Wie beeinflusst die Regelungsbandbreite die Leistung von Gelenkmotoren in Robotern?

Einführung  

Bei der Bewertung eines Robotergelenkmotors konzentrieren sich Ingenieure oft zunächst auf Nenndrehmoment, Drehzahl, Leistung und Encoderauflösung. Diese Parameter allein bestimmen jedoch nicht vollständig, wie schnell und präzise ein Robotergelenk auf Bewegungsbefehle reagieren kann.

Bei kollaborativen Robotern, humanoiden Robotern, Präzisionsroboterarmen und anderen dynamischen Robotersystemen ist die Regelbandbreite ein wichtiger Indikator für die dynamische Reaktionsfähigkeit des Gelenks.

Moderne Robotergelenke bestehen nicht mehr nur aus einem Motor und einem Getriebe. Ein komplettes Robotergelenkmodul kann Servomotor, Präzisionsgetriebe, Encoder, Servoantrieb, Lager, Gehäuse und Kommunikationsschnittstellen in einem einzigen kompakten Aktor integrieren. Dadurch wird die erreichbare Regelbandbreite durch das Zusammenspiel des gesamten Gelenksystems und nicht mehr allein durch den Motor bestimmt.

Ein Hochleistungs-Servomotor kann zwar ein ausgezeichnetes elektrisches Ansprechverhalten aufweisen, aber wenn das Getriebe zu flexibel ist, die mechanische Struktur eine geringe Steifigkeit aufweist oder das Rückkopplungssystem eine erhebliche Verzögerung verursacht, kann die Bandbreite der Positionsregelung nicht unbegrenzt erhöht werden.

Deshalb ist es bei der Bewertung eines harmonischen Gelenkmoduls oder eines Planetengelenkmoduls sinnvoller, folgende Frage zu stellen:

Welche effektive Regelbandbreite kann das gesamte Robotergelenk unter realen Last- und Betriebsbedingungen erreichen?

Dieser Artikel erklärt, wie die Regelungsbandbreite die Leistung von Robotergelenkmotoren beeinflusst und untersucht, wie Motor, Getriebe, Encoder, Antrieb, mechanische Struktur und Steuerungssystem zusammenwirken, um die dynamische Leistung eines integrierten Robotergelenks zu bestimmen.

Was ist die Steuerbandbreite in einem Robotergelenk?

Die Regelungsbandbreite basiert auf der Frequenzganganalyse in der Regelungstechnik. Bei einem Robotergelenk kann sie als der Frequenzbereich verstanden werden, innerhalb dessen das geschlossene Regelungssystem effektiv auf sich ändernde Bewegungsbefehle reagieren und dabei ein stabiles und vorhersagbares Verhalten gewährleisten kann.

In einem typischen geschlossenen Regelsystem wird die Regelbandbreite häufig anhand des -3 dB-Punktes des Frequenzgangs ermittelt.

Wenn beispielsweise ein Robotergelenk eine Positionsregelungsbandbreite von 30 Hz aufweist, bedeutet dies nicht, dass sich der Roboter nur mit 30 Hz bewegen kann. Vielmehr bedeutet es, dass die Nachführgenauigkeit des Gelenks deutlich abnimmt, wenn sich die Frequenzkomponenten des Positionsbefehls diesem Frequenzbereich nähern.

Die Steuerbandbreite gibt somit einen Hinweis darauf, wie schnell ein Robotergelenk auf sich ändernde Befehle reagieren kann.

Roboterbahnen, Beschleunigungsänderungen, schnelle Richtungswechsel, Kontaktereignisse und Kraftregelungsaktionen enthalten unterschiedliche Frequenzkomponenten. Eine geringere Bandbreite bedeutet im Allgemeinen, dass das System mehr Zeit benötigt, um schnell wechselnden Befehlen zu folgen. Eine höhere Bandbreite ermöglicht eine schnellere Reaktion auf Bewegungsänderungen und externe Störungen.

Höhere Steuerbandbreite ist jedoch nicht immer besser.

