A system for the measurement of maximal power output on a custom-made ergometer

The goal of this project is to create a system for the Measurement of Maximal Power Output on a custom – made ergometer during an exercise of leg extension. The first part of the work was focused on the creation of a 3D model of the machine using CATIA V5R20. The mechanical power can be computed as the product of the torque and the angular speed. Three methods for the computation of the torque were analyzed: the first is based on the use of strain gauges on machine elements, the second uses a torsiometer on the ergometer shaft and the third ones uses a brake on machine flywheel. Given the design constraints, the best choice was the identification of the torque using strain gauges located on the machine. The position of the strain gauge was chosen using the Finite Element Method. Electrical strain gauges were located on the ergometer in order to measure the bending moment on the shaft. The system was calibrated in laboratory condition by applying known torques and reading the voltage at the output of a Wheatstone Bridge. The angular speed was measured by a potentiometer, that was mounted on an existing machine using a custom-made, 3D printer adapter. Measurements were performed using an Arduino microcontroller. The arduino code was developed in order to fulful the actual test protocol Leg Kick used at CNR – IBFM. The output is an Excel sheet on which torque, angle and power data are used to identify the Maximal Power Output on a custom – made ergometer.

L’obiettivo di questo progetto è quello di creare un sistema di misura della massima Potenza erogata durante un esercizio di estensione della gamba utilizzando un ergometro progettato appositamente per questo scopo. La prima parte del lavoro si è focalizzata sulla creazione del modello 3D della macchina tramite l’utilizzo di CATIA V5R20. La potenza meccanica può essere calcolata come il prodotto della coppia e della velocità angolare. Tre metodi per il calcolo della coppia sono stati analizzati: il primo si basa sull’uso di estensimetri sugli elementi macchina, il secondo usa un torsiometro sull’albero dell’ergometro e il terzo utilizza un freno sul volano della macchina. Considerati i vincoli di progettazione, la miglior scelta è stata quella di identificare la coppia usando estensimetri posizionati sulla macchina. La posizione dell’estensimetro è stata scelta utilizzando il Metodo degli Elementi Finiti. Gli estensimetri elettrici sono stati posizionati sull’ergometro per misurare il momento flettente sull’albero. Il sistema è stato tarato in condizioni di laboratorio applicando coppie note e leggendo la tensione in uscita da un ponte di Wheatstone. La velocità angolare è stata misurata da un potenziometro, che è stato montato sulla macchina esistente utilizzando un adattatore progettato su misura e stampato con una stampante 3D. Le misure sono state eseguite utilizzando un microcontrollore Arduino. Il codice Arduino è stato sviluppato per eseguire l’attuale protocollo per il test sulla Leg Kick utilizzata al CNR – IBFM. L’output è un foglio Excel sul quale i dati di coppia, angolo e potenza sono utilizzati per identificare la massima Potenza sviluppata su un ergometro.