Integrierte vs. Externe Drehmomentsensoren in Robotergelenkmodulen: Technische Abwägungen und zukünftige Trends

In den letzten Jahren ist mit dem rasanten Wachstum humanoider Roboter und kollaborativer Roboter die hochpräzise Kraftregelung zu einer Kernkompetenz für eine nachgiebige und sichere Interaktion geworden. Im Zentrum dieser Fähigkeit steht eine entscheidende Komponente imrobotischen Gelenkmodul: der Drehmomentsensor, der für die Erfassung von Kräften verantwortlich ist.

Die Einbaumethode von Drehmomentsensoren bestimmt jedoch direkt die Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten des Gelenks. Derzeit dominieren zwei technische Hauptansätze den Markt: eingebettete (integrierte) und externe (zusätzliche) Drehmomentsensoren.

Diese Unterscheidung geht über einfach „eingebaut“ versus „angebracht“ hinaus. Der grundlegende Unterschied liegt darin, ob die Drehmoment-Messstruktur ein integraler Bestandteil der mechanischen Übertragungskette ist und im Gelenk selbst integriert wird.

1. Eingebettete Drehmomentsensoren: Der „native Kern“ integrierter Gelenke

Eingebettete Drehmomentsensoren sind tief in die Gelenkstruktur integriert und werden neben Motor, Getriebe und Encoder zur vierten Kernkomponente. Dadurch entsteht ein vollständig integriertes System, das Antrieb, Übertragung, Sensorik und Regelung vereint.

Gängige Implementierungsmethoden

Dehnungsmessstreifenbasierte Erfassung

Dehnungsmessstreifen werden auf Komponenten wie dem Ausgangsflansch, der Hohlwelle oder einem speziellen elastischen Element angebracht. Das Drehmoment wird durch die Messung minimaler Torsionsverformungen berechnet. Dies ist die klassischste und am weitesten verbreitete Methode.

Magnetische / magnetoelastische Erfassung

Das Drehmoment wird durch die Messung von Winkelunterschieden über Magnetringe oder durch Änderungen der magnetischen Materialeigenschaften erfasst. Dieser berührungslose Ansatz bietet eine ausgezeichnete Abdichtung sowie Beständigkeit gegen Öl und Verunreinigungen und entwickelt sich daher schnell zu einem Trend.

Konstruktionsdesign mit Wiederverwendung bestehender Strukturen

Vorhandene elastische Komponenten—wie die Flexspline in Harmonic Drives oder Ausgangsflansche—werden als Sensorelemente wiederverwendet. Dieser Ansatz erfordert eine fortschrittliche mechanische Entkopplung, um Störungen durch Axialkräfte und Biegemomente zu vermeiden.

Vorteile

Kompaktheit & Leichtbauweise

Es wird keine zusätzliche axiale Länge hinzugefügt, wodurch ultrakompakte Gelenkmodule möglich werden und das Verhältnis von Nutzlast zu Gewicht verbessert wird.

Hohe Zuverlässigkeit & Schutz

Die interne Verkabelung ermöglicht eine vollständige Abdichtung (hohe IP-Schutzart) und schützt vor Staub, Wasser und mechanischem Verschleiß.

Überlegene dynamische Leistung

Hohe strukturelle Steifigkeit und geringe Trägheit unterstützen eine Kraftregelung mit hoher Bandbreite und schneller Reaktion.

Hohe Produktkonsistenz

Werkseitig vorkalibriert, mit Plug-and-Play-Integration und reduzierter Systemkomplexität.

Herausforderungen

Hohe Konstruktionskomplexität

Es müssen Festigkeit, Steifigkeit, Überlastschutz, Temperaturdriftkompensation und Mehrachsen-Entkopplung auf engem Raum gelöst werden.

Begrenzte Wartungsfreundlichkeit

Ein Sensorausfall erfordert häufig die Rücksendung des gesamten Gelenkmoduls zur Reparatur, was zu längeren Ausfallzeiten führt.

Verborgene Überlastrisiken

Äußere Stöße können irreversible Mikroschäden oder eine Nullpunktdrift verursachen, die visuell nicht erkennbar sind.

Typische Anwendungen

Humanoide Roboter

Kollaborative Roboter (Cobots)

Vierbeinige Roboter

Exoskelette

Geschickte Roboterhände

Bei diesen Anwendungen stehen Kompaktheit, Leichtbauweise und hohe Zuverlässigkeit in der Massenproduktion im Vordergrund.