Wenn die Regelbandbreite sich den Resonanzfrequenzen der mechanischen Struktur annähert, kann eine Erhöhung der Regelverstärkung die Schwingungen verstärken, die Stabilitätsreserven verringern und sogar zu Instabilität führen.

Ziel ist es daher nicht einfach, die Bandbreite zu maximieren, sondern ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Ansprechgeschwindigkeit, mechanischer Steifigkeit, Rauschen, Stabilität und Anwendungsanforderungen zu erreichen.

Die Steuerbandbreite wird nicht allein durch den Robotergelenkmotor bestimmt.

Dies ist einer der wichtigsten Punkte bei der Bewertung der Gelenkleistung von Robotern.

Produktspezifikationen geben häufig Motordrehzahl, Nenndrehmoment, Leistung und Encoderauflösung an. Diese Spezifikationen sollten jedoch nicht direkt als Regelbandbreite des gesamten Robotergelenks interpretiert werden.

Ein typisches integriertes Robotergelenk kann als ein System betrachtet werden, das aus Folgendem besteht:

Motor → Servoantrieb → Untersetzungsgetriebe → Encoder → Lager und mechanische Struktur → Robotersteuerung

Jede Phase kann die erreichbare Regelbandbreite beeinflussen.

Der Motor bestimmt die grundlegende Antriebsleistung und das elektrische Ansprechverhalten. Der Servoantrieb bestimmt die Leistungsfähigkeit der Strom-, Drehzahl- und Positionsregelkreise. Das Untersetzungsgetriebe verändert das Verhältnis zwischen Motordrehzahl, Ausgangsdrehmoment und reflektierter Trägheit. Der Encoder bestimmt die Qualität und Latenz der Positionsrückmeldung. Lager, Gehäuse und mechanische Strukturen bestimmen Steifigkeit, Trägheit und mechanische Resonanz.

Ein Hochgeschwindigkeitsmotor erzeugt daher nicht automatisch ein Robotergelenk mit hoher Bandbreite.

Ein Servomotor kann beispielsweise sehr schnell reagieren, aber wenn er mit einer mechanischen Struktur mit geringer Steifigkeit verbunden ist, kann eine Erhöhung der Positionsregelungsverstärkung eine mechanische Resonanz auslösen.

In diesem Fall liegt die eigentliche Begrenzung im gesamten mechanischen System und nicht im Motor selbst.

Dies ist einer der Gründe, warum integrierte Robotergelenkmodule immer wichtiger werden.

Wenn Motor, Getriebe, Encoder und Antrieb als komplettes Gesamtsystem ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden, können Ingenieure die Trägheitsanpassung, die Rückkopplungsposition, die Steuerungsparameter, die mechanische Steifigkeit und die Kommunikationslatenz gemeinsam optimieren, anstatt die einzelnen Komponenten erst später zu integrieren.

Wie beeinflusst die kaskadierte Steuerungsarchitektur die Gelenkbandbreite des Roboters?

Robotergelenkmotoren verwenden typischerweise eine kaskadierte Steuerungsarchitektur, anstatt dass ein einzelner Positionsregler den Motor direkt steuert.

Eine typische Architektur umfasst eine Strom-, eine Geschwindigkeits- und eine Positionsregelung.

Der Stromregelkreis befindet sich am nächsten zum Motor und benötigt daher die schnellste Reaktionszeit. Er steuert den Motorstrom und das elektromagnetische Drehmoment und arbeitet normalerweise mit der höchsten Regelfrequenz.

Der Drehzahlregler befindet sich zwischen dem Stromregler und dem Positionsregler und steuert die Motordrehzahl. Seine Bandbreite ist normalerweise geringer als die des Stromreglers.

Der Positionsregelkreis ist der äußerste Regelkreis und bestimmt direkt die Positionsnachführungsgenauigkeit des Robotergelenks. Er wird stark von der mechanischen Trägheit, der Struktursteifigkeit, der Getriebeflexibilität und der mechanischen Resonanz beeinflusst.

