Warum ersetzen elektrische Roboter-Gelenkantriebe Hydrauliksysteme in humanoiden Robotern?

Humanoide Roboter treten in eine neue Entwicklungsphase ein. Da sich Roboterplattformen von Labordemonstrationen hin zum industriellen Einsatz bewegen, verändern sich die Anforderungen an ihre Gelenkantriebssysteme rapide.

Seit Jahrzehnten werden Hydrauliksysteme für ihre hohe Leistungsdichte und ihre Fähigkeit geschätzt, große dynamische Lasten zu bewältigen. Die Entwicklung humanoider Roboter schafft jedoch eine andere Prioritätensetzung: kompakte Bauweise, hohe Effizienz, präzise Bewegungssteuerung, geringer Wartungsaufwand, integrierte Elektronik und Kompatibilität mit batteriebetriebenen Systemen.

Dies führt zu einem zunehmenden Interesse an elektrischen Roboter-Gelenkantrieben.

Dieser Wandel ist bereits bei führenden humanoiden Roboterplattformen zu beobachten. Boston Dynamics hat seinen hydraulischen Atlas außer Dienst gestellt und eine vollständig elektrische Version vorgestellt, die für reale Anwendungen entwickelt wurde. Das Unternehmen gibt an, dass der elektrische Atlas eine höhere Kraft und einen größeren Bewegungsbereich bieten soll und gleichzeitig auf den kommerziellen Einsatz zusteuert.

Für Hersteller humanoider Roboter lautet die Frage daher nicht mehr einfach, ob ein elektrischer oder hydraulischer Antrieb ausreichend Kraft erzeugen kann. Die wichtigere Frage ist, welche Technologie die beste Kombination aus Leistung, Präzision, Effizienz, Integration, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit bietet.

Was ist ein Gelenkantrieb für humanoide Roboter?

Ein Roboter-Gelenkantrieb ist ein mechanisches und elektromechanisches System, das eine kontrollierte Bewegung an einem Roboter-Gelenk erzeugt.

Bei einem elektrischen humanoiden Roboter kann ein typischer Gelenkantrieb mehrere Komponenten integrieren:

Motor + Präzisionsgetriebe + Encoder + Antriebsregler + Lager + Bremse oder Drehmomentsensor

Je nach Gelenkarchitektur können unterschiedliche Übertragungstechnologien eingesetzt werden.

Für Drehgelenke gehören Harmonic-Getriebe, Planetengetriebe und rahmenlose Torquemotoren zu den gängigen Lösungen.

Für Lineargelenke können Hersteller Planetenrollengewindetriebe, Kugelgewindetriebe, Zahnstangen-Ritzel-Mechanismen oder andere Systeme zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen einsetzen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da humanoide Roboter nicht für jedes Gelenk dieselbe Antriebsarchitektur verwenden.

Schulter, Ellbogen, Handgelenk, Hüfte, Knie und Knöchel können mit Drehantrieben ausgestattet sein, während bestimmte Bein- oder Armmechanismen Linearantriebe verwenden können, um die Motordrehung in eine lineare Bewegung umzuwandeln.

Warum setzen humanoide Roboter zunehmend auf elektrische Antriebe?

Die Umstellung auf elektrische Antriebe bedeutet nicht, dass Hydrauliksysteme plötzlich für die Robotik ungeeignet geworden sind.

Hydraulik bietet weiterhin eine ausgezeichnete Leistungsdichte, eine hohe Kraftausgabe und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten äußeren Lasten. Die Forschung an elektrohydrostatischen Aktoren wird ebenfalls fortgesetzt, da EHA-Systeme hydraulische Leistung mit lokaler elektrischer Steuerung und hoher Integration verbinden können.

Humanoide Roboter stellen jedoch mehrere Anforderungen, die elektrische Systeme begünstigen.

Höhere Energieeffizienz

Ein humanoider Roboter wird in der Regel von einer integrierten Batterie versorgt.

Dadurch wird die Energieeffizienz wesentlich wichtiger als bei vielen stationären Hydraulikmaschinen.

Eine konventionelle hydraulische Architektur benötigt Energie, um eine Pumpe anzutreiben und den Flüssigkeitsdruck aufrechtzuerhalten. Außerdem sind zusätzliche Komponenten wie Ventile, Behälter, Schläuche und Hydraulikkreise erforderlich.

Ein elektrischer Gelenkantrieb kann elektrische Energie über das Motor- und Übertragungssystem direkt in eine kontrollierte mechanische Bewegung umwandeln.

Dieser vereinfachte Energiepfad kann für batteriebetriebene humanoide Roboter von Vorteil sein, insbesondere wenn viele Gelenke gleichzeitig betrieben werden müssen.

Kompaktere Systemintegration

Hydraulische Roboter benötigen mehr als nur den Hydraulikzylinder selbst.

