ότερης δύναμης από ότι είναι απαραίτητο. Ο περιορισ μός αυτός μειώνει επίσ ης την αίσ θησ η αφής (tactile feedback), καθισ τώντας πιο δύσ κολο για τον χειρουργό να αισ θάνεται τους ισ τούς (μερικές φορές αυτό είναι ένα σ ημαντικό διαγνωσ τικό εργαλείο, όπως π.χ. η ανίχνευσ η όγκων με ψηλάφησ η), αλλά και τις λεπτές επεμβάσ εις, όπως τα ράμματα, πιο δύσ κολες. Προς αυτό το πρόβλημα έχουν σ χεδιασ τεί πρωτότυπα με εσ τίασ η σ ε δύο αρχές: ανάδρασ η δύναμης σ ε ισ τούς και απόκρισ η του ισ τού σ τη δόνησ η που εφαρμόζεται από την ψηλάφησ η του εργαλείου. Η τεχνολογία αυτή, επίσ ης, παραμένει σ ε πειραματικό μόνο σ τάδιο. Ενα από τα κύρια μειονεκτήματα της ρομποτικής χειρουργικής είναι το κόσ τος της. Δύο σ χετικά πρόσ φατες μελέτες έχουν δείξει ότι το αυξημένο κόσ τος της ρομποτικής χειρουργικής σ ε σ ύγκρισ η με τις αντίσ τοιχες σ υμβατικές μεθόδους οφείλεται κυρίως σ το αρχικό κόσ τος αγοράς των ρομποτικών σ υσ τημάτων (που κυμαίνονται από σ ε δολάρια περίπου) και την ετήσ ια σ υντήρησ ή τους (περίπου δολάρια). Α- ναμένεται, ωσ τόσ ο, ότι αυτά τα δύο οικονομικά μεγέθη (αρχικό κόσ τος, σ υντήρησ η) να μειωθούν σ ταδιακά καθώς τα ρομποτικά χειρουργικά σ υσ τήματα θα κερδίζουν ευρύτερη αποδοχή. Αρχικά, βέβαια, το κόσ τος μπορεί να αυξηθεί ακόμη υψηλότερα λόγω των τεχνολογικών βελτιώσ εων σ την ρομποτική που αναπόφευκτα θα σ υμβούν σ το μέλλον.[;] Ενα άλλο μειονέκτημα της ρομποτικής χειρουργικής είναι ο μεγάλος όγκος των σ υσ τημάτων που χρησ ιμοποιούνται σ ήμερα. Τόσ ο το σ ώμα του ρομπότ με τους βραχίονες και την κεντρική κονσ όλα του χειρουργού καταλαμβάνουν σ ημαντικό χώρο σ το χειρουργείο. Οι χειρουργοί δεν αισ θάνονται ιδιαίτερα άνετα όταν εργάζονται δίπλα σ ε ρομποτικά σ υσ τήματα που ξεπερνούν σ υνήθως τα δύο μέτρα σ ε ύψος και ζυγίζουν αρκετές δεκάδες κιλά.

24 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 21 ˆ Τέλος, τα αυτοματοποιημένα ρομποτικά σ υσ τήματα δεν έχουν την ικανότητα να ανταποκρίνονται σ ε μεγάλες χειρουργικές επιπλοκές, όπως η αρτηριακή αιμορραγία. Η έλλειψη αυτής της ευφυΐας αυξάνει την εξάρτησ η για προσ ωπικό σ τήριξης κοντά σ το χειρουργικό τραπέζι. Καθώς η τεχνολογία βελτιώνεται, είναι πιθανό ότι πολλά από τα μειονεκτήματα να διορθωθούν λόγω μελλοντικών επανασ χεδιασ μών και τεχνολογικών βελτιώσ εων που θα υποσ τούν αναπόφευκτα τα ρομποτικά χειρουργικά σ υσ τήματα. Είναι γεγονός ότι η αποτελεσ ματικότητα της ρομποτικής χειρουργικής δεν έχει ακόμη διευκρινισ τεί πλήρως. Σήμερα, τα ρομποτικά σ υσ τήματα περιγράφονται καλύτερα ως επεκτάσ εις των ικανοτήτων του ανθρώπου και όχι ως αντικατασ τάτες των ανθρώπινων χειρούργων. Δυνατά σ ημεία Καλός σ υντονισ μός χεριών-ματιών Επιδεξιότητα Ευελιξία και προσ αρμοσ τικότητα Δυνατότητα ολοκλήρωσ ης εκτεταμένων και διάφορων πληροφοριών Στοιχειώδεις απτικές ικανότητες Ικανότητα χρήσ ης ποιοτικών πληροφοριών Καλή κρίσ η Ευκολία σ τη διδασ καλία και την ενημέρωσ η Δυνατά σ ημεία Καλή γεωμετρική ακρίβεια Σταθερότητα και μη κούρασ η Κλιμάκωσ η των κινήσ εων Δυνατότητα χρήσ ης διάφορων αισ θητήρων για έλεγχο Δυνατότητα αποσ τείρωσ ής του Ανθεκτικό σ την ακτινοβολία και τις μολύνσ εις Άνθρωποι Περιορισ μοί Περιορισ μένη επιδεξιότητα έξω από τη φυσ ική κλίμακα Επιρρεπής σ τον τρόμο και την κούρασ η Περιορισ μένη γεωμετρική ακρίβεια Ρομπότ Περιορισ μένη ικανότητα σ τη χρήσ η ποσ οτικών πληροφοριών Περιορισ μένη αποσ τείρωσ ή του Ευπαθής σ την ακτινοβολία και τις μολύνσ εις Περιορισ μοί Καμία κρίσ η Ανικανότητα χρήσ ης ποιοτικών πληροφοριών Απουσ ία απτικής αίσ θησ ης Ακριβό Ρευσ τή τεχνολογία Απαιτούνται περισ σ ότερες μελέτες Πίνακας 1.1: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ρομποτικής χειρουργικής σ ε σ ύγκρισ η με την κλασ ική ανοικτή χειρουργική που εκτελείται από άνθρωπο[4]

25 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ Shmantikìtera qeirourgikˆ rompotikˆ svusvt mata Figure 1.3: Ισ τορική Αναδρομή σ τα Ρομποτικά Χειρουργικά Συσ τήματα To rompotikì qeirourgikì svôsvthma Da V inci R Το ρομποτικό χειρουργικό σ ύσ τημα da Vinci R αρχικά αναπτύχθηκε από την εταιρεία Intuitive Surgical Inc [12] το 1995 και είναι το πρώτο λειτουργικό σ ύσ τημα ρομποτικής χειρουργικής που εγκρίθηκε από την FDA, δίνοντας έτσ ι το πλεονέκτημα της πρώτης κίνησ ης έναντι των ανταγωνισ τών της. Αυτή τη σ τιγμή αποτελεί το πρώτο και μοναδικό σ ύσ τημα ρομποτικής χειρουργικής σ τον κόσ μο που πραγματοποιεί εγχειρήσ εις με την ελάχισ τα δυνατή επέμβασ η σ τον οργανισ μό του ασ θενούς. Σύμφωνα με τον κατασ κευασ τή, το όνομα του οφείλεται εν μέρει σ τον Leonardo da Vinci, που εφηύρε το πρώτο ρομπότ και χρησ ιμοποιούσ ε απαράμιλλη ακρίβεια σ την ανατομία με τρισ διάσ τατα σ τοιχεία για να δώσ ει ζωή σ τα έργα του. Το σ ύσ τημα da Vinci αποτελείται από ένα εξαρτημένο σ ύσ τημα σ το χειρουργικό τραπέζι και ένα κύριο σ ύσ τημα, που σ υνδέονται με τη βοήθεια υπολογισ τή και ενός λογισ μικού ελέγχου. Το εξαρτημένο σ ύσ τημα ακολουθεί τη διαδρομή που ο χειρούργος προσ διορίζει σ το κυρίως σ ύσ τημα. Ιδιαίτερα, το ρομποτικό σ ύσ τημα da Vinci αποτελείται από: ˆ ˆ μια εργονομικά σ χεδιασ μένη κονσ όλα του χειρουργού, ένα τροχήλατο με τέσ σ ερις ηλεκτρομηχανικούς ρομποτικούς βραχίονες, ˆ ˆ ένα υψηλών προδιαγραφών σ ύσ τημα τρισ διάσ τατης όρασ ης (ονομάζεται InLite R Vision System ), έναν ενδοσ κοπικό πύργο και

26 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 23 ˆ μια σ ειρά πρωτοποριακών, αποσ πώμενων χειρουργικών εργαλείων EndoW rist R. Figure 1.4: Το ρομποτικό χειρουργικό σ ύσ τημα da Vinci R Σήμερα, περισ σ ότερα από ρομποτικά σ υσ τήματα da Vinci έχουν εγκατασ ταθεί σ ε πάνω από νοσ οκομεία σ ε όλο τον κόσ μο και περίπου επεμβάσ εις έχουν εκτελεσ τεί το 2010 από το da Vinci,[1], δείχνοντας ότι η ρομποτική χειρουργική αναπτύσ σ εται σ υνεχώς (Εικόνα 1.5). Υπάρχουν επίσ ης δύο νεότερες προσ θήκες σ τη γραμμή παραγωγής του da Vinci, το S HD και το Si HD (βγήκε σ την παραγωγή τον Απρίλιο του 2009). Τα τελευταία αυτά σ υσ τήματα παρέχουν σ ημαντικές βελτιώσ εις, όπως πολύ υψηλή ακρίβεια σ το βάθος και την ανάλυσ η της εικόνας, περισ σ ότερη άνεσ η σ την κονσ όλα του χειρούργου, προαιρετικά δεύτερο κάθισ μα ελέγχου σ την κονσ όλα και ενσ ωματώθηκε ένας τέταρτος ρομποτικός βραχίονας. Το ρομποτικό σ ύσ τημα da Vinci μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί σ ε μια σ ειρά από χειρουργικές θεραπείες, όπως σ την καρδιοχειρουργική, τις γυναικολογικές χειρουργικές επεμβάσ εις, τις ουρολογικές χειρουργικές επεμβάσ εις, σ τη χειρουργική ογκολογία και άλλες γενικές χειρουργικές επεμβάσ εις. Figure 1.5: Ετήσ ιες χειρουργικές επεμβάσ εις με το σ ύσ τημα da Vinci σ ε παγκόσ μιο επίπεδο[1]

27 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 24 Ενα παράδειγμα της μεγάλης ακρίβειας και επιδεξιότητας του ρομποτικού σ υσ τήματος Da Vinci φαίνεται σ την εικόνα 1.6, όταν ένας χειρούργος σ τη Σουηδία δημιούργησ ε ένα πολύ μικρό χάρτινο αεροπλάνο σ το μέγεθος ενός μικρού νομίσ ματος. Figure 1.6: Στιγμιότυπα από την διαδικασ ία κατασ κευής του χάρτινου αεροπλάνου με το Da Vinci Η κονσ όλα του χειρούργου Ο χειρούργος ελέγχει το όλο ρομποτικό σ ύσ τημα μέσ ω της ρομποτικής κονσ όλας (Surgeon Console), και χειρουργεί ενώ κάθεται αναπαυτικά έχοντας μπροσ τά του μια τρισ διάσ τατη εικόνα του χειρουργικού πεδίου μεγενθυμένη μέχρι και 15 φορές. Η κονσ όλα διαθέτει σ το πάνω μέρος της ειδικές χειρολαβές, όπου ο χειρούργος τοποθετεί τα δάκτυλά του και κινεί τους ειδικούς μοχλούς, που δίνουν εντολή σ τους χειρουργικούς βραχίονες του ρομπότ, και σ το κάτω μέρος ποδοδιακόπτες για τον σ υντονισ μό των διάφορων κινήσ εων, για τη χρήσ η της διαθερμίας, την κίνησ η της κάμερας και την εσ τίασ η της οπτικής. Τα χέρια του χειρούργου βρίσ κονται τοποθετημένα σ ε φυσ ιολογική θέσ η σ ε σ χέσ η με τα μάτια του, ώσ τε να μην κουράζεται. Χάρη σ την τεχνολογία Intuitive Masters, το σ ύσ τημα έχει τη δυνατότητα να φιλτράρει τον τρόμο των χεριών του χειρουργού και να κλιμακώνει ανάλογα τις κινήσ εις του. Ετσ ι οι τελευταίες μετατρέπονται σ ε ακριβείς κινήσ εις πραγματικού χρόνου των χειρουργικών εργαλείων μέσ α σ το σ ώμα του ασ θενούς.

28 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 25 Figure 1.7: Εγκατάσ τασ η ενός Συσ τήματος Da Vinci κατά τη διάρκεια μιας εγχείρησ ης Ο χειρουργικός πύργος Το τροχήλατο των ρομποτικών βραχιόνων (Surgical Cart) διαθέτει τρεις ή τέσ σ ερις ηλεκτρομηχανικούς βραχίονες, ανάλογα με την έκδοσ η του σ υσ τήματος. Σε δύο ή τρεις βραχίονες σ υνδέονται αποσ πώμενα χειρουργικά ενδοσ κοπικά εργαλεία, ενώ σ τον τρίτο κύριο βραχίονα υπάρχει ένα ενδοσ κόπιο με σ υνημμένη φωτογραφική μηχανή, η οποία επιτρέπει σ τον χειρουργό να έχουν υψηλής ευκρίνειας τρισ διάσ τατη εικόνα του χειρουργικού πεδίου. Ο τέταρτος ρομποτικός βραχίονας βελτιώνει το σ υνολικό έλεγχο του χειρουργικού πεδίου από τον χειρούργο, καθώς επίσ ης προσ φέρει μεγαλύτερη ευελιξία σ ε σ χέσ η με το σ ύσ τημα τριών βραχιόνων. Καθένας από τους βραχίονες αυτούς εκτελεί τις εντολές του χειρουργού και μπορεί να χειρισ τεί ένα ευρύ φάσ μα εργαλείων μέσ α από τομές μήκους μόλις 1-2 ςμ σ το σ ώμα του ασ θενούς, ελαχισ τοποιώντας παράλληλα την πιθανότητα κατασ τροφής των ισ τών. Ο χειρουργός μπορεί να ελέγχει το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης των ρομποτικών βραχιόνων, η οποία μπορεί να κυμαίνεται από μερικά γραμμάρια μέχρι αρκετά κιλά. Κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασ ης, τα άλλα μέλη της χειρουργικής ομάδας εγκαθισ τούν όλα τα απαραίτητα όργανα και εργαλεία και έχουν τη γενικότερη εποπτεία των ρομποτικών βραχιόνων Το σ ύσ τημα 3D απεικόνισ ης Το σ ύσ τημα όρασ ης (InSite R Vision System και Navigator Camera Control) δίνει σ τον χειρούργο ενισ χυμένες πραγματικές τρισ διάσ τατες φωτογραφίες με υ-

29 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 26 ψηλής ευκρίνειας ανάλυσ η του χειρουργικού πεδίου και την απαραίτητη φυσ ική αντίληψη του βάθους για τον ακριβή χειρισ μό των ισ τών. Το σ ύσ τημα περιλαμβάνει επίσ ης αλγόριθμους επεξεργασ ίας εικόνας, οι οποίοι παρέχουν πάνω από 1000 πλαίσ ια της θέσ ης του ενδοσ κοπίου ανά δευτερόλεπτο. Οι εικόνες λαμβάνονται από μια ειδική τρισ διάσ τατης λήψης υψηλής ανάλυσ ης ενδοσ κοπική κάμερα με δύο ενσ ωματωμένους φακούς, επεξεργάζονται με διάφορα φίλτρα, μεγεθύνονται (έως και 15 φορές) και βελτισ τοποιούνται μέσ ω ενός επεξεργασ τή βίντεο για τον περιορισ μό του θορύβου. Η προσ φερόμενη ψηφιακή μεγέθυνσ η παρέχει μια ευκρινή βελτιωμένη απεικόνισ η των ισ τών ώσ τε να βοηθά τον χειρούργο να χειρίζεται με λεπτότητα τους ισ τούς. Επιπλέον, το ενδοσ κόπιο είναι ειδικά προγραμματισ μένο να ρυθμίζει τη θερμοκρασ ία σ την άκρη του για να αποφευχθεί η θόλωσ η κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασ ης. Ο χειρουργός είναι σ ε θέσ η να εναλλάσ σ ει γρήγορα τις όψεις του χειρουργικού πεδίου με τη χρήσ η του πεντάλ ποδιού ή να κάνει ζουμ μετακινώντας τα χέρια του προς την επιθυμητή κατεύθυνσ η Τα ρομποτικά χειρουργικά εργαλεία EndoW rist R Τα ειδικά ενδοσ κοπικά ρομποτικά εργαλεία τύπου EndoWrist διαθέτουν 7 βαθμούς, μπορούν να γυρίσ ουν 540 o, επιτρέποντας πολύ λεπτότερες κινήσ εις και μιμούνται την ευκινησ ία του ανθρώπινου χεριού και καρπού. Για αυτό και ονομάσ τηκαν Endo-Wrist ( Ενδο - Καρπός). Κάθε εργαλείο έχει μια ειδική χειρουργική αποσ τολή, όπως να σ υλλαμβάνει, να ράβει, να κόβει, να χειρίζεται τους ισ τούς κλπ. Τα εσ ωτερικά καλώδια των εργαλείων EndoWrist, παρόμοια με τους ανθρώπινους τένοντες, διακρίνονται για τη μέγισ τη ανταποκρισ ιμότητά τους, επιτρέποντας έτσ ι γρήγορες και ακριβές τομές, σ υρραφές και χειρισ μούς των ισ τών. Κατά τη διάρκεια της επέμβασ ης είναι δυνατή η μεταξύ τους αντικατάσ τασ η, η οποία γίνεται εύκολα και γρήγορα με τη χρήσ η ειδικών μοχλών αποδέσ μευσ ης πάνω σ ε κάθε ρομποτικό βραχίονα. Το σ ύσ τημα απομνημονεύει τη θέσ η του βραχίονα πριν την αντικατάσ τασ η ενός εργαλείου, έτσ ι ώσ τε το δεύτερο εργαλείο να τοποθετηθεί σ την ίδια ακριβώς θέσ η με το πρώτο. Ο χειρούργος έχει σ τη διάθεσ ή του μια πλήρη ποικιλία εργαλείων για την ιδανική διενέργεια της ρομποτικής επέμβασ ης. Τα εργαλεία διατίθενται με διαμέτρους 5 και 8 mm. [12] Με την άντλησ η διοξειδίου του άνθρακα μέσ α σ το σ ώμα του ασ θενούς σ υνήθως αυξάνεται ο χειρουργικός χώρος έτσ ι ώσ τε να είναι ευκολότερες οι κινήσ εις των βραχιόνων. Επειδή τα ενδοσ κοπικά εργαλεία σ τηρίζονται σ τους ρομποτικούς βραχίονες, δεν χρησ ιμοποιούν το σ ημείο εισ όδου σ το σ ώμα του ασ θενούς ως υπομόχλιο και έτσ ι αποφεύγεται η βλάβη των ισ τών σ το σ ημείο εισ όδου των εργαλείων, γεγονός όμως το οποίο κατά κανόνα σ υμβαίνει σ την παραδοσ ιακή λαπαροσ κοπική χειρουργική.

30 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 27 Figure 1.8: Διαφορετικά EndoWrist R Εργαλεία Prwtìtupo qeirourgikì svôsvthma CardioARM TM Παρά το γεγονός ότι τα ρομποτικά χειρουργικά σ υσ τήματα Da Vinci R και ZEUS R είναι τα πιο προηγμένα και εξελιγμένα εμπορικά διαθέσ ιμα χειρουργικά σ υσ τήματα, δυσ τυχώς παρουσ ιάζουν κάποια σ ημαντικά μειονεκτήματα όπως το υψηλό κόσ τος, την απαίτησ η αρκετών τομών σ τον ασ θενή (πέντε ή έξι εισ όδους) και πιο σ ημαντικό την αδυναμία να προσ εγγίσ ουν δύσ κολες περιοχές του εσ ωτερικού του ασ θενούς (για παράδειγμα την επιφάνεια της καρδιάς). Προς τη λύσ η αυτών των προβλημάτων, η εταιρία Cardiorobotics ανέπτυξε το CardioARM TM, ένα χειρουργικό φίδι - ρομπότ (αρχικά παρουσ ιάσ τηκε με το όνομα Highly Articulated Robotic Probe - HARP). Η εταιρία Cardiorobotics αρχικά σ χηματίσ τηκε το 2005 σ αν Innovention Technologies LLC, από ερευνητές του Πανεπισ τημίου Carnegie Mellon και του Πανεπισ τημίου του Pittsburgh. Το CardioARM κατάφερε να πλοηγηθεί μέσ α σ ε ολόκληρη την εσ ωτερική περικαρδική κοιλότητα μέσ ω μόνο μιας τομής (subxiphoid port) με λιγότερο από 15 mm μήκος ανοίγματος και χωρίς προκαλέσ ει θανατηφόρα επιπλοκή (δηλαδή τραυματισ μό, αρρυθμία ή υπότασ η). Ο σ υνολικός σ χεδιασ μός του CardioARM αποτελείται από ένα καθετήρα (probe) και έναν τροφοδότη (feeder). Ο ρομποτικός καθετήρας αποτελείται από 50 άκαμπτους κυλινδρικούς σ υνδέσ μους που σ υνδέονται με σ φαιρικές αρθρώσ εις και είναι σ ειριακά σ υνδεδεμένοι μέσ ω τριών καλωδίων (τέντωνες). Κάθε γειτονικός σ ύνδεσ μος μπορεί να περισ τραφεί έως περίπου ±10 μοίρες σ ε σ χέσ η με τον διαμήκη άξονα. Η μικρότερη αυτή τη σ τιγμή έκδοσ η της σ υσ κευής έχει 300 mm μήκος και η διάμετρός του είναι 10 mm, με 105 βαθμούς ελευθερίας. Η κίνησ η του χειρουργικού εργαλείου καλείται ακολούθησ ε τον αρχηγό, που σ ημαίνει ό- τι η θέσ η της άκρης του τελικού σ υνδέσ μου (που έχει δοθεί από τον χειρισ τή)

31 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 28 ακολουθείται από όλους τους άλλους σ υνδέσ μους, διατηρώντας την προηγούμενη τρισ διάσ τατη διαμόρφωσ η του. Ο χειρουργός ελέγχει άμεσ α την άκρη του ρομπότ με τη χρήσ η ενός χειρισ τηρίου δύο βαθμών ελευθερίας και μέσ ω ενός κουμπιού που ελέγχει τις εμπρός - πίσ ω κινήσ εις. Ο τρέχων σ χεδιασ μός του ρομπότ επιτρέπει την σ τροφή ελάχισ της ακτίνας 35 mm. Από την άλλη πλευρά, ο τρόπος ενεργοποίησ ης του καθετήρα ελέγχεται από έναν απομακρυσ μένο τροφοδότη, που έχει όλα τα απαραίτητα σ τοιχεία για την κίνησ η - σ υμπεριφορά του καθετήρα (οι εξωτερικές διασ τάσ εις του τροφοδότη είναι 500 mm μήκος, 170 mm πλάτος, 100 mm ύψος) και βοηθάει σ την απομάκρυνσ η της ηλεκτρικής ενέργειας και την απαγωγή θερμότητας από τον καθετήρα και, σ υνεπώς, μέσ α από το σ ώμα του ασ θενούς. Ο ρομποτικός καθετήρας αποτελείται από δύο ομόκεντρους σ ωλήνες και τέσ σ ερα καλώδια που σ υνδέονται σ την άκρη και ενεργοποιούν τον καθετήρα. Ο μηχανισ μός κίνησ ης βασ ίζεται σ ε μια κατ επανάληψη εναλλαγή της ακαμψίας και της χαλαρότητας των άκρων των εξωτερικών και εσ ωτερικών κυλίνδρων. Τρία από τα καλώδια είναι τοποθετημένα σ τον εξωτερικό κύλινδρο και ένα σ τον εσ ωτερικό κύλινδρο του σ υσ τήματος παρέχοντας κίνησ η σ ε οποιαδήποτε κατεύθυνσ η, καθώς και επιλογή μεταξύ των άκαμπτων και χαλαρών τρόπων λειτουργίας. Ολα τα καλώδια ελέγχονται από ξεχωρισ τά γραμμικά σ υσ τήματα κίνησ ης (κινητήρες). Τα σ τοιχεία που ακολουθούν παρουσ ιάζουν διάφορα μέρη του Highly Articulated Robotic Probe που αναπτύχθηκε το 2006 (Εικόνα 1.9) και το σ ύγχρονο CardioARM πρωτότυπο από την εταιρία Cardiorobotics (Εικόνα ). Figure 1.9: Το πρωτότυπο του HARP το 2006

32 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 29 Figure 1.10: Η τελευταία έκδοσ η του CardioARM To qeirourgikì rompìt i Snake Μια διεπισ τημονική ερευνητική ομάδα χειρουργών και μηχανικών από το Imperial College του Λονδίνου ανέπτυξαν ένα καινοτόμο χειρουργικό ρομπότ (το έργο αυτό ξεκίνησ ε από το 2007 με προοπτική τεσ σ άρων χρόνων), που ονομάζεται i- Snake ρομπότ (Imaging-Sensing Navigated and Kinematically Enhanced), και ενσ ωματώνει κορυφαία σ υσ τήματα όρασ ης, καινοτόμα σ υσ τήματα πλοήγησ ης και τεχνολογίες αρθρώσ εων. Ειδικότερα, το ρομπότ i-snake έχει ως σ τόχο να διευκολύνει την απεικόνισ η μεγαλύτερης περιοχής ζωντανών in vivo ισ τών και τον χαρακτηρισ μό τους μέσ ω της ενσ ωμάτωσ ης μικρογραφικών ανακλάσ εων λευκού φωτός και της απεικόνισ ης της έντασ ης φθορισ μού. Το Imperial College βραβεύτηκε για την ανάπτυξη του i-snake για ελάχισ τα επεμβατικά χειρουργεία με το βραβείο Strategic Translation Award. Το αναπτυσ σ όμενο ρομπότ i-snake χρησ ιμοποιεί βιολογικά εμπνευσ μένο μηχανολογικό σ χεδιασ μό με πλήρως ευέλικτο ελέγχο μετακίνησ ης. Είναι εξοπλισ μένο με πολλαπλούς αισ θητήρες σ υνδεδεμένους πάνω σ τις ευέλικτες αρθρώσ εις, οι οποίες τροφοδοτούνται από ειδικές μηχανές. Οι αρθρώσ εις επιτρέπουν επίσ ης τον πλήρη έλεγχο προς τα εμπρός και απτική ανάδρασ η σ τον χειρούργο για την παρακολούθησ η καμπύλων ανατομικών οδών που είναι απαραίτητο ώσ τε να εκτελεσ τούν οι πολύπλοκες επεμβάσ εις με βελτιωμένη ακρίβεια, επιδεξιότητα και ασ φάλεια, όπως η σ τεφανιαία χειρουργική επέμβασ η. Το ρομπότ είναι επίσ ης εξοπλισ μένο με έναν πολλαπλών χρήσ εων καθετήρα απεικόνισ ης σ την άκρη ώσ τε να κατασ τεί δυνατή η πλοήγησ η με ορατό φως και ο χαρακτηρισ μός των ισ τών. Συνδυάζει τόσ ο διεγχειρητική όσ ο και μεταξύ της επέμβασ ης πλοήγησ η καθοδηγούμενη μέσ ω εικόνας με δυναμικούς ενεργούς περιορισ μούς για τη βελτίωσ η της χειρουργικής ακρίβειας και ασ φάλειας. Ο ε- σ ωτερικός μηχανισ μός του ρομπότ περιλαμβάνει καλώδια οπτικών ινών για τη διαβίβασ η των πληροφοριών από το χειρουργικό πεδίο σ το χειρουργό σ τον οποίο παρέχονται μέσ ω επαυξημένης πραγματικότητας (augmented reality). Δεν είναι γνωσ τές περαιτέρω πληροφορίες για το αναπτυσ σ όμενο ρομπότ i- Snake, επειδή το έργο είναι ακόμα υπό ανάπτυξη.[13, 14, 15]

33 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 30 Figure 1.11: Το ρομπότ i-snake και το ακραίο σ ημείο του To rompotikì qeirourgikì svôsvthma S.O.F.I.E. Το χειρουργικό ρομποτικό σ ύσ τημα S.O.F.I.E. (Surgeon's Operating Forcefeedback Interface Eindhoven ) είναι ένα καινοτόμο χειρουργικό ρομπότ που αναπτύχθηκε σ το πανεπισ τήμιο Eindhoven University of Technology από την Δρ. Linda van den Bedem και είναι το πρώτο χειρουργικό ρομπότ που ενσ ωματώνει ένα σ ύσ τημα ανάδρασ ης δύναμης. [16, 17] Το ρομπότ S.O.F.I.E. βελτιώνει τον σ χετικό σ χεδιασ μό των προηγούμενων χειρουργικών ρομποτικών σ υσ τημάτων καθώς προσ θέτει ένα σ ύσ τημα ανάδρασ ης της δύναμης σ τα χειρισ τήρια του χειρούργου, αποκαθισ τώντας την αίσ θησ η αφής που οι χειρούργοι έπρεπε να μάθουν κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσ ης. Επίσ ης αυτή η απτική ανάδρασ η μειώνει την κούρασ η του χειρούργου και βελτιώνει την ταχύτητα της επέμβασ ης καθώς οι άνθρωποι αντιδρούν πιο γρήγορα σ την πληροφορία της δύναμης σ ε σ χέσ η με την οπτική πληροφορία. Μέχρι το 2010, όλα τα γνωσ τά εμπορικά χειρουργικά ρομποτικά σ υσ τήματα που ήταν διαθέσ ιμα, σ υμπεριλαμβανομένου του Da Vinci, επικεντρώνονταν σ την μετάφρασ η των κινήσ εων του χειρούργου σ την χειρουργική κονσ όλα σ ε κινήσ εις από τους ρομποτικούς βραχίονες. Ωσ τόσ ο, ένας μεγάλος περιορισ μός αυτής της γενιάς ρομπότ είναι η παντελής έλλειψη από οποιαδήποτε μορφής απτικής ανάδρασ ης: ο χειρουργός δεν μπορεί να αισ θανθεί τι κάνει, έτσ ι πρέπει να έχει πλήρη εμπισ τοσ ύνη σ την οπτική πληροφόρησ η για τον έλεγχο των τομών, των ραμμάτων και άλλων επεμβατικών διαδικασ ιών. Ενα άλλο μειονέκτημα των σ υμβατικών MIS ρομπότ είναι το μέσ ο μέγεθος και όγκος, περιορίζοντας με αυτό το χαρακτηρισ τικό τις κινήσ εις του χειρουργικού βοηθητικού προσ ωπικού γύρω από το τραπέζι και απαιτώντας χρονοβόρες ρυθμίσ εις κάθε φορά που ο ασ θενής πρέπει να μετακινηθεί. Αντιθέτως, ένα πλεονέκτημα σ το σ χεδιασ μό του S.O.F.I.E. είναι ότι η κατασ κευή του είναι φθηνότερη και κατά πολύ μικρότερη από εκείνη της προηγούμενης γενιάς ρομπότ. Παρόλο

