# PULSEGRID F01 — инженерная спецификация

Версия: 0.3  
Дата: 2026-08-11  
Статус: концепция и программа прототипирования; не производственная документация и не медицинское заключение.

## 1. Цель

Создать устройство под две стопы, способное воспроизводить точечное и распределённое нажатие одной и той же сплошной матрицей независимо управляемых вертикальных толкателей. Пользователь формирует жест давления руками на контроллере. Система преобразует его в безопасную карту целевых сил под стопой.

## 2. Неподлежащие изменению принципы

1. Под каждой стопой находится сплошная адресная матрица.
2. Каждый толкатель сохраняет собственную координату и перемещается только вертикально.
3. У каждой точки — индивидуальная команда силы и обратная связь либо независимый физический предел.
4. Площадь контакта одного наконечника не превышает 50 мм². Для круглого наконечника это примерно Ø8 мм.
5. Широкое давление формируется только программной группировкой точек с нормализацией суммарной силы и плавными краями.
6. Запрещены общие пневмоподушки, надувные зоны, ролики, XY-каретки, перемещаемые массажные головки и толстая общая мембрана.
7. При потере питания, heartbeat или достоверности датчика целевая сила становится нулевой. Повторный запуск — только после ручного подтверждения.
8. Стопа должна освобождаться без инструмента.

## 3. Геометрия матрицы

| Параметр | P0/P1 | Полная MVP-стопа | Целевая серия |
|---|---:|---:|---:|
| Диаметр наконечника | 8 мм | 8 мм | 6–8 мм |
| Площадь контакта | ≤50 мм² | ≤50 мм² | ≤50 мм² |
| Шаг сетки | 10 мм | 9–10 мм | 7–8 мм |
| Точек | 1 / 16 | 256–320 / стопа | 400–500 / стопа |
| Рабочий ход | 0–5 мм | 0–5 мм | 0–8 мм |
| Управляемая сила | 0,3–5 Н | 0,3–5 Н | 0,2–8 Н* |
| Жёсткий предел | ≤8 Н* | ≤8 Н* | по risk assessment |

\* Значения являются инженерными целями стенда. Они не подтверждены как безопасные для человека.

## 4. Картридж одной точки

Сверху вниз:

1. Сменный наконечник из силикона 30–50 Shore A.
2. Жёсткая направляющая и индивидуальный мягкий воротник.
3. Шток с защитой от боковой нагрузки.
4. Последовательный упругий элемент.
5. Датчик силы: FSR 400 для быстрого P0/P1; пружина + магнит + линейный Hall для серийной ветки.
6. Исполнительный механизм.
7. Ограничитель хода и независимый физический предел силы.
8. Возвратная пружина либо резерв энергии для втягивания.
9. Уплотнение от пота и загрязнений.
10. Индивидуальная калибровочная запись.

Концептуальный разрез: [`../assets/cartridge-section.svg`](../assets/cartridge-section.svg).

## 5. Две ветки привода

### A. Индивидуальная пневматика

Базовая схема P1: регулируемая общая магистраль → нормально безопасный 3/2 клапан → калиброванный дроссель → микроцилиндр с пружинным возвратом → последовательная пружина → датчик → наконечник.

Проверяются обе схемы:

- 1 клапан на точку: подача при включении, сброс при выключении, PWM для регулирования;
- 2 клапана на точку: отдельные впуск и выпуск, удержание при двух закрытых клапанах.

Клапаны располагаются непосредственно под модулем. К матрице приходят только общая подача, общий сброс, питание и CAN. Запрещены 300 длинных индивидуальных трубок от центрального блока.

### B. Винтовая электромеханика

Ø8–10 мм шаговый мотор → мелкошаговый винт → самотормозящаяся передача → последовательная пружина → датчик деформации → наконечник. Обязательны аппаратный limit тока и отдельный путь аварийного втягивания.

### Правило выбора

Тип привода выбирается только по одинаковому 4×4 A/B-стенду. Измеряются минимальная и максимальная сила, плавность, задержка, dBA, температура, масса, стоимость, ресурс, плотность, энергия, поведение при потере питания и сложность масштабирования до 300 точек.

## 6. Модуль 4×4

Модуль содержит:

- 16 картриджей;
- 16 или 32 клапана в пневматической ветке;
- внутренний коллектор с общей подачей и сбросом;
- локальный MCU, АЦП/мультиплексирование, драйверы;
- CAN FD, уникальный ID и EEPROM калибровки;
- датчик температуры и аппаратный watchdog;
- аппаратный вход аварийного останова;
- питание 24 В и локальные DC/DC;
- механические базы и разъёмы для замены модуля без разборки всей стопы.

Компоновка: [`../assets/module-4x4.svg`](../assets/module-4x4.svg).

