Warum sind harmonische Robotergelenkaktoren bzw. planetarische Robotergelenkaktoren die ideale Wahl für die oberen und unteren Gliedmaßen humanoider Roboter?

Die Auswahl vonRobotergelenk-Aktuatorenfür humanoide Roboter ist im Wesentlichen eine präzise Abstimmung von Funktionsanforderungen, Leistungsabwägungen und Kostenkontrolle. Unter den heutigen Mainstream-Lösungen werdenharmonische Gelenk-Aktuatorentypischerweise für die oberen Gliedmaßen priorisiert, währendplanetare Gelenk-Aktuatorenfür die unteren Gliedmaßen bevorzugt werden. Diese Kombination ist kein Zufall, sondern vielmehr die optimale Lösung, die sich aus den unterschiedlichen Bewegungscharakteristika des Ober- und Unterkörpers ableitet. Die differenzierten Ansätze von Unternehmen wie Unitree und UBTECH beruhen ebenfalls auf spezifischen Überlegungen, die mit ihrer Produktpositionierung verbunden sind.

Gelenke der oberen Gliedmaßen: Präzision und Geschicklichkeit als Kernanforderungen

Die primäre Anforderung an Gelenke der oberen Gliedmaßen istGeschicklichkeit und hohe Präzision, die harmonische Aktuatoren besonders gut liefern können. Harmonische Aktuatoren verwenden einen Wellengenerator, um die elastische Verformung des Flexspline für die Verzahnungsübertragung anzutreiben, wodurch eine ultrahohe Positioniergenauigkeit von weniger als 1 arcminute ermöglicht wird. Ihr nahezu spielfreies Verhalten erlaubt es Robotern, filigrane Operationen wie das Greifen kleiner Objekte und die Ausführung von Präzisionsmontageaufgaben durchzuführen.

Darüber hinaus zeichnen sich harmonische Aktuatoren durch eine äußerst kompakte und leichte Struktur aus. Beim gleichen Untersetzungsverhältnis ist ihr Volumen deutlich kleiner als das von Planetenmodulen, wodurch die Masse der oberen Gliedmaßen effektiv reduziert und die gesamte Schwerpunktverteilung des Roboters optimiert wird.

Daten zeigen, dass harmonische Aktuatoren eine hervorragende Drehmomentdichte bieten und bei einem Gewicht von nur 0.84 kg 57.8 N·m/kg erreichen, was sie ideal für platzbeschränkte Gelenke der oberen Gliedmaßen wie Schulter, Ellbogen und Handgelenk macht, die hochpräzise Bewegungen erfordern. Ihre Einschränkungen sind jedoch ebenfalls offensichtlich: Die elastische Verformung des Flexspline führt zu einer relativ geringen Stoßfestigkeit, wodurch sie für plötzliche schwere Lasten weniger geeignet sind.

Gelenke der unteren Gliedmaßen: Stabilität und Tragfähigkeit als Priorität

Gelenke der unteren Gliedmaßen sind für eine stabile Lastaufnahme verantwortlich, wodurch planetare Aktuatoren die ausgewogenere Wahl sind. Planetare Aktuatoren basieren auf der starren Verzahnung zwischen Sonnenrad und Planetenrädern und erreichen Übertragungswirkungsgrade von bis zu 95–97%. Ihre Stoßfestigkeit übertrifft die von harmonischen Modulen bei weitem, sodass sie Bodenreaktionskräfte während der zweibeinigen Fortbewegung sowie das Eigengewicht des Roboters problemlos aufnehmen können.

Bemerkenswert ist, dass sogar eine einstufige Planetenuntersetzung Lasten von Hunderten Kilogramm tragen kann und damit die Anforderungen an Gehen und Nutzlasttransport vollständig erfüllt.

Ebenso wichtig ist, dass planetare Aktuatoren eine hervorragende Kosteneffizienz bieten. Die Kosten einer einstufigen Einheit liegen typischerweise nur bei einigen Hundert RMB und damit deutlich unter denen harmonischer Aktuatoren. Mit einer ausgereiften inländischen Lieferkette eignen sich planetare Aktuatoren sehr gut für die groß angelegte Massenproduktion. Darüber hinaus verfügen Gelenke der unteren Gliedmaßen im Allgemeinen über mehr Bauraum und erfordern keine extreme Kompaktheit, was der relativ größeren Baugröße planetarer Aktuatoren bei gleichwertigen Untersetzungsverhältnissen natürlich entgegenkommt.

Ausnahmen: Differenzierte Wege, angetrieben durch die Produktpositionierung

Es gibt jedoch bemerkenswerte Ausnahmen. Die von Unitree und UBTECH verfolgten differenzierten Strategien werden in erster Linie durch ihre unterschiedliche Produktpositionierung bestimmt.

Unitree konzentriert sich auf kleine, leichte Roboter. Sein G1-Roboter verwendet einen selbst entwickelten planetaren Aktuator, der in einer kompakten Bauform ein Spitzendrehmoment von bis zu 140 N·m liefert und sich damit für hochdynamische Szenarien wie Laufen und Springen eignet. Dieser Ansatz opfert einen Teil der Positioniergenauigkeit zugunsten höherer Stoßfestigkeit und Kostenvorteile.

Im Gegensatz dazu verwendet UBTECHs Walker S1 harmonische Aktuatoren in allen Gelenken und zielt auf hochpräzise Anwendungen in Industriequalität ab. Mit einem Spitzendrehmoment von 250 N·m wird eine strukturelle Verstärkung eingesetzt, um die inhärenten Einschränkungen der Stoßfestigkeit harmonischer Antriebe auszugleichen, wodurch ein Einsatz in Szenarien mit extrem hohen Anforderungen an die Betriebsgenauigkeit ermöglicht wird.

Beide Ansätze zeigen, dass diese Unternehmen auf der Grundlage ihrer zentralen Anwendungsszenarien bewusst auf eine allgemeine Konfiguration verzichtet und stattdessen hochgradig maßgeschneiderte Aktuatorlösungen gewählt haben.