ES1278679U - DEVICE FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED ON PEDALS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED ON PEDALS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

Info

Publication number
ES1278679U
ES1278679U ES202131217U ES202131217U ES1278679U ES 1278679 U ES1278679 U ES 1278679U ES 202131217 U ES202131217 U ES 202131217U ES 202131217 U ES202131217 U ES 202131217U ES 1278679 U ES1278679 U ES 1278679U
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
processing module
force
pedal
measuring
connecting rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
ES202131217U
Other languages
Spanish (es)
Other versions
ES1278679Y (en
Inventor
Granado Alejandro Durán
Aldea Ignacio Alvarado
Repiso Víctor Chaves
Núñez Juana María Mayo
Granja Joaquín Ojeda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad de Sevilla
Original Assignee
Universidad de Sevilla
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad de Sevilla filed Critical Universidad de Sevilla
Priority to ES202131217U priority Critical patent/ES1278679Y/en
Publication of ES1278679U publication Critical patent/ES1278679U/en
Application granted granted Critical
Publication of ES1278679Y publication Critical patent/ES1278679Y/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00Construction of cranks operated by hand or foot
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62JCYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/411Torque sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62JCYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/42Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by mounting
    • B62J45/421Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by mounting at the pedal crank

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Device for measuring three-dimensional force applied to pedals, in which the pedal comprises a connecting rod (9) and a support for the foot joined through a connection shaft (10), and the device comprising: - at least one first strain gauge (3) intended to be attached to the connecting rod (9), - at least a second and a third strain gages (1, 2), intended to be fixed to the shaft (10), offset from one another by an angle with respect to the shaft (10), - a data processing module (4) connected to the strain gauges (1, 2, 3), - a data storage module (5), connected to the processing module (4), and - a power module (6) connected to the processing module (4). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

DISPOSITIVO PARA LA MEDICIÓN DE FUERZA TRIDIMENSIONAL APLICADA EN DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED IN

PEDALESPEDALS

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

El objeto de invención es un sensor de fuerza tridimensión para pedales de bicicletas, que en el área de la biomecánica, concretamente en los ámbitos deportivo y clínico, es capaz de aportar datos de vital importancia para usuarios que practican el ciclismo de manera profesional o como aficionados, a fin de mejorar su rendimiento durante la pedalada mediante una aplicación más eficiente de las fuerzas. Así mismo, en el campo clínico, permite monitorear la fuerza que un usuario va ejerciendo a lo largo de las sesiones en procesos de rehabilitación con ciclismo.The object of the invention is a three-dimensional force sensor for bicycle pedals, which in the area of biomechanics, specifically in sports and clinical areas, is capable of providing data of vital importance for users who practice cycling professionally or as amateurs, in order to improve their pedaling performance through a more efficient application of forces. Likewise, in the clinical field, it allows monitoring the force that a user is exerting throughout the sessions in rehabilitation processes with cycling.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

La fuerza que un ciclista es capaz de ejercer en un pedal tiene un impacto directo en el rendimiento y en la aparición de lesiones, tanto a nivel profesional y como recreacional. Son varios los autores que han realizado estudios para determinar la fuerza de pedaleo a fin de maximizar el rendimiento del ciclista sin involucrar un mayor riesgo de lesión, establecer relaciones entre diferentes parámetros con las características del pedaleo, o demostrar sus beneficios como práctica en sesiones de rehabilitación si se mira al plano clínico.The force that a cyclist is able to exert on a pedal has a direct impact on performance and the appearance of injuries, both professionally and recreationally. Several authors have carried out studies to determine pedaling force in order to maximize the cyclist's performance without involving a greater risk of injury, establish relationships between different parameters with pedaling characteristics, or demonstrate its benefits as a practice in training sessions. rehabilitation if you look at the clinical level.

Del mismo modo, el usuario recreacional cada vez precisa de más información para mejorar su técnica. Debido a todo lo anterior, han surgido multitud de dispositivos destinados a la medición de la fuerza tridimensional aplicada en el pedal. Pueden distinguirse fundamentalmente dos tipos de dispositivos: los comerciales y los científicos.In the same way, the recreational user increasingly needs more information to improve their technique. Due to all of the above, a multitude of devices have emerged for measuring the three-dimensional force applied to the pedal. Two types of devices can be fundamentally distinguished: commercial and scientific.

Los dispositivos comerciales son en su mayoría potenciómetros, destinados principalmente a la medición de la potencia ejercida por el ciclista durante la actividad del pedaleo. Pueden encontrarse infinidad de marcas que comercializan este tipo de dispositivos. En función del fabricante, el potenciómetro puede ir instalado en diferentes partes de la bicicleta, como por ejemplo en la biela, en el eje del pedalier o en los pedales. En función de la solución adoptada, se pueden obtener datos de una o dos piernas, y mayor o menor cantidad de información adicional (como la cadencia), pero en ningún caso se aportan datos de fuerza aplicada en el pedal.The commercial devices are mostly potentiometers, mainly intended to measure the power exerted by the cyclist during pedaling activity. You can find countless brands that market this type of device. Depending on the manufacturer, the potentiometer can be installed in different parts of the bicycle, such as the crank, the bottom bracket or the pedals. Depending on the solution adopted, data can be obtained from one or two legs, and a greater or lesser amount of additional information (such as cadence), but in no case data on the force applied to the pedal is provided.

