Budowa Platformy Tensometrycznej

1. Wstęp

Platforma tensometryczna (force plate) jest urządzeniem pomiarowym wykorzystywanym w biomechanice, fizjoterapii oraz treningu sportowym do pomiaru sił reakcji podłoża. Niniejsze sprawozdanie przedstawia proces budowy prototypowej platformy tensometrycznej opartej na mikrokontrolerze ESP32 i czujnikach tensometrycznych (load cells).

Głównym celem projektu było stworzenie ekonomicznego urządzenia umożliwiającego pomiar wysokości skoku, czasu lotu, mocy oraz prędkości startu. Platforma komunikuje się z aplikacją desktopową poprzez port szeregowy, z planowaną przyszłą integracją Bluetooth.

Rys. 1. Gotowa, zamknięta platforma tensometryczna (prototyp na płycie OSB 1m × 1m)

2. Komponenty Sprzętowe

2.1. Czujniki Tensometryczne (Load Cells)

Tensometr (strain gauge) to czujnik elektryczny służący do pomiaru odkształceń mechanicznych. Zasada działania opiera się na zmianie rezystancji przewodnika przy jego rozciąganiu lub ściskaniu. Zależność tę opisuje wzór:

ΔR/R = GF · ε

gdzie: ΔR – zmiana rezystancji, R – rezystancja nominalna, GF – współczynnik czułości (gauge factor, typowo ~2), ε – odkształcenie względne

W projekcie wykorzystano 8 czujników tensometrycznych typu belkowego (identycznych jak w wagach łazienkowych), każdy o maksymalnym obciążeniu 50 kg. Łączna nośność platformy wynosi więc teoretycznie 400 kg. Czujniki rozmieszczone są w układzie ośmiokąta foremnego, co zapewnia równomierny rozkład obciążenia.

Rys. 2. Czujnik tensometryczny typu belkowego z plastikową obudową montażową

Rys. 3. Rozmieszczenie 8 czujników w układzie ośmiokąta

2.2. Mostek Wheatstone'a

Czujniki tensometryczne łączone są w konfigurację mostka Wheatstone'a, co pozwala na precyzyjny pomiar niewielkich zmian rezystancji. W projekcie zastosowano układ pełnego mostka składającego się z 4 par czujników:

Para górna-lewa (TL): Czujniki 1 i 2
Para górna-prawa (TR): Czujniki 3 i 4
Para dolna-lewa (BL): Czujniki 5 i 6
Para dolna-prawa (BR): Czujniki 7 i 8

Czujniki w parach połączone są równolegle. Pary następnie tworzą pętlę mostka poprzez połączenia lutowane przewodami 24AWG (przewody czarne poziomo, żółte pionowo). Sygnały czerwone prowadzą do wejść przetwornika ADC.

Rys. 4. Schemat elektryczny połączeń mostka Wheatstone'a z przetwornikiem CS1238 i ESP32

2.3. Przetwornik ADC CS1238

CS1238 to precyzyjny 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) zaprojektowany specjalnie do aplikacji wagowych. Kluczowe parametry:

Parametr	Wartość
Rozdzielczość	24 bity
Częstotliwość próbkowania	10 / 40 / 640 / 1280 Hz (programowalna)
Wzmocnienie (PGA)	1 / 2 / 64 / 128 (programowalne)
Napięcie zasilania	2.6V – 5.5V
Interfejs	Dwuprzewodowy (CLK + DATA)

W projekcie CS1238 skonfigurowano na częstotliwość 1280 Hz z wzmocnieniem PGA 128, co zapewnia wysoką rozdzielczość czasową niezbędną do precyzyjnego pomiaru dynamiki skoku.

Rys. 5. Moduł przetwornika CS1238

Rys. 6. Mikrokontroler ESP32 LOLIN32 Lite

2.4. Mikrokontroler ESP32

ESP32 to wydajny mikrokontroler dwurdzeniowy z wbudowanym WiFi i Bluetooth. W projekcie odpowiada za:

Odczyt danych z przetwornika CS1238 (GPIO18 – SCK, GPIO19 – DOUT)
Automatyczne tarowanie przy starcie (pomiar offsetu przez 2 sekundy)
Pomiar i raportowanie rzeczywistej częstotliwości próbkowania
Transmisję surowych danych przez port szeregowy (921600 baud)

Wszystkie obliczenia fizyczne (prędkość, moc, wysokość skoku) wykonywane są po stronie aplikacji desktopowej, co umożliwia elastyczne modyfikacje algorytmów bez konieczności przeprogramowania mikrokontrolera. ESP32 posiada wbudowany moduł Bluetooth, który zostanie wykorzystany w przyszłych wersjach do bezprzewodowej transmisji danych.

