Gelenkmotor für humanoide und radbasierte Roboter: Wie wählt man den richtigen Gelenkaktor aus?

Einleitung

Wenn Menschen an einen Robotergelenkmotor denken, ist der humanoide Roboter häufig die erste Anwendung, die ihnen in den Sinn kommt. Ein humanoider Roboter kann Dutzende unabhängig gesteuerter Gelenke enthalten, darunter Hüft-, Knie-, Sprunggelenk-, Schulter-, Ellbogen-, Handgelenk-, Taillen-, Nacken- und Handgelenke. Jedes Gelenk muss eine kontrollierte Drehbewegung erzeugen und gleichzeitig kompakt, leicht und präzise sein sowie unter dynamischen Belastungen zuverlässig arbeiten.

Robotergelenkmotoren sind jedoch nicht auf humanoide Roboter beschränkt. Während sich fahrende Roboter von einfachen mobilen Plattformen zu mobilen Manipulations-, Inspektions- und Servicesystemen weiterentwickeln, werden sie zunehmend mit Roboterarmen, drehbaren Köpfen, Schwenk-Neige-Mechanismen, Greifern und anderen Gelenkstrukturen ausgestattet. Auch diese Mechanismen benötigen kompakte und präzise gesteuerte Drehgelenke.

Die entscheidende Frage ist daher nicht, ob ein Roboter humanoid oder fahrend ist. Entscheidend ist, welche Art von Gelenkbewegung der Roboter ausführen muss.

Ein Hüftgelenk eines humanoiden Roboters und ein Ellbogengelenk eines Roboterarms an einem mobilen Roboter können sehr unterschiedliche Drehmomentanforderungen haben, sind jedoch beide auf einen kontrollierten Drehantrieb angewiesen. Ein Roboterkopf benötigt möglicherweise deutlich weniger Drehmoment als ein humanoides Knie, doch Positioniergenauigkeit und gleichmäßige Bewegung können ebenso wichtig sein.

Dadurch wird der Robotergelenkmotor zu einem grundlegenden Baustein vieler Arten von Robotersystemen mit Gelenkmechanismen.

Warum Robotergelenkmotoren zu einem wichtigen Baustein für Roboter werden？

Ein Robotergelenkmotor sollte nicht einfach als Motor betrachtet werden, der eine Drehbewegung erzeugt. In einem modernen Robotersystem ist das Gelenk eine vollständige elektromechanische Einheit, in der Motor, Getriebe, Encoder, Antriebselektronik, Lager, Gehäuse und Steuerung zusammenwirken.

Eine typische integrierte Architektur lässt sich wie folgt darstellen:

Motor + Getriebe + Encoder + Treiber = Integrierter Robotergelenkmotor

Je nach Anwendung können zusätzlich Funktionen wie Drehmomenterfassung, Bremsen, Temperaturüberwachung und Kommunikationsschnittstellen in das Gelenk integriert werden.

Diese Architektur verändert die Art und Weise, wie Roboterhersteller ihre Maschinen konstruieren. Anstatt jede Komponente separat auszuwählen und anschließend in das endgültige Gelenk zu integrieren, können Ingenieure ein standardisiertes Gelenkmodul mit definierten mechanischen, elektrischen und kommunikationstechnischen Schnittstellen verwenden.

Dies wird besonders wertvoll, wenn die Anzahl der Robotergelenke zunimmt. Ein humanoider Roboter kann Dutzende angetriebener Achsen benötigen, während ein mobiler Roboter mit Roboterarm, drehbarem Kopf und Manipulationssystem ebenfalls mehrere unabhängig gesteuerte Gelenke enthalten kann.

Je mehr Gelenke ein Roboter besitzt, desto wertvoller wird eine standardisierte und reproduzierbare Antriebsarchitektur.

Anforderungen an Robotergelenkmotoren in humanoiden Robotern

Humanoide Roboter stellen besonders anspruchsvolle Anforderungen an Robotergelenkmotoren, da der Aktuator in eine mechanische Struktur in menschlicher Größenordnung passen und gleichzeitig ein ausreichendes Drehmoment für dynamische Bewegungen erzeugen muss.