34 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 31 που δεν υπάρχει αυτή τη σ τιγμή κάποια εκτίμησ η του κόσ τους ενός τέτοιου σ υσ τήματος, είναι ήδη σ αφές ότι το σ χέδιο επιτρέπει να κατασ κευασ τεί ένα ρομπότ που κοσ τίζει σ ημαντικά λιγότερο από euro που είναι το μέσ ο κόσ τος του σ υσ τήματος da Vinci. Οπως πολλά από τα ρομπότ προηγούμενης γενιάς, το S.O.F.I.E. ακολουθεί μια master - slave αρχιτεκτονική. Τα δύο σ υσ τήματα (master - slave) διαχωρίζονται πλήρως μεταξύ τους και είναι σ υνδεδεμένα μέσ ω ενός ηλεκτρονικού πύργου (electronic hardware cabinet). Το κύριο (master) σ ύσ τημα του S.O.F.I.E. αποτελείται από πέντε βαθμούς ελευθερίας σ ε σ ειριακή διάταξη, ενσ ωματωμένες απτικές διεπαφές ή χειρισ τήρια (Εικόνα 1.12αʹ) πάνω σ ε ένα πίνακα ελέγχου του χειρούργου, οι οποίες καθίσ τανται δυσ κολότερες ή ευκολότερες να κινηθούν, ανάλογα με την πίεσ η που ασ κούν, εις βάρος των ισ τών των ασ θενών, τα ρομποτικών χειρουργικά εργαλεία. Ολοι οι βαθμοί ελευθερίας ενεργοποιούνται από brushless DC κινητήρες σ ε σ υνδυασ μό με ημιτονοειδή μετατροπή για να ελαχισ τοποιηθούν οι ταλαντώσ εις της ροπής. Η ανάλυσ η της άκρης του απτικού χειρισ τηρίου είναι περίπου µm που είναι υψηλότερη σ ε σ χέσ η με την ανάλυσ η που μπορεί να τοποθετήσ ει ένας χειρούργος το χέρι του (περίπου 50 µm). Ενα ακόμα κύριο σ ύσ τημα είναι υπό ανάπτυξη που θα μπορεί να παρέχει οκτώ βαθμούς ελευθερίας σ την απτική διεπαφή. Επιπλέον, το δευτερεύων (slave) σ ύσ τημα του S.O.F.I.E. (Εικόνα 1.12βʹ) αποτελείται από την προ-χειρουργική εγκατάσ τασ η και τους τρεις ρομποτικούς βραχίονες (δύο για τα χειρουργικά εργαλεία και ένας για την κάμερα) τοποθετημένα πάνω σ το χειρουργικό τραπέζι, μειώνοντας έτσ ι τον απαιτούμενο χώρο για το χειρουργικό ρομποτικό σ ύσ τημα. Η προεγχειρητική εγκατάσ τασ η - σ χεδιασ μός χρησ ιμοποιείται για να τοποθετηθούν και να κατευθυνθούν οι ρομποτικοί βραχίονες, καθώς επίσ ης να ρυθμισ τεί η σ υνολική πλατφόρμα. Αυτή η ρύθμισ η παρέχει τη δυνατότητα σ το χειρουργό να επιλέξει τη βέλτισ τη κατεύθυνσ η της προσ έγγισ ης κάθε οργάνου, αντί να χρειάζεται να μετακινήσ ει τον ασ θενή ώσ τε να ταιριάζει σ τη σ χεδίασ η του σ υσ τήματος. Οι ρομποτικοί βραχίονες χρησ ιμοποιούνται για να μετακινήσ ουν τα όργανα-ενδοσ κόπια κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασ ης. Το ρομποτικό σ ύσ τημα βραχιόνων που λειτουργούν ως ενδοσ κόπια (Εικόνα 1.12γʹ) έχει έξι βαθμούς ελευθερίας σ υν την τσ ιμπίδα που είναι διαθέσ ιμη σ την άκρη του εργαλείου, σ χεδιασ τικά χαρακτηρισ τικά παρόμοια σ ε σ ύγκρισ η με τα εργαλεία της ανοικτής χειρουργικής επέμβασ ης. Επιπλέον, το σ ύσ τημα των αισ θητήρων δεν είναι τοποθετημένο κοντά σ την άκρη του εργαλείου για τον περιορισ μό των κινδύνων για τον ασ θενή. Τέλος, το σ υνολικό σ ύσ τημα ελέγχου του χειρουργικού ρομποτικού σ υσ τήματος S.O.F.I.E., που σ τεγάζεται σ ε έναν πύργο, περιλαμβάνει 3 4 βαθμούς ελευθερίας σ τους βραχίονες, 3 4 βαθμούς ελευθερίας σ τα χειρουργικά εργαλεία και 42 διαφορετικά αναλογικά σ ήματα από τους αισ θητήρες. Αυτά τα αναλογικά σ ήματα αποτελούνται από 24 σ ήματα των αισ θητήρων δύναμης, 12 σ ήματα σ χετικά με τις απόλυτες γωνίες, 3 σ ήματα βαρύτητας και 3 σ ήματα θερμοκρασ ίας. Το ρομποτικό σ ύσ τημα S.O.F.I.E. δεν έχει κατασ τεί εμπορικά διαθέσ ιμο ακόμη (η ερευνήτρια διερευνά την πιθανή εκμετάλλευσ η του σ ε περίπου πέντε χρόνια),

35 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 32 αλλά έχει ήδη δοκιμασ τεί με επιτυχία σ ε MIS λαπαροσ κοπικές και θωρακοσ κοπικές χειρουργικές διαδικασ ίες. (aþ) To kôrio svôsvthma - qeirisvt ria tou qeiroôrgou (bþ) To deutereôwn svôsvthma me touc rompotikoôc braqð-(gþonec To endosvkopikì ergaleðo (tsvimpðda) Figure 1.12: Το ρομποτικό σ ύσ τημα S.O.F.I.E. 1.3 Ereunhtikèc prosvpˆjeiec exèlixhc twn laparosvkopik n qeirourgik n ergaleðwn Σε σ υνέχεια των ανωτέρω εξελιγμένων λαπαροσ κοπικών και γενικά χειρουργικών εργαλείων θα παραθέσ ουμε ορισ μένες ακόμα ερευνητικές προσ πάθειες σ τον τομέα της λαπαροσ κοπικής χειρουργικής, οι οποίες έχουν σ υντελέσ ει σ ημαντικά σ την εξέλιξη της ελάχισ τα επεμβατικής χειρουργικής τα τελευταία χρόνια. Για καλύτερη κατανόησ η τα ακόλουθα χειρουργικά εργαλεία ταξινομήθηκαν σ ε κεφάλαια ανάλογα με την μέθοδο ενεργοποίησ ης για κίνησ η που χρησ ιμοποιούν.

36 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ Laparosvkopikˆ ergaleða pou fèroun DC - Kinht rec gia energopoðhsvh Τα περισ σ ότερα λαπαροσ κοπικά εργαλεία σ τις μέρες μας κάνουν χρήσ η DC - κινητήρων για να επιτύχουν την ζητούμενη κίνησ η. Οσ ον αφορά την αξιοποίησ η των κινητήρων έχουν εφαρμοσ τεί πολλές διαφορετικές φιλοσ οφίες. Στην ακόλουθη παράγραφο θα παρουσ ιάσ ουμε αναλυτικά τέτοια εργαλεία και θα ερευνήσ ουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Ενα χαρακτηρισ τικό παράδειγμα υποσ τηριζόμενης κίνησ ης από κινητήρες είναι το 3 DOF ρομποτικό εργαλείο χειρός, για επιδέξιες λαπαροσ κοπικές επεμβάσ εις (βλ. [18]). Το εργαλείο κατασ κευάσ τηκε το 2008 από ερευνητές διαφόρων ιταλικών πανεπισ τημίων και φέρει τέσ σ ερις DC - κινητήρες (τρεις για προσ ανατολισ μό και έναν για την ακραία λαβίδα), η κίνησ η των οποίων μεταφέρεται σ το εύκαμπτο σ ώμα του εργαλείου μέσ ω ειδικών τενόντων. Προφανώς, οι ολικοί βαθμοί ελευθερίας του εργαλείου είναι και μόλις τρεις και αποτελούν το βραχίονά του που απεικονίζεται και σ την 1.13αʹ. Το πρωτότυπο που αναπτύχθηκε σ την σ υνέχεια για τον χειρισ μό του βραχίονα φαίνεται σ την εικόνα 1.13βʹ και φέρει μία πολύπλοκη αλλά ταυτόχρονα ενδιαφέρουσ α λαβή για τον χειρισ μό των βαθμών ελευθερίας κύλισ ης-εκτροπής-κύλισ ης βραχίονα. (aþ) Megenjumènh eikìna tou braqðona (bþ) Prwtìtupo tou laparosvkopikoô ergaleðou qeirìc Σχήμα 1.13: Εικόνες του ρομποτικού εργαλείου χειρός

37 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 34 Η λαβή αυτή έχει κυλινδρικό σ χήμα και φέρει κουμπιά μεταβολής κύλισ ης (roll), εκτροπής (pitch) και κλίσ ης (yaw) του βραχίονα τύπου χειρισ τηρίου. Παράλληλα, μέσ ω ενός μικρού μοχλού επιτυγχάνεται το άνοιγμα και κλείσ ιμο της ακραίας λαβίδας, μέσ ω μέτρησ ης της πίεσ ης που ασ κείται σ τον μοχλό από τον χειρισ τή. Σύμφωνα με τους δημιουργούς του, το σ χήμα αυτό, σ ε αντίθεσ η με το σ χήμα τσ ιμπιδιού που φέρει η λαβή του σ υσ τήματος Da Vinci co, είναι καταλληλότερο για εργαλεία χειρός. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν η κίνησ η του εργαλείου είναι αρκετά ακριβής και σ χετικά γρήγορη, ενώ επίσ ης οι χειρισ τές ανέφεραν λιγότερα προβλήματα πόνων σ τα χέρια με την χρήσ η της ειδικής λαβής. Το κυριότερο πρόβλημα που παρουσ ιάζεται φαίνεται να είναι η υσ τέρησ η και η σ πασ μωδική κατά περιόδους κίνησ η του εργαλείου, η οποία οφείλεται σ τον τρόπο που ενσ ωματώθηκαν οι τένοντες σ το εργαλείο, καθώς και κάποια γενικά μειονεκτήματα λόγω χρήσ ης DC - κινητήρων που ανάγκαζε τους ερευνητές να αρχικοποιούν σ υνεχώς το εργαλείο. Μία άλλη αξιοσ ημείωτη προσ πάθεια είναι το λαπαροσ κοπικό εργαλείο Naviot, το οποίο σ χεδιάσ τηκε και κατασ κευάσ τηκε από το τμήμα χειρουργικής του πανεπισ τημίου του Kyushu σ ε σ υνεργασ ία με την εταιρία Hitachi. Το εργαλείο κινείται χάρη σ ε δύο ανεξάρτητους κινητήρες σ το άκρο του, που σ τη σ υνέχεια σ υνδέονται σ ε ένα πολύπλοκο σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης 5-αξόνων για μεταφορά της κίνησ ης σ την λαβίδα. Η λαβίδα περιέχει ένα μικρό ενδοσ κόπιο με πολύ καλά ενσ ωματωμένα όργανα μεγέθυνσ ης εικόνας. Ενα χειρισ τήριο δύο πλήκτρων έχει επίσ ης κατασ κευασ τεί σ το οπίσ θιο σ ύσ τημα χειρός του εργαλείου, εκ των οποίων το πρώτο χρησ ιμοποιείται για έλεγχο μεγέθυνσ ης και το δεύτερο για έλεγχο του προσ ανατολισ μού, όπως φαίνεται και σ την εικόνα 1.14αʹ. Η κίνησ η σ την επιθυμητή θέσ η επιτρέπεται μόνο μετά από πάτημα του δεύτερου κουμπιού, καθισ τώντας το έτσ ι και μία δικλείδα ασ φαλείας σ ε περίπτωσ η λάθους. Κάνοντας χρήσ η του παραπάνω χειρισ τηρίου δίνεται επομένως η δυνατότητα για ευρύ έλεγχο και σ ταθεροποίησ η του εργαλείου και κατ επέκτασ η καλύτερης ποιότητας εικόνας από την φωτογραφική σ το ακραίο σ ημείο του εργαλείου. Στην τελική έκδοσ η του εργαλείου αναφέρεται μία περιορισ μένη δυνατότητα περισ τροφής κατά 45 σ την οριζόντια διεύθυνσ η και κατά 25 σ την κατακόρυφη διεύθυνσ η. Το εργαλείο φέρει δυνατότητα έκτασ ης έως 15 cm, το μισ ό περίπου σ ε σ ύγκρισ η με το σ ύνηθες μήκος για τέτοια εργαλεία, και η φωτογραφική μηχανή με τις αυξημένες δυνατότητες θέασ ης εκτείνεται 2 mm επιπλέον του εργαλείου. Ολες οι κινήσ εις του εργαλείου επιτυγχάνονται και εδώ με DC - κινητήρες ηλεκτρονικής μεταγωγής ή απλούς γραμμικούς κινητήρες όσ ον αφορά την αρπάγη. Τέλος, ένα πολύπλοκο σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης εξασ φαλίζει την δυνατότητα ομαλής κίνησ ης σ ε 8 κατευθύνσ εις και δυνατότητα σ τιγμιαίων μικρών κινήσ εων του εργαλείου. Βεβαίως, η εμβέλεια του εργαλείου δεν είναι και τόσ ο μεγάλη για να μπορεί να θεωρηθεί έτοιμο για κάποια μικροχειρουργική επέμβασ η.

38 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 35 (aþ) LabÐda tou ergaleðou Naviot kai qeirokðnhtoc elegkt c 2 koumpi n (bþ) Genik episvkìphsvh tou svusvt matoc Naviot Σχήμα 1.14: Εικόνες του λαπαροσ κοπικού εργαλείου Naviot Η απροβλημάτισ τη λειτουργία του εργαλείου Naviot, που απεικονίζεται σ το 1.14βʹ, επιβεβαιώθηκε σ τις πειραματικές μελέτες του [19]. Το λαπαροσ κόπιο δοκιμάσ τηκε σ ε 10 ώρες σ υνεχούς λειτουργίας και χάρη σ το μικρο μήκος του και το γεγονός ότι το ενδοσ κόπιο εξέχει ελάχισ τα από το ακραίο σ ημείο του βραχίονα δεν παρουσ ίασ ε ιδιαίτερες αδυναμίες. Το γεγονός άλλωσ τε ότι το ενδοσ κόπιο δεν χρειάζεται να εξέχει από το κυρίως σ ώμα μας προϊδεάζει για την αυξημένη δυνατότητα αποφυγής τραυματισ μού ανθρώπινου ισ τού. Πρόκειται, επομένως, για ένα αξιομνημόνευτο αποτέλεσ μα με πολλές ακόμα δυνατότητες εξέλιξης, κυρίως όσ ον αφορά την δυνατότητα πλήρους σ άρωσ ης του τρισ διάσ τατου χώρου. Ενα άλλο ενδιαφέρον ερευνητικό αποτέλεσ μα είναι το πολυαρθρωτό τηλεχειριζόμενο ρομποτικό σ ύσ τημα λαπαροσ κόπησ ης που περιγράφεται σ το [20]. Το σ ύσ τημα αποτελείται από δύο σ ειριακούς βραχίονες μικρού μεγέθους για πολ-

39 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 36 λαπλές χρήσ εις καθώς και τον ενδοσ κοπικό βραχίονα του LER. Ο τελευταίος, γνωσ τός με την ονομασ ία LER, φέρει τρεις περισ τροφικούς βαθμούς ελευθερίας και DC - κινητήρες υπεύθυνους για την περισ τροφή, την κλίσ η και την έκτασ η του εργαλείου, όπως φαίνεται σ την ακόλουθη εικόνα (βλ. 1.15). Επιπλέον αυτών των βαθμών ελευθερίας η πλατφόρμα φέρει την δυνατότητα ιδιοπερισ τροφής, αυξάνοντας έτσ ι ακόμα περισ σ ότερο το εύρος λειτουργίας του βραχίονα. Σχήμα 1.15: Λαπαροσ κοπικός βραχίονας LER του Berkelman με προσ αρμοσ μένο εργαλείο επέμβασ ης Το βάρος του ενδοσ κοπίου είναι περί τα 0.6 kg, ενώ το ίδιο βάρος όλης της πλατφόρμας μετρήθηκε σ τα 2 kg, επομένως είναι μία ευκίνητη κατασ κευή. Οι κινήσ εις και εδώ όπως και σ το εργαλείο Naviot επιτυγχάνονται μέσ ω των προαναφερθέντων κινητήρων ή μέσ ω γραμμικών βηματικών κινητήρων όσ ον αφορά την αρπάγη. Ενα αρκετά σ ημαντικό σ τοιχείο αναφορικά με τις κινησ ιακές ικανότητες του βραχίονα είναι η δυνατότητα πλήρους κίνησ ης σ τον περιβάλλοντα χώρο (360 ) και η δυνατότητα αλλαγής κλίσ ης από την πλήρως κατακόρυφη θέσ η έως και 10 από την οριζόντια θέσ η. Επιπλέον αυτού, σ ύμφωνα με τους ερευνητές, ο μόνος περιορισ μός σ την λειτουργία του εργαλείου είναι η απαίτησ η να εισ έρχονται τα επιπλέον μέρη σ το σ ώμα του ασ θενή υπό απόσ τασ η 80 mm μεταξύ τους, ώσ τε να αποφευχθεί τραυματισ μός του ασ θενή (βλ. 1.16). Άλλωσ τε, επειδή δεν υπάρχουν επιπλέον βραχίονες ή ρομποτικοί μηχανισ μοί πέραν του εργαλείου και υπό την προϋπόθεσ η πως όλα τα μέρη της πλατφόρμας είναι σ τραμμένα σ την περιοχή ενδιαφέροντος δεν πρόκειται να προκύψει κάποια σ ύγκρουσ η μεταξύ των μηχανικών μερών που θα μπορούσ ε να δημιουργήσ ει κάποιον τραυματισ μό. Ετσ ι το εργαλείο αυτό υπερτερεί σ ε σ χέσ η με το χειρουργικό σ ύσ τημα Da Vinci, όπου

40 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 37 πάντα είναι αναγκαία μία προ-ρύθμισ η για την πραγματοποίησ η μία ακολουθίας κινήσ εων. Σχήμα 1.16: Πλατφόρμα του αρθρωτού τηλεχειριζόμενου σ υσ τήματος Επιπλέον, οι ερευνητές θέλησ αν να δώσ ουν ιδιαίτερη σ ημασ ία σ την αλληλεπίδρασ η με τον χειρισ τή. Ετσ ι σ χεδιάσ τηκε μία ειδική κύρια κονσ όλα (βλ. 1.17), η οποία σ ε σ υνεργασ ία με μία οθόνη αφής και τον υπολογισ τή σ υνεργάζονται για την δυνατότητα όσ ο το δυνατόν καλύτερου ελέγχου των κινήσ εων. Σχήμα 1.17: Κονσ όλα τηλεχειρισ μού

41 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 38 Χωρίς αμφιβολία πρόκειται για μία από τις καλύτερα αναπτυγμένες πλατφόρμες μέχρι τώρα με πολύ καλά κλινικά αποτελέσ ματα και ίσ ως ένα σ ημείο βελτίωσ ης αφορά το σ ύσ τημα χειρισ μού, όπου απουσ ιάζει η λαβή των προηγούμενων εργαλείων που προτιμάται λόγω ομοιότητας με το ανθρώπινο χέρι. Τέλος, σ ημαντική θα ήταν και η προσ θήκη ενός σ υσ τήματος αίσ θησ ης της πίεσ ης (δύναμης) που ασ κεί το ακραίο σ ημείο του εργαλείου. Σε μία προσ πάθεια να αποφύγουν την εκτεταμένη χρήσ η DC - κινητήρων, οι πρόσ φατες έρευνες επικεντρώνονται σ ε άλλης μορφής εργαλεία όπως το [21], το οποίο χρησ ιμοποιεί κινητήρες ως ενεργοποίησ η, αλλά φέρει το πολύ καλά α- νεπτυγμένο σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης της εικόνας Αποτελείται από γρανάζια και άξονες τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο, ώσ τε κάθε σ τιγμή να ελαχισ τοποιούν την απαιτούμενη δύναμη για διατήρησ η μίας θέσ ης και να μεγισ τοποιούν το λόγο δύναμης προς παρεχόμενη ενέργεια κατά την κίνησ η. Σχήμα 1.18: Καινοτόμο σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης Στην πράξη, η κίνησ η της λαβίδας μετατρέπεται σ ε ηλεκτρικό σ ήμα και οι κινητήρες χρησ ιμοποιώντας κατάλληλους κωδικοποιητές και ενισ χυτές το μετατρέπουν σ ε αντίσ τοιχη κίνησ η, έχοντας σ υνυπολογίσ ει με κατάλληλο αλγόριθμο την βέλτισ τη μέθοδο εφαρμογής των δυνάμεων ώσ τε να επιτυγχάνεται η αρχή της ελάχισ της ενέργειας. Το μήκος του λαπαροσ κοπικού εργαλείου είναι 274 mm και το βάρος του περίπου 1 kg. Η κίνησ η σ το 3D χώρο επιτυγχάνεται μέσ ω έξι κινητήρων ενώ το σ ύσ τημα διασ ύνδεσ ης δημιουργεί μία εικονική διάταξη βραχίονα τεσ σ άρων βαθμών ελευθερίας (σ υμπεριλαμβανομένης της αρπάγης). Εικόνες της διάταξης οδήγησ ης καθώς και της όλης πλατφόρμας φαίνονται σ τα ακόλουθα διαγράμματα (βλ. 1.19)

42 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 39 (aþ) O braqðonac me 3 svuneqìmenec monˆdec od ghsvhc (bþ) Eikìna thc pl rouc platfìrmac tou DSD braqðona Σχήμα 1.19: Εικόνες του DSD βραχίονα με λαβίδα Σύμφωνα βέβαια με τους ερευνητές, σ τα πειράματα που ακολούθησ αν η ελάχισ τη δύναμη προκαλούσ ε προβλήματα όπως πολύ αργές κινήσ εις, ενώ παράλληλα η απουσ ία κλεισ ίματος του βρόγχου ελέγχου οδηγούσ ε σ ε λάθος απόκρισ η του σ υσ τήματος σ ε αρκετές περιπτώσ εις. Προβλήματα σ αν αυτό πρέπει να λυθούν κλείνοντας τον βρόγχο με σ ωσ τή ανάδρασ η της δύναμης σ το σ ύσ τημα κύριουεξαρτημένου που έχει αναπτυχθεί και σ ωσ τή μετάφρασ η της ασ κούμενης δύναμης του χειρισ τή σ ε δύναμη του εργαλείου. Ανεξάρτητα, βέβαια, από τα προβλήματα έλεγχου της εκάσ τοτε πλατφόρμας όλα τα προαναφερθέντα λαπαροσ κοπικά εργαλεία χαρακτηρίζονται από τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που χαρακτηρίζουν τους μηχανισ μούς ενεργοποίησ ής τους, δηλαδή τους ηλεκτρονικής μεταγωγής (brushless) κινητήρες. Στους κινητήρες αυτούς οι μεταγωγείς ρεύματος είναι ηλεκτρικοί και όχι μηχανικοί, ώ- σ τε να επιτυγχάνεται καλύτερη απόδοσ η και λιγότερες μηχανολογικές ασ τοχίες του υλικού. Οι κινητήρες αυτοί έχουν το βασ ικό πλεονέκτημα ότι παρέχουν πολύ ακριβή έλεγχο της ροπής σ ε μία ευρεία κλίμακα τιμών. Αυτό, όμως, επιτυγχάνεται μέσ ω υψηλών ρευμάτων, καθώς η αρχή λειτουργίας των DC - κινητήρων είναι η ε-

43 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 40 φαρμογή χαμηλών τάσ εων και η ανάπτυξη ισ χυρών ρευμάτων κατά τη λειτουργιά. Επομένως, η κατανάλωσ η ισ χύος για την ομαλή λειτουργία τέτοιων κινητήρων είναι αρκετά μεγάλη. Επιπλέον, υπάρχει σ υνεχής ανάγκη για επίβλεψη και σ υντήρησ η του μηχανολογικού μέρους των κινητήρων που χρησ ιμοποιείται για την επαγωγή του ρεύματος, ώσ τε να εξασ φαλίζεται η βέλτισ τη απόδοσ η. Η σ υντήρησ η αυτή αφορά τόσ ο τον μεταλλάκτη όσ ο και τα καρβουνάκια της μικρο-μηχανής και θεωρείται αρκετά δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασ ία. Επιπλέον, εκτός από τα γενικά θετικά και αρνητικά γνωρίσ ματα τέτοιων κινητήρων, η χρήσ η τους σ ε λαπαροσ κοπικά εργαλεία, επιφέρει κάποια βασ ικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σ τον χειρισ τή, που παρατηρούνται και σ τα εργαλεία που παρουσ ιάσ αμε. Βλέπουμε πως η ευρεία χρήσ η κινητήρων βασ ίζεται σ την δυνατότητα για πολύ ακριβή έλεγχο της ροπής. Αυτή η δυνατότητα μειώνει κατ επέκτασ η την ανάγκη για εφαρμογή πολύπλοκων αλγορίθμων ελέγχου, καθώς ήδη από τον έλεγχο ανοιχτού βρόγχου επιτυγχάνεται ακρίβεια και σ ταθερότητα σ την κίνησ η. Από την άλλη μεριά βέβαια, σ ύμφωνα με τα άρθρα των [22] και [23], σ τα οποία επιχειρείται μία θεωρητική προσ έγγισ η σ την λαπαροσ κοπική χειρουργική, προτείνεται η αποφυγή χρήσ ης DC - κινητήρων για αισ θητικούς λόγους. Επικαλούνται, λοιπόν, σ υγκεκριμένα πειράματα, όπου φαίνεται πως η χρήσ η κινητήρων σ ε ρομποτικούς βραχίονες είναι θορυβώδης και τείνει να δημιουργεί ανεπαίσ θητες δονήσ εις με αποτέλεσ μα να προκαλεί ένα αίσ θημα δυσ φορίας σ τον ασ θενή και τον χειρούργο.φαινόμενα θορύβου θα μπορούσ αν να αποφευχθούν, βέβαια, κάνοντας χρήσ η μονωτικών υλικών ή με μία σ χετική απομάκρυνσ η των κινητήρων από τον χώρο εργασ ίας. Και τα δύο όμως αποτελούν σ αφώς δαπανηρές διαδικασ ίες και σ ε σ υνδυασ μό με το αυξημένο κόσ τος σ υντήρησ ης των κινητήρων οδηγούν τους ερευνητές να τονίσ ουν την ανάγκη για χρήσ η έξυπνων υλικών που θα μειώσ ουν τέτοια φαινόμενα και θα δώσ ουν νέα ώθησ η σ την ελάχισ τα επεμβατική λαπαροσ κοπική χειρουργική. Εκτός αυτού, εμβαθύνοντας σ την έρευνά τους, οι σ υντάκτες των ανωτέρω δύο άρθρων μελετούν όλες τις υπάρχουσ ες πλατφόρμες, όσ ον αφορά το ζήτημα της επικοινωνίας μεταξύ χειρούργου και χειρουργικής πλατφόρμας. Πρόκειται, άλλωσ τε, για ένα από τα πιο σ ημαντικά σ τοιχεία για την επιτυχία της επέμβασ ης. Τονίζεται, λοιπόν, ότι τα περισ σ ότερα λαπαροσ κοπικά εργαλεία χρησ ιμοποιούν μία εξωτερική λαβή παρόμοια με ένα ψαλίδι για να παρομοιάσ ουν το εργαλείο με το χειρουργικό χέρι. Η λύσ η αυτή είναι η λιγότερο πολύπλοκη και βοηθά τον χειρισ τή σ την διαδικασ ία της εκμάθησ ης, παρόλα αυτά, όμως, μηχανολογικά, αδυνατεί να υποσ τηρίξει προηγμένες δυνατότητες σ ε χειρουργικές πλατφόρμες όπως την ανάδρασ η της δύναμης για καλύτερη αίσ θησ η της χειρουργικής διαδικασ ίας. Από την άλλη πλευρά, οι πιο σ ύνθετες πλατφόρμες χειρισ μού όπως αυτή που παρουσ ιάζεται σ το 1.17 αποτυγχάνουν, λόγω πολυπλοκότητας, να μεταφέρουν ένα αίσ θημα ασ φάλειας κινήσ εων σ τον χειρούργο καθώς απαιτούν πολλές ώρες εκπαίδευσ ης και υψηλή επιδεξιότητα κατά τη διάρκεια της εγχείρησ ης, ώσ τε να υπολογίσ ουν επιτυχώς κάθε κίνησ η του ακραίου σ ημείου και να την εισ άγουν σ ωσ τά σ την κονσ όλα χειρισ μού. Σε μία προσ πάθεια να αποφύγουν κάποια από τα ανωτέρα προβλήματα χωρίς να αποκλεισ τεί η χρήσ η κινητήρων οι ερευνητές παρουσ ίασ αν λύσ εις όπως αυτήν που παρουσ ιάζεται σ το [24]. Πρόκειται για ένα χέρι τριών δακτύλων και εννέα

44 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 41 βαθμών ελευθερίας το οποίο με κατάλληλη σ υρρίκνωσ η μπορεί να εισ έλθει μέσ ω μικροτομής και ενός απλού οδηγού σ το εσ ωτερικό του ασ θενή και σ τη σ υνέχεια να εκταθεί σ την κοιλιακή χώρα παίρνοντας την μορφή κανονικού χεριού ώσ τε να εκτελέσ ει τις απαιτούμενες λειτουργίες. Στην εξωτερική λαβίδα η πληθώρα κινητήρων έχει αντικατασ ταθεί από ένα πολύπλοκο σ ύσ τημα αξόνων και γραναζιών όπως φαίνεται σ την ακόλουθη εικόνα (εικόνα 1.20) : Σχήμα 1.20: Συναρμολογούμενο χέρι 9 βαθμών ελευθερίας με 3 δάχτυλα Κάνοντας χρήσ η ενός DC - κινητήρα η κίνησ η μεταφέρεται μέσ ω των ανωτέρω μηχανισ μών και ειδικών τενόντων σ τα δάχτυλα του χεριού όπου και πάλι με χρήσ η γραναζιών, τροχών και ράβδων ώθησ ης κινείται όλος ο μηχανισ μός προσ ομοιώνοντας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο προφανώς το ανθρώπινο χέρι. Η χρήσ η τέτοιων μηχανισ μών, όμως, δεν επιτρέπει εύκολα την υλοποίησ η της δυνατότητας αίσ θησ ης της δύναμης σ τον χειρούργο, η οποία έχει χαρακτηρισ τεί επανειλημμένα αναγκαία για την εξέλιξη των χειρουργικών εργαλείων. Γενικότερα, λοιπόν, από το τμήμα που αφορά την χρήσ η των DC - κινητήρων, διαπισ τώνουμε ότι πρόκειται για μία από τις πιο εύκολες μεθόδους ενεργοποίησ ης των λαπαροσ κοπικών εργαλείων με ορισ μένα μειονεκτήματα που δεν είναι αξεπέρασ τα. Στα πλαίσ ια όμως της φυσ ικής εξέλιξης των εργαλείων αυτών σ ύμφωνα με τις απαιτήσ εις των χειρούργων, οι οποίοι ζητούν πιο απτά και απλά εργαλεία

45 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 42 με πολλούς βαθμούς ελευθερίας για μεγάλη ευελιξία κινήσ εων, η χρήσ η εναλλακτικών υλικών (έξυπνων υλικών) σ τις μεθόδους υλοποίησ ης θεωρείται ευρέως αναγκαία Laparosvkopikˆ ergaleða me pneumatikoôc/udraulikoôc epenerghtèc Στοχεύοντας να ικανοποιήσ ουν τις ανάγκες εξέλιξης των εργαλείων κάνοντας χρήσ η εναλλακτικών μεθόδων ενεργοποίησ ης, αρκετοί ερευνητές έχουν σ τραφεί σ την χρήσ η πνευματικών ή υδραυλικών επενεργητών. Ενα χαρακτηρισ τικό παράδειγμα σ ε αυτήν την κατηγορία είναι το λαπαροσ κοπικό εργαλείο με την ονομασ ία Colobot που παρουσ ιάζεται σ το [25]. Ο βραχίονας αυτός αποτελείται από 3 πεπλεγμένους βαθμούς ελευθερίας, τοποθετημένους σ ε μία πλατφόρμα μορφής Lizarov. Ο βραχίονας χρησ ιμοποιεί πνευματική ενεργοποίησ η (compression/decompression) για έκτασ η και σ υρρίκνωσ η όπως φαίνεται σ την ακόλουθη εικόνα (βλ. 1.21βʹ). Με την μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται μία ενεργή κάμψη του ευλύγισ του σ ώματος κατά 120 σ ε σ υχνότητα λειτουργίας 20 Hz. Το εργαλείο χαρακτηρίζεται από μία εξωτερική διάμετρο 17 mm και ζυγίζει μόλις 20 g. Επιπλέον οι σ χεδιασ τές του ενσ ωμάτωσ αν αισ θητήρες προσ έγγισ ης με οπτική ίνα για να επιτύχουν ικανοποιητική αίσ θησ η του χώρου σ τον χειρούργο. Το εργαλείο φαίνεται εξ ολοκλήρου σ την αρισ τερή εικόνα κατά τη διάρκεια μίας επέμβασ ης (βλ. 1.21αʹ): (aþ) Apeikìnisvh tou Colobot Σχήμα 1.21: Εικόνες του Colobot (bþ) Jˆlamoi tou Colobot Μία άλλη παρόμοια προσ πάθεια, με ενσ ωμάτωσ η υδραυλικής ενεργοποίησ ης με χρήσ η νερού είναι το σ υμπαγές και ελαφρύ πολυαρθρωτό ρομπότ με την ονομασ ία

