Kabelmanagement und der Kabelbaum

Ein gehender Roboter schüttelt, biegt und knickt seine eigene Verkabelung tausende Male pro Stunde. Die meisten Ausfälle bei Hobbyrobotern sind keine gebrochenen Teile, sondern eine durchgescheuerte Leitung, ein gelockerter Kontakt oder ein Draht, der neben einem Gelenk in seiner Isolierung gebrochen ist. Diese Seite erklärt, wie ein Kabelbaum gegen diese Ausfälle ausgelegt wird: wie dick jeder Draht sein muss, was eine Sicherung wirklich schützt, wie viel Spiel ein Kabel braucht, um ein bewegliches Gelenk zu überqueren, wie man Drähte biegt, bündelt und anschließt und was die CAD-Prüfung beweisen kann und was nicht. Jede Regel wird an der Zuschnittliste von Strido durchgerechnet.

In Strido

Maßgebliche Quelle: hardware/wiring.yaml benennt jedes Kabel W00–W23 und die zwölf Servokabel (S-leg-joint), den Steckverbinder an jedem Ende, die Befestigungspunkte, die es passiert, und das Drahtmaterial. strido_cad.wiring verlegt sie im CAD; python -m strido_verify.wiring prüft sie und schreibt die Verkabelungsprüfung mit der Zuschnittliste. Nennwerte und Sicherungen stehen in hardware/electronics.yaml. Die Baureihenfolge steht in Elektronik, Verkabelung und Versorgung und in den Montageschritten 14–17 (sowie den Schalenschritten 18–22) der Montageanleitung. Entscheidung: ADR-011.

Warum überhaupt einen Kabelbaum auslegen?

Die frühere Verkabelung des Roboters war eine Liste mit geschätzten Längen. Sobald jedes Kabel im CAD modelliert war, zeigte sich, dass die Liste echte Mängel verbarg (ADR-011): Der Hauptsicherungshalter ließ 4 mm für eine 14-AWG-Leitung, die sich nicht so eng biegen lässt; Dupont-Gehäuse passten weder auf die IMU (2,5 mm unter dem Pi) noch auf die XIAO-Pins (9 mm unter dem oberen Schulterrahmen); die Drähte vom XIAO zum PCA9685 brauchten etwa 0,3 m statt 0,1 m; und ein 60 mm langer 18-AWG-Abgriff lag allein hinter der 25-A-Sicherung. Nichts davon zeigt sich auf dem Papier. Alles davon zeigt sich beim echten Aufbau, meist als späte Überraschung.

Ein Kabelbaum wird gegen die Arten ausgelegt, auf die Verkabelung in einer gehenden Maschine versagt:

Ausfall	Was passiert	Konstruktive Antwort
Scheuern	ein Kabel reibt an einem beweglichen Horn, einer Koppel oder Schalenkante, bis die Isolierung durchgescheuert ist und der Leiter kurzschließt	entlang der Struktur verlegen, fern von allem, was sich bewegt; Spiralschlauch an Bündeln; Freigang über die Gelenkbereiche prüfen
Reibkorrosion am Steckverbinder	Vibration lässt zwei gesteckte Kontakte um Mikrometer gleiten; die Beschichtung verschleißt, Oxid baut sich auf und der Kontakt wird zeitweise unterbrochen	weniger Steckverbinder; rastende oder klemmende Kontakte; das Kabel so binden, dass sein Gewicht nicht am Kontakt hängt
Biegeermüdung	ein an einer Stelle hin und her gebogener Draht bricht Litze für Litze in intakter Isolierung	Gelenke nahe ihrer Achse mit einer freien Schlaufe überqueren; steife Stellen (Lotdurchtränkung) neben einem sich biegenden Abschnitt vermeiden
Quetschen	ein Kabel wird zwischen zwei sich schließenden Teilen eingeklemmt, etwa wenn ein Bein gegen den Körper klappt	jedes Kabel aus dem Volumen heraushalten, das die Beine überstreichen
Hitze	ein unterdimensionierter Draht erwärmt sich mit $P=I^{2}R$; die Isolierung erweicht; bei einem Kurzschluss kann er brennen	jeden Draht für seinen Strom auslegen; unterhalb dessen absichern, was er tragen kann

Der Rest der Seite geht diese Punkte nacheinander durch.

Leiterquerschnitt

Strombelastbarkeit

Die Strombelastbarkeit eines Drahts ist der Strom, den er dauerhaft führen kann, ohne dass seine Isolierung zu heiß wird. Sie hängt vom Kupferquerschnitt, der Temperaturklasse der Isolierung, der Umgebungstemperatur und davon ab, wie gut der Draht Wärme abgeben kann: Ein Draht allein in freier Luft trägt mehr als derselbe Draht in einem engen Bündel (allgemein; veröffentlichte Tabellen setzen Bündel herab). Strido verwendet für kurze Leitungen im Chassis bewusst konservative Werte (wire_ampacity_a in hardware/electronics.yaml):

