Sicherheit

Strido trägt einen Lithium-Polymer-Akku, der bei einem Kurzschluss Hunderte Ampere liefern kann, und zwölf Servos, die stark genug sind, einen Finger einzuklemmen. Diese Seite erklärt die Gefahren, die Schutzteile, die der Roboter dagegen einsetzt, und die Reihenfolge, in der Sie ihn zum ersten Mal einschalten.

In Strido

Sicherheitsteile: die 25-A-Hauptsicherung und die 7,5-A-Logiksicherung (ATO-Flachsicherungen), der XT60-Arming-Port mit seinem Loop-Key in der Rückschale, der Pololu-#2813-Einschalttaster, der INA260-Power-Monitor (Abschaltung bei niedrigem Akkustand) und der Pull-up-Widerstand an PCA9685 OE. Regeln und der Rauchtest stehen in electronics.md; das erste Einschalten ist Montageschritt 23 (Montageanleitung). Die Firmware-Sicherheit (Watchdog, Not-Halt, Abschaltung) ist in software.md beschrieben.

LiPo-Akkus

Der Akkupack ist ein 2S-LiPo, 5000 mAh, Hardcase, XT60-Leitung. „2S“ bedeutet zwei Zellen in Reihe: 7,4 V nominal, 8,4 V voll, etwa 37 Wh. In hardware/electronics.yaml ist seine maximale Entladung mit 300 A angegeben (60C; 500 A kurzzeitig). Ein Kurzschluss über seinen Anschlüssen verläuft daher nicht sanft: Der Draht glüht, die Isolierung brennt, und die Zellen können bis zum Brand beschädigt werden.

Regel	Warum
Nur mit einem Balance-Ladegerät, im LiPo-Sack und nie unbeaufsichtigt laden	Balancing hält beide Zellen auf derselben Spannung; eine unausgeglichene Zelle kann überladen werden und versagen; der Sack hält einen Brand lange genug zurück, um zu reagieren
Nie über 4,2 V pro Zelle laden (8,4 V für den Akkupack)	Überladen von Lithiumzellen ist die klassische Ursache für thermisches Durchgehen
Den Akkupack nie leer fahren	Tiefentladung schädigt Lithiumzellen. Die Firmware warnt bei 6,8 V (3,4 V/Zelle) und entspannt die Servos bei 6,4 V (3,2 V/Zelle); der Zellprüfer / Unterspannungsalarm in der Stückliste liefert eine zweite Meinung
Mit Lagerladung lagern (etwa 3,8 V/Zelle; Ladegeräte der B6AC-Klasse haben einen Lagermodus)	Volle Akkupacks altern schneller und enthalten mehr Energie, falls etwas schiefgeht
Einen Akkupack ausmustern, der aufgebläht, verbeult oder nach normalem Gebrauch heiß ist	Die Schwellung ist Gas aus zersetztem Elektrolyt, ein Zeichen für innere Schäden
Blanke Leitungen isolieren; den Akkupack im Sack transportieren	Verhindert Kurzschlüsse durch Schlüssel, Werkzeug oder den anderen Stecker

Wenn ein LiPo raucht

Versuchen Sie nicht, ihn zu retten. Gehen Sie weg, halten Sie andere fern und lüften Sie. Decken Sie einen brennenden Akkupack nicht mit den Händen oder einem Tuch ab. Verständigen Sie die örtliche Feuerwehr, wenn sich der Brand ausbreitet. Ein Akkupack, der ausgegast hat, wird nie wieder verwendet.

Sicherungen: Schutz der Leitung

Eine Sicherung schützt die Leitung dahinter vor Überhitzung. Die Heizleistung einer Leitung ist $P=I^{2}R$, sie wächst also mit dem Quadrat des Stroms, und ein Kurzschluss kann einen dünnen Draht erhitzen, bis seine Isolierung schmilzt, lange bevor der Akku leer ist. Die Sicherung ist eine bewusst schwache Stelle, die zuerst schmilzt; sie wird daher unterhalb des Stroms bemessen, den die Leitung tragen kann, und oberhalb des Stroms, den die Last braucht:

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

Für die Hauptsicherung wird die Servolast über die UBECs (90 % Wirkungsgrad, siehe Stromversorgung) auf den Akkupack zurückgerechnet. Der ungünstigste Fall ist der fast leere Akkupack an der Abschaltgrenze von $6.4\mathrm{V}$: $2\times 10\mathrm{A}\times 6.0\mathrm{V}/(0.9\times 6.4\mathrm{V})\approx 20.8\mathrm{A}$, plus $2.7\mathrm{A}$ Logik $=23.6\mathrm{A}$ (Elektronikprüfung). Das bleibt unter der 25-A-Sicherung, die ihrerseits unter den 32 A der 14-AWG-Hauptleitung liegt.

