Desenvolvimento de célula de carga instrumentada, com circuito de condicionamento interno, para análise de força aplicada por ciclista

Abstract

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma plataforma de força, utilizando células de carga instrumentadas, com circuito de condicionamento interno, para a medida das componentes de força atuantes no pedivela, durante a pedalada. Para isso, desenvolveu-se uma célula de carga, fabricada em Alumínio 6082 T6, em formato de pedivela. As dimensões do pedivela instrumentado desenvolvido foram determinadas com base nas dimensões de um pedivela comercial da marca FSA e do espaço do compartimento interno necessário para abrigar os extensômetros e circuito de condicionamento. A partir do modelo virtual desenvolvido, executaram-se simulações estáticas e dinâmicas no SolidWorksTM, onde definiu-se os pontos de cimentação de 24 extensômetros (12 para cada pedivela) de 350Ω±0,35%. Em seguida, fabricou-se as células de carga e instrumentou-se cada um dos pedivelas com 3 Pontes de Wheatstone. Posteriormente, aplicou-se carga mecânica em cada um dos eixos de medida, adquirindo-se os valores de deformação através da plataforma de aquisição NI-9237 da National Instruments. Assim determinou-se as funções de transferência de deformação em função da aplicação de carga em cada um dos eixos. O erro de linearidade ficou abaixo de 1,8% para a célula de carga direita e 0,8% para a esquerda. A partir dos valores de deformação máxima, projetou-se o circuito de condicionamento. O circuito de condicionamento é composto por 6 canais, um para cada Ponte de Wheatstone, onde cada canal é composto por quatro estágios de ganho, um filtro passa baixa Butterworth de quarta ordem, com frequência de corte de 37Hz, e um estágio somador de 2,5V. Na saída destes canais é conectado um sistema de aquisição e transmissão sem fio, utilizando um módulo de desenvolvimento ArduImu, com conversor AD de 10 bits, e um módulo de transmissão e recepção XBee. A partir de ensaios de deformação estática determinou-se a função de transferência de tensão elétrica de saída em função do carregamento de cada um dos canais. O erro de linearidade ficou abaixo de 0,6% para todos os canais e a incerteza combinada máxima referente à sensibilidade dos canais foi de 3,22%, para ambos os pedivelas. Por fim, montou-se o sistema na bicicleta e realizou-se ensaios em laboratório, com auxílio de um rolo de treinamento. A partir dos dados coletados, analisou-se as forças aplicadas pelo ciclista durante o ensaio de pedalada realizado em um rolo de treinamento. Através da análise, pôde- se perceber uma assimetria bilateral média de 44,4% para aplicação de força na direção perpendicular. A autonomia aproximada do sistema foi de 4 horas.

This Work consists on a development of a force platform based on instrumented load cells with built-in conditioning circuit and strain gages to measure the components of the forces that are applied to the bike crank arm during pedaling. To accomplish that, a 6082 T6 Aluminum Crank load cell was developed. To determine the dimensions of the experimental crankset, it was used as a parameter the ergonomic dimensions of a Full Speed Ahead crankset and the internal compartment size required to fit the strain gages and the conditioning circuit board. From the virtual model developed, static and dynamic analysis were made using SolidWorks software to determine the best spots to cement 24 strain gages (12 per cell) with a nominal resistance of 350Ω±0,35% each. Then each load cell was manufactured and instrumented with 3 Wheatstone Bridges each. To determine the transfer function of the load cells, mechanic load was applied to it in the direction of each axis while the deformation measure was being acquired with a National Instruments NI-9237 acquisition platform. The static deformation tests showed a linearity error below 1,8% for the right crank arm and below 0,8% for the left. Each channel of the conditioning circuit is composed of four voltage gain stages, a low-pass Butterworth filter, with a cut frequency of 37Hz and an offset stage. The voltage gains of the conditioning circuit were calculated based on the maximum strain values obtained from the static analysis. An ArduImu module, with six 10-bits analog to digital converters, is used to acquire the output signal of the conditioning circuit while an XBee wireless module is used to transmit it. The transfer function of the whole system was determined by performing a static analysis test which showed a linearity error below 0,6% for all six channels. The maximum combined uncertainty regarding sensibility of all channels is 3,22%. Finally, the whole system was assembled on the bicycle and cycling tests were performed while using a roller-training platform. The collected data showed a mean bilateral asymmetry of 44,4% for the perpendicular component force. The system battery life was about 4 hours.