DEVELOPMENT OF A DYNAMOMMETER PEDALS SYSTEM FOR CYCLING BIOMECHANICS EVALUATION

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorThe assessment of pedal forces is one of the more sophisticated methods applied on the sports sciences to accomplish cycling performance tests. With information of pedal forces the pedaling technique is evaluated based on the ability of the cyclists to produce and apply forces on the pedals. Several variables concerning the performance can be monitored with the application of instrumented pedals, but there is a lack of studies that consider the differences between the lower limbs on the force generation, what can occur due instrumentation limitation on the laboratories because the instrumented pedal are not commercial available and it is manufactured by research laboratories. The purpose of this study was to develop an instrumented pedals system that permit the evaluation of the pedal forces for each lower limb, with characteristics that no modify the normal pattern of pedaling and able to be used on different bicycle geometries and cycle ergometers. For the instrumentation, spindles of two (right and left) Shimano SPD pedals were modified to mounting 8 strain-gage sensors on each spindle, disposed on two rows and connected on two Wheatstone complete-bridges to measure strain in response to horizontal (Fx, tangential bridge) and vertical loads (Fz, normal bridge). With the spindles mounted on the pedal body, a piece for connection with the crank was manufactured. These pieces (right and left) are the house for ball bearings that permit the movement of the pedal relative to crank and not commit the strain-gages wires. These pieces permit the application of the pedal on different bicycles and cycle ergometers. The system was calibrated and presents a linear relationship between the load applied and the signal output from the full-bridges that monitor the horizontal and vertical efforts on the spindles. A calibration matrix was developed to transform the output signal to force magnitudes, and also an interference matrix was mounted to correct the mechanical interference between the horizontal and vertical measures. For the two pedals, the hysteresis was lower than 0,60%. For the right pedal, the sensitivity of the normal bridge was 2.5 mV/N, the tangential bridge present sensitivity of 2.6 mV/N. The left pedal presents a sensitivity of 2.4 mV/N and 2.7 mV/N for normal and tangential bridges, respectively. The resolution of the system was, for both pedals, lower than 0.5 N, while the error calculated from the calibrated data was 1% for the right normal bridge and 2% for the right tangential bridge and left normal and tangential bridges. It can be concluded that the system present characteristics that permits the application on the athlete s evaluations due the low error, satisfactory resolution and good linearity observed between the applied loads and the signal output on the normal and tangential full-bridges.A medida das forças envolvidas na pedalada é uma das mais sofisticadas metodologias aplicadas nas ciências do esporte para avaliação da técnica de pedalada. A técnica de pedalada é avaliada com base na habilidade dos ciclistas em produzir e aplicar força aos pedais. Diversas variáveis de controle de desempenho podem ser monitoradas com a aplicação de pedais instrumentados. No entanto, observa-se que um pequeno número de estudos considera as diferenças entre os membros na capacidade de gerar força, o que possivelmente ocorre devido a limitações de instrumentação, pois pedais instrumentados são normalmente unilaterais e construídos por laboratórios de pesquisa, não sendo disponíveis comercialmente. O objetivo deste estudo foi desenvolver um sistema de pedais instrumentados que possibilitem o monitoramento das forças aplicadas nos pedais direito e esquerdo, com características que não modifiquem o padrão normal de movimento e que possam ser utilizados em diferentes bicicletas e ciclo ergômetros. Para a instrumentação, os eixos dos pedais (direito e esquerdo) modelo Shimano SPD para ciclismo mountain-bike foram modificados a fim de que fossem montados 8 extensömetros em cada eixo e dispostos em duas colunas e conectados em duas pontes de Wheatstone completas, sendo uma para o monitoramento da deformação do eixo decorrente da força aplicada no sentido horizontal e outra para medir a deformação decorrente das forças aplicadas no sentido vertical ao plano do pedal. Com o eixo fixo ao corpo do pedal, uma peça foi especialmente desenvolvida para abrigar rolamentos que permitem a conexão e o movimento relativo do pedal com o pé-de-vela, a fim de permitir a montagem dos fios dos extensômetros. Esta peça permite o uso do sistema de diferentes bicicletas e ciclo ergômetros. O sistema foi calibrado e apresentou relação linear entre as cargas aplicadas e as tensões de saída nas pontes de Wheatstone que monitoram esforços horizontais e verticais em ambos os pedais. Uma matriz de calibração foi desenvolvida para a conversão das tensões em magnitudes de força, assim como uma matriz de interferência foi montada para corrigir o acoplamento entre as medidas verticais e horizontais devido ao desalinhamento entre os sensores. Para ambos os pedais a histerese foi menor que 0,6%. Para o pedal direito, a sensibilidade na ponte normal foi de 2,5 mV/N e na ponte tangencial foi de 2,6 mV/N. Para o pedal esquerdo a sensibilidade foi de 2,4 mV/N e 2,7 mV/N para a ponte normal e tangencial respectivamente. A resolução do sistema, para ambos os pedais, foi sempre menor que 0,5 N, enquanto que o erro estimado a partir da matriz de calibração foi de 1% para a ponte normal direita e 2% para a ponte tangencial direita, e pontes normal e tangencial esquerdas. Conclui-se que o sistema apresentou características estáticas que permitem sua aplicação prática na avaliação de atletas devido ao baixo erro, satisfatória resolução e linearidade observada entre as cargas aplicadas e as tensões de saída nas pontes tangenciais e normais