smart-trainer/SPEC.md

Умный тренажёр для жима лёжа — Спецификация проекта

Концепция

Уличный тренажёр с электронным управлением нагрузкой. Мотор-колесо Xiaomi M365 Pro работает как управляемый тормоз/генератор через барабан кабестана. Нагрузка регулируется током VESC-контроллера (FOC). Питание от сети 220В + батарея-буфер для рекуперации и UPS.

Мотор M365 Pro — паспортные данные

• Kt = 0.511 Н·м/А (моментная постоянная)
• Ke = 0.511 В/(рад/с) (противо-ЭДС)
• R = 0.392 Ом (сопротивление обмоток)
• KV = 16.67 об/(мин·В)
• 15 пар полюсов, Hall-сенсоры встроены (U/V/W + 5V + GND)
• NTC 10K термистор встроен
• Outrunner — ротор снаружи

Барабан кабестана

• Диаметр: D = 30мм (оптимальный выбор по расчёту)
• Материал: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т
• 3 канавки под трос D4мм, шаг 6мм, глубина 2мм (полукруглый профиль R2)
• Крепление: фланец к ободу ротора (outrunner)
• Кабестан: 3 витка, μ=0.25 (сталь-полимер), коэффициент удержания e^(0.25×6π) = 14.1
• Свободный конец троса → пружина-натяжитель 1-2 кг

Нагрузки на барабане D30мм

Ток (А)	Сила (кг)	Режим
20	65	лёгкий
30	100	рабочий (подход 30с)
40	135	пик (3-5с)
50	170	абсолютный максимум

Электроника — CAN Bus архитектура (3 узла)

CAN узел #1: Flipsky 75100 Pro V2 (ID: 10)

• VESC 6.0, 100А длительно, 84В макс
• FOC current control
• BT встроен (VESC Tool настройка по Bluetooth)
• Фазный EMI фильтр на плате
• CAN 2.0B встроен
• Стоимость: ~$90
• Расположение: низ рамы, в электрощите
• Отдаёт: ERPM, I_mot, T_mot, V_bat (100 Гц)
• Принимает: set_current(I_ref) от ESP32

CAN узел #2: Waveshare ESP32-S3 Touch LCD 3.5" (ID: 20) — МАСТЕР

• ESP32-S3R8, двухъядерный LX7 240МГц
• 3.5" IPS тачскрин 320×480, ёмкостный (ST7796 + FT6336)
• QMI8658 6-осевой IMU на плате (бортовой, для диагностики вибраций)
• PCF85063 RTC часы реального времени
• AXP2101 управление питанием + зарядка Li-ion
• TF-карта слот (логирование тренировок)
• WiFi 802.11 b/g/n + BLE 5
• TWAI (CAN) контроллер встроен в ESP32-S3
• Стоимость: ~$20
• Расположение: верхняя перекладина рамы, тачскрин к спортсмену
• Подключение к CAN через внешний трансивер SN65HVD230 ($1)
• Дополнительная периферия (локально на ESP32):
  • Концевики ×2 (GPIO, НЗ, pull-up 10K, RC-фильтр 1К+100нФ)
  • RC522 NFC (SPI, идентификация пользователей)
  • BLE → смартфон (настройки, статистика)

CAN узел #3: STM32F103C8T6 Blue Pill (ID: 30) — КАРЕТКА

• Cortex-M3, 72МГц, CAN 2.0B встроен
• Стоимость: ~$2
• Расположение: на каретке штанги (движется)
• Подключение к CAN через SN65HVD230 ($1)
• Локальные датчики:
  • MPU6050 (I2C): 6-осевой IMU, 200 Гц, ускорение + гироскоп
  • HX711 + тензодатчик S-тип 200кг (GPIO): реальная сила на тросе, 80 Гц
• Тензодатчик inline: между кареткой и точкой крепления троса
• Кабель к основной шине: 4 провода (CAN_H, CAN_L, 5V, GND), гибкий шлейф вдоль направляющей
• Отдаёт: accel[3], gyro[3], force_N (200 Гц)

CAN шина

• Стандарт: CAN 2.0B, 250 Кбит/с
• Топология: линейная, витая пара
• Терминаторы: 120Ω на обоих концах (ESP32 сверху, VESC снизу)
• Blue Pill — отвод к каретке (без терминатора, посередине шины)
• Загрузка шины: ~30%, запас для расширения
• Протокол: VESC CAN (стандартные команды set_current, get_values, status msgs)

