Drehmomentdichte in Harmonic-Joint-Modulen: Ein wichtiger Parameter für leichte und platzbeschränkte Roboterarme

Einführung

Bei der Auswahl eines Robotergelenks orientieren sich Ingenieure häufig an Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, Untersetzungsverhältnis, Spiel oder Positioniergenauigkeit. Diese Parameter sind zwar wichtig, erklären aber nicht immer, ob ein Gelenkaktuator tatsächlich für einen kompakten oder leichten Roboterarm geeignet ist.

Bei vielen Robotersystemen besteht die eigentliche technische Herausforderung darin, innerhalb eines begrenzten mechanischen Rahmens und mit möglichst geringer zusätzlicher Masse ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen.

Hier wird die Drehmomentdichte zu einem wichtigen Parameter.

Die Drehmomentdichte beschreibt, wie viel Drehmoment ein Gelenkaktuator im Verhältnis zu seiner Masse oder seinem Volumen erzeugen kann. Ein Harmonic-Joint-Modul mit hoher Drehmomentdichte kann ein beträchtliches Drehmoment liefern, ohne dass ein proportional größerer Aktuator erforderlich ist.

Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll in Anwendungen, bei denen der Roboter strengen Beschränkungen hinsichtlich Gelenkgröße, Gesamtgewicht, Armlänge, Nutzlast oder Installationsraum unterliegt.

Humanoide Roboter und kollaborative Roboter sind bekannte Beispiele, aber nicht die einzigen Anwendungen, bei denen die Drehmomentdichte eine Rolle spielt. Medizinische Roboterarme, Inspektionsmanipulatoren, Mechanismen für die Luft- und Raumfahrt, Unterwasserroboter, mobile Manipulatoren, Kletterroboter und andere spezialisierte Roboterarme stellen unter Umständen noch höhere Anforderungen an das Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und Drehmoment zu Volumen ihrer Gelenke.

Bei diesen Systemen lautet die Frage nicht einfach:

„Welches Drehmoment kann der Aktor erzeugen?“

Es ist:

„Welches nutzbare Drehmoment kann der Aktor innerhalb des verfügbaren Größen- und Gewichtsrahmens liefern?“

Was ist die Drehmomentdichte in einem Robotergelenk?

Die Drehmomentdichte wird im Allgemeinen verwendet, um die Beziehung zwischen dem Ausgangsdrehmoment eines Aktuators und einer seiner physikalischen Eigenschaften, meist Masse oder Volumen, zu beschreiben.

Zwei gängige Methoden zur Bewertung sind:

massenbasierte Drehmomentdichte

Drehmomentdichte = Ausgangsdrehmoment / Aktuatormasse

Volumenbasierte Drehmomentdichte

Drehmomentdichte = Ausgangsdrehmoment / Aktuatorvolumen

Die passende Definition hängt von der Anwendung ab.

Bei einem mobilen Roboter oder einem Manipulator für die Luft- und Raumfahrt kann das Drehmoment pro Kilogramm besonders wichtig sein, da die Aktuatormasse das Gesamtsystem direkt beeinflusst.

Bei einem Roboterhandgelenk, einem kompakten Inspektionsmechanismus oder einem medizinischen Roboterarm kann das Drehmoment pro Volumeneinheit gleichermaßen wichtig sein, da der verfügbare Einbauraum stark eingeschränkt sein kann.

Es ist daher wichtig, die Drehmomentdichte vom Nenndrehmoment zu unterscheiden.

Zwei Gelenkmodule können zwar das gleiche Ausgangsdrehmoment von 20 N·m liefern, aber wenn eines davon wesentlich weniger wiegt oder ein deutlich kleineres Volumen einnimmt, haben die beiden Lösungen einen sehr unterschiedlichen technischen Wert.

Warum ist die Drehmomentdichte bei manchen Roboterarmen wichtiger als das Nenndrehmoment?

Ein Robotergelenk arbeitet nicht unabhängig.

Die Masse und die Abmessungen eines Gelenks beeinflussen die Anforderungen an die es stützenden Gelenke. Dies gewinnt zunehmend an Bedeutung, je länger oder leichter der Roboterarm wird.

