DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DA VARIAÇÃO
ANGULAR DO PEDAL E PÉ-DE-VELA.
Iuri Schroeder
1,2, Flávia Porto
1, Jonas Gurgel
1,2, Thaís Russomano
1, Luciano Castro
2, Leonardo
Piccoli
1, Felipe Falcão
1, Fabiano Gonçalves
1,2.
1
Núcleo de Pesquisa em Biomecânica Aeroespacial/ Laboratório de Microgravidade/ IPCT/
PUCRS;
2Laboratório de Pesquisa em Atividade Física/ FEFID / PUCRS.
Abstract: One of the bigest's problems related in scientific literature in cycling applied biomechanics, it says respect to the instrumentation of the bicycle and cicloergormeter in order to be possible the mensuração of the anglesof the foot-of-candle and the pedal. The systems based on encoders present a higher cost, in relation to the potentiometers. One of the problems related in literature with relation to the use of potentiometers says respect to the dead spot, which can represent until 20° . In this direction, the objective of the considered system is to present a satisfactory resolution, with an accessible cost, what not only makes possible the analysis of the motor gesture of the pedalling in laboratorial environment, but, also, in real situations. The behavior of the angular variation of the crank arm in time if gave in sufficiently linear way, presenting a superior resolution that many systems in Literature. Developed software if showed efficient in data analisys.
Key-words: Bicycle instrumentation, Cycling Kinematics, angle measuring pedal and crank arm.
Introdução
Uma das maiores problemáticas relatadas na literatura científica relacionada a biomecânica aplicada ao ciclismo, diz respeito à instrumentação da bicicleta e cicloergômetro de modo a ser possível a mensuração dos ângulos do pé-de-vela e do pedal [1]. Muitas das soluções propostas presentes nos estudos insvestigados, utilizaram sistemas baseados em potenciômetros rotacionais ou em “encoders”. Os sistemas baseados em “encoders” apresentam um custo mais elevado, em relação aos potenciômetros. Um dos problemas relatados na literatura com relação ao uso de potenciômetros diz respeito ao ponto morto, o qual pode representar até 20° [2, 3]. Os sistemas que utilizam a técnica da cinemetria baseada em vídeo apresentam um custo bastante elevado e uma limitação no que tange à freqüência de aquisição de dados [4], além de apresentar claras limitações em aplicações “in situ”, sendo utilizados, principalmente, em ambientes laboratoriais com simuladores de ciclismo e cicloergômetros [5].
Câmeras de vídeo com uma freqüência de captura igual a 60Hz utilizadas em um experimento no qual o ciclista estaria pedalando a uma freqüência de 100rpm, por exemplo, possibilitam uma resolução de 10°/s, o que
comparando a outros sistemas como o desenvolvido por [3] representa uma resolução muito menor. Isto pode ser considerado fator limitador da análise do gesto motor da pedalada. Neste sentido, o objetivo do sistema proposto é o de apresentar uma resolução satisfatória, a um custo acessível e que possibilite a análise do gesto motor da pedalada não somente em ambiente laboratorial, mas, também, em situações reais.
Materiais e Métodos
Foram utilizados dois potenciômetros estéreis de 10kΩ; um, para a mensuração da variação angular do pé-de-vela e outro, para a variação angular do pedal. O primeiro foi afixado no quadro da bicicleta, através de uma placa de material plástico de alta durabilidade, afixada nos furos padronizados do quadro. Isto possibilitará uma fiel adaptação deste sistema em qualquer bicicleta comercial. Ainda, foi colocada uma engrenagem com 71mm de diâmetro centralizada no eixo do pé-de-vela. Outra engrenagem foi acoplada ao eixo do potenciômetro - esta com 32,7mm - o que possibilitou uma relação de redução de, aproximadamente, 2,17, aumentando, ainda mais, a resolução do sistema.
Para o sistema de verificação do ângulo do pedal foi utilizado uma polia de poliacetal com um sulco circundante, apresentando 11,8mm de diâmetro, preso a uma correia ligando diretamente o eixo do pedal. O potenciômetro estéril foi afixado em uma estrutura de aço que foi aparafusada abaixo da estrutura do pedal. A vista explodida de todo o sistema pode ser observada na Figura 1 enquanto o sistema montado no pedal pode ser observado na Figura 2.
Figura 1: Vista Explodida do Sistema de Engrenagens do Pé-de-vela; Estrutura e Sistema de Polia do Pedal.
Figura 2: Sistema de Verificação do Ângulo do Pedal Acoplado à Estrutura do Protótipo 2.
O eixo do pedal possui um diâmetro de 13,2mm, o que comparando com o tamanho do disco plástico utilizado, apresenta uma redução de 0,89, o que na verdade, representa uma redução da resolução do sistema.
