Novel system for bite-force sensing and monitoring based on magnetic eear field communication

Intraoral devices for bite-force sensing have several applications in odontology and maxillofacial surgery, as bite-force measurements provide additional information to help understand the characteristics of bruxism disorders and can also be of help for the evaluation of post-surgical evolution and for comparison of alternative treatments. A new system for measuring human bite forces is proposed in this work. This system has future applications for the monitoring of bruxism events and as a complement for its conventional diagnosis. Bruxism is a pathology consisting of grinding or tight clenching of the upper and lower teeth, which leads to several problems such as lesions to the teeth, headaches, orofacial pain and important disorders of the temporomandibular joint. The prototype uses a magnetic field communication scheme similar to low-frequency radio frequency identification (RFID) technology (NFC). The reader generates a low-frequency magnetic field that is used as the information carrier and powers the sensor. The system is notable because it uses an intra-mouth passive sensor and an external interrogator, which remotely records and processes information regarding a patient?s dental activity. This permits a quantitative assessment of bite-force, without requiring intra-mouth batteries, and can provide supplementary information to polysomnographic recordings, current most adequate early diagnostic method, so as to initiate corrective actions before irreversible dental wear appears. In addition to describing the system?s operational principles and the manufacture of personalized prototypes, this report will also demonstrate the feasibility of the system and results from the first in vitro and in vivo trials.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Metodología para medir beneficios de la ciudad Puerto de Valparaíso Chile, con relación a la actividad marítima portuaria

La presente tesis propone una metodología para medir variables de impacto socio económico en la ciudad Puerto de Valparaíso, como una alternativa que permite evaluar la asignación del uso y explotación del borde costero. La ciudad de Valparaíso se formó al alero de la actividad marítima portuaria, en sus comienzos esta actividad fue el motor de desarrollo económico de la ciudad, sus habitantes mantenían una alta dependencia de ésta actividad, formando una identidad y cultura portuaria. Con la decadencia de la actividad portuaria, producto principalmente a la construcción del canal de Panamá y a la modernización de los buques de transporte aumentando su distancia franqueable1, la ciudad fue dejando su dependencia de esta actividad. Hoy en día casi la totalidad del borde costero de la ciudad está asignado a las actividades portuarias con escasa participación laboral de los habitantes de la ciudad y una alta demanda urbana por el uso del borde costero. Por otra parte, la ciudad ha presentado en la última década altos niveles de cesantía, cuestionándose la verdadera utilidad de mantener un puerto en la ciudad. La investigación de la tesis permitió dimensionar la cantidad de firmas y actividades económicas que se desarrollaban en torno a la actividad marítima portuaria en la ciudad, cuantificando los empleos que éstas otorgaban a la ciudad, los niveles de remuneraciones, los tributos a la municipalidad de la ciudad, el aporte al comercio local, entre otros. Descubriéndose hallazgos que permiten reflexionar sobre la importancia del la actividad en el desarrollo económico actual y futuro de la ciudad. También los antecedentes obtenidos permiten contribuir a la evaluación de proyectos alternativos para el uso y explotación del borde costero. La metodología utilizada también puede ser adaptada para medir los beneficios de otras ciudades puertos en el mundo. Los resultados obtenidos fueron expuestos a las autoridades gubernamentales locales, presentados en seminarios y congresos nacionales e internacionales, como en la prensa local; los más destacados son: la actividad otorga 12.727 empleos directos e indirectos que corresponden al 12% de la fuerza laboral ocupada; la actividad representa el 19% del Producto Interno Bruto de la ciudad; la actividad aporta un 21% al presupuesto municipal por concepto de recaudación de tributos y representan un 11% del presupuesto total asignado al municipio por el Estado de Chile. El sector industrial marítimo-portuario de la ciudad sigue siendo la actividad industrial más relevante en la ciudad y demanda el desarrollo de una planificación estratégica que permita vincular la actividad turística de la ciudad vecina de Viña del Mar con la actividad portuaria de Valparaíso. Para lograr tal objetivo es necesario realizar cambios en los atributos de las operaciones portuarias que permitan ofrecer productos asociados al turismo. This thesis proposes a methodology to measure the socio economic variables in the port city of Valparaiso, as an alternative to evaluate the allocation of the usage and exploitation of the coastline. The city of Valparaiso was formed to advance the port maritime activity and in the beginning this activity was the engine of economic development of the city. Its inhabitants remained highly dependent on it and formed a port identity and culture. With the decline of port activity, mainly due to the construction of the Panama Canal and the modernization of the transport vessels increasing distances, the city lost its dependence on this activity. Today almost all of the coastline of the city is assigned to port activities with very little labor participation of the inhabitants of the city and a high demand for the use of urban waterfront. Moreover, the city has shown high levels of unemployment in the past decade, questioning the true value of maintaining a port in the city. The research of this thesis provides insights into the number of firms and economic activities that were developed around the port maritime activity in the city, quantifying the jobs they gave to the city, the levels of pay, taxes to the municipality of city and the contribution to local commerce, among others. The findings discovered allow reflexions on the importance of the activity in the current and future economic development of the city. The data obtained also allows a contribution of the evaluation of alternative projects for the use and exploitation of the coastline. The methodology can also be adapted to measure the benefits of other port cities in the world. The results were presented to local government authorities, at seminars and national and international conferences, and in the local press. The most important finding are: the activity maritime port activity provides 12,727 direct and indirect jobs that are 12% of the employed labor force; activity represents which is 19% of the GDP of the city, the activity contributes 21% to the municipal budget by way of the collection of taxes and represents 11% of the total budget allocated to the municipality by the Republic of Chile. The industrial maritime port sector of the city remains the most important industrial activity in the city and demands the development of strategic planning to link the tourism in the neighboring city of Viña del Mar and to the Valparaiso port activity. To achieve this goal it is necessary to make changes to the attributes of port operations that allow the offering of products associated with tourism.

