Projecto e concepção de um dispositivo experimental para medição e caracterização dos esforços aplicados no finca-pés de um caiaque de pista: Investigação, desenho e desenvolvimento

Após o enquadramento da canoagem, como modalidade Olímpica, verificou-se um aumento significativo de estudos e pesquisas acerca da biomecânica da modalidade, o que contribuiu para uma diminuição dos tempos na competição. Contudo poucos foram os que se focaram nas forças desenvolvidas e aplicadas ao caiaque através do finca-pés, criado assim oportunidade de desenvolvimento de dispositivos para a medição das mesmas. Assim, o objectivo primordial é desenvolver um sistema experimental capaz de quantificar as forças geradas em cada um dos lados do finca-pés (esquerdo e direito). Este, deverá não só ser passível de se utilizar em caiaque ergómetro como também num caiaque de pista, permitido avaliar as forças aplicadas durante o ciclo de pagaiada, tanto em compressão como em tracção. A sua concepção baseou-se num modelo de finca-pés já existente, tornando-o compatível com os caiaques de competição mais comercializados, e permitindo que no futuro se possa utilizar na água, bastando para isso apenas possuir um caiaque e embarcar o sistema de medição. Este sistema experimental foi testado em caiaque ergómetro por 7 (sete) sujeitos com níveis distintos: seis homens (um atleta olímpico medalhado e cinco de nível nacional) e uma mulher (de nível de selecção Portuguesa) que, entre outros, realizaram um plano definido por 60s a uma frequência de 75 pagaiadas por minuto, seguido de uma intensa mudança de ritmo e força (Sprint). Após análise dos dados obtidos em cada um dos diferentes sujeitos, conseguimos identificar algumas das suas características, tais como: esforço assimétrico dos membros inferiores; utilização de forma heterogénea da fita do finca-pés; diferença de forças máximas aplicadas entre atletas (Ex.: para um atleta olímpico as forças medidas (Min; Max): Pé Esquerdo (- 444; 1087) N e Pé Direito (- 476; 1068) N); etc. Os resultados não só são bastante promissores como também são motivantes e congruentes com estudos anteriores, nomeadamente Begon et al. 2008 e Sturm 2010 e 2012. Finalmente, consegue-se afirmar, com segurança, que foram alcançados os objectivos propostos com a concepção deste dispositivo de medição de forças. Este permite caracterizar os esforços desenvolvidos no finca-pés por cada membro inferior, com ou sem a fita de suporte, possibilitando aos treinadores e atletas uma visão, para muitos desconhecida, das forças transmitidas e das suas assimetrias. No final, este conhecimento permitirá aos atletas melhorar o seu desempenho desportivo bem como facilitar a gestão desportiva, com base nos principais princípios mecânicos inerentes ao movimento dos atletas desde desporto Olímpico.

Solução de navegação inercial para o sistema plasys

Neste trabalho faz-se uma pesquisa e análise dos conceitos associados à navegação inercial para estimar a distância percorrida por uma pessoa. Foi desenvolvida uma plataforma de hardware para implementar os algoritmos de navegação inercial e estudar a marcha humana. Os testes efetuados permitiram adaptar os algoritmos de navegação inercial para humanos e testar várias técnicas para reduzir o erro na estimativa da distância percorrida. O sistema desenvolvido é um sistema modular que permite estudar o efeito da inserção de novos sensores. Desta forma foram adaptados os algoritmos de navegação para permitir a utilização da informação dos sensores de força colocados na planta do pé do utilizador. A partir desta arquitetura foram efetuadas duas abordagens para o cálculo da distância percorrida por uma pessoa. A primeira abordagem estima a distância percorrida considerando o número de passos. A segunda abordagem faz uma estimação da distância percorrida com base nos algoritmos de navegação inercial. Foram realizados um conjunto de testes para comparar os erros na estimativa da distância percorrida pelas abordagens efetuadas. A primeira abordagem obteve um erro médio de 4,103% em várias cadências de passo. Este erro foi obtido após sintonia para o utilizador em questão. A segunda abordagem obteve um erro de 9,423%. De forma a reduzir o erro recorreu-se ao filtro de Kalman o que levou a uma redução do erro para 9,192%. Por fim, recorreu-se aos sensores de força que permitiram uma redução para 8,172%. A segunda abordagem apesar de ter um erro maior não depende do utilizador pois não necessita de sintonia dos parâmetros para estimar a distância para cada pessoa. Os testes efetuados permitiram, através dos sensores de força, testar a importância da força sentida pela planta do pé para aferir a fase do ciclo de marcha. Esta capacidade permite reduzir os erros na estimativa da distância percorrida e obter uma maior robustez neste tipo de sistemas.