Ein vollständiges System kann Pumpen, Ventile, Flüssigkeitsbehälter, Rohrleitungen, Dichtungen und weitere Hydraulikkomponenten umfassen.

Diese Komponenten verursachen zusätzliche Anforderungen an Bauraum und Wartung.

Ein elektrischer Roboter-Gelenkantrieb kann den Motor, das Getriebe, den Encoder, den Antriebsregler und weitere Komponenten näher am Gelenk integrieren.

Diese dezentrale Architektur ist für humanoide Roboter besonders attraktiv, da der Antrieb entsprechend der tatsächlichen Gelenkgeometrie des Roboters ausgelegt werden kann.

Anstatt ein zentrales Energiesystem aufzubauen und den Hydraulikdruck im gesamten Roboter zu verteilen, können Hersteller kompakte elektrische Antriebe direkt in einzelne Gelenke integrieren.

Elektrische vs. hydraulische Antriebe für humanoide Roboter

Der entscheidende Punkt ist, dass ein elektrischer Antrieb hydraulische Leistung nicht einfach durch einen Elektromotor ersetzt.

Für humanoide Roboter wird das Übertragungssystem ebenso wichtig.

Ein leistungsfähiges elektrisches Gelenk benötigt einen Motor, der ausreichend Drehzahl und Drehmoment erzeugen kann, sowie ein Präzisionsübertragungssystem, das die Motorausgabe in eine nutzbare Gelenkbewegung umwandelt.

Die Rolle von Präzisionsgetrieben in elektrischen Roboter-Gelenkantrieben

Der Elektromotor allein reicht in der Regel nicht aus, um ein Gelenk eines humanoiden Roboters direkt anzutreiben.

Elektromotoren arbeiten typischerweise bei relativ hohen Drehzahlen am effizientesten, während Robotergelenke oft deutlich niedrigere Ausgangsdrehzahlen und ein wesentlich höheres Drehmoment benötigen.

Ein Präzisionsgetriebe schließt diese Lücke.

Zum Beispiel:

Hochgeschwindigkeitsmotor → Präzisionsgetriebe → Gelenkausgang mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment

Die Wahl des Getriebes beeinflusst daher direkt die Größe, Drehmomentdichte, das Verdrehspiel, den Wirkungsgrad und die dynamische Reaktion des Robotergelenks.

Aus diesem Grund sind Harmonic-Getriebe und Planetengetriebe wichtige Komponenten in elektrischen Gelenkantrieben für humanoide Roboter.

Harmonic-Getriebe für rotative Gelenke humanoider Roboter

Harmonic-Getriebe eignen sich besonders für kompakte Präzisions-Drehgelenke.

Ihr hohes Übersetzungsverhältnis ermöglicht es einem relativ kleinen Motor, ein hohes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, ohne mehrere herkömmliche Getriebestufen zu benötigen.

Die Eigenschaften der Harmonic-Übertragung mit geringem Verdrehspiel sind auch für Gelenke wertvoll, die eine präzise Positionierung und häufige Richtungswechsel erfordern.

Typische Anwendungen umfassen:

Handgelenke, Ellbogen, Schultern, Nackengelenke und andere kompakte Drehgelenke humanoider Roboter.

Bei hochintegrierten Konstruktionen kann ein Harmonic-Getriebe mit einem rahmenlosen Torquemotor, Encoder, Lager und Antriebsregler kombiniert werden, um ein kompaktes elektrisches Robotergelenk zu schaffen.

Für kleinere Gelenke können die Miniatur-Harmonic-Getriebe von HONPINE auch Anwendungen abdecken, bei denen Einbaudurchmesser und Gewicht besonders begrenzt sind.

Planetengetriebe für Robotergelenke mit hoher Drehzahl und hoher Belastung

Planetengetriebe bieten eine andere Leistungsbalance.

Ihr hoher Übertragungswirkungsgrad, ihre hohe Belastbarkeit und ihre Fähigkeit, relativ hohe Eingangsdrehzahlen zu verarbeiten, machen sie für zahlreiche industrielle Bewegungsanwendungen geeignet.

Bei humanoiden Robotern kann eine Planetenübertragung in Betracht gezogen werden, wenn das Gelenk eine Kombination aus folgenden Eigenschaften erfordert:

hohes Drehmoment, hoher Wirkungsgrad, hohe Drehzahl und robuste Belastbarkeit.

Dadurch sind Planetengetriebe besonders für bestimmte elektrische Gelenkkonstruktionen mit hoher Belastung in Beinen, Armen und anderen Bereichen relevant.

Die optimale Lösung hängt daher von den Anforderungen des jeweiligen Gelenks ab und nicht einfach von der Auswahl einer einzigen Getriebetechnologie für den gesamten humanoiden Roboter.

