1. Gemeinsamer Antrieb des Roboterarms
In mehrgelenkigen Roboterarmstrukturen bilden Hybrid-Schrittmotoren die zentrale Antriebsquelle für die Rotation der einzelnen Gelenke. Der von MTL in Japan entwickelte Hybrid-Schrittmotor der Serie MDS/MMD-20 ist speziell für die Enden von Roboterarmen konzipiert. Die durchgehende Achsenkonstruktion ermöglicht die Kabelführung für Werkzeuge wie Greifer, Schweißpistolen und Kameras und verbessert so die Bewegungsflexibilität und Störfestigkeit. Er eignet sich für die präzise 3C-Elektronikmontage, die Mikrooperationen in der Medizintechnik und weitere Anwendungsbereiche. Dank der ultrakompakten Hohlstruktur können Luftschläuche, Kabel und Glasfasern direkt durch die Motorachse geführt werden. Dies vereinfacht die Gelenkkonstruktion des Roboterarms und reduziert externe Verkabelungsstörungen. In Kombination mit dem MTL-Encoder erreicht er eine Systemgenauigkeit von ± 60° und erfüllt damit die hohen Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit von Robotern mit mehreren Freiheitsgraden.
Für kompakte Gelenkantriebe humanoider Roboter haben Hersteller wie Vic Tech Motor integrierte Funktionseinheiten auf den Markt gebracht, die Motoren, integrierte Schrittgetriebe und hochauflösende Encoder kombinieren, um maximales Leistungspotenzial bei minimalem Platzbedarf zu erzielen.
2. Präzise Steuerung des Endeffektors (mechanischer Greifer)
Als „Hand“ eines Roboterarms bestimmt die Leistung eines mechanischen Greifers direkt die Genauigkeit und Effizienz der industriellen Automatisierung. Der elektrische Greifer wird von einem Servo-/Schrittmotor angetrieben und zeichnet sich durch seine extrem hohe Steuerbarkeit aus: Öffnungs- und Schließhub, Klemmkraft und Arbeitsgeschwindigkeit lassen sich präzise einstellen und so optimal an die Sicherheitsanforderungen kollaborativer Roboter anpassen. Er eignet sich für Feinbearbeitungen wie die 3C-Präzisionsmontage von Elektronikbauteilen, die sterile Sortierung von pharmazeutischen Produkten und die Handhabung empfindlicher Gegenstände und ist in den letzten Jahren die am schnellsten wachsende Produktkategorie auf dem Markt.
Mit Servo-/Schrittmotorantrieb, Regelungstechnik und einstellbarer Kraft/Position ersetzt der hybride, schrittmotorgetriebene Greifer den pneumatischen Greifer und ermöglicht präzises, flexibles und programmierbares Greifen. Die Positioniergenauigkeit liegt bei ± 0,01 mm und ermöglicht das Greifen von Werkstücken von 0,1 g bis über 10 kg. Dank der Drehmomentregelung des Schrittmotors lässt sich die maximale Klemmkraft bedarfsgerecht einstellen, um Beschädigungen des gegriffenen Objekts zu vermeiden.
3. Bewegungssteuerung humanoider Roboter
Hybrid-Schrittmotoren finden in humanoiden Robotern immer breitere Anwendung in der Bewegungssteuerung. Sie bieten mit Positionsrückmeldung deutliche Vorteile bei der Ansteuerung von Roboterfingern, Kopf- und Halsbewegungen sowie der Rumpfpositionierung. Dadurch ermöglichen sie eine präzise Steuerung von Bewegungen im Subgradbereich und eignen sich ideal für die feinen Bewegungen von Fingern und Händen. Im Vergleich zu anderen Motorlösungen erzielen Hybrid-Schrittmotoren ein optimales Verhältnis von Kosten, Leistung und Komplexität. Dies macht sie besonders geeignet für humanoide Roboter, die menschenähnliche Bewegungen erfordern, aber nicht die hohen Kosten von High-End-Servomotoren tragen können.
4. Roboterarm für Laborautomatisierung und Präzisionsbetrieb
In der wissenschaftlichen Forschung und Laborautomatisierung werden Roboterarme mit Hybrid-Schrittmotoren häufig für Aufgaben wie das Mischen von Chemikalien, die Probenvorbereitung, die Prüfung von Chips und das Präzisionspipettieren eingesetzt. Sie bewähren sich auch in hochpräzisen Anwendungen wie Mikropumpen, Flüssigkeitsdosierung und der Steuerung optischer Sensoren.
5. Präzisionsbearbeitung und additive Fertigung
Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass Hybridantriebstechnologie auch im Bereich der Präzisionsbearbeitung für Roboter Anwendung finden kann. Das von Siemens und dem Fraunhofer IFAM Institut gemeinsam entwickelte Hybridantriebskonzept kombiniert zwei unterschiedliche Antriebssysteme intelligent in einem Getriebe. Dadurch können Sechs-Achs-Roboter auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten stabil und vibrationsarm arbeiten und erreichen nahezu die Bearbeitungsgenauigkeit traditioneller Werkzeugmaschinen. Diese Technologie ermöglicht es Robotern, additive Fertigung (3D-Druck) und subtraktive Fertigung (Fräsen) gleichzeitig durchzuführen und so Materialauftrag und Endbearbeitung im selben System zu realisieren.