Питание

• Сеть 220В → вводной щит (автомат + УЗО) → БП 48В
• Батарея 48В 100-250Вт·ч (буфер рекуперации + UPS)
  • Заряд до 90% (50.4В на 13S), оставляя буфер для рекуперации
• DC-DC 48В → 5В для логики, LDO 3.3В на каждом узле
• Тормозной резистор: 100-200Вт, 1-5Ом, через MOSFET
  • Сброс излишков рекуперации при полной батарее
  • Flipsky 75100 поддерживает brake resistor нативно (настройка порога в VESC Tool)
  • Расположение: в щите или на раме (нужна вентиляция)

Безопасность — аппаратная цепь

• ESP32 GPIO → Watchdog (555/TPL5010, 50мс) → реле НЗ → замыкание обмоток мотора
• Реле: 3× автомобильных НЗ 40А, катушки параллельно ИЛИ трёхфазный контактор НЗ на DIN-рейку в щите
• Логика: ESP32 генерирует импульсы ~100Гц → watchdog сбрасывается. Сбой/зависание → watchdog timeout 50мс → реле отпускает → НЗ контакты замыкают три фазы → электромагнитное торможение
• Тормозная сила при замкнутых обмотках: F = Kt² × v / (R × r²). При 0.5 м/с → ~150 кг
• Опционально: резистор 0.1-0.3Ω / 100Вт в цепи замыкания для смягчения торможения
• Софтовый лимит позиции по ERPM (дополнительно к аппаратному)
• VESC: max input voltage лимит (ослабление рекуперации при высоком напряжении)

Концевики

• Нижний: homing (нулевая точка отсчёта позиции)
• Верхний: аварийный стоп
• НЗ контакты, pull-up 10K к 3.3В
• RC-фильтр: 1К + 100нФ на входе GPIO ESP32 (τ = 0.1мс, подавление наводок)
• Debounce программный: 10-20мс
• Подключены напрямую к GPIO ESP32 (бинарный сигнал, помехозащита RC-фильтром достаточна)

Механика

• Рама: профиль 80×80×4мм, сталь 09Г2С, сварная
• Высота стоек ~1200мм, ширина между стойками ~340мм, глубина ~700мм
• Анкеры 4×M12 в бетон
• Направляющие: 2 вала D25мм, сталь 40Х хромированная, длина 900мм
• Линейные подшипники LM25UU ×4 на каретке
• Ход каретки: 650мм
• Каретка: масса 8кг (с грифом), крепление троса снизу через тензодатчик
• Компенсация веса каретки: противовес 8кг на тросе через ролик наверху (груз в стойке: стальной цилиндр D60×300мм)
• Трос: D4мм, сталь в полимерной оболочке, разрывная нагрузка 8000Н
• Путь троса: каретка → тензодатчик (inline) → вниз → ролик D60мм (подшипник 6201-2RS, поворот 90°) → горизонтально к барабану мотора → 3 витка → пружина-натяжитель
• Мотор: закреплён за ось внизу рамы, антивандальный кожух сталь 2мм
• Вводной щит 220В: на раме или рядом (DIN-рейка: автомат, УЗО, БП 48В, контактор НЗ, тормозной резистор)
• Электроника: IP54 бокс (VESC, DC-DC, Watchdog) внизу рамы / в щите
• Батарея: IP67 бокс
• Габариты: Ш×Г×В ≈ 800×700×1250мм

Режимы нагрузки

1. Постоянная: фиксированный ток, опц. виртуальная инерция (F = m_virtual × a)
2. Эксцентрический: разная нагрузка вверх/вниз (направление по ERPM)
3. Аккомодационное: F(x) = F_min + (F_max - F_min) × x / L
4. Интервальный: чередование нагрузок по повторениям
5. Изокинетический: постоянная скорость, VESC speed control
6. Страховщик: v_up < 0.05 м/с > 0.5с → снизить 30%; v_down > 0.7 м/с > 0.3с → аварийное торможение

BOM (оценка)

Компонент	Стоимость
Waveshare ESP32-S3 LCD 3.5"	~$20
Flipsky 75100 Pro V2	~$90
Blue Pill STM32F103	~$2
SN65HVD230 ×2	~$2
MPU6050 + HX711 + тензодатчик S-тип 200кг	~$10
3× реле НЗ 40А / контактор НЗ	~$15
Watchdog 555 + обвязка	~$2
RC522 NFC	~$3
Концевики ×2	~$2
DC-DC 48→5V	~$5
Тормозной резистор 100Вт + MOSFET	~$5
Батарея 48V 100-250Вт·ч	~$100-150
БП 48В от сети	~$25
Мотор M365 Pro (б/у)	~$60
Рама + направляющие + механика	~$120
Щит 220В (автомат + УЗО)	~$20
ИТОГО	~$480-530

Файлы проекта

• SPEC.md — этот файл
• CHANGELOG.md — история решений
• wiring.html — схема подключения (модульная, CSS grid)
• (будущее) firmware/ — прошивки ESP32, STM32
• (будущее) cad/ — чертежи барабана, каретки, рамы