Querschnitt	Kupferfläche (ca.)	Widerstand (ca.)	Verwendete Belastbarkeit	Verwendet in Strido für
14 AWG	$2.1{\mathrm{mm}}^2$	$8.3\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}$	32 A	Akku-Hauptleitung W01–W04
18 AWG	$0.82{\mathrm{mm}}^2$	$21\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}$	16 A	UBEC-Ausgänge W05/W06, Bus-Brücken W07/W08, Logikzweig W09–W11, Logikmassen W24, W04/logic
22 AWG	$0.33{\mathrm{mm}}^2$	$53\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}$	7 A	5-V-Versorgung des Pi W12, Servokabel, I²C- und OE-Drähte W17/W20, Taster W13

Die Prüfung python -m strido_verify.electronics liest die Leistungskabel aus hardware/wiring.yaml und prüft den Strom jedes Kabels im ungünstigsten Fall gegen diese Tabelle: Zum Beispiel führt W05 die 10 A Dauerstrom des UBEC auf 18 AWG ($10\le 16$), und W12 führt 1,6 A pro 22-AWG-Draht ($1.6\le 7$).

Widerstand und Spannungsabfall

Der Widerstand eines Leiters wächst mit seiner Länge $L$ und sinkt mit seinem Querschnitt $A$:

$$R=\frac{\rho L}{A},{\rho }_{\mathrm{Cu}}\approx 1.72\times {10}^{-8}\mathrm{\Omega }\mathrm{m}$$

Der Strom fließt auf einem Leiter hin und auf dem anderen zurück, daher verliert ein Versorgungspaar

$$\mathrm{\Delta }V=I\cdot 2R,P=I^2\cdot 2R$$

W05, vorderer UBEC zum vorderen WAGO-Bus: 18-AWG-Paar, verlegt 190 mm, zugeschnitten 222 mm. Nimmt man die volle Zuschnittlänge als Kupfer im Stromkreis (eine Obergrenze) beim Dauernennstrom des UBEC von 10 A:

$$R=0.222\mathrm{m}\times 21\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}\approx 4.7\mathrm{m}\mathrm{\Omega }\text{per conductor}$$$$\mathrm{\Delta }V\approx 10\mathrm{A}\times 2\times 4.7\mathrm{m}\mathrm{\Omega }\approx 93\mathrm{mV},P\approx (10\mathrm{A}{)}^2\times 9.3\mathrm{m}\mathrm{\Omega }\approx 0.93\mathrm{W}$$

Das sind etwa 1,6 % der 6,0-V-Schiene: akzeptabel.

W12, Spannungsregler zum Pi: 22 AWG, verlegt 104 mm, zugeschnitten 123 mm, zwei Drähte pro Schiene mit je 1,6 A:

$$R=0.123\mathrm{m}\times 53\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}\approx 6.5\mathrm{m}\mathrm{\Omega },\mathrm{\Delta }V\approx 1.6\mathrm{A}\times 2\times 6.5\mathrm{m}\mathrm{\Omega }\approx 21\mathrm{mV}$$

Klein, aber auch die Reserve des Pi ist klein: Der Spannungsregler liefert möglicherweise nur 4,8 V, und der Pi meldet Unterspannung unter 4,63 V (Versorgung). Deshalb verwendet W12 zwei Drähte pro Schiene und wird kurz gehalten.

Absicherung: Eine Sicherung schützt den Draht

Eine Sicherung schützt nicht die Platinen des Roboters. Sie schützt den Draht dahinter im Fehlerfall vor Überhitzung. Sie muss daher auslösen, bevor der schwächste Draht, den sie abdeckt, überhitzt, und darf bei normaler Last nicht auslösen:

$$I_{\mathrm{load}}\le I_{\mathrm{fuse}}\le I_{\mathrm{wire},\min }$$

wobei $I_{\mathrm{wire},\min }$ die Strombelastbarkeit des dünnsten Drahts irgendwo hinter dieser Sicherung ist. Die zwei Sicherungen von Strido (fuses in hardware/electronics.yaml):

Sicherung	Nennwert	Schützt	Dünnster Draht dahinter	Last im ungünstigsten Fall
Haupt (ATO)	25 A	W02, W03, W04/front, W04/rear	14 AWG, 32 A	23,6 A (Servozweig ≈ 21 A bei leerem Akkupack + Logik)
Logik (ATO)	7,5 A	W09, W10, W11, W24, W04/logic	18 AWG, 16 A	2,74 A

W04/logic und W24 sind die Masserückleitungen des Logikzweigs. Im Normalbetrieb führen sie denselben Strom wie die Logikversorgung, daher begrenzt die Logiksicherung ihn und sie dürfen 18 AWG haben. Die Grenze betrifft den Normalstrom, nicht jeden Fehler: Ein Kurzschluss vom Servozweig (nur hinter der 25-A-Sicherung) auf eine Logikmasse würde über sie zurückfließen. Deshalb verlaufen die Drähte des Servozweigs getrennt von den Logikmassen, außer an der inneren Rahmenöffnung, innerhalb ihrer Isolierung und Umhüllung.

