Auswahl von Robotermotoren: So wählen Sie den richtigen Motor

Die Auswahl des richtigen Robotermotors besteht nicht einfach darin, den Motor mit dem höchsten Drehmoment oder der höchsten Geschwindigkeit zu finden, sondern darin, den Motor an die Last-, Bewegungs-, Leistungs-, mechanischen, Steuerungs- und thermischen Anforderungen des Roboters anzupassen.

Bei einem Robotersystem beeinflusst die Motorauswahl weit mehr als nur die Frage, ob sich der Roboter bewegen kann. Der ausgewählte Motor beeinflusst die Gelenkgeschwindigkeit, Nutzlastkapazität, Positioniergenauigkeit, Energieeffizienz, thermische Stabilität, mechanische Integration und langfristige Zuverlässigkeit.

Der zuverlässigste Ansatz besteht darin, mit den tatsächlichen Betriebsanforderungen des Roboters zu beginnen und systematisch die erforderlichen Motorspezifikationen abzuleiten, anstatt zuerst einen Motor aus einem Katalog auszuwählen.

Dieser Leitfaden erklärt Schritt für Schritt, wie Sie einen Robotermotor auswählen – von der Definition der Anwendung und der Berechnung des Drehmoments bis hin zur Auswahl von Drehzahl, Leistung, Übersetzungsverhältnis, Motorkonzept, Feedback, thermischer Leistung und Steuerungsschnittstellen.

Definieren Sie Ihre Roboteranforderungen vor der Auswahl eines Motors

Der erste Schritt bei der Auswahl eines Robotermotors besteht darin, genau zu definieren, was der Roboter bewegen muss, wie schnell er sich bewegen muss und unter welchen Betriebsbedingungen er diese Leistung erbringen soll.

Bevor Sie Motoren vergleichen, bestimmen Sie den Robotertyp, die Nutzlast, die bewegte Masse, die Gelenk- oder Radkonfiguration, den erforderlichen Bewegungsbereich, die Beschleunigung, die Betriebsdauer, den verfügbaren Einbauraum, die Stromversorgung und die Steuerungsanforderungen.

Unterschiedliche Roboterarchitekturen stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an den Motor. Daher sollte die erste Entscheidung auf der Anwendung und nicht auf dem Motor selbst basieren.

Ein mobiler Roboter mit Rädern kann beispielsweise eine kontinuierliche Geschwindigkeit und Effizienz priorisieren, während ein vierbeiniger Roboter ein hohes Spitzendrehmoment, eine schnelle Reaktion und eine präzise Drehmomentregelung benötigen kann. Bei einem Humanoidengelenk können zusätzlich eine hohe Drehmomentdichte, eine kompakte Integration, thermische Leistungsfähigkeit und Backdrivability besonders wichtig sein.

Für einen umfassenderen Vergleich, wie sich unterschiedliche Roboterstrukturen auf die Anforderungen an Motoren auswirken, siehe Legged Robots vs Wheeled Robots: Design, Performance, and Motor Requirements Comparison.

Wichtige Faktoren bei der Auswahl eines Robotermotors

Last und erforderliches Drehmoment berechnen

Das erforderliche Motordrehmoment wird durch die Last des Roboters, den Hebelarm, die Beschleunigung, die Reibung und die mechanischen Verluste bestimmt.

Das Drehmoment ist normalerweise eine der ersten wichtigen Spezifikationen, die berechnet werden sollten, da ein Motor, der kein ausreichendes Drehmoment erzeugen kann, diesen Mangel weder durch eine höhere Drehzahl noch durch eine bessere Regelung ausgleichen kann.