2. Externe Drehmomentsensoren: Flexible und unabhängige Messmodule

Externe Drehmomentsensoren sind eigenständige standardisierte Komponenten, die zwischen dem Gelenkausgang und der Last über Flansche oder Kupplungen installiert werden.

Gängige Implementierungsmethoden

Drehmomentsensoren in Flanschbauform

Sie werden zwischen dem Ausgangsflansch des Gelenks und der Last installiert und fungieren als Messring. Dies ist der häufigste Ansatz.

Wellen- / Hohlwellensensoren

Direkt auf der Übertragungswelle montiert, geeignet für spezifische räumliche Konfigurationen.

Motorstromschätzung (virtuelle Sensorik)

Obwohl es sich nicht um einen physischen Sensor handelt, wird in kostengünstigen Anwendungen das Drehmoment aus dem Motorstrom geschätzt. Die Genauigkeit wird jedoch durch Reibung, Temperaturdrift und Getriebewirkungsgrad beeinflusst, wodurch sich diese Methode nicht für eine hochpräzise Kraftregelung eignet. Diese Methode wird in kostensensiblen Roboteranwendungen häufig eingesetzt.

Vorteile

Hohe Flexibilität & Wartungsfreundlichkeit

Sensoren können schnell ausgetauscht werden, wodurch Ausfallzeiten minimiert werden. Ideal für F&E und iterative Entwicklung.

„Goldstandard“ für die Kalibrierung

Hochpräzise, zertifizierte Sensoren können zur Validierung und Kalibrierung eingebetteter Lösungen verwendet werden.

Große Auswahl & ausgereifte Technologie

Es ist eine große Produktvielfalt mit unterschiedlichen Messbereichen, Genauigkeiten und Schnittstellen (z. B. CAN, EtherCAT) verfügbar.

Herausforderungen

Größere Baugröße & geringere Ästhetik

Erhöht die axiale Länge und das Volumen, wodurch Gelenke weniger kompakt werden.

Reduzierte Systemsteifigkeit

Zusätzliche Schnittstellen und elastische Elemente können die Regelbandbreite begrenzen und Ausrichtungsfehler verursachen.

Schutz- & Verkabelungsprobleme

Freiliegende Verkabelung erfordert zusätzlichen Schutz vor Staub, Flüssigkeiten und mechanischer Belastung.

Typische Anwendungen

F&E- und Testplattformen

Umgebungen mit hoher Last oder Stoßbelastung (unter Verwendung von Opfersensoren)

Nachrüstungs- oder Upgrade-Projekte

3. Wichtiger Vergleich: Eingebettete vs. externe Drehmomentsensoren

4. Auswahlleitfaden: So wählen Sie die richtige Lösung

Primäre Entscheidung

Wenn Ihr Ziel Produktisierung und Massenproduktion ist und Sie Kompaktheit, Leichtbauweise, Zuverlässigkeit und saubere Integration priorisieren →

Wählen Sie eingebettete Drehmomentsensoren.

Wenn Sie sich in F&E, Prototyping, Tests befinden oder hohe Flexibilität und einfache Wartung benötigen →

Wählen Sie externe Drehmomentsensoren.

Wichtige Validierungskriterien (für beide Ansätze)

Entkopplungsleistung zwischen den Achsen

Prüfen Sie die Spezifikationen hinsichtlich der Beständigkeit gegen Biegemomente und Axiallasten (z. B. <2% FS).

Überlastschutz & Nullpunktwiederherstellung

Stellen Sie sicher, dass der Sensor seine Genauigkeit nach Überlastbedingungen von 2× oder 5× beibehält.

Montagesteifigkeit (kritisch für externe Sensoren)

Geeignete Ebenheit, Steifigkeit und Ausrichtung sind entscheidend—eine schlechte Installation kann selbst die besten Sensoren beeinträchtigen.

Eingebettete Drehmomentsensoren repräsentieren die Zukunft hochintegrierter robotischer Gelenke und ermöglichen eine skalierbare, leistungsstarke und kosteneffiziente Massenproduktion. Externe Sensoren behalten gleichzeitig ihren dauerhaften Wert in Bezug auf Flexibilität, Validierung und Anpassungsfähigkeit.

Es gibt keine absolut „bessere“ Lösung—sondern nur diejenige, die am besten zu Ihrer Anwendung passt. Das Verständnis dieser technischen Abwägungen ermöglicht es Ihnen, Ihren Roboter mit dem am besten geeigneten „Tastsinn“ auszustatten und die optimale Balance zwischen Präzision, Zuverlässigkeit und Kosten zu erreichen.