Os potenciômetros estéreis utilizados foram colocados de maneira que cada anel de resistência interno ficasse com uma defassagem de 180°, um em relação ao outro. Essa simples adaptação permitiu que o ponto-morto de uma parte do potenciômetro estéril jamais coincidisse com a da outra. Isso possibilitou o desenvolvimneto de um software que utilizasse somente a parte linear de cada potenciômetro para montar um instrumento capaz de medir toda a variação angular sem o problema do ponto morto. Os dados foram coletados utilizando o software WindataQ® e um conversor A/D DataQ®, modelo 194-DI, de 10 Bits de resolução e com uma freqüência de amostragem de 240Hz.
Como pode ser observado no gráfico 1, a extremidade da curva do sinal dos canais 3 e 4, apresentam, tanto na extremidade superior quanto na inferior, um comportamento não linear. Logo, para eliminar essa parte, antes dos dados do potenciômetro estéril serem montados em um único gráfico de comportamento angular linear, foram eliminadas essas zonas não lineares. O nível de corte foi determinado pelo software, desenvolvido em linguagem C. Este pode ser descrito pela equação 1.
8
min)
(max
max
−
−
=
nível
Equação 1: Fórmula para Determinação do Valor de Corte dos Canais do Potenciômetro Estéril.
Na qual, nível é o valor de gatilho, max é o valor máximo da curva e min é o menor valor da curva.
O valor de gatilho escolhido foi determinado a partir do estudo do comportamento da curva em diferentes
Cada vez que o valor do potenciômetro ultrapassa o valor de gatilho, este habilita o marcador (“flag”) de forma que, quando este passar, novamente, de forma decrescente, será ignorado. O programa, então, habilitará o outro canal do potenciômetro estéril e passará a utilizá-lo até que este ultrapasse o valor de gatilho.
Após este procedimento, o software soma os dois canais do potenciômetro estéril, já devidamente filtrados, e multiplica pelo valor de redução, montando a variação angular do pé-de-vela e zerando a contagem toda vez que este valor chega a 360°. O software, ainda, permite que se atribuam os valores do ponto zero para cada um dos canais dos potenciômetros estéreis, eliminado possíveis erros devido a variações nas tensões da fonte de alimentação.
Com relação ao tratamento dos ângulos, o procedimento de coleta e processamento de dados pode ser observado no organograma 1.
Organograma 1: Tratamento dos Ângulos, Procedimento de Coleta e Processamento de Dados do Pedal.
Ainda em relação ao sistema de processamento de dados foi utilizado dois sistemas DataQ® DI-194 com 10 bits de resolução e uma taxa de aquisição de 240Hz. Foi utilizado uma placa CIO-DAS08, com 12 bits de resolução e a 1000Hz, para a aquisição dos canais de forças e momentos do pedal. No primeiro sistema DataQ foram adiquiridos os seguintes sinais:
¾ Canal 1: Sincronismo dos dados ¾ Canal 2:Eletrogoniômetro joelho ¾ Canal 3: potenciômetro 1 pé-de-vela ¾ Canal 4: potenciômetro 2 pé-de-vela No segundo sistema DataQ 2 foram coletados os seguintes canais:
¾ Canal 1: Sincronismo dos dados ¾ Canal 2: Eletrogôniometro do joelho ¾ Canal 3: Potênciometro 1 pedal ¾ Canal 4: Potênciometro 2 pedal
desenvolvidos apresentam uma grande linearidede (r2=1) optou-se por calibrá-los, baseados em apenas dois
pontos. Os dados de calibração foram aferidos no início e final do teste para garantir que os valores não variam de maneira significativa.
Os dados referentes às forças e momentos foram coletados em dois instantes, antes do indivíduo poscionar-se no equipamento, para o cálculo do zero, e após o término do experimento para que houvesse uma maior garantia das medições. Os valores de zero foram verificados e subtraídos dos sinais coletados. Os dados foam processados utilizando um filtro média móvel ponderada com frêqüência de corte igual a 10Hz. Após o processamento os dados foram processados no software desenvolvido especialmente para esssa finalidade, com o intuito de agilizar o processamento dos dados. Esse sistema é apresentado em detelhes no capítulo. Os dados de forças e momentos foram coletados utilizando o software SAD2 desenvolvido pela UFRGS.
Após esses procedimentos, o software desenvolvido foi utilizado para a realização do sincronismo dos arquivos, interpolação entre os dados coletados com os sitemas DataQ e o SAD, além do cálculo dos ângulos e da multiplicação pela matriz de sensibilidade, esta a matriz inversa da matriz de calibração, calculada pelo procedimento de calibração estático. Os valores diferentes de zero são devidos a força peso do indivívuo sobre o pedal.
Resultados
O arquivo obtido pelo sistema de aquisição dataq1 pode ser visualizado no gráfico 1.
Gráfico 1: Arquivo obtido no DataQ na aquisição do sinal (1).