Stellen Sie sich einen mehrachsigen Roboterarm vor, der an seinem Endeffektor eine Nutzlast trägt. Die proximalen Gelenke müssen nicht nur die Nutzlast, sondern auch die distalen Glieder, distalen Gelenkaktuatoren, Kabel, Sensoren, Strukturbauteile und die beim Beschleunigen und Abbremsen entstehenden dynamischen Lasten tragen.

Mit zunehmender Aktuatormasse kann auch der Drehmomentbedarf der vorgelagerten Verbindungen steigen.

Dadurch entsteht ein Kaskadeneffekt:

Höhere Aktuatormasse → höherer Drehmomentbedarf im proximalen Gelenk → größere Aktuatoren → höhere Armmasse → weiterer Anstieg des erforderlichen Drehmoments

Ein Harmonic-Joint-Modul mit hoher Drehmomentdichte kann dazu beitragen, diesen Effekt zu reduzieren.

Ziel ist es nicht einfach, das Drehmoment jedes Gelenks zu maximieren. Vielmehr geht es darum, die erforderliche Gelenkleistung zu erreichen und gleichzeitig Masse und Größe des gesamten Roboterarms zu kontrollieren.

Der Zusammenhang zwischen Gelenkmasse und Roboterarmleistung

Die Bedeutung der Drehmomentdichte wird besonders bei gelenkigen Roboterarmen deutlich.

Das von einer Last erzeugte Drehmoment kann näherungsweise wie folgt berechnet werden:

T = F × L

wobei T das Drehmoment, F die aufgebrachte Kraft und L der Hebelarm ist.

Mit zunehmendem Abstand zwischen Last und Gelenk steigt das erforderliche Drehmoment.

Die Nutzlast ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Der Arm selbst hat Masse, und diese Masse erzeugt ebenfalls ein Drehmoment aufgrund der Schwerkraft.

Bei einem Roboterarm mit großer Reichweite können bereits relativ geringe Erhöhungen der Masse distaler Komponenten einen erheblichen zusätzlichen Drehmomentbedarf an den proximalen Gelenken verursachen.

Deshalb geht es bei der Entwicklung leichter Aktuatoren nicht nur um die Reduzierung des Robotergewichts. Sie kann auch die Drehmomentanforderungen der gesamten kinematischen Kette beeinflussen.

Warum können Harmonic Joint Module eine hohe Drehmomentdichte unterstützen?

Ein Harmonic-Joint-Modul vereint typischerweise mehrere Funktionen in einer kompakten Baugruppe, wie zum Beispiel Servomotor, Harmonic-Joint-Getriebe, Encoder, Bremse, Antriebselektronik, Lager, Gehäuse sowie Rückkopplungs- oder Kommunikationskomponenten.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Architektur, die aus separaten Komponenten besteht, kann ein integriertes Harmonic-Joint-Modul die Anzahl redundanter Gehäuse, Kupplungen, Montageflächen und unnötiger Strukturbauteile reduzieren.

Die harmonische Übertragung selbst eignet sich auch gut für Anwendungen, die hohe Untersetzungsverhältnisse in einem kompakten Gehäuse erfordern.

Ein Harmonic-Reduziergetriebe bietet hohe Untersetzungsverhältnisse, hohe Positioniergenauigkeit, geringes Umkehrspiel, kompakte Abmessungen und eine hohe Drehmomentkapazität im Verhältnis zu seiner Baugröße.

Werden diese Eigenschaften mit einem geeignet ausgelegten Motor und einer integrierten Steuerungsarchitektur kombiniert, kann der resultierende harmonische Aktor eine kompakte Lösung für Robotergelenke bieten, bei denen Platz und Masse wichtige Konstruktionsbeschränkungen darstellen.

Die Drehmomentdichte sollte jedoch nicht allein anhand des Getriebes beurteilt werden.

Bei der Betrachtung eines vollständigen Gelenks sollten Ingenieure die Drehmomentdichte der gesamten Aktuatorbaugruppe berücksichtigen, einschließlich Motor, Getriebe, Encoder, Gehäuse, Lager, Bremse, Treiber und anderer integrierter Komponenten.

Drehmomentdichte vs. Drehmomentkapazität: Warum der Unterschied wichtig ist

Ein häufiger Fehler bei der Auswahl von Aktuatoren ist der Vergleich von lediglich dem Nenndrehmoment.

