Desenvolvimento de uma plataforma de força baseada em tacos de sapatilhas para ciclismo

Abstract

Nos últimos anos, o ciclismo é cada vez mais apontado como uma das soluções para a resolução dos problemas de transporte existentes nas grandes aglomerações urbanas. Desta forma, é crescente o número de praticantes em todo mundo, com boa parte deles se interessando por questões relacionadas à maximização de sua performance e de seu conforto, buscando longevidade e segurança contra lesões. Logo, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas mais acessíveis que tenham o poder de fornecer as informações acerca da técnica dos usuários deste modal. Este trabalho, portanto, buscou o desenvolvimento de um sistema capaz de mensurar os esforços realizados pelo ciclista durante o movimento de pedalada, revelando parâmetros importantes como potência efetiva e assimetria bilateral. Para tal, dois modelos de células de carga extensométricas substitutas aos tacos utilizados nas sapatilhas foram propostos: o primeiro deles (com 3 graus de liberdade) foi modelado e construído com o intuito de mensurar as forças perpendicular e frontal e o momento frontal exercidos pelo ciclista. Sua calibração revelou um erro de linearidade máximo de 2; 35% e incerteza expandida (k = 2) máxima de 2; 27%. O segundo arranjo (com 6 graus de liberdade) foi modelado e construído com o intuito de mensurar as forças e momentos, caracterizando completamente o movimento de pedalada. Sua calibração revelou um erro de linearidade máximo de 4; 73% e incerteza expandida (k = 2) máxima de 2; 28%. Um conjunto de placas de condicionamento e de aquisição foram projetadas a fim de realizar a transcrição das leituras realizadas por um conversor analógico digital em forças e momentos a partir das funções de transferência experimentais obtidas. A análise estatística revelou que, para as forças efetivas médias, a potência mecânica efetiva média e para a assimetria bilateral média, o modelo de célula de carga é não-significativo mesmo que haja diferenças estruturais e de topologia da organização dos sensores, permitindo a intercambialidade entre as peças. Como resultado, obteve-se um sistema compacto e portátil que não modifica a característica de pedalada do ciclista, permitindo liberdade de movimentos e fácil troca entre bicicletas (desde que o sistema de encaixe seja compatível).

In recent years, cycling has become increasingly pointed out as one of the solutions for solving transport problems in large urban agglomerations. From that, the number of adopters is growing all over the world, with a good part of them becoming interested in issues related to maximizing their performance and/or their comfort, seeking longevity and safety against injuries. Therefore, it becomes necessary to develop accessible tools with the power to provide information about users’ techniques. This work, therefore, sought to develop a system capable of measuring the efforts made by the cyclist during the pedaling movement, revealing important parameters such as effective mechanical power and bilateral asymmetry. In order to achieve this, two models of strain gauge load cells to replace the cleats used in cycling shoes were proposed: the first one (with 3 degrees of freedom) was modeled and built in order to measure the perpendicular and frontal forces and the frontal moment exerted by the cyclist. Its calibration revealed a maximum linearity error of 2:35% and expanded uncertainty (k = 2) of 1:78%. The second arrangement (with 6 degrees of freedom) was modeled and built in order to measure forces and moments, fully characterizing the pedaling movement. Its calibration revealed a maximum linearity error of 4; 73% and maximum expanded uncertainty (k = 2) of 2; 28%. A set of conditioning and acquisition circuit boards was designed in order to transcribe the readings performed by an analog-to-digital converter into forces and moments related by the determined experimental transfer functions. The statistical analysis revealed that, regarding average effective forces, average effective power, and average bilateral asymmetry, the load cell type was not significant even if there are structural and topology differences in the arrangement of the sensors, allowing interchangeability between models. As a result, a compact and portable system was obtained that does not modify the user’s pedaling characteristics, allowing freedom of movement and ease of change between bicycles (provided the docking system is compatible).