This thesis focuses on assistive and rehabilitation technology for restoring the function of the hand. It presents three different approaches to assistive technology: one in the form of an orthosis, one in the form of a brain-computer interface combined with functional electrical stimulation and finally one totally aiming at rehabilitating the nervous system by restoring brain function using the concept of neuroplasticity. The thesis also includes an epidemiological study based on statistics from the Swedish Hospital Discharge Register and a review on different methods for assessment of hand function. A novel invention of an orthosis in form of a light weight glove, the SEM (Soft Extra Muscle) glove, is introduced and described in detail. The SEM glove is constructed for improving the grasping capability of a human independently of the particular task being performed. A key feature is that a controlling and strengthening effect is achieved without the need for an external mechanical structure in the form of an exoskeleton. The glove is activated by input from tactile sensors in its fingertips and palm. The sensors react when the applied force is larger than 0.2 N and feed a microcontroller of DC motors. These pull lines, which are attached to the fingers of the glove and thus work as artificial tendons. A clinical study on the feasibility of the SEM glove to improve hand function on a group of patients with varying degree of disability has been made. Assessments included passive and active range of finger motion, flexor muscle strength according to the Medical Research Council (MRC) 0-5 scale, grip strength using the Grippit hand dynamometer, fine motor skills according to the Nine Hole Peg test and hand function in common activities by use of the Sollerman test. Participants rated the potential benefit on a Visual Analogue Scale. A prototype for a system for combining BCI (Brain-Computer Interface) and FES (Functional Electrical Stimulation) is described. The system is intended to be used during the first period of recovery from a TBI (Traumatic Brain Injury) or stroke that have led to paresis in the hand, before deciding on a permanent system, thus allowing the patients to get a quick start on the motor relearning. The system contains EEG recording electrodes, a control unit and a power unit. Initially the patients will practice controlling the movement of a robotic hand and then move on to controlling pulses being sent to stimulus electrodes placed on the paretic muscle. An innovative electrophysiological device for rehabilitation of brain lesions is presented, consisting of a portable headset with electrodes on both sides adapted on the localization of treatment area. The purpose is to receive the outgoing signal from the healthy side of the brain and transfer that signal to the injured and surrounding area of the remote side, thereby having the potential to facilitate the reactivation of the injured brain tissue. The device consists of a control unit as well as a power unit to activate the circuit electronics for amplifying, filtering, AD-converting, multiplexing and switching the outgoing electric signals to the most optimal ingoing signal for treatment of the injured and surrounding area. / <p>QC 20130403</p>

O seguinte trabalho visa o estudo, desenvolvimento e teste de um controlador de impedância genérico, que seja adequado para controle de exoesqueletos e outros sistemas robóticos, e que permita a utilização de um atuador de liga de memória de forma (SMA), entre outros tipos de atuador. Um segundo objetivo é avaliar a viabilidade da utilização de atuadores de SMA em aplicações de exoesqueletos para humanos, partindo dos resultados obtidos com o controlador e atuador propostos. Para atingir estas metas, foi projetado e construído um protótipo de exoesqueleto de membro inferior com um grau de liberdade, sendo que um atuador baseado em fios de liga de memória de forma foi utilizado. O algoritmo de controle de impedância foi desenvolvido e testes foram realizados primeiro por meio de simulações e posteriormente em ensaios práticos com o protótipo. Os resultados experimentais confirmaram a expectativa indicada pelos resultados numéricos. Embora o controlador de impedância haja funcionado como se pretendia, o atuador deixou a desejar devido, sobretudo, à sua lentidão de resposta. O texto apresenta uma breve revisão teórica sobre controle de impedância, exoesqueletos biomecatrônicos e ligas de memória de forma. Ademais, detalha o modelo matemático do problema e o aparato experimental projetado para realizar os ensaios que serviram de base para a análise do problema. Após apresentação e discussão dos resultados, é feita uma análise da viabilidade de aplicação destes conceitos a exoesqueletos para uso em humanos, concluindo que ainda há desafios tecnológicos importantes a serem vencidos antes da implementação prática de exoesqueletos com atuadores de SMA; contudo, esta implementação não pode ser descartada. Detalhes construtivos e programas desenvolvidos para simulações e controle do protótipo são apresentados nos apêndices. / This work proposes the study, development and test of a generic impedance controller, which must be adequate to control exoskeletons as well as other robotic systems, and must allow the use of a shape memory alloy (SMA) actuator, among others kinds of actuation. A second objective is to evaluate if it is possible to use SMA actuators in exoskeletons for humans, taking into account the results obtained with the proposed controller and actuator. To achieve such goals, a one degree of freedom, lower limb exoskeleton prototype was designed and built, while an actuator based on SMA wires was used. The impedance control algorithm was developed and tests were made, first by means of simulations and later by tests on the prototype. Experimental data confirmed the expected results obtained by simulations. Although the impedance controller has worked as desired, the actuator did not meet the expectations, especially because of its slow response. The text brings a brief theoretical review about impedance control, biomechatronic exoskeletons and shape memory alloys. In addition, it details the mathematical model of the problem and the experimental apparatus, designed to the execution of tests which would serve as a foundation to the problem analysis. After the results are presented and discussed, the viability of use of the proposed concepts to SMA-actuated-exoskeletons is analyzed, concluding that there are still important technological challenges to be overcome before the practical implementation of exoskeletons with SMA actuators; however, this implementation cannot be discarded. Constructive details of the prototype and the programs developed to simulate and control it are presented in the appendixes.