## 7. Ручной контроллер

Alpha-контроллер — стопообразный предмет для двух рук:

- 64–96 сенсоров давления с шагом 10–15 мм;
- частота опроса ≥50 Гц;
- жёсткая задняя часть и мягкое рабочее покрытие;
- USB-C; BLE допускается как дополнительный, но не единственный канал;
- кнопка записи, виброотклик;
- физическая кнопка немедленного снятия давления;
- режимы: левая, правая, синхронно, зеркально, попеременно.

## 8. Алгоритм карты силы

Контроллер формирует `H(x,y,t)`. Для точки `i`:

```text
F*i = H(xi, yi, t) × Ai × G
Fsum = Σ F*i
k = min(1, Fmax_foot / Fsum)
Fi = clamp(k × F*i, 0, Fmax_point)
```

После этого применяются:

- ограничение градиента между соседями;
- ограничение `dF/dt` вверх и вниз;
- ограничение длительности непрерывного давления;
- проверка суммарной силы и числа сильных точек;
- индивидуальная калибровка;
- проверка положения стопы;
- диагностика сенсора и температуры.

## 9. Три режима

1. **Заводской:** последовательность нормализованных полей силы.
2. **Реальное время:** карта рук преобразуется в новый вектор `F[1…N]` с началом реакции целевым образом до 100 мс.
3. **Запись:** хранится временная последовательность карт силы, не шаги моторов и не PWM клапанов. При воспроизведении заново применяются все текущие лимиты, профиль пользователя и калибровка устройства.

## 10. Безопасность

Минимум три независимых ограничения точки:

1. программная команда;
2. фактическое измерение силы;
3. физический предел: давление/ток, hard stop и податливость.

Системный fault возникает при: timeout heartbeat, выходе силы/температуры за пределы, неправдоподобном датчике, потере CAN, движении стопы, аппаратном E-STOP или внутреннем watchdog reset.

Реакция: `Ftarget = 0` → аппаратный vent/retract → фиксация fault log → запрет автоматического старта. Пассивная перемычка остаётся механически открываемой.

## 11. Программа прототипов

| Этап | Объём | Gate |
|---|---:|---|
| P0 | 1 точка | сила, пятно, задержка, температура, шум, аварийный возврат и ≥100k циклов |
| P1 | 4×4 | A/B приводов; точка, линия, круг, пятно, градиент, волна |
| P2 | 8×8 | контроллер, CAN, синхронизация, нормализация ΣF, ощущение широкого нажатия на механическом/искусственном стенде |
| P3 | 1 стопа, 256–320 | три режима, пассивная фиксация, E-STOP, модульная замена |
| P4 | 400–500 | строгая ячейка 0,5 см², кастомный картридж и электроника |
| S1 | 2 стопы | ресурс, промышленный корпус, EMC и выбранный регуляторный маршрут |

До прохождения стендовой оценки рисков и профильной экспертизы испытания на человеке не являются частью P0–P2.

## 12. Definition of Done полного продукта

- две сплошные адресные матрицы;
- независимые точки с наконечником ≤50 мм²;
- одновременно работают десятки и сотни точек;
- широкое давление формируется только программно и не увеличивает неконтролируемо суммарную силу;
- работает сглаживание краёв;
- работают контроллер и три режима;
- запись хранит карты давления;
- отказ питания снимает давление;
- стопа освобождается без инструмента;
- полноразмерная версия собрана из заказываемых компонентов либо модулей, изготовленных по переданным чертежам;
- выпущены CAD, схемы, прошивки, BOM, калибровка и отчёты испытаний.

## 13. Проверенные источники компонентов

- [SMC CJP2/CJP pin cylinder catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/actuator/CJP2-CDJP2-CJP-E/7-3-2-p0039-0057-CJP2-CJP_en/data/7-3-2-p0039-0057-CJP2-CJP_en.pdf)
- [Festo AEN-S compact single-acting cylinder](https://www.festo.com/media/pim/923/D15000100198923.pdf)
- [SMC S070 7 mm 3-port valve](https://ca01.smcworld.com/catalog/en/directional/S070-E/6-1-2-p1369-1388-s070_en/data/6-1-2-p1369-1388-s070_en.pdf)
- [Interlink FSR 400](https://www.interlinkelectronics.com/fsr-400)
- [TI DRV5055 linear Hall sensor](https://www.ti.com/product/DRV5055)
- [FAULHABER AM0820 stepper motor](https://eshop.faulhaber.com/en/AM0820/Serie-AM0820)
- [ST STM32G4x1 MCU family](https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32g4x1.html)

Наличие, цена, точный suffix артикула и соответствие региональным требованиям проверяются непосредственно перед закупкой.