Desenvolvimento de um protótipo de plataforma de força móvel extensométrica para calçado

Abstract

A proposta deste trabalho é desenvolver uma plataforma de força móvel a ser engastada em solado de calçado convencional. O intuito é mensurar, em quatro pontos distintos, as forças de reação normais ao solado durante a marcha humana. A estrutura mecânica de cada plataforma de força móvel é constituída de quatro células de carga, desenvolvidas no software SolidWorks®, de modo a suportar uma carga máxima de 203,8 kgF dentro do regime elástico de deformação, considerando o aço inoxidável SAE 420C. Cada célula de carga é sensoriada por quatro extensômetros de resistência elétrica montados em ponte de Wheastone (sendo dois strain-gages em função passiva, para compensação de efeitos térmicos), cujo sinal diferencial é condicionado, adquirido por uma placa DAQ NI USB-6009 da National InstrumentsTM, armazenado em microcomputador através do software LabVIEWTM 8.6 e processado e gerado os seus gráficos no software MatLab. Foram realizadas simulações de frequência no software SolidWorks®, obtendo-se o modo fundamental de vibração da célula de carga em 2242,3 Hz. Por meio de ensaio dinâmico experimental, encontrou-se o valor da frequência fundamental de ressonância, de 2100 Hz, uma diferença de 6% em relação à estimativa teórica. Cada uma das oito células de carga foi calibrada estaticamente por meio de ensaio padronizado de aplicação progressiva de carga com pesos padrão, atingindo-se um erro de linearidade máximo de 1,25% nas células de carga 1, 3 e 7. Por fim, para a conformação da forma de curva das forças de reação ao solado de calçado convencional, foi realizado ensaio experimental de utilização dos protótipos de plataforma de força móvel por um voluntário de massa 92,5 kg, aproximadamente. Encontrou-se a clássica curva em forma de “M”, a mesma descrita na literatura.

The purpose of this paper is developing a movable force plate to be mounted in a common shoe sole. The goal is to measure the normal reaction forces to the sole during human gait. The mechanical arrangement of each movable force plate comprises four load cells, designed in software SolidWorks®, in order to withstand a maximum load of 203.8 kgF within the linear elastic deformation range, taking into account the stainless steel SAE 420C. Each load cell is sensed by four electrical resistance strain-gages mounted in a Wheatstone bridge configuration (in which two are in dummy function to compensate thermal effects). Its differential electrical signal goes through an amplification step, data acquisition by National Instruments module DAQ NI USB-6009, stored in a microcomputer by LabVIEWTM 8.6 software and then processed in MatLAB software. Frequency simulations were performed in SolidWorks®, being 2242.3 Hz the resulting fundamental frequency of the load cell. By a experimental dynamic testing, we found the fundamental frequency value of 2100 Hz, a difference of 6% compared to the theoretical estimation. Every load cell was statically calibrated by a standardized experimental test by progressive applying of standard weights, achieving a maximum linearity error of 1.25% in the load cells 1, 3 and 7. Finally, to conforming the curve shape of the reaction forces to the common shoe soles, a experimental testing was performed by a subject, weight about 92.5 kg, walking with the movable force plate prototypes. It was found the classic "M" shaped curve, the same as described in the literature.