Warum der alte Abgriff falsch war. Das alte Design speiste den Logiksicherungshalter über ein 60 mm langes Stück 18 AWG, das von der Hauptleitung hinter der 25-A-Sicherung abgegriffen wurde. Nur die 25-A-Sicherung deckte dieses Stück ab, und 25 A liegt über den 16 A von 18 AWG. Ein Fehler, der etwa 20 A durch den Abgriff zieht, würde die Sicherung nie auslösen, aber den Abgriff erwärmen mit

$$P^{\prime }=I^2\frac{\rho }{A}=(20\mathrm{A}{)}^2\times 21\mathrm{m}\mathrm{\Omega }/\mathrm{m}\approx 8.4\mathrm{W}/\mathrm{m}$$

unbegrenzt lange (eine Veranschaulichung des Prinzips, kein gemessener Fehler). „Kurz halten“ verringert die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers, ändert aber nicht die Regel. Die Lösung: Der Abgriff ist jetzt die eigene 14-AWG-Leitung des Logiksicherungshalters, in der Rückschale an W02 angespleißt. Kein Draht dünner als 14 AWG liegt allein hinter der 25-A-Sicherung, und alles nach der 7,5-A-Sicherung hat mindestens 18 AWG.

Warum W01 ungesichert ist und kurz gehalten wird. W01 verläuft vom Akkueingang zur Hauptsicherung. Nichts außer den eigenen Grenzen des Akkupacks kann sie schützen: Der Akkupack ist für 300 A ausgelegt (hardware/electronics.yaml), ein Kurzschluss an W01 ist also ein Akkukurzschluss. Die Sicherung sitzt dort, wo Platz für ihren Halter und das Biegen ihrer 14-AWG-Leitungen war: am hinteren WAGO-Bus, etwa 0,15 m vom Akkueingang. W01 wird daher wie die eigene Leitung des Akkupacks behandelt: 14 AWG, zugeschnitten 151 mm, im Spiralschlauch, fern von allem Beweglichen verlegt. ADR-011 sieht vor, die Sicherung nur dann näher zu rücken, wenn ein kompakter abgesicherter Akkueingang unter das Deck passt.

Ein Gelenk überqueren: Bewegungsschlaufen

Ein Kabel, das ein Gelenk überquert, muss seine Länge ändern, wenn sich das Gelenk dreht. Kann es das nicht, zieht das Gelenk am Kabel, und der Zug landet an der schwächsten Stelle: einer Lötstelle, einer Crimpverbindung oder einem Steckverbinder. Eine Bewegungsschlaufe ist ein bewusst freies Kabelstück zwischen zwei festen Befestigungspunkten, das diese Änderung aufnimmt.

Bei Strido sitzen die Oberschenkel- und Knieservos auf dem Hüftkörper, daher überqueren ihre Leitungen nur das Hüftgelenk. Jede Leitung wird an der Servohalterungsplatte nahe der Hüftachse (auf der beweglichen Seite) und erneut am Schulterrahmen oder Bushalter (am Körper) festgebunden. Zwischen den Befestigungen hängt die Schlaufe. Die Hüftservos sitzen am Körper und brauchen keine Schlaufe. Auch die anderen Gelenke brauchen keine, weil keine Leitung sie überquert: Die Platzierung der Motoren entscheidet, welche Gelenke die Verkabelung überqueren muss.

Wie weit bewegen sich die Befestigungspunkte auseinander?

Legen Sie den Ursprung auf die Hüftachse. Sei $\mathbf{p}$ der Befestigungspunkt am beweglichen Hüftkörper (in der Referenzpose der Hüfte) und $\mathbf{q}$ der Befestigungspunkt am Körper. Dreht sich die Hüfte um $\theta$, wandert der bewegliche Befestigungspunkt nach $R(\theta )\mathbf{p}$, mit $R(\theta )$ der Drehung um die Hüftachse (siehe Koordinatensysteme und Drehungen). Der Abstand zwischen den Befestigungspunkten ist

$$d(\theta )=\Vert R(\theta )\mathbf{p}-\mathbf{q}\Vert$$

Um zu sehen, was ihn bestimmt, zerlegen Sie jeden Punkt in einen Anteil entlang der Einheitsachse $\hat{\mathbf{a}}$ und einen Anteil senkrecht dazu: $\mathbf{p}=p_a\hat{\mathbf{a}}+{\mathbf{p}}_{\perp }$, $\mathbf{q}=q_a\hat{\mathbf{a}}+{\mathbf{q}}_{\perp }$, mit den Radien $r_p=\Vert {\mathbf{p}}_{\perp }\Vert$ und $r_q=\Vert {\mathbf{q}}_{\perp }\Vert$. Die Drehung lässt die axialen Anteile unverändert und dreht ${\mathbf{p}}_{\perp }$ um $\theta$, daher ergibt der Kosinussatz

$$d(\theta {)}^2=(p_a-q_a{)}^2+r_p^2+r_q^2-2r_p{r}_q\cos (\theta -{\theta }_0)$$

wobei ${\theta }_0$ der Hüftwinkel ist, bei dem die beiden senkrechten Anteile in dieselbe Richtung zeigen. Über eine volle Umdrehung würde $d$ schwanken zwischen

$$d_{\min }=\sqrt{(p_a-q_a{)}^2+(r_p-r_q{)}^2},d_{\max }=\sqrt{(p_a-q_a{)}^2+(r_p+r_q{)}^2}$$

und innerhalb des begrenzten Hüftbereichs deckt es einen Teil dieses Intervalls ab. Die Lehre steckt in den Radien: Die Schwankung wächst mit $r_p{r}_q$. Befestigungspunkte nahe der Achse bewegen sich wenig, daher kann die Schlaufe kurz sein. Deshalb werden die Leitungen an der Servohalterungsplatte nahe der Hüftachse festgebunden statt weiter außen.

