Ein Robotergelenkmotor ist nicht einfach nur ein Motor mit Getriebe. In einem Hochleistungs-Robotergelenk wirken Motordrehmoment, Untersetzungsgetriebe, Encoder-Rückmeldung, mechanische Steifigkeit, Regelungsalgorithmen und Ausgabegenauigkeit zusammen, um die endgültige Bewegungsleistung zu bestimmen.
Dies wird besonders wichtig, wenn im Gelenkmotor des Roboters ein Harmonic-Reducer verwendet wird.
Harmonic-Reduziergetriebe werden in Robotergelenken häufig eingesetzt, da sie ein hohes Untersetzungsverhältnis, kompakte Abmessungen, eine hohe Drehmomentdichte und ein sehr geringes Spiel bieten. Eine technische Aussage wird jedoch oft missverstanden: Ein Harmonic-Reduziergetriebe hat nicht buchstäblich kein Spiel.
Viele Hersteller bezeichnen Harmonic-Drive-Getriebe aus Marketinggründen als „spielfrei“. Aus technischer Sicht ist es jedoch genauer zu beschreiben, dass sie unter bestimmten Betriebsbedingungen ein extrem geringes oder nahezu spielfreies Spiel aufweisen.
Selbst bei extrem geringem mechanischem Spiel kann die tatsächliche Ausgangsposition eines Robotergelenks durch Übertragungsfehler, elastische Verformung, Torsionsnachgiebigkeit, Lastschwankungen, Lagerverformung, Montagetoleranzen und andere Faktoren beeinflusst werden.
Hier wird die Rückkopplungsarchitektur des Robotergelenkmotors entscheidend.
Ein einzelner motorseitiger Encoder übermittelt dem Controller die Rotationsgeschwindigkeit des Motors. Eine Dual-Encoder-Architektur fügt einen zusätzlichen Messpunkt auf der Ausgangsseite hinzu, wodurch der Controller den tatsächlichen Vorgang nach dem Untersetzungsgetriebe erfassen kann.
Bei hochpräzisen und hochdynamischen Robotern kann dieser Unterschied erhebliche Auswirkungen auf Positionierung, Bahnverfolgung, Kraftregelung und Bewegungsstabilität haben.
Die Beliebtheit von Harmonic-Reduziergetrieben in der Robotik hängt eng mit ihrer Fähigkeit zusammen, eine spielfreie Getriebestruktur in einem kompakten Gehäuse zu realisieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Getrieben nutzt die Harmonic Transmission eine flexible Keilwelle, eine kreisförmige Keilwelle und einen Wellengenerator, um durch kontrollierte elastische Verformung hohe Untersetzungsverhältnisse zu erreichen.
Diese Bauweise ermöglicht es den Herstellern, den mechanischen Spalt zwischen den ineinandergreifenden Komponenten zu minimieren.
Dadurch erreichen Harmonic-Reduziergetriebe im Vergleich zu vielen herkömmlichen Reduktionsmechanismen extrem geringe Spielwerte.
Extrem geringes Spiel sollte jedoch nicht automatisch als absolutes Nullspiel bezeichnet werden.
In realen mechanischen Systemen können verschiedene Faktoren zu Abweichungen der Ausgangsposition beitragen. Dazu gehören Fertigungstoleranzen, Montagebedingungen, Vorspannung, Verschleiß, Temperatur, Lastrichtung, elastische Verformung und Änderungen der Betriebsbedingungen.
Daher sollten Ingenieure, die einen Robotergelenkmotor bewerten, zwischen drei verschiedenen Konzepten unterscheiden:
Spiel, das sich auf mechanisches Spiel oder Bewegungsverluste bei Umkehr der Bewegungsrichtung bezieht.
Übertragungsfehler, der die Differenz zwischen theoretischem und tatsächlichem Übertragungsverhalten beschreibt.
Elastische Verformung, die auftritt, wenn sich das Getriebe und die mechanische Struktur unter Drehmoment und äußerer Belastung verformen.
Diese Effekte hängen zwar zusammen, sind aber nicht identisch.
Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn ein Roboter beim Tragen einer sich verändernden Last eine hohe Positioniergenauigkeit beibehalten muss.