O seguinte trabalho visa o estudo, desenvolvimento e teste de um controlador de impedância genérico, que seja adequado para controle de exoesqueletos e outros sistemas robóticos, e que permita a utilização de um atuador de liga de memória de forma (SMA), entre outros tipos de atuador. Um segundo objetivo é avaliar a viabilidade da utilização de atuadores de SMA em aplicações de exoesqueletos para humanos, partindo dos resultados obtidos com o controlador e atuador propostos. Para atingir estas metas, foi projetado e construído um protótipo de exoesqueleto de membro inferior com um grau de liberdade, sendo que um atuador baseado em fios de liga de memória de forma foi utilizado. O algoritmo de controle de impedância foi desenvolvido e testes foram realizados primeiro por meio de simulações e posteriormente em ensaios práticos com o protótipo. Os resultados experimentais confirmaram a expectativa indicada pelos resultados numéricos. Embora o controlador de impedância haja funcionado como se pretendia, o atuador deixou a desejar devido, sobretudo, à sua lentidão de resposta. O texto apresenta uma breve revisão teórica sobre controle de impedância, exoesqueletos biomecatrônicos e ligas de memória de forma. Ademais, detalha o modelo matemático do problema e o aparato experimental projetado para realizar os ensaios que serviram de base para a análise do problema. Após apresentação e discussão dos resultados, é feita uma análise da viabilidade de aplicação destes conceitos a exoesqueletos para uso em humanos, concluindo que ainda há desafios tecnológicos importantes a serem vencidos antes da implementação prática de exoesqueletos com atuadores de SMA; contudo, esta implementação não pode ser descartada. Detalhes construtivos e programas desenvolvidos para simulações e controle do protótipo são apresentados nos apêndices. / This work proposes the study, development and test of a generic impedance controller, which must be adequate to control exoskeletons as well as other robotic systems, and must allow the use of a shape memory alloy (SMA) actuator, among others kinds of actuation. A second objective is to evaluate if it is possible to use SMA actuators in exoskeletons for humans, taking into account the results obtained with the proposed controller and actuator. To achieve such goals, a one degree of freedom, lower limb exoskeleton prototype was designed and built, while an actuator based on SMA wires was used. The impedance control algorithm was developed and tests were made, first by means of simulations and later by tests on the prototype. Experimental data confirmed the expected results obtained by simulations. Although the impedance controller has worked as desired, the actuator did not meet the expectations, especially because of its slow response. The text brings a brief theoretical review about impedance control, biomechatronic exoskeletons and shape memory alloys. In addition, it details the mathematical model of the problem and the experimental apparatus, designed to the execution of tests which would serve as a foundation to the problem analysis. After the results are presented and discussed, the viability of use of the proposed concepts to SMA-actuated-exoskeletons is analyzed, concluding that there are still important technological challenges to be overcome before the practical implementation of exoskeletons with SMA actuators; however, this implementation cannot be discarded. Constructive details of the prototype and the programs developed to simulate and control it are presented in the appendixes.