Algunos modelos más avanzados pueden medir fuerza aplicada, pero con limitaciones a tener en cuenta. Por ejemplo, algunos modelos son capaces de medir fuerza efectiva, es decir, la componente tangencial a la biela (única componente que produce trabajo útil), en las dos piernas. Otros cuentan con un potenciómetro que permite medir fuerzas en el plano sagital únicamente para la pierna izquierda, pero el muestreo se realiza cada 30°.Some more advanced models can measure applied force, but with limitations to take into account. For example, some models are capable of measuring effective force, that is, the tangential component to the connecting rod (the only component that produces useful work), in both legs. Others have a potentiometer that allows forces to be measured in the sagittal plane for the left leg only, but sampling is done every 30 °.

En definitiva, los potenciómetros más avanzados del mercado no permiten medir fuerza tridimensional, quedándose como máximo en el plano sagital, sin tener en cuenta las fuerzas ejercidas en la dirección lateral-medial. Estas fuerzas pueden tener un papel relevante en la aparición de lesiones en las articulaciones, como han demostrado varios estudios. Por este motivo dichas fuerzas deberían tenerse bajo control.In short, the most advanced potentiometers on the market do not allow measuring three-dimensional force, staying at most in the sagittal plane, without taking into account the forces exerted in the lateral-medial direction. These forces may play a relevant role in the development of joint injuries, as several studies have shown. For this reason, these forces should be kept under control.

Además, este tipo de dispositivos no aportan datos suficientes para el cálculo del rendimiento de forma precisa, ya que para su correcta determinación se necesitan las tres componentes de la fuerza monitoreadas con una frecuencia de muestreo suficiente. Por tanto, los potenciómetros comerciales no pueden aportar datos adecuados para un estudio biomecánico completo del ciclista, alejándolos de aplicaciones profesionales o clínicas en lo que a medición de fuerza se refiere.In addition, this type of device does not provide sufficient data for the precise calculation of the performance, since for its correct determination the three components of the force monitored with a sufficient sampling frequency are needed. Therefore, commercial potentiometers cannot provide adequate data for a complete biomechanical study of the cyclist, distancing them from professional or clinical applications as far as force measurement is concerned.

Respecto a los dispositivos científicos, son varios los estudios y trabajos que abordan su diseño e implementación para medición de fuerza tridimensional durante el pedaleo. Los más veteranos captaban mediciones bidimensionales. Estos estudios suelen emplear pedales instrumentados en base a transductores o galgas extensométricas fabricados de forma específica para la experimentación. Se trata de dispositivos de cierta complejidad, que restringen las mediciones al entorno del laboratorio y emplean configuraciones que implican un elevado número de galgas. Otros trabajos, permiten determinar las reacciones tridimensionales en el pedal, sin embargo, emplean montajes alejados de componentes de ciclismo comerciales, además de emplear una compleja configuración de galgas para obtener los resultados. De igual modo, las mediciones se realizan necesariamente en el laboratorio. Regarding scientific devices, there are several studies and works that address their design and implementation for measuring three-dimensional force during pedaling. The most veteran captured two-dimensional measurements. These studies usually use instrumented pedals based on transducers or strain gauges manufactured specifically for experimentation. These are devices of a certain complexity, which restrict measurements to the laboratory environment and use configurations that involve a high number of gauges. Other works allow to determine the three-dimensional reactions in the pedal, however, they use remote assemblies of commercial cycling components, in addition to using a complex configuration of gauges to obtain the results. Similarly, measurements are necessarily made in the laboratory.

Otros estudios han conseguido materializar dispositivos o montajes que posibilitan la medición de las tres componentes de la fuerza con bastante precisión, además de ofrecer un muestreo suficiente. Estos emplean galgas extensométricas y plataformas de fuerza respectivamente. El inconveniente es que requieren un complejo sistema específico que necesita cableado, motivo por el cual las mediciones se centran en el laboratorio. En el caso de emplear plataformas de fuerza, se tiene la misma limitación.Other studies have managed to materialize devices or assemblies that make it possible to measure the three components of the force quite accurately, in addition to offering sufficient sampling. These employ strain gauges and force plates respectively. The downside is that they require a specific complex system that requires cabling, which is why measurements are focused on the laboratory. In the case of using force platforms, there is the same limitation.