Hüft-, Knie- und Sprunggelenke benötigen möglicherweise ein hohes Dauer- und Spitzendrehmoment, während sie einen erheblichen Teil des Robotergewichts tragen. Gleichzeitig erfordern Schulter-, Ellbogen-, Handgelenk- und Nackengelenke unterschiedliche Kombinationen aus Drehmoment, Drehzahl, Kompaktheit und Positioniergenauigkeit.

Das bedeutet, dass ein humanoider Roboter nicht einfach überall denselben Aktuator einsetzen kann.

Der für ein Hüftgelenk verwendete Aktuator kann eine hohe Drehmomentdichte und mechanische Steifigkeit priorisieren, während bei einem Handgelenkantrieb geringes Gewicht, kompakte Abmessungen und präzise Positionierung stärker im Vordergrund stehen. Ein Nacken- oder Kopfantrieb benötigt möglicherweise ein relativ geringes Drehmoment, aber eine ausgezeichnete Bewegungsruhe und Winkelpositionierung.

Aus diesem Grund benötigt eine praxistaugliche Aktuatorplattform für humanoide Roboter in der Regel mehrere Drehmoment- und Größenklassen bei gleichzeitig einheitlicher Systemarchitektur.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, eine ausreichende Gelenkleistung zu erreichen, ohne den Aktuator zu schwer oder zu groß werden zu lassen. Jedes zusätzliche Kilogramm an einem Robotergelenk kann die dynamische Belastung anderer Gelenke beeinflussen, den Energieverbrauch erhöhen und die gesamten Bewegungseigenschaften des Roboters verändern.

Deshalb sind Drehmomentdichte, Kompaktheit, mechanische Steifigkeit, thermische Leistung und Rückführungsgenauigkeit zu wichtigen Bewertungskriterien für Gelenkmotoren humanoider Roboter geworden.

Robotergelenkmotoren sind auch für fahrende Roboter wichtig

Fahrende Roboter werden häufig hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt ihrer mobilen Plattform betrachtet, doch ihre mechanische Architektur kann weit über die mobile Basis hinausgehen.

Ein moderner fahrender Roboter kann einen Roboterarm zur Manipulation, einen drehbaren Kopf zur Wahrnehmung, einen Schwenk-Neige-Mechanismus zur Sensorpositionierung oder ein mehrachsiges Inspektionssystem tragen. Sobald solche Gelenkmechanismen hinzugefügt werden, benötigt der Roboter mehrere gesteuerte Drehgelenke.

Ein mobiler Manipulator kann beispielsweise aus einer mechanischen Kette mit Schulter-, Ellbogen- und Handgelenk sowie einem Endeffektor bestehen. Der Roboter bewegt sich möglicherweise mithilfe einer mobilen Plattform durch seine Umgebung, doch seine Manipulationsfunktionen beruhen auf denselben Grundprinzipien wie bei anderen Roboterarmen: Jedes Drehgelenk benötigt kontrolliertes Drehmoment, präzise Positionierung, geeignete Steifigkeit und zuverlässige Rückführung.

Dasselbe Prinzip gilt für Roboterköpfe.

Ein fahrender Inspektionsroboter kann eine Kamera, einen Tiefensensor oder ein anderes Wahrnehmungssystem auf einem drehbaren Kopf montieren. Der Kopf muss möglicherweise seine Umgebung kontinuierlich scannen, ein Ziel verfolgen oder eine bestimmte Sensorausrichtung beibehalten. In solchen Anwendungen muss der Aktuator nicht unbedingt das extrem hohe Drehmoment einer humanoiden Hüfte oder eines Knies liefern. Geringes Verdrehspiel, kompakte Abmessungen, gleichmäßige Drehung und eine präzise Positionsregelung können stattdessen wichtiger sein.

Daher sollte die Anwendung von Robotergelenkmotoren in fahrenden Robotern nicht als Ersatz für deren primäres Mobilitätssystem verstanden werden. Vielmehr steht sie für die zunehmende Anzahl gelenkiger Funktionen, die der Roboter über die grundlegende Bewegung hinaus übernimmt.

Verschiedene Robotergelenke erfordern unterschiedliche Motoreigenschaften

Die Anforderungen an einen Robotergelenkmotor werden hauptsächlich durch die Funktion des Gelenks bestimmt.

