DD-Motor vs. Harmonic-Drive-Getriebe für Gelenke kollaborativer Roboter: Was ist besser?

Einführung

Kollaborative Roboter sind für den Einsatz in Umgebungen konzipiert, in denen Menschen und Roboter denselben Arbeitsbereich teilen. Dies stellt im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern andere Anforderungen an die Konstruktion der Robotergelenke.

Ein kollaboratives Robotergelenk muss ausreichend Drehmoment und Positioniergenauigkeit bieten und gleichzeitig kompakte Abmessungen, geringes Gewicht, gleichmäßige Bewegung, reaktionsschnelle Steuerung und angemessene Kraftinteraktion gewährleisten.

Dies macht die Wahl des Robotergelenkgetriebes besonders wichtig.

Für die Gelenke kollaborativer Roboter kommen zwei Technologien infrage: der Direktantriebsmotor (DD-Motor) und das Harmonic-Reducer-Getriebe . Ein DD-Motor treibt das Gelenk direkt ohne mechanische Untersetzung an, während ein Harmonic-Reducer-Getriebe einen Hochgeschwindigkeits-Servomotor mit einem hochpräzisen Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis kombiniert.

Keine der beiden Technologien ist generell besser. Die wichtigere Frage ist, welche Lösung die richtige Balance zwischen Drehmomentdichte, Rücktriebsfähigkeit, dynamischem Verhalten, Gelenkgröße, Steifigkeit, thermischer Leistung und Steuerungsanforderungen für einen bestimmten kollaborativen Roboter bietet.

Dieser Artikel vergleicht DD-Motoren und Harmonic-Reduziergetriebe für Gelenke kollaborativer Roboter und erklärt, wann welche Technologie die bessere Wahl sein kann.

Was benötigt ein kollaboratives Robotergelenk?

Bevor man DD-Motoren und Harmonic-Reduziergetriebe vergleicht, ist es wichtig, die Anforderungen an ein kollaboratives Robotergelenk zu verstehen.

Im Gegensatz zu einem einfachen Drehmechanismus muss ein Robotergelenk beim Tragen eines beweglichen Gliedes und einer Nutzlast wiederholt beschleunigen, abbremsen, die Richtung umkehren und seine präzise Position beibehalten.

Das Gelenk muss daher mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen.

Die Drehmomentdichte ist wichtig, weil der Aktor ein ausreichendes Drehmoment erzeugen muss, ohne dass der Roboterarm übermäßig schwer wird.

Geringes Spiel ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Positioniergenauigkeit und der vorhersehbaren Bewegung.

Rücksteuerbarkeit wird dann wichtig, wenn der Roboter auf natürliche Weise auf äußere Kräfte reagieren muss.

Die dynamische Reaktion beeinflusst, wie schnell der Roboter beschleunigen, abbremsen und auf Bewegungsänderungen reagieren kann.

Die Steifigkeit beeinflusst die Fähigkeit des Roboters, seine vorgegebene Position unter Last beizubehalten.

Die thermische Leistung spielt ebenfalls eine Rolle, da kollaborative Roboter oft über lange Zeiträume in kompakten Gelenkgehäusen arbeiten.

Diese Anforderungen können je nach Roboterarchitektur zu unterschiedlichen Getriebeoptionen führen.

Wie funktioniert ein Harmonic Reducer in einem Gelenk eines kollaborativen Roboters?

Ein Harmonic-Reducer wird üblicherweise mit einem Servomotor kombiniert, um einen leistungsstarken Robotergelenkantrieb zu bilden.

Der Motor arbeitet mit relativ hoher Drehzahl, während das Harmonic-Getriebe ein hohes Untersetzungsverhältnis bietet und die Motorleistung in die für das Robotergelenk erforderliche Bewegung mit niedrigerer Drehzahl und höherem Drehmoment umwandelt.