Warum sind integrierte elektrische Gelenkantriebe für humanoide Roboter wichtig？

Humanoide Roboter verfügen über eine große Anzahl unabhängig gesteuerter Gelenke.

Wenn jedes Gelenk separate externe Motoren, Getriebe, Antriebsregler, Sensoren und Verkabelungen benötigt, wird der gesamte Roboter größer und schwieriger zu montieren.

Integrierte Roboter-Gelenkantriebe begegnen dieser Herausforderung, indem sie mehrere Funktionen in einem einzigen mechanischen Modul zusammenführen.

Ein typisches integriertes elektrisches Gelenk kann Folgendes kombinieren:

Motor + Getriebe + Encoder + Antriebsregler + Lager

Zusätzliche Funktionen wie Bremse, Drehmomenterfassung, STO, CAN/CANopen oder EtherCAT-Kommunikation können je nach Antriebsarchitektur ebenfalls integriert werden.

Dadurch wird die externe Verkabelung reduziert und die mechanische Integration vereinfacht.

Für Hersteller humanoider Roboter kann die Integration außerdem die Montageeffizienz verbessern und die Standardisierung des Antriebs über verschiedene Robotergelenke hinweg erleichtern.

Elektrische Antriebe sind nicht auf Drehgelenke beschränkt

Obwohl Harmonic- und Planetengetriebe für rotative Robotergelenke wichtig sind, benötigen humanoide Roboter auch lineare Bewegungen.

Ein Lineargelenk kann durch die Umwandlung der Motordrehung in eine lineare Bewegung mittels eines Übertragungsmechanismus realisiert werden.

Eine wichtige Technologie ist der Planetenrollengewindetrieb, der eine hohe Belastbarkeit und Präzision in einer relativ kompakten Bauweise bietet.

Dieser Mechanismus ist besonders für die Beine humanoider Roboter und andere Anwendungen relevant, bei denen lineare Kraft und eine kompakte Bauweise erforderlich sind.

Daher wird die zukünftige Antriebsarchitektur humanoider Roboter wahrscheinlich nicht auf einer einzigen Übertragungstechnologie basieren.

Stattdessen können Hersteller je nach den mechanischen Anforderungen jedes Gelenks Folgendes kombinieren:

Elektrische Drehantriebe + Harmonic-Getriebe + Planetengetriebe + elektrische Linearantriebe + Planetenrollengewindetriebe

entsprechend den mechanischen Anforderungen jedes Gelenks.

Was zeichnet einen guten elektrischen Roboter-Gelenkantrieb aus?

Bei humanoiden Robotern sollte die Auswahl des Antriebs über das Nennmoment hinausgehen.

Ingenieure müssen typischerweise Folgendes bewerten:

Drehmomentdichte, Spitzendrehmoment, Dauerdrehmoment, Ausgangsdrehzahl, Verdrehspiel, Wirkungsgrad, thermische Eigenschaften, Gelenkträgheit, Encoderauflösung, mechanische Steifigkeit, Kommunikationsschnittstelle sowie die Gesamtabmessungen und das Gewicht des Antriebs.

Ein humanoides Handgelenk kann beispielsweise Kompaktheit und ein geringes Verdrehspiel priorisieren, während ein Knie- oder Hüftgelenk ein deutlich höheres Spitzendrehmoment und eine höhere thermische Belastbarkeit erfordern kann.

Eine geschickte Hand erfordert ein noch höheres Maß an Miniaturisierung und Präzision.

Das bedeutet, dass der ideale Roboter-Gelenkantrieb anwendungsspezifisch und keine universelle Konstruktion ist.

Für welche Anwendungen eignen sich elektrische Roboter-Gelenkantriebe besonders？

Die Vorteile elektrischer Antriebe werden insbesondere bei humanoiden Robotern deutlich, die für den kommerziellen Einsatz entwickelt werden.

Arme humanoider Roboter

Elektrische Drehantriebe können eine präzise Positions- und Drehmomentregelung für Schulter-, Ellbogen- und Handgelenkgelenke ermöglichen und gleichzeitig eine kompakte mechanische Struktur gewährleisten.

Beine humanoider Roboter

Hüft-, Knie- und Knöchelgelenke erfordern ein hohes Drehmoment, eine dynamische Reaktion und eine effiziente Energienutzung. Elektrische Antriebe in Kombination mit geeigneten Präzisionsübertragungen können eine kompakte Alternative zu zentralisierten Hydrauliksystemen darstellen.

Hände humanoider Roboter

Die Hand benötigt wesentlich kleinere Antriebe und hochpräzise Bewegungen. Miniatur-Harmonic-Getriebe und kompakte Elektromotoren können in Fingergelenke integriert werden, in denen der Einbauraum äußerst begrenzt ist.