Dieser Vergleich zeigt, warum die Auswahl eines Robotergelenkmotors allein anhand der Nennleistung nicht ausreicht.

Ein Aktuator mit hohem Drehmoment kann ideal für das Knie eines humanoiden Roboters sein, für einen Roboterkopf jedoch unnötig groß. Umgekehrt liefert ein auf geringe Trägheit und präzise Positionierung optimierter Aktuator möglicherweise nicht genügend Dauerdrehmoment für ein schwer belastetes Roboterarmgelenk.

Der richtige Ansatz besteht darin, den Aktuator an die tatsächlichen Anforderungen jedes Gelenks hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl, Einschaltdauer, mechanischer Steifigkeit, Einbauraum und Rückführung anzupassen.

Warum Harmonic-Gelenkmotoren für Robotergelenke attraktiv sind？

Unter den verschiedenen Übertragungstechnologien ist die Harmonic-Getriebetechnik besonders attraktiv für Robotergelenke, die hohe Untersetzungsverhältnisse, geringes Verdrehspiel, kompakte Abmessungen und eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern.

Ein auf Harmonic-Technologie basierender Robotergelenkmotor kombiniert den Motor mit einem Harmonic-Getriebe, um die Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors in eine kontrollierte Ausgangsbewegung mit hohem Drehmoment umzuwandeln.

Für Anwendungen mit strengen Platzbeschränkungen kann diese Architektur ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ausgangsdrehmoment und Baugröße bieten.

Das geringe Verdrehspiel ist ein weiterer wichtiger Vorteil für Präzisionsrobotergelenke. Wenn mehrere Gelenke zusammenarbeiten, können Übertragungsfehler die Endposition des Endeffektors oder des Roboterkörpers beeinflussen. Eine Übertragung mit geringem Verdrehspiel kann daher dazu beitragen, die Gesamtre­gelbarkeit des Gelenks zu verbessern.

Gleichzeitig sollte die Harmonic-Getriebetechnik nicht als universelle Lösung für jedes Robotergelenk betrachtet werden. Untersetzungsverhältnis, Ausgangsdrehzahl, Wirkungsgrad, Rücktreibbarkeit, Torsionssteifigkeit, thermische Leistung und Einschaltdauer müssen gemeinsam bewertet werden.

Die richtige Frage lautet daher nicht, ob ein Harmonic-Gelenkmotor besser ist als jeder andere Aktuator, sondern ob seine Eigenschaften den spezifischen Anforderungen des Zielgelenks entsprechen.

Integrierter Robotergelenkmotor gegenüber separatem Motor und Getriebe

Herkömmliche Robotergelenke verwenden häufig separate Komponenten für Motor, Getriebe, Encoder und Antrieb. Dieser Ansatz bietet während der Entwicklung Flexibilität, da Ingenieure einzelne Komponenten unabhängig voneinander austauschen oder modifizieren können.

Wenn sich Robotersysteme jedoch zu höherer Integration und größeren Produktionsmengen entwickeln, werden die Vorteile eines integrierten Robotergelenkmotors zunehmend deutlich.

Wenn Motor, Getriebe, Encoder und Elektronik als ein Modul konzipiert werden, können die mechanischen Schnittstellen von Anfang an optimiert werden, anstatt erst bei der Endmontage gelöst zu werden. Auch das Gehäuse kann um Motor und Übertragung herum konstruiert werden, um die strukturelle Steifigkeit und Wärmeableitung zu verbessern.

Die Integration kann außerdem die Komplexität der externen Verkabelung reduzieren. Dies ist besonders im Bereich rotierender Gelenke wertvoll, wo wiederholtes Biegen und Interferenzen der Kabel Zuverlässigkeitsprobleme verursachen können.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Fertigungskonsistenz. Statt jeden Motor, jedes Getriebe, jeden Encoder und jeden Antrieb einzeln im Roboterwerk zu montieren und zu kalibrieren, kann ein komplettes Gelenkmodul vor der Auslieferung geprüft und kalibriert werden.

Bei Robotern mit vielen Gelenken kann dies die Komplexität von Montage und Inbetriebnahme deutlich reduzieren.

