Was ist ein rahmenloser Drehmomentmotor? Kernvorteile im Roboter-Gelenkdesign

 Mit der rasanten Entwicklung humanoider Roboter, vierbeiniger Roboter und der intelligenten Automatisierungsindustrie wird die Technologie von Robotergelenken zunehmend zu einem wichtigen Schwerpunkt der Branche. In Robotersystemen bestimmt die Leistung des Gelenkantriebs häufig die Bewegungsfähigkeit, Stabilität und Regelgenauigkeit des Roboters.

Obwohl traditionelle Servomotoren weit verbreitet sind, haben die kontinuierlich steigenden Anforderungen an Leichtbau, kompakte Baugröße und hohe dynamische Leistung in der Robotik dazu geführt, dass herkömmliche Lösungen für High-End-Roboteranwendungen zunehmend unzureichend werden.

Vor diesem Hintergrund hat der „Frameless Torque Motor“ begonnen, immer mehr Aufmerksamkeit von Roboterherstellern und F&E-Teams auf sich zu ziehen.

Was ist ein Frameless Torque Motor?

Ein Frameless Torque Motor ist ein Motortyp, der speziell für Hochleistungsroboter und Automatisierungseinrichtungen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Servomotoren entfernt er Strukturen wie das Gehäuse, Lager und die standardmäßige Ausgangswelle und behält in der Regel nur die zwei wesentlichsten Komponenten bei:

• Stator

• Rotor

Daher wird er als „frameless“ Motor bezeichnet.

Dieses Design ermöglicht es, den Motor direkt im Robotergelenk zu integrieren, wodurch Entwickler die mechanische Struktur, das Untersetzungssystem und das gesamte Gelenkmodul entsprechend den tatsächlichen Anwendungsanforderungen frei gestalten können.

Einfach ausgedrückt ist ein frameless Torque Motor eher die „Kern-Antriebseinheit“ eines Robotergelenks als ein vollständiger Motor im traditionellen Sinne.

Im Vergleich zu traditionellen Servomotoren werden frameless Torque Motoren aufgrund ihrer hohen Integration, hohen Drehmomentdichte und flexiblen Strukturgestaltung zunehmend zur zentralen Antriebslösung für immer mehr Robotikprojekte.

Vergleich zwischen Frameless Torque Motoren und traditionellen Servomotoren

Warum verwenden Roboter zunehmend Frameless Torque Motoren?

Mit der rasanten Entwicklung humanoider Roboter, vierbeiniger Roboter und intelligenter Roboterarme stellt die Robotikindustrie immer höhere Anforderungen an Gelenkantriebssysteme.

Moderne Roboter müssen sich nicht nur „bewegen“, sondern benötigen außerdem:

• Natürlichere Bewegungen

• Schnellere Reaktionsgeschwindigkeit

• Leichtere Strukturen

• Präzisere Steuerung

• Stabileren Betrieb

Aufgrund ihrer größeren Baugröße und festen Struktur haben traditionelle Servomotoren jedoch nach und nach Einschränkungen in Hochleistungs-Robotikanwendungen offenbart.

Kernvorteile von Frameless Torque Motoren

Vor dem Hintergrund der rasanten Fortschritte in Robotik und intelligenter Automatisierung entwickeln sich Antriebssysteme von traditionellen Motorlösungen hin zu hochintegrierten und leistungsstarken Architekturen. Unter ihnen wird der Frameless Torque Motor als hochgradig anpassbare elektromagnetische Antriebslösung von einer zunehmenden Anzahl von High-End-Robotersystemen eingesetzt.

Im Gegensatz zu traditionellen Motoren werden frameless Torque Motoren typischerweise direkt in Robotergelenke integriert und mit Untersetzungsgetrieben, Encodern und Steuerungssystemen kombiniert, um eine integrierte Struktur zu bilden. Dieses Design ermöglicht kompaktere Robotergelenke und verbessert gleichzeitig die gesamte Bewegungseffizienz und Steuerungsleistung.

Leichtbau-Gelenkdesign

Frameless Torque Motoren entfernen die in traditionellen Motoren vorhandenen Gehäuse-, Lager- und Ausgangswellenstrukturen und behalten nur die elektromagnetischen Kern-Antriebskomponenten bei. Dies ermöglicht die direkte Integration in Robotergelenke und erreicht eine echte strukturelle Integration.

Anwendungswert: Macht Robotergelenke leichter und flexibler, verbessert die Bewegungsreaktionsgeschwindigkeit und reduziert gleichzeitig den gesamten Energieverbrauch. Dies eignet sich besonders für humanoide Roboter und vierbeinige Robotersysteme mit hohen Anforderungen an die dynamische Leistung.