L’objectif de cette thèse est de quantifier l’évolution de la surface réactive d’un silicate modèle (orthose) lors de son altération hydrothermale et estimer son impact sur la cinétique réactionnelle. L’étude porte sur : (1) l’influence de la présence de couverture de phases secondaires à même la surface de l’orthose, (2) l’impact de l’anisotropie de la structure cristalline de l’orthose et (3) l’effet de la formation de puits de corrosion en surface. Les résultats expérimentaux et numériques mettent en évidence que la vitesse de dissolution de l’orthose et son évolution au cours du temps dépendent essentiellement de sa morphologie.Certaines faces cristallines se dissolvent 10 fois plus rapidement que d’autres, entraînant une augmentation de la proportion de faces rapides au cours du processus et une élévation, jusqu’à un ordre de grandeur, de la vitesse de dissolution globale de l’orthose. Ces résultats ouvrent d’importantes pistes de réflexion sur la méthode adéquate pour rendre compte des cinétiques des interactions fluide/roche sur le terrain ainsi que sur la signification des lois de vitesse et des mécanismes réactionnels déterminés à partir d’expériences sur poudre. / This thesis aims at quantifying the reactive surface area evolution of dissolving K- feldspar, and evaluating the impact on the dissolution kinetics during its alteration in geothermal context. The study focuses on : (1) the influence of secondary coatings on the orthoclase surface, (2) the impact of the anisotropic crystalline structure of orthoclase and (3) the effect of etch pit formation on the mineral surface. Experimental and numerical results highlight that the orthoclase dissolution rate and its evolution over time mainly depends onits morphology. Some orthoclase faces dissolve 10 times faster than others, resulting in an increase of the surface proportion of rapid vs. slow dissolving faces during the process and the increase of up to an order of magnitude of the overall orthoclase dissolution rate. These results question the significance of rate laws and reaction mechanisms determined from powder experiments and the pave to new approaches for investigating mineral reactivity.

A subluxação do ombro é a complicação musculoesquelética mais comum das afecções do Sistema Nervoso Central e Periférico, que leva a diminuição do movimento, da função e aumento de dor. Um dos recursos auxiliares utilizados é a órtese que visa corrigir a deformidade, diminuir a dor e proporcionar a função. Este trabalho objetiva projetar e desenvolver o conceito de uma órtese personalizada estabilizadora de ombro. A metodologia de desenvolvimento de projeto de produto esta dividida em três fases: informacional, conceitual e projeto preliminar. Na fase informacional foi realizada pesquisa bibliográfica, de patentes e de mercado e foram entrevistados 30 prováveis usuários; coletados os dados antropométricos, força muscular manual e goniometria. Na fase conceitual, baseado na fase informacional e a partir da Metodologia TRIZ (Teoria da Resolução de Problemas Inventivos) foi proposto um desenho original de órtese híbrida, personalizada e manufaturada em tridimensional, usando estruturas rígidas e faixas de tração, que estabilizem o ombro, diminua a dor e permita a função. A fase do projeto preliminar foi composta por escaneamento tridimensional e uso de softwares que transformam uma imagem digitalizada em formato STL®. Foram realizadas sucessivas evoluções do projeto com geração de desenhos e peças prototipadas que foi avaliada por um usuário. Na fase informacional, a pesquisa de patentes e de mercado mostrou que há uma predominância dos modelos de órtese estabilizadora de ombro com material flexível onde o principal meio de tração é dado por faixas na diagonal e transversal ao tronco, tendendo a posicionar o ombro em rotação interna. Enquanto os usuários relataram expectativa de uma órtese que corrija o posicionamento, tenha melhor conforto térmico e tátil, menos cheiro e de fácil limpeza. O conceito desenvolvido foi: órtese personalizada, fácil de higienizar e de por/tirar, resistente, articulada, leve, em plástico ABS (acrilonitrila, butadieno e estireno) impressão tridimensional, com veste nos dois braços, com faixas de tração rígidas fixadas à cintura, visando à correção da subluxação do ombro com conforto, menor dor além de permitir função. O teste com usuário corroborou com o conceito, pois o protótipo preliminar apresentou bom acoplamento ao tronco, tração satisfatória e possibilidade de realizar um maior número de atividades diárias com menos dor e sensação de cansaço. / The shoulder subluxation is the most common musculoskeletal complication of Central and Peripheral Nervous System disorders, which leads to a decrease in movement, function and increase in pain. One of the resources used to help with this issue is the orthosis that aims to correct the deformity, decrease the pain and provide function. This work aims to design and develop the concept of a personalized shoulder stabilizing orthosis. The methodology used on the product design is divided into three phases: informational, conceptual and preliminary design. In the informational phase, bibliographic, patent and market research were carried out and 30 potential users were interviewed; anthropometric data, manual muscle strength and goniometry were collected. In the conceptual phase, based on the informational data and using TRIZ Methodology (Theory of Inventive Problem Solving), an original concept design of a hybrid orthosis, personalized and manufactured three-dimensional, using rigid structures and traction bands, was proposed to stabilize the shoulder, reduce pain and allow function. The preliminary design phase consisted of tridimensional scanning and the use of software that transformed a scanned image into STL®. Successive evaluations of the project were carried out with generation of designs and prototyped parts - which the user has evaluated. During the informational phase, the patent and market research demonstrated a predominance of the stabilizing orthosis models using flexible material where the main form of traction was given by diagonal and transverse bands to the trunk, tending to position the shoulder in internal rotation. Users have reported the expectation that this orthosis could correct the shoulder positioning and that it has a better thermal and tactile comfort, less smell and easier to clean. The concept developed was: a personalized orthosis, easy to sanitize and to put on/take off, resistant, articulated, lightweight, in ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), three-dimensional printing, with a vest in both arms, rigid traction bands fixed to the waist, aiming to correct the shoulder subluxation with comfort, less pain while allowing function. The user test corroborated with the concept, as the preliminary prototype presented good trunk coupling, satisfactory traction and the possibility to perform a greater number of daily activities with less pain and less fatigue caused by limb weight.

