Die Konstruktion und Entwicklung eines Roboterarms stellt Ingenieure vor eine komplexe Herausforderung, bei der die Auswahl der geeigneten Elektromotoren eine zentrale Rolle spielt. Elektromotoren sind das Herzstück eines jeden Roboters, da sie die Bewegung und Positionierung der Gelenke steuern und somit maßgeblich die Leistungsfähigkeit und Präzision des gesamten Systems bestimmen. Dabei gilt es, verschiedene Aspekte wie Drehmoment, Positionierungsgenauigkeit, Lebensdauer, Kosten und Energieeffizienz sorgfältig abzuwägen. Die Wahl falscher Motoren kann zu einer ineffizienten oder überteuerten Lösung führen, während eine optimale Auswahl ein robustes, präzises und bezahlbares Robotersystem ermöglicht. Bei der Entwicklung eines kosteneffektiven und leistungsfähigen Roboters, wie dem Viper X 300 S Manipulator von Trossen Robotics, wurde genau auf diese Faktoren geachtet und bietet wertvolle Einblicke in die Praxis.
Ein essenzieller Punkt bei der Motorwahl ist das erforderliche Drehmoment, das beschreibt, wie viel Kraft der Motor aufbringen muss, um den Roboterarm zu bewegen und Lasten zu tragen. Dabei muss insbesondere die Belastung bei der Bewegung der einzelnen Gelenke berücksichtigt werden. Im Fall des Viper X 300 S wurde durch kinematische Berechnungen klar, dass beispielsweise der Basisjoint aufgrund des langen Hebelarms und des Gewichtes eine deutlich höhere Drehmomentanforderung besitzt als das Handgelenk oder der Greifer. Dabei ist zu bemerken, dass das genannte maximale Drehmoment eines Servomotors selten gleichbedeutend mit dem dauerhaft nutzbaren Arbeitsmoment ist. Ein Servomotor mit einem Nennmoment von 4 Newtonmetern kann in der Praxis meist nur etwa die Hälfte davon als dauerhaften Wert sicher leisten.
Diese Erkenntnis ist essenziell für die Dimensionierung, damit die Motoren weder überlastet werden noch zu groß und teuer dimensioniert werden. Die Hersteller wie Trossen Robotics setzen dazu auf hochwertige DYNAMIXEL-Servomotoren, die zwar eine hohe Qualität und genaue Positionsregelung bieten, jedoch mit etwa 300 bis 400 US-Dollar pro Stück auch einen erheblichen Kostenfaktor darstellen. Bei neun Motoren summiert sich das auf knapp 3.600 US-Dollar, was für viele Projekte eine erhebliche Belastung darstellt. Die Frage nach kostengünstigeren Alternativen bei vergleichbarer Leistung wird damit schnell essentiell.
Hier kommen Tiefenbetrachtungen über Steppermotoren, PWM-Motoren und UART-Servomotoren ins Spiel. Steppermotoren wie der Nema 17 oder Nema 23 werden häufig bei Budget-Lösungen eingesetzt. Sie bieten eine gute Steuerbarkeit und moderate Kosten, weisen jedoch Nachteile in der Positionierungsgenauigkeit und im Drehmoment auf. So ist ein Nema 17 mit maximal 3,6 Kilogramm-Zentimeter Drehmoment relativ leicht zu treiben, kann aber bei höheren Lasten und langer Hebelwirkung an seine Grenzen stoßen. Zudem sind Steppermotoren meist schwerer und größer als vergleichbare Servomotoren, was die Dynamik des Roboters negativ beeinflussen kann.
Die Genauigkeit des Schrittes ist zwar vorhersagbar, doch der fehlende geschlossene Regelkreis bedeutet oft erhöhte Ungenauigkeit in der Endposition durch verlorene Schritte oder mechanisches Spiel. PWM-Motoren stellen eine weitere kostengünstige Alternative dar. Sie werden über Pulsweitenmodulation gesteuert und besitzen einfache Steuerhardware. Allerdings fehlt diesen Motoren meist die digitale Rückmeldung über die aktuelle Position, wodurch präzise Bewegungen nur schwer umsetzbar sind. Ein Beispiel dafür ist der Dsservo DS51160MG mit über 150 Kilogramm-Zentimeter Drehmoment, der jedoch keinen eingebauten Encoder besitzt und damit neben externen Sensoren auch komplexere Steuerung erfordert.
Zusätzlich sind PWM-Motoren häufig weniger zuverlässig in der Positionsregelung und die Potentiometer, die hier oft als Feedbacksensor eingesetzt werden, weisen begrenzte Genauigkeit und Lebensdauer auf. Für komplexe Manipulatoren mit hohen Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit sind PWM-Motoren daher nur bedingt geeignet. UART-Servomotoren gewinnen hingegen immer mehr an Beliebtheit, da sie digitale Schnittstellen bieten, über die neben der Position auch Temperatur, Stromaufnahme und andere wichtige Parameter übertragen werden können. Dies ermöglicht eine hochwertige Regelung und Überwachung im laufenden Betrieb. Ein Beispiel sind die Feetech STS-Servomotoren, die bei höheren Stückzahlen ab etwa 12 US-Dollar erhältlich sind und mit einem eingebauten Encoder eine hohe Positionsgenauigkeit bieten.
