ELETROGONIÔMETRO OPTO-ELETRÔNICO PARA APLICAÇÃO NO CICLISMO

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1 ELETROGONIÔMETRO OPTO-ELETRÔNICO PARA APLICAÇÃO NO CICLISMO Bruno M. D Abadia 1, Paulo H. Rezende 1, Marcelino M. de Andrade 1, Francisco Assis de O. Nascimento 1, Icaro dos Santos 1, Adson F. da Rocha 1 e Jake C. do Carmo 2 1 Grupo de Processamento Digital de Sinais Dep. de Engenharia Elétrica Universidade de Brasília UnB Brasília. 2 Laboratório de Biomecânica Faculdade de Educação Fisica-Universidade de Brasília UnB Brasília. Resumo: Este trabalho apresenta o projeto de um eletrogoniômetro para as medidas dos ângulos entre pedal e o pé-devela e entre o pé-de-vela e o quadro da bicicleta durante a atividade do ciclismo. O eletrogoniômetro proposto é integrado na instrumentação e é baseado em sensores opto-eletrônicos que podem ser adaptados a uma bicicleta genérica ou a um cicloergômetro. O protótipo concebido apresenta simplicidade tecnológica, baixo custo, boa acerácea nas medidas de posição angular, flexibilidade quanto à precisão desejada, facilidade de adaptação à bicicleta ou a cicloergômetro e não interfere na atividade de pedalar. Os resultados obtidos experimentalmente demonstraram um bom desempenho nas medidas da posição angular do plano do pedal e do pé-de-vela durante um ciclo de pedalada. Palavras Chave: instrumentação baseada em computador, ciclismo, eletrogoniômetro, sensor opto-eletrônico. Abstract: This work presents an eletrogoniometer for measuring the angles of the pedal and of the crank arm set during cycling activities. The proposed eletrogoniometer is integrated in the instrumentation and it is based on optoelectronics sensors adapted to a generic bicycle or to cycle ergometer. The prototype developed leads to a simplified technology, low cost, good accuracy in the angular positions measurements, flexibility to implement the desired precision, it is easy to install and it don t interfere in the cycling activity. The experimental results have shown a good performance of the device for measurements of the angular position between the pedal and the crank arm set during pedaling cycle. Keywords: computer-based instrumentation, cycling, eletrogoniometer, optoelectronic sensor. INTRODUÇÃO O goniômetro é um dispositivo utilizado para medir deslocamento angular. O seu princípio de funcionamento baseia-se na utilização de algum tipo de sensor capaz de identificar o movimento de rotação de um ponto pré-determinado em relação a um ponto de referência, ambos pertencentes à mesma, ou a diferentes circunferências que compartilham a mesma origem (ponto central). O eletrogoniômetro é um goniômetro capaz de transformar o deslocamento angular em sinal elétrico (corrente e/ou tensão) cujos parâmetros medidos estão bastante relacionados linearmente à amplitude do movimento, a ponto de permitir a conversão de ângulos em graus ou em radianos em grandezas elétricas, como correntes ou tensões. Neste trabalho é proposta uma evolução tecnológica a partir do protótipo baseado em sensores de proximidade indutivo e magnéticoresistivo apresentado em [6]. A nova tecnologia utiliza um sistema opto-eletrônico de baixo custo para serem integrados à instrumentação desenvolvida para o ciclismo. O sistema de eletrogoniômetro para ciclismo deve mensurar o deslocamento angular do pé-de-vela em relação ao quadro da bicicleta e a inclinação do pedal em relação ao pé-de-vela. As medidas angulares devem ser integradas ao sistema de instrumentação que realiza diversas medidas na atividade de ciclismo tais como as forças exercidas nos pedais, além de servir como trigger e informação de posição durante o pedalar para análise de variáveis fisiológicas do ciclista, tais como o eletrocardiograma, o eletromiograma de superfície e sinais de respiração. O objetivo principal do sistema proposto é indicar a correta inclinação do pedal em relação à 1292