46 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 43 P-arm. Αναφέρεται σ το [26] και επίσ ης έχει μορφολογία πλατφόρμας Lizarov. Η κίνησ η σ τον περιβάλλοντα χώρο επιτυγχάνεται με χρήσ η πεπιεσ μένου νερού σ ε έξι γραμμικούς υδραυλικούς ενεργοποιητές (6 DOF). Κάθε ενεργοποιητής αποτελείται από έναν κύλινδρο ανθρακονημάτων με διάμετρο 12 mm, το μήκος του οποίου μεταβάλλεται κατά την κίνησ η από 120 mm έως mm και λόγω χρήσ ης του πολύ ελαφριού ανθρακονήματος ζυγίζει μόνο 30 g. Βέβαια, σ την παρούσ α φάσ η εξέλιξης του εργαλείου η γωνία κίνησ ης είναι περιορισ μένη σ τις 22 τόσ ο σ τον οριζόντιο όσ ο και σ τον κάθετο άξονα, επομένως η λειτουργικότητα του εργαλείου περιορίζεται από το μικρό εύρος κίνησ ης σ τον 3D χώρο. Ενα ενδιαφέρον σ ημείο σ το P-arm αποτελεί η εισ αγωγή του εκάσ τοτε χειρουργικού εργαλείου του χειρούργου σ το σ ώμα του ασ θενή μέσ ω του P-arm. Χάρη σ ε έναν πολύ δυνατό μόνιμο μαγνήτη επιτυγχάνεται μία σ τιβαρή πρόσ δεσ η του μικρού εργαλείου πάνω σ το P-arm που εγγυάται απόλυτη σ ταθεροποίησ η σ τις διάφορες επεμβάσ εις. Τα χαρακτηρισ τικά που αναλύθηκαν πιο πάνω μας δίνουν την αίσ θησ η ενός σ τιβαρού μηχανισ μού με μεγάλη αντοχή σ ε πολύωρες εργασ ίες (πάνω από 10 h),αλλά με ανάγκη για αύξησ η του εύρους κίνησ ης και διατήρησ ης του κόσ τους σ ε χαμηλότερα επίπεδα. Στον τομέα της πνευματικής ενεργοποίησ ης, η καλύτερα αναπτυγμένη πλατφόρμα είναι ίσ ως αυτή που παρουσ ιάζεται σ το [27]. Στο άρθρο αυτό παρουσ ιάζεται η κατασ κευή ενός 3-DOF λαπαροσ κοπικού βραχίονα όμοια με τα εργαλεία που παρατίθενται προηγουμένως. Η διαφορά εδώ έγκειται σ το γεγονός ότι υπάρχει η δυνατότητα αίσ θησ ης της ασ κούμενης δύναμης από το άκρο του εργαλείου, μέσ ω ειδικών αισ θητήρων δύναμης που έχουν τοποθετηθεί σ ε αυτό. Η δύναμη αυτή, μάλισ τα, μεταφέρεται μέσ ω ενός ειδικού πνευματικού σ υσ τήματος και DC - κινητήρων σ τη λαβή του εργαλείου του χειρούργου δημιουργώντας έτσ ι μία αίσ θησ η της κάθε ενέργειας. Πρόκειται για ένα από τα σ τοιχεία που πρέπει να φέρει κάθε αξιόπισ το χειρουργικό εργαλείο τέτοιου σ κοπού, και για αυτό το παρών λαπαροσ κόπιο που απεικονίζεται και σ την 1.22 κρίνεται και ως το καλύτερα ανεπτυγμένο σ τον τομέα του. (aþ) KÔrio mèroc tou braqðona tou T andano (bþ) Exarthmèno tm ma tou braqðona tou T andano Σχήμα 1.22: Πνευματικός βραχίονας του T andano

47 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 44 Ανακεφαλαιώνοντας, μπορούμε να πούμε πως η πνευματική/υδραυλική ενεργοποίησ η είναι μία πιθανή μέθοδος ανάπτυξης των εργαλείων του μέλλοντος, αλλά σ ίγουρα όχι ευρείας κλίμακας λόγω του μεγάλου κατασ κευασ τικού κόσ τους, του θορυβώδους περιβάλλοντος που δημιουργούν, καθώς και του υψηλού κόσ τους σ υντήρησ ης των σ ωληνοειδών μερών Laparosvkopikˆ ergaleða me qr svh èxupnwn ulik n Χρήσ η μορφομεταβλητών κραμάτων μνήμης ως έξυπνα υλικά Σε μία προσ πάθεια να ικανοποιήσ ουν την ανάγκη για χρήσ η έξυπνων υλικών σ την παραγωγή λαπαροσ κοπικών εργαλείων και να εξελίξουν τις δυνατότητες κίνησ ης σ ε μικρό χώρο, οι επισ τήμονες σ τράφηκαν σ τα έξυπνα μορφομεταβλητά κράματα μνήμης, οι ιδιότητες των οποίων έχουν ήδη αναλυθεί σ ε προηγούμενα κεφάλαια (βλ. ). Οι πρώτες εφαρμογές τέτοιων υλικών παρουσ ιάζονται σ τα [28],[29] και [30]. Σε όλα αυτά τα εργαλεία χρησ ιμοποιείται ένας έξυπνος μορφομεταβλητός ενεργοποιητής για το άνοιγμα και το κλείσ ιμο της αρπάγης σ το άκρο των εργαλείων (έλεγχος ενός βαθμού ελευθερίας με SMA), ενώ οι υπόλοιπες κινήσ εις γίνονται με DC - κινητήρες ως ενεργοποιητών των βαθμών ελευθερίας. Στα εργαλεία αυτά δεν θα γίνει κάποια περαιτέρω ανάλυσ η λόγω της απλότητας σ την ενσ ωμάτωσ η των μορφομεταβλητών κραμάτων, χωρίς βεβαίως να απορρίπτεται η αξία τους σ την κατανόησ η των βασ ικών αρχών ενσ ωμάτωσ ης και λειτουργίας χειρουργικών εργαλείων με έξυπνα υλικά. Πέρα από τις παραπάνω προσ πάθειες όμως, παρατηρούμε ότι και σ τα πρόσ φατα χρόνια υπάρχει μία περιορισ μένη χρήσ η τέτοιων υλικών, κυρίως λόγω της υψηλής υσ τέρησ ης που παρουσ ιάζουν, η οποία βέβαια φαίνεται σ ταδιακά να αντιμετωπίζεται από τους ερευνητές. Ενα χαρακτηρισ τικό τέτοιο παράδειγμα παρουσ ιάζεται σ το [31], όπου το χειρουργικό εργαλείο φέρει περισ σ ότερους του ενός SMA ε- νεργοποιητές και επίσ ης ικανοποιεί την ανάγκη για αίσ θησ η της δύναμης σ τον χειρισ τή. Αυτό επιτυγχάνεται, και εδώ, μέσ ω αισ θητήρων δύναμης σ ε ικανοποιητικό βαθμό σ ύμφωνα με τους κατασ κευασ τές. Το σ υγκεκριμένο εργαλείο φαίνεται και σ τις ακόλουθες εικόνες (βλ. 1.23):

48 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 45 (aþ) Sq ma thc labðdac me ensvwmatwmèno epenerght (bþ) To kainotìmo svq ma tou ˆkrou svôsvfixhc Σχήμα 1.23: Λαβίδα με ενσ ωματωμένο επενεργητή για το άκρο σ ύσ φιξης Το καλύτερα ανεπτυγμένο λαπαροσ κοπικό εργαλείο με πλήρη ενσ ωμάτωσ η μορφομεταβλητών κραμάτων μνήμης ως επενεργητές παρουσ ιάζεται σ το [32]. Το ενδοσ κόπιο αυτό παρουσ ιάζει πολύ μικρή διάμετρο (5.5mm) και μεγάλο μήκος (45cm). Τρία μορφομεταβλητά κράματα μνήμης εκτείνονται κατά μήκος του κεντρικού σ ωλήνα και σ υνδέονται με διαφορά γωνίας 120 σ το εκάσ τοτε σ ταθερό σ ώμα, ενώ ένα ελατήριο από πολυμερές που περιβάλλει τα σ ωληνοειδή και τα SMA αντιτίθεται σ την κίνησ η για να επαναφέρεται το σ ώμα σ την αρχική του θέσ η. Η παραπάνω περιγραφή γίνεται καλύτερα αντιληπτή από τις εικόνες που ακολουθούν (βλ. 1.24): (aþ) Diˆtaxh twn SMA kai antagwnisvtik n e- lathrðwn (bþ) Pl rhc eikìna tou braqðona Σχήμα 1.24: Βραχίονας βασ ισ μένος σ ε SMA ενεργοποιητές Το εργαλείο αυτό από σ χεδιασ τική άποψη αποτελείται από τέσ σ ερις βαθμούς ελευθερίας που εξασ φαλίζουν καμπή 90 σ τον οριζόντιο και κάθετο άξονα, άρα ένα πλήρες εύρος κίνησ ης σ το χώρο. Βέβαια, σ τη διάρκεια των πειραμάτων, η πλήρης αξιοποίησ η ενός ελάχισ του όγκου, σ ε σ υνδυασ μό με τον περιορισ μό σ ε έλεγχο

49 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 46 Σχήμα 1.25: Ευλύγισ το χάπι βασ ισ μένο σ ε SMA ανοιχτού βρόγχου, οδήγησ ε σ ε προβλήματα υπερβολικής έκλυσ ης θερμότητας και επομένως δυσ κολία σ την κίνησ η και την σ ταθεροποίησ η του εργαλείου. Τέλος, μία ασ υνήθισ τη μέθοδος αξιοποίησ ης των έξυπνων επενεργητών παρουσ ιάζεται σ το [33] και απεικονίζεται σ τη σ υνέχεια: Οι ερευνητές προσ πάθησ αν να δημιουργήσ ουν μία εύκαμπτη κατασ κευή σ ε μέγεθος χαπιού που θα βασ ίζεται σ την αλλαγή κατασ τάσ εων των μορφομεταβλητών επενεργητών. Τα τελευταία χρόνια, η κατασ κευή τέτοιων ρομποτικών χαπιών με περιορισ μένο αριθμό βαθμών ελευθερίας έχει μεγάλη απήχησ η και σ τη σ υγκεκριμένη περίπτωσ η έχει σ ημειωθεί αξιοσ ημείωτη πρόοδος. Υσ τερα από κλινικές έρευνες, φαίνεται πως υπάρχει ακόμα μεγάλο περιθώριο εξέλιξης αυτών των ρομποτικών χαπιών, τα οποία μπορούν να προσ ομοιωθούν με μικροσ κοπικούς βραχίονες, ώσ τε να είναι ασ φαλή και αξιοποιήσ ιμα Qr svh ˆllwn èxupnwn ulik n Κάποια τελευταία αντικείμενα έρευνας με χρήσ η άλλων έξυπνων επενεργητών είναι το σ ύσ τημα κύριου-εξαρτημένου που περιγράφεται σ το [34], το οποίο αξιοποιεί τις ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητών για να δημιουργήσ ει αλληλεπίδρασ η μεταξύ της εξωτερικής λαβής και του λαπαροσ κοπικού εργαλείου, ή ο ρομποτικός βραχίονας σ το [35], σ τον οποίο έχει ενσ ωματωθεί πιεζοηλεκτρική ενεργοποίησ η. Οι σ υσ κευές αυτές γενικά παρουσ ιάζουν αυξημένη δυσ κολία ελέγχου και υψηλό κόσ τος κατασ κευής.

50 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ Genikì svumpèrasvma Συμπερασ ματικά, είναι σ αφής η ανάγκη να εξελιχθεί ο εργονομικός σ χεδιασ μός των ελάχισ τα επεμβατικών λαπαροσ κοπικών εργαλείων, κυρίως μέσ ω της αύξησ ης των βαθμών ελευθερίας τους. Παράλληλα, χρειάζεται να μειωθεί η σ κληρότητα σ την κατασ κευή ώσ τε να βελτιωθεί η κίνησ η και επομένως και ο έλεγχος τέτοιων εργαλείων. Οσ ον αφορά την χρήσ η εργαλείων με μορφομεταβλητούς επενεργητές μνήμης αποτελεί μία εφικτή υλοποίησ η εάν επιλυθεί το πρόβλημα της έκλυσ ης θερμότητας και αναπτυχθεί ένας αποτελεσ ματικός έλεγχος πραγματικού χρόνου. Αξίζει να σ ημειωθεί πως μόνο σ τις [36] και [37] επιτυγχάνεται ένας περιορισ μένος έλεγχους σ το ολικό σ χήμα του βραχίονα. Παρόλα αυτά σ τις ελάχισ τα επεμβατικές εγχειρήσ εις πρέπει να δίνεται η δυνατότητα μεγάλης ευλυγισ ίας ώσ τε να αποφευχθεί η όποια επαφή με τον ανθρώπινο ισ τό. Επομένως, είναι υπαρκτή η ανάγκη για σ χεδιασ μό πολυαρθρωτών βραχιόνων για ελάχισ τα επεμβατική χειρουργική, με αυξημένες δυνατότητες μεταβολής σ χήματος σ ε σ υνδυασ μό με αυσ τηρή τήρησ η της τροχιάς που ζητείται από τον χειρισ τή. Βασ ιζόμενοι σ τις παραπάνω ανάγκες και την περιορισ μένη ακόμα ανάπτυξη τέτοιων εργαλείων αποφασ ίσ τηκε να σ χεδιασ τεί και να κατασ κευασ τεί ένα πρωτότυπο λαπαροσ κοπικό βραχίονα, με πλήρη χρήσ η SMA. Η κινηματικές δυνατότητες και ο χώρος εργασ ίας του εργαλείου θα μελετηθούν αναλυτικά και θα γίνει προσ πάθεια ανάπτυξης πολλαπλών μεθόδων ελέγχου, ώσ τε να είναι εφικτός ο έλεγχος θέσ ης και προσ ανατολισ μού του εργαλείου σ ε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, θα αναπτυχθεί ένα γραφικό περιβάλλον για τον τελικό χρήσ τη, έτσ ι ώσ τε να είναι δυνατή η απεικόνισ η σ ε υπολογισ τή των κινήσ εων για καλύτερη αντίληψη και χειρισ μό αυτών. Σκοπός της εργασ ίας αυτής είναι να αποκτήσ ουμε τις βασ ικές γνώσ εις των ποικίλων σ χεδιασ τικών παραμέτρων που πρέπει να καθορισ τούν, ώσ τε να επιτευχθεί η κατασ κευή και ο πλήρης έλεγχος ενός πολυαρθρωτού βραχίονα μικρού μεγέθους. Επιπλέον, όλες οι τεχνικές ελέγχου, που βασ ίζονται σ της ιδιαιτερότητες των SMA θα παρουσ ιασ τούν, έτσ ι ώσ τε να επιλεγεί μία ικανοποιητική τεχνική για το σ υγκεκριμένο εργαλείο που θα αναπτυχθεί. Με μία πρότασ η, σ τόχος της παρούσ ας εργασ ίας είναι να αποκτηθεί η γνώσ η του πώς πρέπει να σ χεδιασ τεί, να ελεγχθεί και να αξιοποιηθεί ένας λειτουργικός πολυαρθρωτός λαπαροσ κοπικός βραχίονας με μορφομεταβλητά κράματα μνήμης ως τένοντες.

51 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 1. ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΧΕΙΡΟΥΡΓΙΚΗ 48

52 Kefˆlaio 2 EXETASH EXUPNWN ULIKWN 2.1 Eisvagwg svta 'Exupna Ulikˆ Ο όρος Εξυπνα υλικά περιγράφει μια ομάδα υλικών που αντιδρούν με ελεγχόμενο τρόπο σ ε εξωτερικά περιβαλλοντικά ερεθίσ ματα μιμούμενα τα βιολογικά σ υσ τήματα με τον ολοκληρωμένο σ χεδιασ μό τους και τις προσ αρμοσ τικές τους ικανότητες. Πρωτοπόροι σ ε αυτόν τον τομέα έρευνας ήταν οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ιαπωνία. Η αντίδρασ η αυτή επηρεάζει είτε τις ιδιότητες του υλικού (μηχανικές, ηλεκτρικές ή σ την εμφάνισ η) είτε τη μοριακή δομή του ή τη σ ύνθεσ ή του ή τη λειτουργικότητά του. Μερικά από τα εξωτερικά ερεθίσ ματα που επιδρούν σ ε αυτά τα υλικά είναι η πίεσ η, η υγρασ ία, η θερμοκρασ ία, το ph, τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία. Τα έξυπνα υλικά είναι μια μοναδική κατηγορία υλικών που έχουν πολλές ομοιότητες σ τις μικροδομές τους και τους μηχανισ μούς παραμόρφωσ ής τους, ικανά να μετασ χηματίσ ουν άλλες μορφές ενέργειας σ ε μηχανική ενέργεια και, μερικές φορές, και αντισ τρόφως. Σε γενικές γραμμές, τα υλικά για να ενταχθούν σ την κατηγορία των έξυπνων υλικών θα πρέπει να είναι σ ε θέσ η να ανταποκριθούν σ ε ποικίλες περιβαλλοντικές σ υνθήκες αυτόνομα και με έξυπνο τρόπο. Το πεδίο έρευνας των έξυπνων υλικών είναι διεπισ τημονικό και πολυεπισ τημονικό, καθώς αφορούν μια σ ειρά τεχνολογιών, όπως υλικά, έλεγχος, αίσ θησ η, ενεργοποίησ η και απόσ βεσ η, ενώ τα υλικά αυτά έχουν ήδη χρησ ιμοποιηθεί σ ε ένα πλήθος εφαρμογών (ρομποτική, βιοϊατρική μηχανική, αισ θητήρες, ενεργοποιητές, κατασ τολείς δονήσ εων και σ υσ κευές απόσ βεσ ης, μικροηλεκτρομηχανικά σ υσ τήματα, κ.α.). Ο τεχνολογικός τομέας των έξυπνων υλικών αναπτύσ σ εται κατά τις τελευταίες δεκαετίες με ταχύτατο ρυθμό και ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του Ωσ τόσ ο, η βασ ική τους σ υμπεριφορά δεν έχει ακόμα πλήρως κατανοηθεί. Επιπλέον, μπορούμε να διακρίνουμε τέσ σ ερις κύριες κατηγορίες έξυπνων υλικών, όπως φαίνεται σ την εικόνα 2.1: ˆ Υλικά που αλλάζουν χρώμα (Εικ. 1,6) ˆ Υλικά που εκπέμπουν φως (Εικ. 2,4,5) 49

53 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 50 ˆ Υλικά που αλλάζουν θερμοκρασ ία (Εικ. 3) ˆ Κινούμενα υλικά 1.P hotochromic 2.F luorescent 3.T hermoelectric 4.Electroluminescent 5.P hosphorescent 6.T hermochromic Figure 2.1: Εξυπνα Υλικά Στην εργασ ία μας θα ασ χοληθούμε με περισ σ ότερη λεπτομέρεια με την τελευταία κατηγορία των υλικών (κινούμενα υλικά), προκειμένου να επιλέξουμε εκείνο το υλικό που θα εξυπηρετεί καλύτερα τους σ τόχους της εργασ ίας μας, δηλαδή ως ενεργοποιητής. Τα κινούμενα υλικά μπορούν να διακριθούν σ ε έξι ακόμα υποκατηγορίες: Αγώγιμα πολυμερή, Διηλεκτρικά ελασ τομερή, Πιεζοηλεκτρικά υλικά, Gel πολυμερή, Ηλεκτροενεργά πολυμερή και Μορφομεταβλητά κράματα μνήμης. Ακόμη, υπάρχουν και λιγότερο εμπορικά γνωσ τές κατηγορίες έξυπνων υλικών που εμφανίζουν σ ήμερα αξιοσ ημείωτη αύξησ η σ το επίπεδο της έρευνας, όπως τα Magneto-Rheological ρευσ τά (MRFs), τα Electro-Rheological ρευσ τά (ERFs)) και τα αυτοελεγχόμενα υλικά (όπως οι οπτικές ίνες). 2.2 Ag gima Polumer Τα Αγώγιμα πολυμερή (Conductive polymers) ή, ακριβέσ τερα, τα εγγενώς αγώγιμα πολυμερή (intrinsically conducting polymers (ICPs)) είναι σ υνενωμένα πολυμερή των οποίων τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από το ένα άκρο του πολυμερούς σ το άλλο, γεγονός που σ ημαίνει ότι μπορεί να άγει τον ηλεκτρισ μό. Τέτοιες ενώσ εις είτε λειτουργούν ως ημιαγωγοί ή έχουν μεταλλική αγωγιμότητα. Επίσ ης, έχουν αυξημένες δυνατότητες για χρήσ η τους σ ε διάφορες εφαρμογές

54 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 51 λόγω του μικρού τους βάρους, της αγωγιμότητας, της μηχανικής ευλυγισ ίας και των χημικών ιδιοτήτων τους. Τα πιο σ υνηθισ μένα αγώγιμα πολυμερή είναι Πολυανιλίνη (PAni) και Πολυπυρρόλη (PPY). Η δεύτερη έχει χρησ ιμοποιηθεί για ανάπτυξη μικρο-μυών. Η Πολυανιλίνη είναι περισ σ ότερο ελκυσ τική για χρήσ η, επειδή είναι πιο φθηνή και λόγω της αντίδρασ ής της σ ε ντοπάρισ μα όξινης βάσ ης, της επιτρέπει να εφαρμόζεται σ τους χημικούς αισ θητήρες ατμών. Επιπλέον, οι μεμβράνες πολυανιλίνης ανάμεσ α σ ε αγώγιμες μεμβράνες ιόντων θεωρούνται ως υλικά για τεχνητούς μύες σ ε ρομπότ. Δεδομένου ότι μια ροή ρεύματος προσ θέτει ηλεκτρόνια σ τη μία πλευρά και οξειδώνει την άλλη, τα ιόντα μετακινούνται με αποτέλεσ μα μακροσ κοπικά η μία πλευρά επεκτείνεται και η άλλη σ υσ τέλλεται, όπως φαίνεται σ το σ χήμα 2.2. Ως εκ τούτου, οι ηλεκτρικές και οι χημικές μορφές ενέργειας να μετατρέπονται σ ε μηχανική ενέργεια. Figure 2.2: Αγώγιμα πολυμερή Τα αγώγιμα πολυμερή είναι ακόμα ανοικτή περιοχή έρευνας σ χετικά με τις ιδιότητές τους. Από τις μελέτες, ο αναμενόμενος χρόνος ζωής ενός τέτοιου μυός είναι οι κύκλοι. 2.3 Dihlektrikˆ Elasvtomer Τα Διηλεκτρικά Ελασ τομερή (ονομάζονται επίσ ης ηλεκτροσ ταλτικά πολυμερών) ανήκουν σ την ομάδα των ηλεκτροενεργών πολυμερών. Με βάσ η την απλή αρχή λειτουργίας τους, οι ενεργοποιητές από διηλεκτρικά ελασ τομερή μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια, όταν υποβληθούν σ ε ηλεκτρικό πεδίο, απευθείας σ ε μηχανικό έργο (τροπή). Τα πιο σ υνηθισ μένα είναι τα PMMA ηλεκτροσ ταλτικά πολυμερή. Εξαιτίας της ηλεκτροσ ταλτικής τους τροπής, όταν μια ουδέτερη ταινία ελασ τομερούς είναι τοποθετημένη μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και εφαρμοσ τεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, βλέπε σ χήμα 2.3, εκτείνεται σ το επίπεδο των ηλεκτροδίων, ενισ χύοντας τη φυσ ιολογική σ υμπίεσ η λόγω των ηλεκτροσ τατικών φορτίσ εων σ τα ηλεκτρόδια.

55 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 52 Figure 2.3: Διηλεκτρικά Ελασ τομερή Συνήθως, οι τροπές των διηλεκτρικών ελασ τομερών ενεργοποιητών είναι της τάξης του 10 35%, που μπορεί να φτάσ ουν το μέγισ το σ το 300%. Εάν τυλίξουμε κυλινδρικά μία λεπτή ταινία με πολλά επίπεδα, μπορούμε να επιτύχουμε μεγαλύτερες τροπές. Οπως όμως και με τα αγώγιμα πολυμερή, τα διηλεκτρικά ελασ τομερή βρίσ κονται ακόμη σ ε ερευνητικό επίπεδο, αλλά έχουν τη δυνατότητα να παραχθούν με χαμηλό κόσ τος. 2.4 Piezohlektrikˆ Ulikˆ Τα Πιεζοηλεκτρικά υλικά παράγουν ένα ηλεκτρικό πεδίο ως αντίδρασ η σ ε μια επιβαλλόμενη μηχανική δύναμη που προκαλεί αλλαγή σ τη διάσ τασ ή τους, βλέπε σ χήμα 2.4. Αντισ τρόφως, ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο θα παράγει μια μηχανική τάσ η. Επομένως, έχουμε ένα μετασ χηματισ μό μηχανικής ενέργειας σ ε ηλεκτρική και αντισ τρόφως. Αυτό περιγράφεται ως πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτό το φαινόμενο είναι μια ανασ τρέψιμη διαδικασ ία, διότι τα υλικά, επίσ ης, παράγουν μηχανικά αποτελέσ ματα που προκύπτουν από την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου, φαινόμενο που είναι γνωσ τό ως ηλεκτροσ ταλτικό. Αυτά τα υλικά χρησ ιμοποιούνται σ ε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως αισ θητήρες (π.χ. μικρόφωνα) και ενεργοποιητές (π.χ. multilayer co-reds, αναφλέξεις, κινητήρες, εκτυπωτές). Παρόμοια με πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι ηλεκτροσ ταλτικά και μαγνητοσ ταλτικά υλικά που χρησ ιμοποιούνται σ ε ενεργοποιητές υψηλής ακρίβειας. Πρόκειται για φερρομαγνητικά υλικά τα οποία υπόκεινται σ ε μια ελασ τική τροπή όταν βρίσ κονται μέσ α σ ε ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο αντίσ τοιχα. 2.5 Gel Polumer Τα Gel Πολυμερή αποτελούνται από το δίκτυο ατόμων του πολυμερούς διογκωμένο από ένα διαλυτικό μέσ ο, όπως το νερό. Η βασ ική ικανότητά τους είναι ότι διογκώνονται ή σ υρρικνώνονται ανασ τρέψιμα (έως και 1000 φορές σ ε όγκο), ακόμη και αν υπάρχει μια μικρή αλλαγή σ το περιβάλλον τους, όπως το ph, η θερμοκρασ ία και το ηλεκτρικό πεδίο. Μικρού μεγέθους ίνες από gel σ υσ τέλλονται σ ε msec, ενώ πυκνά σ τρώματα πολυμερών απαιτούν αρκετά λεπτά για να αντιδράσ ουν (ως και 2 ώρες ή ακόμα και μέρες). Αν και το ποσ οσ τό της τάσ ης τους είναι περίπου ίσ η με εκείνη των

56 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 53 Σχήμα 2.4: Πιεζοηλεκτρικά Υλικά ανθρώπινων μυών παρέχοντας πολύ υψηλές δυνάμεις ενεργοποίησ ης, η διάρκεια ζωής τους είναι πολύ μικρή, καθώς η δομή τους σ ταδιακά αλλοιώνεται και τελικά καθίσ τανται άχρησ τα. Figure 2.5: Gel Πολυμερή Τα πιο κοινά gel πολυμερή που χρησ ιμοποιούνται είναι οι πολυβινυλικές αλκοόλες (PVA), τα πολυακριλικά οξέα (PAA) και τα πολυακρυλονιτρίλια (PAN). Παρά το γεγονός ότι τα Gel πολυμερή είναι λιγότερο εμπορικά γνωσ τά, μπορούν με επιτυχία να χρησ ιμοποιηθούν σ ε εφαρμογές όπως τεχνητοί μύες, ρομποτικοί ενεργοποιητές, προσ ροφείς τοξικών χημικών. 2.6 Hlektroenergˆ Polumer Τα Ηλεκτροενεργά Πολυμερή (Electroactive Polymers, ή EAP) παρουσ ιάζουν μια σ ημαντική αλλαγή σ το σ χήμα ή το μέγεθός τους όταν διεγείρονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Ο κύριος τομέας εφαρμογών τους είναι σ ε ενεργοποιητές και αισ θητήρες. Σε σ ύγκρισ η με άλλους σ υμβατικούς ενεργοποιητές και έξυπνα υλικά,

57 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 54 παρουσ ιάζουν καλύτερα χαρακτηρισ τικά (ποσ ά τροπής, ενεργειακή κατανάλωσ η, μάζα, γήρανσ η), γεγονός που τα κάνει ελκυσ τικά για την εφαρμογή τους σ ε βιοϊατρικές εφαρμογές ή γενικότερα σ τη βιολογικά εμπνευσ μένη τεχνολογία. Για το λόγο αυτό, τα EAP σ υχνά αναφέρονται ως τεχνητοί μύες, καθώς σ υμπεριφέρονται παρόμοια με τους βιολογικούς μύες. Παρόλα αυτά, τα μειονεκτήματα των EAP δεν μπορούν να αγνοηθούν: υψηλές απαιτήσ εις ηλεκτρικής τάσ ης, πολύπλοκη βιομηχανική διαδικασ ία παραγωγής ακατάλληλη για μαζική παραγωγή, όπως επίσ ης και εμπορική έλλειψη των πρώτων υλών τους. Εχοντας υπόψη αυτά τα μειονεκτήματα, οι περισ σ ότερες από τις εφαρμογές αυτών των πολυμερών βρίσ κονται ακόμη σ ε επίπεδο έρευνας και πολύ λίγα είναι διαθέσ ιμα σ το εμπόριο. Figure 2.6: 2 /50Α Ενεργοποιητής από EAP καμπτόμενος υπό ηλεκτρική διέγερσ η 2.7 Morfometablhtˆ Krˆmata Τα έξυπνα υλικά που έχουμε χρησ ιμοποιήσ ει για σ την εργασ ία μας ως γραμμικούς ενεργοποιητές ονομάζονται Μορφομνήμονα Κράματα ή κράματα με μνήμη της μορφής ή πιο γνωσ τά ως Shape Memory Alloys - SMA. Τα SMA είναι μια ομάδα μεταλλικών κραμάτων που παρουσ ιάζουν δύο μοναδικές ιδιότητες, την υπερελασ τικότητα και το φαινόμενο μνήμης της μορφής. Σχετικά με την υπερελασ τικότητα, τα SMA είναι σ ε θέσ η να διατηρούν ένα μεγάλο ποσ οσ τό παραμόρφωσ ης σ ε σ ταθερή θερμοκρασ ία και όταν τους ασ κηθεί μία δύναμη παραμόρφωσ ης, επισ τρέφουν σ ε ένα πρότερα ορισ μένο σ χήμα ή μέγεθος. Συνήθως, αυτά τα κράματα μπορούν να επιτύχουν έως και 10% ελασ τική τροπή. Επιπλέον, έχουν τη δυνατότητα να επανέρχονται σ την προηγούμενα καθορισ μένη διαμόρφωσ ή τους όταν υπόκεινται σ την κατάλληλη θερμική διεργασ ία. Αυτή η σ υμπεριφορά ονομάζεται Shape Memory Effect (SΜΕ).