Die Verkabelungsprüfung vertraut keiner Handformel. Sie platziert beide Befestigungspunkte im CAD und wertet $d(\theta )$ über den gesamten Hüftbereich aus. Für die Vorderbeine:

Leitung	Abstand der Befestigungspunkte über den Hüftbereich	Erforderliche Schlaufe $1.2d_{\max }$	Schlaufe in wiring.yaml
vorderer Oberschenkel	13,0–24,1 mm	28,9 mm	30 mm
vorderes Knie	20,0–25,6 mm	30,7 mm	32 mm
hinterer Oberschenkel	11,9–16,2 mm	19,4 mm	22 mm
hinteres Knie	11,9–16,1 mm	19,4 mm	22 mm

Der schulterseitige Befestigungspunkt der vorderen Knieleitung sitzt am Bushalter, 17 mm in Richtung des inneren Rahmens: Ihre Schlaufe ist etwas länger, aber der Signaldraht spart auf dem Weg zum PCA9685 mehr ein, und damit reicht das 260-mm-Servokabel ohne Verlängerung.

Die Spielregel

Die Regel des Roboters lautet

$$L_{\mathrm{loop}}\ge 1.2d_{\max }$$

Durchgerechnet für das vordere Knie: $1.2\times 25.6\mathrm{mm}=30.7\mathrm{mm}$, aufgerundet auf 32 mm. Warum nicht genau $d_{\max }$? Bei dieser Länge wäre das Kabel beim extremen Hüftwinkel eine gerade, straffe Sehne und würde an beiden Befestigungspunkten ziehen. Ein Kabel kann einen Befestigungspunkt auch nicht in beliebigem Winkel verlassen: Es verlässt ihn in der Richtung, in der es gebunden ist, und muss sich zum anderen Befestigungspunkt hin krümmen, und die Krümmung kostet Länge. Die 20 % decken beides ab. Warum nicht viel länger? Zusätzliche Schlaufe muss irgendwo hängen, und eine lange Schlaufe kann in ein bewegliches Teil durchhängen. Die Prüfung kontrolliert nur die Länge der Schlaufe; wo sie hängt, wird nicht modelliert, daher prüfen Sie das von Hand (siehe Checkliste unten).

Biegeradius und Biegelebensdauer

Jedes Kabel hat einen minimalen Biegeradius. Eine gängige Faustregel (allgemein, kein Datenblattwert; prüfen Sie die Angaben des Kabelherstellers) ist ein Mehrfaches des Außendurchmessers (AD) für ein Kabel, das einmal gebogen und dann fixiert wird, und etwa das Zehnfache des AD oder mehr für ein Kabel, das sich im Betrieb biegt. hardware/wiring.yaml hält für jeden Kabeltyp eine minimale statische Biegung fest, etwa das Dreifache des AD: 11 mm für 14 AWG (3,6 mm AD), 7 mm für 18 AWG (2,2 mm), 5 mm für 22 AWG (1,6 mm), 15 mm für die USB-Kabel. Die alte Position der Hauptsicherung ließ 4 mm für eine 14-AWG-Leitung, die 11 mm braucht: Deshalb wurde die Sicherung verlegt.

Warum Biegen einen Draht ermüdet: Eine Litze mit Durchmesser $d_s$, auf den Radius $R$ gebogen, dehnt sich an ihrer Außenseite um die Biegedehnung (allgemeines Balkenergebnis)

$$\epsilon \approx \frac{d_s}{2R}$$

Kupfer übersteht viele Zyklen bei kleiner Dehnung und wenige bei großer Dehnung. Zwei Folgen:

• Feine Litzen biegen sich besser. In einem Litzendraht können die Einzeldrähte gleiten, sodass sich jeder um seine eigene Mitte biegt. Für eine beispielhafte Litze mit $d_s=0.08\mathrm{mm}$ bei $R=5\mathrm{mm}$ gilt $\epsilon \approx 0.08/10=0.8\mathrm{\%}$. Ein massiver 22-AWG-Leiter ($A=0.33{\mathrm{mm}}^2$, also $d=\sqrt{4A/\pi }\approx 0.65\mathrm{mm}$), gleich gebogen, erfährt $\epsilon \approx 0.65/10=6.5\mathrm{\%}$, achtmal mehr. Silikonlitze und Servokabel sind aus diesem Grund feinlitzig.
• Eine längere Schlaufe biegt sanfter. Dieselbe Gelenkbewegung auf mehr Kabel zu verteilen bedeutet einen größeren Radius und eine kleinere Dehnung. Eine Schlaufe, die gerade lang genug ist, knickt bei jedem Schritt scharf an ihren Enden.

Das CAD zeichnet die Ecken der Verlegung scharf und prüft keine Biegeradien, daher ist der Radius Ihre Aufgabe am Arbeitstisch.

