Πολυγερινός, ΠαναγιώτηςPolygerinos, PanagiotisΞυδιανός, ΔημήτριοςXydianos, Dimitrios2024-08-022024-08-022024-08-01https://apothesis.hmu.gr/handle/123456789/11085Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους ανοιχτής χειρουργικής, οι τεχνικές της ελάχιστα επεμβατικής χειρουργικής (MIS) έχουν μετατρέψει το πεδίο των χειρουργικών επεμβάσεων, προσφέροντας σαφείς πλεονεκτήματα τόσο για τον ασθενή όσο και για το νοσοκομείο. Αποφεύγοντας την εκτεταμένη έκθεση οργάνων/ιστού, αυτές οι μέθοδοι ελαχιστοποιούν τον συνολικό κίνδυνο, μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο που συνδέεται με τη χειρουργική ενώ παράλληλα μειώνουν τον χρόνο ανάρρωσης μετά την επέμβαση. Για παράδειγμα, η λαπαροσκοπική χειρουργική απαιτεί οι δράσεις των χειρούργων να λαμβάνουν μέρος εντός του σώματος μέσω ενός αριθμού μικρών τομών, κάνοντας χρήση εξειδικευμένων εργαλείων και κάμερας για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς. Ωστόσο, ο περιορισμένος χώρος λειτουργίας δημιουργεί προκλήσεις, καθώς η ελευθερία κίνησης των χειρουργικών εργαλείων είναι περιορισμένη. Η εργασία αυτή αφορά την ανάπτυξη ενός μηχανισμού που στοχεύει στην ενίσχυση των δυνατοτήτων κίνησης και τοποθέτησης των χειρουργικών εργαλείων, με σκοπό την επιτυχή πρόσβαση σε τοποθεσίες οι οποίες διαφορετικά θα παρέμεναν απρόσιτες με τη χρήση άκαμπτου συμβατικού χειρουργικού εξοπλισμού. Η προτεινόμενη προσέγγιση περιλαμβάνει τον σχεδιασμό ενός πνευματικού επενεργητή κατασκευασμένο από υπερελαστικά υλικά και την ενσωμάτωσή του στην άκρη ενός χειρουργικού λαπαροσκόπιου. Μέσω της συνδυαστικής πνευματικής επενέργειας των θαλάμων του, το χειρουργικό εργαλείο κατορθώνει να επιτύχει κίνηση στο χώρο πολλαπλών βαθμών ελευθερίας και μεταβλητότητα στη ακαμψία του. Αυτός ο νέος σχεδιασμός όχι μόνο αντιμετωπίζει τα περιοριστικά χαρακτηριστικά των άκαμπτων εργαλείων, αλλά εισάγει και νέες δυνατότητες για πιο ακριβείς και ευέλικτες κινήσεις κατά τη διάρκεια των χειρουργικών επεμβάσεων, συμβάλλοντας τελικά στη βελτίωση των χειρουργικών αποτελεσμάτων και στη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής των ελάχιστα επεμβατικών τεχνικών. Ο κύριος στόχος αυτού του πολυ-αρθρωτικού μηχανισμού επικεντρώνεται στην επίτευξη μέγιστης ικανότητας κλίσης χρησιμοποιώντας ελάχιστη ενέργεια παραμόρφωσης, ενώ η ελαστικότητά του μπορεί να ποικίλλει με βάση διάφορες περιοχές επαφής. Για την επίτευξη αυτού, ακολουθείται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης της επιφάνειας απόκρισης, όπου σημαντικοί γεωμετρικοί παράμετροι μοντελοποιούνται χρησιμοποιώντας ανάλυση μεθόδων πεπερασμένων στοιχείων (FEM), όπως η εκτίμηση του αριθμού των θαλάμων και οι κατάλληλες διαστάσεις τους. Στο έργο αυτό παρουσιάζονται επίσης και οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες της δημιουργίας ενός λειτουργικού πρωτότυπου εύκαμπτου επενεργητή, κάνοντας χρήση των βελτιστοποιημένων παραμέτρων και μεθόδων κατασκευής-χύτευσης με σιλικόνη. Τα πρωτότυπα χαρακτηρίζονται μηχανικά για την απόδοση των γωνιών κάμψης τους και της επίδοσης της ελαστικότητας τους μέσω μιας σειράς πειραμάτων. Επιπροσθέτως, γίνεται η ανάπτυξη ενός διακριτού κινηματικού μοντέλου για ρομποτική συνεχούς δομής. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα ευρήματα της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων και του κινηματικού μοντέλου, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια των αναπτυγμένων μοντέλων. Τέλος, υλοποιείται ο σχεδιασμός ενός ηλεκτρο-πνευματικού συστήματος με το οποίο γίνεται επιτρεπτή η εξερεύνηση μεθοδολογιών ελέγχου με ανοιχτό και κλειστό βρόχο.In comparison to traditional open surgery methods, minimally invasive surgery (MIS) techniques have transformed the landscape of surgical procedures, offering distinct advantages for both the patient and the hospital. By avoiding extensive organ/tissue exposure, these methods mitigate overall danger, significantly reducing the risk associated with surgery while concurrently minimizing post-operative recovery time. Laparoscopy, for instance, requires surgeons to operate within the body through a number of small incisions, utilizing specialized tools and a camera for diagnostic and therapeutic purposes. However, the confined operational space poses challenges, limiting the freedom of movement for the surgical tools. This work is dedicated to the development of a mechanism aimed to enhance the motion and positioning capabilities of surgical tools, with the goal of enabling access to locations that would typically remain inaccessible with the use conventional stiff surgical equipment. The proposed approach involves the design of a pneumatically actuated segment made of hyper elastic materials and its incorporation at the distal end of a surgical laparoscope. Through the pneumatic activation of a combination of chambers within the end effector, the surgical tool achieves multi-degree of freedom articulation in space and variability in stiffness. This newly introduced design not only addresses the limitations posed by rigid tools but also opens up new possibilities for precise and flexible manoeuvres during surgical procedures, ultimately contributing to improved surgical outcomes and expanding the scope of minimally invasive techniques. The primary objective of this multi-articulate mechanism is focused on achieving a maximum bending angle capability utilizing minimum strain energy while its stiffness can be varied to accommodate different contact reactions. To achieve this, a response surface optimization methodology is followed where key geometrical parameters are modelled using finite element methods (FEM) analysis, such as the estimation of the number of chambers and their appropriate cross-sectional dimensions. The work also introduces the manufacturing intricacies of developing a functional soft actuator prototype making use of the optimized parameters and silicone molding/casting methods. The prototypes are mechanically characterized for bending angle and stiffness performance in a series of experiments. Additionally, a discrete kinematic model for continuum robots is developed. Results are compared with the FEM findings and the kinematic model validating the accuracy of the developed models. Finally, an electropneumatic system is designed to allow for control open and closed loop methodologies to be explored.elAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United StatesΕύκαμπτη ρομποτικήΧειρουργικά εργαλείαΛαπαροσκόπησηSoft roboticsSurgical toolsLaparoscopyΠτυχιακή Εργασία