Betrachten wir zwei Gelenkmodule, die jeweils ein Ausgangsdrehmoment von 20 Nm liefern. Wiegt der eine Aktor 2 kg, der andere hingegen 1,2 kg, so weisen sie zwar das gleiche Nenndrehmoment, aber deutlich unterschiedliche Drehmoment-Gewichts-Verhältnisse auf.

Bei einem stationären Industrieroboter, der auf einem starren Sockel montiert ist, ist dieser Unterschied möglicherweise nicht immer entscheidend.

Bei einem leichten mobilen Manipulator kann die Reduzierung der Masse jedes Gelenks jedoch eine viel größere Auswirkung auf das System haben.

Daher sollten bei der Auswahl des Aktuators folgende Aspekte berücksichtigt werden:

Erforderliches Drehmoment + Aktuatormasse + Aktuatorvolumen + Tastverhältnis + dynamische Leistung + thermische Belastbarkeit

und nicht nur das Nenndrehmoment.

Anwendungen, bei denen eine hohe Drehmomentdichte besonders wichtig ist

Leichte Roboterarme

Leichte Roboterarme sind so konstruiert, dass sie die strukturelle Masse reduzieren und gleichzeitig eine ausreichende Nutzlast und Steifigkeit gewährleisten.

Da die Aktuatoren Teil der beweglichen Struktur sind, beeinflusst die Gelenkmasse direkt die dynamischen Anforderungen an den Arm.

Ein Harmonic-Acoustic-Aktor mit hoher Drehmomentdichte kann Konstrukteuren helfen, eine ausreichende Gelenkleistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig das Gewicht der beweglichen Baugruppe zu kontrollieren.

Dies ist insbesondere relevant für leichte 6-Achs-Roboterarme und kompakte Industriemanipulatoren.

Humanoide Roboter

Humanoide Roboter stellen hohe Anforderungen an Gelenkgröße und Gewicht.

Schulter-, Ellbogen-, Handgelenk-, Hüft-, Knie- und Sprunggelenke müssen alle in eine menschenähnliche Körperstruktur passen.

Eine Vergrößerung des Aktuators kann zwar ein höheres Drehmoment erzeugen, aber auch das Gewicht und die Trägheit des Gliedes erhöhen.

Eine hohe Drehmomentdichte wird daher wichtig, wenn Konstrukteure versuchen, kompakte Gelenkabmessungen, leichte Gliedmaßen, hohe Nutzlast-Gewichts-Verhältnisse und schnelle dynamische Bewegungen zu erreichen.

Kollaborative Roboter

Bei kollaborativen Robotern stehen oft leichte mechanische Strukturen und kompakte Gelenkarchitekturen im Vordergrund.

Durch die Reduzierung der Gelenkmasse kann die Trägheit verringert und eine reaktionsschnelle Bewegung sowie ein nachgiebiges Verhalten erleichtert werden.

Bei Cobots mit langen Armen wird der Effekt deutlicher, da die Masse der distalen Gelenke zur Belastung der proximalen Gelenke beiträgt.

Medizinische Roboterarme

Medizinische Robotersysteme können auch in stark eingeschränkten Umgebungen eingesetzt werden.

Ein chirurgischer oder medizinischer Roboterarm muss unter Umständen mehrere Gelenke um einen Patienten herum positionieren und dabei eine kompakte Struktur und präzise Bewegungen beibehalten.

Bei manchen Systemen ist die Verringerung der Gelenkabmessungen wichtiger als die bloße Erhöhung des maximalen Drehmoments.

Der Aktor muss unter Umständen ein ausreichendes Drehmoment innerhalb eines sehr kleinen Einbauraums bereitstellen und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit, geringes Spiel, eine gleichmäßige Bewegung und geringe Vibrationen gewährleisten.

Inspektionsroboter und Inspektionsmanipulatoren

Inspektionsroboter müssen häufig Bereiche erreichen, die für herkömmliche Industrieroboter unzugänglich sind.

Beispiele hierfür sind industrielle Rohrleitungen, Flugzeugstrukturen, Motoren, Druckbehälter, enge Gerätekammern und komplexe mechanische Baugruppen.