Bündeln, Spiralschlauch und Kabelbinder

• Spiralschlauch (eine PE-Spirale, die sich um ein Bündel wickelt) an jedem Bündel aus drei oder mehr Kabeln. Er hält das Bündel zusammen, schützt es vor Kanten und lässt trotzdem einzelne Kabel an beliebiger Stelle abzweigen. Strido verwendet etwa 228 mm davon (spiral_wrap, Prüfung des Drahtmaterials).
• Kabelbinder an den markierten Befestigungspunkten von wiring.yaml, etwa 30 aus einem 100er-Beutel: Kanten der Servohalterungsplatten, Schlitze im Schulterrahmen, Schlitze im Bushalter, Rahmenöffnungen. Kabelbinder fixieren das Kabel an der Struktur, damit es nicht in ein bewegliches Teil wandern kann, und sie nehmen Zug von den Anschlüssen.
• Selbstklebende Kabelbinder-Sockel: zwei 13 × 13 mm große Sockel an den seitlichen Leisten des Decks (cable_tie_mounts, im CAD modelliert), wo es keinen Schlitz zum Festbinden gibt.
• Abstand der Kabelbinder (allgemeine Praxis): an jeder Abzweigung, vor und nach jeder Biegung und nahe an jedem Steckverbinder binden, sodass ein Zug am Kabel an einem Kabelbinder endet statt an einem Kontakt. Am Roboter erledigen das bereits die Befestigungspunkte im CAD.
• Spannung (allgemein): Ziehen Sie einen Kabelbinder so fest an, dass das Kabel nicht rutschen kann, aber nicht so fest, dass er die Isolierung eindrückt. Eine gequetschte Stelle ist eine steife Stelle und eine künftige Scheuerstelle. Schneiden Sie das Ende bündig ab; ein scharfes Ende zerkratzt Haut und Isolierung.

Signal und Leistung

Ein sich ändernder Strom $I$ in einer Schleife induziert eine Spannung in einer benachbarten Schleife, $V=M\mathrm{d}I/\mathrm{d}t$, wobei $M$ (Gegeninduktivität) mit den Schleifenflächen wächst und mit dem Abstand sinkt (allgemein). Servoströme ändern sich schnell: bis zu 3,5 A pro Servo im Blockierfall. Zwei allgemeine Gewohnheiten halten das von den Signalen fern:

• Trennen Sie sie. Verlegen Sie Signaldrähte wo möglich fern von Hochstromdrähten und kreuzen Sie sie im rechten Winkel statt parallel. Bei Strido wird jedes Servokabel an einem Kabelbinder aufgeteilt: Rot/Braun gehen zum WAGO-Bus im Hohlraum, das orange Signal läuft weiter zum PCA9685 neben dem Pi.
• Halten Sie Schleifen klein und verdrillen Sie Paare. Ein Signal und seine Rückleitung nebeneinander umschließen wenig Fläche. Das Verdrillen eines Paars (allgemeine Technik; die Dokumentation des Roboters schreibt es nicht vor) wechselt die Richtung jeder kleinen Schleife, sodass sich induzierte Spannungen entlang der Länge aufheben.

Eine gemeinsame Masse gehört zur selben Geschichte: Das Signal eines Servos wird gegen seine Masse gelesen, daher teilen alle Bereiche einen Massesternpunkt am Akkueingang (Versorgung).

Steckverbinder und Anschlüsse

WAGO-Hebelklemmen

Der Servobus besteht aus WAGO-221-415-Hebelklemmen: fünf Eingänge, 0,2–4 mm², ausgelegt für 32 A. Eine Federklemme greift den blanken Leiter, wenn der Hebel schließt, ganz ohne Werkzeug. Das Datenblatt von WAGO verlangt eine Abisolierlänge von 11 mm: kürzer, und die Klemme greift zu wenig Kupfer; länger, und blankes Kupfer ragt aus dem Gehäuse. Schieben Sie den Leiter ein, bis die Isolierung am Gehäuse anliegt, schließen Sie den Hebel und ziehen Sie leicht daran. Das Gehäuse ist durchsichtig, sodass Sie sehen, ob der Leiter das Ende erreicht. Ein Draht pro Eingang: Die Prüfung kontrolliert das für jeden WAGO-Anschluss.

Crimpen oder löten?

• Crimpen presst einen Metallkontakt kalt um die blanken Litzen (Leitercrimp) und um die Isolierung (Isolationscrimp). Der Isolationscrimp ist die Zugentlastung: Er nimmt Biegung und Zug von der Leiterverbindung. Die Litzen bleiben bis direkt zum Kontakt flexibel.
• Löten verbindet die Litzen mit geschmolzener Legierung. Lot läuft durch Kapillarwirkung auch in die Isolierung hinein (Lotdurchtränkung) und macht diesen Teil des Drahts zu einem massiven Stab. Die Biegung konzentriert sich dann am Ende des durchtränkten Abschnitts, genau wie in der Dehnungsformel oben (massiver Leiter, großes $\epsilon$), und dort brechen die Litzen unter Vibration. Lotdurchtränkung gilt in Verarbeitungsnormen für Kabelbäume wie IPC/WHMA-A-620 als Fehler.