Es liegt nahe anzunehmen, dass ein Harmonic-Reducer mit extrem geringem Spiel automatisch ein ebenso präzises Robotergelenk erzeugt.
In der Praxis ist die mechanische Kraftübertragung nur ein Teil der gesamten Bewegungskette.
Betrachten wir einen Robotergelenkmotor, bestehend aus einem Motor, einem Harmonic-Reducer und einem motorseitigen Encoder.
Der Encoder misst die Drehposition der Motorwelle. Die Steuerung kann somit feststellen, ob der Motor die Sollposition erreicht hat.
Die Motorwelle ist jedoch nicht der endgültige Ausgang des Robotergelenks.
Zwischen Motor und Roboterglied befinden sich das Harmonic-Transformator-Getriebe, die Lager, das Gehäuse, der Abtriebsflansch und die mechanische Struktur. Unter wechselnden Lasten trägt jede Komponente zur endgültigen Ausgangsposition bei.
Wenn der Roboter beispielsweise schnell beschleunigt, abrupt stoppt, die Richtung ändert oder eine äußere Kraft ausübt, ändert sich das durch das Gelenk übertragene Drehmoment erheblich.
Der motorseitige Encoder kann anzeigen, dass der Motor die Sollposition erreicht hat, während am Abtriebsflansch aufgrund der Getriebe- und mechanischen Struktur eine kleine, aber messbare Abweichung auftreten kann.
Deshalb sind die Rückmeldung der Motorposition und die Rückmeldung der Ausgangsposition nicht unbedingt dasselbe.
Bei anspruchsvollen Roboteranwendungen müssen Ingenieure zunehmend die gesamte Rückkopplungskette berücksichtigen, anstatt sich nur auf die Auflösung des Motor-Encoders zu konzentrieren.
Ein herkömmlicher Robotergelenkmotor kann einen Encoder auf der Motorseite verwenden.
Diese Konfiguration bietet mehrere Vorteile. Sie ist relativ einfach, kompakt, kostengünstig und für viele Anwendungen ausreichend.
Der motorseitige Encoder liefert dem Controller wichtige Informationen über Motorposition und -drehzahl. Er unterstützt Kommutierung, Geschwindigkeitsregelung, Positionsregelung und weitere Servofunktionen.
Allerdings misst es nicht direkt die tatsächliche Winkelposition der Abtriebswelle.
Diese Unterscheidung gewinnt mit zunehmendem Reduktionsverhältnis an Bedeutung.
Der Regler kann die theoretische Ausgangsposition aus der Motorposition und dem Untersetzungsverhältnis berechnen, aber die berechnete Position basiert immer noch auf der Annahme, dass sich das Getriebe genau wie erwartet verhält.
Im realen Betrieb kann es am Getriebe zu elastischen Verformungen oder anderen Positionsabweichungen kommen.
Für Roboter, die nur eine mäßige Präzision erfordern, stellt dies möglicherweise keine wesentliche Einschränkung dar.
Bei hochpräzisen Roboterarmen, humanoiden Robotern, medizinischen Robotern, kraftgesteuerten Manipulatoren und anderen Systemen, die eine hochreaktive Bewegung erfordern, wird jedoch der Unterschied zwischen berechneter und tatsächlicher Ausgabeposition viel wichtiger.
Ein Robotergelenkmotor mit zwei Encodern verfügt über einen Encoder auf der Motorseite und einen weiteren auf der Ausgangsseite.
Die beiden Encoder erfassen unterschiedliche Teile der Bewegungskette.
Der motorseitige Encoder liefert in erster Linie Informationen über die Motorposition und -drehzahl.
Der ausgangsseitige Encoder misst direkt die Position des Gelenkausgangs.
Der Regler kann dann die beiden Rückkopplungssignale vergleichen, um zu verstehen, wie sich das Getriebe verhält.
Dies bedeutet nicht, dass der zweite Encoder auf magische Weise das mechanische Spiel beseitigt.
Stattdessen liefert er etwas, was ein einzelner Encoder nicht leisten kann: direkte Informationen über die tatsächliche Ausgabeposition.
