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G. Feik:
"Messeinrichtung zur indirekten Bestimmung dreidimensionaler Belastungen an Fahradpedalen";
Supervisor, Reviewer: J. Wassermann, K. Hoffmann; Inst. für Mechanik und Mechatronik, 2005; oral examination: 2005-11-10.

The goal of this work was the development of a force and torque measuring device for a special bike (recumbent bicycle). Using functional electrical stimulation (FES) of the leg muscles, a paraplegic test person should be able to cycle. The stimulation
patterns for the different muscle groups which are activated, depend mainly on the crank angle. Furthermore the general and the actual personal condition of fitness (physical fatigue) have to be taken into account to generate the correct stimulation patterns. The measured pedal forces and torques generated by the paraplegic during cycling provide important information for the online adaptation of the stimulation patterns. In this work, two prototypes for an indirect 3D force measuring device were developed and built. The measuring device has to detect three forces and two torques acting upon each pedal. The measuring principle is based on the detection of reaction forces generated on the pedals (rotating system) during cycling on the non rotating system inside the bottom bracket of the bicycle frame.
The first prototype was a promising concept for a compact, robust measuring system on the basis of strain gauges. The indirect measurement of the pedal loads was complicated by disturbances from the chain, the chain protection tube and nonlinear force transmission of the ball bearings. At some special combinations of loads and the crank angle the compensation algorithm for the mentioned disturbances led to uncertain results for the pedal loads. Finally the accuracy for all pedal loads and crank angles could not meet the requirements that were necessary. The second prototype was developed with an improved design concept to avoid the disturbances acting within the first prototype. All in all 24 measuring signals (12 on each pedal side) are detected with strain gauges. The calibration is accomplished by a dynamic calibration with an electrodynamic exciter and a special calculation algorithm. By the aid of the four measurement matrixes for each side, the axial, radial and tangential forces as well as the radial and tangential torques are calculated for each pedal separately. The results of measurements show similar accuracy compared to known measurement principles on the rotating system in literature (direct measurement principle on the pedals, indirect measurement on the crank). Using the indirect measuring principle no multi channel data transfer system from the rotating system to the stationary system is needed (disadvantages: costs, need for extra space and energy, additional rotating masses). Due to mechanical stops all force probes are protected against overload or demolition. The danger of an
erroneous detection and therefor uncontrolled force and torque values during cycling is eliminated, yielding in a safety control of the FES to prevent overload lesions of the lower limbs.

Ziel dieser Arbeit war es es, eine Kraft- und Momentenmesseinrichtung für Pedalbelastungen eines spezielles Fahrrades (Dreirad) zu entwickeln, das Querschnittgelähmten unter Anwendung der funktionellen Elektrostimulation eigenständiges Rad fahren ermöglichen soll. Die zu generierenden Stimulationssignale zur Aktivierung der verschiedenen Beinmuskeln sind in erster Linie von der Winkelstellung der Tretkurbeln und der Trittfrequenz abhängig. In weiterer Folge müssen die Stimulationsparameter auch an die generelle Leistungsfähigkeit des Paraplegikers (Trainingszustand) und an seine aktuelle Tagesverfassung (z.B. Ermüdungszustand) angepasst werden. Eine wichtige Basis für diese Anpassungen ist die Erfassung der vom Paraplegiker beim Treten aktuell aufgebrachten Pedalkräfte und -momente. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Prototypen einer indirekten 3D-Kraft- und Momentenmesseinrichtung mit hoher Messempfindlichkeit entwickelt und gebaut. Als Messprinzip wurde die indirekte Kraft- und Momentenmessung an nichtrotierenden Systemkomponenten für diese Problemstellung ausgewählt. Von den Messeinrichtungen werden jeweils drei Kräfte und zwei Momente pro Pedal erfasst. Die Messung beruht auf der Auswertung der von den Pedalbelastungen hervorgerufenen Abstützkräfte zwischen Tretlager und Fahrradrahmen. Die erste Konstruktion war ein viel versprechendes Konzept für die indirekte Messung der Pedalkräfte und -momente im Tretlager auf der Basis von Dehnmessstreifen, entkoppelt für die jeweilige Pedalseite. Die verschachtelte Bauweise ergab ein äußerst kompaktes Messsystem mit nur wenig größeren Abmessungen als bei einem normalen Tretlager. Durch das massive Gehäuse war es mechanisch robust und von äußeren Einflüssen geschützt. Die Ermittlung der Pedalbelastungen aus den Messsignalen wird durch die Kombination
von vorhandenen Störeinflüssen (Kettenkraft, Reibung in der Kettenführung(Kettenschlauch), nichtlineare Effekte der Kraftübertragung der Kugellager) erheblich beeinflusst. Die sich bei einzelnen, speziellen Kombinationen von Belastung und Winkelposition der Tretkurbel nicht eindeutig korrigierbaren Messergebnisse führen
zu einer unzuverlässigen Bestimmung der Pedalbelastungen durch das Berechnungsprogramm. Dadurch wird die Genauigkeit der Berechnung der Pedalbelastungen über den ganzen Winkelbereich der Tretkurbel den gestellten Ansprüchen nicht gerecht. Beim zweiten, verbesserten Messkonzept werden die identifizierten Störeinflüsse der Kraftberechnung des ersten Prototyps vermieden und noch einige weitere
Verbesserungen verwirklicht. Für die Berechnung der Kalibrierparameter wurde ein spezielles Kalibrierprogramm, basierend auf LabVIEW, entwickelt, welches eine weitgehend einfache und effiziente Vorgehensweise bei der dynamischen Kalibrierung mit einem elektrodynamischen Schwingerreger ermöglicht. Mit vier generierten Messmatrizen pro Seite des Messsystems werden aus 12 Einzelsignalen der Messbrücken die Belastungen Frad, Ftan, Fax, Mrad und Mtan der jeweiligen Pedalseite berechnet. Die Messergebnisse mit dieser Messeinrichtung zeigen eine vergleichbare Genauigkeit mit aus der Literatur bekannten Messprinzipien, die direkt in den Pedalen oder indirekt auf den Tretkurbeln (am rotierenden System) die auftretenden Kräfte und Momente erfassen.
Neben dem Vorteil, dass kein Mehrkanal-Übertragungssystem (z.B. Telemetriesystem) für die Messdaten erforderlich ist (Nachteile: Kosten, Platz- und Energiebedarf, zusätzliche rotierende Massen), konnte die neu entwickelte indirekte 3D-Kraftund Momentenmesseinrichtung durch mechanische Anschläge sehr wirksam gegen
Überbelastungen (Stöße, seitliches Anstreifen der Pedale, etc.) geschützt werden. Eine unbemerkte Verstimmung der empfindlichen Messstege ist damit ausgeschlossen. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass keine fehlerhaft gemessenen und somit unkontrollierten Kräfte und Momente während der funktionellen Elektrostimulation auftreten. Zum Schutz des Paraplegikers vor unkontrollierten Überbelastungen der unteren Extremitäten wird über eine "Notaus-Schaltung" die Elektrostimulation sofort beendet, wenn Grenzwerte der Pedalbelastung überschritten werden.

Project Head Johann Wassermann:
FES - Entwicklung eines Trainingsfahrrades für Paraplegiker