Das heisst:

Eine Hochgeschwindigkeits-Stromschleife bedeutet nicht automatisch, dass das Robotergelenk über eine hohe Positionsregelungsbandbreite verfügt.

Ein Servoantrieb kann zwar eine extrem schnelle Stromregelung aufweisen, aber wenn das Robotergelenk eine erhebliche mechanische Flexibilität besitzt, kann die Bandbreite des Positionsregelkreises dennoch nicht unbegrenzt erhöht werden.

Bei der Bewertung eines Robotergelenkmotors oder integrierten Aktuators sollten Ingenieure daher nicht nur die Steuerfrequenz des Antriebs oder die elektrische Reaktion des Motors betrachten, sondern auch die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentregelkreises am Gelenkausgang untersuchen.

Warum beeinflusst das Reduziergetriebe die Gelenksteuerungsbandbreite des Roboters?

Bei Robotergelenken mit mechanischem Untersetzungsgetriebe ist das Untersetzungsgetriebe eine der Schlüsselkomponenten, die die dynamische Leistungsfähigkeit beeinflussen.

Die Hauptfunktion eines Untersetzungsgetriebes besteht darin, die Drehzahl zu verringern und das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen, wodurch ein relativ kompakter Motor eine größere Roboterlast antreiben kann.

Aus regelungstechnischer Sicht verändert das Untersetzungsgetriebe jedoch auch die mechanischen Eigenschaften des gesamten Systems.

Das Untersetzungsverhältnis beeinflusst das Verhältnis der motorseitigen und lastseitigen Trägheit. Getriebereibung, Torsionssteifigkeit, mechanische Nachgiebigkeit und Zahnflankenspiel können ebenfalls den Frequenzgang des Gelenks beeinflussen.

Besitzt das mechanische System ausgeprägte elastische Moden, kann eine Erhöhung der Reglerverstärkung Resonanzen bei bestimmten Frequenzen auslösen.

Daher ist ein höheres Reduktionsverhältnis nicht automatisch besser.

Bei der Konstruktion von Robotergelenken ist ein Gleichgewicht zwischen Ausgangsdrehmoment, Ausgangsgeschwindigkeit, Trägheitsanpassung, Steifigkeit, Reibung und Regelbandbreite erforderlich.

Aus diesem Grund können verschiedene Roboterachsen unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse oder sogar unterschiedliche Arten von Gelenkmodulen verwenden.

Wie beeinflusst ein Harmonic-Joint-Modul die dynamische Reaktion von Robotergelenken?

Für Robotergelenke, die eine hohe Drehmomentdichte, kompakte Abmessungen und eine präzise Positionierung erfordern, ist ein harmonisches Gelenkmodul eine wichtige Aktuatorarchitektur.

Ein Harmonic-Joint-Modul integriert Servomotor, Harmonic-Reduziergetriebe, Encoder, Servoantrieb, Lager und Gehäuse in einen kompakten Robotergelenkaktuator. Im Vergleich zum separaten Kauf von Motor und Getriebe und deren Integration auf Systemebene reduziert eine integrierte Architektur die Anzahl mechanischer Schnittstellen und vereinfacht die Systemintegration. Gleichzeitig ermöglicht sie die Abstimmung der Komponenten zu einem kompletten Gelenk.

Aus Sicht der Regelbandbreite ist die entscheidende Frage nicht einfach, ob ein Oberwellenuntersetzer eine bestimmte Bandbreite aufweist. Vielmehr geht es darum, welche mechanische Grundlage die Oberwellenübertragung für die Regelung im geschlossenen Regelkreis bietet.

Geringes Getriebespiel verbessert die Vorhersagbarkeit der Positionsregelung. Eine hohe mechanische Steifigkeit trägt dazu bei, durch Laständerungen verursachte Positionsfehler zu reduzieren. Ein geeignetes Untersetzungsverhältnis ermöglicht zudem den Betrieb des Motors in einem optimalen Drehzahl- und Drehmomentbereich.