Dieses zusätzliche Feedback kann dem Steuerungssystem helfen, Positionsunterschiede, die durch Übertragungseigenschaften und lastabhängige Verformungen verursacht werden, zu erkennen und auszugleichen.
Für einen Robotergelenkmotor entsteht dadurch eine umfassendere Regelungsarchitektur mit geschlossenem Regelkreis.
Der Hauptvorteil von Dual-Encodern besteht nicht einfach in der "höheren Auflösung".
Es handelt sich um ein umfassenderes Feedback.
Mit nur einem motorseitigen Encoder kennt die Steuerung im Wesentlichen Folgendes:
Wie weit hat sich der Motor gedreht?
Mithilfe eines ausgangsseitigen Encoders kann die Steuerung außerdem Folgendes ermitteln:
Wie stark sich das Robotergelenk tatsächlich gedreht hat.
Diese Unterscheidung erweist sich als wertvoll, wenn der Roboter dynamischen Belastungen ausgesetzt ist.
Bei Beschleunigung, Verzögerung, Richtungsumkehr oder äußerem Kontakt kann sich das Getriebesystem anders verhalten als ein ideales starres mechanisches Modell.
Die Differenz zwischen den Messungen auf der Motorseite und auf der Ausgangsseite liefert nützliche Informationen über dieses Verhalten.
Bei Hochleistungs-Robotergelenkmotoren können diese zusätzlichen Informationen eine genauere Positionsregelung und bessere Kompensationsstrategien unterstützen.
Es kann auch die Fähigkeit des Systems verbessern, die Genauigkeit der Flugbahn bei Änderungen der Gelenkbelastung aufrechtzuerhalten.

Die Notwendigkeit einer Rückmeldung von der Ausgangsseite gewinnt zunehmend an Bedeutung, je schneller und dynamischer die Roboterbewegung wird.
Ein sich langsam bewegender Roboter, der relativ einfache Bewegungen ausführt, kann kleine Abweichungen im Getriebe tolerieren.
Ein Hochgeschwindigkeitsroboter, der eine kontinuierliche Bahnverfolgung durchführt, hat eine deutlich geringere Toleranz.
Das Gleiche gilt für Roboter, die häufig ihre Richtung ändern oder mit ihrer Umgebung interagieren.
Humanoide Roboter liefern hierfür ein besonders gutes Beispiel.
Menschenähnliche Roboter verändern ständig die Gelenkbelastung beim Gehen, Balancieren, Greifen, Manipulieren von Objekten und Interagieren mit der Umgebung.
Knie, Sprunggelenk, Hüfte, Schulter, Ellbogen und Handgelenk sind keiner ständigen Belastung ausgesetzt.
Der Gelenkmotor muss auf sich ständig ändernde Drehmoment- und Positionsanforderungen reagieren.
Bei solchen Systemen liefert die ausschließliche Nutzung von Rückkopplungen von der Motorseite möglicherweise nicht genügend Informationen über den tatsächlichen Ausgabezustand.
Eine Dual-Encoder-Architektur bietet dem Regler einen weiteren Messpunkt, der näher am tatsächlichen mechanischen Ausgangssignal liegt.
Die Positionsgenauigkeit wird umso schwieriger, wenn der Roboter auch unter wechselnden Lasten präzise arbeiten muss.
Stellen Sie sich einen Roboterarm vor, der sich von einem unbelasteten Zustand in den Zustand des Haltens eines schweren Bauteils bewegt.
Die vorgegebene Gelenkstellung mag unverändert bleiben, aber das auf das Getriebe wirkende Drehmoment ändert sich erheblich.
Das mechanische System reagiert auf dieses Drehmoment.
Auch wenn das Harmonic-Reducer-Getriebe ein extrem geringes Spiel aufweist, sind die Getriebe- und Strukturbauteile nicht unendlich steif.
Kleine elastische Verformungen können daher die tatsächliche Ausgabeposition beeinflussen.
Ein motorseitiger Encoder allein kann diese ausgangsseitige Abweichung nicht direkt erfassen.
Ein Dual-Encoder-System kann das.
Dadurch wird die doppelte Rückkopplung besonders wertvoll für Anwendungen wie Präzisionsmontage, Roboterpolieren, medizinische Manipulation, fortgeschrittene Forschungsroboter und Hochleistungs-Kollaborationsroboter.