Industrielle humanoide Roboter

Für Roboter, die in Fabriken und Logistikumgebungen eingesetzt werden, bietet der elektrische Antrieb Vorteile bei Integration, Wartung, Sauberkeit und Kompatibilität mit digitalen Steuerungsarchitekturen.

Dies ist besonders relevant, da sich humanoide Roboter von Forschungsplattformen hin zu industriellen Anwendungen entwickeln. Boston Dynamics beispielsweise hat den neuen elektrischen Atlas für den praktischen industriellen Einsatz positioniert, wobei Hyundai als erster Anwendungspartner fungiert.

Warum werden elektrische Roboter-Gelenkantriebe zu einer Schlüsseltechnologie？

Die Entwicklung humanoider Roboter verändert die Erwartungen der Hersteller an einen Gelenkantrieb.

Hydrauliksysteme bleiben wertvoll, wenn eine extrem hohe Kraftdichte und dynamische Leistung die wichtigsten Anforderungen sind. Pneumatische Systeme können ebenfalls für nachgiebige und spezialisierte Anwendungen geeignet sein.

Für batteriebetriebene humanoide Roboter, die für einen großflächigen Einsatz vorgesehen sind, bietet der elektrische Antrieb jedoch eine überzeugende Kombination aus Effizienz, Steuerbarkeit, kompakter Integration, Sauberkeit und Skalierbarkeit.

Der Übergang des Atlas von hydraulischem zu vollständig elektrischem Antrieb ist ein klares Beispiel für diese Entwicklung in der Branche.

Gleichzeitig bedeutet elektrischer Antrieb nicht, dass jedes humanoide Gelenk denselben Motor oder dasselbe Getriebe verwenden sollte.

Die zukünftige Architektur wird wahrscheinlich eher eine Kombination verschiedener elektrischer Übertragungstechnologien sein, die für unterschiedliche Gelenke optimiert werden.

Elektrische Roboter-Gelenkantriebe von HONPINE für die humanoide Robotik

HONPINE entwickelt integrierte Lösungen für Roboter-Gelenkantriebe auf Basis von Präzisionsmotoren, Harmonic-Übertragung, Planetenübertragung, Encodern und integrierten Steuerungstechnologien.

Für rotative Gelenke humanoider Roboter bieten gelenkbasierte Module mit Harmonic-Getrieben eine kompakte Lösung, wenn geringes Verdrehspiel, hohe Drehmomentdichte und präzise Positionierung entscheidend sind.

Für Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl und Belastbarkeit bieten gelenkbasierte Lösungen mit Planetengetrieben eine alternative Übertragungsarchitektur.

HONPINE entwickelt außerdem Antriebslösungen mit integrierter Elektronik und Kommunikationsschnittstellen, die Roboterherstellern helfen, die Systemkomplexität zu reduzieren und die Gelenkintegration zu vereinfachen.

Dieser Ansatz ermöglicht die Anpassung der Antriebsarchitektur an verschiedene Anwendungen humanoider Roboter – von Schulter- und Ellbogengelenken über Handgelenke, Hüften, Knie und Knöchel bis hin zu kompakten Roboterhänden.

Fazit

Der Wechsel von hydraulischen zu elektrischen Antrieben ist eine der wichtigen Entwicklungen in der Konstruktion humanoider Roboter.

Hydraulik bleibt leistungsfähig und vielseitig einsetzbar. Elektrische Roboter-Gelenkantriebe bieten jedoch Vorteile, die immer wichtiger werden, da sich humanoide Roboter hin zu Batteriebetrieb, kompakter mechanischer Konstruktion, präziser digitaler Steuerung, industriellem Einsatz und Massenproduktion entwickeln.

Der Schlüssel zu diesem Übergang besteht nicht einfach darin, einen Hydraulikzylinder durch einen Elektromotor zu ersetzen. Leistungsfähige elektrische Gelenke für humanoide Roboter erfordern eine sorgfältig abgestimmte Kombination aus Motor, Präzisionsgetriebe, Encoder, Antriebsregler, Lager, Sensorik und Steuerungstechnologie.

Für Drehgelenke bieten Harmonic-Getriebe und Planetengetriebe unterschiedliche Leistungseigenschaften. Für Lineargelenke bieten Technologien wie Planetenrollengewindetriebe einen weiteren Weg zu elektrischen Antrieben mit hoher Kraft.

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit und wirtschaftlicher Einsatzfähigkeit humanoider Roboter werden elektrische Roboter-Gelenkantriebe immer mehr zu einem zentralen Baustein humanoider Bewegungs­systeme.

Die integrierten Gelenklösungen von HONPINE mit Harmonic- und Planetengetrieben sind darauf ausgelegt, diesen Übergang mit kompakten, präzisen und skalierbaren Bewegungskomponenten für humanoide Roboter der nächsten Generation zu unterstützen.