Wichtige Auswahlkriterien
Bei der Auswahl eines Hybrid-Schrittmotors für einen Roboterarm müssen Entwickler folgende Aspekte berücksichtigen:
Basisgröße:Gängige Baugrößen für Hybrid-Schrittmotoren sind beispielsweise NEMA 8 (20 mm), NEMA 11 (28 mm), NEMA 14 (35 mm) und NEMA 17 (42 mm). Wählen Sie die passende Baugröße entsprechend den Einschränkungen des Gelenk- oder Fingerraums des Roboterarms.
Drehmoment beibehalten:Der Gelenkantrieb benötigt 0,1–0,5 N·m, der Endgreifer 0,0058–0,3 N·m, und Handhabungsroboterarme können ein höheres Drehmoment erfordern. Bei der Auswahl sollte ein Sicherheitsfaktor von 30 % bis 50 % in die Lastberechnung einbezogen werden.
Schrittwinkel und Genauigkeit:Der Standardmotor mit 1,8° dreht sich 200 Schritte pro Umdrehung, der Motor mit 0,9° 400 Schritte pro Umdrehung. Mit einem Subdivision-Antrieb lässt sich eine höhere Mikroschrittgenauigkeit erzielen. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass die Stoppgenauigkeit die Anforderung von ± 3 Bogenminuten erfüllt.
Encoder und Regelungstechnik:Eine geschlossene Hybrid-Schrittmotorlösung mit integriertem Encoder löst das Problem des Schrittverlusts durch Echtzeit-Positionsrückmeldung. Der Treiber unterstützt gängige industrielle Feldbusprotokolle (wie Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP), um die Integration in bestehende Automatisierungsarchitekturen zu vereinfachen.
Hohlwellenkonstruktion:Für Endeffektoren, die die Installation von Vakuumleitungen, Kabeln oder optischen Fasern erfordern, kann ein Hybrid-Schrittmotor mit Hohlwelle verwendet werden, um die Konstruktion zu vereinfachen und die Bewegungsflexibilität zu erhöhen.
Anpassungsfähigkeit an die Umwelt:Bewerten Sie anhand der Arbeitsumgebung des Roboterarms den Schutzgrad und den Temperaturbeständigkeitsbereich des Motors, um sicherzustellen, dass er den tatsächlichen Arbeitsbedingungen gerecht wird.
Zukünftige Entwicklungstrends
Mit Blick auf die Zukunft werden sich bei der Anwendung von Hybrid-Schrittmotoren in Roboterarmen folgende Hauptrichtungen ergeben:
Integration im geschlossenen Regelkreis:Die Lösung mit hochintegrierten Encodern, Treibern und Motoren wird sich durchsetzen. Das Produkt ermöglicht eine Regelung im geschlossenen Regelkreis ohne Batterie und Wartung durch einen integrierten mechanischen Absolutwertgeber, ohne dass eine Verstärkungsanpassung erforderlich ist, und unterstützt verschiedene industrielle Netzwerke wie EtherCAT und Profinet.
Ultraminiaturisierung:Mit der steigenden Nachfrage nach kompakten Bauweisen bei geschickten Händen und kollaborativen Robotern werden weiterhin kleinere Hybrid-Schrittmotoren auf den Markt kommen, wodurch die Freiheitsgrade von Roboterarmen weiter erweitert werden.
KI-Fusion und Intelligenz:Die tiefe Integration von Hybrid-Schrittmotoren mit KI-gestützter Bildverarbeitung und Kraftmessung ermöglicht die autonome Anpassung und Hindernisvermeidung von Roboterarmen auf Basis von Echtzeit-Feedback und erhöht so die Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion. Der Hybridmotor mit geschlossenem Regelkreis erkennt ungewöhnliche Widerstände und passt die Leistung entsprechend an. Dadurch wird das Risiko mechanischer Schäden, das durch die mangelnde Fähigkeit herkömmlicher Schrittmotoren, externe Störungen zu erkennen, entsteht, grundsätzlich vermieden.
Abschluss
Obwohl Hybrid-Schrittmotoren kompakt sind, spielen sie aufgrund ihrer umfassenden Vorteile wie hochpräziser Positionierung, kompakter Bauweise, hoher Zuverlässigkeit im geschlossenen Regelkreis sowie Energieeinsparung und Umweltschutz eine unverzichtbare Rolle in modernen Roboterarmen. Von Mehrgelenkantrieben über Endgreifer und humanoide Roboter bis hin zu Präzisionsbearbeitungsmaschinen – Hybrid-Schrittmotoren bilden die Grundlage für die Präzision, Agilität und Intelligenz von Roboterarmen in der Bewegungssteuerung. Laut Marktforschungsberichten wird der weltweite Umsatz mit Hybrid-Schrittmotoren im Jahr 2025 voraussichtlich rund 126,5 Millionen US-Dollar erreichen und bis 2032 ein stabiles Wachstum verzeichnen. Mit dem kontinuierlichen Wachstum der globalen Robotikindustrie wird die Nachfrage nach Hybrid-Schrittmotoren weiter steigen und der Bewegungssteuerungsbranche neue innovative Möglichkeiten eröffnen.
Für Ingenieure, die in der Roboterforschung und -entwicklung, der Integration von Automatisierungssystemen oder der Entwicklung intelligenter Geräte tätig sind, wird ein tiefes Verständnis der technischen Eigenschaften und Auswahlmethoden von Hybrid-Schrittmotoren dazu beitragen, präzisere, kompaktere und intelligentere Roboterarmprodukte zu entwickeln und die Chancen im harten Wettbewerb auf dem Markt zu nutzen.
Veröffentlichungsdatum: 04.06.2026