58 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 55 Τα SMA μπορούν να παράγουν μεγάλες δυνάμεις, καθώς μπορούν να ανακτήσ ουν πολύ μεγάλες τροπές και κινήσ εις ενεργοποίησ ης όταν σ υναντούν αντίσ τασ η κατά τη διάρκεια του μετασ χηματισ μού τους, γεγονός που δικαιολογεί την χρήσ η τους ως ενεργοποιητές σ ε εφαρμογές που απαιτούν μικρό μέγεθος και μεγάλες δυνάμεις. Μια πρώτη επαφή με τα σ υγκριτικά πλεονεκτήματα των SMA σ ε σ χέσ η με τα άλλα έξυπνα υλικά γίνεται μέσ ω των παρακάτω πινάκων και διαγραμμάτων (Εικόνες 2.7 και 2.8). Μερικά παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι τα κράματα AgCd, AuCd, CuAlNi, CuSn, CuZnX (X = Si, Al, Sn), InTi, Nial, NiTi, FePt, MnCu, FeMnSi, κράματα Pt, CoNiAl, CoNiGa, NiFeGa, Tipd, NiTiNb και NiMnGa. Figure 2.7: Σύγκρισ η φυσ ικών παραμέτρων των διάφορων έξυπνων υλικών σ ε σ χέσ η με τα SMA

59 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 56 Figure 2.8: Συγκριτικό διάγραμμα διάφορων έξυπνων υλικών Το SME είναι το αποτέλεσ μα ενός μετασ χηματισ μού manensitic που είχε γίνει γνωσ τό από τα μέσ α της δεκαετίας του 1950, όταν το φαινόμενο ανακαλύφθηκε σ ε κράματα με βάσ η το χαλκό. Στις αρχές της δεκαετίας του εξήντα, ο William Beuhler με Frederick Wang από το US Naval Ordinance Laboratory παρατήρησ αν το φαινόμενο αυτό σ ε ένα κράμα νικελίου-τιτανίου (NiTiNOL) (που σ ημαίνει Νικέλιο (Ni), τιτανίου (Ti) και US Naval Ordinance Laboratory (NOL)). Σήμερα, αυτά τα κράματα είναι τα πιο ευρέως χρησ ιμοποιούμενα SMA, σ υνδυάζοντας το πιο έντονο φαινόμενο μνήμη της μορφής, την αντοχή σ τη διάβρωσ η, την βιοσ υμβατότητα και άλλες μοναδικές μηχανικές ιδιότητες που το κάνουν να ξεχωρίζει από τα άλλα SMA. 2.8 Fainìmeno mn mh thc morf c Το Shape Memory Eect (SME) είναι μια μοριακή αναδιοργάνωσ η του υλικού εξαιτίας της θερμοκρασ ίας και / ή της άσ κησ ης τάσ ης επάνω σ ε αυτό που πραγματοποιείται μεταξύ δύο διαφορετικών σ τερεών αλλαγών κατάσ τασ ης: της ψυχρής κατάσ τασ ης (Martensite) και της θερμής κατάσ τασ ης (Austenite). Οι δύο αυτές κατασ τάσ εις έχουν ίδια χημική σ ύσ τασ η αλλά διαφορετικές κρυσ ταλλογραφικές δομές. Εάν ένα καλώδιο SMA σ τη θερμή κατάσ τασ η ψυχθεί κάτω από την θερμοκρασ ία μετάβασ ης κατάσ τασ ης, η κρυσ ταλλική δομή του δομή θα αλλάξει σ ε αυτή της ψυχρής κατάσ τασ ης που είναι σ χετικά εύκαμπτη. Σε αυτήν την φάσ η, αν εφαρμοσ τεί αρκετή τάσ η, η δομή της ψυχρής κατάσ τασ ης θα αρχίσ ει να επαναπροσ ανατολίζεται με αποτέλεσ μα τη μακροσ κοπική αλλαγή του σ χήματος. Τώρα, αν το παραμορφώσ ουμε πλασ τικά και έπειτα το αναθερμάνουμε πάνω από τη θερμοκρασ ία μετάβασ ης κατάσ τασ ης, θα επισ τρέψει σ το αρχικό του μήκος. Κατά τη διάρκεια της SME, η μοριακή αλλαγή που πραγματοποιείται σ τα πλαίσ ια της κρυσ ταλλικής δομής ενός SMA, δεν είναι θερμοδυναμικά ανασ τρέψιμη διαδικασ ία. Γενικότερα, σ τη λειτουργία του SMA υπάρχει μια κυκλική θερμική υσ τέρησ η, όπως δείχνει το σ χήμα 2.9, μεταξύ των αλλαγών των κατασ τάσ εων οφειλόμενη από τη δημιουργία δομικών ελαττωμάτων και εσ ωτερικής τριβής. Η σ υμπεριφορά

60 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 57 της υσ τέρησ ης των SMA καθισ τά δύσ κολη αλλά και ενδιαφέρουσ α την ανάπτυξη ενός σ υγκεκριμένου μοντέλου για το SMA και μιας σ τρατηγικής ελέγχου για τη δημιουργία ενός ενεργοποιητή βασ ισ μένου σ το SMA. Συγκεκριμένα, εάν ένα SMA είναι σ την ψυχρή κατάσ τασ η M f (τελική θερμοκρασ ία ψυχρής κατάσ τασ ης), και αρχίζει να θερμαίνεται, η θερμοκρασ ία αυξάνεται μέχρι που φτάνει σ την θερμοκρασ ία εκκίνησ ης της θερμής κατάσ τασ ης A s όπου η θερμή κατάσ τασ η αρχίζει να αναπτύσ σ εται. Στη θερμοκρασ ία A f (τελική θερμοκρασ ία θερμής κατάσ τασ ης) η ψυχρή κατάσ τασ η έχει πλήρως μετατραπεί σ ε θερμή. Οπως αναφέραμε και προηγουμένως εάν το SMA είναι σ την θερμή κατάσ τασ η και ψυχθεί, τότε σ τη θερμοκρασ ία M s το SMA θα αρχίσ ει να μετατρέπεται σ τη μορφή της ψυχρής κατάσ τασ ης μέχρι την θερμοκρασ ία M f σ την οποία θα έχει πλήρως μετατραπεί σ την ψυχρή. Figure 2.9: Κρυσ ταλλική Δομή υλικού κατά την διάρκεια το SME Figure 2.10: Βρόχος Θερμικής Υσ τέρησ ης σ τα SMA

61 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 58 Στο γράφημα 2.9 κάθε ορθογώνιο αντιπροσ ωπεύει έναν κόκκο υλικού με τα αντίσ τοιχα όρια του. Οι κόκκοι σ χηματίζουν μια καθορισ μένη προσ ανατολισ μένη σ υμμετρική δομή κατά πλάτος των ορίων η οποία είναι αρκετά ελασ τική. Αυτή η δομή επιτρέπει σ το κράμα να παρουσ ιάσ ει μεγάλες μακροσ κοπικές παραμορφώσ εις καθώς το εσ ωτερικό πλέγμα των επιμέρους κόκκων αλλάζει αλλά από την άλλη πλευρά διατηρεί την ίδια διασ ύνδεσ η με τους διπλανούς κόκκους και γενικότερα μια εξαιρετική τάξη μέσ α σ τη μικροσ κοπική του δομή. Οπως φαίνεται και σ το σ χήμα 2.9, εάν ένα κομμάτι SMA βρίσ κεται σ τη θερμή κατάσ τασ η η εσ ωτερική ατομική κρυσ ταλλική δομή του είναι κυβική με πάνω κάτω ορθές γωνίες. Οταν το κράμα ψυχθεί κάτω από τη θερμοκρασ ία μετάβασ ης κατάσ τασ ης, η κρυσ ταλλική του μορφή αλλάζει σ ε ψυχρή κατάσ τασ η (twinned martensite) και οι κόκκοι καταρρέουν σ τη δομή που μοιάζουν με διαμάντια. Αξιοσ ημείωτο είναι το γεγονός ότι οι κόκκοι κλίνουν προς διαφορετικές κατευθύνσ εις για διαφορετικά σ τρώματα. Αν μια εξωτερική επαρκής τάσ η εφαρμοσ τεί, η ψυχρή κρυσ ταλλική δομή θα αρχίσ ει να αλλάζει και να επαναπροσ ανατολίζονται οι κόκκοι έτσ ι ώσ τε να προσ ανατολισ τούν όλοι προς την ίδια διεύθυνσ η (detwinned martensite). Τώρα αν το κράμα θερμανθεί και πάλι πάνω από τη θερμοκρασ ία μετασ χηματισ μού θα σ χηματισ τεί η θερμή κατάσ τασ η και η δομή θα επισ τρέψει σ την αρχική κυβική της μορφή, δημιουργώντας έτσ ι δύναμη / πίεσ η σ ε οποιοδήποτε εμπόδιο. Η σ υμπεριφορά αυτή μπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητή με το σ χήμα 2.11 το οποίο παρισ τάνει τη σ χέσ η τάσ ης-τροπής σ τα SMA σ τη ψυχρή κατάσ τασ η. Figure 2.11: Σχέσ η τάσ ης-τροπής σ τα SMA σ τη ψυχρή κατάσ τασ η Για μικρές τιμές της τάσ ης (μεταξύ 0 και 1 σ το διάγραμμα) η δομή του twinned martensite σ υμπεριφέρεται ελασ τικά. Στο σ ημείο 1 το υλικό υποκύπτει σ την τάσ η και αρχίζει να ευθυγραμμίζεται η δομή σ την ίδια διεύθυνσ η μεταξύ των σ ημείων 1 και 2. Στο σ ημείο 2, η δομή της ψυχρής κατάσ τασ ης είναι πλήρως προσ ανατολισ μένη (detwinned) όπως παρουσ ιάζεται σ το σ χήμα. Μεταξύ των σ ημείων 2 και 3 υπάρχει μια ακόμα ελασ τική αλλαγή σ τη μοριακή δομή, αλλά σ το σ ημείο 3 σ υμβαίνει μια μόνιμη πλασ τική παραμόρφωσ η η οποία δεν διορθώνεται από το SME.

62 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 'Elegqoc jermokrasvðac enìc SMA svtoiqeðou Οπως προαναφέρθηκε, το φαινόμενο της μνήμης της μορφής βασ ίζεται σ τις αλλαγές της θερμοκρασ ίας του SMA. Λαμβάνοντας υπόψη αυτή τη σ υμπεριφορά, οι SMA ενεργοποιητές απαιτούν μία μέθοδο για τον έλεγχο της θερμοκρασ ίας του SMA σ τοιχείου. Στη σ υνέχεια, ορισ μένες από αυτές τις μεθόδους, για τον έλεγχο της θέρμανσ ης και της ψύξης, περιγράφονται λεπτομερέσ τερα Jèrmansvh Η θέρμανσ η ενός SMA καλωδίου μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους: 1. μέσ ω ηλεκτρικού ρεύματος που τροφοδοτείται σ το καλώδιο, 2. με ένα ξεχωρισ τό θερμαντικό σ τοιχείο, 3. μέσ ω θέρμανσ ης από περιβάλλον υλικό. Αρχικά, η μέθοδο της θέρμανσ ης με ηλεκτρικό ρεύμα (θέρμανσ η Joule) δίνει ε- άν αποτελεσ ματικό έλεγχο της θερμοκρασ ίας του κράματος και, σ υνεπώς, πάνω σ την δύναμη και την τροπή. Παρόλο που η ιδέα είναι απλή, έχει δύο μειονεκτήματα. Πρώτον, η αντίσ τασ η του κράματος, το οποίο είναι μεταλλικό, είναι πολύ χαμηλή και, ως εκ τούτου, αυτό δημιουργεί την ανάγκη για ένα μεγάλο ρεύμα θέρμανσ ης. Για παράδειγμα, ένα Flexinol 0, 38 mm καλώδιο απαιτεί 2, 75 Α για την ενεργοποίησ η του. Ενα τροφοδοτικό το οποίο είναι ικανό να παρέχει αρκετή ενέργεια σ το κράμα αυξάνει το σ υνολικό κόσ τος και το μέγεθος του σ υσ τήματος ενεργοποίησ ης. Δεύτερον, το ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να ρέει μέσ ω του SMA σ τοιχείου, και όχι μέσ ω άλλων αγώγιμων μερών κοντά ή σ ε επαφή με το SMA σ τοιχείο. Κατά σ υνέπεια, το SMA πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένο από το περιβάλλον του, γεγονός που έχει ως αποτέλεσ μα να καθορισ τούν σ υγκεκριμένες ειδικές απαιτήσ εις για τα μέρη των ενεργοποιητών. Επιπλέον, η ενεργοποίησ η του αγωγού SMA μπορούν να σ υμβεί μέσ ω μιας ηλεκτρικής πηγής είτε DC ή AC. Εάν επιλέξουμε την AC πηγή, τότε η σ υχνότητα της πρέπει να είναι σ ημαντικά υψηλότερη από το εύρος ζώνης του SMA αγωγού προκειμένου να αποφευχθούν οι διακυμάνσ εις της θερμοκρασ ίας που θα μπορούσ αν να προκαλέσ ουν ταλάντωσ η της τροπής και της δύναμης του ενεργοποιητή. Το ηλεκτρικό ρεύμα I, το οποίο ρέει μέσ α από τον SMA αγωγό, με την αντίσ τασ η R, που οφείλεται σ ε μια σ υγκεκριμένη τάσ η V, και η αντίσ τοιχη ισ χύς P, δίνονται από αυτές τις γνωσ τές εξισ ώσ εις: I = V R P = IV ή P = I 2 R Στην περίπτωσ η της εναλλασ σ όμενης πηγής παίρνουμε φυσ ικά την ενεργές τιμές των μεγεθών (RMS).

63 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 60 Ενα ξεχωρισ τό θερμαντικό σ τοιχείο μπορεί να ξεπεράσ ει τις δυσ κολίες που είναι τα απαιτούμενα μεγάλα ρεύματα με τη μέθοδο της θέρμανσ ης μέσ ω ηλεκτρικού ρεύματος. Ενα ωμικό θερμαντικό σ τοιχείο μπορεί να παρέχει επαρκή ισ χύ σ ε μικρότερα ηλεκτρικά ρεύματα, λόγω της δυνατότητας χρήσ ης μεγαλύτερης ηλεκτρικής τάσ ης. Από την άλλη πλευρά, ένα ξεχωρισ τό θερμαντικό σ τοιχείο απαιτεί περισ σ ότερα σ υσ τατικά μέρη και επιπλέον χώρο γύρω από το SMA σ τοιχείο όπως επίσ ης αυξάνει το σ υνολικό βάρος του ενεργοποιητή. Επιπλέον, ένα θερμαντικό σ τοιχείο αυξάνει το χρόνο ψύξης λόγω της επιπρόσ θετης θερμαινόμενης μάζας. Επιπλέον, εάν ένα επιπλέον περιβάλλον εξωτερικό υλικό χρησ ιμοποιείται για τη θέρμανσ η χωρίς κάποια ενεργά σ τοιχεία, το SMA σ τοιχείο λειτουργεί σ ύμφωνα με την θερμοκρασ ία του περιβάλλοντος. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να χρησ ιμοποιηθεί το SMA ως ενεργοποιητής που ελέγχεται από τη θερμοκρασ ία περιβάλλοντος, για παράδειγμα, ένας θερμοσ τάτης που ελέγχει τη θέρμανσ η ή ψύξη του περιβάλλοντος υλικού. Αυτή είναι μια πολύ αποτελεσ ματική μέθοδος, διότι σ την περίπτωσ η αυτή, το SMA ενεργεί ως ένας ενσ ωματωμένος ενεργοποιητής και αισ θητήρας, χωρίς καμιά ηλεκτρική επαφή YÔxh Η ψύξη ενός SMA σ τοιχείου μπορεί να επιτευχθεί με ένα περιβάλλον υλικό με την προϋπόθεσ η ότι η θερμοκρασ ία του περιβάλλοντος να είναι χαμηλότερη από το εύρος της θερμοκρασ ίας μετάβασ ης του SMA. Η μέθοδος αυτή είναι σ υμφέρουσ α, αν οι απαιτήσ εις του εύρους ζώνης (bandwidth) ή ταχύτητας δεν είναι κρίσ ιμες. Οταν η θερμοκρασ ία περιβάλλοντος είναι κοντά σ τις θερμοκρασ ίες μετάβασ ης, η διαδικασ ία της ψύξης είναι σ χετικά αργή. Ωσ τόσ ο, για την θέρμανσ η του αγωγού λιγότερο ηλεκτρικό ρεύμα είναι απαραίτητο ώσ τε να επιτευχθεί η θερμή φάσ η. Εάν η θερμοκρασ ία περιβάλλοντος είναι πολύ χαμηλότερη από τη θερμοκρασ ία μετάβασ ης, η ψύξη είναι ταχύτερη αλλά απαιτούνται μεγαλύτερα ηλεκτρικά ρεύματα για τη θέρμανσ η. Προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασ ία ταχύτερα ή όταν η περιβάλλουσ α θερμοκρασ ία είναι πολύ υψηλή, απαιτούνται ενεργά ψυκτικά σ τοιχεία. Με αυτόν τον τρόπο θα επιτευχθεί θερμοκρασ ία αρκετά χαμηλή ώσ τε να σ χηματισ τεί η ψυχρή κατάσ τασ η. Επίσ ης, μια άλλη σ χετικά εύκολη μέθοδος ψύξης είναι η εξαναγκασ μένη ψύξη μέσ ω μεταγωγής θερμότητας, όπως π.χ. με έναν ανεμισ τήρα. Ακόμη, σ ε ορισ μένες εφαρμογές μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί ψύξη με κινούμενο υγρό. Από την άλλη πλευρά, θα πρέπει να σ ημειωθεί ότι όσ ο πιο ισ χυρό είναι το σ ύσ τημα ψύξης τόσ ο αυξάνει περαιτέρω το απαιτούμενο ρεύμα θέρμανσ ης, αν βέβαια η ψύξη λειτουργεί σ υνεχώς. Άλλη μια βελτιωμένη μέθοδος ψύξης είναι με αυξανόμενη τροπή η οποία αυξάνει τη θερμοκρασ ία μετάβασ ης και μετατρέπει αποτελεσ ματικά το κράμα σ ε ένα με μεγαλύτερη θερμοκρασ ία μετάβασ ης. Οι σ υνδυασ μοί των παραπάνω μεθόδων είναι επίσ ης αποτελεσ ματικοί. Ο χρόνος χαλάρωσ ης μπορεί να κυμαίνεται από μερικά λεπτά (π.χ. διακόπτες καθυσ τέρησ ης) μέχρι και κλάσ ματα των χιλιοσ τών του δευτερολέπτου (π.χ. μικροσ κοπικές αντλίες υψηλής ταχύτητας) με την αποτελεσ ματική και κατάλληλη απαγωγή

64 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 61 Μέθοδος Ψύξης Βελτίωσ η σ την ταχύτητα Αυξανόμενη τροπή 1.2 : 1 Υψηλότερης θερμοκρασ ίας αγωγός 2 : 1 Στερεά υλικά για απαγωγή θερμότητας 2 : 1 Πεπιεσ μένος αέρας 4 : 1 Θερμοαγώγιμη πάσ τα 10 : 1 Εμβάπτισ η με λάδι 25 : 1 Νερό με γλυκόλη 100 : 1 Table 2.1: Επιπτώσ εις Διαφόρων Μεθόδων Ψύξης θερμότητας. Ο παρακάτω πίνακας 2.1 δίνει μια ιδέα για τις επιπτώσ εις αυτών των διαφόρων μεθόδων StoiqeÐa Peltier Με τη χρήσ η σ τοιχείων Peltier μπορούμε να επιτύχουμε ενεργή ικανότητα θέρμανσ ης και ψύξης. Ανάλογα με την πολικότητα της ηλεκτρικής τάσ ης που τροφοδοτείται σ το σ τοιχείο Peltier, αυτό μπορεί να θερμάνει ή να ψύξει το SMA σ τοιχείο. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσ ιμη, αν και οι δύο κύκλοι θέρμανσ ης και ψύξης πρέπει να είναι γρήγοροι. Ωσ τόσ ο, τα σ τοιχεία Peltier απαιτούν χώρο και δημιουργούν επιπρόσ θετο βάρος σ το σ ύσ τημα ενεργοποίησ ης KÔkloi zw c tou ulikoô Ο χρόνος ζωής ενός Shape Memory Alloy περιγράφει πόσ ες φορές μπορεί να μεταβεί από τη μια κατάσ τασ η σ την άλλη μέσ ω θέρμανσ ης και ύσ τερα να επανέλθει σ την αρχική του κατάσ τασ η μέσ ω ψύξης ή διαφορετικά για πόσ ες φορές μπορεί να εμφανισ τεί η τάσ η επαναφοράς του υλικού. Αυτή η παράμετρος εξαρτάται από τη χρήσ η αλλά και από την ίδια τη σ ύσ τασ η του υλικού. Ως εκ τούτου, η επανειλημμένη χρήσ η της SME επηρεάζει σ ημαντικά τις ιδιότητες των SMA. Αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον σ χεδιασ μό των ενεργοποιητών καθώς υπάρχει επαναλαμβανόμενη / σ υνεχή χρήσ η. Αυτός ο τρόπος χρήσ ης προκαλεί τη μείωσ η της μέγισ της δυνατής τροπής, δύναμης και υσ τέρησ ης, ενώ η θερμοκρασ ία μετάβασ ης αυξάνεται σ ταδιακά. Για παράδειγμα, σ ε ένα κράμα νικελίου-τιτανίου, για να μπορέσ ει να παρουσ ιάσ ει πάνω από κύκλους ζωής, μόνο το 2 3% της τροπής θα πρέπει να εμφανίζεται και το επίπεδο της πίεσ ης να είναι της τάξης των MPa. Επίσ ης, αν το ποσ οσ τό της τροπής φτάσ ει το 8%, τότε το υλικό θα παρουσ ιάσ ει μόνο ένα κύκλο ζωής. Ως εκ τούτου, για να έχουμε περισ σ ότερους κύκλους ζωής σ το πείραμά μας, καθώς χρειαζόμασ τε την επαναληπτική ιδιότητα των SMA, η τροπή δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 2 3%. Για μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και καλύτερη απόδοσ η των SMA, σ υνισ τάται η επίβλεψη των ηλεκτρικών και μηχανικών διασ υνδέσ εων και η προσ τασ ία των καλωδίων από την υπερθέρμανσ η και την υψηλή εφαρμοζόμενη πίεσ η.

65 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Uperelasvtikìthta Μια άλλη σ ημαντικότατη ιδιότητα των κραμάτων SMA, εκτός από το φαινόμενο μνήμης του σ χήματος, είναι η υπερελασ τικότητα. Οταν σ ε ένα SMA εφαρμόζεται μια σ ταθερή τάσ η σ ε μια σ ταθερή θερμοκρασ ία περί της τελικής θερμοκρασ ίας θερμής κατάσ τασ ης A f, τότε εμφανίζετε μια υπερελασ τική (superelastic ή pseudoelastic) σ υμπεριφορά. Αυτή η σ υμπεριφορά ορίζεται ως την ικανότητα του υλικού να επισ τρέφει σ την αρχική μορφή του μετά από μια σ ημαντική παραμόρφωσ η. Η ιδιότητα αυτή οφείλεται σ την τροπή που προκαλείται κατά τον σ χηματισ μό της ψυχρής κατάσ τασ ης, δεδομένου ότι η πίεσ η μπορεί να επιφέρει την ψυχρή κατάσ τασ η σ ε θερμοκρασ ία υψηλότερη από την M s, όπου η μακροσ κοπική παραμόρφωσ η αντιμετωπίζεται από το σ χηματισ μό της ψυχρής κατάσ τασ ης (έως και 8% του σ υνολικού μήκους). Οταν η εφαρμοζόμενη πίεσ η απελευθερώνεται, η ψυχρή φάσ η μετατρέπεται ξανά σ την θερμή φάσ η και το σ τοιχείο SMA επισ τρέφει σ το αρχικό του σ χήμα. Η διαδικασ ία αυτή προσ φέρει μια πολύ πλασ τική rubber-like ελασ τικότητα σ ε αυτά τα κράματα. Επειδή, η υπερελασ τική σ υμπεριφορά δεν χρησ ιμοποιείται για σ κοπούς ενεργοποίησ ης, δεν προβαίνουμε σ την περαιτέρω ανάλυσ ή της. Ως εφαρμογή αυτής της ιδιότητας των SMA μπορούμε να αναφέρουμε τα υπερελασ τικά NiTi κράματα που χρησ ιμοποιούνται σ ε αυτο-αναπτυσ σ όμενα NiTiNOL stents. Σε αντίθεσ η με τα σ υμβατικά stent υλικά, που βασ ίζονται σ το ανοξείδωτο ατσ άλι και το κοβάλτιο, και παρουσ ιάζουν ελασ τική παραμόρφωσ η που περιορίζεται σ ε ποσ οσ τό τροπής περίπου 1% καθώς και με τα φυσ ικά υλικά, όπως κόκαλα και τένοντες, που φτάνουν μέχρι 10% ποσ οσ τό τροπής, τα υπερελασ τικά NiTiNOL κράματα μπορούν να παραμορφωθούν περισ σ ότερο από 10% και να επαναφερθούν ελασ τικά. Figure 2.12: Υπερελασ τικότητα σ ε ένα αυτο-αναπτυσ σ όμενο NiTiNOL stent 2.12 Dipl c dieôjunsvhc (Two-way) SME Μια κατηγορία SMA μπορεί να εμφανίσ ει επαναλαμβανόμενες αλλαγές του σ χήματός τους όταν μια κυκλική θερμική διεργασ ία πραγματοποιηθεί χωρίς όμως να εφαρμοσ τεί κανένα μηχανικό φορτίο πάνω τους. Αυτή η σ υμπεριφορά ονομάζεται Διπλής διεύθυνσ ης (Two-way) SME. Αυτός ο τύπος SMA έχει δύο σ ταθερές φάσ εις: μία χαμηλής θερμοκρασ ίας ψυχρή κατάσ τασ η και μία υψηλής θερμοκρασ ίας θερμή κατάσ τασ η. Τα SMA αυτά είναι εκπαιδευμένα να δρουν με αυτόν τον τρόπο καθώς υποβάλλονται σ ε επανειλημμένες θερμομηχανικές κυκλικές διαδικασ ίες

66 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 63 πάνω σ ε ένα σ υγκεκριμένο μονοπάτι φορτίου, το οποίο προκαλεί μακροσ κοπικά μόνιμες αλλαγές σ τη σ υμπεριφορά του υλικού. Αν και με τα διπλής διεύθυνσ ης (Two-way) SMA δεν υπάρχει ανάγκη ύπαρξης μιας δύναμης επαναφοράς, υπάρχουν αρκετοί περιορισ μοί που τα καθισ τούν λιγότερο πρακτικά σ ε ρομποτικές εφαρμογές, όπως υπερβολικά μικρές δυνάμεις μετάβασ ης ψύξης, μικρότερα ποσ οσ τά τροπής (περίπου 2%), άγνωσ τη διάρκεια ζωής του υλικού και ευσ τάθεια αυτού. Ακόμα και ισ χνή υπερθέρμανσ η αφαιρεί το SME από τις διπλής διεύθυνσ ης σ υσ κευές MÐac dieôjunsvhc (One-way) SME Ενα κράμα SMA προσ φέρει μια ενδιαφέρουσ α εναλλακτική πρότασ η σ ε σ χέσ η με τις σ υμβατικές μεθόδους ενεργοποίησ ης. Ενα SMA σ τοιχείο μπορεί να παρέχει μόνο δύναμη - μετατόπισ η προς μία κατεύθυνσ η. Για παράδειγμα, ένας αγωγός που σ υσ τέλλεται όταν θερμαίνεται δεν μπορεί να βρεθεί σ ε πλήρη διασ τολή χωρίς να υπάρξει κάποια εξωτερική δύναμη, όταν το σ τοιχείο ψύχεται (επιχείρημα που είναι εις βάρος της χρήσ ης του SMA). Ειδικότερα, οι SMA γραμμικοί ενεργοποιητές είναι διαθέσ ιμοι ως προτεταμένοι αγωγοί σ ε ψυχρή κατάσ τασ η (θερμαίνεται σ ε μια σ υγκεκριμένη θερμοκρασ ία για επαρκές χρονικό διάσ τημα ανάλογα με το κράμα), και όταν ο τεταμένος αγωγός θερμανθεί, μεταβαίνει σ την θερμή κατάσ τασ η όπου σ υσ τέλλεται σ ε μικρότερο μήκος. Για να έχουμε κυκλικές κινήσ εις και ο αγωγός να επισ τρέψει σ την αρχική του κατάσ τασ η, είναι απαραίτητος ένας μηχανισ μός επαναφοράς. Οι μηχανισ μοί αυτοί πρέπει να έχουν σ υσ σ ωρευμένη δυναμική ενέργεια, όπως ένα ελατήριο, ένα ανταγωνισ τικό SMA, μια μαγνητική δύναμη ή η δύναμη της βαρύτητας (ανάλογα με το ποια κατεύθυνσ η είχε παραμορφωθεί το SMA σ τη διαμόρφωσ η της μνήμης), όπως φαίνεται σ το σ χήμα Αυτή η σ υμπεριφορά περιγράφεται ως μίας διεύθυνσ ης (One-way) SME. Figure 2.13: Διάφοροι τρόποι παραγωγής δύναμης επαναφοράς Ο μηχανισ μός επαναφοράς σ υνήθως υλοποιείται με ένα σ υμβατικό ελατήριο, για παράδειγμα με ένα σ υνηθισ μένο ατσ αλένιο σ πειροειδές ελατήριο. Από την άλλη, ο μηχανισ μός απαιτεί χώρο, αυξάνει το βάρος του ενεργοποιητή και ο μηχανικός σ χεδιασ μός γίνεται πιο πολύπλοκος. Πρέπει να αναφερθεί, επίσ ης, ότι η σ υνολική δύναμη εξόδου μειώνεται διότι η δύναμη του μηχανισ μού επαναφοράς αντιτίθεται σ τη δύναμη του SMA σ τοιχείου.

67 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 64 Μια άλλη μέθοδος για να δημιουργηθεί μια αντίθετη δύναμη επαναφοράς είναι με μια δύναμη φορτίου (για παράδειγμα βαρύτητα). Ωσ τόσ ο, η δύναμη φορτίου πρέπει να είναι σ ημαντικά μεγάλη σ ε κάθε περίπτωσ η, διαφορετικά ο ενεργοποιητής παραμένει σ τη θερμή θέσ η ακόμα και αν η θέρμανσ η τελειώσ ει. Επιπλέον, για την παραγωγή αντίθετης δύναμης επαναφοράς μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί ένα ανταγωνισ τικό SMA έτσ ι ώσ τε να υπάρχουν SMA που να λειτουργούν και σ τις δύο διευθύνσ εις της κίνησ ης. Παρά το γεγονός ότι θα παρέχουν δύναμη εξόδου και προς τις δύο διευθύνσ εις, η θέρμανσ η και η ψύξη των ανταγωνισ τικών σ τοιχείων θα πρέπει να προσ αρμοσ τεί ανάλογα. Για παράδειγμα, εάν ένα σ τοιχείο έχει υποσ τεί θερμική επεξεργασ ία και, σ τη σ υνέχεια, αμέσ ως μετά από αυτό το αντίθετο SMA σ τοιχείο θερμανθεί, το πρώτο σ τοιχείο θα αντισ τέκεται σ την κίνησ η του δεύτερου πριν ακόμα το πρώτο σ τοιχείο αποθερμανθεί αρκετά. Επίσ ης, εάν τα σ τοιχεία είναι πολύ κοντά το ένα με το άλλο, η μετάδοσ η θερμότητας μεταξύ των σ τοιχείων μπορεί να δημιουργήσ ει ανεπιθύμητες δυνάμεις. Για αυτούς τους λόγους δεν προτιμήθηκε η επιλογή των δύο ανταγωνισ τικών SMA σ τοιχείων για την εργασ ία μας Pleonekt mata kai meionekt mata twn SMA energopoiht n Μια σ ύντομη ανασ κόπησ η των πλεονεκτημάτων και των περιορισ μών SMA ενεργοποιητών παρουσ ιάζεται παρακάτω.[38] Pleonekt mata: ˆ Μικρό μέγεθος (όγκος, βάρος) με υψηλή αναλογία ισ χύος / μάζας και πυκνότητα της ενέργειας. Συγκρίνοντας ένα μεγάλο εύρος τεχνολογιών ε- νεργοποίησ ης, οι SMA ενεργοποιητές χαρακτηρίζονται από τη μεγαλύτερη αναλογία ισ χύος - μάζας σ ε μάζες που ζυγίζουν λιγότερο από 0, 45 kg. Η ενεργειακή (έργο) πυκνότητα των SMA είναι επίσ ης πολύ υψηλή, μεταξύ KJ \ m 3, όταν οι ανθρώπινοι μυς σ υγκριτικά παρουσ ιάζουν μεταξύ KJ \m 3 [39]. Για να δείξουμε την παραπάνω σ ύγκρισ η των επιδόσ εων των διαφόρων ενεργοποιητών, παρουσ ιάζουμε το γράφημα 2.14, το οποίο σ υγκρίνει την πυκνότητα ισ χύος σ ε σ χέσ η με το βάρος των σ υμβατικών κινητήρων σ υνεχούς ρεύματος, των υδραυλικών και των πνευματικών ενεργοποιητών με τα αντίσ τοιχα χαρακτηρισ τικά των SMA ενεργοποιητών. Το διάγραμμα αυτό παρουσ ιάζει ότι οι υδραυλικοί ενεργοποιητές μπορούν να εφαρμόσ ουν πολύ μεγάλες δυνάμεις, αλλά το βάρος τους είναι πάρα πολύ ενώ οι DC κινητήρες είναι οι πιο αδύναμοι από τις τέσ σ ερις κατηγορίες που εξετάζονται εδώ αλλά το βάρος τους είναι μικρό έως μέτριο. Από την άλλη πλευρά, τα SMA είναι πολύ ισ χυρά (ισ οδύναμα με τους υδραυλικούς ενεργοποιητές) αλλά και απίσ τευτα μικρά σ ε μέγεθος που αποδεικνύει ότι τα SMA (και, γενικότερα, τα έξυπνα υλικά) μπορούν να μειώσ ουν το μέγεθος των ενεργοποιητών τουλάχισ τον δύο με τρεις τάξεις μεγέθους, διατηρώντας παράλληλα την ίδια παραγόμενη δύναμη προς το βάρος αναλογία.

