Jedes Datenblatt für ein humanoides Gelenk nennt ein Spitzendrehmoment. Kaum eines nennt eine Drehmomentbandbreite – also die Frequenz, mit der sich dieses Drehmoment tatsächlich ändern kann. Dabei entscheidet die Bandbreite darüber, ob ein Roboter einen Fußaufprall abfedert, seinen Griff hält, wenn eine Kiste zu rutschen beginnt, oder kontrolliert nachgibt, wenn sich eine Person auf seinen Arm stützt. Veröffentlichte Werte für Gelenke realer Laufroboter reichen von 8.5 Hz bis 150 Hz. Diese große Spanne sagt weniger über die Hardwarequalität aus als darüber, wie die einzelnen Werte gemessen wurden.

Die Drehmomentbandbreite ist eine Frequenz, keine Kraft. Sie bezeichnet den Punkt, an dem das vom Gelenk abgegebene Drehmoment bei einem Frequenzdurchlauf auf etwa 71 % eines sinusförmigen Sollwerts abfällt (−3 dB im Bode-Diagramm). Bei Forschungsgelenken wurden Werte zwischen 8.5 Hz und 150 Hz gemessen – doch ohne fünf Angaben zum Testkontext ist dieser Wert bedeutungslos: Drehmoment- oder Positionsregelung, offener oder geschlossener Regelkreis, Amplitude, Lastfall und Sensor.

Was die Drehmomentbandbreite tatsächlich misst

Der Test selbst ist einfach. Ingenieure geben dem Gelenk einen sinusförmigen Drehmomentsollwert vor und erhöhen schrittweise dessen Frequenz – ein Chirp-Signal –, während sie aufzeichnen, welches Drehmoment das Gelenk tatsächlich abgibt. Bei niedrigen Frequenzen folgt der Ausgang dem Sollwert; mit steigender Frequenz nimmt die Amplitude des Ausgangssignals ab und seine Phase hinkt hinterher. Die Bandbreite ist die Frequenz, bei der die Ausgangsamplitude auf etwa 71 % des Sollwerts gefallen ist – der −3-dB-Punkt im Bode-Diagramm.

Zwei Aspekte sind entscheidend dafür, ob der Wert aussagekräftig ist. Erstens: Was wird nachgeführt – Drehmoment, Kraft oder Position? Die Positionsbandbreite berücksichtigt die Trägheit der bewegten Gliedmaße und ist daher fast immer niedriger. Beim Blue-Arm von Berkeley werden für dieselbe Hardware 7.5 Hz bei der Positionsregelung, aber 13.8 Hz bei der Drehmomentregelung angegeben. Zweitens: Was wird während des Tests festgehalten? Bei vielen Tests wird der Aktuatorausgang eingespannt, sodass sich nur der Aktuator bewegt und keine frei schwingende Gliedmaße. Werte bei offenem Regelkreis beschreiben allein die Hardware; Werte bei geschlossenem Regelkreis beziehen auch den Regler ein.

Warum ein Humanoid mehr benötigt, als seine Gehgeschwindigkeit vermuten lässt

Ein Gehzyklus dauert etwa eine Sekunde – also ungefähr zwei Schritte pro Sekunde –, und schnelle Fingerbewegungen liegen bei 4–6 Hz. Daher liegt der Schluss nahe, dass ein Gelenk kaum mehr Bandbreite benötigt. Diese Überlegung greift zu kurz: Bei der Bandbreite geht es nicht darum, einer geplanten Trajektorie zu folgen, sondern auf Unvorhergesehenes zu reagieren – einen Fuß, der früher als erwartet aufsetzt, eine Last, die sich in der Hand verschiebt, oder eine Person, die gegen einen Arm stößt.

Ein Benchmark-Vorschlag für humanoide Aktuatoren aus dem Jahr 2025, der noch nicht peer-reviewt wurde, macht die Bedeutung deutlich: Ein Gelenk mit einer Drehmomentbandbreite von 5 Hz kann nachgiebiges Verhalten nicht sicher umsetzen; Handgelenk- und Handaktuatoren benötigen im Drehmomentmodus mindestens 5–10 Hz. Die durchgerechneten Beispiele setzen beim Gehen für das Sprunggelenk etwa 8 Hz und bei der Manipulation für das Handgelenk 10 Hz an.

Lernbasierte Regelungsverfahren verschärfen die Anforderungen zusätzlich. Eine moderne humanoide Regelungsstrategie läuft typischerweise mit etwa 50 Hz und gibt Positionssollwerte für die Gelenke aus (manchmal ergänzt um Steifigkeits- oder Impedanzparameter), während jedes Gelenk seine eigenen PD- und Stromregelkreise deutlich schneller schließt. Kann das Gelenk das durch diese Sollwerte vorgegebene Drehmoment nicht umsetzen, steuert die gelernte Regelungsstrategie effektiv einen langsameren und nachgiebigeren Roboter als den, mit dem sie trainiert wurde. Die Abweichung zeigt sich in einer schlechteren Balance und einem weniger zuverlässigen Kontaktverhalten.