Die kompakte Getriebekonstruktion ermöglicht es einem relativ kleinen Motor, am Gelenk ein wesentlich höheres Drehmoment zu erzeugen.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Harmonic-Reduziergetriebe häufig für Robotergelenke in Betracht gezogen werden.

Ein Harmonic-Reduziergetriebe kann zudem ein sehr geringes Umkehrspiel bieten, was für Anwendungen, die eine präzise Positionierung und eine koordinierte Mehrachsenbewegung erfordern, von Vorteil ist.

Bei kollaborativen Robotern kann diese Kombination aus hohem Untersetzungsverhältnis, kompakter Größe, geringem Spiel und hoher Drehmomentdichte besonders für Schulter-, Ellbogen- und andere tragende Gelenke von Nutzen sein.

Ein Harmonic-Reducer ist jedoch immer noch ein mechanisches Getriebe.

Das dynamische Verhalten, der Wirkungsgrad, die Torsionseigenschaften und die Rücktriebsfähigkeit hängen von der spezifischen Getriebekonstruktion, dem Untersetzungsverhältnis, der Last und den Betriebsbedingungen ab.

Daher sollten Ingenieure die gesamte Verbindung bewerten, anstatt anzunehmen, dass jeder Harmonic Reducer die gleiche Leistung erbringt.

Wie funktioniert ein DD-Motor in einem kollaborativen Robotergelenk?

Ein DD-Motor verfolgt einen anderen Ansatz.

Anstatt ein Untersetzungsgetriebe zwischen Motor und Robotergelenk einzubauen, treibt der Motor den Ausgang direkt an.

Da es keine herkömmliche mechanische Untersetzungsstufe gibt, kann das System mit weniger Getriebekomponenten auskommen.

Dies kann mehrere Vorteile mit sich bringen.

Durch den Verzicht auf eine mechanische Untersetzungsstufe entfällt das mit dem Getriebe verbundene Zahnflankenspiel, und es kann eine direkte Beziehung zwischen Motordrehmoment und Gelenkbewegung hergestellt werden.

DD-Motoren bieten zudem ein ausgezeichnetes dynamisches Ansprechverhalten.

Wenn das Gelenk eine schnelle Beschleunigung, Verzögerung oder häufige Richtungsänderungen erfordert, kann ein Direktantrieb von Vorteil sein, da sich zwischen Motor und Last weniger mechanische Übertragungselemente befinden.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Rücksteuerbarkeit.

Ein Direktantriebsgelenk lässt sich im Allgemeinen leichter rückwärts bewegen als ein stark untersetztes Gelenk, was Direktantriebsmotoren für Anwendungen interessant macht, bei denen Kraftinteraktion und nachgiebige Bewegung wichtig sind.

Die Begrenzung liegt im Drehmoment.

Da es keinen Reduktionsmechanismus zur Vervielfachung des Motordrehmoments gibt, muss der DD-Motor selbst das erforderliche Gelenkdrehmoment erzeugen.

Bei einem kollaborativen Robotergelenk mit hohem Drehmoment kann dies einen größeren Motor mit größerem aktiven Durchmesser und höherer thermischer Kapazität erfordern.

Harmonic Reducer vs DD Motor für das Gelenkdrehmoment kollaborativer Roboter

Die Drehmomentdichte ist einer der wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen.

Bei einem Harmonic-Reducer muss der Motor das endgültige Gelenkdrehmoment nicht direkt erzeugen. Der Reduktionsmechanismus erhöht das Ausgangsdrehmoment bei gleichzeitiger Reduzierung der Drehzahl.

Dadurch wird die Herstellung einer kompakten Verbindung mit hohem Drehmoment erleichtert.

Ein DD-Motor muss das erforderliche Drehmoment direkt erzeugen.

Bei Gelenken mit niedrigem Drehmoment stellt dies möglicherweise keine wesentliche Einschränkung dar.

Mit steigendem erforderlichen Drehmoment der Gelenke können jedoch auch die Motorgröße, der Strombedarf und die thermischen Anforderungen deutlich zunehmen.