Los estudios más recientes han supuesto una aproximación a las condiciones naturales de pedaleo, en los que se muestran dispositivos de fabricación específica capaces de emplear calas y bielas comerciales. Estos estudios aún tienen el laboratorio como principal entorno de las mediciones, y siguen empleando configuraciones de galgas complejas, además de requerir un proceso de calibración de estas que no siempre es sencillo.The most recent studies have assumed an approximation to natural pedaling conditions, in which devices of specific manufacture capable of using commercial cleats and cranks are shown. These studies still have the laboratory as the main measurement environment, and continue to use complex gauge configurations, in addition to requiring a calibration process for these that is not always easy.

Por lo tanto, no existe actualmente en la bibliografía un dispositivo de medición de fuerza tridimensional en el pedal capaz de adaptarse a los componentes de fábrica de la bicicleta sin necesidad de fabricar componentes específicos, que emplee un número de galgas reducido y un proceso de calibración sencillo y que permita la toma de datos en pruebas de carretera.Therefore, there is currently no literature in the literature a device for measuring three-dimensional force on the pedal capable of adapting to the factory components of the bicycle without the need to manufacture specific components, which uses a reduced number of gauges and a calibration process. simple and that allows data collection in road tests.

Entre los dispositivos comerciales y los de corte científico se sitúan sistemas de ajuste a la bicicleta que permiten monitorear diferentes parámetros del pedaleo para lograr un ajuste óptimo del ciclista a las interfaces de la bicicleta, incluidos los pedales, a fin de realizar la máxima fuerza efectiva con el mínimo esfuerzo.Between commercial and scientific devices are bicycle adjustment systems that allow monitoring of different pedaling parameters to achieve an optimal adjustment of the rider to the bicycle interfaces, including the pedals, in order to achieve the maximum effective force with minimal effort.

En relación a los documentos de patentes sobre medición de fuerza en el pedal pueden encontrarse varios dispositivos. Si se atiende al documento sobre medición de fuerza de pedaleo ES2279773 (2007), se expone un dispositivo para determinar fuerza en el pedal y fuerza en la cadena, entre otras, pero no para calcular las componentes tridimensionales de la fuerza aplicada en el pedal, algo similar a lo encontrado en el documento EP2739950A2 (2012).Various devices can be found in relation to patent documents on pedal force measurement. If you look at the document on measuring pedaling force ES2279773 (2007), a device is exposed to determine force in the pedal and force in the chain, among others, but not to calculate the three-dimensional components of the force applied to the pedal, something similar to what was found in document EP2739950A2 (2012).

Respecto al documento de patente sobre detección de esfuerzo de pedaleo EP2028098A2 (2008), se tiene el mismo caso que en la anterior, el dispositivo divulgado no permite obtener las tres componentes de la fuerza aplicada en el pedal. Por su parte, el dispositivo mostrado en el documento ES2530352 (2011) se compone de un cuerpo de pedal instrumentado con 8 galgas para medir cada componente de la fuerza aplicada. Por tanto, se precisa la fabricación de algún componente para la bicicleta al que se le deben acoplar 24 extensómetros.Regarding the patent document on the detection of pedaling effort EP2028098A2 (2008), the same case is had as in the previous one, the disclosed device does not allow obtaining the three components of the force applied to the pedal. For its part, The device shown in document ES2530352 (2011) consists of a pedal body instrumented with 8 gauges to measure each component of the applied force. Therefore, it is necessary to manufacture some component for the bicycle to which 24 extensometers must be attached.

Atendiendo al potenciómetro expuesto en el documento ES2535582 (2015), este dispositivo es capaz de medir la componente de la fuerza tangencial a la biela, pero no las otras dos. Algo semejante al dispositivo divulgado en US9459167B2 (2016), encaminado a la medición de par y fuerza bidimensional.Considering the potentiometer exposed in document ES2535582 (2015), this device is capable of measuring the component of the tangential force to the connecting rod, but not the other two. Something similar to the device disclosed in US9459167B2 (2016), aimed at measuring two-dimensional torque and force.

En base a los dispositivos comerciales, a los mostrados en la literatura científica y a los expuestos en distintos documentos de patente, puede establecerse que, a pesar de que cada tipo cuenta con características interesantes, ninguno de ellos suple las carencias de los demás. En otras palabras, no se ha encontrado un dispositivo de medición de fuerza tridimensional aplicada en el pedal que pueda adaptarse a componentes de fábrica de la bicicleta, no precise la fabricación de componentes específicos, emplee un número reducido de galgas y una electrónica sencilla, pueda usarse en pruebas de carretera y, suponga un coste reducido para el usuario interesado en su uso y/o comercialización.Based on the commercial devices, those shown in the scientific literature and those exposed in different patent documents, it can be established that, despite the fact that each type has interesting characteristics, none of them makes up for the deficiencies of the others. In other words, a device for measuring the three-dimensional force applied to the pedal has not been found that can adapt to factory components of the bicycle, does not require the manufacture of specific components, uses a reduced number of gauges and simple electronics, can be used in road tests and, suppose a reduced cost for the user interested in its use and / or commercialization.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