Für eine einfache statische Last kann das Drehmoment mit folgender Formel abgeschätzt werden:

T = F × r

Dabei gilt:

T = Drehmoment in N·m

F = aufgebrachte Kraft in N

r = senkrechter Abstand von der Rotationsachse in m

Wenn beispielsweise ein Gelenk bei einem Hebelarm von 0,2 m einer Last von 300 N ausgesetzt ist:

T = 300 × 0.2 = 60 N·m

Dies ist nur ein vereinfachter Ausgangspunkt, da reale Robotergelenke zusätzlichen dynamischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

• Statisches Drehmoment berechnen

Das statische Drehmoment beschreibt das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Last zu tragen, wenn der Mechanismus stillsteht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Die Schwerkraft ist insbesondere bei vertikal ausgerichteten Gelenken wichtig, da sich das erforderliche Drehmoment mit dem Gelenkwinkel und der Position des Schwerpunkts des Roboters verändert.

Bei humanoiden Robotern können beispielsweise Hüft-, Knie- und Schultergelenke abhängig von der Körperhaltung und der Nutzlast erheblichen gravitationsbedingten Drehmomenten ausgesetzt sein.

• Dynamisches Drehmoment berechnen

Das dynamische Drehmoment muss hinzugefügt werden, wenn der Roboter seine eigene bewegte Masse oder eine externe Nutzlast beschleunigen oder abbremsen muss.

Das dynamische Drehmoment kann näherungsweise berechnet werden mit:

T = J × α

where:

J = Massenträgheitsmoment

α = Winkelbeschleunigung

Dynamische Bewegungen sind besonders wichtig für vierbeinige Roboter, humanoide Roboter, Roboterarme und andere Systeme, die häufig beschleunigen, abbremsen, springen, klettern oder die Bewegungsrichtung ändern.

Bei Anwendungen mit vierbeinigen Robotern beeinflussen Drehmoment, Spitzendrehmoment, Reaktionsgeschwindigkeit, Übersetzungsverhältnis und Drehmomentdichte direkt die Leistung bei dynamischen Bewegungen. Eine detaillierte Erläuterung finden Sie unter Which Parameters Matter for Quadruped Robot Motors? From “Able to Move” to “High-Performance Motion”.

• Reibung und mechanische Verluste berücksichtigen

Die abschließende Drehmomentberechnung sollte Reibung, Übertragungsverluste, Lagerwiderstand und andere mechanische Verluste berücksichtigen, anstatt nur die theoretische Last zu verwenden.

Ein vereinfachtes Modell kann wie folgt dargestellt werden:

T_total = T_static + T_dynamic + T_friction + T_loss

Die tatsächliche Gleichung hängt von der mechanischen Struktur und dem Übertragungssystem des Roboters ab. Das Prinzip bleibt jedoch gleich: Der Motor muss das für den gesamten Mechanismus erforderliche Drehmoment bereitstellen und nicht nur das Drehmoment für die externe Nutzlast.

• Einen geeigneten Sicherheitsfaktor anwenden

Das berechnete Drehmoment sollte mit einem für die Anwendung geeigneten Sicherheitsfaktor multipliziert werden, um Lastschwankungen, Modellierungsunsicherheiten, Stoßbelastungen und transiente Betriebsbedingungen zu berücksichtigen.

Zum Beispiel:

T_required = T_calculated × Safety Factor

Der geeignete Sicherheitsfaktor hängt von der Anwendung, der Unsicherheit der Last, der Regelungsstrategie, der mechanischen Konstruktion und den erwarteten Stoßbelastungen ab und sollte daher nicht als universell fester Wert betrachtet werden.

Eine ausführlichere Betrachtung der Anforderungen an kontinuierliches und maximales Drehmoment bei Robotergelenken finden Sie unter How to Choose the Right Robot Joint Motor: Torque, Speed & Integration Explained. Der Leitfaden betont, dass kontinuierliches Drehmoment und Spitzendrehmoment unterschiedliche Betriebsanforderungen darstellen und beide bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten.

Erforderliche Ausgangsdrehzahl bestimmen

Die erforderliche Motordrehzahl sollte anhand der tatsächlichen Ausgangsbewegung des Roboters bestimmt werden und nicht anhand der maximalen unbelasteten Drehzahl des Motors.