In Kombination mit einem hochauflösenden Encoder, insbesondere einem ausgangsseitigen Encoder, kann der Controller genauere Informationen über die tatsächliche Position des Robotergelenksausgangs erhalten.

Als Ergebnis kann ein harmonisches Gelenkmodul ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen Drehmomentdichte, Präzision, Kompaktheit und Regelungsleistung für Robotergelenke wie Schulter- und Ellbogenachsen bieten, die ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment erfordern.

Die endgültige Regelbandbreite eines Harmonic-Joint-Moduls hängt jedoch weiterhin von der Gesamtübereinstimmung von Motor, Untersetzungsverhältnis, Encoder, Servoantrieb, mechanischer Struktur und Regelparametern ab.

Wie wirkt sich ein planetarisches Gelenkmodul auf die Steuerbandbreite aus?

Ein Planetengelenkmodul bietet eine weitere Option für die Konstruktion von Robotergelenken, insbesondere wenn die Anwendung eine andere Kombination aus Ausgangsgeschwindigkeit, Dauerbetrieb, Drehmomentkapazität und dynamischer Reaktion erfordert.

Die Regelbandbreite wird gleichermaßen durch das Untersetzungsverhältnis, die Übertragungssteifigkeit, die Reibung, die Lastträgheit und die mechanische Resonanz beeinflusst.

Die Wahl eines Planetengelenkmoduls führt daher nicht automatisch zu einer höheren Regelbandbreite, genauso wenig wie die Wahl eines harmonischen Gelenkmoduls automatisch eine höhere Dynamik garantiert.

Der geeignetere Ansatz besteht darin, die Gelenkarchitektur an die tatsächlichen Bewegungsanforderungen anzupassen.

Beispielsweise legen manche Robotergelenke Wert auf hohes Drehmoment, kompakte Abmessungen, geringes Spiel und präzise Positionierung. Andere Gelenke hingegen konzentrieren sich stärker auf Ausgangsgeschwindigkeit, kontinuierliche Rotation und dynamisches Ansprechverhalten. In solchen Anwendungen kann ein Planetengelenkmodul eine alternative Getriebearchitektur bieten.

Für Roboterhersteller kann es manchmal praktischer sein, für verschiedene Roboterachsen unterschiedliche Gelenkarchitekturen zu verwenden, als für den gesamten Roboter exakt denselben Aktor einzusetzen.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Reduktionsverhältnis und Steuerbandbreite?

Das Reduktionsverhältnis ist einer der am häufigsten missverstandenen Parameter bei der Konstruktion von Robotergelenken.

Eine Erhöhung des Untersetzungsverhältnisses kann das Ausgangsdrehmoment deutlich steigern, bedeutet aber nicht, dass sich die Regelbandbreite des Robotergelenks proportional erhöht.

Aus systemdynamischer Sicht verändert das Untersetzungsgetriebe das Trägheitsverhältnis zwischen Motor und Last. Ein geeignetes Untersetzungsverhältnis kann die Anpassung von Motor und Last verbessern und den Betrieb des Motors in einem passenderen Drehzahl- und Drehmomentbereich ermöglichen. Ein zu hohes Untersetzungsverhältnis kann jedoch auch zu einer geringeren Ausgangsdrehzahl und veränderten Reibungs-, Nachgiebigkeits- und dynamischen Eigenschaften führen.

Die Konstruktion von Robotergelenken erfordert daher ein Gleichgewicht zwischen:

Drehmomentdichte, Ausgangsdrehzahl, mechanische Steifigkeit, Trägheitsanpassung und Steuerbandbreite.

Dies ist besonders wichtig für humanoide Roboter und kollaborative Roboter, da diese nicht nur ein hohes Drehmoment, sondern auch häufige Richtungswechsel und eine stabile dynamische Leistung unter verschiedenen Körperhaltungen und Belastungen benötigen.

Warum beeinflusst die Encoder-Konfiguration die Bandbreite der Robotergelenksteuerung?

