Die Rolle von Motoren in humanoiden Robotern: Schlüsseltechnologien und Anwendungen

Kernlose Gleichstrommotoren

Kernlose Gleichstrommotoren zeichnen sich durch einen eisenlosen Rotor aus und bieten dadurch hohe Effizienz, hohe Drehzahl, lange Lebensdauer und geringe Reibung. Durch die Eliminierung von Wirbelstrom- und Hystereseverlusten sind diese Motoren besonders leistungsstark. Motoren in der Robotik Sie arbeiten reibungsloser und bieten eine überlegene Wärmeableitung.

Hauptmerkmale:

Eisenloser Rotor: Nutzt eine becherförmige Wicklungsstruktur, wodurch Wirbelstrom- und Hystereseverluste vermieden und ein Wirkungsgrad von über 80 % erreicht wird.

Hohe Geschwindigkeit und geringe Trägheit: Erreicht Drehzahlen von über 10.000 U/min und reagiert 3- bis 5-mal schneller als herkömmliche Motoren.

Hohe Leistungsdichte: Dank ihrer kompakten Größe (nur 6 mm Durchmesser) und ihres geringen Gewichts eignen sie sich ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Anwendungsbereiche:

Geschickte Hände: Teslas humanoider Roboter Optimus nutzt in jedem Fingergelenk kernlose Motoren, die in humanoiden Robotern zum Einsatz kommen und präzises Greifen durch koordinierte Mehrmotorensteuerung ermöglichen. Der Daumen wird von zwei Motoren angetrieben, um sowohl Beuge- als auch Seitwärtsbewegungen auszuführen, während die anderen vier Finger jeweils über einen eigenen Motor verfügen. Dies erlaubt die schonende Handhabung zerbrechlicher Objekte wie Eier.

Rahmenlose Drehmomentmotoren

Rahmenlose Drehmomentmotoren sind kompakt, leicht und weisen eine geringe Massenträgheit auf, wodurch sie sich ideal für Anwendungen eignen, die ein hohes Drehmoment auf engstem Raum erfordern. Der Rotor ist direkt auf der mechanischen Welle des Roboters montiert, und der Stator ist in die Roboterstruktur integriert.

Hauptmerkmale:

Kompakte Bauweise: Durch die rahmenlose Konstruktion wird das Motorvolumen um 40 % und das Gewicht um 30 % reduziert.

Hohes Drehmoment: Das maximale Drehmoment kann bis zu 3.500 N·m erreichen, wobei mit Harmonic-Reduziergetrieben Untersetzungsverhältnisse von über 1:1000 erzielt werden.

Hochtemperaturbeständigkeit: Verwendet Hochtemperatur-Isoliermaterialien und ermöglicht so einen Dauerbetrieb bei Temperaturen bis zu 180°C.

Anwendungsbereiche:

Drehantriebe: Der Optimus-Roboter von Tesla verwendet 14 rahmenlose Drehmomentmotoren in seinen Schultern und Handgelenken, die mit Harmonic-Reduziergetrieben gekoppelt sind, um extremen Drehmomenten von 30 kg·m standzuhalten.

Servomotoren

Servomotoren ermöglichen eine hochpräzise Bewegungssteuerung und eignen sich daher ideal für dynamische Gelenke wie Schultern und Ellbogen.

Anwendungsbereiche:

Boston Dynamics Atlas: Nutzt 28 Servomotoren in Verbindung mit einem Hydrauliksystem, wodurch komplexe Manöver wie Rückwärtssaltos möglich sind.

UBTECH Walker X: Verfügt über einen humanoiden Roboter-Servomotor mit einem Drehmoment von 80 N·m, der ein stabiles Gehen auf unebenem Gelände ermöglicht.

Schrittmotoren

Schrittmotoren werden häufig in Anwendungen mit geringer Last und niedriger Dynamik eingesetzt.

Anwendungsbereiche:

Kopfdrehung: Leichte humanoide Roboter wie der Pepper-Roboter verwenden Schrittmotoren für eine reibungslose horizontale Kopfdrehung.

Justierung des Bildverarbeitungsmoduls: Wird in experimentellen Kameragimbals für präzise Mikrojustierungen eingesetzt.

BLDC-Motoren bieten hohe Drehzahlen (10.000-20.000 U/min) und einen geringen Wartungsaufwand, haben aber eine begrenzte Drehmomentdichte (30-50 N·m/kg) und eine geringe Regelgenauigkeit bei niedrigen Drehzahlen.

Anwendungsbereiche:

Radroboter: Xiaomi CyberDog verwendet BLDC-Motoren für den Radnabenantrieb.

Hilfsenergie: Einige humanoide Roboter verwenden BLDC-Motoren für die Drehung der Taille und das Schwingen der Arme.

Linearmotoren

Linearmotoren ermöglichen schnelle und schnelle Bewegungen mit hoher Beschleunigung, erfordern jedoch präzise Führungsmechanismen und sind kostspielig.

Anwendungsbereiche:

MIT Cheetah: Nutzt Linearmotoren in den Hinterbeinen, um Geschwindigkeiten von 30 km/h zu erreichen, mit einer Beschleunigung von bis zu 2,5 m/s² und einer Reaktionsverzögerung von weniger als 1 ms.

Axialflussmotoren zeichnen sich durch einen Flusspfad parallel zur Rotorachse aus, wodurch die Rotorträgheit um 50 % reduziert und gleichzeitig eine Leistungsdichte von bis zu 150 kW/kg erreicht wird.

Anwendungsbereiche:

ETH Zürich: Entwickelte biomimetische Beine, die von Axialflussmotoren mit einer Drehmomentdichte von 200 N·m/kg angetrieben werden.

Agility Robotics Cassie: Nutzt Axialflussmotoren für dynamisches Gehen.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach humanoiden Robotern treiben die heimischen Hersteller die Entwicklung voran. Motor für humanoiden Roboter Technologie, um mit globalen Marktführern konkurrieren zu können.

Green Harmonic: Liefert Oberschwingungsdämpfer für Teslas Optimus, die eine Präzision von 1 Bogenminute und eine Lebensdauer von über 20.000 Stunden erreichen.

Moons' Electric: Produziert in Serie kernlose 16-mm-Motoren mit einer Drehmomentdichte, die mit der von Maxon vergleichbar ist und in medizinischen Robotern weit verbreitet ist.

Leadshine Technology: Entwickelte rahmenlose Drehmomentmotoren der dritten Generation mit Verkapselungstechnologie, die eine Staub- und Wasserbeständigkeit nach IP67 erreichen.

Die Motorentechnologie ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung humanoider Roboter und beeinflusst deren Agilität, Präzision und Funktionalität maßgeblich. Von Hochgeschwindigkeits-Kernlosenmotoren bis hin zu drehmomentstarken Rahmenlosen Motoren – jeder Motortyp erfüllt eine spezielle Rolle bei der Realisierung menschenähnlicher Bewegungen. Dank des stetigen technologischen Fortschritts schließen inländische Hersteller die Lücke zu globalen Wettbewerbern und erweitern die Grenzen der humanoiden Robotik kontinuierlich.