Ein weiterer häufiger Irrglaube bei der Auswahl von Robotergelenkmotoren ist, dass eine höhere Anzahl von Encoderbits automatisch zu einem genaueren Robotergelenk führt.
Nein.
Die Encoderauflösung beschreibt, wie fein der Encoder die Drehposition unterteilen kann.
Die tatsächliche Genauigkeit des Systems hängt von einer wesentlich größeren Kombination von Faktoren ab.
Dazu gehören die Genauigkeit des Encoders, die Einbautoleranz, die Exzentrizität, die Temperaturschwankungen, der mechanische Übertragungsfehler, die strukturelle Steifigkeit, die Kalibrierung, die Steuerungsalgorithmen und die Lastbedingungen.
Eine Erhöhung der Encoderauflösung auf der Motorseite beseitigt beispielsweise nicht zwangsläufig Verformungen auf der Ausgangsseite.
Aus diesem Grund führt der einfache Austausch eines 17-Bit-Encoders gegen einen höher auflösenden Encoder möglicherweise nicht zu der erwarteten Verbesserung der tatsächlichen Gelenkgenauigkeit des Roboters.
Bei anspruchsvollen Anwendungen sollten Ingenieure die gesamte Rückkopplungsarchitektur bewerten und sich nicht nur auf die Encoderauflösung konzentrieren.
Absolutwertgeber und Dual-Encoder werden manchmal so diskutiert, als wären sie konkurrierende Technologien.
Sie lösen tatsächlich unterschiedliche Probleme.
Ein Absolutwertgeber ermittelt die absolute Winkelposition der Welle.
Eine Dual-Encoder-Architektur ermittelt die Position zweier verschiedener Punkte innerhalb des mechanischen Getriebes.
Ein Robotergelenkmotor kann daher gleichzeitig absolute Encoder und duale Rückkopplung nutzen.
Ein absoluter Motorseiten-Encoder kann beispielsweise nach dem Einschalten genaue Informationen über die Motorposition liefern, während ein Ausgangsseiten-Encoder eine direkte Rückmeldung vom Gelenkausgang des Roboters liefert.
Durch diese Kombination kann der Bedarf an mechanischer Referenzfahrt reduziert und gleichzeitig die Vollständigkeit des Positionsrückmeldesystems verbessert werden.
Für humanoide und kollaborative Roboter, bei denen häufiges mechanisches Zurückfahren unpraktisch oder unerwünscht sein kann, ist diese Architektur besonders nützlich.
Nicht jedes Robotergelenk benötigt zwei Encoder.
Die Entscheidung sollte auf den tatsächlichen Leistungsanforderungen des Roboters basieren.
Bei Anwendungen mit relativ niedriger Geschwindigkeit, geringer Last und Toleranz gegenüber mäßigen Positionsfehlern kann ein einzelner motorseitiger Encoder ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Leistung, Komplexität und Kosten bieten.
Duale Encoder werden jedoch zunehmend attraktiver, wenn der Roboter unter dynamischen Lasten eine hohe Positioniergenauigkeit erfordert.
Sie sind besonders relevant, wenn das Gelenk eine präzise Bahnverfolgung, häufige Richtungsänderungen, variable Lasten, Kraftinteraktion oder eine fortgeschrittene Regelung unterstützen muss.
Die wichtige Frage lautet daher nicht:
"Benötigt jeder Roboter zwei Encoder?"
Die bessere Frage lautet:
Benötigt dieser Roboter eine direkte Rückmeldung von der tatsächlichen Gelenkausgabe?
Wenn die Antwort ja lautet, verdient ein Robotergelenkmotor mit zwei Encodern ernsthafte Beachtung.
Die Encoderarchitektur ist nur ein Teil eines modernen Robotergelenks.
Traditionelle Roboterkonstruktionen kombinieren oft einen Servomotor, ein separates Harmonic-Reducer-Getriebe, einen externen Encoder, einen externen Treiber, eine Bremse und mehrere Kabel.
Dieser Ansatz bietet zwar Flexibilität, kann aber auch die Größe, das Gewicht, die Komplexität der Verkabelung und den Integrationsaufwand des gesamten Gelenks erhöhen.