El conocimiento de las componentes tridimensionales de la fuerza aplicada en un pedal supone una serie de ventajas para un usuario, tanto a nivel deportivo (amateur o profesional) como a nivel clínico. En el plano deportivo se pueden hallar configuraciones de ajuste a la bicicleta que maximicen el rendimiento y minimicen el riesgo de lesión. Por su parte, a nivel clínico, el conocimiento de las fuerzas que el usuario es capaz de realizar es clave para determinar posibles lesiones o monitorear el proceso de rehabilitación.The knowledge of the three-dimensional components of the force applied to a pedal supposes a series of advantages for a user, both at a sports level (amateur or professional) and at a clinical level. At the sports level, you can find settings to adjust to the bicycle that maximize performance and minimize the risk of injury. For its part, at the clinical level, knowledge of the forces that the user is capable of exerting is key to determining possible injuries or monitoring the rehabilitation process.

A continuación, se describe un dispositivo para la medición de fuerza tridimensional aplicada en un pedal, de poca complejidad y con un coste mínimo. El pedal comprende, como cualquier pedal habitual, una biela y un apoyo para el pie, conectado a la biela a través de eje de conexión. Next, a device for the measurement of three-dimensional force applied to a pedal, of little complexity and with a minimum cost, is described. The pedal comprises, like any usual pedal, a connecting rod and a footrest, connected to the connecting rod through a connecting shaft.

Concretamente, el dispositivo objeto de invención comprende tres galgas extensiométricas preferente, aunque el número podría ser mayor. Una primera galga extensiométrica está destinada a fijarse a la biela, y una segunda y una tercera galgas extensiométricas, que están destinadas a fijarse al eje. La segunda y tercera galgas extensiométricas están desfasadas entre sí un ángulo a respecto del eje, siendo a igual a 90° preferentemente, de manera que cada una de las galgas extensiométricas tiene capacidad de medir la fuerza aplicada por el usuario en uno de los tres ejes x, y, z. De esta manera se logra medir la fuerza tridimensional aplicada por el usuario.Specifically, the device object of the invention comprises three preferred strain gauges, although the number could be higher. A first strain gauge is intended to be attached to the connecting rod, and a second and a third strain gauge, which is intended to be attached to the axle. The second and third strain gauges are offset by an angle with respect to the axis, preferably equal to 90 °, so that each of the strain gauges has the ability to measure the force applied by the user in one of the three axes. X and Z. In this way it is possible to measure the three-dimensional force applied by the user.

Cada galga mide principalmente una componente de la fuerza. No obstante, debido a la geometría y al punto de aplicación de la carga, todas las galgas presentan respuesta para cada componente de la fuerza aplica.Each gauge primarily measures a component of force. However, due to the geometry and the point of application of the load, all the gauges present response for each component of the force applied.

Las tres galgas extensiométricas están conectadas a un módulo de procesado de datos, en el que se reciben las medidas tomadas y se procesan. Además, conectado al módulo de procesado, el dispositivo comprende un módulo de almacenamiento de datos. Por último, y conectado al módulo de procesado, el dispositivo comprende un módulo de alimentación.The three strain gauges are connected to a data processing module, in which the measurements taken are received and processed. Furthermore, connected to the processing module, the device comprises a data storage module. Finally, and connected to the processing module, the device comprises a power supply module.

En un segundo aspecto de la invención, el dispositivo puede comprender adicionalmente una unidad de medición inercial conectada al módulo de procesado, destinada a asociarse a la biela preferentemente y configurada para medir el ángulo de giro del pedal respecto de la bicicleta.In a second aspect of the invention, the device can additionally comprise an inertial measurement unit connected to the processing module, intended to be associated with the crank preferably and configured to measure the angle of rotation of the pedal with respect to the bicycle.

En un tercer aspecto de la invención, el dispositivo puede comprender adicionalmente un módulo de comunicación, conectado al módulo de procesado y configurado para enviar los datos recopilados en el dispositivo a un sistema externo.In a third aspect of the invention, the device may further comprise a communication module, connected to the processing module and configured to send the data collected in the device to an external system.

En comparación con aparatos comerciales, el dispositivo objeto de invención supone un paso adelante en cuanto a información aportada, siendo, además, mucho más económico. Respecto a los aparatos que pueden hallarse en la bibliografía científica, el dispositivo es capaz de aportar los mismos datos, pero empleando un montaje mucho más sencillo y adaptable a los componentes de las bicicletas comerciales, posibilitando además su empleo en pruebas de exterior. Compared to commercial devices, the device that is the object of the invention represents a step forward in terms of information provided, and is also much cheaper. Regarding the devices that can be found in the scientific literature, the device is capable of providing the same data, but using a much simpler and adaptable assembly to the components of commercial bicycles, also allowing its use in outdoor tests.