Die Kette, die die Grenze setzt

Jede Stufe zwischen Sollwert und Gliedmaße trägt zur Verzögerung bei – und die langsamste Stufe bestimmt das Ergebnis.

• Zuerst kommt der Stromregelkreis des Antriebs. Beim MIT Cheetah läuft er mit 20 kHz und erreicht eine Strombandbreite von 400 Hz. Als Faustregel gilt: Ein Regelkreis muss 5–10-mal schneller laufen als die Bandbreite, die er bereitstellen soll.
• Als Nächstes kommen Motor und Getriebe. Eine Erhöhung der Übersetzung N vervielfacht das Drehmoment, doch die auf die Motorseite reflektierte Trägheit steigt mit N², ebenso die Reibung. Darin liegt der mathematische Grund, weshalb Gelenke mit hoher Übersetzung dem Drehmomentsollwert nur schlecht folgen – dieselbe N²-Belastung, die die Debatte zwischen Direktantrieb und Getriebe prägt.
• Eine Abtriebsfeder ist der stärkste einzelne Einflussfaktor. Wensing und Kollegen modellierten das starre Getriebe des Cheetah-Beins mit einer Eigenfrequenz von 79.7 Hz. Durch den Einbau einer Serienfeder mit 70 N·m/rad sank die niedrigste Eigenfrequenz auf 13.5 Hz – nahe an der veröffentlichten Drehmomentbandbreite von 9 Hz im geschlossenen Regelkreis für die seriell-elastischen Aktuatoren des StarlETH-Quadrupeds.
• Wärme setzt die letzte Grenze. Bei großen Sollwertamplituden geht dem Motor der Strom- oder thermische Spielraum aus, bevor die Frequenzgrenze erreicht ist. Daher nimmt die nutzbare Bandbreite mit steigender Drehmomentamplitude ab.

Veröffentlichte Werte – und warum sie selten übereinstimmen

Forschende haben Bandbreiten für eine begrenzte Zahl von Aktuatoren für Laufroboter und Humanoide veröffentlicht. Die Werte unterscheiden sich deutlich je nach Architektur: Steife Gelenke mit niedriger Übersetzung und Quasi-Direktantrieb liegen an der Spitze; seriell-elastische Gelenke erreichen niedrigere Werte, sofern sie nicht durch Rückkopplung angehoben werden.

Quelle: zusammengestellt aus Wensing et al. 2017; Paine et al. (Valkyrie); Kau et al. 2019; Yu et al. 2020; Isik et al. 2017; Gealy et al. 2019.

Ein Detail verdient besondere Erwähnung: Soweit uns bekannt ist, veröffentlicht bis Ende 2026 kein großer kommerzieller Humanoidenhersteller in seinen offiziellen Spezifikationen einen gemessenen Wert für die Drehmomentbandbreite eines Gelenks. Die obigen Werte stammen aus Forschungsgruppen, die ihre Methodik offenlegen.

Zwei Wege zu einem schnellen Gelenk

Beim Quasi-Direktantrieb wird die Hardware selbst schnell ausgelegt. Bei einer Übersetzung unter etwa 10:1 und einem steifen Getriebe wird der Motorstrom nahezu unmittelbar in Abtriebsdrehmoment umgesetzt. Außerdem kann das Gelenk das Drehmoment sogar ohne dedizierten Sensor aus dem Strom schätzen. Der Nachteil ist die Wärmeentwicklung: Bei niedriger Übersetzung ist für dasselbe Abtriebsdrehmoment mehr Motorstrom erforderlich. Dadurch werden Kupferverluste und Wärmemanagement zu den wichtigsten Konstruktionsanforderungen. Dieselbe physikalische Ursache lässt QDD-Gelenke bei statischem Halten heiß werden.

Der seriell-elastische Ansatz akzeptiert eine langsame Regelstrecke und gleicht sie durch Regelung aus. Valkyries Ellbogengelenk erreicht passiv 13 Hz; mit PD-Rückkopplung auf das gemessene Federdrehmoment stieg der Wert auf 70 Hz – das 5.3-Fache des passiven Werts. Die Bandbreite im geschlossenen Regelkreis wird jedoch mit Strom erkauft. Als die Nachführbandbreite des Valkyrie-Knies von 30 Hz auf 82 Hz erhöht wurde, stieg die Leistung bei der Frequenz der passiven Bandbreite um das 3.6-Fache, von 27 W auf 97 W. Höhere Verstärkungen bei gleicher Frequenz erfordern mehr Strom, der in den Wicklungen in Wärme umgesetzt wird.