Integration bedeutet jedoch nicht automatisch, dass jede Komponente physisch auf kleinstmöglichem Raum untergebracht werden sollte. Wärmewege, Wartungsanforderungen, Sensorpositionierung und mechanische Steifigkeit müssen bereits bei der anfänglichen Auslegung der Gelenkarchitektur berücksichtigt werden.

Ein wirklich integriertes Gelenk ist daher nicht einfach eine Sammlung von Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse. Es ist ein Gelenksystem, das gleichzeitig unter Berücksichtigung mechanischer, elektrischer, thermischer und regelungstechnischer Anforderungen entwickelt wurde.

Wie wählt man den richtigen Robotergelenkmotor？

Die Auswahl eines Robotergelenkmotors sollte mit der erforderlichen Ausgangsbewegung beginnen und nicht mit der Nennleistung des Motors.

Zunächst müssen Ingenieure das erforderliche Dauer- und Spitzendrehmoment unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen bestimmen. Ein Robotergelenk, das sein Spitzendrehmoment nur für den Bruchteil einer Sekunde erreicht, hat ganz andere Anforderungen als ein Gelenk, das dauerhaft eine schwere Last hält.

Die Ausgangsdrehzahl ist ebenso wichtig. Der Motor kann mit relativ hoher Drehzahl arbeiten, doch das Getriebe bestimmt die endgültige Gelenkdrehzahl und das Ausgangsdrehmoment. Daher muss das Untersetzungsverhältnis unter Berücksichtigung von Drehmoment und Drehzahl ausgewählt werden, anstatt nur einen Parameter zu maximieren.

Anschließend sollten mechanische Steifigkeit und Verdrehspiel entsprechend den Präzisionsanforderungen der Anwendung bewertet werden. Hochpräzise Roboterarme, humanoide Gelenke und Positioniermechanismen können deutlich andere Übertragungseigenschaften erfordern als weniger anspruchsvolle Drehmechanismen.

Die Rückführungsarchitektur ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Ein motorseitiger Encoder kann eine schnelle Motorregelung ermöglichen, während ein ausgangsseitiger Encoder direktere Informationen über die endgültige Gelenkposition liefert. Für fortschrittliche Roboteranwendungen können Architekturen mit zwei Encodern zusätzliche Regelungs- und Rückführungsmöglichkeiten bieten.

Die thermische Leistung sollte außerdem anhand des realen Betriebszyklus bewertet werden. Daten zum kurzzeitigen Spitzendrehmoment allein können die Leistung eines Gelenks, das kontinuierlich unter dynamischen Belastungen arbeitet, nicht genau darstellen.

Schließlich müssen Ingenieure Gewicht, Abmessungen, Kommunikationsschnittstelle, Verkabelungsanforderungen, Wartungsstrategie und Integrationsgrad des Aktuators berücksichtigen.

Der beste Robotergelenkmotor ist daher nicht zwangsläufig der mit dem höchsten Drehmoment oder der höchsten Leistung. Es ist derjenige, der innerhalb des verfügbaren mechanischen Bauraums die erforderlichen Werte für Drehmoment, Drehzahl, Präzision, Steifigkeit, thermische Leistung und Integration bereitstellt.

Warum modulare Robotergelenkmotoren immer wichtiger werden

Da Roboterhersteller verschiedene Roboterplattformen und -generationen entwickeln, steigt der Bedarf an modularen Aktuatorplattformen.

Verschiedene Gelenke erfordern unterschiedliche Leistungsniveaus. Eine vollständige Neuentwicklung der elektrischen und mechanischen Architektur für jedes Gelenk verursacht jedoch unnötigen Engineering-Aufwand.

Eine modulare Robotergelenkmotor-Plattform kann stattdessen mehrere Aktuatorgrößen und Drehmomentklassen bereitstellen und dabei gemeinsame mechanische und elektrische Konstruktionsprinzipien beibehalten.

Ein Roboterhersteller könnte beispielsweise einen Aktuator mit höherem Drehmoment für die Hüfte eines humanoiden Roboters, einen mittelgroßen Aktuator für den Ellbogen und einen kompakten Aktuator für das Handgelenk oder den Roboterkopf verwenden.

