Desenvolvimento de uma plataforma de força piezoelétrica unidimensional para análise da força de reação do pedal de uma bicicleta

Abstract

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma plataforma de força unidimensional para análise da força de pedalada com a utilização de filmes piezoelétricos de modelo LDT0- 028K (Measurement Specialties). Desta maneira, foi projetada via software SolidWORKSTM 2016 uma palmilha impressa em 3D para que a cimentação dos sensores fosse feita sem acarretar mudança na característica de pedalada. O posicionamento dos sensores buscou cobrir o máximo possível do ponto de contato entre sapatilha e pedal. O condicionamento foi feito com a utilização de um amplificador de instrumentação (responsável por aplicar ganho e eliminar o ruído de modo comum do sistema), um amplificador de carga (responsável por condicionar a resposta dinâmica do sinal, tornando-a aplicável a fenômenos quasi-estáticos) e um filtro passa-baixas com frequência de corte calculada em 20Hz. A calibração dinâmica do sistema foi feita com a aplicação de impulsos mecânicos à superfície dos sensores com a utilização de um martelo de impacto Brüel&KjærTM 8206, com aquisição dos sinais feita por meio de um chassi NI SCXI-1600. Desta forma, pôde-se definir as funções de transferência experimentais para cada um dos 20 canais do sistema O erro de linearidade máximo foi de 5,98% para o canal #4 da palmilha direita e de 5,81% para o canal #7 da palmilha esquerda. Os dados provenientes dos ensaios utilizando a bicicleta foram adquiridos com uma placa NI USB-6289. Na análise dos dados coletados, foi possível definir as fases da pedalada mediante a observação da soma de todos os canais para cada palmilha. A força total máxima aplicada na palmilha direita foi de 196,93N e a força total máxima aplicada na palmilha esquerda foi de 215,91N durante o ensaio #1. Considerando a análise individual dos canais para cada palmilha, pode-se inferir que é possível mapear as zonas de maior e de menor ativação durante o movimento de pedalada, sendo os sensores #9 da palmilha direita e #9 da palmilha esquerda os filmes com maior ativação e os sensores #6 da palmilha direita e #6 da palmilha esquerda os filmes com menor ativação para o indivíduo #1 durante o ensaio #1.

The present work consists of the development of a one-dimensional force platform for the pedaling force’s analysis using piezoelectric films of model LDT0-028K (Measurement Specialties). Therefore, a 3D-printed insole was designed via SolidWORKSTM 2016 so that the piezoelectric sensors could be cemented without changing the pedaling characteristic. The sensor’s positioning sought to cover the maximum point of contact between the shoe and the pedal. The conditioning for each cannel was done using an instrumentation amplifier, a charge amplifier and an anti-aliasing filter with cutoff frequency of 20Hz. The system’s dynamic calibration was done with the application of mechanical impulses to the sensor’s surface using an impact hammer 8206 by Brüel&Kjær, beeing the output signal acquired by a chassis NI SCXI-1600. As a result, the experimental transfer functions could be defined for each one of the 20 channels of the system. The maximum linearity error was 5,98% for the channel #4 of the right insole and 5,81% for the channel #7 of the left insole. The data coming from the trials with a bicycle were acquired by a NI USB-6289 board. In the colected data’s analysis, it was possible to define the pedaling phases by observing the sum of all channels for each insole. The maximum force applied on the right insole was 177,6N and the maximum force applied on the left insole was 211,3N during the trial #1. Considering the individual analysis of the channels for each insole, it can be inferred that it’s possible to map the zones of greatest and of least activation during the movement, being the sensors #9 of the right insole and #9 of the left insole the ones with greatest activation and the sensors #6 of the right insole and #6 of the left insole the ones with least activation for the individual #1 during the trial #1.