68 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 65 Figure 2.14: Σχέσ η ενεργειακής πυκνότητας - βάρους διάφορων ενεργοποιητών ˆ ˆ ˆ ˆ Ευκολία ενεργοποίησ ης και απαίτησ η χαμηλών τάσ εων - Διάφορες μέθοδοι μπορούν να προκαλέσ ουν θερμική ενεργοποίησ η των SMA, αλλά δεδομένου ότι αυτά είναι μεταλλικά κράματα, μπορούν εύκολα να ελεγχθούν μέσ ω ηλεκτρικού ρεύματος λόγω του φαινομένου Joule. Επίσ ης, οι χαμηλές τάσ εις που απαιτούνται για τη λειτουργία των SMA, τα καθισ τούν ασ φαλή για εφαρμογές που αφορούν τον άνθρωπο. Αθόρυβη, καθαρή και χωρίς σ πινθήρες λειτουργία - Σε αντίθεσ η με πολλούς ενεργοποιητές, όπως οι ηλεκτρικοί κινητήρες, οι SMA ενεργοποιητές λειτουργούν χωρίς τριβή ή κραδασ μούς, επιτρέποντας εξαιρετικά αθόρυβη κίνησ η. Αυτό είναι ένα ισ χυρό πλεονέκτημα για εφαρμογές ακριβείας όπου η σ υμβατική τεχνολογία που χρησ ιμοποιείται παραμένει αρκετά ενοχλητική και δυσ άρεσ τη για τους χρήσ τες. Επίσ ης, είναι απαλλαγμένα από μέρη όπως οι μειωτήρες και δεν παράγουν σ ωματίδια σ κόνης. Υψηλή ζωή ενεργοποίησ ης - Οταν χρησ ιμοποιείται εντός κατάλληλων τροπών και ορίων πίεσ ης, οι SMA ενεργοποιητές αναμένεται να εκτελέσ ουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους λειτουργίας. Υψηλή βιοσ υμβατότητα και εξαιρετική αντοχή σ τη διάβρωσ η - Αυτό επιτρέπει τη χρήσ η τους σ ε ένα υγρό περιβάλλον ή με υψηλή υγρασ ία.

69 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 66 ˆ Άμεσ α μεταδιδόμενη κίνησ η - Η χρήσ η των SMA ως ενεργοποιητές δεν α- παιτεί περίπλοκα και ογκώδη σ υσ τήματα μετάδοσ ης. Αυτό μειώνει δρασ τικά την πολυπλοκότητα του μηχανισ μού οδήγησ ης του βραχίονα PeriorisvmoÐ Από την άλλη, οι περιορισ μοί τους έχουν να κάνουν με: ˆ ˆ ˆ ˆ Χαμηλά επίπεδα μετατόπισ ης - Ακόμη και αν τα SMA παρουσ ιάζουν σ χετικά μεγάλες τροπές, μόνο ένα ποσ οσ τό της θεωρητικής τροπής μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί για να μεγισ τοποιηθεί η διάρκεια ζωής του ενεργοποιητή. Ετσ ι, απαιτούνται μεγάλα μήκη των SMA αγωγών για επιτύχουμε μεγάλες τροπές. Ωσ τόσ ο, χρησ ιμοποιώντας τις κατάλληλες ρυθμίσ εις (σ χεδιασ μός) που μετατρέπουν τις μικρές τροπές σ ε μεγάλες κινήσ εις, ο περιορισ μός αυτός μπορεί να μετριασ τεί. Χαμηλή απόδοσ η ισ χύος - Τα SMA λειτουργούν μέσ ω θερμότητας και ως εκ τούτου περιορίζονται από την απόδοσ η του κύκλου Carnot σ ε 10%. Χαμηλή σ υχνότητα λειτουργίας - Ο ρυθμός με τον οποίο ο SMA ενεργοποιητής μπορεί να μεταβεί σ τη θερμή κατάσ τασ η και να επισ τρέψει σ την ψυχρή κατάσ τασ η περιορίζεται από των αργών διαδικασ ιών μεταφοράς θερμικής ενέργειας (χαμηλή θερμική αγωγιμότητα) που απαιτούνται για να σ υντελεσ τεί η αλλαγή κατάσ τασ ης των SMA. Τυπικά, η λειτουργία ενεργοποίησ ης (θέρμανσ η) είναι ταχύτερη σ ε σ χέσ η με τη λειτουργία χαλάρωσ ης (ψύξη). Ετσ ι, ως επί το πλείσ τον η τιμή των κύκλων ανά λεπτό εξαρτάται από το ποσ οσ τό της ψύξης του αγωγού. Μια ποικιλία μεθόδων έχουν προταθεί για την αύξησ η της ταχύτητας της ψύξης. Ωσ τόσ ο, ακόμη και εάν οι μέθοδοι αυτές βελτιώσ ουν το εύρος ζώνης, προκαλούν επίσ ης την αύξησ η της κατανάλωσ ης ενέργειας, καθώς περισ σ ότερη θερμότητα απαιτείται για να ενεργοποιηθεί ο αγωγός εντός του ψυκτικού μέσ ου. Δυσ κολία ελέγχου - Η υσ τέρησ η, τα μη γραμμικά φαινόμενα, οι αβεβαιότητες των παραμέτρων και η μη μοντελοποιημένη δυναμική εισ άγουν δυσ κολίες σ τον ακριβή έλεγχο των SMA. Το SME δεν είναι μια θερμοδυναμικά ανασ τρέψιμη διαδικασ ία. Οι απώλειες θερμότητας κατά τη διάρκεια των κατασ τατικών μεταβάσ εων (λόγω των εσ ωτερικών τριβών ή των κατασ κευασ τικών ελαττωμάτων) είναι η αιτία της υσ τερετικής (hysteretic) σ υμπεριφοράς των SMA Magnhtikˆ Morfomn mona Ulikˆ - Magnetic Shape Memory (MSM) Materials Σήμερα, μια νέα αναπτυσ σ όμενη μέθοδος ενεργοποίησ ης εισ άγεται με το μαγνητικό φαινόμενο μνήμης του σ χήματος (Magnetic Shape Memory Eect). Αυτό το είδος υλικών επιτρέπουν μέχρι και 50 φορές μεγαλύτερες τροπές σ ε σ χέσ η με τα προηγούμενα μαγνητικά ελεγχόμενα υλικά (μαγνητοσ ταλτικά υλικά), μερικές

70 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 67 φορές μέχρι και 9%, κάτω από σ χετικά χαμηλά μαγνητικά πεδία επαναφοράς. Ο μηχανισ μός βασ ίζεται σ την μαγνητική ανισ οτροπία του υλικού και παρέχει επίσ ης τη δυνατότητα για πιο περίπλοκες αλλαγές σ χήματος σ ε σ χέσ η με τη σ υμβατική γραμμική τροπή, όπως η κάμψη και διάτμησ η. Η εταιρία AdaptaMat αναπτύσ σ ει μια εμπορική κατηγορία κραμάτων MSM. Δείγματα των υλικών MSM παράγονται για ερευνητικούς σ κοπούς. Αυτό που διαφοροποιεί τα υλικά MSM από τα σ υμβατικά, κράματα SMA είναι ότι η αλλαγή του σ χήματος γίνεται αποκλεισ τικά σ την ψυχρή κατάσ τασ η Emporikˆ krˆmata SMA Παρά το γεγονός ότι πολλά κράματα παρουσ ιάζουν το φαινόμενο μνήμης του σ χήματος, μόνο λίγα από αυτά έχουν αναπτυχθεί σ ε εμπορική κλίμακα (NiTi, NiTiX, CuZnAl) για τεχνικές εφαρμογές. Στην επόμενη ενότητα θα σ υζητήσ ουμε ορισ μένα από τα χαρακτηρισ τικά που διακρίνουν αυτά τα κράματα, που, ως σ ήμερα, έχουν τη μεγαλύτερη επίδρασ η σ τη αγορά: τα κράματα νικελίου-τιτανίου και τα κράματα που έχουν βάσ η το χαλκό Krˆmata me bˆsvh to qalkì (Cu) Τα κράματα CuZnAl είναι τα πρώτα SMA με βάσ η το χαλκό που έγιναν εμπορικά διαθέσ ιμα. Αυτό το κράμα προέρχεται από το κράμα χαλκού - αλουμινίου, ένα σ ύσ τημα που, παρά τα μορφομνήμονα χαρακτηρισ τικά του, έχει θερμοκρασ ία μετάβασ ης αρκετά υψηλή για πρακτική χρήσ η. Αυτά τα κράματα σ υνήθως περιέχουν 15 30% Zn και 3 7% Al (ποσ οσ τά βάρους). Τα κράματα CuZnAl θεωρούνται ότι είναι τα πιο φθηνά εμπορικά διαθέσ ιμα SMA, ιδίως σ ε σ ύγκρισ η με το κράμα NiTi, επειδή περιέχουν σ χετικά φθηνά μέταλλα και χρησ ιμοποιούνται σ υμβατικές μεταλλουργικές διεργασ ίες. Ωσ τόσ ο, τα κράματα CuZnAl έχουν μέτριες ιδιότητες μνήμης σ ε σ ύγκρισ η με άλλα SMA, καθώς μπορούν να έχουν τροπές της τάξης περίπου 5%. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτού του κράματος είναι ότι η ψυχρή κατάσ τασ η σ ταθεροποιείται μετά από μακροπρόθεσ μη γήρανσ η, ακόμη και σ ε θερμοκρασ ία δωματίου. Αυτό προκαλεί την αύξησ η της θερμοκρασ ίας μετάβασ ης με την πάροδο του χρόνου και η δομή του κράματος αποσ υντίθεται όταν εκτίθεται σ ε θερμοκρασ ίες που υπερβαίνουν τους 100 C. Τα μειονεκτήματα αυτά αντισ ταθμίζουν το πλεονέκτημα κόσ τους των κραμάτων CuZnAl και σ πάνια χρησ ιμοποιούνται σ ήμερα. Τα κράματα CuAlNi αναπτύχθηκαν ευρέως τάχισ τα και προτιμώνται σ ε σ χέσ η με τα κράματα CuZnAl. Είναι πολύ δημοφιλή και έχουν καλύτερο πρακτικά φάσ μα θερμοκρασ ίας μετάβασ ης ( C) και είναι τα μοναδικά SMA που μπορούν να χρησ ιμοποιηθούν σ ε θερμοκρασ ίες πάνω από 100 C. Παρά το γεγονός ότι το κράμα αυτό είναι επίσ ης φθηνό καθώς κατασ κευάζεται από φθηνές πρώτες ύλες, η επεξεργασ ία τους όμως είναι ιδιαίτερα δύσ κολη, καθώς μπορεί να κατεργασ τεί μόνο με θερμή διαδικασ ία και η τελική θερμική κα-

71 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 68 τεργασ ία θα πρέπει να ελέγχεται αυσ τηρά έτσ ι ώσ τε να παραχθεί ένα κράμα με την επιθυμητή θερμοκρασ ία μετάβασ ης Krˆmata NikelÐou-TitanÐou (NiTi) Το κράμα νικελίου-τιτανίου (NiTi) βασ ίζεται σ την ισ οατομική ένωσ η του νικελίου και του τιτανίου. Τα κράματα NiTiNOL, που αναφέραμε και σ την εισ αγωγή των SMA, είναι σ υνήθως κατασ κευασ μένα από 55 56% Νικέλιο και 44 45% Τιτάνιο (ποσ οσ τά βάρους). Η θερμοκρασ ία μετάβασ ης είναι πολύ ευαίσ θητη σ ε σ χέσ η με τη σ ύνθεσ η καθώς μικρές αλλαγές της περιεκτικότητας σ ε νικέλιο προκαλούν μεγαλύτερες αλλαγές. Το σ ύσ τημα έχει επίσ ης υψηλή θερμοκρασ ία μετάβασ ης σ την υσ τέρησ η, σ υνήθως περίπου 50 C. Αυτοί οι αγωγοί είναι μιας διεύθυνσ ης ενεργοποιητές οι οποίοι όταν θερμαίνονται σ υσ τέλλονται σ υνήθως 2% έως 5% του μήκους τους και ασ κούν σ ημαντική πίεσ η ( 172 MP a). Ωσ τόσ ο, υπάρχει ένα όριο σ την πίεσ η που μπορεί να εφαρμοσ τεί. Για παράδειγμα, ένας αγωγός NiTiNOL 0, 508 mm σ ε διάμετρο μπορεί να σ ηκώσ ει 7, 257 kg. Το κράμα NiTiNOL έχει επίσ ης ιδιότητες αντίσ τασ ης που του επιτρέπουν να ενεργοποιηθεί ηλεκτρικά μέσ ω θέρμανσ ης Joule. Οταν το ηλεκτρικό ρεύμα περάσ ει κατευθείαν μέσ α από τον αγωγό, μπορεί να παράγει αρκετή θερμότητα ώσ τε να προκαλέσ ει τη μετάβασ η της κατάσ τασ ης. Στις περισ σ ότερες περιπτώσ εις, η θερμοκρασ ία μετάβασ ης των SMA επιλέγεται τέτοια ώσ τε η θερμοκρασ ία δωματίου να είναι πολύ κάτω από το σ ημείο μετασ χηματισ μού του υλικού. Μόνο με σ κόπιμη απόδοσ η θερμότητας μπορεί ένα SMA να ενεργοποιηθεί. Στην ουσ ία, ένα κράμα NiTiNOL μπορεί να δράσ ει ως ενεργοποιητής, αισ θητήρας, και ως θερμαντικό σ τοιχείο, όλα σ ε ένα υλικό. Τα κράματα NiTiNOL παρουσ ιάζουν μερικές μοναδικές ιδιότητες που τα ξεχωρίζουν από άλλα κράματα μνήμης σ χήματος, όπως: ˆ ˆ ˆ μεγαλύτερη ολκιμότητα, μεγαλύτερα ποσ οσ τά τροπής, σ ταθερές θερμοκρασ ίες μετάβασ ης κατάσ τασ ης ˆ ˆ άρισ τη αντοχή διάβρωσ ης - επιτρέποντας έτσ ι τη χρήσ η τους σ ε υγρό περιβάλλον ή σ ε περιβάλλον με υψηλή υγρασ ία χαμηλή τοξικότητα και υψηλή βιοσ υμβατότητα (λόγω του παθητικού σ τρώματος οξειδίου του τιτανίου του NiTiNOL, το οποίο προσ τατεύει τη βάσ η του υλικού από διάβρωσ η και από απελευθέρωσ η νικελίου), ˆ ˆ η ικανότητα ηλεκτρικής ενεργοποίησ ης μέτριο φάσ μα διαλυτότητας, που επιτρέπει αλλαγές σ τη σ ύνθεσ η ˆ μη φερρομαγνητικές ιδιότητες με μικρότερη μαγνητική επιδεκτικότητα από τον ανοξείδωτο χάλυβα

72 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 69 Η εικόνα 2.15 δείχνει ορισ μένες ιδιότητες των διαφόρων κραμάτων, που κατασ κευάζονται από την Advanced Materials and Technologies (AMT). Μπορεί να διαπισ τωθεί ότι η κανονική σ υνισ τώμενη παραμόρφωσ η είναι από 3, 2% (NiTi) μέχρι μόλις 0.8% (CuZnAl). Figure 2.15: Συγκριτικός πίνακας φυσ ικών ιδιοτήτων διαφόρων SMA Κατασ κευή του κράματος NiTi Η κατασ κευή του κράματος νικελίου-τιτανίου είναι δύσ κολη λόγω της δρασ τικότητας του τιτανίου και της τήξης που πρέπει να γίνει σ ε κενό αέρος ή σ ε αδρανή ατμόσ φαιρα. Η σ υγκόλλησ η αγωγών από NiTi είναι επίσ ης δύσ κολη για παρόμοιους λόγους. Οταν επεξεργάζεται ψυχρό, το κράμα σ κληραίνει πολύ γρήγορα, αλλά έχει μια πολύ καλή δομή κόκκου. Πολλές τεχνικές μηχανικής κατεργασ ίας μπορούν να χρησ ιμοποιηθούν με δυσ κολία σ τα κράματα NiTi. Το κράμα είναι επομένως πολύ ακριβό και δαπανηρό σ την κατασ κευή και σ τη χρήσ η. Παρά όμως αυτά τα μειονεκτήματα, οι άρισ τες ιδιότητες μνήμης του σ χήματος και η αντοχή σ τη διάβρωσ η οδήγησ ε τα κράματα NiTi να χρησ ιμοποιούνται σ ε μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών Διαμόρφωσ η σ χήματος σ τα κράματα NiTi Η διαμόρφωσ η σ χήματος ρυθμίζει τις μηχανικές ιδιότητες και μετάβασ ης των κραμάτων μνήμης του σ χήματος (NiTi). Αυτό απαιτεί ειδικές θερμικές διαδικασ ίες,

73 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 2. ΕΞΕΤΑΣΗ ΕΞΥΠΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 70 για κάθε υλικό, ανάλογα με την τελική του χρήσ η και το περιβάλλον που θα χρησ ιμοποιείται. Μέσ α από μια απλή θερμική διαδικασ ία, το κράμα μορφοποιείται σ την επιθυμητή θερμή μορφή και θερμαίνεται σ ε μια σ υγκεκριμένη θερμοκρασ ία. Η διαμόρφωσ η σ χήματος πρέπει επίσ ης να λαμβάνει υπόψη τον τύπο του NiTiNOL που χρησ ιμοποιείται, καθώς ενδέχεται να απαιτούνται διαφορετικές θερμοκρασ ίες επεξεργασ ίας και να παρουσ ιάσ ουν διαφορετικά χαρακτηρισ τικά. Για ένα κράμα νικελίου-τιτανίου, μια θερμοκρασ ία της τάξης των 400 C και διάρκεια θέρμανσ ης 1 2 λεπτών μπορεί να είναι επαρκής, αλλά γενικά απαιτούνται 500 C και πάνω από 5 λεπτά. Μεγαλύτεροι χρόνοι θερμικής διαδικασ ίας και θερμοκρασ ίες αυξάνουν τη θερμοκρασ ία ενεργοποίησ ης του σ τοιχείου και σ υχνά δίνουν ταχύτερη θερμική απόκρισ η αλλά μπορούν να μειώσ ουν τη μέγισ τη δύναμη εξόδου. Αν και πρόκειται για απλή διαδικασ ία, οι παράμετροι για τη θερμική κατεργασ ία είναι κρίσ ιμες και σ υχνά απαιτούν πειραματικό καθορισ μό πριν την ικανοποίησ η των απαιτήσ εων.

74 Kefˆlaio 3 KINHMATIKH ANALUSH Στην παρακάτω ενότητα θα παρουσ ιάσ ουμε το κινηματικό μοντέλο που βασ ίζεται ο βραχίονας. Το μοντέλο μας επιτρέπει να ορίσ ουμε την κίνησ η του εργαλείου σ τον Καρτεσ ιανό χώρο. Αρχικά, το πρόβλημα της ορθής κινηματικής ασ χολείται με τη σ χέσ η μεταξύ των επιμέρους αρθρώσ εων του βραχίονα και της θέσ η, προσ ανατολισ μού του εργαλείου ή του τελικού σ ημείου (end-eector). Με άλλα λόγια, το πρόβλημα της ορθής κινηματικής είναι ο καθορισ μός της θέσ ης και του προσ ανατολισ μού του τελικού σ ημείου του βραχίονα σ την άκρη του ρομπότ, λαμβάνοντας υπόψη τις τιμές των μεταβλητών των αρθρώσ εων του ρομπότ. Ο υπολογισ μός της ορθής κινηματικής δίνει τις αντίσ τοιχες τιμές που απαιτούνται, δηλαδή τις γωνίες του κάθε σ υνδέσ μου, από το σ ταθερό αδρανειακό επίπεδο μέχρι το τελικό σ ημείο. Από την άλλη πλευρά, το πρόβλημα της αντίσ τροφης κινηματικής είναι η διαδικασ ία καθορισ μού των παραμέτρων ενός πολυαρθρωτού αντικειμένου (δηλαδή μια κινηματική αλυσ ίδα), προκειμένου να επιτευχθεί μια επιθυμητή σ τάσ η. Με άλλα λόγια, το πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί ως δεδομένης της επιθυμητής θέσ ης του τελικού σ ημείου του ρομπότ, ποιες πρέπει να είναι οι γωνίες όλων των αρθρώσ εων του ρομπότ. Το πρόβλημα της επίλυσ ης της αντίσ τροφης κινηματικής αυξάνεται ανάλογα με τον αριθμό των αρθρώσ εων. 3.1 Ορθή Κινηματική Στην εργασ ία μας, ο πολυαρθρωτός βραχίονας αποτελείται από μια διάταξη σ ε σ ειρά από Ν ελεύθερες αρθρώσ εις (σ ύνδεσ μος τύπου σ ταυρός ), όπου για το δικό μας βραχίονα ισ χύει Ν = 4 με σ ταθερά όρια σ την κίνησ η των γωνιών. Κάθε ελεύθερη άρθρωσ η αποτελείται από 2 περισ τροφικούς βαθμούς ελευθερίας (degrees of freedom (DOF)). Είναι σ ημαντικό σ το σ ημείο αυτό να υπενθυμίσ ουμε ότι οι δύο άξονες της κίνησ ης του σ υνδέσ μου είναι νοητικά κάθετα μεταξύ τους σ την μέσ η, χωρίς ωσ τόσ ο σ την πραγματικότητα να επηρεάζουν ο ένας τον άλλο σ χετικά με την περισ τροφή τους, όπως φαίνεται και σ τις εικόνες 3.1αʹ και 3.1βʹ. Αυτό σ ημαίνει ότι κάθε βαθμός ελευθερίας της κατασ κευής μπορεί να θεωρηθεί ως ανεξάρτητο τμήμα της κίνησ ης και επομένως ως διαδοχή σ υνδέσ μων με μόνο 71

75 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 72 ένα βαθμό ελευθερίας και απόσ τασ η μεταξύ τους μηδέν. Μια τέτοια ενοποίησ η ικανοποιεί τη ζήτησ η για μέγισ τη ελασ τικότητα και απλοποιεί τη διαδικασ ία υ- πολογισ μού των παραμέτρων της κινηματικής ανάλυσ ης, καθώς θα υπολογισ τούν ξεχωρισ τά για κάθε βαθμό ελευθερίας. (aþ) PerisvtrofikoÐ BajmoÐ eleujerðac tou svundèsvmou (bþ) SunolikoÐ bajmoð eleujerðac tou braqðona Επιπλέον, όπως περιγράφηκε σ την κατασ κευή, το σ ύνολο των βαθμών ελευθερίας είναι περισ τροφικοί και θα χαρακτηρίσ ουμε την περισ τροφή κάθε γωνίας με την μεταβλητή θ i. Ολα τα μήκη των σ υνδέσ μων είναι σ ταθερά καθ όλη τη διάρκεια της κίνησ ης και γνωσ τά. Για να εκτελέσ ουμε την κινηματική ανάλυσ η, θεωρήσ αμε ένα σ ύσ τημα σ υντεταγμένων σ ε κάθε βαθμό ελευθερίας. Ειδικότερα, θεωρούμε το αρχικό σ ύσ τημα σ υντεταγμένων O 0 x 0 y 0 z 0 σ τον πρώτο σ ύνδεσ μο ο οποίος είναι σ υνδεδεμένος με τη βάσ η του βραχίονα και αναφέρεται ως αρχικό αδρανειακό σ ύσ τημα σ υντεταγμένων, ενώ σ την ακραία θέσ η του βραχίονα (end-eector) θεωρούμε το σ ύσ τημα σ υντεταγμένων O 8 x 8 y 8 z 8. Ετσ ι ώσ τε να καθορισ τεί η θέσ η και ο προσ ανατολισ μός του βραχίονα, πρέπει να προσ διορίσ ουμε τη θέσ η και τον προσ ανατολισ μό όλων των ενδιάμεσ ων σ υνδέσ μων. Επομένως σ ε κάθε βαθμό ελευθερίας αντισ τοιχούμε και ένα σ ύσ τημα σ υντεταγμένων. Η εικόνα 3.1 παρουσ ιάζει όλα τα σ υσ τήματα σ υντεταγμένων που περιγράφουν κάθε σ ύνδεσ μο του βραχίονα. Ο z-άξονας κάθε βαθμού ελευθερίας δείχνει κατά μήκος του άξονα περισ τροφής του σ υγκεκριμένου βαθμού ελευθερίας του σ υνδέσ μου.

76 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 73 Figure 3.1: Συσ τήματα σ υντεταγμένων όλων των βαθμών ελευθερίας Η θέσ η και ο προσ ανατολισ μός του κάθε βαθμού ελευθερίας σ ε σ χέσ η με τους προηγούμενους βαθμούς ελευθερίας του περιγράφεται από μια ομογενή 4 4 μήτρα μετασ χηματισ μού A i, όπου R είναι μια 3 3 υπομήτρα που περιγράφει την περισ τροφή των σ υσ τημάτων σ υντεταγμένων και T είναι μια 3 1 υπομήτρα που περιγράφει τη μετατόπισ η των σ υσ τημάτων σ υντεταγμένων. A i = [ R i 1 i T i 1 i 0 0 ] Ως εκ τούτου: A i j = A i+1 A j = [ R i j T i j 0 0 ] Η μήτρα Rj i εκφράζει τον προσ ανατολισ μό του σ υσ τήματος σ υντεταγμένων O j x j y j z j σ ε σ χέσ η με σ ύσ τημα O i x i y i Z i και δίνεται από τις περισ τροφικές υπομήτρες των μητρών A i, δηλαδή: R i j = Ri i+1 Rj 1 j. Τα διανύσ ματα που δίνουν τη μετατόπισ η των σ υσ τημάτων σ υντεταγμένων είναι T i και δίνονται από τον τύπο: i T i j = T i j 1 + Ri j 1 T j 1 j.

77 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 74 Μια σ υνηθισ μένη σ ύμβασ η για την επιλογή των πλαισ ίων αναφοράς σ τις ρομποτικές εφαρμογές είναι οι μέθοδος Denavit-Hartenberg, ή DH μετασ χηματισ μός. Σε αυτήν την μέθοδο, κάθε ομογενή μήτρα μετασ χηματισ μού A i παρουσ ιάζεται ως αποτέλεσ μα των τεσ σ άρων βασ ικών μετασ χηματισ μών: όπου T rans zi 1 (d i ) = T rans xi (r i ) = A i = T rans zi 1 (d i ) Rot zi 1 (θ i ) T rans xi (r i ) Rot xi (a i ) d i r i , Rot z i 1 (θ i ) = and Rot x i (a i ) = cos θ i sin θ i 0 0 sin θ i cos θ i cos a i sin a i 0 0 sin a i cos a i , και σ υνεπώς A i = cos θ i sin θ i cos a i sin θ i sin a i r i cos θ i sin θ i cos θ i cos a i cos θ i sin a i r i sin θ i 0 sin a i cos a i d i όπου οι τέσ σ ερις ποσ ότητες θ i, α i, d i, a i είναι οι παράμετροι που σ υνδέονται με την άρθρωσ η i. Οι παράμετροι σ υνήθως ονομάζονται μήκος σ υνδέσ μου, περισ τροφή σ υνδέσ μου, μετατόπισ η σ υνδέσ μου και γωνία άρθρωσ ης, αντίσ τοιχα. Λαμβάνοντας υπόψη τις προδιαγραφές σ χεδιασ μού που αναφέρονται σ ε προηγούμενο κεφάλαιο για την σ χεδίασ η του βραχίονα και την παραπάνω DH μέθοδο μετασ χηματισ μού, οι παράμετροι Denavit-Hartenberg για τον MIS βραχίονά μας είναι: Σύνδεσ μοι i d i (mm) a i (mm) α i θ i (ελεύθερη παράμετρος) θ θ θ θ θ θ θ θ 8 Table 3.1: Denavit-Hartenberg παράμετροι

78 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 75 Για τον υπολογισ μό των παραπάνω παραμέτρων, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι κάθε σ ύνδεσ μος έχει 18 γωνιακή διαφορά σ ε σ χέσ η με τον επόμενο σ ύνδεσ μο, έτσ ι ώσ τε η περισ τροφική ροπή που μεταδίδεται από κάθε τένοντα να είναι η μέγισ τη δυνατή για κάθε έναν από τους δύο βαθμούς ελευθερίας αυτού του σ υγκεκριμένο καθολικού σ υνδέσ μου. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη τους μηχανικούς περιορισ μούς των σ υνδέσ μων, πρέπει να σ ημειωθεί ότι η γωνία περισ τροφής κάθε βαθμού ελευθερίας πρέπει να είναι: θ i 20. Επιπλέον, ο ακόλουθος πίνακας δείχνει τις παραμέτρους Denavit-Hartenberg για δύο σ υνεχείς βαθμούς ελευθερίας (που βρίσ κονται εντός του ίδιου σ υνδέσ μου) του βραχίονα της εργασ ίας μας. όπου A i+2 i+1 = A i+1 i = A i+2 i = A i+1 i A i+2 i+1 cos(θ i ) 0 sin(θ i ) 0 sin(θ i ) 0 cos(θ i ) και cos (θ i+1 ) cos α sin (θ i+1 ) sin α sin (θ i+1 ) a i cos (θ i ) sin (θ i+1 ) cos α sin (θ i+1 ) sin α cos (θ i+1 ) a i sin (θ i ) 0 sin α cos α Για τον υπολογισ μό των ομογενών μητρών μετασ χηματισ μού A i χρησ ιμοποιήσ αμε το Symbolic Toolbox του λογισ μικού προγράμματος Matlab και ο κώδικας παρουσ ιάζεται σ το παράρτημα. 3.2 Προσ ομοίωσ η Χρησ ιμοποιώντας το robotics toolbox του λογισ μικού προγράμματος Matlab δημιουργήσ αμε μια προσ ομοίωσ η της κίνησ ης του βραχίονα. Ο κώδικας matlab που εκτελούμε για τη διασ ύνδεσ η αυτή είναι: 1 % Denavit - Hartenberg Parameters 2 3 L1 = link ([ pi / ]) ; 4 L2= link ([108* pi / ]) ; 5 L3 = L1 ; 6 L4 = L2 ; 7 L5 = L1 ; 8 L6 = L2 ; 9 L7 = L1 ; 10 L8= link ([ ]) ; r= robot ({ L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8}) ; 13 r. name = 'UPAT - MIS '; % Angles

79 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ th =[ theta1 theta2 theta3 theta4 theta5 theta6 theta7 theta8]; % Plot the manipulator 19 plot (r, th ) Οι εικόνες σ τη σ υνέχεια παρουσ ιάζουν διαφορετικές αναπαρασ τάσ εις του βραχίονα χρησ ιμοποιώντας το Robotics Toolbox του Matlab: 200 Z axis x z y UPAT-MIS Y axis X axis Figure 3.2: Τρισ διάσ τατη απεικόνισ η του ρομποτικού βραχίονα με το Robotics Toolbox y x z 50 Y axis 0 50 UPAT-MIS X axis Figure 3.3: Δισ διάσ τατη απεικόνισ η του ρομποτικού βραχίονα με το Robotics Toolbox

80 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ AntÐsvtrofh kinhmatik me qr svh thc mejìdou antisvtrof c thc Iakwbian c Μία κλασ ική αριθμητική μέθοδος για επίλυσ η του προβλήματος της αντίσ τροφης κινηματική, η οποία έχει ευρέως χρησ ιμοποιηθεί τα τελευταία χρόνια, βασ ίζεται σ την αντισ τροφή της Ιακωβιανής μήτρας. Θεωρείται, κυρίως, μία αριθμητική μέθοδος, η οποία χρησ ιμοποιεί διακριτές και πολύ σ υγκεκριμένες παραδοχές. Ομως, καταλήγει πάντα σ ε μοναδική λύσ η με ακρίβεια όταν αυτές οι παραδοχές ικανοποιούνται και έχουν εκφρασ τεί σ ωσ τά. Στο κεφάλαιο αυτό θα αναλύσ ουμε αναλυτικότερα αυτή τη μέθοδο και την αποτελεσ ματικότητά της σ ε σ χέσ η με τον βραχίονα μας. Η μέθοδος της αντίσ τροφης κινηματικής βασ ίζεται σ την χρήσ η της ιακωβιανής μήτρας, η οποία, σ ύμφωνα με την βασ ική θεωρία της ρομποτικής, σ υσ χετίζει τις γωνίες περισ τροφής ενός ρομποτικού βραχίονα με την περισ τροφική και γραμμική του ταχύτητα. (ο πίνακας ιακωβιανής πάντα αποτελείται από 6 σ τήλες και Νγραμμές (6 N μήτρα, όπου το Ν αναφέρεται σ τους βαθμούς ελευθερίας του βραχίονα, κάτι που για πολυαρθρωτά ρομπότ σ ημαίνει πως θα έχει υψηλό υπολογισ τικό κόσ τος). Πιο λεπτομερώς, ο αντίσ τοιχος τύπος που ικανοποιεί την παραπάνω πρότασ η είναι: [ v ω ] = J q (3.1) όπου οι σ υμβολισ μοί έχουν ως εξής: v: Η γραμμική ταχύτητα του ακραίου σ ημείου του βραχίονα (σ το 3D χώρο αυτό θα είναι ένα διάνυσ μα 1 3) ω: Η γωνιακή ταχύτητα του ακραίου σ ημείου του βραχίονα (επίσ ης πρόκειται για ένα διάνυσ μα 1 3) J: Ο ιακωβιανός πίνακας που σ υσ χετίζει τις ανωτέρω ταχύτητες με το ρυθμό μεταβολής των γωνιών των αρθρώσ εων q: Ο ρυθμός μεταβολής των γωνιών των αρθρώσ εων Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μας περιορίσ αμε το σ τόχο μας σ την επίτευξη της κατάλληλης θέσ ης χωρίς να δίνεται βάρος και σ τον προσ ανατολισ μό του βραχίονα. Συμπερασ ματικά, μόνο το πρώτο σ τοιχείο του πίνακα σ το αρισ τερό μέρος της εξίσ ωσ ης 3.1λαμβάνεται υπόψη σ τους ακόλουθους υπολογισ μούς. Επομένως ο ανωτέρω τύπος απλοποιείται ως εξής: v = J upper q (3.2) όπου ο πίνακας J upper είναι η απλοποιημένη ιακωβιανή και θα σ υμβολίζεται σ τη σ υνέχεια με J.