Der Encoder ist eine wichtige Rückkopplungskomponente in einem geschlossenen Regelkreis eines Robotergelenks.

Der Regler kennt die tatsächliche Position des Robotergelenks nicht direkt. Er nutzt die Rückmeldung des Encoders, um den Systemzustand zu bestimmen. Encoderauflösung, Abtastrate und Signalverzögerung können daher die erreichbare Regelgenauigkeit beeinflussen.

Bei der konventionellen Motorsteuerung wird ein motorseitiger Encoder hauptsächlich für die Kommutierung, die feldorientierte Steuerung, die Drehzahlrückmeldung und die Positionsrückmeldung verwendet.

Bei einem Robotergelenk ist die Motorposition jedoch nicht unbedingt identisch mit der Ausgangsposition.

Zwischen dem Motor und dem Gelenkausgang des Roboters können sich ein Untersetzungsgetriebe, Lager und mechanische Strukturen befinden.

Für Hochleistungsrobotergelenke kann daher eine Dual-Encoder-Architektur zusätzliche Rückkopplungsinformationen liefern.

Der motorseitige Encoder dient der Hochgeschwindigkeits-Motorsteuerung, während ein ausgangsseitiger Encoder die Gelenkposition direkt misst. Dadurch kann die Steuerung sowohl die motorseitige als auch die ausgangsseitige Bewegung erfassen.

Bei Robotergelenken mit Nachgiebigkeit des Getriebes oder wechselnden Lasten kann diese Rückkopplungsarchitektur besonders wertvoll sein.

In Kombination mit einem Drehmomentsensor auf der Ausgangsseite kann das System zudem einen direkteren Drehmomentregelkreis für die Impedanzregelung, nachgiebige Bewegungen und die Mensch-Roboter-Interaktion herstellen.

Aus Sicht der Regelbandbreite sollte der Encoder daher nicht einfach als Auflösungsspezifikation betrachtet werden. Er ist Teil des gesamten dynamischen Verhaltens des Regelkreises.

Kann die Kommunikationszykluszeit die Bandbreite der Robotergelenksteuerung begrenzen?

Ja.

Selbst wenn ein Robotergelenk über einen hochauflösenden Encoder und einen leistungsstarken Servoantrieb verfügt, kann die Regelgüte eingeschränkt sein, wenn die Rückkopplungsdaten den Regler nicht schnell genug erreichen.

Ein typisches Robotersteuerungssystem führt kontinuierlich Folgendes aus:

Sensordatenerfassung → Datenübertragung → Steuerberechnung → Befehlsübertragung → Aktorreaktion

Jede Phase bringt ein gewisses Maß an Verzögerung mit sich.

Mit steigender Steuerfrequenz können selbst geringe Kommunikations- und Rechenverzögerungen zu erheblichen Phasenverzögerungen führen und die Stabilitätsreserve verringern.

Daher sollten Kommunikationstechnologien wie EtherCAT und CAN nicht allein anhand ihrer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit bewertet werden. Auch die Zykluszeit der Steuerung, das Datenvolumen, die Synchronisation, die Latenz und die gesamte Robotersteuerungsarchitektur müssen berücksichtigt werden.

Bei integrierten Robotergelenkmodulen kann die Integration des Servoantriebs in das Gelenk die Systemarchitektur weiter vereinfachen und die Komplexität der externen Verkabelung und Integration zwischen Motor und Steuerelektronik verringern.

Wie beeinflusst die Lastvariation die effektive Bandbreite der Robotergelenksteuerung?

Die Bandbreite der Robotergelenksteuerung kann nicht unabhängig von der tatsächlichen Last bewertet werden.

Ein Gelenk kann unter unbelasteten Bedingungen ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten aufweisen, aber sobald der Roboter eine Nutzlast, einen Endeffektor oder ein Werkzeug trägt, ändern sich seine effektive Trägheit und die mechanische Belastung.