Bei einem Drehgelenk ist die erforderliche Ausgangsdrehzahl am Gelenk, Rad oder Mechanismus der entscheidende Wert.

Wenn ein Motor mit einem Getriebe verbunden ist:

Output Speed = Motor Speed ÷ Gear Ratio

Wenn beispielsweise ein Motor mit 6.000 RPM arbeitet und die erforderliche Gelenkgeschwindigkeit 120 RPM beträgt:

Gear Ratio = 6,000 ÷ 120 = 50:1

Dies bedeutet, dass das Übertragungssystem unter der vereinfachten Beziehung ein Untersetzungsverhältnis von etwa 50:1 benötigt.

• Motordrehzahl und Ausgangsdrehzahl sind unterschiedliche Spezifikationen

Ein Motor mit hoher Drehzahl ist nicht automatisch für einen Roboter mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit geeignet, da die endgültige Ausgangsdrehzahl vom Übertragungsverhältnis und vom Betriebspunkt abhängt.

Ein Motor kann eine hohe Leerlaufdrehzahl aufweisen, aber bei der Erzeugung eines erheblichen Drehmoments mit einer niedrigeren Drehzahl arbeiten.

Daher sollte die Motorauswahl den tatsächlichen Drehmoment-Drehzahl-Betriebsbereich des Motors berücksichtigen, anstatt nur die maximale RPM zu vergleichen.

• Beschleunigung und Reaktionsverhalten berücksichtigen

Der Roboter muss über eine ausreichende Reaktionsfähigkeit von Motor und Aktuator verfügen, um die erforderliche Geschwindigkeit innerhalb der gewünschten Beschleunigungszeit zu erreichen.

Dies ist besonders für dynamische Roboter wichtig, da die Fähigkeit, die Geschwindigkeit schnell zu verändern, Gleichgewicht, Gangsteuerung, Hindernisvermeidung und Bewegungsqualität beeinflussen kann.

Erforderliche Motorleistung berechnen

Die Motorleistung hängt sowohl vom Drehmoment als auch von der Drehzahl ab. Daher müssen Drehmoment und Drehzahl gemeinsam bewertet werden, wenn ein Motor dimensioniert wird.

Die mechanische Leistung kann berechnet werden mit:

P = T × ω

where:

P = mechanische Leistung in Watt

T = Drehmoment in N·m

ω = Winkelgeschwindigkeit in rad/s

Für die Drehzahl in RPM:

ω = 2πn / 60

wobei n die Drehzahl in RPM ist.

Diese Beziehung erklärt, warum ein Motor mit hohem Drehmoment bei sehr niedriger Drehzahl nicht zwangsläufig eine hohe mechanische Leistung besitzt.

Die Leistungsanforderungen sind besonders wichtig, wenn der Roboter wiederholt schnelle Bewegungen ausführt, klettert, schnell beschleunigt oder kontinuierlich unter Last betrieben wird.

Die elektrische Leistung, die von der Batterie oder Stromversorgung benötigt wird, ist ebenfalls höher als die mechanische Ausgangsleistung, da Motor, Treiber, Getriebe und andere Komponenten Wirkungsgradverluste aufweisen.

Das richtige Übersetzungsverhältnis auswählen

Das geeignete Übersetzungsverhältnis muss Ausgangsdrehmoment, Ausgangsdrehzahl, Wirkungsgrad, Trägheit und Backdrivability ausbalancieren, anstatt lediglich das Drehmoment zu maximieren.

Die grundlegende Beziehung lautet:

Gear Ratio = Motor Speed ÷ Required Output Speed

Eine Erhöhung des Untersetzungsverhältnisses steigert im Allgemeinen das verfügbare Ausgangsdrehmoment und reduziert gleichzeitig die Ausgangsdrehzahl.

Das tatsächliche Ausgangsdrehmoment hängt jedoch ebenfalls vom Übertragungswirkungsgrad ab:

T_output ≈ T_motor × Gear Ratio × η

wobei η den Übertragungswirkungsgrad bezeichnet.