Tal y como se ha descrito, el número de galgas extensiométricas que comprende el dispositivo es mínimo, tres preferentemente, y no existe cableado que interfiera con el pedaleo. La calibración del dispositivo para obtener las fuerzas aplicadas a través de la información aportada es simple y rápida. Por último, la validación realizada con dispositivos de adquisición profesionales permite asegurar que las fuerzas se miden con precisión.As described, the number of strain gauges that the device comprises is a minimum, three preferably, and there is no wiring that interferes with pedaling. The calibration of the device to obtain the applied forces through the information provided is simple and fast. Finally, validation performed with professional acquisition devices ensures that forces are accurately measured.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of a practical embodiment thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, with an illustrative and non-limiting nature, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra una vista de las galgas extensiométricas y la unidad de medición inercial posicionadas en la biela y el eje.Figure 1.- Shows a view of the strain gauges and the inertial measurement unit positioned on the connecting rod and shaft.

Figura 2.- Muestra una vista esquemática del módulo de procesamiento conectado a las galgas extensiométricas, la unidad de medición inercial y el resto de módulos del dispositivo.Figure 2.- Shows a schematic view of the processing module connected to the strain gauges, the inertial measurement unit and the other modules of the device.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 y 2, una realización preferente del dispositivo para la medición de fuerza tridimensional aplicada en pedales.A preferred embodiment of the device for measuring three-dimensional force applied to pedals is described below with the aid of Figures 1 and 2.

El dispositivo está destinado a asociarse a un pedal de una bicicleta, en el que el pedal, como es habitual, comprende una biela (9), y un eje (10) de conexión entre la biela (9) y un elemento de apoyo para el pie tal y como se representa en la figura 1.The device is intended to be associated with a pedal of a bicycle, in which the pedal, as usual, comprises a connecting rod (9), and a connecting rod (10) between the connecting rod (9) and a support element for the foot as shown in figure 1.

Para poder mediar la fuerza tridimensional aplicada por un usuario sobre el pedal, el dispositivo comprende una primera galga extensiométrica (3) destinada a fijarse a la biela (9), In order to be able to mediate the three-dimensional force applied by a user on the pedal, the device comprises a first strain gauge (3) destined to be fixed to the crank (9),

y una segunda y una tercera galgas extensiométricas (1, 2), destinadas a fijarse al eje (10), desfasadas entre sí un ángulo 90° respecto del eje (10), tal y como se muestra en detalle en la figura 1.and a second and a third strain gauge (1, 2), intended to be fixed to the shaft (10), offset from each other by an angle 90 ° with respect to the shaft (10), as shown in detail in figure 1.

Asimismo, y tal y como se indica esquemáticamente en la figura 2, el dispositivo comprende un módulo de procesado (4) de datos conectado a las galgas extensiométricas (1, 2, 3), un módulo de almacenamiento (5) de datos, conectado al módulo de procesado (4), y un módulo de alimentación (6) conectado al módulo de procesado (4), un módulo de comunicación (7), conectado al módulo de procesado (4) y configurado para enviar los datos recopilados en el dispositivo a un sistema externo.Likewise, and as schematically indicated in figure 2, the device comprises a data processing module (4) connected to the strain gauges (1, 2, 3), a data storage module (5), connected to the processing module (4), and a power module (6) connected to the processing module (4), a communication module (7), connected to the processing module (4) and configured to send the data collected in the device to an external system.

A continuación se detalla cómo se conectan las galgas extensiométricas (1, 2, 3) de manera que se puedan obtener las medidas a partir de los cuales se determinaran las fuerzas. Cada galga extensiométrica (1, 2, 3) debe conectarse en cuarto de puente Wheatstone, completado con dos resistencias del mismo valor que dicha galga extensiométrica (1,2, 3) y un potenciómetro que permita ajustes superiores o inferiores al valor nominal de la galga extensiométrica (1, 2, 3) de forma precisa.Next, it is detailed how the strain gauges (1, 2, 3) are connected so that the measurements from which the forces will be determined can be obtained. Each strain gauge (1, 2, 3) must be connected in a Wheatstone quarter bridge, completed with two resistors of the same value as said strain gauge (1,2, 3) and a potentiometer that allows adjustments higher or lower than the nominal value of the strain gauge (1, 2, 3) accurately.