Beispielsweise kann ein Roboterarm mit vollständig ausgefahrenen Gliedern ganz andere Belastungen auf ein Gelenk ausüben als derselbe Arm in zusammengeklappter Position.

Daher kann dasselbe Gelenkmodul unter verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedliche dynamische Reaktionen zeigen.

Aus diesem Grund sollte die Prüfung der Gelenkbandbreite von Robotern nicht ausschließlich auf Leerlaufmessungen beruhen.

Eine aussagekräftigere Bewertung berücksichtigt Leerlauf-, Nennlast- und repräsentative Betriebsträgheitsmomente und untersucht die Systemstabilität und Resonanz unter den jeweiligen Bedingungen.

Für Roboterhersteller ist die nützlichste Spezifikation daher nicht einfach die höchste unter Laborbedingungen gemessene Bandbreite, sondern:

Welche effektive Regelbandbreite kann das Robotergelenk unter seiner tatsächlichen Betriebslast aufrechterhalten?

Wie wird die Bandbreite der Robotergelenksteuerung getestet?

Ein Sinus-Sweep-Test ist eine gängige Ingenieurmethode zur Messung des Frequenzgangs eines Robotergelenks.

Das Gelenk wird mit sinusförmigen Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehmomentsignalen bei progressiv ansteigenden Frequenzen angesteuert. Anschließend werden die tatsächliche Ausgangsamplitude und Phasenantwort aufgezeichnet.

Mit steigender Eingangsfrequenz nimmt die Amplitude des Ausgangssignals typischerweise ab und die Phasenverzögerung zu. Die Frequenz, die der spezifizierten Amplitudendämpfung entspricht, kann dann als Referenz für die Regelbandbreite verwendet werden.

Ein Bode-Diagramm kann zusätzliche Informationen über die Systemverstärkung, den Phasengang und die Resonanzspitzen liefern.

Die bloße Angabe eines Wertes wie „XX Hz“ reicht jedoch nicht aus, um ein Robotergelenkmodul angemessen zu bewerten.

Die Testbedingungen sollten auch die Last, das Trägheitsmoment des Ausgangs, die Bewegungsamplitude, den Steuermodus, die Abtastfrequenz, die mechanische Installation und andere relevante Parameter spezifizieren.

Andernfalls sind Bandbreitenwerte von verschiedenen Robotergelenkmotoren oder Aktuatormodulen möglicherweise nicht direkt vergleichbar.

Die Erhöhung der Gelenksteuerungsbandbreite von Robotern hängt nicht einfach von der Erhöhung der Motorleistung ab.

Wenn ein Robotergelenk nicht schnell genug reagiert, löst der Austausch des Motors gegen einen leistungsstärkeren Motor das Problem nicht unbedingt.

Die Steuerbandbreite ist durch das Gesamtsystem begrenzt.

Weist die mechanische Struktur eine niederfrequente Resonanz auf, kann eine Erhöhung der Motorleistung die Vibrationen sogar verstärken. Bei einer signifikanten Latenz der Encoderrückmeldung lässt sich die Verzögerung durch eine Erhöhung der Reglerverstärkung nicht beseitigen. Ist der Kommunikationszyklus zu langsam, kann selbst ein Hochleistungsmotor sein volles dynamisches Potenzial nicht ausschöpfen.

Eine Erhöhung der Bandbreite der Robotergelenksteuerung erfordert daher eine Optimierung auf Systemebene.

Der Motor benötigt ein ausreichendes elektrisches Ansprechverhalten. Das Getriebe muss optimal auf Motor und Last abgestimmt sein. Die mechanische Konstruktion muss ausreichend steif sein. Der Encoder muss eine hochwertige Rückmeldung liefern. Der Servoantrieb muss einen geeigneten Regelzyklus unterstützen. Der Regelalgorithmus muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ansprechgeschwindigkeit und Stabilität gewährleisten.

Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil eines integrierten Robotergelenkmoduls.