Diseño de instrumentos para configurar una política industrial en España basada en los postulados de la economía evolutiva

La evidencia empírica aplicada a países de cierto tamaño y desarrollo económico, muestra que existe una relación directa y positiva entre la intensidad de la industria manufacturera, medida como porcentaje de su PIB, y ciertas variables económicas como, el crecimiento, el desempleo y la balanza exterior de bienes y servicios. En el caso de esta última, se verifica empíricamente, que los países con una proporción de actividad manufacturera inferior al 20%, tienen una marcada tendencia a presentar déficits crónicos de balanza de bienes y servicios, lo que conduce a persistentes déficits por cuenta corriente, al ser el primer déficit el principal componente del segundo. Esto trae consigo un continuado incremento del endeudamiento externo que no cesa, y que terminará en algún momento por desequilibrar el conjunto de la economía de los países con esos déficits crónicos. Las anteriores conclusiones, abren una vía de orientación de la política económica, que tiene como objetivo la promoción de la industria manufacturera de cada país. Y esto es un hecho ya en 2014. Países relevantes, como Alemania o Francia en la UE, incluso los EEUU y últimamente el Reino Unido, y por supuesto países del área asiática como Japón, Corea del Sur y China, llevan años promoviendo su industria manufacturera. Resulta significativo, que el debate ideológico sobre la bondad de la aplicación política industrial por parte de los gobiernos, frente a las teorías liberales de mantener a los poderes públicos lejos de ese tipo de actividades, haya dado paso a un modelo generalizado de corte más bien horizontal, donde los países casi sin excepciones apoyan el desarrollo de sus empresas con numerosos instrumentos, que van bastante más lejos de los habituales de I+D. Se valora por tanto, la industria manufacturera como algo vital para el equilibrio económico. Incluso la UE, defensora durante décadas de la no intervención de los diferentes Estados miembros en actividades de promoción industrial más allá del apoyo a las actividades de I+D, realiza un giro copernicano, que termina en 2012 proclamando que la industria manufacturera es vital para el equilibrio económico de la UE, que hay que promoverla, e incluso marca un objetivo, precisamente del 20%, como contribución manufacturera a su PIB. Es decir, se da por asumido que los servicios no son un sustituto indefinido de la industria y que por tanto tienen un límite, lo que se contrapone frontalmente contra la anterior creencia de que el aumento de la participación de los servicios en la economía, no solo era bueno, sino un síntoma de desarrollo. Esta premisa ya ha dejado de ser cierta para esos y otros países. En cambio, en España nada de esto sucede en las dos últimas décadas, sino que la industria manufacturera no recibe especial atención de los poderes públicos y se desliza en una pendiente de disminución de su contribución al PIB, que incluso se acelera con la crisis económica que comienza en 2007, hasta alcanzar cifras del orden del 12% del PIB en 2013. La política económica que se aplica es la de la deflación de costes, con los efectos consecuentes sobre los salarios y sobre la capacidad de la economía de generar riqueza. Se apuesta por un modelo de mano de obra barata, que recuerda al de los años 60. Como indicador relevante de esta situación, lo que exporta la industria manufacturera española, no ha ganado en contenido tecnológico en los últimos quince años. Esta situación se ve empeorada por un hecho significativo adicional, y es que casi el 40% de las ventas de la industria manufacturera española provienen de empresas de propiedad extranjera, con lo que eso supone por una parte de dependencia tecnológica del exterior como en el caso del automóvil, y de incertidumbre sobre su futuro, al estar basadas en el mantenimiento en el futuro de una mano de obra barata, que frenará que los españoles que trabajan en esas empresas, progresen económicamente. La propuesta de esta Tesis, es en cambio apostar por un modelo de crecimiento para España que tenga como uno de sus pilares el desarrollo de una industria manufacturera sólida y con cada vez mayor contenido tecnológico. Para ello, se propone un Plan de política industrial, donde se incluye la creación de actores impulsores de este plan, que deben ser del máximo nivel político. Si los diferentes gobiernos no entienden y asumen esta necesidad de apoyo a la industria a largo plazo e independiente de los cambios políticos, no será posible llevar a cabo este Plan. Para su puesta en marcha, se propone la creación o refuerzo de numerosos instrumentos de apoyo a la industria manufacturera de carácter fundamentalmente horizontal que van mucho más allá de los habituales del I+D, y que en varios casos, tienen una clara semejanza con otros existentes ya en otros países desarrollados desde hace años. La promoción de la industria manufacturera necesita nuevos instrumentos, como una financiación a largo plazo para las empresas, una promoción ordenada y eficaz de la actividad internacional de las empresas exportadoras, la mayoría de las cuales exportan productos manufacturados, una educación y formación profesional que esté alineada con estos objetivos, unos instrumentos que apoyen en especial el desarrollo la industria manufacturera, o la participación minoritaria