Ein integrierter Robotergelenkmotor vereint mehrere dieser Komponenten in einem einzigen kompakten Modul.
Je nach Architektur kann das Modul den Motor, das Harmonic-Reducer-Getriebe, das Encodersystem, den Treiber, die Bremse, den Drehmomentsensor und die Kommunikationsschnittstellen integrieren.
Dadurch ändert sich die Aufgabe des Ingenieurs von der separaten Konstruktion jeder einzelnen Gelenkkomponente hin zur Auswahl einer geeigneten integrierten Gelenkarchitektur für den Roboter.
Für Roboterhersteller, die spezialisierte Roboterarme, humanoide Roboter, kollaborative Roboter, medizinische Geräte und Präzisionsautomatisierungssysteme entwickeln, kann dies die mechanische und elektrische Integration erheblich vereinfachen.
HONPINE entwickelt integrierte Robotergelenkmodule für Anwendungen, bei denen Motorleistung, Kraftübertragung, Rückkopplung, mechanische Integration und Steuerung als ein System funktionieren müssen.
Anstatt das Harmonic-Reduziergetriebe als isolierte Getriebekomponente zu behandeln, integriert HONPINE das Reduziergetriebe mit Motor, Encoder, Antrieb und anderen Funktionselementen entsprechend den Anforderungen verschiedener Roboterarchitekturen.
Die TCHL-Serie konzentriert sich auf hochkompakte Robotergelenke, bei denen Gewicht, Bauraum, Ausgangsrückmeldung und Drehmomentmessung besonders wichtig sind. Dank des integrierten Drehmomentsensors und der flexiblen Verbindungsarchitektur eignet sie sich für Anwendungen, die kompakte, kraftsensitive Gelenke erfordern.
Die HAG-Serie bietet ein breiteres Spektrum an Drehmoment- und Konfigurationsoptionen mit hochauflösenden Absolutwertgebern, optionaler Dual-Encoder-Rückmeldung, Drehmomentmessung, Bremsfunktionen und industriellen Kommunikationsoptionen. Dadurch eignet sie sich für Anwendungen von kollaborativen Robotern und humanoiden Gelenken bis hin zu Industrieroboterarmen und Präzisionsautomatisierung.
Die HPJM-PRO-Serie ist für leistungsstärkere Roboter- und Automatisierungsanwendungen konzipiert, die eine hohe Drehmomentdichte, integrierte Antriebselektronik, präzises Feedback und eine kompakte mechanische Integration erfordern.
Wichtig ist, dass diese Plattformen nicht dazu gedacht sind, jeden Roboter in die gleiche Gelenkarchitektur zu zwingen.
Unterschiedliche Robotersysteme haben unterschiedliche Anforderungen an Drehmoment, Geschwindigkeit, Gewicht, Genauigkeit, Sensorik, Bremsen, Kommunikation und Installation.
Die geeignete Gelenkmotorarchitektur sollte daher entsprechend den tatsächlichen mechanischen und steuerungstechnischen Anforderungen des Roboters ausgewählt werden.
Die Entwicklung der Robotergelenktechnologie geht über die einfache Frage hinaus, ob ein Reduziergetriebe ein geringes Spiel aufweist.
Für die nächste Generation von Robotersystemen müssen Ingenieure die gesamte Bewegungskette berücksichtigen.
Ein Harmonic-Reducer kann extrem geringes Umkehrspiel und hohe Untersetzungsverhältnisse bieten.
Ein hochauflösender Encoder ermöglicht präzise Winkelmessungen.
Ein leistungsstarker Motor kann ein hohes Drehmoment und eine dynamische Beschleunigung erzeugen.
Diese Komponenten entfalten ihr volles Potenzial jedoch nur dann, wenn die mechanische Kraftübertragung, das Rückkopplungssystem, die Steuerungsarchitektur und die strukturelle Auslegung optimal aufeinander abgestimmt sind.
Aus diesem Grund werden Robotergelenkmotoren mit zwei Encodern zu einer wichtigen Lösung für Anwendungen, bei denen die tatsächliche Ausgabeposition ebenso wichtig ist wie die Motorposition.
