Biomecanica

Revista Ingeniería Biomédica

ISSN 1909–9762, número 2, noviembre 2007, págs. 55-60

Escuela de Ingeniería de Antioquia–Universidad CES, Medellín, Colombia

Diseño y construcción de un pedal de bicicleta basado en sensores piezorresistivos para determinar la fuerza resultante

Juan Sebastian Osorio Valencia 1,ψ, Sebastián Gómez Cardona1, Sebastián Restrepo Mejía1

1Programa de Ingeniería Biomédica EIA-CES. Líneas de Biomecánica e Ingeniería de Rehabilitación

y Bioinstrumentación, Señales e Imágenes Médicas.

Recibido 12 de agosto de 2007. Aceptado 30 de octubre de 2007

Resumen— En el ciclismo colombiano, las pautas de entrenamiento se ajustan a partir de datos cualitativos basados en la observación directa al deportista. Esta investigación busca mejorar ese proceso por medio de la implementación de pedales instrumentados para obtener datos cuantitativos del rendimiento del ciclista. En este artículo se presenta el diseño y construcción de un prototipo de dispositivo dinamométrico que permite la captura de datos de fuerza en el pedal durante el gesto del pedaleo. El dispositivo funciona con base en un sensor de fuerza piezorresistivo (FlexiForce®) acoplado a un arreglo mecánico específico y a un sistema de acondicionamiento de señal que entrega un voltaje proporcional a la fuerza ejercida, cuyo registro y análisis se realiza por medio de LabVIEWTM. El dispositivo permite visualizar la fuerza del pedaleo en tiempo real.

Palabras clave—Biomecánica del ciclismo, Dinamometría, Fuerza del pedaleo, Sistema instrumental.

Abstract— In the Colombian cycling, the training guidelines are adjusted from qualitative data based on the direct observation of the sportsman. The aim of this research was to improve this process by the implementation of instrumented pedals to collect quantitative data of the performance of the cyclist. In this article we present the design and construction of a prototype of a dynamometric device that allows the acquisition of force data in the pedal. The device works based in a piezoresistive force sensor (FlexiForce®) connected to a specific mechanical adjustment and a signal conditioning system that gives a proportional voltage to the exerted force, whose registry and analysis are made in LabVIEWTM. The device allows the visualization of the pedaling force in real time.

Keywords—Cycling biomechanics, Dynamometry, Pedaling force, Instrumentation system.

I. Introducción

Un problema de especial interés en la biomecánica del ciclismo es aumentar el rendimiento del ciclista por medio de diversos factores, que van desde la posición que adopta el deportista en la bicicleta hasta la ubicación de componentes como pedales, sillín, marco, entre otros [1-4]. Por lo tanto, se buscan soluciones a partir de estudios que relacionan la fuerza ejercida por el ciclista y la eficiencia obtenida [1-2, 5-6]. Uno de estos estudios se basa en conocer cómo el ciclista distribuye la fuerza durante toda

ψ Dirección para correspondencia: bmjuoso@eia.edu.cola fase de pedaleo, identificando la mayor fuerza ejercida y los intervalos en que se puede optimizar el ejercicio.

El ciclismo es un deporte muy dependiente de aspectos mecánicos del cuerpo humano y de la bicicleta, por lo tanto, es necesario conocer la interacción hombre-máquina para optimizar el rendimiento individual del deportista [1]. En Colombia no se encontraron dispositivos que permitan conocer de forma cuantitativa esta interacción. Por ello, se presenta la necesidad de diseñar y construir un dispositivo

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que permita conocerla en parte, al brindar la fuerza

resultante ejercida por el ciclista en la fase de pedaleo.

La distribución de la fuerza que ejerce el ciclista en el pedal está determinada por el tipo de zapatilla que se use [2] y la actividad que se realice, como puede ser ciclismo de ruta o ciclomontañismo. En la Fig. 1 se puede ver un patrón de distribución de la presión en la plantilla durante el gesto de pedaleo, su magnitud está directamente afectada por la fuerza aplicada en el pedal. Casi toda la presión está concentrada entre la cabeza del primer metatarsal y el hallux, y poca presión se ejerce en el mediopié y retropié [2]. Se encuentra también en la literatura que la fuerza efectiva en el pedaleo es la componente vertical de la fuerza ejercida por el ciclista con respecto a la biela de la bicicleta [1-2, 5]. En la Fig. 2 se puede observar una representación de esta componente, la cual debe ser mejorada para optimizar el rendimiento del ciclista, es decir, procurar que se ejecute una fuerza lo más vertical posible a la biela durante toda la fase de pedaleo. De acuerdo con esto, una primera aproximación a la fuerza efectiva es hallar la fuerza resultante en el pedal. Con esta información se empieza a buscar un prototipo de pedal dinamométrico que pueda determinar la fuerza resultante, concentrándola en un solo punto del pedal y registrando su valor por medio de un transductor adecuado.

Fig. 1. Distribución de fuerzas en la planta del pie. Adaptado de [1].

Fig. 2. Componente de la fuerza efectiva en el pedal. Adaptado de [3].

En la literatura se encuentran diferentes tipos de pedales dinamométricos, los cuales pueden identificar no sólo la fuerza vertical o normal a la biela sino también la horizontal y la tangencial [7-13]. Para la determinación de dichas fuerzas se han empleado principalmente galgas extensiométricas [7-10] y transductores piezoeléctricos [11-13]. En el presente artículo se propone un tipo de pedal dinamométrico más económico que funciona con base en sensores de fuerza piezorresistivos y permite visualizar en tiempo real la fuerza resultante ejercida en el pedal.

II. Materiales y métodos

A. Materiales

Para la construcción del dispositivo se utilizaron diferentes programas de modelación con el fin de seleccionar los materiales y proponer las dimensiones para un adecuado funcionamiento del dispositivo. En cuanto al acondicionamiento y visualización de la señal se utilizaron componentes electrónicos e instrumentación virtual. En general, los programas y materiales necesarios son los siguientes:

Software: LabVIEWTM 7.1, con el driver NI-VISA versión 4.0, Sistema operativo Windows XP- Edición Profesional, Solid Edge V15, ALGOR V16.

Hardware: computador personal (disco duro: 40 Gb, Procesador: AMD Athlon XP, RAM: 512 Mb), microcontrolador PIC 16F877A, MAX 232, amplificador operacional LM358, FlexiForce® A201 de 0-100 lb (445 N), interruptor magnético (Reed switch), máquina universal con celda de carga Interface con capacidad para 1000 lb (4455 N).

B. Métodos

En la Fig. 3 se muestra el diagrama de

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