Puesto que el dispositivo comprende varios puentes Wheatstone se explicará el funcionamiento para uno de ellos, siendo idéntico para el resto. El puente Wheatstone recibe una tensión de entrada desde el módulo de alimentación (6). Cuando no se está aplicando fuerza sobre el pedal, la salida del puente se mantiene a 0 V. Al aplicar carga, la galga extensiométrica (1, 2, 3) del puente modifica su resistencia y provoca la descompensación del puente, provocando la aparición de un voltaje de salida del orden de los milivoltios. Esta tensión es proporcional a la carga aplicada. La salida del puente debe enviarse al módulo de procesado (4), concretamente a una entrada analógica de un microcontrolador Arduino, que en una realización de la invención será el módulo de procesado (4), para su digitalización mediante un conversor analógico-digital (ADC). Al trabajar con milivoltios, las señales procedentes de los puentes son imperceptibles para las entradas del Arduino. Es necesario amplificar adecuadamente las señales.Since the device comprises several Wheatstone bridges, the operation for one of them will be explained, being identical for the rest. The Wheatstone bridge receives an input voltage from the power module (6). When no force is being applied to the pedal, the output of the bridge is kept at 0 V. When applying load, the strain gauge (1, 2, 3) of the bridge modifies its resistance and causes the bridge to decompensate, causing the appearance of an output voltage of the order of millivolts. This voltage is proportional to the applied load. The output of the bridge must be sent to the processing module (4), specifically to an analog input of an Arduino microcontroller, which in one embodiment of the invention will be the processing module (4), for digitization using an analog-digital converter ( ADC). When working with millivolts, the signals coming from the jumpers are imperceptible to the inputs of the Arduino. It is necessary to properly amplify the signals.

Las señales se deben amplificar ajustando el valor de la ganancia de tal manera que las fuerzas aplicadas no excediesen los límites del ADC de la entrada del Arduino (4). Una limitación del ADC del Arduino (4) es que no reconoce señales negativas. Sin embargo, las tensiones procedentes del amplificador (que a su vez se generan en el puente Wheatstone) pueden ser menores a 0V. Por tanto, para captar adecuadamente medidas positivas y negativas se debe desequilibrar el puente previamente hasta que en la entrada del Arduino (4) se tenga una tensión intermedia entre los límites marcados por el ADC.The signals must be amplified by adjusting the value of the gain in such a way that the applied forces do not exceed the limits of the ADC of the Arduino input (4). One limitation of the Arduino ADC (4) is that it does not recognize negative signals. However, the voltages coming from the amplifier (which in turn are generated in the Wheatstone bridge) can be less than 0V. Therefore, to properly capture Positive and negative measures, the bridge must be unbalanced beforehand until the input of the Arduino (4) has an intermediate voltage between the limits set by the ADC.

Atendiendo a los incrementos y decrementos sobre este valor de desequilibrio se trabaja en todo momento con medidas positivas, reconocibles por la entrada del Arduino (4). Posteriormente, este valor se toma como una fuerza igual a 0 N para la realización de los cálculos. El desequilibrio se realiza a través del potenciómetro correspondiente a cada puente Wheatstone.Taking into account the increases and decreases on this unbalance value, positive measures are used at all times, recognizable by the input of the Arduino (4). Subsequently, this value is taken as a force equal to 0 N to carry out the calculations. The unbalance is done through the potentiometer corresponding to each Wheatstone bridge.

Las señales amplificadas, una vez digitalizadas, se almacenan en el módulo de almacenamiento (5) que será preferentemente una tarjeta SD conectada al Arduino (4).The amplified signals, once digitized, are stored in the storage module (5) which will preferably be an SD card connected to the Arduino (4).

Por otra parte, el dispositivo comprende una unidad de medición inercial (8) conectada al módulo de procesado (4), destinada a asociarse a la biela (9) y configurada para medir el ángulo de giro del pedal respecto de la estructura de la bicicleta, digitalizando este dato en otra de las entradas del Arduino (4). De esta forma, se tienen los datos de fuerza en función del ángulo de la pedalada.On the other hand, the device comprises an inertial measurement unit (8) connected to the processing module (4), destined to be associated with the crank (9) and configured to measure the angle of rotation of the pedal with respect to the structure of the bicycle , digitizing this data in another of the Arduino's inputs (4). In this way, you have the force data as a function of the pedaling angle.

Para conseguir que el ángulo medido en la unidad inercial (8) se reinicie a 0° después de cada vuelta del pedal se emplea un sensor de efecto Hall activado por un imán posicionado en el cuadro de la bicicleta mediante un adaptador. El ángulo medido por la unidad inercial (8) también se almacena en el módulo de almacenamiento (5).To get the angle measured in the inertial unit (8) to reset to 0 ° after each turn of the pedal, a Hall effect sensor activated by a magnet positioned on the bicycle frame by means of an adapter is used. The angle measured by the inertial unit (8) is also stored in the storage module (5).

Además, la unidad inercial (8) puede comprender un cronómetro (12), de manera que tenga capacidad, no solo de medir el ángulo rotado, sino también el momento en el que se alcanza cada ángulo.Furthermore, the inertial unit (8) can comprise a stopwatch (12), so that it has the capacity, not only to measure the rotated angle, but also the moment in which each angle is reached.

Tanto el módulo de procesado (4), como el módulo de almacenamiento (5), el módulo de alimentación (6) y la unidad inercial (8) se colocan en una placa base de dimensiones compactas que irá posicionada en zonas del conjunto apoyo para el pie (11)-biela (9) que no interfieran con el pedaleo natural del usuario.Both the processing module (4), the storage module (5), the feeding module (6) and the inertial unit (8) are placed on a base plate with compact dimensions that will be positioned in areas of the support assembly to the foot (11) - crank (9) that do not interfere with the natural pedaling of the user.