• Höhere Übersetzungsverhältnisse

Eine höhere Untersetzung ist sinnvoll, wenn die Anwendung ein höheres Ausgangsdrehmoment von einem vergleichsweise schnell laufenden Motor benötigt.

Diese Konfiguration wird häufig bei Anwendungen eingesetzt, bei denen ein hohes Drehmoment wichtiger ist als eine hohe Ausgangsdrehzahl.

Ein hohes Untersetzungsverhältnis kann jedoch abhängig von der Übertragungsarchitektur auch Übertragungsverluste, reflektierte Trägheit und den Widerstand gegen Rückwärtsantrieb erhöhen.

• Niedrigere Übersetzungsverhältnisse

Eine geringere Untersetzung kann eine höhere Ausgangsdrehzahl ermöglichen und je nach Getriebekonstruktion die Reaktionsfähigkeit und Backdrivability verbessern.

Dies ist besonders für dynamische Roboter relevant, deren Gelenke schnell auf externe Kräfte reagieren und ihre Bewegung kontinuierlich anpassen müssen.

Das geeignete Motorkonzept auswählen

Sobald die Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl, Leistung und Übertragung definiert sind, besteht der nächste Schritt darin, das Motorkonzept auszuwählen, das am besten zu den mechanischen und steuerungstechnischen Anforderungen des Roboters passt.

Das Ziel besteht in diesem Stadium nicht darin, den Motor mit den höchsten Spezifikationen auszuwählen, sondern zu bestimmen, welches Motorkonzept das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung, Integration, Steuerung und Systemkomplexität bietet.

• BLDC-Motoren

BLDC-Motoren werden in der Robotik häufig eingesetzt, da sie einen hohen Wirkungsgrad, hohe Drehzahlen, eine lange Betriebslebensdauer und eine gute Kompatibilität mit elektronischer Kommutierung und Regelungen mit geschlossenem Regelkreis bieten.

Sie eignen sich für Anwendungen von mobilen Robotern und Roboterarmen bis hin zu Gimbals, Aktuatoren und anderen Bewegungssystemen.

Eine Einführung in ihre Funktionsprinzipien und Eigenschaften finden Sie unter What is a BLDC Motor?

• QDD-Motoren

QDD-Motoren sind darauf ausgelegt, eine hohe Drehmomentdichte und eine vergleichsweise hohe Backdrivability zu bieten, indem ein drehmomentstarker Motor mit einem Untersetzungsmechanismus mit geringer Übersetzung kombiniert wird.

Diese Architektur ist besonders für dynamische humanoide und vierbeinige Roboter relevant, bei denen Drehmomentregelung, Reaktionsfähigkeit und mechanische Nachgiebigkeit wichtig sind.

Auswahlkriterien finden Sie unter How to Choose QDD Actuators? Key Metrics and Application Considerations.

• Frameless-Drehmomentmotoren

Frameless-Drehmomentmotoren sind nützlich, wenn der Motor direkt in ein kompaktes, kundenspezifisches Gelenk integriert werden soll, anstatt als herkömmlicher, gekapselter Motor installiert zu werden.

Ein Frameless-Motor stellt typischerweise die elektromagnetischen Komponenten ohne ein herkömmliches Gehäuse, eine Welle oder ein Lagersystem bereit, sodass Ingenieure die umgebende mechanische Struktur um den Motor herum konstruieren können.

Dieses Motorkonzept kann besonders attraktiv sein, wenn eine optimale Raumnutzung, hohe Drehmomentdichte, Hohlwellenintegration oder eine kundenspezifische Gelenkgeometrie wichtig ist.

Weitere Informationen finden Sie im 2026 Frameless Torque Motors for Robotics Selection Guide, der einen detaillierteren Auswahlansatz bietet.

• Integrierte Robotik-Aktuatoren

Integrierte Aktuatoren kombinieren mehrere Komponenten eines Bewegungssystems in einer Einheit, um die Integrationskomplexität zu reduzieren und die Entwicklung von Robotern zu vereinfachen.