Hohe Drehmomentdichte-Ausgangsfähigkeit

Durch die Optimierung des elektromagnetischen Designs und der Magnetkreisstrukturen können frameless Torque Motoren innerhalb begrenzter Räume eine höhere Drehmomentabgabe erreichen und dadurch die Leistungsfähigkeit verbessern, ohne die Gesamtgröße zu erhöhen.

Anwendungswert: Weit verbreitet geeignet für hochdynamische Robotersysteme, wie Springen und Laufen von vierbeinigen Robotern, Gehsteuerung humanoider Roboter, Hochlast-Roboterarmoperationen und Exoskelett-Unterstützungssysteme.

Hochpräzise Bewegungssteuerungsfähigkeit

Aufgrund geringer Rotations-Trägheit und hervorragender dynamischer Reaktionseigenschaften können frameless Torque Motoren eine gleichmäßigere und kontinuierlichere Drehmomentabgabe erreichen, wodurch Steuerungssysteme eine höhere Präzision und Stabilität liefern können.

Anwendungswert: Hilft bei der Realisierung stabiler dynamischer Gleichgewichtsregelung, nachgiebiger Interaktionssteuerung, hochpräziser Bahnsteuerung und natürlicher Ganggenerierung, wodurch die gesamte Roboterbewegung flüssiger und biologischen Bewegungsmustern ähnlicher wird.

Geeignet für integriertes und modulares Systemdesign

Frameless Torque Motoren werden typischerweise modular mit Harmonic-Getrieben, Encodern, Bremsen und Treibern kombiniert, um hochintegrierte Gelenkaktuator-Einheiten zu bilden.

Anwendungswert: Reduziert strukturelle Komplexität und Verkabelungsaufwand, verbessert die Systemintegration und beschleunigt die Entwicklung und Iterationsgeschwindigkeit von Robotern erheblich, wodurch es ideal für Rapid Prototyping durch Forschungseinrichtungen und Robotikunternehmen ist.

Gorilla Mk1 Fallstudie: Praktische Vorteile von Frameless Torque Motoren in der Robotik

In der Robotikindustrie werden frameless Torque Motoren bereits in Hochleistungs-Roboterprojekten eingesetzt.

Am Beispiel des CubeMars Gorilla Mk1 verwendet dieser für die Wartung von Hochspannungs-Übertragungsleitungen entwickelte Roboter den CubeMars RI80 V2.0 Frameless Torque Motor als zentrale Antriebseinheit.

Gorilla Mk1 wird hauptsächlich in komplexen Aufgabenszenarien wie der Inspektion von Freileitungen, der Wartung von Hochspannungsleitungen, Einsätzen in gefährlichen Umgebungen und der Unterstützung bei Rettungseinsätzen in großer Höhe eingesetzt. In diesen Anwendungen muss der Roboter über längere Zeiträume in unstrukturierten Hochrisikoumgebungen arbeiten und dabei dynamische Laständerungen sowie komplexe Kontaktbedingungen bewältigen.

Daher muss das Systemdesign gleichzeitig die folgenden Schlüsselforderungen erfüllen:

• Hohe dynamische Stabilität zur Bewältigung hängender und geneigter Betriebsbedingungen

• Kontinuierliche hohe Traktionsfähigkeit zur Durchführung von Leitungs-Kontakt- und Mobilitätsaufgaben

• Präzise Drehmomentregelungsfähigkeit zur Reduzierung mechanischer Einwirkungen auf Übertragungsleitungen

• Leichtbau-Strukturdesign zur Verbesserung der Betriebssicherheit und Energieeffizienz in großen Höhen

Unter solchen Systemeinschränkungen wird der frameless Torque Motor nicht als unabhängige Leistungseinheit verwendet, sondern vielmehr als zentrale Energiequelle des Gelenkantriebssystems. Er wird in das Radantriebsmodul integriert und bildet zusammen mit dem Untersetzungsgetriebe, dem Steuerungssystem und den Strukturkomponenten ein vollständiges Aktuatorgelenk.

Seine Rolle ist daher nicht mehr auf die einzelne Drehmomentabgabe beschränkt, sondern arbeitet kollaborativ mit der gesamten Antriebskette zusammen, um gemeinsam die Bewegungsleistung und die Aufgabenausführungsfähigkeit des Roboters in komplexen Umgebungen zu bestimmen.

Die spezifische Systemleistung ist wie folgt:

Am Beispiel des Gorilla Mk1 lässt sich erkennen, dass frameless Torque Motoren eine wichtige Rolle in den Gelenksystemen von Freileitungs-Inspektionsrobotern spielen.