2 vertical e a posição do pedal em relação ao pé-devela possibilitando a correta orientação de forças aplicadas em pedais com transdutores de força. Esses pedais foram construídos com quatro strain gauges marca Kyoto, modelo KFG C1 11, utilizando-se duas meias pontes de Wheatstone dispostas na parte superior e anterior de uma peça em forma de U, como mostrado na figura 1. O conjunto dessas duas meias pontes permite a medida das forças aplicadas nos eixos normal e tangencial à superfície do pedal [2]. Figura 1 Imagem da peça em forma de U com a disposição de quatro strain gauges formando duas meias pontes, a superior e a anterior (o outro par de strain gauges está localizado nas faces internas da célula de carga). A peça em forma de U associada aos strain gauges recebeu o nome de célula de força, tendo sido acoplada a uma base metálica, que, por sua vez, se conecta ao pé-de-vela da bicicleta, normalmente, como um pedal comum. Na construção desses pedais uma grande preocupação observada foi a utilização de medidas convencionais, proporcionando o correto posicionamento dos pés como em um par de pedais comerciais. Foi utilizada, como mostrado na Figura 2, a carcaça de um pedal comercial para efetuar o encaixe do mesmo na sapatilha, obrigatoria mente utilizada pelos ciclistas analisados [3]. Figura 2 Pedais utilizados para mensurar forças. Para permitir a utilização da própria bicicleta do sujeito situação ideal para a análise em atletas de alto nível a instrumentação simula as condições do ciclismo através de um simulador de ciclismo comercial. O simulador informa a velocidade instantânea, em quilômetros por hora, a carga de trabalho em watts, e o tempo de duração do teste. A Figura 3 ilustra de forma panorâmica parte da instrumentação desenvolvida. Essa infraestrutura inclui um computador hospedeiro com interface analógico/digital para a aquisição de até 16 canais à taxa de 2 khz e ferramentas computacionais para o tratamento dos sinais digitalizados [1,3]. Juntamente com o sinal de força e posição angular, a instrumentação permite também a digitalização de sinais de eletromiografia. É de interesse associar as características da intensidade do sinal eletromiográfico com a posição angular do pedal. Para exemplificar, a Figura 4 ilustra um caso onde se tem um sinal eletromiográfico adquirido em laboratório por meio da instrumentação [2,3]. A maior variação de amplitude do sinal é associada com uma maior amplitude da força aplicada sobre o pedal instrumentado. Conjuntamente, pode-se construir um diagrama de forças aplicadas sobre o 1293

3 pedal e correlacionar com a intensidade do sinal eletromiográfico. TRIGGER PEDAIS SIMULADOR Figura 3 Sistema completo de análise, incluindo simulador de ciclismo utilizado para análise do sujeito em sua própria bic icleta, sistema de trigger e pedais com transdutores de força. longo do ciclo de pedaladas, ou seja, a posição do pedal em relação ao pé de vela já era obtida. Porém, nesse antigo sistema somente é registrado o momento em que o pé-de-vela esquerdo passa pela vertical inferior do ciclo deduzindo-se as posições intermediárias. Em estudos onde os protocolos de avaliação do ciclista especificam uma velocidade angular alta (acima de 60 rpm) e constante, não ocorre a necessidade de verificação da variação angular do pé-de-vela dentro do ciclo de pedaladas. Contudo, em aplicações onde a carga é alta e a velocidade angular é baixa pode ocorrer variação da velocidade angular do pé-de-vela durante um ciclo de pedalada. Assim, é necessária a obtenção do deslocamento angular do pé-de-vela durante todo o ciclo de pedaladas. Este é o principal objetivo deste trabalho. MATERIAIS E MÉTODOS Figura 4 São mostrados