Anstatt Motor, Getriebe, Encoder und Servoantrieb separat auszuwählen, kann ein integrierter Aktor für das gesamte Gelenksystem entwickelt werden. Dadurch lassen sich Schlüsselkomponenten bereits in der Produktentwicklung aufeinander abstimmen und Probleme bei der Parameteranpassung während der Systemintegration reduzieren.

Wie sollten harmonische und planetarische Gelenkmodule zur Steuerung der Bandbreite aufeinander abgestimmt werden?

Für Roboterhersteller ist die entscheidende Frage nicht einfach, welcher Aktor die höchste Regelbandbreite aufweist. Sinnvoller ist es, die passende Gelenkarchitektur entsprechend den Bewegungsanforderungen jeder Roboterachse auszuwählen.

Für Schulter-, Hüft-, Ellbogen- und andere Achsen, die ein relativ hohes Drehmoment erfordern und gleichzeitig Gelenkgröße und -gewicht begrenzen sollen, ist ein Harmonic-Joint-Modul eine vielversprechende Option. Sein hohes Untersetzungsverhältnis, das geringe Spiel und die kompakte Bauweise ermöglichen ein hohes Drehmoment und eine hohe Positioniergenauigkeit innerhalb begrenzter mechanischer Abmessungen.

Für Roboterachsen, bei denen der Schwerpunkt auf Ausgabegeschwindigkeit, kontinuierlichem Betrieb oder einer anderen Kombination aus Tragfähigkeit und dynamischem Verhalten liegt, kann ein Planetengelenkmodul eine alternative Lösung bieten.

Bei humanoiden Robotern werden die Unterschiede zwischen den Robotergelenken noch deutlicher.

Hüft- und Kniegelenke müssen unter Umständen hohen Belastungen und dynamischen Stößen standhalten. Schultergelenke müssen Belastbarkeit und Bewegungsfreiheit in Einklang bringen. Handgelenke und Handgelenke erfordern im Allgemeinen größere Präzision in Bezug auf Größe, Gewicht, Geschwindigkeit und Geschicklichkeit.

Daher sollte die Regelbandbreite nicht als alleiniges Kriterium für die Auswahl einer Robotergelenkarchitektur herangezogen werden. Sie sollte als Teil des gesamten Aktuatorsystems bewertet werden.

Wie sollte man ein Robotergelenkmodul aus der Perspektive der Steuerbandbreite bewerten?

Bei der Bewertung eines Robotergelenkmoduls genügt es nicht, nur nach der Motorleistung oder dem Untersetzungsverhältnis zu fragen.

Die aussagekräftigere Bewertung konzentriert sich auf das dynamische Verhalten des gesamten Aktuators unter realistischen Betriebsbedingungen.

Ingenieure sollten das Ansprechverhalten des Motors, die Getriebecharakteristik, die Ausgangssteifigkeit, die Encoderkonfiguration, die Zykluszeit des Servoantriebs, die Kommunikationslatenz, die Lastträgheit und die mechanische Resonanz berücksichtigen.

Wenn ein Gelenkmodul einen hochauflösenden Encoder verwendet, aber über eine unzureichende mechanische Steifigkeit verfügt, kann die Encoderauflösung nicht vollständig in eine tatsächliche Positioniergenauigkeit umgesetzt werden.

Wenn ein hohes Untersetzungsverhältnis verwendet wird, die resultierende Ausgangsgeschwindigkeit aber für die Bewegungsanforderungen des Roboters nicht ausreicht, ist der Aktor immer noch keine optimale Lösung.

Wenn Motor und Servoantrieb zwar schnell reagieren, das Gelenk aber eine signifikante mechanische Resonanz aufweist, kann eine Erhöhung der Reglerverstärkung allein das Problem nicht lösen.

Ein Hochleistungs-Robotergelenkmodul ist daher das Ergebnis einer Systemabstimmung zwischen Getriebe, Servomotor, Sensoren, Antriebselektronik und mechanischer Struktur.

Warum gewinnen integrierte Robotergelenkmodule zunehmend an Bedeutung?