Trotzdem ist auch hier das angegebene maximale Drehmoment mit Vorsicht zu genießen, da sich die effektive Arbeitslast oft nur auf die Hälfte der stall torque reduziert. Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Motorwahl ist die Positionsgenauigkeit, die sowohl die absolute Genauigkeit als auch die Wiederholgenauigkeit (Repeatability) einschließt. Gerade im Bereich der Robotik sind solche Werte maßgebend, da der Arm präzise bewegt werden muss, um Aufgaben zuverlässig zu erledigen. Unterschiedliche Feedbacksensoren kommen hierfür zum Einsatz, darunter Hall-Effekt-Sensoren zur Erfassung der Rotorposition, Resolvers für hochpräzise Winkelmessung, optische Encoder, magnetische Encoder und Potentiometer. Bei kostengünstigen Motoren ist häufig nur ein Potentiometer vorhanden, dessen Genauigkeit und Verschleiß eine Limitierung darstellen.
Hochwertige Servos arbeiten meist mit Magnet- oder Optischen Encodern, die hervorragende Präzision und Lebensdauer ermöglichen. Temperaturmanagement ist ein weiterer kritischer Punkt, der oft unterschätzt wird. Elektromotoren können bei Dauernutzung oder hoher Belastung stark erhitzen, was die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt. In einigen der getesteten Servomotoren, wie dem Feetech STS3215-C01, wurde bei einem statischen Lasttest eine Erwärmung von 48 auf 71 Grad Celsius beobachtet. Dies ist nahe der kritischen Temperatur, bei der der Motor versagen kann.
Da viele billige Motoren keine eingebaute thermische Abschaltung besitzen, ist ein externes Temperaturmonitoring oder eine manuelle Abschaltung erforderlich, um Schäden zu vermeiden. Ein weiterer praktischer Faktor ist das sogenannte Backlash, also das Spiel zwischen den mechanischen Komponenten des Getriebes, wodurch Ungenauigkeiten bei der Bewegung entstehen. Studien zeigten, dass der Backlash bei günstigen Servomotoren wie dem Feetech-Modell tatsächlich größer ist als in den technischen Daten angegeben, was sich bei einem 160 Millimeter langen Arm in einem Versatz von etwa 3 Millimetern niederschlägt. Für Anwendungen, die auf hohe Präzision angewiesen sind, kann dies ein entscheidendes Kriterium sein und eine verbesserte Getriebe- oder Motorlösung erfordern. Aus diesen Gründen empfehlen viele Experten, trotz höherer Anschaffungskosten auf hochwertige UART-Servomotoren mit digitalen Schnittstellen und zuverlässigen Encodern zu setzen, wenn das Projekt auf Präzision, Langlebigkeit und einfache Integration ausgelegt ist.
Ein Beispiel ist die Viper X 300 S Plattform, die mittels qualitativ hochwertiger DYNAMIXEL-Servos eine ausgezeichnete Positionierungsgenauigkeit, hohe Drehmomente und umfangreiches Feedback in Echtzeit bietet. Wer jedoch mit deutlich begrenztem Budget arbeitet und weniger strenge Präzisionsanforderungen hat, kann mit Stepper- oder PWM-Motoren durch zusätzliche Sensorik und eine sorgfältige Regelung ebenfalls brauchbare Ergebnisse erzielen. Dabei ist jedoch der Mehraufwand bei der Steuerung sowie die potentielle Limitierung der Belastbarkeit und Präzision zu berücksichtigen. Weiterführend ist es ratsam, bei der Wahl eines Elektromotors auch verschiedene weitere Parameter nicht außer Acht zu lassen: die Geschwindigkeit (RPM), das Gewicht des Motors, Energieverbrauch sowie die Kompatibilität mit existierenden Steuerungssystemen. Die Hälfte der möglichen Leistung eines Motors dauerhaft zu nutzen ist eine hilfreiche Faustregel, um eine zu hohe Belastung zu vermeiden und eine lange Lebensdauer sicherzustellen.
Der Markt bietet heute vielfältige Optionen, von hochpreisigen Spezialservos für den industriellen Einsatz über kostengünstige Wurzelmotoren bis hin zu Modellen, die eine ausgewogene Balance zwischen Kosten, Leistung und Präzision ermöglichen. Ein technischer und wirtschaftlicher Abwägungsprozess auf Grundlage der individuellen Anforderungen des Roboterarms ist dabei unerlässlich. Abschließend lässt sich sagen, dass die Auswahl von Elektromotoren für einen Roboterarm keine triviale Entscheidung ist. Es gilt, die Anforderungen an Drehmoment, Positionierungsgenauigkeit, Lebensdauer, thermische Belastbarkeit und Kosten systematisch zu analysieren und abzuwägen. Durch eine Kombination aus fundierten Berechnungen, praktischen Tests und dem Vergleich verschiedener Motorenarten kann eine optimale Lösung gefunden werden, die sowohl im Budgetrahmen liegt als auch eine zuverlässige und präzise Steuerung ermöglicht.
Das Beispiel des Viper X 300 S und die Erfahrungen mit Feetech-Servos liefern wertvolle Erkenntnisse für Entwickler und Ingenieure, die ein effizientes und bezahlbares robotisches System aufbauen möchten.