Je nach Ausführung kann ein integrierter Aktuator einen Motor, ein Getriebe, einen Encoder, einen Treiber und weitere Steuerelektronik kombinieren.

Dieser Ansatz kann die Verkabelung, den mechanischen Integrationsaufwand und die Entwicklungskomplexität reduzieren. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Ingenieure möglicherweise weniger Freiheit haben, jede einzelne Komponente unabhängig voneinander zu optimieren.

Einen umfassenderen Vergleich finden Sie unter Integrated Robotic Actuators vs. Conventional Motors: The Future of Motion in Robotics.

Den Motor anhand des vollständigen Robotersystems validieren

Nachdem ein Motor anhand von Drehmoment, Drehzahl, Leistung, Übersetzungsverhältnis, Motorarchitektur, Größe, Feedback und thermischen Anforderungen ausgewählt wurde, sollte er im Hinblick auf das vollständige Robotersystem bewertet werden.

Die folgende Checkliste kann verwendet werden, um zu überprüfen, ob der ausgewählte Motor oder Aktuator für die jeweilige Anwendung geeignet ist.

Ein Motor, der die Anforderungen an Drehmoment und Drehzahl erfüllt, kann dennoch ungeeignet sein, wenn sein Gewicht, seine Abmessungen, seine thermische Leistung, sein Feedbacksystem oder seine Kommunikationsschnittstelle nicht zum Gesamtdesign des Roboters passen.

Daher sollte die Motorauswahl als Engineering-Prozess auf Systemebene betrachtet werden und nicht als einfacher Vergleich einzelner Motorspezifikationen.

Praxisbeispiel: Auswahl eines Motors für das Schultergelenk eines humanoiden Roboters

Um den Auswahlprozess zu veranschaulichen, betrachten wir ein Schultergelenk eines humanoiden Roboters, das einen Arm bewegen und eine Nutzlast tragen soll.

Es werden folgende Parameter angenommen:

• Gesamtmasse des nachgelagerten Arms: 2,8 kg
• Abstand vom Schwerpunkt des Arms zu Gelenk 1: 0,32 m
• Nutzlast: 2,0 kg
• Abstand der Nutzlast vom Gelenk: 0,65 m
• Erforderliche Gelenkdrehzahl: 120 RPM
• Systemspannung: 48 V DC

• Sicherheitsfaktor: 1,35

Schritt 1: Statisches Drehmoment berechnen

Zunächst wird das durch die Masse des Arms erzeugte Drehmoment berechnet:

T_arm = m_arm × g × r_arm

T_arm = 2.8 × 9.81 × 0.32 ≈ 8.79 N·m

Anschließend wird das durch die Nutzlast erzeugte Drehmoment berechnet:

T_load = m_load × g × r_load

T_load = 2.0 × 9.81 × 0.65 ≈ 12.75 N·m

Das gesamte erforderliche statische Drehmoment beträgt daher:

T_static = 8.79 + 12.75 = 21.54 N·m

Schritt 2: Dynamisches Drehmoment berücksichtigen

Wenn das Schultergelenk den Arm schnell beschleunigen muss, wird zusätzliches dynamisches Drehmoment benötigt.

Das dynamische Drehmoment kann mit folgender Formel abgeschätzt werden:

T_dynamic = J × α

Der genaue Wert hängt vom Trägheitsmoment und der erforderlichen Winkelbeschleunigung des Arms ab.

Für dieses vereinfachte Auswahlbeispiel kann das statische Drehmoment als Grundlage vor Anwendung des Sicherheitsfaktors verwendet werden. Bei der Entwicklung eines realen Roboters sollte das dynamische Drehmoment anhand des tatsächlichen Bewegungsprofils berechnet werden.

Schritt 3: Sicherheitsfaktor anwenden

Unter Anwendung des angegebenen Sicherheitsfaktors:

T_required = T_static × SF

T_required = 21.54 × 1.35 ≈ 29.08 N·m

Der vereinfachte Auslegungswert für das erforderliche Drehmoment beträgt somit etwa 29,1 N·m.