En este punto se dispone de los datos en bruto procedentes de las galgas extensiométricas (1,2, 3). Es necesario un procesamiento matemático para determinar las fuerzas que se han aplicado durante el pedaleo. Para ello, es necesario encontrar una expresión que relacione los valores arrojados por las galgas extensiométricas (1,2, 3) con la fuerza aplicada. Se han de realizar las oportunas pruebas de calibración para hallar dicha expresión. Además, se debe tener en cuenta el offset introducido por el desequilibrio inicial del puente Wheatstone.At this point, the raw data from the strain gauges is available (1,2,3). Mathematical processing is necessary to determine the forces that have been applied during pedaling. To do this, you need to find a expression that relates the values produced by the strain gauges (1,2, 3) with the applied force. The appropriate calibration tests must be carried out to find this expression. In addition, the offset introduced by the initial unbalance of the Wheatstone bridge must be taken into account.

Las pruebas de calibración consisten en aplicar varias cargas, de valor controlado, de forma que actúen como cada una de las componentes de la fuerza que se pretende conocer. En cada prueba se recogen los datos procedentes de cada galga extensiométrica (1, 2, 3). Conociendo las fuerzas aplicadas en la calibración y la respuesta de las galgas extensiométricas (1, 2, 3) ante cada una de ellas es posible determinar matemáticamente una serie de factores de conversión que relacionen la respuesta de las galgas extensiométricas (1,2, 3) con la fuerza aplicada.Calibration tests consist of applying various loads, of controlled value, so that they act like each of the components of the force that is intended to be known. In each test, the data from each strain gauge (1, 2, 3) are collected. Knowing the forces applied in the calibration and the response of the strain gauges (1, 2, 3) to each one of them, it is possible to mathematically determine a series of conversion factors that relate the response of the strain gauges (1,2, 3 ) with applied force.

De este modo, se puede establecer una expresión que permita, a partir de los datos arrojados por las galgas extensiométricas (1, 2, 3) durante la prueba de pedaleo, calcular las fuerzas aplicadas durante dicha prueba. Dicho cálculo se realiza en el módulo de procesado (4). Se tiene, por tanto, una relación del tipo:In this way, an expression can be established that allows, from the data provided by the strain gauges (1, 2, 3) during the pedaling test, to calculate the forces applied during said test. Said calculation is carried out in the processing module (4). Therefore, there is a relationship of the type:

Fuerza Aplicada = Factores Conversión x Datos Galgas ExtensiométricasApplied Force = Conversion Factors x Strain Gauge Data

El dispositivo debe someterse a un proceso de validación. Para ello se puede utilizar un segundo juego de galgas extensiométricas que vaya conectado a un equipo de adquisición de datos profesional. Al igual que antes, se necesita realizar la calibración para este juego de galgas extensiométricas a fin de hallar sus factores de conversión correspondientes.The device must undergo a validation process. For this, a second set of strain gauges can be used that is connected to a professional data acquisition equipment. As before, you need to perform calibration for this set of strain gauges in order to find their corresponding conversion factors.

Teniendo los datos procedentes de ambos dispositivos y sus factores de conversión, se pueden calcular las fuerzas a partir de cada uno de ellos. Entonces se realizan una serie de pruebas de validación estáticas y dinámicas con el fin de garantizar la similitud entre ambos dispositivos. Si los datos son lo suficientemente parejos entre ambos dispositivos, puede garantizarse que el dispositivo mide de forma correcta.Taking the data from both devices and their conversion factors, the forces can be calculated from each of them. Then a series of static and dynamic validation tests are carried out in order to guarantee the similarity between both devices. If the data is sufficiently even between the two devices, it can be guaranteed that the device measures correctly.

En este punto, es posible desconectar el segundo juego de galgas extensiométricas y proceder a mediciones con sujetos de prueba para obtener datos que comparar con los de estudios bibliográficos previos. At this point, it is possible to disconnect the second set of strain gauges and proceed to measurements with test subjects to obtain data to compare with those of previous literature studies.

El dispositivo objeto de invención puede adaptarse para su producción como producto de consumo enfocado a ciclistas amateurs o profesionales que precisen conocer la fuerza desarrollada durante la actividad. The device object of the invention can be adapted for its production as a consumer product focused on amateur or professional cyclists who need to know the force developed during the activity.