os sinais correspondentes ao trigger (indica início e fim da pedalada) e sinal eletromiográfico do músculo vasto lateral da perna direita. Na instrumentação mostrada na Figura 3 mensura-se a representação vetorial das forças em relação à superfície do pedal e não em relação à vertical do plano de sustentação do simulador de ciclista. Por esse motivo é necessária a correção através da inclinação do pedal em relação ao péde-vela e a posição do pé-de-vela em relação à vertical. Com o dispositivo anteriormente desenvolvido (dispositivo e sinal de trigger apresentados nas figuras 3 e 4) é possível representar as forças em 16 diferentes pontos ao Com base nos resultados obtidos com o primeiro protótipo [6] e após avaliação de praticidade, de custos e de tecnologias disponíveis optou-se pela utilização de sensores optoeletrônicos. A solução tecnológica adotada utiliza um sensor óptico (fototransistor) e um disco com raias impressas em branco e preto (denominado a partir deste momento como disco óptico). Utilizando apenas um sensor foto reflexivo, resistores, um regulador de tensão e um amplificador operacional foi possível construir um circuito que atendesse às necessidades do projeto. Na Figura 5, é apresentado o esquemático do circuito eletrônico concebido para a aplicação. O fototransistor transistor é alimentado por uma bateria de 9 Volts é ligado a uma resistência 1294

4 de proteção que por sua vez está conectada a um regulador de tensão de 5V. Este resistor limita a corrente pelo LED que emitirá a luz que retornará ao transistor por meio da reflexão no disco óptico. Uma vez em frente a uma superfície escura, temos que na saída do sensor a voltagem é alta e ao contrário se temos uma superfície clara a voltagem é baixa. Assim, com o disco intercalado em branco e preto podemos perceber sua velocidade de rotação e o seu posicionamento angular instantâneo. Figura 6 Disco com raias para a leitura óptica da angulação. bicicleta. A Figura 7 mostra o dispositivo integrado à Figura 5 Diagrama de circuito do eletrogoniômetro. Para o condicionamento do sinal elétrico transduzido a partir do fototransistor foi utilizado um amplificador operacional com ganho de tensão igual a 3. Isso nos fornece uma faixa de visão das variações mais nítida tornando o instrumento mais robusto e menos sensível a pequenas variações e ruídos espúrios. Após a montagem do aparato na bicicleta, alimentamos o sistema com uma voltagem DC de 9 V. A instrumentação utiliza ainda um computador hospedeiro onde se tem uma placa in-board da National Instruments. O sistema é controlado por um aplicativo computacional desenvolvido com a linguagem LabView [4]. Figura 7 Dispositivo montado para aquisição dos sinais. 1295

5 Com dispositivo montado na bicicleta instrumentada e devidamente instalado pode ser feita a aquisição dos sinais desejados e que serão posteriormente processados por ferramentas computacionais dedicadas para a respectiva aplicação. RESULTADOS A Figura 8 mostra o sinal coletado a partir do sistema opto-eletrônico associado ao pé-devela. É possível identificar o início e fim da pedalada pelos pulsos de largura reduzida. A precisão do ângulo mensurado é proporcional a quantidade de raias implementadas no disco óptico e, neste exemplo é de 20 graus. Tomando como referência o início da pedalada indicada pelo sinal de trigger e, contando os pulsos gerados pela interface opto-eletrônica, sabe-se a inclinação angular do pé-de-vela dentro de um ciclo completo de pedalada. A Figura 9 mostra uma composição típica de forças aplicadas sobre o pedal instrumentado durante um ciclo de pedalada com informação da angulação formada pela composição das forças verticais e hor izontais. A representação de forças mostrada na figura 9 possibilita uma série de representações do diagrama. Por exemplo, pode-se interpolar os resultados de amplitude das forças e da posição angular no tempo para se criar uma representação do gráfico circular com maior ou menor quantidade de indicações de força sobre uma pedalada completa [4,5]. 