Also: Löten Sie, wo der Draht fixiert und abgestützt ist (und ergänzen Sie Schrumpfschlauch als Zugentlastung); crimpen oder klemmen Sie, wo er sich bewegt. Bei Strido sind die Lötstellen der Leistungseingang (XT60H-Lötkelche, Leitungen des Sicherungshalters, die mit Schrumpfschlauch überzogenen Spleiße), Schalter, Spannungsregler und Taster sowie die XIAO-Pins. Die XIAO-Pins sitzen 9 mm unter dem oberen Schulterrahmen, und ein Dupont-Gehäuse ist 14 mm hoch, daher werden W17 (3V3, GND, SDA, SCL) und W20 (D3 → OE) dort angelötet und am PCA9685 gecrimpt, und auch die Dupont-Enden des Displaykabels (W21) werden dort angelötet. Binden Sie diese Drähte nahe an der Platine fest, damit kein Zug die Lötstelle erreicht.

Dupont-Kontakte

Dupont-Kontakte werden auf 2,54-mm-Stiftleisten gesteckt und halten nur durch Federreibung. Ein schweres oder schwingendes Kabel kann sie lockern (allgemein), daher binden Sie das Bündel nahe an der Platine fest und lassen nichts an den Kontakten hängen. Am Roboter werden sie dort verwendet, wo sie passen: W12 am Pi (ein Draht pro Pin), W17/W20 am PCA9685 und der orange Signaldraht jedes Servos, neu gecrimpt in ein 1-Pin-Gehäuse auf seinem PCA9685-Kanal. Wo nicht einmal ein Gehäuse passt, gibt es einen anderen Steckverbinder: Die IMU sitzt 2,5 mm unter dem Pi, daher ist W18 ein STEMMA-QT-Kabel mit seinem flachen JST-SH-Stecker.

XT60 und die Kontaktregel

Der XT60 ist der 30-A-Steckverbinder des Akkueingangs, des Arming-Ports und des Loop-Keys. Beschreiben Sie seine Hälften mit Stiften und Buchsen, nicht mit „Stecker/Kupplung“. Der Loop-Key ist ein kurzgeschlossener Steckverbinder, daher muss er denselben Kontakttyp wie der eigene Steckverbinder des Akkupacks haben: Dann kann er nicht mit dem Akkupack gesteckt werden (XT60-Kontaktregel).

Leitungen auf Länge schneiden, nicht verlängern

Früher wurden die Servos mit 300-mm-Verlängerungskabeln angeschlossen. Jede Verlängerung fügt pro Servo eine gesteckte dreipolige Stecker-Buchse-Verbindung hinzu: zwölf zusätzliche Verbindungen, 36 zusätzliche Kontakte, jeder ein Kandidat für Reibkorrosion. Jedes Servo verwendet jetzt nur sein eigenes 260-mm-Servokabel: Es läuft zu einem Kabelbinder, wo der rote und der braune Draht abgetrennt, auf Länge geschnitten und im WAGO-Paar des Beins geklemmt werden (Rot in die obere V+-Klemme, Braun in die untere GND; Anschlüsse Hüfte 1, Oberschenkel 2, Knie 3), während der orange Signaldraht auf Länge geschnitten und für seinen PCA9685-Kanal neu gecrimpt wird. Weniger Steckverbinder in einem gehenden Roboter bedeuten weniger zeitweise unterbrochene Kontakte und einen kürzeren Leistungspfad (Versorgung).

Die Zuschnittliste in der Verkabelungsprüfung gibt für jeden Draht die verlegte Länge und die Zuschnittlänge an:

$$L_{\mathrm{cut}}=L_{\mathrm{routed}}+t_1+t_2+max(10\mathrm{mm},0.08L_{\mathrm{routed}})$$

mit einer Anschlusszugabe $t$ pro Ende (WAGO-Abisolierung 11 mm, Löten 6 mm, Crimpen 3 mm, Schraubklemme 7 mm). Das Spiel deckt das Verlegen und ein erneutes Anschließen ab. Zwei Beispiele:

$$\text{W05:}190+6+11+0.08\times 190=222.2\Rightarrow 222\mathrm{mm}$$$$\text{W12:}104+6+3+max(10,8.3)=123\mathrm{mm}$$

Fertig konfektionierte Kabel lassen sich nicht kürzen, daher prüft die Prüfung stattdessen die Reichweite: gelieferte Länge ≥ Verlegung + Anschlüsse + 10 mm. Ihr Überschuss wird gefaltet und festgebunden: 178 mm beim Pi–XIAO-USB-Kabel (W14), 124 mm beim Kamera-Flachbandkabel (W16), 141 mm beim Displaykabel (W21), 55 mm beim LiDAR-USB-Kabel (W15). Servokabel haben vor dem Kürzen 12–124 mm Reserve. Die vorderen Knieleitungen sind mit 12 mm am knappsten: Verlegen Sie sie genau so, wie die Anleitung sie zeigt.