81 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 78 Συνεχίζοντας την ανάλυσ ή μας θα ορίσ ουμε τις ακόλουθες παραδοχές για την σ υγκεκριμένη εξίσ ωσ η, οι οποίες και αντισ τοιχούν σ την κινηματική προσ έγγισ η που έγινε σ το σ υγκεκριμένο βραχίονα και θα μας βοηθήσ ει περαιτέρω σ την εξομοίωσ η: ˆ Η γραμμική (και περισ τροφική) ταχύτητα κάθε άξονα κατά την μετάβασ η μεταξύ δύο θέσ εων θεωρείται σ ταθερή σ τη διάρκεια του χρόνου. Απόρροια αυτού είναι η ευκολία σ τον υπολογισ μό αυτών των ταχυτήτων: v i = i t where i = x, y, z axis (3.3) ˆ Η ιακωβιανή που χαρακτηρίζει την κίνησ η μεταξύ δύο σ υνεχόμενων θέσ εων θεωρείται επίσ ης σ ταθερή ποσ ότητα, ίσ η με την ποσ ότητα που έχει υπολογισ τεί για την αρχική θέσ η μετάβασ ης. Σύμφωνα με τις ανωτέρω παραδοχές οι ακόλουθοι υπολογισ μοί μπορούν να μας οδηγήσ ουν σ ε μία πιο αναλυτική έκφρασ η για τις γωνίες που χαρακτηρίζουν κάθε βαθμό ελευθερίας σ την τελική θέσ η μετάβασ ης, υπό την προϋπόθεσ η ύπαρξης ενός σ υγκεκριμένου χρόνου μετάβασ ης (έσ τω Τ): t = 0 q(0) = J 1 v(0) (3.4) t = T q = q(0) dt ˆ T q(t ) = q(0) + J 1 v(0) dt (3.5) 0 Επιπλέον, από τη σ τιγμή που η τιμή των J και v θεωρούνται σ ταθερές κατά την μετάβασ η η ανωτέρω έκφρασ η μπορεί να υπολογισ τεί αναλυτικότερα ως: q(t ) = q(0) + T 0 J 1 v(0) dt q(t ) = q(0) + J 1 (0) [v] T 0

82 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 79 q(t ) = q(0) + J 1 (0) dr (3.6) όπου το dr αντιπροσ ωπεύει το διάνυσ μα μετάβασ ης. Είναι προφανές ότι οι ανωτέρω μεταβάσ εις μπορούν να προκαλέσ ουν προβληματικά αποτελέσ ματα όταν αφορούν μεταβάσ εις άνω του 1mm σ τον 3D χώρο, κυρίως λόγο της θεώρησ ης ότι η ιακωβιανή μήτρα διατηρείται σ ταθερή. Ως απόδειξη του παραπάνω υλοποιήθηκε ο αλγόριθμος σ ε περιβάλλον Matlab και LabView, και για μετακινήσ εις μερικών χιλιοσ τών σ τον 3D χώρο τα τελικά αποτελέσ ματα γωνιών απείχαν από την πραγματικότητα, καθώς όταν εισ άγονταν σ τις εξισ ώσ εις ορθής κινηματικής προέκυπταν εντελώς διαφορετικές θέσ εις από τις τελικές επιλεγμένες. Επομένως, ήταν προφανές ότι μία πιο σ ωσ τή μαθηματικά και αποτελεσ ματική λύσ η έπρεπε να δοθεί, ώσ τε κάνοντας χρήσ η της αντισ τροφής της ιακωβιανής ορίζουσ ας να παράγονται τελικές γωνίες που να αντισ τοιχούν σ ε θέσ η κοντά σ την τελική θέσ η μετάβασ ης. Για το λόγο αυτό, λαμβάνοντας υπόψη μας την αδυναμία να χρησ ιμοποιήσ ουμε τη δυναμική του βραχίονα, μία λύσ η που θα μπορούσ ε να μας παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσ ματα θα ήταν να διασ πάσ ουμε το διάνυσ μα μετάβασ ης σ ε πολλά μικρότερα ενδιάμεσ α διασ τήματα. Είναι προφανές πως αυτό το μαθηματικό κόλπο απαιτεί περισ σ ότερη υπολογισ τική προσ πάθεια ώσ τε να οδηγηθεί σ το τελικό αποτέλεσ μα. Για να είμασ τε ακριβέσ τεροι, αν θεωρήσ ουμε N μεταβάσ εις μεταξύ της αρχικής και τελικής θέσ ης, ο αλγόριθμος που περιγράφεται σ το 3.6, θα πρέπει να εκτελεσ τεί N 1 φορές για να οδηγηθούμε σ ε αποτέλεσ μα. Εκτός αυτού, θα πρέπει σ τον υπό ανάπτυξη αλγόριθμο να λάβουμε υπόψη μας τα ακόλουθα: ˆ ˆ ˆ ˆ Εκτός από το να είναι γρήγορη και ακριβής, η μέθοδος θα πρέπει πάντα να ικανοποιεί ένα σ υγκεκριμένο σ φάλμα υπολογισ μών. Η απόσ τασ η του βραχίονα από την επιθυμητή θέσ η δεν πρέπει σ ε κανένα βήμα επίλυσ ης να ξεπερνά ένα προκαθορισ μένο σ φάλμα, αλλιώς ο αλγόριθμος να διακόπτεται. Η ιακωβιανή ορίζουσ α θα πρέπει με κάποιο τρόπο να κατασ τεί αντισ τρέψιμη παρόλο που είναι μη-τετραγωνικός πίνακας. Οι γωνίες που παράγονται σ ε κάθε επανάληψη δεν θα πρέπει να υπερβαίνουν τα όρια γωνιών του σ χεδιασ μένου βραχίονα. Βασ ιζόμενοι σ την ορθή κινηματική του μοντέλου, οι περιορισ μοί γωνιών για τον πρώτο βαθμό ελευθερίας είναι ±20 και για τους υπόλοιπους βαθμούς ελευθερίας Η υπόθεσ η ότι η γραμμική και γωνιακή ταχύτητα του ακραίου σ ημείου είναι σ ταθερή. Η μέθοδος που κρίθηκε ότι ικανοποιεί μεγάλο μέρος των απαιτήσ εών μας και επιλέχθηκε προς υλοποίησ η περιγράφεται σ το [40]. Πρόκειται για μία καθαρά αριθμητική μέθοδο, επομένως αρκετά γρήγορη και με ικανοποιητικά αποτελέσ ματα. Επιπλέον, χρησ ιμοποιεί δύο παραμέτρους σ φάλματος για να εξασ φαλίσ ει την σ ταθερότητα και την ικανοποίησ η των περιορισ μών μας, επομένως θεωρείται μία ι- δανική μέθοδος για τους σ κοπούς αυτής της κατασ κευής. Ετσ ι, χρησ ιμοποιώντας αυτήν την μέθοδο η ενσ ωμάτωσ η του αλγορίθμου της αντίσ τροφης κινηματικής θα έχει ως ακολούθως:

83 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 80 ˆ Αρχικά υπολογίζουμε τη διανυσ ματική απόσ τασ η του ακραίου σ ημείου του βραχίονα μεταξύ των δύο επιλεγμένων θέσ εων: dx = X g X (3.7) ˆ ˆ Υπολογίζουμε τον Ιακωβιανό πίνακα χρησ ιμοποιώντας τις προηγούμενες γωνίες των σ υνδέσ μων. Συνεχίζουμε με τον υπολογισ μό της ψευδοαντίσ τροφης αυτού του Ιακωβιανού πίνακα. J 1 = J T (JJ T ) 1 (3.8) ˆ Υπολογίζουμε το σ φάλμα για την δεδομένη θέσ η, υποθέτοντας ότι ο ιακωβιανός πίνακας δεν αλλάζει για μία τόσ ο μικρή μετακίνησ η error = (I JJ 1 )dx (3.9) Αναλυτικότερα: Συγκρίνουμε το λάθος με το επιθυμητό λάθος e. Στο πείραμά μας e = 0.001, και λαμβάνοντας υπόψη μας την κινηματική του βραχίονα, η σ ύγκρισ η αυτή θα ολοκληρώνεται όταν το ακραίο σ ημείο φτάσ ει ένα χιλιοσ τό από την επιθυμητή θέσ η το οποίο είναι ένα ικανοποιητικό αποτέλεσ μα. ˆ Σε περίπτωσ η που η παράμετρος σ φάλματος δεν ικανοποιείται, τότε μειώνουμε το βήμα της κίνησ ης χρησ ιμοποιώντας την εξίσ ωσ η dx = dx/2 (3.10) ˆ Οταν ικανοποιηθεί τελικά το επιθυμητό σ φάλμα τότε υπολογίζουμε τις νέες γωνίες του βραχίονα χρησ ιμοποιώντας τον τύπο: θ = θ + J 1 dx (3.11) ˆ Σε περίπτωσ η που μια ή περισ σ ότερες γωνίες υπερβαίνουν τα όρια γωνιών, τότε αναθέτουμε σ ε αυτές τις ανώτερες/κατώτερες τιμές και σ υνεχίζουμε με την διαδικασ ία: lowerbound, if θ + J 1 dx < lowerbound θ = upperbound, if θ + J 1 dx > upperbound (3.12) θ + J 1 dx, otherwise Η διαδικασ ία ολοκληρώνεται όταν παραχθούν γωνίες για τις οποίες ο βραχίονας να φτάνει σ ε απόσ τασ η 1mm από την επιθυμητή θέσ η. Η δυναμική σ υμπεριφορά της κατασ κευής δεν μελετήθηκε, καθώς σ χεδιάσ τηκε να είναι ένας ελαφρύς βραχίονας με ανεξάρτητους βαθμούς ελευθερίας, επομένως η δυναμική του θα είναι ουσ ιασ τικά παρόμοια με την δυναμική ενός SMA αγωγού, την οποία για τους σ τόχους της αντίσ τροφης κινηματικής θεωρήσ αμε οριακά γραμμική. Επιπλέον, η μεταβαλλόμενη τριβή που προκαλείται σ ε κάθε σ ύνδεσ μο

84 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 81 κατά την κίνησ η είναι πολύ δύσ κολο να υπολογισ τεί, επομένως ένα θεωρητικό δυναμικό μοντέλο δεν θα ήταν αρκετά ακριβές για να χρησ ιμοποιηθεί σ την πράξη. Για προσ ομοίωσ η των αποτελεσ μάτων της ιακωβιανής, ενσ ωματώσ αμε τον παραπάνω αλγόριθμο σ ε περιβάλλον LabView και έγιναν διάφορα πειράματα κίνησ ης από ένα σ ημείο σ τον τρισ διάσ τατο χώρο σ ε ένα άλλο σ ημείο. Στο πείραμα αυτό, ουσ ιασ τικά, ζητείται από τον αλγόριθμο να επισ τρέψει τις ακριβείς γωνίες που αντισ τοιχούν σ ε κίνησ η από δύο διαφορετικές αρχικές θέσ εις σ την θέσ η [x, y, z] = [ 192, 19, 20] (βλ. 3.4). Ως αρχικές σ υνθήκες επιλέχθηκαν τα ακραία σ ημεία του χώρου εργασ ίας του ρομπότ, και σ υγκεκριμένα αυτά που α- φορούν τα σ ύνολα γωνιών [θ 1, θ 2, θ 3,..., θ 8 ] = [ 20, 160, 200, 160, 160, 160, 200, 160] και [θ 1, θ 2, θ 3,..., θ 8 ] = [20, 200, 160, 200, 200, 200, 160, 200] αντίσ τοιχα. Αυτό το πείραμα θα μας επιτρέψει να παρατηρήσ ουμε την ποικιλία των αποτελεσ μάτων ανάλογα με την επιλογή της αρχικής θέσ ης. Τα ακόλουθα διαγράμματα μας δείχνουν τα αποτελέσ ματα της εξομοίωσ ης.

85 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 82 3D-distance variation(mm) Dy-axis variation(mm) Time(ms) Time(ms) Dx-axis variation(mm) Dz-axis variation(mm) Time(ms) Time(ms) (aþ) AntÐsvtrofh kinhmatik bhmatik c kðnhsvhc apì to ˆnw ìrio thc jèsvhc tou ergaleðou 3D-distance variation(mm) Dy-axis variation(mm) Time(ms) Time(ms) Dx-axis variation(mm) Dz-axis variation(mm) Time(ms) Time(ms) (bþ) AntÐsvtrofh kinhmatik bhmatik c kðnhsvhc apì to kˆtw ìrio thc jèsvhc tou ergaleðou Σχήμα 3.4: Αντίσ τροφη κινηματική βηματικής κίνησ ης για μεταβαλλόμενη αρχική θέσ η

86 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 83 Παρατηρούμε αρχικά πως πρόκειται για έναν πολύ γρήγορο αλγόριθμο (7 msec. ), ο οποίος καταφέρνει να υλοποιηθεί ικανοποιητικά υπό σ υνθήκες ελαχίσ του σ φάλματος. Αξίζει να παρατηρήσ ουμε για την σ υγκεκριμένη κίνησ η τις έντονες διακυμάνσ εις κατά τον Y άξονα, η οποία προκαλείται από το τρόπο αντισ τροφής της ιακωβιανής ορίζουσ ας μέσ ω ψευδοαντίσ τροφης αλλά και την παραγοντοποίησ η του σ φάλματος θέσ ης που εμπεριέχει. Επομένως, οι υποθέσ εις ότι η δυναμική του εργαλείου δεν μεταβάλλεται είναι η κύρια αιτία των σ υγκεκριμένων μεταβολών και θα μας δημιουργεί σ αφώς πρόβλημα κατά την εκτέλεσ η αλγορίθμων εκτέλεσ ης δυναμικής τροχιάς. Το σ υγκεκριμένο πρόβλημα κατά την εκτέλεσ η ελέγχων κλεισ τού βρόγχου σ το εργαλείο παρατηρήθηκε έντονα εξαρχής, καθώς όπως θα εξηγηθεί και σ τον έλεγχο κλεισ τού βρόγχου υπάρχουν πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τη δυναμική του εργαλείου με αποτέλεσ μα ο ανωτέρω αλγόριθμος να ασ τοχεί σ ημαντικά σ την παρακολούθησ η της τροχιάς. Ετσ ι, ο σ υγκεκριμένος αλγόριθμος εγκαταλείφθηκε και αναζητήθηκαν πιο μοντέρνες μέθοδοι αντίσ τροφης κινηματικής που να μπορούν να χειρισ τούν μεταβολές της δυναμικής του εργαλείου Αντίσ τροφη κινηματική χρησ ιμοποιώντας Αλγόριθμο Βελτισ τοποίησ ης Εκτός από την εφαρμογή της σ υμβατικής μεθόδου επίλυσ ης της αντίσ τροφης κινηματικής που βασ ίζεται σ τη μέθοδο της ημιϊακωβιανή, εφαρμόσ αμε, επίσ ης, δύο προβλήματα βελτισ τοποίησ ης με ισ οτικούς και ανισ οτικούς περιορισ μούς για τον καθορισ μό των γωνιών των βαθμών ελευθερίας. Τα κριτήρια βελτισ τοποίησ ης επιλέχτηκαν έτσ ι ώσ τε να ακολουθούν τους φυσ ικούς κανόνες, όπως να είναι ομαλές οι κινήσ εις του βραχίονα. Θεωρούμε τις γωνίες των αρθρώσ εων ως θ = [θ 1,..., θ 8 ] T και την ομογενή μήτρα μετασ χηματισ μού του τελικού σ ημείου του βραχίονα ως: A 8 0 = p x (θ) R0 8 p y (θ) p z (θ) [0, 0, 0] 1 Το πάνω δεξιά 3 1 διάνυσ μα αντιπροσ ωπεύει την μετατόπισ η του τελικού σ ημείου σ ε σ χέσ η με τα αρχικό (θεμελιώδες) σ ύσ τημα σ υντεταγμένων. Χρησ ιμοποιώντας τις Denavit - Hartenberg παραμέτρους, τα επιμέρους σ τοιχεία του παραπάνω διανύσ ματος αντισ τοιχούν σ τις κινηματικές εξισ ώσ εις του τελικού σ ημείου του βραχίονα. Για την εξαγωγή αυτών των εξισ ώσ εων, χρησ ιμοποιήσ αμε το Symbolic Math Toolbox του λογισ μικού Matlab που παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία για τον υπολογισ μό σ υμβολικών αναπαρασ τάσ εων. Το εξαγόμενο σ ύσ τημα τριών εξισ ώσ εων περιλαμβάνει τις οκτώ γωνιακές μεταβλητές και, ως εκ τούτου, υπάρχουν άπειρες λύσ εις για το πρόβλημα που παρατίθενται. Στα πειράματά μας, όπως θα περιγραφεί, χρησ ιμοποιήσ αμε ως σ τοιχεία α- νάδρασ ης ελέγχου τις γωνίες των αρθρώσ εων του βραχίονα. Σύμφωνα με την.

87 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 84 απόκλισ η μεταξύ των τρεχουσ ών γωνιών και των γωνιών την προηγούμενη χρονική σ τιγμή, ο σ χεδιασ μός του ελέγχου αναθέτει τις αντίσ τοιχες τιμές ρευμάτων σ ε κάθε Shape Memory Alloy. Λαμβάνοντας υπόψη ότι υπάρχουν πολλές λύσ εις για το πρόβλημα της αντίσ τροφης κινηματικής, έχουμε χρησ ιμοποιήσ ει μια διαδικασ ία βελτισ τοποίησ ης με περιορισ μούς βασ ισ μένους σ τα χαρακτηρισ τικά της κατασ κευής έτσ ι ώσ τε να υπολογίσ ουμε τις βέλτισ τες γωνίες των βαθμών ελευθερίας που είναι πολύ κοντά σ τις τρέχουσ ες πραγματικές γωνίες και επιτυγχάνουν υψηλή ακρίβεια θέσ ης. Οσ ο περισ σ ότερο κοντά είναι τα αποτελέσ ματα των γωνιών σ τις τρέχουσ ες πραγματικές γωνίες τόσ ο μεγαλύτερη ακρίβεια θα έχουμε σ τους υπόλοιπους υπολογισ μούς. Αυτό που θα πρέπει να τονισ τεί σ το σ ημείο αυτό είναι το πρόβλημα των αρχικών τιμών σ την επίλυσ η του αλγορίθμου. Υπάρχει πάντα ο κίνδυνος ότι το αποτέλεσ μα μπορεί να είναι ένα τοπικό μέγισ το ή ελάχισ το και όχι το ζητούμενο. Ο μόνος τρόπος να λυθεί αυτό το πρόβλημα είναι να πειραματισ τούμε με διαφορετικές αρχικές τιμές. Πολύ σ ημαντικό σ τοιχείο προς αυτήν την κατεύθυνσ η είναι ότι οι αρχικές τιμές θα πρέπει να βρίσ κονται μέσ α σ το χώρο εργασ ίας του βραχίονα. Αν το αποτέλεσ μα παραμένει το ίδιο για αυτές τις διαφορετικές αρχικές τιμές, αυτό σ ημαίνει ότι έχουμε φτάσ ει σ την επιθυμητή λύσ η. Στη μέθοδό μας για να αντιμετωπίσ ουμε αυτό το πρόβλημα, ως αρχικές τιμές των γωνιών θ, χρησ ιμοποιήσ αμε τις προηγούμενες γωνίες που υπολογίσ τηκαν από τον αλγόριθμο βελτισ τοποίησ ης. Δεδομένου ότι η προηγούμενη θέσ η είναι πολύ κοντά σ την τρέχουσ α θέσ η, οι τρέχουσ ες βέλτισ τες γωνίες πρέπει να είναι πολύ κοντά σ χετικά με τις προηγούμενες γωνίες. Επίσ ης, σ τους αλγόριθμους βελτισ τοποίησ ης, τα όρια κατασ κευής των σ υνδέσ μων εισ ήχθησ αν ως οριακοί περιορισ μοί του χώρου αναζήτησ ης, έτσ ι ώσ τε οι προκύπτουσ ες γωνίες να είναι πάντα μέσ α σ το χώρο εργασ ίας του βραχίονα. Πιο σ υγκεκριμένα, κάθε μία από τις μεταβλητές θα πρέπει να ανήκουν σ την περιοχή τιμών [θ min, θ max ], σ ύμφωνα με τις τιμές που αναφέρονται σ το κεφάλαιο της κατασ κευής. Από το τρισ διάσ τατο σ ύσ τημα καμερών, η θέσ η του τελικού σ ημείου του βραχίονα μπορεί να μετρηθεί ως: p m = [p m x, p m y, p m z ] T Δεδομένων των παραπάνω μετρήσ εων, δύο διαδικασ ίες βελτισ τοποίησ ης υιοθετήθηκαν για να υπολογισ τούν οι βέλτισ τες γωνίες των βαθμών ελευθερίας κάθε τρέχουσ ας θέσ ης του βραχίονα Ελαχισ τοποίησ η του σ φάλματος θέσ ης Αυτό το πρόβλημα βελτισ τοποίησ ης βασ ίζεται σ την ελαχισ τοποίησ η του σ φάλματος μεταξύ της τρέχουσ ας θέσ ης p m και της θέσ ης p = [p x (θ) p y (θ) p z (θ)] T η οποία δίνεται από το διάνυσ μα θέσ ης του ομογενούς πίνακα A 8 0 ως σ υνάρτησ η των γωνιών θ i. Επιπλέον, εκτός από τους περιορισ μούς των γωνιών λόγω κατασ κευής, οι βέλτισ τες γωνίες υπόκεινται σ ε περιορισ μούς γραμμικής ανισ ότητας μεταξύ των γωνιών του προηγούμενου βήματος και του τρέχοντος, έτσ ι ώσ τε οι βέλτι-

88 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 85 σ τες γωνίες να είναι κοντά τις γωνίες του προηγούμενου βήματος. Συγκεκριμένα, ο υπολογισ μός βασ ίζεται σ το εξής πρόβλημα βελτισ τοποίησ ης: min θ [(p m x p x (θ)) 2 + (p m y p y (θ)) 2 + (p m z p z (θ)) 2 ] subject to θ i (t) θ e i (t T s) ɛ (3.13) όπου το θ e i (t T s) αντισ τοιχεί σ τις γωνίες των αρθρώσ εων που υπολογίσ τηκαν από το προηγούμενο βήμα της διαδικασ ίας της βελτισ τοποίησ ης και το ɛ = 5 o. Ουσ ιασ τικά, αυτό αντισ τοιχεί σ τον υπολογισ μό μικρών γωνιών μεταξύ διαδοχικών χρονικών σ τιγμών, σ ε μια προσ πάθεια να ελαχισ τοποιηθεί το σ φάλμα θέσ ης. Οι δείκτες x, y και z χρησ ιμοποιούνται για τις τρεις καρτεσ ιανές κατευθύνσ εις. Η παράμετρος ɛ δείχνει τη μέγισ τη επιτρεπόμενη γωνιακή απόκλισ η μεταξύ της προηγούμενης και της τρέχουσ ας γωνίας. Οσ ο αυξάνεται αυτή η παράμετρος, ο βραχίονας εκτελεί περισ σ ότερες απότομες κινήσ εις με την πιθανότητα να υπάρξουν ανεπιθύμητα αποτελέσ ματα. Ωσ τόσ ο σ ε αυτήν την περίπτωσ η, η υπολογισ τική ταχύτητα είναι υψηλότερη, δεδομένου ότι υπάρχουν περισ σ ότερα όρια ανοχής. Από την άλλη πλευρά, καθώς η σ ταθερά γωνιακής απόκλισ ης μειώνεται, οι κινήσ εις του βραχίονα είναι πιο ομαλές εις βάρος της υπολογισ τικής ταχύτητας. Επίσ ης, όπως αναφέρεται σ το σ ύσ τημα ελέγχου, ο έλεγχος γίνεται μέσ ω της ανίχνευσ ης του τελικού σ ημείου του βραχίονα, του οποίου σ τη σ υνέχεια οι σ υντεταγμένες εισ άγονται σ τον αλγόριθμο της αντίσ τροφης κινηματικής. Κατά σ υνέπεια, ένας πολύ σ ημαντικός παράγοντας για να χρησ ιμοποιήσ ουμε μία από τις δύο μεθόδους βελτισ τοποίησ ης είναι να εξασ φαλίσ ουμε ότι οι προκύπτουσ ες γωνίες από την αντίσ τροφη κινηματική είναι σ χετικά παραπλήσ ιες με τις πραγματικές γωνίες. Παρά την παρουσ ίασ η υψηλής ακρίβειας σ το σ φάλμα θέσ ης, η παραπάνω μέθοδος βελτισ τοποίησ ης εμφανίζει σ ε κάποιο βαθμό αρκετά σ φάλματα σ τον υπολογισ μό των γωνιών σ ε σ χέσ η με τις πραγματικές, γεγονός που είναι σ υνυφασ μένο με την επιλογή της παραμέτρου ɛ Ελαχισ τοποίησ η του σ φάλματος γωνίας Σε αυτό το κριτήριο, χρησ ιμοποιήσ αμε μια αντίσ τροφη προσ έγγισ η του παραπάνω προβλήματος. Συγκεκριμένα, αυτή η βελτισ τοποίησ η δοκιμάσ τηκε για να πετύχουμε υψηλή ακρίβεια σ τον υπολογισ μό των γωνιών σ ε σ χέσ η με τις πραγματικές γωνίες των αρθρώσ εων. Σε γενικές γραμμές, έχοντας ως δεδομένες τις σ υντεταγμένες της θέσ ης του τελικού σ ημείου, με αυτή την προσ έγγισ η θέλουμε να ελαχισ τοποιηθεί το σ φάλμα μεταξύ των γωνιών της προηγούμενης και της τρέχουσ ας θέσ ης του βραχίονα βασ ιζόμενοι σ την υπόθεσ η ότι το σ φάλμα θέσ ης είναι ίσ ο με μηδέν. Η μαθηματική αναπαράσ τασ η αυτού του κριτηρίου είναι: min θ(t) θ e (t T s ) θ subject to [(p m x p x (θ)) 2 + (p m y p y (θ)) 2 + (p m z p z (θ)) 2 ] = 0 (3.14) Με αυτή τη διαδικασ ία βελτισ τοποίησ ης, αν οι προκύπτουσ ες γωνίες αντικατασ ταθούν σ τη νόρμα του σ φάλματος θέσ ης, τότε το αποτέλεσ μα θα πρέπει να ισ ούται με το μηδέν. Επιπλέον, οι βέλτισ τες τρέχουσ ες γωνίες υπολογίζονται

89 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 86 υποθέτοντας ότι οι αρθρώσ εις κινούνται ελάχισ τα μεταξύ της προηγούμενης και της τρέχουσ ας θέσ ης. Αυτή είναι μια μέθοδος με υψηλή ακρίβεια που μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί για τον υπολογισ μό των γωνιών των αρθρώσ εων, αν μόνο η θέσ η του τελικού σ ημείου είναι γνωσ τή, όπως σ τα πειράματά μας. Στο σ χήμα 3.5, παρουσ ιάζουμε τις γωνίες που υπολογίσ τηκαν για μια ευθεία κίνησ η 38 διαδοχικών θέσ εων σ το χώρο εργασ ίας του βραχίονα από τον αλγόριθμο βελτισ τοποίησ ης που περιγράφηκε προηγουμένως και δείχνουν σ αφώς την αποδοτικότητά του: Angles Chart 20 Angles Chart st Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle 2nd Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle Samples Samples 37 Angles Chart 200 Angles Chart rd Angle (Degrees) Optimal Angle 4th Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle 165 Desired Angle Samples Samples 37 Angles Chart 200 Angles Chart 200 5th Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle 6th Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle Samples Samples 37 Angles Chart 200 Angles Chart 200 7th Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle 8th Angle (Degrees) Optimal Angle Desired Angle Samples Samples 37 Σχήμα 3.5: Προσ έγγισ η των γωνιών από τον αλγόριθμο βελτισ τοποίησ ης Οπως φαίνεται σ το σ χήμα 3.5, για 38 θέσ εις του ακραίου σ ημείου σ το χώρο εργασ ίας του βραχίονα, ο παραπάνω αλγόριθμος προσ εγγίζει με ακρίβεια τις πραγματικές γωνίες με 1 2 βαθμούς σ φάλμα. Ωσ τόσ ο, το μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι οι υπολογιζόμενες γωνίες εξαρτώνται από τις προηγούμενες γωνίες και επομένως και με τις αρχικές τιμές. Στην εικόνα 3.5, για τους υπολογισ μούς χρησ ιμοποιήσ αμε ως αρχικές τιμές την αρχική θέσ η του βραχίονα Εργαλειοθήκες Βελτισ τοποίησ ης Για τα προβλήματα βελτισ τοποίησ ης έχουμε κάνει εκτενή χρήσ η της εργαλειοθήκης βελτισ τοποίησ ης του λογισ μικού Matlab και του προγράμματος LabView