Sicherung	Nennwert	Schützt	Leitungsbelastbarkeit (electronics.yaml)	Last
Haupt (ATO)	25 A	W02, W03, W04/front, W04/rear: die 14-AWG-Hauptleitung	32 A	Servozweig ≤ 2 × 10 A UBEC-Ausgang (≈ 21 A bei leerem Akkupack, siehe Elektronik) + Logik
Logik (ATO)	7,5 A	W09, W10, W11 und die Logik-Masserückleitungen W24, W04/logic: die 18-AWG-Logikverkabelung	16 A	Logikzweig ≤ 3 A

Die Sicherungen sitzen so nah am Akkueingang, wie es ihre Halter zulassen, weil dort die Kurzschlussgefahr am größten ist. Der Halter der Hauptsicherung liegt auf dem hinteren WAGO-Bus, etwa 0,15 m vom Akkueingang entfernt; W01, die 14-AWG-Leitung dazwischen, ist wie die eigene Leitung des Akkupacks nicht abgesichert, daher wird sie kurz, im Spiralschlauch und fern von beweglichen Teilen gehalten. Der Halter der Logiksicherung in der Rückschale wird über die eigene 14-AWG-Leitung des Halters versorgt, an W02 angespleißt: Hinter der 25-A-Sicherung allein liegt kein Draht dünner als 14 AWG. Warum das wichtig ist: Kabelmanagement.

Ersatz ist in der Stückliste (zwei zusätzliche 25 A, eine zusätzliche 7,5 A). Ersetzen Sie eine ausgelöste Sicherung nur durch eine mit demselben Nennwert und erst, nachdem Sie herausgefunden haben, warum sie ausgelöst hat. Beim Bau des Kabelbaums bleiben die Sicherungen draußen, bis die Verkabelung geprüft ist: Der Stromeingang wird ohne sie verdrahtet (Kabelbaum-Schritt 3), und sie kommen erst für die Pi-Stromprüfung hinein (Kabelbaum-Schritt 6).

Erstes Einschalten ohne Servos: der Rauchtest

Wenn der Roboter zum ersten Mal Akkustrom bekommt, dürfen sich die Servos nicht bewegen können, und die teuren Platinen müssen die richtigen Spannungen sehen. Die Kabelbaum-Schritte in electronics.md gehen in dieser Reihenfolge vor:

Diagramm wird gezeichnet…

Warum jede Prüfung:

• UBEC 5,8–6,0 V vor den Servos: Der SPT5435LV ist nur für 4,8–6,0 V ausgelegt. Ein auf 7,4 V eingestelltes (oder so ausfallendes) Gerät würde zwölf Servos gleichzeitig überlasten.
• 5 V an den Dupont-Enden vor dem Pi: Der Pi wird über seine GPIO-5-V-Pins versorgt, was den USB-C-Stromeingang und dessen Aushandlung umgeht; eine falsche Spannung dort erreicht die Platine direkt.
• Loop-Key draußen: Der Servozweig ist stromlos, sodass sich nichts bewegen kann, während Sie die Logikseite prüfen.
• OE ≥ 2,4 V im Bootloader: Die PCA9685-Platine zieht OE standardmäßig auf Low (Ausgänge an). Der 2,2-kΩ-Pull-up hält die Ausgänge aus, wann immer der XIAO zurückgesetzt wird oder keine Firmware ausführt, sodass ein Reset nie zufällige Pulse senden kann.

Halten Sie beim ersten Booten eine Hand in der Nähe des Einschalttasters und schalten Sie sofort ab, wenn etwas heiß wird oder riecht.

Scharfschalten: der Loop-Key

Der Loop-Key ist ein kurzgeschlossener XT60-Stecker, den Sie in den Arming-Port in der Rückschale stecken, um den Servozweig zu verbinden. Ihn zu ziehen ist der Servo-Not-Aus: Kein Strom erreicht die UBECs, egal was die Software tut.

• Der Einschalttaster ist kein Not-Halt. Er schaltet nur den Logikzweig (Pololu gibt an, dass er nicht als Not-Halt gedacht ist).
• Der Loop-Key darf nie auf den Akku selbst passen, sonst würde er den Akkupack kurzschließen. Er hat daher denselben Kontakttyp wie der Akkustecker. Prüfen Sie das mit dem nicht gebrückten Steckergehäuse, bevor Sie die Brücke einlöten (siehe die XT60-Kontaktregel).
• Beschriften Sie die Buchse mit „ARM“: Der Akku selbst passt hinein, schließen Sie den Akkupack daher immer am Akkueingang unter dem Deck an (seine Leitung W00 in die XT60H).

Startreihenfolge (aus den Sicherheitsregeln): Logik an → Roboter liegt in der Ruhepose, Beine eingeklappt → Loop-Key einstecken (Servos bleiben schlaff; der Controller sendet vor dem ersten Positionsbefehl keine Pulse) → ros2 launch strido_bringup robot.launch.py starten (Servos fahren in die Ruhepose, dann 3 s Aufstehen).

Nie scharf schalten, während Befehle laufen

Wird der Loop-Key eingesteckt, während Positionsbefehle gesendet werden, springen alle zwölf Servos gleichzeitig auf ihre Ziele. Sechs blockierte Servos ziehen etwa 21 A, mehr als die 15 A Spitzenstrom eines UBEC.