Aus diesem Grund kann die harmonische Kraftübertragung für kollaborative Robotergelenke attraktiv sein, die ein hohes Drehmoment innerhalb eines begrenzten mechanischen Bauraums benötigen.

DD-Motoren werden interessanter, wenn das erforderliche Drehmoment moderat ist und die Konstruktion den Schwerpunkt stärker auf Direktantrieb, hohes dynamisches Ansprechverhalten und Rücktriebsfähigkeit legt.

Welches Getriebe bietet eine bessere Rücktriebsfähigkeit: Direktantriebsmotor oder Harmonic-Reducer?

Rücksteuerbarkeit ist insbesondere bei kollaborativer Robotik von großer Bedeutung.

Ein Roboter muss möglicherweise äußere Kräfte erkennen, auf Berührungen reagieren und sicher in der Nähe von Menschen arbeiten können.

Ein hoch übersetztes Getriebe kann äußeren Bewegungen widerstehen, da die Last den Motor über das Getriebe antreiben muss.

Ein DD-Motor verfügt nicht über denselben Reduktionsmechanismus.

Die Last ist direkt mit dem Motor verbunden, wodurch das Gelenk auf natürliche Weise auf äußere Kräfte reagiert.

Dies ist eines der stärksten Argumente für DD-Motoren in kraftempfindlichen Roboteranwendungen.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass harmonische Robotergelenke keine Kraftregelung unterstützen können.

Ein Harmonic Joint kann hochauflösendes Encoder-Feedback, Motorstrominformationen oder einen integrierten Drehmomentsensor zur Unterstützung der Kraft- und Drehmomentregelung nutzen.

Die tatsächliche Leistungsfähigkeit hängt daher von der gesamten Gelenkarchitektur ab.

Bei Anwendungen, die eine hochsensible Krafteinwirkung erfordern, sollten Ingenieure nicht nur den Getriebetyp, sondern auch die Encoderkonfiguration, die Drehmomentmessung, den Regelalgorithmus und die mechanische Reibung bewerten.

Welches ist kompakter für kollaborative Robotergelenke?

Kompaktheit ist ein weiterer Bereich, in dem Oberschwingungsdämpfer Vorteile bieten können.

Ein Harmonic-Reduzierstück kann ein hohes Untersetzungsverhältnis in einem relativ kleinen Gehäuse bieten.

Dadurch können Motor und Getriebe in ein kompaktes gemeinsames Gehäuse integriert werden.

Bei einem kollaborativen Sechs-Achs-Roboter kann dies von Bedeutung sein, da jedes Gelenk zur Gesamtgröße und zum Gesamtgewicht des Roboters beiträgt.

Durch die Verringerung der Masse der vorgelagerten Gelenke kann auch das von den weiter unten am Roboterarm befindlichen Gelenken benötigte Drehmoment verringert werden.

Ein DD-Motor kann das Untersetzungsgetriebe überflüssig machen, das bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass das gesamte Gelenk kleiner ausfällt.

Der Motor muss das erforderliche Drehmoment direkt erzeugen, daher kann ein DD-Motor mit hohem Drehmoment einen relativ großen Durchmesser erfordern.

Daher führt das Entfernen des Reduziergetriebes nicht automatisch zu einem kleineren Robotergelenk.

Der korrekte Vergleich sollte auf dem gesamten Aktorbauteil basieren, einschließlich Motor, Lager, Gehäuse, Encoder und Kühlstruktur.

Harmonic Reducer vs DD Motor für Robotergelenkgenauigkeit

Beide Technologien ermöglichen hochpräzise Robotergelenke, erreichen dies aber auf unterschiedliche Weise.

Harmonische Getriebe sind attraktiv, weil sie ein extrem geringes Umkehrspiel und ein hohes Untersetzungsverhältnis ermöglichen.