90 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 87 μέσ ω της εργαλειοθήκης Constrained Nonlinear Optimization VI. Γενικά το πρόβλημα ελαχισ τοποίησ ης (minimization problem) μπορεί να ορισ τεί ως: min f T x subject to A eqx = b eq A ineq x b ineq l x u (3.15) Τα προβλήματα βελτισ τοποίησ ης που υλοποιήσ αμε αποτελούνται από μη γραμμικές τριγωνομετρικές εξισ ώσ εις. Αναπτύξαμε τους αλγορίθμους μας αρχικά σ ε θεωρητική βάσ η σ το Matlab, χρησ ιμοποιώντας τη σ υνάρτησ η fmincon που είναι μια πολύ ισ χυρή σ υνάρτησ η βελτισ τοποίησ ης, και σ τη σ υνέχεια σ ε γραφικό περιβάλλον LabView. Το λογισ μικό LabView προσ φέρει επίσ ης τη λύσ η της ενσ ωμάτωσ ης του κώδικα του Matlab μέσ α σ το περιβάλλον της εφαρμογής μέσ ω της χρήσ ης του Matlab script. Ωσ τόσ ο, αυτό προκαλεί μεγάλη καθυσ τέρησ η σ την εκτέλεσ η της εφαρμογής της τάξεως των 200 ms, γεγονός που κρίνει τη χρήσ η του ακατάλληλη για έλεγχο σ ε πραγματικό χρόνο. Επίσ ης, μια εναλλακτική σ υνάρτησ η βελτισ τοποίησ ης του Matlab που μπορεί να χρησ ιμοποιηθεί είναι η fsolve, η οποία όμως δεν προσ φέρει τη δυνατότητα περιορισ τικών παραμέτρων. Ουσ ιασ τικά, οι δύο παραπάνω εργαλειοθήκες χρησ ιμοποιούνται σ αν μαύρα κουτιά, καθώς οι αλγόριθμοι βελτισ τοποίησ ης που εφαρμόζουν έχουν ήδη υλοποιηθεί σ ε εσ ωτερικό επίπεδο. Από την άλλη πλευρά, δεδομένου ότι τα προβλήματα βελτισ τοποίησ ης που εφαρμόζουμε εξαρτώνται σ ε σ ημαντικό βαθμό από αυτές τις σ υναρτήσ εις, αξίζει να κατανοήσ ουμε κάποιες από τις βασ ικές τους θεωρίες. Περισ σ ότερες πληροφορίες σ χετικά με αυτές τις εργαλειοθήκες μπορούν να βρεθούν σ τις ισ τοσ ελίδες των εταιριών MathWorks και National Instruments αντίσ τοιχα. Μερικές από τις μεθόδους που χρησ ιμοποιεί η σ υνάρτησ η fmincon περιγράφονται σ τη σ υνέχεια. Δεδομένου ότι αυτές οι περιγραφές είναι κυρίως αποσ πάσ ματα από εγχειρίδιο χρήσ ης του MATLAB, μπορείτε να ανατρέξτε εκεί για περισ σ ότερες λεπτομέρειες Μέθοδος Interior Point για μη γραμμική Ελαχισ τοποίησ η Υποθέτοντας ότι το πρόβλημα είναι επιλύσ ιμο και απολύτως εφικτό, η μέθοδος Interior Point (εσ ωτερικού σ ημείου) επιλύει τα προβλήματα εφαρμόζοντας τη μέθοδο του Νεύτωνα (Newton's method) σ ε μια αλληλουχία ισ οτικών προβλημάτων με περιορισ μούς. Μπορούμε να θεωρήσ ουμε τις μεθόδους Interior Point σ αν ένα άλλο επίπεδο σ την ιεραρχία των αλγορίθμων βελτισ τοποίησ ης κυρτών σ υναρτήσ εων (convex optimization algorithms). Τα γραμμικά ισ οτικά τετραγωνικά προβλήματα με περιορισ μούς (Linear equality constrained quadratic problems) είναι τα πιο απλά. Η μέθοδος του Νεύτωνα είναι το επόμενο επίπεδο σ την ιεραρχία. Μπορούμε να θεωρήσ ουμε τη μέθοδο του Νεύτωνα ως μια τεχνική για την επίλυσ η ενός γραμμικού ισ οτικού προβλήματος βελτισ τοποίησ ης με περιορισ μούς, με δύο φορές διαφορίσ ιμο σ τόχο, μειώνοντάς το σ ε μια αλληλουχία γραμμικών ισ οτικών τετραγωνικών προβλημάτων με περιορισ μούς. Οι μέθοδοι Interior Point αποτελούν το επόμενο επίπεδο σ την ιεραρχία καθώς λύνουν ένα πρόβλημα βελ-

91 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 88 τισ τοποίησ ης με γραμμικούς ισ οτικούς και ανισ οτικούς περιορισ μούς, μειώνοντάς το σ ε μια ακολουθία γραμμικών ισ οτικών προβλημάτων με περιορισ μούς. Μπορεί να θεωρηθεί ως παρόμοια μέθοδος με αυτή του Νεύτωνα, που εφαρμόζεται σ ε ένα γραμμικό τετραγωνικό σ ύσ τημα, ενώ οι επαναλήψεις βρίσ κονται σ την αυσ τηρή εσ ωτερική περιφέρεια που αναπαρίσ ταται από τους ανισ οτικούς περιορισ μούς της εξίσ ωσ ης (Ο αλγόριθμος είναι μια παραλλαγή του αλγορίθμου πρόβλεψης-διόρθωσ ης που προτείνει ο Mehrotra [41]). Ειδικότερα, για την επίλυσ η του προβλήματος προσ έγγισ ης, ο αλγόριθμος Interior Point υιοθετεί δύο βασ ικά βήματα σ ε κάθε επανάληψη: ˆ ˆ Ενα άμεσ ο βήμα, που ονομάζεται βήμα του Νεύτωνα (Newton step), που επιχειρεί να λύσ ει ένα σ ύσ τημα από KKT (Karush-Kuhn-Tucker) εξισ ώσ εις για την επίλυσ η του προβλήματος βελτισ τοποίησ ης μέσ ω γραμμικής προσ έγγισ ης. Αν ο αλγόριθμος δεν μπορεί να βγάλει αποτέλεσ μα από αυτό το βήμα, δηλαδή όταν το κατά προσ έγγισ η πρόβλημα δεν είναι τοπικά κυρτό σ την περιοχή της τρέχουσ ας επανάληψης, τότε σ υνεχίζει σ το δεύτερο βήμα. Ενα βήμα με τη μέθοδο των σ υζυγών παραγώγων (Conjugate Gradient), το οποίο προσ εγγίζει το πρόβλημα βελτισ τοποίησ ης με μια τετραγωνική σ υνάρτησ η σ ε μια περιοχή εμπισ τοσ ύνης, που υπόκεινται σ ε γραμμικούς περιορισ μούς Sequential Quadratic Programming (SQP) Οι μέθοδοι SQP αντιπροσ ωπεύουν τις πιο σ ύγχρονες τεχνικές σ ε μη γραμμικούς μεθόδους προγραμματισ μού (nonlinear programming methods). Η αποτελεσ ματικότητα, η ακρίβεια και το ποσ οσ τό των επιτυχών λύσ εων, σ ε μεγάλο αριθμό προβλημάτων δοκιμάσ τηκαν από τον Schittkowski ο οποίος υλοποίησ ε κάποιες μεθόδους SQP και κατέληξε ότι ήταν υπερείχαν σ ε σ χέσ η με τους υπόλοιπους. Οι SQP αλγόριθμοι προσ παθούν να λύσ ουν ένα μη γραμμικό πρόβλημα άμεσ α αντί να το μετατρέπουν σ ε μια αλληλουχία προβλημάτων ελαχισ τοποίησ ης χωρίς περιορισ μούς. Βάσ ει των εργασ ιών των Biggs, Han, και Powell, η μέθοδος μας επιτρέπει να μιμηθούμε τη μέθοδο του Νεύτωνα για βελτισ τοποίησ η με περιορισ μούς με τον ίδιο τρόπο που γίνεται σ τη βελτισ τοποίησ η χωρίς περιορισ μούς. Μια μέθοδος SQP χρησ ιμοποιεί ένα τετραγωνικό μοντέλο για την αντικειμενική σ υνάρτησ η και ένα γραμμικό μοντέλο για τους περιορισ μούς. Ενα μη γραμμικό σ ύσ τημα σ το οποίο η αντικειμενική σ υνάρτησ η είναι τετραγωνική και οι περιορισ μοί είναι γραμμικοί ονομάζεται τετραγωνικό πρόγραμμα (quadratic program (QP)). Σε κάθε βασ ική επανάληψη, ένα τοπικό βέλτισ το σ ύσ τημα είναι φτιαγμένο από την Εσ σ ιανή της Lagrangian σ υνάρτησ ης χρησ ιμοποιώντας μια quasi-newton updating μέθοδο. Αυτό σ τη σ υνέχεια χρησ ιμοποιείται για να δημιουργήσ ει ένα QP υποσ ύσ τημα που η λύσ η του χρησ ιμοποιείται για να διαμορφώσ ει μια κατεύθυνσ η αναζήτησ ης σ ε μια γραμμική διαδικασ ία αναζήτησ ης (που ελπίζουμε να είναι) προς τη επίλυσ η του αρχικού προβλήματος. Υπάρχουν διάφορες και άλλες μέθοδοι βελτισ τοποίησ ης, όπως η active-set και η trust-region-reective που χρησ ιμοποιούνται από την σ υνάρτησ η fmincon

92 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 89 για τη διασ φάλισ η της προσ αρμοσ τικότητας της εργαλειοθήκης βελτισ τοποίησ ης. Ωσ τόσ ο, εμείς θα περιορισ τούμε σ την παρούσ α περιγραφή της εργαλειοθήκης βελτισ τοποίησ ης του MATLAB. Από την άλλη πλευρά, η εργαλειοθήκη βελτισ τοποίησ ης του LabView χρησ ιμοποιεί τη μέθοδο Sequential Quadratic Programming (SQP) που προαναφέρθηκε και προσ φέρει μη γραμμική βελτισ τοποίησ η με μη γραμμικούς ισ οτικούς περιορισ μούς και μη γραμμικούς ανισ οτικούς περιορισ μούς ορίων. 3.3 Sumperˆsvmata Στο κεφάλαιο αυτό μελετήθηκε το κινηματικό μοντέλο τόσ ο για την ορθή όσ ο και την αντίσ τροφη κινηματική, βασ ισ μένο σ τα κατασ κευασ τικά χαρακτηρισ τικά του υλοποιημένου εργαλείου το οποίο θα παρουσ ιασ τεί με λεπτομέρειες σ τη σ υνέχεια σ το κεφάλαιο 4. Επιπλέον, υπολογίσ τηκε και σ χεδιάσ τηκε ο αντίσ τοιχος χώρος εργασ ίας του βραχίονα σ το τρισ διάσ τατο επίπεδο, ώσ τε να είναι πιο εύκολη η απεικόνισ η της κίνησ ής του. Τέλος, διάφοροι αλγόριθμοι αντίσ τροφης κινηματικής εξομοιώθηκαν και ο πιο αποδοτικός, βασ ιζόμενος σ ε αλγόριθμο sequential quadratic programming ενσ ωματώθηκε σ την ανάδρασ η του κλεισ τού βρόγχου ελέγχου που φαίνεται σ το 5. Στο ακόλουθο κεφάλαιο θα παρουσ ιασ τεί αναλυτικά η μεθοδολογία σ χεδιασ μού και κατασ κευής του εργαλείου σ το οποίο βασ ίζεται και το παρών κινηματικό μοντέλο.

93 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 3. ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 90

94 Kefˆlaio 4 SQEDIASMOS KAI KATASKEUH TOU LAPAROSKOPIKOU ERGALEIOU 4.1 Sqediasvmìc kai katasvkeuasvtikˆ svtoiqeða tou laparosvkìpiou Ακολουθώντας τα θεωρητικά σ τοιχεία των προηγούμενων ενοτήτων, θα παρουσ ιασ τεί σ τη σ υνέχεια αναλυτικά η μεθοδολογία και η διαδικασ ία κατασ κευής του εργαλείου Oi svtauroeidoôc tôpou svôndesvmoi Ενα από τα πρώτα προβλήματα που έπρεπε να επιλυθεί αφορούσ ε την επιλογή των ενδιάμεσ ων αρθρώσ εων. Η χρήσ η τους θα επέτρεπε την σ ύνδεσ η των σ ταθερών μερών της κατασ κευής με τρόπο που να επιτρέπει την ευλυγισ ία μεταξύ τους και κατ επέκτασ η του εργαλείου σ τον 3D χώρο. Για τους σ κοπούς της κατασ κευής ένας ιδανικός σ ύνδεσ μος θα χαρακτηρίζεται από χαμηλό βάρος και μικρές διασ τάσ εις, ελάχισ τα ποσ οσ τά τριβής κατά την κίνησ η και ανεξάρτητη κίνησ η σ ε όλα τα σ ημεία του χώρου. Η κύρια παράμετρος από αυτές σ την οποία θα έπρεπε να δοθεί ιδιαίτερη προσ οχή είναι το μέγεθος του σ υνδέσ μου λόγω της ανάγκης να εξασ φαλισ θεί ο ελάχισ τα επεμβατικός χαρακτήρας του εργαλείου. Με βάσ η το κόσ τος και αναλυτική έρευνα σ τα υπάρχοντα προϊόντα επιλέχθηκε το προϊόν της HUCO co με τίτλο Universal/Lateral Oset Coupling Οι σ ύνδεσ μοι αυτοί είναι κατασ κευασ μένοι από μπρούτζο (κράμα χαλκού-κασ σ ίτερου) και πλασ τικό με μέσ ο βάρος τα 7 gr. Επιπλέον, ο αριθμός υποδηλώνει ότι η διάμετρος του σ υνδέσ μου είναι 18 mm και το 203 αφορά το σ χήμα του σ υνδέσ μου το οποίο και θα περιγραφεί σ τη σ υνέχεια.η εταιρία κατασ κευής έχει χαρακτηρίσ ει ως καθολικούς (universal) τους εν λόγω σ υνδέσ μους, υπονοώντας ότι σ τον πραγ- 91

95 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 92 ματικό κόσ μο δίνουν την αίσ θησ η μίας απεριόρισ της κίνησ ης και σ τις 3 διασ τάσ εις. Στην πράξη, ο σ ύνδεσ μος αποτελείται από δύο μπρούτζινες ειδικά σ χεδιασ μένες οπές, οι οποίες απέχουν ελάχισ τα χωρίς να έρχονται σ ε επαφή η μία με την άλλη και οι άξονες περισ τροφής των οποίων είναι τοποθετημένοι ώσ τε να περνούν νοητά από το κέντρο του σ υνδέσ μου και να τέμνονται υπό γωνία 90. Το μόνο μη μπρούτζινο μέρος του σ υνδέσ μου είναι μία κυλινδρική κατασ κευή από τεφλόν, η οποία περιβάλλει τις δύο οπές και αποτελεί σ ημείο πρόσ δεσ ης των αξόνων τους, ώσ τε να τους παρέχει ανεξάρτητη κίνησ η με τα γεωμετρικά χαρακτηρισ τικά που περιγράφηκαν πιο πριν. Αξίζει να σ ημειωθεί πως, σ ε αντισ τοιχία με τα χαρακτηρισ τικά που οφείλουν να έχουν τέτοια εργαλεία, το κέντρο αυτών των οπών άρα και του σ υνδέσ μου είναι κενό, δημιουργώντας ένα κανάλι εργασ ίας για τον χειρούργο περί τα 5 mm. Ακολουθεί ένα σ χέδιο των σ υνδέσ μων σ ε CAD περιβάλλον 4.1αʹ, καθώς και μία πραγματική εικόνα 4.1γʹ του σ υνδέσ μου για να γίνουν ευκολότερα κατανοητά τα σ χεδιασ τικά χαρακτηρισ τικά του που προαναφέρθηκαν (βλ. 4.1βʹ): Οπως βλέπουμε οι σ ύνδεσ μοι αυτοί σ την πράξη δίνουν δυνατότητα για κίνησ η σ τον τρισ διάσ τατο χώρο. Κάποια επιπλέον χαρακτηρισ τικά των σ υνδέσ μων που διαπισ τώθηκαν κατόπιν παραγγελίας είναι η γωνία περισ τροφής του κάθε άξονα, η οποία είναι ±20 από την μέσ η θέσ η. Επομένως, η ολική δυνατότητα περισ τροφής φτάνει τις 40 η οποία είναι αρκετά υψηλή για βαθμό ελευθερίας λαπαροσ κοπικού εργαλείου. Επιπλέον, ύσ τερα από την λεπτομερή εξέτασ η των ιδιοτήτων των σ υνδέσ μων διαπισ τώθηκαν και ορισ μένα μειονεκτήματα κατά την λειτουργία τους. Αρχικά το επίπεδο τριβών διαπισ τώθηκε μεγαλύτερο από ότι αναμενόταν και ίσ ως να μεταβάλλει ανάλογα με τις σ υνθήκες την σ υμπεριφορά του βραχίονα κατά την κίνησ η. Το φαινόμενο αυτό, δυσ τυχώς, είναι αναπόφευκτο από τη σ τιγμή που α- ποφασ ίσ τηκε να αποφύγουμε τα ρουλεμάν σ την κατασ κευή μας. Δευτερευόντως, εντοπίσ τηκε μία σ χεδιασ τική ατέλεια σ τις οπές. Παρατηρήθηκε ότι σ ε ταυτόχρονη περισ τροφή και των δύο βαθμών ελευθερίας σ ε ακραίες γωνίες υπήρξε μία μεταξύ τους επαφή με αποτέλεσ μα να διακόπτεται η περισ τροφή σ τις ±18.5. Το γεγονός αυτό δημιουργεί μία εξάρτησ η των δύο σ υνεχόμενων πεπλεγμένων βαθμών ελευθερίας, η οποία βέβαια μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα, καθώς αφορά μόλις το 5% της ολικής περισ τροφής και σ ε ακραίες θέσ εις αυτής. Μπορούμε, επομένως, να την αποφύγουμε εάν αποφύγουμε την κίνησ η του βραχίονα σ ε ακραίες θέσ εις του χώρου εργασ ίας του. Συμπερασ ματικά, θεωρώντας πως τα ανωτέρω μειονεκτήματα δεν θα προκαλέσ ουν σ οβαρά προβλήματα ελέγχου ή λανθασ μένα αποτελέσ ματα αποφασ ίσ τηκε η ενσ ωμάτωσ η των σ υνδέσ μων αυτών σ την κατασ κευή για επίτευξη της ευλυγισ ίας, κυρίως λόγω του χαμηλού κόσ τους, του χαμηλού βάρους, της σ τιβαρότητας κατασ κευής και των 2 - πεπλεγμένων - DOF που διαθέτει Sqediasvmìc tou svtajeroô sv matoc Εχοντας καλύψει την βασ ική ανάγκη για κάμψη του εργαλείου, θα παρουσ ιάσ ουμε αναλυτικά σ την σ υνέχεια την μεθοδολογία σ χεδιασ μού του άκαμπτου μέρους

96 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 93 (aþ) Sqèdio CAD tou svtauroeidoôc svundèsvmou Ref.N o. D(mm) L(mm) L1(mm) L2(mm) B1, B2(mm) Screw M 3 (bþ) Mhqanikˆ qarakthrisvtikˆ tou svtauroeidoôc svundèsvmou (gþ) Pragmatik eikìna tou svtauroeidoôc svundèsvmou Σχήμα 4.1: Ο σ ταυροειδής σ ύνδεσ μος

97 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 94 της κατασ κευής. Για να επιτύχουμε ένα ικανοποιητικό σ χήμα, πολλά από τα υ- πάρχοντα σ χέδια που παρουσ ιάσ τηκαν σ το πρώτο κεφάλαιο εξομοιώθηκαν και αναλύθηκαν τα θετικά και αρνητικά τους. Για την τελική επιλογή λάβαμε, επίσ ης, υπόψη μας τις βασ ικές μας θεωρήσ εις για την κατασ κευή και άλλες παραμέτρους όπως το κόσ τος και τους μηχανολογικούς περιορισ μούς των υπαρχόντων επεξεργασ τικών μηχανών του πανεπισ τημίου (π.χ. η ιδέα της ταχείας προτυποποίησ ης απορρίφθηκε λόγω υψηλού κόσ τους και του υψηλού απαιτούμενου χρόνου για σ χεδιασ μό και σ υναρμολόγησ η τέτοιων μερών. Το τελικό σ χέδιο του άκαμπτου σ ώματος του εργαλείου μας φαίνεται σ τις ακόλουθες εικόνες (βλ. 4.2): Σχήμα 4.2: Σχεδιασ μός άκαμπτων μερών Είναι κατασ κευασ μένο από αλουμίνιο και ζυγίζουν μόνο 21g το καθένα από αυτά. Στην πραγματικότητα η ανωτέρω κατασ κευή αποτελείται από τρία μέρη, ένα μεσ αίο και δύο πλευρικά. Το μεσ αίο φέρει ειδικό σ χήμα πρόσ δεσ ης των ακραίων

98 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 95 τμημάτων, ενώ η σ ταθεροποίησ η επιτυγχάνεται επιπλέον μέσ ω Μ3 βιδών οι οποίες βιδώνονται σ ε ειδικές υποδοχές μεταξύ των σ ωμάτων. Είναι επίσ ης εμφανή τα μικρά τμήματα που εξέχουν της κατασ κευής σ τις δύο πλευρές της, τα οποία ε- ξυπηρετούν την κατάλληλη σ ύνδεσ η και ευθυγράμμισ η με τους σ υνδέσ μους. Και εδώ το σ ώμα σ φηνώνεται μέσ α σ τον σ ύνδεσ μο και με βίδες Μ3 εξασ φαλίζεται η σ ταθεροποίησ η της θέσ ης τους. Το ολικό μήκος των σ ωμάτων αυτών είναι 41mm και η εξωτερική διάμετρος 22 mm. Οι τρύπες που έχουν σ χεδιασ τεί σ την εξωτερική περίμετρο των σ ωμάτων θα αποτελέσ ουν τα σ ημεία πρόσ δεσ ης των τενόντων. Η διάμετρός τους είναι 1mm και το κέντρο της κάθε μίας είναι νοητά σ ε απόσ τασ η 11 mm από το κέντρο του σ ώματος. Συνολικά 20 τρύπες έχουν προβλεφθεί για κάθε σ τέρεο σ ώμα, ώσ τε να μπορούν να σ υνδεθούν έως και 5 σ ώματα σ ε σ ειρά ή με άλλα λόγια 10-DOF. Λαμβάνοντας υπόψη την ακτινική απόσ τασ η των τρυπών από το κέντρο του σ ώματος και τον αριθμό τους, εύκολα εξάγεται το σ υμπέρασ μα ότι η γωνιακή διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών οπών με σ ημείο αναφοράς τον οριζόντιο άξονα σ υμμετρίας του σ ώματος θα είναι 18. Ο αριθμός αυτός είναι πολύ σ ημαντικός, όπως θα δούμε, σ την εξαγωγή του κινηματικού μοντέλου του βραχίονα. Η όλη κατασ κευή αποδείχτηκε πολύ αποτελεσ ματική όσ ον αφορά την δυνατότητα διακριτού και ανεξάρτητου ελέγχου κάθε τένοντα, καθώς και σ την εύκολη και ασ φαλή ενσ ωμάτωσ η και εξαγωγή του κάθε τένοντα από την όλη κατασ κευή. Το εσ ωτερικό κανάλι εργασ ίας του βραχίονα περιορίζεται σ τα 3 mm, εξαιτίας της ανάγκης να σ φηνωθούν τα άκαμπτα σ ώματα σ τους σ υνδέσ μους. Βεβαίως, τα εναπομένοντα χιλιοσ τά θεωρούνται επαρκή, εάν λάβουμε υπόψη μας το μικροσ κοπικό μέγεθος (<2 mm) των ιατρικών εργαλείων που χρησ ιμοποιούν οι χειρούργοι μέσ α από τέτοια κανάλια εργασ ίας. Μία τελευταία κατασ κευασ τική λεπτομέρεια εντοπίζεται σ το ακραίο άκαμπτο σ ώμα, που αποτελεί και το ακραίο σ ημείο της κατασ κευής, όπως φαίνεται σ την εικόνα4.3: Σχήμα 4.3: Κατασ κευασ τική λεπτομέρεια του ακραίου σ ώματος

99 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 96 Αυτό το ακραίο σ ώμα είναι σ μιλεμένο σ το έμπροσ θεν μέρος του, ώσ τε να ομοιάζει καλύτερα με ακραίο σ ημείο του βραχίονα. Η κατασ κευασ τική αυτή λεπτομέρεια πέρα από το εικασ τικό κομμάτι, μας βοηθά να σ χηματίσ ουμε ευκολότερα ένα σ υγκεκριμένο ως προς το σ χήμα και το χρώμα υπόδειγμα που θα πρέπει να αναγνωρίζει το 3D σ ύσ τημα οπτικής αναγνώρισ ης που αναπτύχθηκε για τους σ κοπούς της παρούσ ας διπλωματικής και θα αναλυθεί σ ε επόμενο κεφάλαιο. Ε- πιπλέον, η επιβάρυνσ η σ ε βάρος λόγω της προσ θήκης αυτής θεωρείται αμελητέα καθώς με ζυγό ακριβείας (ανοχής 1 g) το βάρος του μετρήθηκε σ τα 28 g, δηλαδή μόλις 7 g μεγαλύτερο από το σ ύνηθες άκαμπτο σ ώμα StajeropoÐhsvh tou braqðona Συνεχίζοντας την αναλυτική περιγραφή του λαπαροσ κοπικού βραχίονα θα περιγραφεί η βάσ η που σ χεδιάσ τηκε, ώσ τε να υπάρχει ένα σ ταθερό σ ημείο πρόσ δεσ ης του εργαλείου και σ τιβαρής διασ ύνδεσ ής του με τα υπόλοιπα μέρη που τοποθετούνται σ το πίσ ω μέρος της κατασ κευής. Πιο σ υγκεκριμένα, αποφασ ίσ τηκε να βιδωθεί το λαπαροσ κοπικό εργαλείο σ ε μία ξύλινη βάσ η, όπου το σ ημείο πρόσ δεσ ης θα αποτελεί και το σ ημείο αναφοράς μας για την κινηματική ανάλυσ η της όλης κατασ κευής. Για να επιτευχθεί αυτή η πρόσ δεσ η, σ χεδιάσ τηκε και κατασ κευάσ τηκε επιπλέον μία ειδική βάσ η αλουμινίου, η οποία φαίνεται σ την εικόνα που ακολουθεί 4.4. Η βάσ η φέρει δύο διαμπερή σ πειρώματα σ τα άκρα της, ώσ τε να μπορεί να βιδωθεί σ την βάσ η. Τέλος, το κοίλο κομμάτι της βάσ ης αυτής φέρει ακτίνα ελάχισ τα μεγαλύτερη (11.5 mm) της ακτίνας του άκαμπτου σ ώματος του βραχίονα, ώσ τε να δημιουργείται ο κατάλληλος χώρος πρόσ δεσ ης του βραχίονα μεταξύ του μεταλλικού μέρους και της ξύλινης βάσ ης. Οσ ον αφορά την ξύλινη βάσ η, οι διασ τάσ εις της ορίσ τηκαν να είναι 1.1 m 10 cm, ενώ το υλικό κατασ κευής επιτρέπει την εύκολη μετακίνησ η και σ ταθεροποίησ η εξαρτημάτων (π.χ. καλωδίων, ελατηρίων κλπ.) σ την επιφάνειά της με κοινές ξυλόβιδες. Στην πράξη το μέγεθος της βάσ ης είναι πολύ μεγαλύτερο από το απολύτως αναγκαίο, αλλά η επιλογή του έγινε με βάσ η την ανάγκη για δυνατότητα απεριόρισ της μετακίνησ ης, προσ θήκης και αφαίρεσ ης των αντίσ τοιχων εξαρτημάτων. (βλ. 4.4) Σχήμα 4.4: Ξύλινη βάσ η και πάκτωσ η

100 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ Anˆlusvh twn antagwnisvtik n dunˆmewn Εχοντας ήδη λάβει γνώσ η των ιδιοτήτων των SMA καλωδίων από προηγούμενο κεφάλαιο, μία παράμετρος που πρέπει να αποσ αφηνισ τεί σ το σ ημείο αυτό είναι η παρεχόμενη ανταγωνισ τική δύναμη σ το εργαλείο, για να γίνει δυνατή η δυνατότητα επαναληπτικών κινήσ εων του λαπαροσ κοπικού εργαλείου. Είναι εύκολα αντιληπτό πως κατά την ενεργοποίησ η, ένα SMA καλώδιο, πακτωμένο σ ε μία από τις περιμετρικές οπές ενός άκαμπτου σ ώματος, θα σ υρρικνωθεί σ ε μήκος και επομένως θα ασ κήσ ει μία αντίσ τοιχη ροπή σ το σ ημείο πρόσ δεσ ης, σ τρέφοντας έτσ ι τον σ ύνδεσ μο και το άκαμπτο σ ώμα (και προφανώς όποιο τμήμα του βραχίονα έπεται αυτών) προς την μεριά άσ κησ ης της ροπής. Για να υπάρχει δυνατότητα ελέγχου της κίνησ ης αυτής πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα άσ κησ ης κάποιας ανταγωνισ τικής δύναμης σ ε πραγματικό χρόνο. Η δύναμη αυτή πρέπει να είναι αρκετά δυνατή ώσ τε να μπορεί να τροποποιήσ ει τη δυναμική της κατασ κευής και της κίνησ ης, σ ε σ υνδυασ μό με την φάσ η των SMA αγωγών, σ ε μία σ χετικά μικρή χρονική διάρκεια. Για να επιτευχθεί αυτό σ τον μέγισ το δυνατό βαθμό, προτιμήθηκε το σ ημείο εφαρμογής αυτής της δύναμης, από όποιο υλικό και αν προέρχεται, να βρίσ κεται αντιδιαμετρικά του σ ημείου πρόσ δεσ ης του αντίσ τοιχου SMA αγωγού. Με άλλα λόγια κάθε άκαμπτο σ ώμα μπορεί να έχει σ ε δύο περιμετρικές οπές SMA αγωγούς ώσ τε να ασ κούνται οι κινησ ιακές δυνάμεις κατά τη μία φορά και αντίσ τοιχους μηχανισ μούς σ ε δύο αντιδιαμετρικές οπές για άσ κησ η ανταγωνισ τικής δύναμης σ την σ υρρίκνωσ η των έξυπνων αγωγών. Η σ ύνδεσ η αυτή βοηθά σ την επίτευξη μέγισ της ροπής κίνησ ης για κάθε βαθμό ελευθερίας. Οπως έχουμε δει και σ ε προηγούμενο κεφάλαιο ο φορέας ανταγωνισ τικής δύναμης θα μπορούσ ε να είναι κάποιος SMA αγωγός, κάποιο ελατήριο ή άλλος μηχανισ μός που βασ ίζεται σ ε ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα (π.χ. μόνιμος μαγνήτης). Στην περίπτωσ ή μας, προτιμήθηκε η χρήσ η ειδικών ελατηρίων έκτασ ης με κρίκους πρόσ δεσ ης αγγλικού τύπου σ τα άκρα τους και σ υγκεκριμένα σ χεδιασ τικά χαρακτηρισ τικά που αναλύονται σ ε επόμενο τμήμα. Ο λόγος αυτής της επιλογής είναι ότι είναι ευκολότερη η κατανόησ η της σ υμπεριφοράς τους (νόμος Hooke) και επομένως ο έλεγχος τους, καθώς η δύναμη που ασ κούν είναι κάθε σ τιγμή διακριτή και εύκολα υπολογίσ ιμη και επομένως μας διευκολύνει σ την εξαγωγή ενός θεωρητικού μοντέλου. Αντιθέτως, η ταυτόχρονη χρήσ η δύο αγωγών SMA αντιδιαμετρικά για ένα βαθμό ελευθερίας είναι μία πολύπλοκη διαδικασ ία ελέγχου, με μερικές φορές απροσ δόκητη σ υμπεριφορά λόγω υσ τέρησ ης (βλ. [42] ). Επιπλέον, η κατανάλωσ η ενέργειας με δύο αγωγούς διπλασ ιάζεται επομένως καλό θα ήταν να αποφευχθεί. Ομοίως για λόγους κόσ τους, πολυπλοκότητας αλλά και αύξησ ης του βάρους της κατασ κευής απορρίφθηκαν και οι υπόλοιπες πιθανές λύσ εις για άσ κησ η ανταγωνισ τικής δύναμης (π.χ. μέσ ω μόνιμων μαγνητών) SÔndesvh twn anwtèrw mer n Προτού παρουσ ιασ τεί λεπτομερώς η μεθοδολογία επιλογής των ελατηρίων, χρειάζεται να γίνει αναφορά σ την μεθοδολογία διασ ύνδεσ ης των επιμέρους μερών που έχουν μέχρι τώρα αναφερθεί. Ετσ ι, θα είναι σ αφέσ τερες οι κινηματικές δυνατό-

101 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 98 τητες του βραχίονα σ τον 3D χώρο καθώς εξαρτώνται άμεσ α από τις σ υνδέσ εις μεταξύ των σ υνεχόμενων μερών. Ειδικότερα, η καλύτερη μέθοδος είναι να εφαρμοσ τεί μία διαφορά γωνίας 18 μεταξύ δύο διαδοχικών σ υνδέσ μων, όπως ακριβώς ισ χύει και για την γωνιακή διαφορά μεταξύ δύο σ υνεχόμενων τρυπών. Ετσ ι, θα είναι πιο εύκολο να περασ τούν οι τένοντες σ το σ ώμα και θα εντοπίζεται ευκολότερα σ ε τι αντισ τοιχεί ο καθένας κατά την πειραματική διαδικασ ία, καθώς, οι τένοντες που θα βρίσ κονται σ τις γωνίες από 0 90 σ το σ ταθερό σ ώμα θα σ χετίζονται με την κάθετη κίνησ η του εργαλείου, ενώ οι γωνίες από σ το σ ταθερό σ ώμα θα σ χετίζονται με την οριζόντια κίνησ η αυτού σ ε σ ύγκρισ η πάντα με το σ ύσ τημα αναφοράς που είναι το σ ύσ τημα αξόνων του ξύλινου πατώματος. Εκτός αυτού, για τένοντες που διαφέρουν κατά 18 θα ξέρουμε ότι αφορούν μία παραπλήσ ια κίνησ η του εργαλείου για δύο κοντινούς βαθμούς ελευθερίας. Τα παραπάνω γίνονται καλύτερα κατανοητά και μέσ ω των τύπων της ορθής κινηματικής που είναι και η καλύτερη μέθοδος παρουσ ίασ ης της θέσ ης του βραχίονα και αναλύονται σ ε επόμενο κεφάλαιο. Μία εικόνα των όσ ων έχουν ολοκληρωθεί φαίνεται πιο κάτω και είναι αρκετά διαφωτισ τική των σ υνδέσ εων που έχουν αναλυθεί έως τώρα (βλ. 4.5): Σχήμα 4.5: Εικόνα κατασ κευασ μένου μη-ρυθμισ μένου βραχίονα Είναι σ ημαντικό να σ ημειωθεί πως το ολικό βάρος του βραχίονα πριν την σ ύνδεσ ή του σ τη βάσ η του εργαλείου μετρήθηκε σ τα g το οποίο είναι πολύ ικανοποιητικό σ ε σ χέσ η με τα υπάρχοντα λαπαροσ κοπικά εργαλεία. Η μέτρησ η αυτή καθώς και όλες οι μετρήσ εις βάρους-δύναμης που θα ακολουθήσ ουν έγιναν με έναν ηλεκτρονικό ζυγό ακριβείας ο οποίος είχε ακρίβεια ±5 g (βλ. 4.6).

