Desenvolvimento de uma plataforma de força para análise tridimensional da força aplicada pelo ciclista

Abstract

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma plataforma de força, utilizando cé-lulas de carga, para medir as componentes tridimensionais da força atuante na pedivela duran-te a pedalada. O projeto da célula de carga é baseado em uma pedivela de alumínio comercial na qual foram cimentados 24 extensômetros (12 em cada braço da pedivela) de 350,6 ± 0,6 Ω e de 120,2 ± 0,2 Ω. Primeiramente, foram realizadas simulações estáticas e dinâmicas via elementos finitos no SolidWorksTM 2011 para analisar o comportamento da pedivela. Em se-guida, cada braço da pedivela foi instrumentado com três pontes de Wheatstone. A partir dos dados obtidos com o módulo de aquisição NI-9237 da National Instruments, durante o ensaio de deformação, projetou-se o circuito condicionador de sinais, dividido em seis canais. Cada canal é composto por dois estágios de amplificação, um filtro Butteworth de segunda ordem, cuja frequência de corte é de 37 Hz, e um estágio de offset. Na saída destes canais é conectado um sistema de transmissão de dados via Bluetooth e de armazenamento dos mesmos via car-tão do tipo SD. Os ensaios de calibração estática apresentaram um erro de linearidade máximo de 0,355 % e 0,605 % para as células de carga esquerda e direita, respectivamente. A incerte-za máxima calculada referente à sensibilidade dos canais é de 2,29 % e à sensibilidade das células de carga é de 1,17 %. Por fim, com o sistema instalado na bicicleta e alimentado por baterias, foi possível observar o comportamento das componentes de força em ensaios reali-zados tanto em laboratório como diretamente em pista.

This work consists of the development of a force platform, using load cells, to meas-ure the three-dimensional components of the force acting on the crankset during cycling. The design of the load cell is based on a commercial aluminum cranckset in which were cemented 24 strain gages (12 in each cranskset arm) of 350.6 ± 0.6 Ω and 120.2 ± 0.2 Ω. First, were performed static and dynamic simulations through the finite element method in the Solid-WorksTM 2011 to analyze the crankset behavior. Then, each crankset arm was instrumented with three Wheatstone bridges. From the data obtained with the acquisition module NI-9237, during the deformation tests, the signal conditioning circuit was designed and divided into six channels. Each channel consists of two amplification stages, a second order Butteworth filter, whose cutoff frequency is 37 Hz, and an offset stage. In these channels output is connected a system that transmit the data via Bluetooth and store them via SD card type. The static cali-bration tests showed a maximum linearity error of 0.355 % and 0.605 % for the left and right load cells, respectively. The maximum uncertainty calculated referring to sensitivity of chan-nels is 2.29 % and to sensitivity of load cells is 1.17 %. Finally, with the system installed on the bike and powered by batteries, was possible to observe the behavior of the force compo-nents on assays performed in the laboratory and on-track.