Bandbreite lässt sich auch zugunsten niedrigerer Kosten aufgeben. Als die University of Texas at Austin ihren 18-Hz-Aktuator UT-SEA für den kostengünstigen industriellen Einsatz neu entwickelte, erreichte das daraus hervorgegangene Modell SA-SEA 8.5 Hz statt der angestrebten 10 Hz – ein im Fachartikel dokumentierter bewusster Kompromiss.

Die praktische Schlussfolgerung: Eine hohe Bandbreite ist nie kostenlos. Fragen Sie, welche Verlustleistung das Gelenk aufnimmt und welche Temperatur seine Wicklungen bei der angegebenen Bandbreite erreichen. Ein Wert, der bei geringer Amplitude, eingespanntem Ausgang und kaltem Motor gemessen wurde, sagt wenig darüber aus, wie dasselbe Gelenk in einer warmen Montagezelle ein Kontaktdrehmoment hält.

Sechs Fragen, mit denen sich jede Bandbreitenangabe einordnen lässt

Da es kein standardisiertes Prüfverfahren gibt, lassen sich Bandbreitenangaben leicht beschönigen. Sechs Fragen helfen, einen belastbaren Wert von einer Marketingangabe zu unterscheiden:

Der Benchmark-Vorschlag von 2025 empfiehlt ein einheitliches Prüfprotokoll: einen Frequenzdurchlauf von 0.5 bis 60 Hz bei etwa 10 % des dauerhaft sicher abgebbaren Drehmoments sowie die Angabe von Verstärkung und Phase bei 1, 5, 10 und 30 Hz. Bis ein solches Verfahren zum Standard wird, helfen die sechs obigen Fragen dabei, die meisten Angaben einzuordnen.

Was das für Käufer von Gelenkmodulen bedeutet

Für Teams, die integrierte Gelenkmodule auswählen, verändert die Drehmomentbandbreite die Betrachtung der Kraftregelung. Ein Gelenk kann mit einem präzisen Drehmomentsensor ausgestattet sein und dennoch eine schlechte Kraftregelung bieten, wenn Trägheit und Reibung des Getriebes sowie das thermische Budget die Bandbreite auf wenige Hertz begrenzen. Umgekehrt gilt dasselbe: Ein Modul mit niedriger Übersetzung und hervorragender Bandbreite benötigt dennoch ausreichend thermischen Spielraum, um ein Kontaktdrehmoment dauerhaft zu halten.

Praktische Checkliste, bevor Sie sich für ein Gelenk zur Kraftregelung entscheiden:

1. Fragen Sie nach dem Bode-Diagramm, nicht nur nach einem Einzelwert. Die Phasenverzögerung bei 5–10 Hz sagt mehr über die Stabilität bei Kontakt aus als der −3-dB-Punkt allein.
2. Fragen Sie nach dem Lastfall – bei einem Test mit eingespanntem Ausgang wird die Trägheit der Gliedmaße ausgeschlossen; ein Test mit frei beweglicher Gliedmaße ist anspruchsvoller und aussagekräftiger.
3. Fragen Sie nach Amplitude und Temperatur. Große Drehmomente und heiße Wicklungen schränken die nutzbare Bandbreite ein.
4. Stimmen Sie das Bandbreitenziel auf die Aufgabe ab: Für die Umsetzung nachgiebigen Verhaltens sind im Drehmomentmodus mindestens 5–10 Hz erforderlich; für die Ganzkörperbalance ist eine höhere Bandbreite an Sprung- und Hüftgelenken von Vorteil.

Das ergänzt unmittelbar die Betrachtung der Genauigkeit von Gelenken anhand des Fehlerbudgets: Auflösung und Wiederholgenauigkeit betreffen statische Eigenschaften, während die Bandbreite die dynamische Seite derselben Frage abdeckt. Hinzu kommt die thermische Begründung für kontinuierliches Drehmoment, denn jedes zusätzliche Hertz an Bandbreite im geschlossenen Regelkreis kostet Leistung in den Wicklungen. Der Übergang der Kraftregelung in die Massenproduktion macht diese Frage dringlich statt akademisch: Wenn Gelenkmodule standardmäßig mit Drehmomentsensorik ausgeliefert werden, verlagert sich das Unterscheidungsmerkmal von der Frage, ob ein Gelenk Drehmoment messen kann, hin dazu, wie schnell es auf die Messung reagieren kann.

Quelle: humanoid.guide, „Torque Bandwidth in Humanoid Joints“, Oktober 2026; P. M. Wensing et al., „Proprioceptive Actuator Design in the MIT Cheetah“, IEEE T-RO 2017; N. Paine et al., „Actuator Control for the NASA-JSC Valkyrie Humanoid Robot“, Journal of Field Robotics; M. Sunbeam, „Human-Level Actuation for Humanoids“, arXiv 2511.06796, 2025; K. Isik et al., Actuators 2017; D. V. Gealy et al., 2019; S. Yu et al., 2020; N. Kau et al., 2019.