Dadurch eignen sie sich für Anwendungen, bei denen eine präzise Winkelpositionierung wichtig ist.

DD-Motoren eliminieren das mechanische Untersetzungsspiel vollständig.

Allerdings garantiert das Fehlen von Getriebespiel keine höhere Systemgenauigkeit.

Die endgültige Gelenkgenauigkeit des Roboters wird außerdem beeinflusst durch:

• Encoder-Auflösung

• Lagergenauigkeit

• Motorsteuerung

• Strukturelle Deformation

• Wärmeausdehnung

• Mechanische Steifigkeit

Bei einem kollaborativen Roboter müssen diese Faktoren gemeinsam bewertet werden.

Ein DD-Motor mit exzellenter Encoder-Rückmeldung, aber unzureichender struktureller Steifigkeit kann möglicherweise nicht mit einem gut konstruierten Harmonic Joint mithalten.

Ebenso wenig kann ein harmonisches Getriebe mit geringem Spiel eine mangelhafte Encoder-Rückmeldung oder übermäßige strukturelle Verformungen ausgleichen.

Welches eignet sich besser für kollaborative Roboterbewegungen mit hoher Geschwindigkeit?

DD-Motoren bieten einen natürlichen Vorteil, wenn es auf schnelle, kontinuierliche Drehbewegung und schnelle dynamische Reaktion ankommt.

Da der Motor die Last direkt antreibt, ist keine Untersetzungsstufe erforderlich, um die Bewegung zu übertragen.

Dies kann in Anwendungen, die häufiges Beschleunigen und Abbremsen erfordern, von Vorteil sein.

Harmonic-Reduziergetriebe können auch schnelle Roboterbewegungen unterstützen, die maximale Ausgangsgeschwindigkeit ist jedoch durch das Getriebe und das gewählte Untersetzungsverhältnis begrenzt.

Für Gelenke kollaborativer Roboter, die eine hohe Ausgangsgeschwindigkeit, aber ein relativ niedriges Drehmoment benötigen, können DD-Motoren daher eine attraktive Option sein.

Bei Verbindungen, die ein hohes Drehmoment bei relativ niedriger Ausgangsdrehzahl erfordern, kann die Harmonic Transmission eine praktikablere Lösung darstellen.

Harmonic Reducer vs DD Motor für die Kraftregelung kollaborativer Roboter

Die Kraftsteuerung gewinnt in der kollaborativen Robotik zunehmend an Bedeutung.

Anwendungen wie Montage, Polieren, Einsetzen, Inspektion und Mensch-Roboter-Interaktion erfordern, dass der Roboter auf Kontaktkräfte reagiert, anstatt einfach einer vordefinierten Positionstrajektorie zu folgen.

DD-Motoren sind für diese Anwendungen naturgemäß attraktiv, da der Motor direkt mit dem Ausgang verbunden ist.

Der mechanische Zusammenhang zwischen Motordrehmoment und Gelenkdrehmoment ist relativ direkt.

Ein harmonisches Gelenk kann jedoch auch für kraftgesteuerte Anwendungen ausgelegt werden.

Beispielsweise kann ein integriertes Robotergelenk einen ausgangsseitigen Encoder oder Drehmomentsensor verwenden, um direktere Informationen über die Gelenkbewegung oder das Drehmoment zu erhalten.

Dies kann die Fähigkeit des Steuerungssystems, zwischen motorseitiger Bewegung und tatsächlicher Ausgangsbewegung zu unterscheiden, erheblich verbessern.

Bei Hochleistungs-Kollaborationsrobotergelenken sollte die Frage daher nicht einfach lauten:

DD-Motor oder Harmonic-Reducer?

Eine bessere Frage lautet:

Wie genau kann das gesamte Gelenk das Ausgangsdrehmoment messen und steuern?

Harmonic Joint Modules können mehr als nur das Reduzierstück integrieren.