Die einzelnen Aktuatoren können sich unterscheiden, die grundlegende Entwicklungsmethodik bleibt jedoch einheitlich.

Dieser Ansatz kann Entwicklungszyklen verkürzen, Prüfungen vereinfachen und den Übergang von Prototypen zu Serienplattformen erleichtern.

Für Hersteller, die mehrere Roboterprodukte entwickeln, kann Modularität daher ebenso wichtig sein wie die Leistung eines einzelnen Aktuators.

Die Zukunft der Robotergelenkmotoren

Die Entwicklung von Robotergelenkmotoren bewegt sich in Richtung einer immer umfassenderen Integration.

Künftige Aktuatormodule werden wahrscheinlich mehr Funktionen in einem standardisierten mechanischen Gehäuse vereinen, darunter Motor, Präzisionsgetriebe, Encoder, Antriebselektronik, Drehmomenterfassung, Temperaturüberwachung, Kommunikation und Sicherheitsfunktionen.

Das bedeutet, dass das Robotergelenk zunehmend zu einer unabhängigen elektromechanischen Einheit wird, die Befehle empfangen, Drehmoment erzeugen, ihren eigenen Betriebszustand messen und mit der Robotersteuerung kommunizieren kann.

Dieser Trend ist besonders in der humanoiden Robotik sichtbar, doch die zugrunde liegende Technologie kann auch Roboterarme, mobile Manipulatoren, Inspektionsroboter, kollaborative Roboter, vierbeinige Roboter und andere Robotersysteme mit Gelenkmechanismen unterstützen.

Die gemeinsame Anforderung dieser Plattformen liegt nicht in der Form oder der Fortbewegungsmethode des Roboters.

Sie besteht darin, aus einem kompakten und hochintegrierten Gelenk eine präzise und kontrollierte Drehbewegung zu erzeugen.

Fazit

Der Robotergelenkmotor ist längst keine Komponentenkategorie mehr, die auf humanoide Roboter beschränkt ist.

Humanoide Roboter benötigen zahlreiche Gelenkmotoren für Hüfte, Knie, Sprunggelenk, Schulter, Ellbogen, Handgelenk, Nacken und Hand. Fahrende Roboter werden dagegen zunehmend mit Roboterarmen, drehbaren Köpfen, Schwenk-Neige-Systemen, Inspektionsmechanismen und anderen Gelenkstrukturen ausgestattet, die ebenfalls auf kontrollierte Drehgelenke angewiesen sind.

Die entscheidende Unterscheidung ist daher nicht, ob der Roboter humanoid oder fahrend ist.

Entscheidend ist, welche Aufgabe jedes Gelenk erfüllen muss.

Hoch belastete Gelenke humanoider Roboter können Drehmomentdichte, Steifigkeit, thermische Kapazität und dynamisches Ansprechverhalten priorisieren. Gelenke von Roboterarmen können ein ausgewogenes Verhältnis aus Drehmoment, Drehzahl, Präzision und Wiederholgenauigkeit erfordern. Bei Roboterköpfen und Schwenk-Neige-Mechanismen können geringes Verdrehspiel, Positioniergenauigkeit, Kompaktheit und gleichmäßige Bewegung stärker im Vordergrund stehen.

Deshalb sollte die Auswahl eines Robotergelenkmotors mit den tatsächlichen Anforderungen des Gelenks beginnen und nicht mit der allgemeinen Kategorie des Roboters.

Für humanoide Roboter, mobile Manipulatoren, Inspektionsroboter, Roboterarme und andere Robotersysteme mit Gelenkmechanismen kann ein integrierter Robotergelenkmotor, der Motor, Präzisionsgetriebe, Encoder und Antrieb kombiniert, eine standardisierte Grundlage für die Entwicklung kompakter und leistungsstarker Robotergelenke bilden.

Die Zukunft der Roboterantriebstechnik besteht nicht einfach darin, den Motor leistungsstärker zu machen. Es geht darum, ein Gelenkmodul zu schaffen, das Drehmomenterzeugung, Übertragung, Rückführung, Regelung und mechanische Struktur in einem System integriert, das für die spezifischen Bewegungsanforderungen des Roboters optimiert ist.