Bei solchen Anwendungen kann ein großer Aktor den Roboter physisch daran hindern, den Zielbereich zu erreichen.

Die technische Anforderung lautet:

Maximale Gelenkleistung bei minimalem Platzangebot.

Hier gewinnt die volumenbasierte Drehmomentdichte besondere Bedeutung.

Ein kompakter Harmonic-Aktuator kann die erforderliche Untersetzung und das Ausgangsdrehmoment liefern und gleichzeitig dazu beitragen, dass die Gelenkbauform klein bleibt.

Roboterarme für die Luft- und Raumfahrt

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt legen außergewöhnlichen Wert auf Masse.

Jedes zusätzliche Kilogramm, das ein Raumschiff mitführt, kann sich auf die Startkosten, die Konstruktion, den Energieverbrauch oder die Nutzlastkapazität auswirken.

Gleichzeitig benötigen Roboterarme aber weiterhin ein ausreichendes Drehmoment für Einsatz-, Positionierungs-, Andock-, Inspektions- und Wartungsaufgaben.

Dies erfordert ein hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis.

Bei Manipulatoren für die Luft- und Raumfahrt sollte daher die Aktuatormasse zusammen mit Drehmomentfähigkeit, Zuverlässigkeit, thermischen Eigenschaften und mechanischer Lebensdauer bewertet werden.

Mobile Manipulatoren

Ein mobiler Manipulator kombiniert eine mobile Plattform mit einem Roboterarm.

Dadurch entsteht ein einzigartiger Zusammenhang zwischen dem Gewicht des Aktuators und der Fahrzeugleistung.

Ein schwererer Arm kann die Anforderungen an die Nutzlast erhöhen, den Schwerpunkt verlagern, den Energieverbrauch steigern und die dynamische Stabilität während der Bewegung beeinträchtigen.

Ein Gelenkmodul mit hoher Drehmomentdichte kann dazu beitragen, die Masse des Roboterarms zu reduzieren und gleichzeitig die erforderliche Nutzlastkapazität zu erhalten.

Kletter- und wandmontierte Roboter

Bei Kletterrobotern und wandmontierten Inspektionssystemen besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Aktuatormasse und der Roboterleistung.

Der Roboter muss möglicherweise sein eigenes Gewicht tragen und gleichzeitig ein ausreichendes Gelenkdrehmoment erzeugen, um die Körperhaltung beizubehalten und Manipulationen durchzuführen.

Durch die Reduzierung unnötiger Aktuatormasse kann die Belastung des Klettermechanismus verringert werden.

Bei diesen Anwendungen kann eine hohe Drehmomentdichte zu einer kompakteren und effizienteren mechanischen Gesamtarchitektur beitragen.

Unterwasser-Roboterarme

Unterwassermanipulatoren sind mit anderen Einschränkungen konfrontiert als terrestrische Roboter.

Möglicherweise müssen sie innerhalb begrenzter Fahrzeugumfänge operieren, während sie Werkzeuge transportieren oder unter Wasser mit Objekten interagieren.

Der Aktor muss ein ausreichendes Drehmoment liefern und gleichzeitig eine kompakte Bauweise sowie einen geeigneten Umweltschutz gewährleisten.

Bei ferngesteuerten Fahrzeugen und autonomen Unterwassersystemen kann die Reduzierung von Aktuatorgröße und -gewicht auch die mechanische Integration vereinfachen.

Bei Unterwasserrobotergelenken sollte die Drehmomentdichte jedoch immer zusammen mit Dichtheit, Korrosionsbeständigkeit, Drucktoleranz, Wärmemanagement und Langzeitzuverlässigkeit bewertet werden.

Roboterarme für Spezialzwecke und Gefahrenumgebungen

Manche Roboterarme sind für Umgebungen konzipiert, in denen herkömmliche Roboterarchitekturen schwer einzusetzen sind.

Dazu gehören beispielsweise Roboter für die Nuklearinspektion, explosionsgeschützte Robotersysteme, Hochtemperatur-Inspektionssysteme, Manipulatoren für explosionsgefährdete Bereiche und Roboter für die Fernwartung.