Ein modernes Robotergelenkmodul ist nicht einfach nur ein harmonisches Getriebe.

Ein vollständiges gemeinsames Modul kann Folgendes integrieren:

• Servomotor

• Oberwellenreduzierer

• Encoder

• Treiber

• Bremse

• Drehmomentsensor

• Gehäuse

• Lager

Durch diesen Integrationsgrad kann der für den Bau eines Robotergelenks erforderliche Entwicklungsaufwand reduziert werden.

Für Hersteller von kollaborativen Robotern kann ein integriertes Harmonic-Joint-Modul auch eine standardisiertere mechanische und elektrische Schnittstelle bieten.

Dies kann nützlich sein, wenn mehrere Robotermodelle mit unterschiedlichen Nutzlastkapazitäten entwickelt werden.

Der Hauptvorteil liegt nicht einfach im Harmonic-Reducer selbst, sondern in der Möglichkeit, Getriebe, Motor, Sensorik und Steuerungskomponenten in einen kompakten Aktor zu integrieren.

Wann sollte man einen Harmonischen Reduzierer für einen kollaborativen Roboter wählen?

Ein Harmonic-Reduziergetriebe ist dann eine Überlegung wert, wenn das Gelenk des kollaborativen Roboters eine Kombination aus hohem Drehmoment, kompakten Abmessungen und geringem Spiel erfordert.

Es eignet sich besonders für Gelenke, bei denen der Aktor eine erhebliche Last tragen muss und gleichzeitig relativ leicht bleiben soll.

Typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise:

• Kollaborative Roboterarme

• Sechsachsige kollaborative Roboter

• Gelenke humanoider Roboter

• Mobile Manipulatoren

• Präzisionsroboterarme

Für diese Anwendungen kann die harmonische Getriebetechnik ein praktisches Gleichgewicht zwischen Drehmomentdichte, Präzision und Gehäusegröße bieten.

Allerdings sollte das Untersetzungsgetriebe anhand des tatsächlichen Drehmoments, der Drehzahl, der Lastträgheit, des Arbeitszyklus und der thermischen Bedingungen ausgewählt werden, anstatt einfach das höchste verfügbare Untersetzungsverhältnis zu wählen.

Wann sollte man einen DD-Motor für einen kollaborativen Roboter wählen?

Ein DD-Motor ist möglicherweise besser geeignet, wenn Direktantrieb und hohes dynamisches Ansprechverhalten die primären Konstruktionsanforderungen sind.

Typische Überlegungen umfassen:

• Hohe Rücktriebsfähigkeit

• Schnelle Beschleunigung und Verzögerung

• Kontinuierliche Rotation

• Direkte Drehmomentsteuerung

• Geringe Komplexität der mechanischen Getriebeübertragung

DD-Motoren können besonders attraktiv für ausgewählte Handgelenke, kraftempfindliche Mechanismen und spezielle kollaborative Roboterarchitekturen sein.

Sie sind möglicherweise weniger attraktiv, wenn die Verbindung ein sehr hohes Drehmoment in einem extrem kompakten Gehäuse erfordert.

In solchen Fällen kann die zusätzliche Motorgröße, die zur direkten Erzeugung des Drehmoments erforderlich ist, zu einer erheblichen Konstruktionsbeschränkung werden.

Direktantriebsmotor vs. Harmonic-Reducer: Welcher ist besser für verschiedene Robotergelenke?

Die beste Technologie kann sich auch zwischen verschiedenen Achsen desselben Roboters unterscheiden.

Ein Schulter- oder Basisgelenk benötigt im Allgemeinen ein hohes Drehmoment, da es einen großen Teil der Roboterstruktur und der Nutzlast trägt.

Ein harmonisches Gelenkmodul kann daher für diese Positionen attraktiv sein.

Ein Ellbogengelenk erfordert zudem ein hohes Drehmoment und eine kompakte Bauweise, weshalb die harmonische Kraftübertragung in vielen Konstruktionen eine praktikable Option darstellt.