Ziel ist es nicht zu behaupten, dass ein Doppelencoder das Spiel im Getriebe durch Harmonic Reducer "eliminiert".
Ziel ist es, die tatsächliche Gelenkleistung genauer zu messen und dem Regler die Informationen zu geben, die erforderlich sind, um übertragungsbedingte Fehler und lastabhängige Verformungen auszugleichen.
Das ist ein wesentlich bedeutsamerer technischer Vorteil.
Bei der Auswahl eines Robotergelenkmotors sollten Ingenieure mehr als nur das Nenndrehmoment und das Untersetzungsverhältnis berücksichtigen.
Die Rückkopplungsarchitektur sollte gleichzeitig mit der mechanischen Kraftübertragung betrachtet werden.
Bei Anwendungen, die kompakte Abmessungen und geringes Gewicht erfordern, kann ein integrierter Gelenkmotor den Platzbedarf separater Motor-, Getriebe-, Treiber- und Verdrahtungskomponenten reduzieren.
Bei Anwendungen, die eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern, kann eine Rückmeldung von der Ausgangsseite wichtiger sein als eine einfache Erhöhung der Motor-Encoder-Auflösung.
Bei Anwendungen, die physischen Kontakt, kraftgesteuerte Montage, Polieren oder Mensch-Roboter-Interaktion beinhalten, kann die integrierte Drehmomentmessung eine weitere wichtige Feedback-Ebene bieten.
Bei vertikalen Verbindungen kann eine integrierte Bremse die Sicherheit bei Stromausfall verbessern.
Bei verteilten Roboterarchitekturen können integrierte EtherCAT-, CANopen- oder andere Kommunikationsschnittstellen die Systemintegration vereinfachen.
Der beste Robotergelenkmotor ist daher nicht unbedingt derjenige mit den höchsten Spezifikationen in einer Kategorie.
Es handelt sich um diejenige, deren mechanisches Getriebe, Rückkopplungsarchitektur, Sensorik, Antriebssystem und physikalische Abmessungen den tatsächlichen Anforderungen des Roboters entsprechen.
Harmonic-Reduziergetriebe zählen nach wie vor zu den wichtigsten Getriebetechnologien für Hochleistungsrobotergelenke, da sie kompakte Abmessungen, hohe Untersetzungsverhältnisse, hohe Drehmomentdichte und extrem geringes Zahnflankenspiel vereinen.
Extrem geringes Spiel sollte jedoch nicht mit buchstäblich spielfreiem Spiel verwechselt werden.
Noch wichtiger ist jedoch, dass ein geringes mechanisches Spiel allein keine perfekte Positionierung des Ausgangs unter dynamischen Belastungen gewährleistet.
Da Roboter immer schneller, leichter, nachgiebiger und interaktiver werden, gewinnt die Beziehung zwischen Motorposition und tatsächlicher Gelenkleistung zunehmend an Bedeutung.
Ein einzelner Encoder misst die Motorseite.
Eine Dual-Encoder-Architektur ermöglicht direktes Feedback von der Ausgabeseite.
Diese zusätzlichen Informationen ermöglichen es dem Steuerungssystem, das Getriebeverhalten besser zu verstehen und Positionsabweichungen, die durch mechanische Eigenschaften und wechselnde Lasten verursacht werden, auszugleichen.
Aus diesem Grund sind Robotergelenkmotoren mit zwei Encodern besonders wertvoll für hochpräzise und hochdynamische Roboteranwendungen.
HONPINE bietet mehrere integrierte Robotergelenkmotorplattformen an, darunter TCHL, HAG und HPJM-PRO, die es Roboterherstellern ermöglichen, je nach ihren Anwendungsanforderungen unterschiedliche Kombinationen aus Motorleistung, harmonischer Kraftübertragung, Encoder-Rückmeldung, Drehmomentmessung, Antriebsintegration, Bremsung und Kommunikation auszuwählen.
Bei der Zukunft der Konstruktion von Robotergelenken geht es nicht einfach nur darum, auf einem Datenblatt "spielfrei" zu erreichen.
Es geht darum, ein messbares, steuerbares und integriertes Bewegungssystem zu entwickeln, das unter realen Betriebsbedingungen die erforderliche Ausgangsleistung erbringt.
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