Desenvolvimento de uma plataforma de forças para medição e análise dos esforços verticais para modelamento biodinâmico da caminhada humana

Abstract

O corpo humano pode interagir com as estruturas e estas interações são desenvolvidas através da aplicação de forças devido ao seu movimento. Uma estrutura pode sofrer alterações no seu comportamento dinâmico quando sujeita a cargas. Neste trabalho, o projeto e a construção de uma plataforma de forças é apresentado para medir as Forças de Reação do Solo (FRS) e aceleração para análise da marcha humana. A plataforma é constituída por duas placas colocadas lado a lado em relação à direção da caminhada, de modo que o sinal de força de cada pé pode ser adquirido separadamente em cada placa. A plataforma é projetada de forma a ser compatível com as frequências envolvidas nas medições. Cada placa tem três células de carga do tipo anel instrumentadas com strain gauges. A plataforma foi calibrada com um procedimento padrão e com uma nova metodologia utilizando redes neurais artificiais as incertezas dos parâmetros medidos (força e posicionamento x, y) foram avaliados. Um modelo de elementos finitos foi utilizado para avaliar as características dinâmicas da plataforma. Os resultados foram valores de frequência muito próximos aos medidos na análise experimental e confirmaram sua adequação ao uso, pois as frequências foram maiores do que as envolvidas na marcha humana. Características relevantes da FRS, como os picos de apoio de força, impulso e também a força de impacto, podem ser observadas a partir dos dados coletados. Os dados da FRS assim como os dados de aceleração medidos estavam condizentes com os valores apresentados na literatura.

The human body may interact with the structures and these interactions are developed through the application of forces due to its motion. A structure may undergo changes in their dynamic behavior when subjected to loads. In this work, the design of a force platform is presented to measure the Ground Reaction Force (GRF) and acceleration for human gait analysis. The platform consists of two plates placed side by side in relation to the direction of walking, so that the signal from each foot can be acquired in separate in each plate. The platform is designed in order to be compatible with the frequencies involved in the measurements. Each plate has three ring-type load cells instrumented with strain gauges. The platform was calibrated with a standard procedure and with a new methodology using artificial neural networks the uncertainties of the measured parameters (force and position x, y) were evaluated. A finite element model was used to evaluate the dynamic characteristics of the platform. The results were frequencies values very close to those measured in the experimental analysis and confirm its adequacy to the use, because the frequencies were higher than the frequencies involved in the human gait. Relevant characteristics of GRF like the peaks of support force, impulse and the impact force could be observed from the data collected. The data of GRF as well as the measured acceleration data were consistent with values presented in the literature.