O arquivo obtido pelo sistema de aquisição dataq2 pode ser visualizado no gráfico 2.
Gráfico 2: Arquivo obtido no DataQ na aquisição do sinal (2).
Os dados de força obstidos pelo sistema de aquisição CIODAS-08 podem ser observados no gráfico 3.
Gráfico 3: Dados de Forças e Momentos.
Os dados processados da variação angular do pé-de-vela no tempo podem ser observados no gráfico 4.
Ângulo Pé-de-vela X Tempo
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 12 14 Tempo (s) Ân gu lo do Pé -de -v ela (g ra us ) ângulo pé-de-vela
Gráfico 4: Dados Processados Pé-de-vela X tempo.
Os dados processados da variação angular do pedal no tempo podem ser observados no gráfico 5.
Ângulo Pedal X Tempo -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 2 4 6 8 10 12 14 Tempo (s) Â n gu lo P e da l ( G ra u s) Ângulo Pedal
Gráfico 5: Dados Processados pedal X tempo.
Os dados processados da variação angular do pedal no tempo podem ser observados no gráfico 6.
Ângulo relativo pedal X Pé-de-vela
-40 -20 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Ângulo do Pé-de-vela (graus)
Ân gu lo Re la ti vo Pe d al (gr a us )
Ângulo relativo pedal
Gráfico 6: Dados do ângulo relativo do pedal X pé-de-vela.
Discussão
Considerando-se as limitações no diâmetro máximo a ser utilizado nesse caso, não foi possível a construção de um sistema que, pelo menos, apresentasse uma relação de 1:1. Porém, dada as características do sistema, a resolução do mesmo continua sendo satisfatória e permite que os objetivos propostos sejam atingidos [1].
O comportamento da variação angular do pé-de-vela no tempo se deu de maneira bastante linear, apresentando uma resolução superior que muitos sistemas na Literatura [5, 6, 7]. O software desenvolvido se mostrou eficiente no tatamento dos dados, exigindo poucos recursos de hardware, e um tempo de processamento relativamente baixo, o que representa uma maior aplicabilidade, tendo em vista a menor demanda por computadores de custo elevado. O método utilizado, apresentou um custo extremamente reduzido, o que pode ser considerado como uma vantem significativa a sua implementação. Outro aspecto a ser considerado diz respeito a possibilidade da aplicação de tal sistema a situação fora de ambiente de laboratórios, o que pode vir a representar uma vantegem significativa
A variação relativa do ângulo do pedal apresentou um comportamento similar ao apresentado na literatura científica da área, o que já era um resultado esperado.
Conclusão
Os sistemas de polia, correia e de engrenagens se mostram eficientes e aparentemente não apresentaram folgas, sendo um sistema de fácil adaptação em qualquer bicicleta, não requerendo alterações estruturais significativas, o que pode ser considerado como uma vantegem significativa.
Os sistemas de medições angulares, bem como o software de processamento, se mostraram altamente eficientes. Melhorias em relação ao sincronismo dos canais, bem como, em relação ao uso de microprocessadores irão facilitar esse processo. O sistema de medição angular tanto do pé-de-vela quanto do pedal apresentaram um custo reduzido e uma resolução maior do que outros sistemas apresentados na literatura científica, solucionando o problema do ponto morto dos potênciometros de maneira satisfatória.
Os eletrogoniômetros se mostraram adequados, representando um avanço significativo aos métodos de cinemetria baseados em vídeo, o que além de representar uma redução de custo significativo, também significou a possibilidade futura de utilização de tal sistema fora do ambiente de laboratório. Os eletrogôniometros desenvolvidos apresentaram resultados equiparáveis aos sistemas comerciais, porém a um custo muito mais reduzido.
Referências
[1] GURGEL JL. Construção, instrumentação e análise biomecânica de um pedal sensor de forças e momentos. [Dissertação de mestrado]. Porto Alegre: PUCRS; 2005. [2] HULL ML, DAVIS RR. "Measurement of pedal loading in bicycling: I. Instrumentation." J Biomech 1981; 14(12):843-56.
[3] BOYD T, HULL ML, WOOTTEN D. "An improved accuracy six-load component pedal dynamometer for cycling.", J Biomech. 29 (8):1105-10, 1996.
[4] ROBERTSON DGE. Research methods in biomechanics. Champaign, Ill.: Human Kinetics; 2004. [5] HULL ML, JORGE M. "A method for biomechanical analysis of bicycle pedalling.", J Biomech. 18(9):631-44, 1985.
[6] NETO CD, SCHMIDT G, CANDOTTI C, LOSS JF, ZARO MA, CERVIERI A, et al. "Desenvolvimento de uma plataforma de Força em Pedal de Ciclismo."
[7] ROWE T, HULL ML, WANG EL. "A pedal dynamometer for off-road bicycling." J Biomech Eng 120(1):160-4, 1998.
e-mail dos autores:
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