Gemeinsames Merkmal ist, dass die mechanische Architektur nur sehr begrenzten Installationsraum bietet.

Der Aktor muss daher ein ausreichendes Drehmoment liefern, ohne dabei einen dominanten Teil der physikalischen Abmessungen des Roboters einzunehmen.

Für diese Anwendungen kann ein kompakter Harmonic-Aktor als Teil einer hochintegrierten Gelenkarchitektur betrachtet werden.

Warum die Drehmomentdichte mit zunehmender Armlänge an Bedeutung gewinnt?

Die Bedeutung der Drehmomentdichte ist nicht bei allen Gelenken gleich.

Bei einem typischen Gelenkarm gelten für distale und proximale Gelenke unterschiedliche Anforderungen.

Das Handgelenk muss in erster Linie die Belastung überwinden, die mit dem Endeffektor und der Nutzlast verbunden ist.

Ein Schulter- oder Basisgelenk muss jedoch unter Umständen fast die gesamte nachgelagerte Struktur stützen.

Dies bedeutet, dass eine Verringerung der Masse distaler Komponenten einen Multiplikationseffekt haben kann.

Geringere Masse des Handgelenkaktuators → geringere Belastung des Ellbogens → geringere Belastung der Schulter → potenziell kleinere vorgelagerte Aktuatoren → geringere Gesamtmasse des Arms

Dies ist einer der wichtigsten Gründe, warum die Drehmomentdichte auf Systemebene und nicht nur auf Ebene des einzelnen Gelenks bewertet werden sollte.

Der Aktor mit der höchsten Drehmomentdichte ist nicht automatisch die beste Wahl für jede Achse.

In einer gewichtssensiblen Roboterarchitektur kann die Verbesserung der Drehmomentdichte an distalen Gelenken jedoch erhebliche Vorteile für nachfolgende Anwendungen mit sich bringen.

Die Drehmomentdichte hängt auch mit der mechanischen Verpackung zusammen.

Die Masse ist nur eine der Einschränkungen.

Bei vielen spezialisierten Roboterarmen sind die physikalischen Abmessungen des Gelenks gleichermaßen wichtig.

Ein Robotergelenk muss möglicherweise in ein zylindrisches Glied, um einen Kabelkanal, in ein hohles Bauteil, in eine menschenähnliche Gliedmaße, in ein medizinisches Instrument oder in einen engen Inspektionsmechanismus passen.

Dadurch wird das Drehmoment pro Volumeneinheit zu einer nützlichen Kennzahl im Ingenieurwesen.

Ein harmonischer Aktor mit hoher Drehmomentdichte kann Konstrukteuren helfen, zu vermeiden, einfach das gesamte Gelenk zu vergrößern, um ein höheres Drehmoment zu erzielen.

Stattdessen kann der Konstrukteur den verfügbaren Bauraum an die tatsächlichen mechanischen Anforderungen anpassen.

Dies ist besonders wertvoll, wenn der Roboter einen kleinen Außendurchmesser beibehalten und gleichzeitig eine ausreichende Gelenkleistung erbringen muss.

Warum integrierte Harmonic-Actuatoren wertvoller sein können als separate Komponenten?

Ein herkömmliches Robotergelenk kann Servomotor, Harmonic-Reducer, Encoder, Bremse, Treiber, Lager und Gehäuse als separate Komponenten verwenden.

Ein integriertes Harmonic-Joint-Modul vereint viele dieser Funktionen in einer einzigen Konstruktion.

Dies kann die mechanische Integration, die elektrische Verdrahtung, die Installation des Encoders, die Ausrichtung von Motor und Getriebe, die Gehäusekonstruktion und die Inbetriebnahme des Systems vereinfachen.

Noch wichtiger ist jedoch, dass die Integration dem Aktorentwickler eine bessere Kontrolle über das Gesamtpaket ermöglicht.

Anstatt unabhängige Komponenten auszuwählen und miteinander zu verbinden, können Motor, Getriebe, Rückkopplungssystem, Lager, Gehäuse und Elektronik um eine gemeinsame Verbindungsarchitektur herum konstruiert werden.