A subluxação do ombro é a complicação musculoesquelética mais comum das afecções do Sistema Nervoso Central e Periférico, que leva a diminuição do movimento, da função e aumento de dor. Um dos recursos auxiliares utilizados é a órtese que visa corrigir a deformidade, diminuir a dor e proporcionar a função. Este trabalho objetiva projetar e desenvolver o conceito de uma órtese personalizada estabilizadora de ombro. A metodologia de desenvolvimento de projeto de produto esta dividida em três fases: informacional, conceitual e projeto preliminar. Na fase informacional foi realizada pesquisa bibliográfica, de patentes e de mercado e foram entrevistados 30 prováveis usuários; coletados os dados antropométricos, força muscular manual e goniometria. Na fase conceitual, baseado na fase informacional e a partir da Metodologia TRIZ (Teoria da Resolução de Problemas Inventivos) foi proposto um desenho original de órtese híbrida, personalizada e manufaturada em tridimensional, usando estruturas rígidas e faixas de tração, que estabilizem o ombro, diminua a dor e permita a função. A fase do projeto preliminar foi composta por escaneamento tridimensional e uso de softwares que transformam uma imagem digitalizada em formato STL®. Foram realizadas sucessivas evoluções do projeto com geração de desenhos e peças prototipadas que foi avaliada por um usuário. Na fase informacional, a pesquisa de patentes e de mercado mostrou que há uma predominância dos modelos de órtese estabilizadora de ombro com material flexível onde o principal meio de tração é dado por faixas na diagonal e transversal ao tronco, tendendo a posicionar o ombro em rotação interna. Enquanto os usuários relataram expectativa de uma órtese que corrija o posicionamento, tenha melhor conforto térmico e tátil, menos cheiro e de fácil limpeza. O conceito desenvolvido foi: órtese personalizada, fácil de higienizar e de por/tirar, resistente, articulada, leve, em plástico ABS (acrilonitrila, butadieno e estireno) impressão tridimensional, com veste nos dois braços, com faixas de tração rígidas fixadas à cintura, visando à correção da subluxação do ombro com conforto, menor dor além de permitir função. O teste com usuário corroborou com o conceito, pois o protótipo preliminar apresentou bom acoplamento ao tronco, tração satisfatória e possibilidade de realizar um maior número de atividades diárias com menos dor e sensação de cansaço. / The shoulder subluxation is the most common musculoskeletal complication of Central and Peripheral Nervous System disorders, which leads to a decrease in movement, function and increase in pain. One of the resources used to help with this issue is the orthosis that aims to correct the deformity, decrease the pain and provide function. This work aims to design and develop the concept of a personalized shoulder stabilizing orthosis. The methodology used on the product design is divided into three phases: informational, conceptual and preliminary design. In the informational phase, bibliographic, patent and market research were carried out and 30 potential users were interviewed; anthropometric data, manual muscle strength and goniometry were collected. In the conceptual phase, based on the informational data and using TRIZ Methodology (Theory of Inventive Problem Solving), an original concept design of a hybrid orthosis, personalized and manufactured three-dimensional, using rigid structures and traction bands, was proposed to stabilize the shoulder, reduce pain and allow function. The preliminary design phase consisted of tridimensional scanning and the use of software that transformed a scanned image into STL®. Successive evaluations of the project were carried out with generation of designs and prototyped parts - which the user has evaluated. During the informational phase, the patent and market research demonstrated a predominance of the stabilizing orthosis models using flexible material where the main form of traction was given by diagonal and transverse bands to the trunk, tending to position the shoulder in internal rotation. Users have reported the expectation that this orthosis could correct the shoulder positioning and that it has a better thermal and tactile comfort, less smell and easier to clean. The concept developed was: a personalized orthosis, easy to sanitize and to put on/take off, resistant, articulated, lightweight, in ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), three-dimensional printing, with a vest in both arms, rigid traction bands fixed to the waist, aiming to correct the shoulder subluxation with comfort, less pain while allowing function. The user test corroborated with the concept, as the preliminary prototype presented good trunk coupling, satisfactory traction and the possibility to perform a greater number of daily activities with less pain and less fatigue caused by limb weight.