In komplexen Umgebungen wie Arbeiten an Freileitungen müssen Roboter Aufgaben unter Einschränkungen wie unstrukturierten Kontaktbedingungen, hochdynamischen Laständerungen und langandauerndem Dauerbetrieb ausführen. Daher liegt der Designschwerpunkt des Gelenkantriebssystems nicht auf einem einzelnen Motorparameter, sondern vielmehr auf der koordinierten Abstimmung der gesamten Antriebskette (Motor, Untersetzungsgetriebe, Steuerungssystem und Strukturkomponenten).

Innerhalb dieser Systemarchitektur bieten frameless Torque Motoren durch eingebettete Integrationsmethoden größere strukturelle Freiheit und höhere Regelgenauigkeit. Ihre Leistung hängt jedoch weiterhin stark vom mechanischen Design, den Wärmemanagementbedingungen und den Steuerungsstrategien ab.

Daher kann ihr Wert in High-End-Robotergelenksystemen genauer verstanden werden als:

• Bereitstellung der „elektromagnetischen Antriebsgrundlage“ mit hoher Drehmomentdichte

• Unterstützung kompakter Gelenkstrukturdesigns

• Anpassung an hochdynamische Steuerungssystemarchitekturen

• Erfüllung der Anforderungen für Dauerbetrieb und Kraftregelungsaufgaben

• Verbesserung der Flexibilität der Systemintegration

Wie wählt man den richtigen Frameless Torque Motor aus?

Die Auswahl eines frameless Torque Motors muss auf der Gelenkgröße des Roboters, der Tragfähigkeit und den Anforderungen an die dynamische Leistung basieren. Unterschiedliche Anwendungsszenarien entsprechen unterschiedlichen Spezifikationslösungen.

In praktischen Projekten erfordert die Auswahl eines frameless Torque Motors in der Regel die Konzentration auf die folgenden Schlüsselfaktoren:

• Drehmomentanforderungen

• Gelenkgröße

• Untersetzungsverhältnis

• Wärmeableitungsfähigkeit

• Dynamische Reaktionsgeschwindigkeit

• Spannungsplattform

Unterschiedliche Robotersysteme haben erheblich unterschiedliche Anforderungen an die Motorleistung, daher sollte die Abstimmung entsprechend dem spezifischen Anwendungsszenario erfolgen.

Häufige Anwendungsszenarien

Spezifische Empfehlungen für Frameless Torque Motor Modelle

Fazit

Frameless Torque Motoren werden zur zentralen Antriebslösung im Gelenkdesign der nächsten Robotergeneration.

Durch das Entfernen der in traditionellen Motoren vorhandenen Gehäuse- und festen Strukturen können frameless Torque Motoren mit größerer struktureller Freiheit in Gelenke integriert und mit Untersetzungsgetrieben, Encodern und Steuerungssystemen kombiniert werden, um hochintegrierte Antriebseinheiten zu bilden. Diese Struktur bietet Robotern eine stärkere Designflexibilität und legt gleichzeitig die Grundlage für Leichtbau, hohe dynamische Leistung und hochpräzise Steuerung.

In praktischen Anwendungen wurden frameless Torque Motoren bereits weit verbreitet in Inspektionsrobotern, Exoskelett-Geräten, kollaborativen Roboterarmen und industriellen Automatisierungseinrichtungen eingesetzt. Durch die tiefe Integration mit Untersetzungsgetrieben, Encodern und Steuerungssystemen können kompaktere und effizientere Robotergelenksysteme aufgebaut werden, wodurch die gesamte Entwicklungseffizienz und Systemzuverlässigkeit weiter verbessert werden.

Insgesamt stellen frameless Torque Motoren nicht nur eine Weiterentwicklung der Motorform dar, sondern repräsentieren auch einen wichtigen Trend im Robotergelenkdesign – weg vom „Komponentendenken“ hin zum „Systemdenken“. Während sich Roboter weiterhin in Richtung höherer Freiheitsgrade, höherer dynamischer Leistung und natürlicherer Mensch-Roboter-Kollaboration entwickeln, wird die Bedeutung dieses technologischen Ansatzes weiter zunehmen.

In Zukunft wird mit dem kontinuierlichen Wachstum der humanoiden Robotik- und KI-Robotikindustrie erwartet, dass sich die Anwendung von frameless Torque Motoren in Gelenkantriebssystemen weiter ausdehnt. In diesem Prozess treiben auch leistungsstarke frameless Torque Motor Lösungen, repräsentiert durch CubeMars, das Design von Robotergelenken kontinuierlich in Richtung geringeres Gewicht, höhere dynamische Leistung und höhere Integrationsgrade voran.