Software-Stopps zusätzlich zum Loop-Key:

• /strido/estop verriegelt: Die Firmware zieht PCA9685 OE auf High und stoppt alle Pulse.
• Watchdog: kein Gelenkbefehl für 200 ms → Servos halten; 2 s später → sie entspannen.
• Die Firmware verweigert den Betrieb ohne funktionierenden INA260, weil es ohne ihn keine Abschaltung bei niedrigem Akkustand gibt.

Quetschstellen und bewegte Beine

Jeder SPT5435LV ist mit 35 kg·cm angegeben (etwa 3,43 N·m Blockiermoment). Drehmoment ist Kraft mal Hebelarm, $\tau =Fr$, daher kann der Servo bei $r=30\mathrm{mm}$ von der Achse drücken mit

$$F=\frac{\tau }{r}=\frac{3.43\mathrm{N}\mathrm{m}}{0.03\mathrm{m}}\approx 114\mathrm{N}$$

ungefähr der Gewichtskraft von $114\mathrm{N}/9.81\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2\approx 11.7\mathrm{kg}$, auf eine Fingerkuppe. Näher an der Achse ist die Kraft noch größer. Das Knie wird über eine Kurbel und Koppeln angetrieben, daher gibt es Scherstellen zwischen den Koppeln, dem Femur und der Tibia, die sich beim Beugen des Knies schließen.

• Halten Sie die Finger aus den Beinen, solange der Loop-Key steckt.
• Halten Sie den Roboter an der Körperschale, nie an einem Bein.
• Testen Sie neue Gaits oder Policies zuerst mit dem Roboter auf einem Ständer, Beine frei.
• Ziehen Sie den Loop-Key, bevor Sie in die Beine greifen; die Servos in der Software zu entspannen genügt nicht.
• Lange Haare, Ärmel und Kabel von den Kniegetrieben fernhalten.

ESD: statische Elektrizität

Ein statischer Funke, den Sie nicht einmal spüren, kann die Eingänge eines Mikrocontrollers oder Sensors beschädigen. Raspberry Pi 5, XIAO ESP32-S3, LSM6DSOX-IMU, INA260 und PCA9685 sind nackte Platinen mit offenliegenden Pins.

• Berühren Sie einen geerdeten Metallgegenstand, bevor Sie eine Platine anfassen; ein ESD-Armband ist besser.
• Halten Sie Platinen an den Kanten; berühren Sie weder Pins noch Bauteile.
• Bewahren Sie Platinen bis zur Montage in ihren Antistatikbeuteln auf.
• Arbeiten Sie auf einem blanken Tisch oder einer ESD-Matte statt auf Teppich oder Plastikfolie.

Weitere Werkstattgefahren

• Verbrennungen: Der Lötkolben arbeitet mit etwa 370–400 °C, die Druckerdüse mit 240 °C, das Druckbett mit 80 °C.
• Dämpfe: Beim Löten (Flussmittel) und Drucken lüften.
• Fliegende Abschnitte: Tragen Sie eine Schutzbrille, wenn Sie Stützstrukturen, Draht und Widerstandsbeinchen mit dem Seitenschneider abschneiden.

Selbsttest

1. Was ist der Unterschied zwischen dem Ziehen des Loop-Keys und dem Drücken des Einschalttasters?
2. Warum hat die Logiksicherung 7,5 A, wenn der Logikzweig nur bis zu 3 A zieht?
3. Welche zwei Spannungen müssen Sie messen, bevor der erste Servo oder der Pi angeschlossen wird?
4. Bei welcher Akkuspannung entspannt die Firmware die Servos, und warum?
5. Warum muss der Loop-Key denselben Kontakttyp wie der Akkustecker haben?

Antworten

1. Der Loop-Key trennt den Servo-Stromzweig (Servo-Not-Aus); der Taster schaltet nur den Logikzweig und ist kein Not-Halt.
2. Die Sicherung schützt die 18-AWG-Leitung (hier mit 16 A belastbar), nicht die Last; sie darf bei normaler Last nicht auslösen, muss aber deutlich vor der Überhitzung der Leitung auslösen.
3. 5,8–6,0 V an jedem unbelasteten UBEC-Ausgang und 4,8–5,2 V an den W12-Dupont-Enden.
4. 6,4 V (3,2 V pro Zelle), nach 5 aufeinanderfolgenden Messwerten darunter, um eine Tiefentladung des LiPo zu vermeiden.
5. Damit der kurzgeschlossene Stecker nicht auf den Akku passt und den Akkupack kurzschließt.

Weiterführende Literatur

• Battery University: Sicherheitsaspekte bei Li-Ion (BU-304a)
• OSHA: Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus (PDF)
• Pololu Big Pushbutton Power Switch HP (#2813)
• Elektronik, Verkabelung und Stromversorgung: Sicherheitsregeln
• Verwandt in diesem Wiki: Akkus, Stromversorgung, Kabelmanagement, Firmware