Desenvolvimento de um protótipo de plataforma de força móvel de pequeno porte com sistema datalogger

Abstract

Este trabalho consiste no projeto e desenvolvimento de uma plataforma de força móvel com quatro células de carga engastada em sapato masculino para medir a força de reação do solo durante a marcha humana com aquisição de dados via microcontrolador e armazenamento dos mesmos via cartão do tipo SD. O projeto da célula de carga é baseado em uma estrutura de viga duplamente engastada para suportar até 100kg. Para o projeto e desenvolvimento da plataforma foi utilizada uma configuração de ponte de Wheatstone para célula de carga com dois extensômetros, um ativo e outro passivo, de (350 ± 0,5)Ω. Projetou-se um condicionador de sinais composto por um amplificador diferencial de ganho 671,7 V/V e por um filtro Butterworth de quarta ordem de frequência com corte em 5Hz e um ganho de 10 V/V. A incerteza referente ao ganho calculado é de 8% e da sensibilidade das células é de 1,25%. Primeiramente, realizou-se simulações estáticas e dinâmicas das células de carga via software SolidWorks 2011. Depois destas simulações as mesmas foram usinadas e sensorizadas com extensômetros. Com as células prontas, realizaram-se ensaios de calibração estática e dinâmica com aquisição de dados via software LabVIEW 2011 e os módulos NI-9205 e NI-9234, além de um ensaio de deformação com aquisição via módulo NI-9237, todos da empresa National Instruments. Por fim verificou-se o desempenho da plataforma de força com ensaios de marcha humana, com um indivíduo que pesa aproximadamente 73kg. Como resultado das simulações estáticas verificou-se que as células de carga suportam uma carga de até 360kgF no domínio elástico. A deformação para uma carga de 80kg, na área onde os extensômetros foram colados, apresentou um resultado simulado de 297 um/m, muito próximo do encontrado experimentalmente, que foi de 311 um/m. Os ensaios de calibração estática apresentaram um erro de linearidade abaixo dos 7% para todas as oito células de carga. Por fim, os ensaios de marcha humana apresentaram as típicas curvas do tipo “M” referenciadas na literatura.

This work consists of the design and development of a mobile force platform with four load cells imbedded in men's shoe to measure the ground reaction forces during human gait with DAQ microcontroller and store them via SD card type. The design of the load cell is based on a doubly clamped beam structure to support up to 100kg. For the design and development of the platform it was used a Wheatstone bridge configuration for load cell with two Strain-Gages, one active and one passive, of (350 ± 0,5)Ω. The designed signal conditioner comprising a differential amplifier gain 671.7 V/V and a fourth order Butterworth filter with cutoff frequency at 5 Hz and a gain of 10 V/V. The uncertainty calculated referring to gain is 8 % and to sensitivity of cells is 1.25%. Initialy, were performed static and dynamic simulations of the load cells via SolidWorks 2011. After these simulations, the load cells were built and sensorised with Strain-Gages. With the load cells ready, were performed static and dynamic calibration tests with data acquisition modules NI-9205 and NI-9237, and a deformation test with the acquisition module NI-9237, all these modules are from National Instruments company. Finally, it was verified the performance of the force platform with human gait tests with an individual who weighs about 73kg. As a result of simulations it was found that static load cells to support a load, in the elastic region, of 360kgF. The deformation at a load of 80kg, in the area where the strain gages were glued presented a simulated result of 297μm/m, very close to found experimentally of 311 μm/m. The static calibration tests showed a linearity error below 7 % for all eight load cells. Finally, tests on human gait presented the typical curves " M " type, referenced in the literature.