Análise e identificação do sinal de aceleração num pé

Com a massificação do uso da tecnologia no dia-a-dia, os sistemas de localização têm vindo a aumentar a sua popularidade, devido à grande diversidade de funcionalidades que proporcionam e aplicações a que se destinam. No entanto, a maior parte dos sistemas de posicionamento não funcionam adequadamente em ambientes indoor, impedindo o desenvolvimento de aplicações de localização nestes ambientes. Os acelerómetros são muito utilizados nos sistemas de localização inercial, pelas informações que fornecem acerca das acelerações sofridas por um corpo. Para tal, neste trabalho, recorrendo à análise do sinal de aceleração provindo de um acelerómetro, propõe-se uma técnica baseada na deteção de passos para que, em aplicações futuras, possa constituir-se como um recurso a utilizar para calcular a posição do utilizador dentro de um edifício. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento da análise e identificação do sinal de aceleração obtido num pé, por forma a determinar a duração de um passo e o número de passos dados. Para alcançar o objetivo de estudo foram analisados, com recurso ao Matlab, um conjunto de 12 dados de aceleração (para marcha normal, rápida e corrida) recolhidos por um sistema móvel (e provenientes de um acelerómetro). A partir deste estudo exploratório tornou-se possível apresentar um algoritmo baseado no método de deteção de pico e na utilização de filtros de mediana e Butterworth passa-baixo para a contagem de passos, que apresentou bons resultados. Por forma a validar as informações obtidas nesta fase, procedeu-se, seguidamente, à realização de um conjunto de testes experimentais a partir da recolha de 33 novos dados para a marcha e corrida. Identificaram-se o número de passos efetuados, o tempo médio de passo e da passada e a percentagem de erro como as variáveis em estudo. Obteve-se uma percentagem de erro igual a 1% para o total dos dados recolhidos de 20, 100, 500 e 1000 passos com a aplicação do método proposto para a contagem do passo. Não obstante as dificuldades observadas na análise dos sinais de aceleração relativos à corrida, o algoritmo proposto mostrou bom desempenho, conseguindo valores próximos aos esperados. Os resultados obtidos permitem afirmar que foi possível atingir-se o objetivo de estudo com sucesso. Sugere-se, no entanto, o desenvolvimento de futuras investigações de forma a alargar estes resultados em outras direções.

Gait Analysis of Natural and Artificial Walking Systems

This paper studies periodic gaits of multi-legged locomotion systems based on dynamic models. The purpose is to determine the system performance during walking and the best set of locomotion variables. For that objective the prescribed motion of the robot is completely characterized in terms of several locomotion variables such as gait, duty factor, body height, step length, stroke pitch, foot clearance, legs link lengths, foot-hip offset, body and legs mass and cycle time. In this perspective, we formulate three performance measures of the walking robot namely, the mean absolute energy, the mean power dispersion and the mean power lost in the joint actuators per walking distance. A set of model-based experiments reveals the influence of the locomotion variables in the proposed indices.

Energy analysis of Multi-legged Locomotion Systems

4th International Conference on Climbing and Walking Robots - From Biology to Industrial Applications

Performance Issues in Biped Walking Robots

This paper presents the dynamic analysis of robotic biped systems. The main goal is to gain insight into the phenomena of walking and to evaluate its performance. In this study, we propose three methods to quantitatively measure the dynamic efficiency of walking: energy analysis, perturbation analysis and lowpass frequency analysis. In order to accomplish this goal, the prescribed motion of the biped is completely characterised in terms of a set of locomotion variables, namely: step lenght, hip height, hip ripple, hip offset, foot clearance and link lenghts. based on these variables and their influence, the performance measures aer discussed and the results compared with those observed in nature.