Schritt 4: Erforderliches Übersetzungsverhältnis bestimmen

Die gewünschte Gelenkdrehzahl beträgt 120 RPM. Wenn der Motor mit etwa 1.080 RPM betrieben wird, ergibt sich das erforderliche Untersetzungsverhältnis wie folgt:

Gear Ratio = Motor Speed ÷ Output Speed

Gear Ratio = 1,080 ÷ 120 = 9:1

Ein relativ niedriges Untersetzungsverhältnis kann ein hohes Ausgangsdrehmoment ermöglichen und gleichzeitig eine gute Reaktionsfähigkeit und Backdrivability erhalten. Dies kann für Gelenke humanoider Roboter von Vorteil sein.

Schritt 5: Motorspezifikationen vergleichen

Beispielsweise ist der CubeMars AK10-9 V3.0 ein QDD-Aktuator mit einem Übersetzungsverhältnis von 9:1, einem Spitzendrehmoment von bis zu 53 N·m und einem Nennmoment von 18 N·m.

Sein Spitzendrehmoment liegt über dem vereinfachten Auslegungswert von 29,1 N·m. Sein Nennmoment liegt jedoch unter dem oben berechneten statischen Haltemoment von 21,54 N·m.

Das bedeutet, dass der Aktuator nicht allein anhand des Spitzendrehmoments ausgewählt werden sollte. Auch seine Dauerlastfähigkeit, seine thermische Leistung, sein tatsächlicher Betriebszyklus, seine Beschleunigungsanforderungen und seine mechanische Konfiguration müssen bewertet werden.

Schritt 6: Validierung auf Systemebene durchführen

Vor der endgültigen Auswahl des Motors sollten außerdem folgende Faktoren überprüft werden:

• Drehmomentdichte
• Gewicht des Aktuators
• Gesamtabmessungen
• Konfiguration der Ausgangswelle
• Untersetzungsverhältnis
• Encoder-Konfiguration
• Backdrivability
• Thermische Leistung
• Kommunikationsschnittstelle

• Treiberkompatibilität

Dieses Beispiel zeigt, warum die Auswahl eines Robotermotors nicht auf eine einzelne Spezifikation wie das Spitzendrehmoment reduziert werden kann. Der Motor muss die gesamten mechanischen, elektrischen, steuerungstechnischen und thermischen Anforderungen des Roboters erfüllen.

Bei Anwendungen mit humanoiden Robotern können außerdem unterschiedliche Gelenke unterschiedliche Motoreigenschaften erfordern. Beispielsweise können Schulter-, Ellbogen-, Handgelenk-, Hüft- und Kniegelenke unterschiedliche Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl, Gewicht, Abmessungen und Backdrivability stellen. Weitere Informationen finden Sie unter Motoren für Schultergelenke humanoider Roboter.

Zusammenfassung

Die Auswahl des richtigen Robotermotors erfordert mehr als den Vergleich von Drehmoment- oder Drehzahlspezifikationen. Der Motor muss auf die Last, das Bewegungsprofil, das Stromversorgungssystem, die mechanische Struktur, die Steuerungsarchitektur und die thermischen Bedingungen des Roboters abgestimmt werden.

Ein praktischer Prozess zur Motorauswahl kann der folgenden Reihenfolge folgen:

Roboteranforderungen → Last → Drehmoment → Drehzahl → Leistung → Übersetzungsverhältnis → Motorarchitektur → Größe & Gewicht → Feedback → Backdrivability → Thermische Leistung → Treiberkompatibilität → Systemvalidierung

Durch die gemeinsame Bewertung dieser Faktoren können Ingenieure einen Motor auswählen, der nicht nur ausreichend Drehmoment und Drehzahl liefert, sondern sich auch effektiv in das gesamte Robotersystem integrieren lässt.

Ein Motor sollte daher nicht als isolierte Komponente ausgewählt werden, sondern als Teil des vollständigen robotischen Antriebssystems.