1 Amplitude Normalizada [0-1] Força (N) Forças Aplicadas no Pedal Esquerdo 600 Normal Tangencial Posição Angular do Pedal Forças Aplicadas no Pedal Esquerdo Força (N) Forças Aplicadas no Pedal Direito 600 Normal Tangencial Posição Angular do Pedal Forças Aplicadas no Pedal Direito Tempo [s] Figura 6 Sinal coletado experimentalmente que indica o deslocamento angular do pé-devela em relação ao quadro da bicicleta e início e fim de uma pedalada completa. Figura 9 Nos gráficos superiores são representadas as forças em gráfico de linha das pernas direita e esquerda durante o pedalar. Já nos gráficos inferiores são representadas as forças em gráfico de relógio das pernas direita e esquerda, durante o pedalar. 1296

6 DISCUSSÃO REFERÊNCIAS A integração do eletrogoniômetro optoeletrônico à bicicleta não acarreta nenhum tipo de desconforto ao ciclista nem aumenta a inércia das engrenagens mecânicas associados à atividade do ciclismo. O disco óptico pode ser construído de material muito leve, como por exemplo, a partir de um CD-ROM genérico de plástico, onde é colada em uma de suas faces uma figura com as raias em preto e branco utilizadas para fazer a leitura da angulação. Dependendo da aplicação é possíve l implementar um disco com maior quantidade de raias para se ter uma maior precisão das medidas. Comparando-se a tecnologia apresentada neste trabalho com a proposta discutida em [6] observa-se que a versão opto-eletrônica apresenta menor massa, pode ser mais facilmente reconfigurada para uma maior ou menor resolução para as medidas de posição angular, apresenta menor custo de produção e facilidade de aferição e calibração do instrumento. CONCLUSÃO Neste trabalho foi proposto e desenvolvido um sistema opto-eletrônico para a aplicação na atividade do ciclismo. O protótipo concebido apresenta simplicidade tecnológica, boa acerácea, baixo custo, flexibilidade quanto a precisão desejada e facilidade de adaptação à bicicleta ou a cicloergômetro. Os resultados obtidos são promissores com a possibilidade de implementação futura de medidas em quadratura e com mais de dois níveis de cinza no disco óptico. [1] Andrade, Marcelino Monteiro, Carmo, Jake C. do, Rocha, Adson F. da, Nascimento, Francisco Assis de O. Novas técnicas de processamento de sinais eletromiográfico em contrações isoméricas, XI Congresso Brasileiro de Biomecânica, p. 1-4 [2] Carmo, J. C. do, Nascimento, F. A. de O., Costa, J. C. da e Rocha, A. F. da. Instrumentação para aquisição e avaliação das forças exercidas nos pedais por ciclistas, Revista Brasileira de Biomecânica, Ano 2, (3): [3] Carmo, Jake C. do, Nascimento, Francisco Assis de O., Rocha, Adson F. da, Costa, José C. da. Instrumentação baseada em computador para a mensuração de sinais biomecânicos de força na atividade do ciclismo, Anais do III Congresso Brasileiro de Metrologia, p [4] Carmo, J. C do, Xavier, P. A., Farias, E. J., Costa, J. C. da, Rocha, A. F. da e Nascimento, F. A. de O. (2001). Instrumentação biomecânica integrada em computador baseada na ferramenta LABVIEW, IX Congresso Brasileiro de Biomecânica. p [5] Nascimento, F. A. de O., Carmo J. C. do, Curado, G. e Rocha, A. F. da, Costa, J. C. da (2003), Experimento com Sinais Biomecânicos de Força Aplicados Sobre Pedais Instrumentados para o Ciclismo, Anais do X Congresso Brasileiro de Biomecânica, p [6] Silva, Daniel A., Nascimento, Franscirco Assis de O., do Carmo, Jake e Rocha, Adson F. da. Sistema de Eletrogoniômetro de Baixo Custo para Aplicação no Ciclismo, XVI Congresso Brasileiro de Automática, p para contato: adson@unb.br 1297