Handgelenke haben oft unterschiedliche Anforderungen.

Geringeres Gewicht, hohe Geschwindigkeit und dynamisches Ansprechverhalten können an Bedeutung gewinnen, daher kann es sich je nach Roboterarchitektur lohnen, einen DD-Motor in Betracht zu ziehen.

Dies bedeutet, dass ein Roboterhersteller nicht unbedingt für jedes Gelenk exakt die gleiche Aktuatorarchitektur verwenden muss.

Unterschiedliche Gelenkpositionen können unterschiedliche Anforderungen an Drehmoment, Geschwindigkeit, Trägheit und Kraftregelung mit sich bringen.

Wie man zwischen einem DD-Motor und einem Harmonic-Reducer für einen Cobot wählt

Die Auswahl kann vereinfacht werden, indem die tatsächlichen Designprioritäten bewertet werden.

Wenn die Verbindung eine hohe Drehmomentdichte, kompakte Abmessungen, ein hohes Untersetzungsverhältnis und ein sehr geringes Zahnflankenspiel erfordert, ist ein Harmonic-Reducer oft eine gute Wahl.

Wenn die Zusammenarbeit Wert auf Direktantrieb, Rückantriebsfähigkeit, hohes dynamisches Ansprechverhalten und geringe mechanische Übertragungskomplexität legt, kann ein DD-Motor attraktiver sein.

Wenn die Anwendung eine hochpräzise Kraftregelung erfordert, sollten beide Technologien zusammen mit der Sensorarchitektur evaluiert werden.

Ein Drehmomentsensor, eine Dual-Encoder-Konfiguration und eine geeignete Servosteuerung können einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Leistungsfähigkeit des Robotergelenks haben.

Fazit: Direkteinspritzmotor oder Harmonic-Reducer für kollaborative Roboter?

Es gibt keinen eindeutigen Gewinner zwischen einem Direktantriebsmotor und einem Harmonic-Reducer.

Ein Harmonic-Reduziergetriebe ist im Allgemeinen attraktiver, wenn ein Gelenk eines kollaborativen Roboters eine hohe Drehmomentdichte, kompakte Abmessungen, geringes Spiel und ein hohes Untersetzungsverhältnis erfordert.

Ein DD-Motor wird dann attraktiver, wenn Direktantrieb, Rücktriebsfähigkeit, hohes dynamisches Ansprechverhalten und kontinuierliche Drehbewegung die primären Anforderungen sind.

Für viele kompakte kollaborative Roboterarme bieten Harmonic-Joint-Module eine praktische Kombination aus Drehmoment, Präzision und Integration. Für Spezialgelenke, die auf direkter Krafteinwirkung und dynamischem Ansprechverhalten basieren, bieten DD-Motoren wichtige Vorteile.

Am wichtigsten ist es, das gesamte Robotergelenk zu beurteilen, nicht nur den Motor oder das Getriebe.

Motordrehmoment, Untersetzungsverhältnis, Encoder-Rückmeldung, Tragfähigkeit, Struktursteifigkeit, thermische Leistung, Kraftmessung und Steuerungsarchitektur tragen alle zur endgültigen Leistung bei.

Für Roboterhersteller, die kollaborative Roboter entwickeln, kann die richtige Lösung daher ein Harmonic-Joint-Modul für Achsen mit hohem Drehmoment und eine Direktantriebsarchitektur für ausgewählte Hochgeschwindigkeits- oder kraftempfindliche Gelenke sein, abhängig von den mechanischen und steuerungstechnischen Anforderungen des Roboters.

HONPINE bietet Harmonic-Reduziergetriebe, Harmonic-Drehantriebe, Robotergelenkmodule und DD-Motorlösungen für unterschiedliche Roboterbewegungsanforderungen an, sodass Ingenieure die passende Getriebearchitektur je nach Anwendung auswählen können.