Wie das CAD den Kabelbaum verlegt

strido_cad.wiring behandelt das Verlegen als Pfadsuche:

1. Hindernisse. Ein Voxelgitter mit 1-mm-Zellen markiert jedes Grundteil sowie jedes Volumen, das ein Beinteil über seine Gelenkgrenzen überstreicht (die Hüfte in 1°-Schritten, Oberschenkel und Unterschenkel über ein Winkelraster). Ein durch freie Voxel verlegtes Kabel bleibt bei den abgetasteten Gelenkwinkeln von einem Bein frei; die Prüfung kontrolliert die Betriebsposen anschließend erneut gegen die echten Meshes.
2. Suche. Zwischen aufeinanderfolgenden Befestigungspunkten findet Dijkstras Kürzeste-Pfade-Algorithmus einen Pfad durch freie Voxel. Seine Kostenfunktion bevorzugt Voxel innerhalb von 3 mm zu einer Oberfläche, weil echte Kabel entlang der Struktur gebunden und nicht durch freien Raum gespannt werden.
3. Abkürzung. Der Pfad wird nur dort begradigt, wo die gerade Linie ebenso nahe an der Struktur bleibt wie der gesuchte Pfad.

Das Ergebnis wird in den Renderings, der 3D-Ansicht und der Montageanleitung gezeichnet, sodass Sie in den Bauschritten den verlegten Kabelbaum sehen.

Was die Prüfung beweist und was nicht

python -m strido_verify.wiring prüft den verlegten Kabelbaum unabhängig vom Verlegealgorithmus erneut:

• Reichweite: Jedes fertig konfektionierte Kabel deckt seine Verlegung mit Anschlüssen und 10 mm Reserve ab.
• Material: Draht pro Querschnitt und Farbe, Spiralschlauch und Kabelbinder passen zur Stückliste.
• Hüftschlaufen: Jede Schlaufe ist mindestens $1.2d_{\max }$ lang.
• Anschlüsse: ein Kabel pro WAGO-Eingang und pro PCA9685-Kanal.
• Freigang: Kein Leiter führt durch ein Teil, und jedes Kabel hält in jeder Betriebspose mindestens 1,0 mm (warn) / 0,3 mm (fail) Abstand zu jedem Teil eines anderen Körpers: Stehen, Hocken, hoch, acht Trot-Phasen, Hüften innen und außen.

Sie modelliert keine Biegeradien (Ecken der Verlegung werden scharf gezeichnet) und nicht, wo eine Hüftschlaufe hängt. Sie kann auch keine Verarbeitungsqualität erkennen: eine Crimpverbindung, die sich herauszieht, eine kalte Lötstelle, einen zu fest gezogenen Kabelbinder. Das wird am Arbeitstisch geprüft.

Checkliste für den Aufbau

1. Schneiden Sie jeden Draht nach der Zuschnittliste zu; beschriften Sie beide Enden mit seiner ID.
2. Isolieren Sie WAGO-Enden auf 11 mm ab; ziehen Sie leicht an jedem WAGO-Eingang, jeder Crimp- und Lötverbindung.
3. Schieben Sie den Schrumpfschlauch vor dem Löten auf; schrumpfen Sie ihn über jede gelötete Leistungsverbindung.
4. Sicherungen und Loop-Key bleiben draußen, bis die Verkabelung geprüft ist (Elektronik, Bauschritte 3–7).
5. Binden Sie jede Oberschenkel- und Knieleitung an der Servohalterungsplatte und am Schulterrahmen / Bushalter fest und lassen Sie die Schlaufe zwischen den Befestigungspunkten (vorne: 30 mm Oberschenkel, 32 mm Knie; hinten: 22 mm).
6. Jedes Bündel aus drei oder mehr Kabeln in Spiralschlauch; Kabelbinder an den markierten Punkten; satt, nicht quetschend.
7. Achten Sie per Augenmaß auf Biegeradien: keine 14-AWG-Leitung enger als etwa 11 mm gebogen.
8. Bewegen Sie jedes Gelenk von Hand durch seinen gesamten Bereich, Loop-Key gezogen: Hüften innen und außen, Oberschenkel und Knie von gefaltet bis gestreckt. Beobachten Sie jede Schlaufe und jedes Bündel: Nichts darf sich straff ziehen, scheuern oder einem beweglichen Teil nahekommen.
9. Prüfen Sie den Durchgang jedes Kabels gegen die Verkabelungsliste; messen Sie den Widerstand zwischen + und − am Akkueingang (nicht nahe 0 Ω), bevor Sie den Akkupack anschließen.

Selbsttest

1. Nennen Sie drei Arten, wie Verkabelung in einem gehenden Roboter versagt, und je eine konstruktive Maßnahme dagegen.
2. Die Hauptsicherung hat 25 A. Warum darf kein 18-AWG-Draht allein dahinter liegen, und wie hat die Überarbeitung den alten Logikabgriff behoben?
3. Schätzen Sie den Spannungsabfall von W06 (18-AWG-Paar, verlegt 151 mm) für Hin- und Rückleitung bei 10 A.
4. Ein Befestigungspunkt an der Hüfte sitzt im Radius $r_p=10\mathrm{mm}$ von der Hüftachse und ein Befestigungspunkt am Körper bei $r_q=15\mathrm{mm}$, ohne axialen Versatz. Zwischen welchen Abständen würde $d(\theta )$ über eine volle Umdrehung schwanken? Was sagt das darüber, wo Befestigungspunkte sitzen sollten?
5. Die Prüfung ermittelt als größten Abstand der Befestigungspunkte einer Schlaufe 25 mm. Wie lang muss die Schlaufe nach der Regel des Roboters sein, und warum reicht eine Schlaufe von genau 25 mm nicht?
6. Warum bricht ein verlöteter Litzendraht unter Vibration früher als ein gecrimpter?
7. Warum wurden die Servoverlängerungen entfernt?
8. Berechnen Sie die Zuschnittlänge von W09 (verlegt 256 mm, Löten am Sicherungshalter, Schraubklemme am Schalter).
9. Nennen Sie zwei Dinge, die die Verkabelungsprüfung nicht kontrolliert, und wie Sie sie stattdessen prüfen.