pero significativa, del Estado en empresas españolas pertenecientes a sectores estratégicos entre otros. En resumen, esta Tesis propone una alternativa de política económica radicalmente diferente a la de dejar la industria manufacturera española a su suerte, y basar el futuro económico de España en una mano de obra barata. ABSTRACT The empirical evidence, applied to countries of certain size and economic development, shows that there exists a direct and positive relationship between industrial manufacturing activity, measured as a percentage of GDP, and certain economic variables, such as growth, unemployment and the foreign balance of trade. In the case of the latter, it is verified empirically that the countries with a percentage of manufacturing activity below 20% have a marked tendency for chronic deficits of the balance of trade, leading to persistent deficits in the current account, being that the former deficit is the main component of the latter. This brings about a continued increase in foreign debt that does not cease, and that will end at some point by disrupting the economy of the countries with these chronic deficits. The previous conclusions open the way to a new direction for economic policy, which promotes industrial manufacturing in each country. This is already a fact in 2014. Relevant countries, such as Germany or France in the EU, even the US and ultimately the UK, and of course countries of East Asia such as Japan, South Korea and China, have been promoting their industrial manufacturing for years. It becomes significant that the ideological debate about the goodwill of the application of industrial policy by governments, against liberal theories that maintain public powers far from these kinds of activities, has taken a step towards a horizontal-cut generalized model, where countries, with almost no exception, rely on various instruments to develop their companies that go much further than the usual R&D. Industrial manufacture is therefore valued as vital for economic stability. Even the EU, proponent for decades of non-intervention policy that goes beyond R&D, has gone full circle, ending in 2012 by proclaiming that industrial manufacture is vital for the economic stability of the EU, that it must be promoted. They even mark precisely 20% as an objective for manufacturing as a percentage of GDP. In other words, it is a given that services are not an indefinite substitute for industry, and that therefore it has a limit as such. This rejects the notion that the increase in services at the cost of manufacture is not only healthy, but is also a symptom of development. This premise is no longer true for these and other countries. On the other hand, none of this happens in Spain, where industrial manufacture receives no special attention from the public authorities, and it slides on a downward slope of percentage contribution to GDP, which accelerates the economic crisis that begins in 2007, until manufacture reaches values of around 12% of GDP in 2013. The economic policy applied is that of cost deflation, with consequential effects on wages and the capacity of the economy to generate wealth. A model is proposed for cheaper labor, akin to that of the 1960s. As a relevant indicator of this situation, manufacturing exports from Spain have not grown technologically in the last 15 years. The situation is made worse by another significant fact: almost 40% of sales of the manufacturing industry originate from companies of foreign origin, which supposes on one hand a technological dependence on foreign countries, such as in the case of the automotive industry, and on the other hand uncertainty in its future, being that they are based on maintaining cheap labor in the future, which will slow economic progress of Spaniards working in these companies. The proposition of this Thesis is to bet on a growth model for Spain that has as one of its pillars the development of a solid manufacturing industry, with increasing technological content. For this, an industrial policy plan is proposed, which includes the creation of driving agents for this plan, which must be of maximum political level. If the various governments don’t understand and assume this necessity for support of industry in the long term, independent of political change, this plan will not be accomplished. To start it, the creation or reinforcement of numerous instruments to promote the manufacturing activities are proposed, with a fundamentally horizontal nature that goes far beyond the usual R&D, and that, in several cases, have a clear similarity with others existing in other countries, having been developed for years. The promotion of the manufacturing industry needs new instruments, such as the long-term financing of companies, an orderly and efficient promotion of international activity of exporting companies, the most of which export manufactured goods, education and professional training which is in tune with these objectives, some instruments which support in particular the development of the manufacturing industry, or the minor yet significant participation of the State in Spanish companies belonging to strategic sectors, among others. In summary, this Thesis proposes an different alternative to the economic policy of leaving the manufacturing industry of Spain to its chances, and to base the economic future of Spain on a cheaper labor force.