c76ca89cc9
Smart bench press trainer with electric motor (M365 Pro). CAN Bus architecture: ESP32-S3 (master) + Flipsky 75100 (VESC) + STM32 Blue Pill (carriage). Co-Authored-By: Claude Opus 4.6 <noreply@anthropic.com>
160 lines
11 KiB
Markdown
160 lines
11 KiB
Markdown
# 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
|