102 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 99 Σχήμα 4.6: Ηλεκτρονική Ζυγαριά ακριβείας Προς αποφυγή οποιασ δήποτε παρερμηνείας, να σ ημειωθεί πως ο ζυγός αυτός δεν χρησ ιμοποιήθηκε για μέτρησ η βάρους-δύναμης κάτω των 50 g προφανώς λόγω της ανοχής του σ ε σ φάλματα. Ετσ ι, όσ ον αφορά τα άκαμπτα σ ώματα και τους σ υνδέσ μους, τα οποία εμφανίζουν εξαιρετικά χαμηλό βάρος, οι μετρήσ εις που παρατίθενται είναι και αυτές που δόθηκαν από τους εκάσ τοτε κατασ κευασ τές Arqik rôjmisvh thc katasvkeu c Εχοντας επιλέξει μεθοδολογία διασ ύνδεσ ης των μερών, μελετήθηκε η έκτασ η των ελατηρίων και η επιλογή ενός αρχικού σ χήματος και μία αρχικής θέσ ης του βραχίονα. Λαμβάνοντας υπόψη τον παράγοντα της βαρύτητας, είναι προφανές ότι για να ωφεληθούμε από το ίδιο βάρος του λαπαροσ κοπικού εργαλείου, θα πρέπει να προσ ανατολίσ ουμε την έναρξη της κίνησ ής του από την μέγισ τη κατακόρυφη θέσ η και φορά προς τα κάτω. Επιπλέον, όσ ον αφορά τις πλευρικές κινήσ εις, ο καλύτερος αρχικός σ χηματισ μός είναι ο τεθλασ μένος, καθώς εξασ φαλίζει ότι σ την έναρξη τις κίνησ ης η υψηλή τριβή ολίσ θησ ης δεν θα ασ κεί μεγάλες δυνάμεις με μονόπλευρη φορά, οι οποίες με τη σ ειρά τους θα απαιτούν υψηλά ρεύματα σ τους αγωγούς για κίνησ η. Άλλωσ τε, σ ε μία τέτοια διαμόρφωσ η, αποφεύγεται η περίπτωσ η λόγω μονόπλευρης θέσ ης του εργαλείου και υψηλών επιπέδων τριβής να αρθεί η ανεξαρτησ ία των βαθμών ελευθερίας και η κίνησ η του ενός να σ υμπαρασ ύρει και έναν ή περισ σ ότερους σ υνδέσ μους. Ο ανωτέρω σ υλλογισ μός οδηγεί σ το αρχικό σ χήμα ενός τεθλασ μένου και σ τραμμένου προς τα πάνω βραχίονα ό- πως σ τις εικόνες 4.7 (είναι προφανές πως δεν έχει καμία σ ημασ ία εάν πέραν του τεθλασ μένου σ χήματος η αρχική πλευρική φορά του βραχίονα θα είναι προς δεξιά ή προς αρισ τερά, αρκεί να διατηρείται το τεθλασ μένο σ χήμα)

103 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 100 (aþ) Tejlasvmènh rôjmisvh apì arisvter ìyh (bþ) Tejlasvmènh rôjmisvh apì ˆnw ìyh Σχήμα 4.7: Η τεθλασ μένη ρύθμισ η του βραχίονα από διάφορες γωνίες λήψης

104 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 101 Για αυτόν τον σ χηματισ μό, μπορεί πλέον να καθορισ τεί μία αρχική σ υνθήκη δύναμης για κάθε ελατήριο. Εξαιτίας των υψηλών επιπέδων τριβής μεταξύ των τενόντων και του βραχίονα, η εξαγωγή ενός θεωρητικού μοντέλου δεν έχει κάποιο ιδιαίτερο νόημα. Αντί αυτού, είναι καλύτερο να καθορισ τούν οι δυνάμεις αυτές μέσ ω σ υνεχών πειραμάτων επί της κατασ κευής και με λεπτομερή παρακολούθησ η της διακύμανσ ης των δυνάμεων αυτών σ ε κάθε σ ύνδεσ μο ξεχωρισ τά κατά την κίνησ ή του σ ε διάφορες θέσ εις. Για να αποκτήσ ουμε μία αρχική τιμή ελκτικής δύναμης για κάθε βαθμό ελευθερίας, θα χρησ ιμοποιηθεί το ίδιο ηλεκτρονικό κανταράκι (βλ. 4.6), όπου το μετρούμενο βάρος θα μετατρέπεται σ ε δύναμη χρησ ιμοποιώντας τη σ ταθερά βαρύτητας g=10 N/kg. Το λαπαροσ κοπικό εργαλείο σ ταθεροποιήθηκε σ την αρχική θέσ η που δείξαμε πιο πριν, χρησ ιμοποιώντας κάποια πειραματικά ελατήρια έκτασ ης του εργασ τηρίου αυτοματισ μών και ρομποτικής με γνωσ τή τη σ ταθερά k. Τα ελατήρια αυτά δεν ικανοποιούν προφανώς τις απαιτήσ εις ελασ τικότητας και ευκολίας σ τον χειρισ μό λόγω υψηλού k, αλλά είναι ικανοποιητικά για τον παρόντα σ κοπό που είναι ο καθορισ μός μίας βασ ικής τιμής της ελκτικής δύναμης που απαιτείται για όλους τους βαθμούς ελευθερίας. Υσ τερα από αρκετές προσ πάθειες για ελαχισ τοποίησ η της δύναμης ανά βαθμό ελευθερίας έτσ ι ώσ τε να διατηρείται η αρχική θέσ η αλλά και να δύνεται η δυνατότητα επισ τροφής σ ε αυτήν από οποιαδήποτε άλλη ενδιάμεσ η θέσ η, οι δυνάμεις που μετρήθηκαν σ τους 8 προκαθορισ μένους τένοντες των SMA αγωγών είναι οι ακόλουθες 4.1: DOF Corresponding θ F orce (g) 1 θ θ θ θ θ θ θ θ 8 20 *1 kg = 10 N Πίνακας 4.1: Μετρούμενη δύναμη σ ε g για κάθε βαθμό ελευθερίας Για τον καθορισ μό των τελικών ελατηρίων που θα εξυπηρετούν τους σ κοπούς μας έγινε μία αναλυτική έρευνα σ τα ελατήρια έκτασ ης της εταιρίας Vanel co. Τα κατάλληλα ελατήρια θα πρέπει να έχουν μέγισ τη δύναμη τουλάχισ τον ίσ η με την αντίσ τοιχη δύναμη του παραπάνω πίνακα για κάθε DOF, αρκετά μικρή διάμετρο και επίσ ης, πολύ σ ημαντικό, όσ ο το δυνατόν περισ σ ότερη επιτρεπόμενη επιμήκυνσ η, ώσ τε να παρέχεται η δυνατότητα μίας πιο ομαλής κατανομής της δύναμης σ το

105 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 102 μήκος του ελατηρίου κατά την έκτασ η για πιο ακριβή έλεγχο. Τα ελατήρια που ε- λέγχθηκαν εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία χαρακτηρισ τικών πέραν των βασ ικών που καθορίσ αμε και παρουσ ιάζονται σ τον ακόλουθο σ ύνδεσ μο [43]. Οσ ον αφορά τη μέγισ τη δύναμη των ελατηρίων αυτή μπορεί εύκολα να εξαχθεί από τον προηγούμενο πίνακα, λαμβάνοντας υπόψη μία επιπλέον δύναμη 200 g που απαιτείται για να είναι δυνατός ο έλεγχος της παραμένουσ ας ανταγωνισ τικής δύναμης που ασ κούν οι SMA αγωγοί κατά την ψύξη τους. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη μας την περίπτωσ η σ φάλματος σ τις παραπάνω πειραματικές διαδικασ ίες, αποφασ ίσ τηκε να προσ τεθεί ένα επιπλέον βάρος 200 g για κάθε DOF, ώσ τε να εξασ φαλισ τεί η δυνατότητα των ελατηρίων να ικανοποιούν τις επαναλαμβανόμενες κινήσ εις του βραχίονα ακόμα και σ ε περιπτώσ εις υψηλής τριβής ή κάποιου σ φάλματος σ τις μετρήσ εις όπως επισ ημάνθηκε προηγουμένως. Με βάσ η όλες αυτές τις παρατηρήσ εις παρατίθεται ο πίνακας απεικόνισ ης όλων των δυνάμεων που θα πρέπει να ασ κούνται από τα αντίσ τοιχα ελατήρια για κάθε βαθμό ελευθερίας 4.2: DOF Allocated maximum f orce (N) Πίνακας 4.2: Δυνάμεις ανά βαθμό ελευθερίας Με βάσ η αυτές τις δυνάμεις σ χηματίζεται και ο ακόλουθος πίνακας με τα ελατήρια που επιλέχθηκαν για κάθε βαθμό ελευθερίας ώσ τε να ικανοποιούνται σ το μέγισ το βαθμό όλες οι σ υνθήκες που έχουν αναφερθεί σ το παρών κεφάλαιο:

106 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 103 DOF Spring rate (N/mm) Allocated maximum force (N) F ree length (mm) Allowable length (mm) * Ολα τα ελατήρια έχουν εξωτερική διάμετρο 4.5 mm Πίνακας 4.3: Επιλεγμένα ελατήρια ανά βαθμό ελευθερίας και βασ ικά χαρακτηρισ τικά RÔjmisvh twn morfometablht n kramˆtwn mn mhc Ενα από τα σ ημαντικότερα τμήματα της κατασ κευής αφορά την επιλογή και την τοποθέτησ η των SMA αγωγών σ το πίσ ω μέρος της κατασ κευής. Εξαιτίας την αυξανόμενης χρήσ ης των SMA τα τελευταία χρόνια, υπάρχει ένας επαρκής αριθμός κατασ κευασ τών τέτοιων κραμάτων που παρέχουν και υλικά αλλά και έτοιμους προς χρήσ η SMA αγωγούς, υπερελασ τικούς σ ωλήνες και ελατήρια. Κατόπιν έρευνας μερικών εμπορικά διαθέσ ιμων SMA αγωγών με διαφορετική σ ύσ τασ η, διατομή και λαμβάνοντας υπόψη μας τις απαιτούμενες δυνάμεις για τους ενεργοποιητές, χρησ ιμοποιήσ αμε ειδικά κατεργασ μένους αγωγούς νικελίουτιτάνιου (Nitinol) της εταιρίας Dynalloy [44], που φέρουν την ονομασ ία F lexinol R, ώσ τε να επιτύχουμε δρασ τική μείωσ η του βάρους και της πολυπλοκότητας σ την κατασ κευή και ενσ ωμάτωσ η των υλικών. Η προμήθεια του εξοπλισ μού έγινε μέσ ω του αντιπροσ ώπου MemoryMetalle της εταιρίας σ την Ευρώπη [45]. Η σ ύνθεσ η του Ni-Ti SMA είναι 54.8% 45.05% και έχει υποσ τεί ειδική επεξεργασ ία (θερμική, μηχανική, χημική και ηλεκτροχημική) ώσ τε να σ ταθεροποιηθεί η παραμόρφωσ ή του σ ε ευθεία θέσ η. Επιπλέον, έχει υποσ τεί επιπλέον επεξεργασ ία, ώσ τε, εκτός από τη δυνατότητα να επανέρχεται σ την αρχική του ευθεία θέσ η, να μπορεί και να σ υρρικνώνεται σ ε σ υγκεκριμένο ποσ οσ τό κατά την θέρμανσ ή του. Τα Flexinol SMA είναι διαθέσ ιμα σ ε μεγέθη διαφόρων διατομών (από έως mm) με αντίσ τοιχη ποικιλία χαρακτηρισ τικών. Για τους σ κοπούς της παρούσ ας εργασ ίας οκτώ μονής διεύθυνσ ης Nitinol α- γωγοί επιλέχθηκαν με διατομή 0.2 mm (0.008 inches) και αντίσ τασ η ισ οδύναμη με 29 Ohms/m. Η δύναμη που μπορούν να ασ κήσ ουν οι σ υγκεκριμένοι αγωγοί κατά την θέρμανσ η είναι 570 g σ τα psi (172 Mpa) σ ε μέγισ τη τάσ η σ το καλώδιο, ενώ χρειάζονται 2.7 s για ψύξη σ ε θερμοκρασ ία δωματίου. Η τελική θερμοκρασ ία αλλαγής φάσ ης είναι η A f = 90 C. Ο σ υγκεκριμένος τύπος καλωδίου επιλέχθηκε βάσ η του χρόνου αποκατάσ τασ ης (κατά την ψύξη) και την τάσ η που μπορεί να ασ κήσ ει, έτσ ι ώσ τε να έχουμε σ χετικά γρήγορη επαναφορά σ την

107 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 104 αρχική κατάσ τασ η για το καλώδιο, άρα και για τον βραχίονα, αλλά παράλληλα και την αναγκαία δύναμη για να μπορούμε να ικανοποιήσ ουμε την απαίτησ η για επαναληψιμότητα των κινήσ εων, χωρίς να πιέζεται σ τα όρια του το καλώδιο. Ε- πιπλέον, η μεγάλη θερμική διαφορά μεταξύ του καλωδίου και του ατμοσ φαιρικού αέρα επηρεάζει άμεσ α την ευαισ θησ ία του υλικού σ ε μεταβολές της θερμοκρασ ίας περιβάλλοντος και πιο σ υγκεκριμένα την ροή ρεύματος μέσ α από το υλικό και τα επίπεδα θέρμανσ ης των περιβαλλόντων εξαρτημάτων. Μία επιπλέον κατασ κευασ τική βελτίωσ η για τους SMA αγωγούς που εφαρμόσ τηκε κατά κόρον είναι η τεχνική της αναδίπλωσ ής τους, ώσ τε να εξασ φαλισ τεί η αναγκαία δύναμη. Στην τεχνική αυτή, αφού σ χηματισ τούν οι δύο θέσ εις διασ ύνδεσ ης με την υπόλοιπη κατασ κευή σ τα άκρα του υλικού, το καλώδιο διπλώνεται σ το μέσ ο του μήκους του (φέροντας ουσ ιασ τικά έτσ ι τα δύο σ ημεία διασ ύνδεσ ης σ την ίδια θέσ η). Η αναδίπλωσ η του υλικού παρέχει διπλάσ ια δύναμη σ τα άκρα του, δηλαδή δύναμη της τάξης των 10 Ν ή 1.14 kg, με μείωσ η παράλληλα του αναγκαίου χώρου για την τοποθέτησ ή του. Ενας παρόμοιος τρόπος να επιτύχουμε παρόμοια ποσ οσ τά δύναμης σ το ίδιο χώρο θα ήταν η τοποθέτησ η SMA αγωγών ίδιου μήκους παράλληλα μεταξύ τους. Πρόκειται όμως για μία μέθοδο η οποία έχει αποδειχθεί αναποτελεσ ματική σ την πράξη, λόγω της αδυναμίας να ελεγχθούν με απόλυτη ακρίβεια και ταυτόχρονα όλοι οι αγωγοί. Αντιθέτως, κατά την αναδίπλωσ η, το σ πάσ ιμο του αγωγού σ το σ ημείο αναδίπλωσ ης προκαλεί ανεπάρκεια υλικού σ το σ υγκεκριμένο σ ημείο και επομένως αποκλείει την αλληλεπίδρασ η μεταξύ των δύο μερών, εξασ φαλίζοντας παράλληλα την ταυτόχρονη λειτουργία τους, καθώς θα υπόκεινται σ την ίδια ακριβώς διαφορά τάσ ης. Το ποσ οσ τό σ υρρίκνωσ ης παραμένει το ίδιο (4%), αλλά πλέον θα αναφέρεται σ το μισ ό μήκος του αγωγού. Τόσ ο η σ υρρίκνωσ η που αναφέρθηκε προηγούμενα, όσ ο και τα υπόλοιπα χαρακτηρισ τικά του εκάσ τοτε τμήματος ενός αναδιπλωμένου αγωγού παραμένουν τα ίδια, για αυτό και όπως τονίσ τηκε και πιο πάνω διπλασ ιάζεται η σ υνολική δύναμη ανά αγωγό σ τα 1140 g ή 1 kg ή 10 N. Επιπλέον για ταχύτερη ψύξη και δρασ τική μείωσ η των δυνάμεων τριβής, ενσ ωματώθηκε περιμετρικά των SMA και των τενόντων ένα ελασ τικό σ ωληνοειδές περίβλημα μικρής διαμέτρου (0.3 mm), το οποίο λειτουργεί και ως απαγωγέας της θερμότητας. Αποδείχτηκε αρκετά δρασ τικό κυρίως όσ ον αφορά τη μείωσ η της τριβής, καθώς η μέσ η μείωσ η των δυνάμεων ανήλθε σ τα 200 gr κατά τη διάρκεια των πειραμάτων και με αρκετά γρήγορη ψύξη των αγωγών. Αξίζει σ το σ ημείο αυτό να τονισ τεί ότι οι δυνάμεις που απεικονίσ τηκαν σ ε προηγούμενο πίνακα υπολογίσ τηκαν κατόπιν ενσ ωμάτωσ ης των σ υγκεκριμένων σ ωληνοειδών και επομένως αποδεικνύεται πως μας βοήθησ αν σ το να κατέβουμε οριακά μία κατηγορία πιο κάτω όσ ον αφορά την επιλογή των κατάλληλων SMA για την κατασ κευή μας, πράγμα πολύ σ ημαντικό αν δούμε την καθυσ τέρησ η ψύξης των SMA αγωγών διαμέτρου 0.3 mm. Η διαδικασ ία ενσ ωμάτωσ ης των SMA αγωγών σ τα σ ωληνοειδή φαίνεται καλύτερα σ την εικόνα που ακολουθεί (βλ. 4.8):

108 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 105 Σχήμα 4.8: Ελασ τικός σ ωλήνας τοποθέτησ ης των τενόντων/sma Olokl rwsvh kai beltisvtopoðhsvh thc katasvkeu c tou braqðona Για να μεταφερθεί με ακρίβεια η ροπή των ΣΜΑ αγωγών και των ελατηρίων σ τον εκάσ τοτε βαθμό ελευθερίας χρειάζεται η παρεμβολή σ υγκεκριμένων τενόντων. Οι τελευταίοι πρέπει να χαρακτηρίζονται από μέγισ τη ανελασ τικότητα, προκειμένου να παρέχουν πλήρη μεταβίβασ η της δύναμης μεταξύ των άκρων τους. Ενα υλικό που ικανοποιεί τους σ κοπούς μας είναι οι κοινές χορδές του εμπορίου (π.χ. όπως αυτές που χρησ ιμοποιούνται σ αν χορδές σ ε μουσ ικά όργανα), οι οποίες είναι κατασ κευασ μένες από ατσ άλι και επομένως αρκετά σ κληρές, ανελασ τικές και ικανές να διαχειρισ τούν αρκετά μεγάλες δυνάμεις σ υγκριτικά με το μέγεθός τους. Στα χαρακτηρισ τικά του κατασ κευασ τή των χορδών που προμηθευτήκαμε αναφέρεται μέγισ τη δύναμη 4 kg. Πράγματι, και κατά την διάρκεια των πειραμάτων δεν παρουσ ιάσ τηκε καμία ασ τοχία των χορδών αυτών, καθώς η δύναμή θραύσ ης ξεπερνάει κατά πολύ τις δυνάμεις που μετρήθηκαν σ την παρούσ α εργασ ία. Ενα άλλο πλεονέκτημα των σ υγκεκριμένων χορδών είναι τα χαρακτηρισ τικά άκρα πρόσ δεσ ης σ ε μορφή καρουλιών σ το ένα τους άκρο, που επιτρέπει εύκολη ενσ ωμάτωσ η σ τις περιμετρικές οπές του βραχίονα. Η ακόλουθη εικόνα 4.9 δείχνει λεπτομερώς έναν τένοντα με το χαρακτηρισ τικό άκρο, ενώ η εικόνα 4.5 είναι ενδεικτική της εύκολης ενσ ωμάτωσ ής του σ το λαπαροσ κοπικό εργαλείο.

109 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 106 Σχήμα 4.9: Τένοντας με χαρακτηρισ τικό άκρο πρόσ δεσ ης Συνεχίζοντας σ το κομμάτι των σ υνδέσ εων, επίσ ης ενδιαφέρουσ α είναι η μεθοδολογία σ ύνδεσ ης των τενόντων αυτών με τους SMA αγωγούς και τα ελατήρια που βρίσ κονται σ το πίσ ω μέρος της κατασ κευής. Για τη σ ύνδεσ η αυτή κατασ κευάσ τηκαν ειδικοί σ ύνδεσ μοι αξιοποιώντας προ-μονωμένους ακροδέκτες τηλεφώνου. Συγκεκριμένα, ο κάθε τένοντας περάσ τηκε μέσ α από δύο απέναντι τοποθετημένους ακροδέκτες και διπλώνεται σ την σ υνέχεια ώσ τε να περάσ ει για δεύτερη φορά με αντίθετη όμως διεύθυνσ η από τους ακροδέκτες. Ετσ ι σ χηματίζεται ένα καμπύλο σ χήμα από τον τένοντα που καταλήγει σ το μέσ ο των ακροδεκτών. Στην σ υνέχεια οι ακροδέκτες γεμίζονται με κυανοακρυλική κόλλα κατάλληλη για μέταλλα και σ υμπιέζονται με πολύ δύναμη, παγιδεύοντας έτσ ι τα άκρα του τένοντα. Το αποτέλεσ μα της διαδικασ ίας φαίνεται σ ε ακόλουθη εικόνα (βλ. 4.10) και αποδείχτηκε πολύ σ ταθερή λύσ η για το σ χηματισ μό ενός κρίκου, χρησ ιμοποιώντας τον ίδιο τον τένοντα, σ τον οποίο σ τη σ υνέχεια θα προσ κολληθούν οι SMA αγωγοί ή τα ελατήρια. Σχήμα 4.10: Σχηματισ μένοι κρίκοι με χρήσ η ακροδεκτών

110 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 107 Οσ ον αφορά τα ελατήρια αυτή η σ ύνδεσ η είναι εύκολη εάν κάνουμε χρήσ η των αγγλικού τύπου κρίκων τους και φαίνεται και αυτή σ την παραπάνω εικόνα Με τον ίδιο τρόπο σ χηματίσ τηκαν και οι σ υνδέσ εις σ τα άκρα των SMA αγωγών. Είναι προφανές ότι η λειτουργία του SMA αγωγού δεν επηρεάζεται από τον τρόπο που σ χηματίζεται η σ υγκεκριμένη σ ύνδεσ η σ το άκρο του. Το μόνο μειονέκτημα που μπορεί να παρατηρηθεί σ την προκειμένη περίπτωσ η είναι η απώλεια μέρους του μήκους του αγωγού για την κάμψη του και τον σ χηματισ μό του σ υνδέσ μου, η οποία όμως μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Σε κάθε σ ύνδεσ μο των SMA αγωγών θα πρέπει προφανώς να γίνει τόσ ο η διασ ύνδεσ η με την υπόλοιπη μηχανολογική κατασ κευή, όσ ο και η διασ ύνδεσ η με το ηλεκτρονικό μέρος. Η διασ ύνδεσ η με τα ηλεκτρονικά για την παροχή της αναγκαίας διαφοράς τάσ ης είναι εύκολη, αρκεί να τυλίξουμε σ τις δύο πλευρές του αναδιπλωμένου αγωγού το χάλκινο καλώδιο-φορέα του ρεύματος. Το επόμενο πρόβλημα είναι η διασ ύνδεσ η των SMA αγωγών με τους τένοντες που διασ χίσ ουν το σ ώμα του βραχίονα. Η δυσ κολία σ την προκειμένη περίπτωσ η έγκειται σ το γεγονός ότι όλοι οι αγωγοί είναι αγώγιμοι όπως και οι ατσ άλινοι τένοντες και επομένως προς αποφυγή οποιασ δήποτε ροής ρεύματος σ το εσ ωτερικό του βραχίονα θα πρέπει να σ υνδεθούν με κάποιο μη αγώγιμο υλικό για ασ φάλεια. Για το σ κοπό αυτό προτιμήθηκαν οι κλασ ικοί σ υνδετήρες τύπου tier-up, οι οποίοι τοποθετήθηκαν ανάμεσ α σ το SMA και τους τένοντες και τραβήχτηκαν ώσ τε να έχουν ελάχισ το μήκος και κατ επέκτασ η να μην μεταβάλλουν αισ θητά την απόσ τασ η του SMA από τον τένοντα. Τα tierup είναι κατασ κευασ μένα από πλασ τικό PVC με θερμοκρασ ιακή αντοχή τήξης άνω των 90 C, ώσ τε να μην λιώνουν ακόμα και όταν ο μορφομεταβλητός αγωγός μνήμης βρίσ κεται σ την θερμότερη κατάσ τασ η. Η διασ ύνδεσ η που δημιουργείται σ το σ ημείο αυτό φαίνεται αναλυτικά και σ την εικόνα που ακολουθεί (4.11): Σχήμα 4.11: Χρήσ η tier up για διασ ύνδεσ η με SMA Απομένει, όσ ον αφορά το κατασ κευασ τικό κομμάτι η ανάλυσ η της σ ταθεροποίησ ης του δεύτερου άκρου των SMA αγωγών και των ελατηρίων σ την ξύλινη επιφάνεια. Οσ ον αφορά τα ελατήρια, χρησ ιμοποιήθηκαν ειδικοί κρίκοι αλουμινίου με σ πείρωμα σ το άκρο τους για βίδωμα σ την ξύλινη επιφάνεια και απεικονίζονται σ τη σ υνέχεια 4.12:

111 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 108 Σχήμα 4.13: Πάκτωσ η των SMA με καρφιά σ υμπίεσ ης Σχήμα 4.12: Κρίκος με σ πείρωμα σ το άκρο Το σ ημαντικό τους πλεονέκτημα είναι ότι λόγω ύπαρξης του σ πειρώματος είναι εύκολη η επανατοποθέτησ η σ ε οποιοδήποτε σ ημείο της βάσ ης, καθώς επίσ ης και η δυνατότητα μικρής περισ τροφής, που θα εκτείνει το αντίσ τοιχο ελατήριο περί τα 2 mm, για περιπτώσ εις που χρειάζεται κάποια μικρο-ρύθμισ η των δυνάμεων σ την διάρκεια των πειραμάτων. Οσ ον αφορά τους SMA αγωγούς, προτιμήθηκε μία διαφορετική προσ έγγισ η λόγω της ύπαρξης των χειροποίητων κρίκων σ τα άκρα τους. Για το λόγο αυτό, ειδικά καρφιά κατασ κευασ μένα από αλουμίνιο (πριτσ ίνια), σ ε σ υνδυασ μό με μικρούς πλασ τικούς κυλίνδρους σ ε ρόλο αποσ τατών, για σ ταθεροποίησ η όλων των μερών, ενσ ωματώθηκαν σ την κατασ κευή. Αρχικά περνιέται ο κρίκος μέσ α σ το καρφί και ακολούθως ο αποσ τάτης και σ τη σ υνέχεια όλα μαζί σ φηνώνονται σ την ξύλινη επιφάνεια σ την αντίσ τοιχη επιλεγμένη θέσ η δημιουργώντας έτσ ι μία αρκετά γερή πάκτωσ η για τον SMA αγωγό. Επιπλέον, πριν από το κάρφωμα, άλλο ένα καλώδιο χαλκού τυλίγεται γύρω από τους κρίκους που έχουν σ χηματισ τεί με τα SMA ώσ τε να υπάρχει διασ ύνδεσ η με το ηλεκτρονικό κύκλωμα και ροή ρεύματος μέσ α σ τον αγωγό. Το ακόλουθο διάγραμμα είναι ενδεικτικό των όσ ων περιγράφηκαν πιο πριν4.13:

112 ΚΕΦ ΑΛΑΙΟ 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΛΑΠΑΡΟΣΚΟΠΙΚΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ 109 Μία ακόμα ρύθμισ η για καλύτερη λειτουργικότητα είναι ο υπολογισ μός του μήκους που πρέπει να έχουν οι SMA αγωγοί μας, ώσ τε να ικανοποιούν την α- νάγκη για περισ τροφή των σ υνδέσ μων σ το 2% της σ υσ τολής τους. Το ποσ οσ τό αυτό αποφασ ίσ τηκε λαμβάνοντας υπόψη ότι η μέγισ τη σ υσ τολή κατά τον κατασ κευασ τή είναι σ το 4% του μήκους σ ε ιδανική θέρμανσ η, αλλά επιλέχθηκε ένα χαμηλότερο ποσ οσ τό για να αποφευχθούν υψηλές τάσ εις και ρεύματα και απότομες μετακινήσ εις. Άλλωσ τε, το ποσ οσ τό αυτό πρέπει να προσ διορισ τεί, καθώς αν χρησ ιμοποιηθούν αγωγοί μεγαλύτερου μήκους, τότε το μεγαλύτερο ποσ οσ τό σ υσ τολής θα σ ήμαινε ότι κατά την θέρμανσ η ενός αγωγού και αφού αυτός φτάσ ει τον εκάσ τοτε βαθμό ελευθερίας σ τον οποίο αντισ τοιχεί, σ τη σ υνέχεια θα σ υμπαρέσ υρε και άλλους βαθμούς ελευθερίας σ ε μία προσ πάθεια να φτάσ ει την επιθυμητή σ υσ τολή, κατασ τρέφοντας έτσ ι το σ τόχο της ανεξαρτησ ίας των βαθμών ελευθερίας. Ομοίως αν κάποιος αγωγός επιλεγεί με μικρότερο του κανονικού μήκος, τότε η σ υσ τολή του δεν θα επαρκούσ ε για κάμψη του σ υνδέσ μου σ τα όρια των 20. Εκτός αυτού, ο ίδιος ο κατασ κευασ τής έχει τονίσ ει πως σ ε περίπτωσ η που ξεπερασ τεί το μέγισ το ποσ οσ τό σ υσ τολής (άρα και θέρμανσ ης) θα προκαλείτο μόνιμη παραμόρφωσ η σ το υλικό και θα καθίσ τατο αδύνατη η επαναλαμβανόμ