Diseño y montaje de un sistema para la medición de fuerzas en el manillar de una bicicleta

Abstract

En la actualidad, existen una gran cantidad de estudios biomecánicos sobre ciclistas y su interacción con la bicicleta. Aunque en su gran mayoría tratan sobre la fuerza que el ciclista realiza sobre el pedal. En este proyecto se va a estudiar la interacción del ciclista sobre el manillar de la bicicleta. Este estudio va a consistir en realizar la instrumentación del manillar, de una bicicleta comercial, para obtener los esfuerzos producidos por el ciclista en el manillar. En primer lugar, se realizó un estudio previo que consistió en un modelo de elementos finitos de la mitad del manillar. Este estudio dio como resultado la localización de las galgas a colocar en cada lado del manillar. Determinada la posición de las galgas y una vez se instrumentó el manillar, se procedió a la fase de calibración. En este punto se realizó una gran cantidad de mediciones, hasta que se obtuvo una cierta repetitividad en los resultados medidos por las galgas. Con estas mediciones se obtuvo una matriz de conversión para cada masa. A partir de las matrices obtenidas se calculó la matriz promedio, que posteriormente se validó. En la validación, se obtuvierón unos resultados muy buenos para la matriz promedio, con unos errores inferiores al 3% en los ejes X e Y. En el eje Z se los errores eran de entorno al 10%, aunque se considerarón validos por la escasa fuerza que se aplica en dicha dirección (dirección lateral-medial). Por último, se realizó una prueba cualitativa del comportamiento del dispositivo con varios usuarios. Dichas pruebas consistieron en una primera sentado y a un ritmo de pedalada bajo, y otra realizando el pedaleo de pie y a un ritmo alto. Para finalizar el documento, se concluyó con que la matriz promedio era adecuada ya que era la que menores errores cometía a lo largo del rango de masas. Además, se verificó que el comportamiento cualitativo del sistema, a lo largo de las pruebas con usuarios, era el comportamiento lógico y previsto. Por otro lado, se realizó una serie de posibles mejoras futuras del dispositivo como el diseño de un utillaje para la colocación de las masas en la fase de calibración.

Currently, there are a large number of biomechanical studies on cyclists and their interaction with the bicycle. Although the vast majority are about the force that the cyclist performs on the pedal. In this project, the interaction of the cyclist on the handlebars of the bicycle will be studied. This study will consist of carrying out the instrumentation of the handlebars of a commercial bicycle to obtain the efforts produced by the rider on the handlebars. First, a preliminary study was conducted consisting of a finite element model of half of the handlebar. This study resulted in the location of the gauges to be placed on each side of the handlebar. Once the position of the gauges has been determined and once the handlebar has been inserted, the calibration phase proceeds. A large number of measurements were made at this point, until a certain repeatability was obtained in the results measured by the gauges. With these measurements, a conversion matrix was obtained for each mass. From the obtained matrices, the average matrix was calculated, which was subsequently validated. In the validation, very good results were obtained for the average matrix, with errors of less than 3% in the X and Y axes. In the Z axis, the errors were around 10%, although they were considered valid due to the scarce force applied in that direction (lateral-medial direction). Finally, a qualitative test of the behavior of the device was carried out with several users. These tests consisted of a first sitting and a low pedaling rhythm, and another one while pedaling while standing and at a high rhythm. To finalize the document, it was concluded that the average matrix was adequate since it was the one that made the fewest errors throughout the mass range. Furthermore, it was verified that the qualitative behavior of the system, throughout the tests with users, was the logical and expected behavior. On the other hand, a series of possible future improvements of the device were made, such as the design of a tooling for the placement of the masses in the calibration phase.