Da kollaborative Roboter, humanoide Roboter und Robotersysteme der nächsten Generation immer leichtere, kompaktere und dynamischere Bauweisen entwickeln, stehen herkömmliche Kombinationen aus separaten Motoren, Getrieben und Servoantrieben vor zunehmenden Herausforderungen bei der Systemintegration.

Ein integriertes Robotergelenkmodul kann mehrere kritische Komponenten in einem einzigen Aktor vereinen, wodurch Roboterhersteller den Entwicklungsaufwand für die Abstimmung von Motor, Getriebe, Encoder und Antrieb reduzieren können.

Noch wichtiger ist jedoch, dass die Integration es ermöglicht, das gesamte Gelenk von Beginn des Produktentwicklungsprozesses an auf das Steuerungssystem abzustimmen.

Für Roboter, die eine hohe Drehmomentdichte und Präzision erfordern, bietet ein Harmonic-Joint-Modul eine kompakte Getriebelösung. Für Achsen mit unterschiedlichen Anforderungen an Geschwindigkeit, Last und Dynamik stellt ein Planetengelenk-Modul eine weitere Option dar.

Die zukünftige Leistungsfähigkeit von Robotergelenken wird daher nicht mehr allein durch den Vergleich der Spezifikationen einzelner Motoren oder Getriebe bestimmt werden. Sie wird zunehmend von der Dynamik, der Sensorik, der Regelungsfähigkeit und dem Integrationsgrad des gesamten Aktuators abhängen.

Schlussfolgerung: Die Steuerbandbreite sollte als Leistungskennzahl für Robotergelenke auf Systemebene bewertet werden.

Die Regelbandbreite ist keine isolierte Motorspezifikation. Sie spiegelt vielmehr die gesamte dynamische Leistungsfähigkeit eines Robotergelenks wider.

Der Motor liefert die grundlegende Antriebsleistung. Das Getriebe bestimmt das Verhältnis von Drehmoment und Drehzahl. Der Encoder liefert Rückmeldung. Der Servoantrieb führt die Regelkreise aus. Die mechanische Struktur bestimmt Steifigkeit und Resonanzeigenschaften, während Steuerung und Kommunikationssystem das effektive Zusammenspiel dieser Komponenten gewährleisten.

Bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Robotergelenkmotoren ist es daher sinnvoller, über das Nenndrehmoment, die Motordrehzahl oder die Steuerfrequenz hinauszublicken und die dynamische Reaktion des gesamten Robotergelenkmoduls im geschlossenen Regelkreis unter realen Betriebsbedingungen zu bewerten.

Für drehmomentstarke und kompakte Robotergelenke bietet ein Harmonic-Joint-Modul ein hohes Untersetzungsverhältnis, geringes Spiel, hohe Drehmomentdichte und präzise Positionierung. Für Roboterachsen mit unterschiedlichen Anforderungen an Geschwindigkeit, Last und Dynamik stellt ein Planetengelenk-Modul eine alternative Getriebearchitektur dar.

Durch die Integration von Motor, Getriebe, Encoder, Servoantrieb und mechanischer Struktur können Hersteller von Robotergelenken das dynamische Ansprechverhalten und die Regelungsleistung auf Systemebene optimieren.

Für Roboterhersteller ist die wichtigste Frage daher nicht einfach:

„Welcher Robotergelenkmotor hat die höchste Regelbandbreite?“

Eine nützlichere ingenieurwissenschaftliche Frage lautet:

„Welche Komplettlösung für Robotergelenke bietet eine schnelle, stabile und wiederholbare dynamische Reaktion unter den tatsächlichen Anforderungen an Last, Geschwindigkeit, Trägheit und Steuerung des Roboters?“

Diese Systemperspektive bietet eine aussagekräftigere Möglichkeit, harmonische Gelenkmodule, Planetengelenkmodule und integrierte Robotergelenkmotoren für kollaborative Roboter, humanoide Roboter, Industrieroboter und andere Hochleistungsroboteranwendungen zu bewerten.