Rys. 7. Zbliżenie na podłączenie modułów: ESP32, CS1238, bateria LiPo 1000mAh

3. Algorytm Pomiaru Skoku

3.1. Maszyna Stanów

Oprogramowanie implementuje maszynę stanów obsługującą cały cykl skoku:

IDLE / WEIGHING: Oczekiwanie na stabilne obciążenie i automatyczny pomiar masy ciała
READY: Masa zmierzona, platforma gotowa do skoku
PROPULSION: Wykryto ruch – całkowanie sił w celu obliczenia prędkości
IN_AIR: Siła poniżej progu – faza lotu
LANDING: Lądowanie – zbieranie danych do wykresu mocy

3.2. Obliczenia Fizyczne

Wysokość skoku z czasu lotu:

h = (g · t²) / 8

gdzie: h – wysokość [m], g – przyspieszenie ziemskie (9.81 m/s²), t – czas lotu [s]

Prędkość startu z impulsu siły:

Podczas fazy propulsji (odpychania) system całkuje przyspieszenie wynikające z siły netto:

a = (F_netto) / m = ((F_mierzona - m·g)) / m

v(t) = ∫ a · dt

Prędkość w momencie oderwania (takeoff velocity) pozwala obliczyć wysokość metodą impulsową:

h_impulse = v² / (2g)

Moc chwilowa i uśredniona:

P(t) = F(t) · v(t)

P_avg = (1/n) · Σ P(t)

System rejestruje również moc szczytową (peak power) oraz stosuje wzory empiryczne Haramana i Sayersa do walidacji wyników.

4. Aplikacja Desktopowa

Aplikacja napisana w Python (PyQt5) umożliwia wizualizację danych w czasie rzeczywistym oraz analizę zarejestrowanych skoków. Główne funkcje:

Wykres siły, prędkości i mocy w funkcji czasu
Automatyczny pomiar masy ciała
Tarowanie i kalibracja platformy
Historia skoków z zapisem do bazy danych SQLite
Różne tryby pracy: Single Jump, Jump Estimation, Contact Time

Rys. 8. Zrzut ekranu aplikacji – analiza pojedynczego skoku z wykresem siły, prędkości i mocy

5. Komunikacja

Obecnie platforma komunikuje się z komputerem poprzez port szeregowy USB (baud rate 921600). Mikrokontroler przesyła surowe dane pomiarowe w formacie JSON:

        {"w":156234,"t":1234567890} – surowa wartość obciążenia z timestampem (mikrosekundy)
    

Aplikacja desktopowa odbiera te dane i wykonuje wszystkie obliczenia fizyczne (prędkość, moc, wysokość) lokalnie, co pozwala na elastyczność algorytmów i łatwe wprowadzanie poprawek bez konieczności aktualizacji firmware'u mikrokontrolera.

W przyszłości planowana jest komunikacja bezprzewodowa poprzez Bluetooth Low Energy (BLE) wbudowany w ESP32, co umożliwi pełną mobilność urządzenia zasilanego baterią LiPo.

6. Podsumowanie

Zbudowany prototyp platformy tensometrycznej stanowi funkcjonalne urządzenie do analizy skoków. Kluczowe osiągnięcia projektu:

Częstotliwość próbkowania 1280 Hz zapewniająca wysoką rozdzielczość czasową
Automatyczny pomiar masy ciała z detekcją stabilności
Całkowanie impulsowe do obliczenia prędkości i wysokości skoku
Wizualizacja danych w czasie rzeczywistym

Dalsze plany rozwoju obejmują: konstrukcję metalową zamiast OSB, zastosowanie przemysłowych czujników tensometrycznych o wyższej precyzji oraz pełną integrację komunikacji Bluetooth. Najnowszą wersję kodu źródłowego można znaleźć na GitHubie.