Claims (5)

REIVINDICACIONES 1. - Dispositivo para la medición de fuerza tridimensional aplicada en pedales, en el que el pedal comprende una biela (9) y un apoyo para el pie unidos a través de un eje (10) de conexión, y comprendiendo el dispositivo:1. - Device for measuring three-dimensional force applied to pedals, in which the pedal comprises a connecting rod (9) and a support for the foot joined through a connection shaft (10), and the device comprises: - al menos una primera galga extensiométrica (3) destinada a fijarse a la biela (9),- at least one first strain gauge (3) intended to be attached to the connecting rod (9), - al menos una segunda y una tercera galgas extensiométricas (1,2), destinadas a fijarse al eje (10), desfasadas entre sí un ángulo a respecto del eje (10), - un módulo de procesado (4) de datos conectado a las galgas extensiométricas (1,2, 3),- at least a second and a third strain gages (1,2), intended to be fixed to the axis (10), offset from one another by an angle with respect to the axis (10), - a data processing module (4) connected to the strain gauges (1,2,3), - un módulo de almacenamiento (5) de datos, conectado al módulo de procesado (4),y- a data storage module (5), connected to the processing module (4), and - un módulo de alimentación (6) conectado al módulo de procesado (4).- a power module (6) connected to the processing module (4). 2. - El dispositivo de la reivindicación 1,enel que el ángulo a es de 90o.2. - The device of claim 1, in which the angle a is 90o. 3. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una unidad de medición inercial (8) conectada al módulo de procesado (4), destinada a fijarse a la biela (9) y configurada para medir el ángulo de giro del pedal.3. - The device of claim 1, further comprising an inertial measurement unit (8) connected to the processing module (4), intended to be attached to the connecting rod (9) and configured to measure the angle of rotation of the pedal. 4. - El dispositivo de la reivindicación 3, en el que la unidad de medición inercial (8) comprende adicionalmente un cronómetro (12).4. - The device of claim 3, wherein the inertial measurement unit (8) additionally comprises a stopwatch (12). 5. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un módulo de comunicación (7), conectado al módulo de procesado (4) y configurado para enviar datos a un sistema externo. 5. - The device of claim 1, further comprising a communication module (7), connected to the processing module (4) and configured to send data to an external system.
ES202131217U 2020-05-04 2020-05-04 DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED TO PEDALS Active ES1278679Y (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202131217U ES1278679Y (en) 2020-05-04 2020-05-04 DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED TO PEDALS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202131217U ES1278679Y (en) 2020-05-04 2020-05-04 DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED TO PEDALS

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES1278679U true ES1278679U (en) 2021-10-07
ES1278679Y ES1278679Y (en) 2021-12-29

Family

ID=77989500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES202131217U Active ES1278679Y (en) 2020-05-04 2020-05-04 DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED TO PEDALS

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES1278679Y (en)

Also Published As

Publication number Publication date
ES1278679Y (en) 2021-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2480273T3 (en) Device for measuring and determining the force, moments and power on a crank, in particular the crank of a bicycle pedal
US11154222B2 (en) Method and system for determining data associated with lower limb activity
US20140200835A1 (en) Pedaling Torque Sensor Device for Each Cyclist's Leg and Power Meter Apparatus
AU2008274881B2 (en) Crank arm with strain amplifier
US9188496B2 (en) Real-time calculation of total longitudinal force and aerodynamic drag acting on a rider on a vehicle
Wooles et al. A static method for obtaining a calibration factor for SRM bicycle power cranks
TWI595910B (en) Pedal movement signal detection device
Broker et al. A dual piezoelectric element force pedal for kinetic analysis of cycling
EP2304403A1 (en) System and device for measuring and analyzing forces applied by a cyclist on a pedal of a bicycle
Faber et al. A force plate based method for the calibration of force/torque sensors
CN1265763C (en) Multi-axial force platform array and human walking gait information acquisition method
US20200102036A1 (en) Direct force measurement device for crank
Ranky et al. Modular mechatronic system for stationary bicycles interfaced with virtual environment for rehabilitation
Seylan et al. Estimation of ground reaction forces using low-cost instrumented forearm crutches
US20160136481A1 (en) System For Estimating Total Power Input By A Bicyclist Using A Single Sided Power Meter System
ES1278679U (en) DEVICE FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL FORCE APPLIED ON PEDALS (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)
TWI502389B (en) Biomechanical analysis system and method
WO2016023220A1 (en) Power vector sensor device and bicycle having the same
Dabonneville et al. A self-contained wireless wheelchair ergometer designed for biomechanical measures in real life conditions
Wangerin et al. Inverse dynamics in cycling performance
EP2772286B1 (en) Measuring device and measuring kit using said device
CN204649338U (en) A kind of bicycle pedal device for measuring force based on strain-ga(u)ge transducer
TW201743037A (en) Pedal movement signal detection device including a stator, a sleeve, a pedal, and a control circuit board that is provided with a track sensing unit and a pressure sensing circuit
Bini et al. Within-and between-session reliability of a pedal force system for power output and pedal force effectiveness measurements
Mallakzadeh et al. Design and fabrication of an instrumented handrim to measure the kinetic and kinematic information by the hand of user for 3D analysis of manual wheelchair propulsion dynamics

Legal Events

Date Code Title Description
CA1K Utility model application published

Ref document number: 1278679

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: U

Effective date: 20211007

FG1K Utility model granted

Ref document number: 1278679

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: Y

Effective date: 20211222