Dies kann dazu beitragen, die Beziehung zwischen folgenden Elementen zu optimieren:

Drehmoment ↔ Masse ↔ Volumen ↔ Regelbarkeit

Diese Beziehung ist besonders wichtig für moderne Roboterarme, bei denen der Aktor selbst zu einem strukturellen Bestandteil des Gelenks wird.

Wie sollten Ingenieure die Drehmomentdichte bei der Auswahl eines Harmonic-Joint-Moduls bewerten?

Die Drehmomentdichte sollte nicht isoliert betrachtet werden.

Nenn- und Spitzendrehmoment

Der Aktor muss zunächst die tatsächlichen Anforderungen an das kontinuierliche und das maximale Drehmoment des Gelenks erfüllen.

Eine hohe Drehmomentdichte ist bedeutungslos, wenn der Aktor den erforderlichen Arbeitszyklus nicht erfüllen kann.

Aktuatormasse

Bei leichten und mobilen Robotersystemen kann die Gesamtmasse der Gelenke die Leistung des gesamten Arms stark beeinflussen.

Verpackungsvolumen

Bei kompakten oder spezialisierten Roboterarmen können die äußeren Abmessungen des Gelenks eine größere Einschränkung darstellen als die Masse.

Reduktionsverhältnis

Ein geeignetes Untersetzungsverhältnis kann dazu beitragen, die Motordrehzahl und das Drehmoment an die Anforderungen des Robotergelenks anzupassen.

Spiel und Positionierungsgenauigkeit

Eine hohe Drehmomentdichte sollte nicht auf Kosten der für die Anwendung erforderlichen Präzision gehen.

Thermische Leistung

Ein kompakter Aktor bietet nur eine begrenzte Oberfläche zur Wärmeableitung.

Daher sollte die Drehmomentdichte zusammen mit der Dauerdrehmomentfähigkeit und dem thermischen Verhalten bewertet werden.

Dynamische Leistung

Bei Robotern, die schnell beschleunigen, spielen maximales Drehmoment, reflektierte Trägheit, Geschwindigkeit und Ansprechverhalten eine wichtige Rolle.

Integrationsebene

Ein Aktor, der Motor, Harmonic-Drive-Getriebe, Encoder, Bremse und Treiber integriert, bietet im Vergleich zu separaten Komponenten möglicherweise Vorteile hinsichtlich der Baugröße.

Installationsbeschränkungen

Der verfügbare Durchmesser, die axiale Länge, die Anforderungen an die Hohlwelle, die Kabelführung und die Montagekonstruktion sollten alle berücksichtigt werden.

Reale Betriebsbedingungen

Der richtige Aktor wird anhand des tatsächlichen Lastprofils, der Zykluszeit, der Beschleunigung, der Betriebstemperatur, des Arbeitszyklus und der erwarteten Lebensdauer bestimmt – nicht anhand eines einzelnen Drehmomentwerts aus dem Katalog.

Hohe Drehmomentdichte bedeutet nicht den kleinstmöglichen Aktor.

Es ist wichtig, ein häufiges Missverständnis zu vermeiden.

Ziel der Drehmomentdichteoptimierung ist nicht einfach nur, den Aktor so klein wie möglich zu gestalten.

Ein Aktor, der zwar extrem kompakt ist, aber nicht in der Lage ist, Wärme abzuleiten, der erforderlichen Dauerlast standzuhalten oder eine ausreichende Lebensdauer zu bieten, ist keine erfolgreiche Hochleistungslösung.

Für die Konstruktion von Robotergelenken ist das aussagekräftigere Ziel folgendes:

Maximal nutzbares Drehmoment innerhalb akzeptabler Grenzen für Masse, Volumen, Wärmeentwicklung und Zuverlässigkeit.

Diese Unterscheidung ist insbesondere für industrielle Robotersysteme von Bedeutung.

Ein Gelenk muss unter Umständen tausende Stunden lang ununterbrochen funktionieren. Daher müssen Ingenieure die Drehmomentdichte mit der Tragfähigkeit, der Zahnradfestigkeit, dem Wärmemanagement, der Motorleistung, der Schmierung, der strukturellen Steifigkeit und der Langlebigkeit in Einklang bringen.

Die Drehmomentdichte sollte auf der Ebene des Robotersystems berücksichtigt werden.