Antworten

1. Drei beliebige aus: Scheuern (entlang der Struktur verlegen, Spiralschlauch, Freigangsprüfung), Reibkorrosion am Steckverbinder (weniger Steckverbinder, Kabel so binden, dass nichts an Kontakten hängt), Biegeermüdung (Schlaufen nahe der Gelenkachse, keine steifen Stellen neben sich biegendem Draht), Quetschen (Kabel aus dem von den Beinen überstrichenen Volumen heraushalten), Hitze (Drähte für ihren Strom auslegen, unterhalb der Strombelastbarkeit absichern).
2. Eine Sicherung darf nicht größer sein als die Strombelastbarkeit des dünnsten Drahts dahinter; 18 AWG ist für 16 A ausgelegt, daher würde ein Fehler zwischen 16 und 25 A ihn erwärmen, ohne die Sicherung auszulösen. Der Abgriff ist jetzt die eigene 14-AWG-Leitung des Logiksicherungshalters, an W02 angespleißt.
3. $R=0.151\times 21\approx 3.2\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$ pro Leiter; $\mathrm{\Delta }V\approx 10\times 2\times 3.2\approx 63\mathrm{mV}$ (mit der Zuschnittlänge von 180 mm als Obergrenze etwa 76 mV).
4. $d_{\min }=|10-15|=5\mathrm{mm}$, $d_{\max }=10+15=25\mathrm{mm}$. Die Schwankung wächst mit beiden Radien, daher brauchen Befestigungspunkte nahe der Achse eine kürzere Schlaufe.
5. $1.2\times 25=30\mathrm{mm}$. Bei genau 25 mm ist das Kabel beim extremen Winkel straff und zieht an den Befestigungspunkten und Anschlüssen; es braucht außerdem Länge, um sich von jedem Befestigungspunkt wegzukrümmen.
6. Lot zieht in die Litzen und bildet einen massiven, steifen Abschnitt; die Biegung konzentriert sich an seinem Ende, wo ein massiver Leiter eine viel größere Dehnung erfährt als einzelne Litzen. Eine Crimpverbindung lässt die Litzen flexibel, und ihr Isolationscrimp sorgt für Zugentlastung.
7. Jede Verlängerung fügte pro Servo eine dreipolige Stecker-Buchse-Verbindung hinzu (insgesamt 36 Kontakte), die sich durch Reibkorrosion lockern konnte, dazu zusätzlichen Draht und Spannungsabfall. Das Kürzen des eigenen Servokabels jedes Servos entfernt sie.
8. $256+6+7+0.08\times 256=289.5\Rightarrow 290\mathrm{mm}$, wie in der Zuschnittliste.
9. Biegeradien und wo eine Schlaufe hängt (jedes Gelenk von Hand durch seinen Bereich bewegen und hinsehen); Verarbeitungsqualität wie Crimpverbindungen, Lötstellen und Spannung der Kabelbinder (Zugprobe, Sichtprüfung, Durchgangsprüfung).

Weiterführende Literatur

• IPC/WHMA-A-620, Requirements and Acceptance for Cable and Wire Harness Assemblies (Inhaltsverzeichnis): der Branchenstandard zur Verarbeitungsqualität für Crimpverbindungen, Lötstellen, Lotdurchtränkung, Bündelung und Kabelbinder.
• NASA-STD-8739.4, Workmanship Standard for Crimping, Interconnecting Cables, Harnesses, and Wiring: ein frei verfügbarer, detaillierter Standard zur Verarbeitungsqualität von Kabelbäumen.
• Molex Quality Crimping Handbook: Leiter- und Isolationscrimp, Zugproben, Crimpfehler.
• Datenblatt WAGO 221-415: 0,2–4 mm², 32 A, Abisolierlänge 11 mm.
• HellermannTyton Spiralschlauch (SBPE): Größen und Temperaturbereich des Spiralschlauchs.
• NBS Handbook 100, Copper Wire Tables: AWG-Durchmesser, -Flächen und -Widerstände.
• PowerStream AWG-Tabelle: eine vielfach kopierte Tabelle zur Strombelastbarkeit bei Chassisverkabelung (Sekundärquelle; die Werte des Roboters sind bewusst niedriger).
• Raspberry-Pi-Hardwaredokumentation: Versorgungspins der GPIO-Stiftleiste.
• Roboterdokumentation: Elektronik, Verkabelung und Versorgung, Verkabelungsprüfung und Zuschnittliste, ADR-011.
• Verwandt in diesem Wiki: Versorgung, Werkzeug und Werkstatt, Sicherheit, Koordinatensysteme und Drehungen.