Die sinnvollste Methode zur Bewertung eines harmonischen Gelenkmoduls besteht nicht darin, zu fragen:

Besitzt dieser Aktor eine hohe Drehmomentdichte?

Fragen Sie stattdessen:

„Wie wirkt sich dieser Aktor auf den gesamten Roboterarm aus?“

Ein leichteres und kompakteres Gelenk ermöglicht potenziell leichtere Verbindungsglieder, kleinere vorgelagerte Aktuatoren, geringere strukturelle Belastungen, höhere Nutzlast-Gewichts-Verhältnisse, eine geringere Bewegungsträgheit, kleinere Robotergehäuse, eine größere mechanische Flexibilität und eine einfachere Integration in beengte Räume.

Daher kann die Drehmomentdichte des Aktuators die mechanische Architektur des gesamten Roboters beeinflussen.

Aus diesem Grund gewinnt der Parameter zunehmend an Bedeutung, da Roboter leichter, länger, kompakter und anwendungsspezifischer werden.

Von humanoiden Robotern bis hin zu spezialisierten Roboterarmen

Die Drehmomentdichte wird oft im Zusammenhang mit humanoiden Robotern diskutiert, ihre ingenieurtechnische Bedeutung reicht jedoch weit darüber hinaus.

Die gleiche Konstruktionslogik gilt immer dann, wenn ein Roboterarm ein erhebliches Gelenkdrehmoment erzeugen muss, ohne dass die Größe oder Masse des Aktuators übermäßig ansteigt.

Dazu gehören humanoide Roboter, kollaborative Roboter, leichte Industrieroboterarme, medizinische Manipulatoren, Inspektionsroboter, Luft- und Raumfahrt-Manipulatoren, mobile Manipulatoren, Unterwasserroboter, Kletterroboter und spezialisierte Roboterarme.

Obwohl diese Roboter sehr unterschiedliche Strukturen und Einsatzumgebungen aufweisen, stehen sie vor einer gemeinsamen Konstruktionsherausforderung:

Der Gelenkaktuator muss innerhalb eines begrenzten Systemrahmens über ausreichende mechanische Leistungsfähigkeit verfügen.

Bei manchen Robotern ist die Masse der entscheidende Faktor.

Für andere ist es der Durchmesser.

Für andere geht es um Wärmeableitung, Nutzlast, Reichweite oder mechanische Integration.

Die Drehmomentdichte bietet eine nützliche Möglichkeit, zu beurteilen, wie effektiv der Aktor seinen verfügbaren physikalischen Bauraum in ein nutzbares Ausgangsdrehmoment umwandelt.

Abschluss

Bei der Konstruktion von Robotergelenken sagt das Nenndrehmoment allein nicht alles aus.

Wenn ein Roboterarm leicht, kompakt, mit großer Reichweite, mobil oder für den Einsatz in beengten Umgebungen geeignet sein muss, gewinnt das Verhältnis zwischen Ausgangsdrehmoment, Aktuatormasse und Aktuatorvolumen zunehmend an Bedeutung.

Aus diesem Grund ist die Drehmomentdichte ein wichtiger Parameter bei der Bewertung eines harmonischen Gelenkmoduls oder eines harmonischen Aktuators.

Eine hohe Drehmomentdichte kann Roboterkonstrukteuren helfen, eine ausreichende Gelenkleistung zu erzielen, ohne die Aktuatorgröße oder -masse unnötig zu erhöhen. Dieser Vorteil ist besonders relevant für leichte Roboterarme, mobile Manipulatoren, medizinische Roboter, Inspektionssysteme, Luft- und Raumfahrtmechanismen, Unterwasserroboter, Kletterroboter und andere spezialisierte Roboterplattformen.

Bei diesen Anwendungen lautet die richtige Frage nicht einfach:

„Welches Drehmoment liefert das Gelenk?“

Es ist:

„Welches Drehmoment kann das Gelenk innerhalb der Größen-, Gewichts-, thermischen und mechanischen Beschränkungen des gesamten Robotersystems liefern?“

Hier wird die Drehmomentdichte zu einem aussagekräftigen technischen Parameter – und hier kann ein kompaktes, integriertes Harmonic-Joint-Modul einen signifikanten Konstruktionsvorteil bieten.