Auf jedem Datenblatt eines Aktuators steht eine Effizienzangabe, gemessen bei Nenndrehmoment, Nenndrehzahl und warmem Getriebe. Ein humanoides Gelenk arbeitet fast nie unter diesen Bedingungen. Verfolgt man ein Watt vom Batteriebus bis zum Boden, sieht das tatsächliche Energiebudget ganz anders aus – und es bestimmt die Batterie, den Kühlkörper und die tatsächliche Betriebsdauer des Roboters.

Die eine Zahl, die in die Irre führt

Schlagen Sie einen beliebigen Katalog für Präzisionsgetriebe auf, finden Sie dort eine Effizienzangabe: Wellgetriebe (Harmonic Drives) geben typischerweise 70–90 Prozent an, Präzisions-Planetengetriebe 90–95 Prozent und Zykloidgetriebe 80–95 Prozent. Auf der China International Industry Fair 2026 nannte ein Komponentenhersteller mit umfassendem Portfolio für seine neue Zykloidgetriebeserie für humanoide Gelenke mit geringer Last sogar eine Effizienz von "85%+". Diese Zahlen sind korrekt – und für sich genommen nahezu nutzlos, denn jede beschreibt nur einen einzigen Betriebspunkt: Nenndrehmoment, Nenndrehzahl am Eingang, warmes Schmiermittel und stationärer Betrieb.

Ein humanoides Gelenk arbeitet nicht ständig an diesem Punkt. Das Knie eines laufenden Roboters durchläuft einen Lastzyklus, bei dem das Spitzendrehmoment beim Bodenkontakt nur einige zehn Millisekunden anliegt und der Rest des Schritts bei einem Bruchteil der Nennlast erfolgt. Ein Armgelenk in einer Pick-and-Place-Aufgabe verbringt den Großteil des Zyklus damit, eine leichte Nutzlast zu beschleunigen, abzubremsen und zu halten. In realen Lastzyklen fällt die meiste Betriebszeit genau in den Bereich, zu dem die Katalogangaben zur Effizienz nichts aussagen.

Quelle: Wirkungsgradbereiche verschiedener Getriebefamilien, zusammengestellt aus Vergleichen von Gelenkmodulen (Daten zu HONPINE-Gelenkmodulen; Getriebevergleich von humanoid.guide, 2026); Berichterstattung zu Zykloidgetrieben auf der CIIF 2026, Oktober 2026.

Das Verlustmodell: Warum der Wirkungsgrad bei Teillast einbricht

Die Verluste eines Getriebes teilen sich in zwei Anteile auf, deren Zusammenspiel alles erklärt. Der erste ist ein weitgehend lastunabhängiges Schleppmoment – nennen wir es τ₀: das Leerlaufmoment, das erforderlich ist, um Fett umzuwälzen, Dichtungen zu überwinden, die Flexspline zu verformen und Lager zu drehen. Der zweite Anteil ist lastproportional: Verzahnungsreibung, die mit dem übertragenen Drehmoment zunimmt.

Auf die Abtriebsseite bezogen, lässt sich der Wirkungsgrad näherungsweise so ausdrücken:

η(τ_out) ≈ τ_out / (τ_out + N·τ₀ + k·τ_out)

Dabei ist N das Übersetzungsverhältnis und k steht für die lastproportionalen Verluste. Bei hoher Last dominiert τ_out, und der Wirkungsgrad nähert sich seinem Nennwert – der Zahl auf dem Katalogtitel. Bei niedriger Last bleibt das feste Schleppmoment N·τ₀ unverändert. Es macht daher einen immer größeren Anteil des Energieflusses aus, und der Wirkungsgrad bricht gegen null ein.

Der Faktor N ist bei Gelenken mit hoher Übersetzung entscheidend. Das Schleppmoment ist an der Eingangswelle gering, wird aber auf dem Weg zum Abtrieb mit der Übersetzung multipliziert. Deshalb kann ein Wellgetriebegelenk mit einer Übersetzung von 100:1 und einem angegebenen Wirkungsgrad von 85 Prozent bei nur 20 Prozent des Nenndrehmoments lediglich etwa 50–65 Prozent Wirkungsgrad erreichen – und bei kaltem Getriebe, bevor das Fett dünnflüssiger wird, noch weniger. Ein Vergleich für Integratoren beziffert den Wirkungsgrad von Harmonic Drives bei 10 Prozent der Nennlast auf etwa 60 Prozent, während ein Planetengetriebe unter denselben Bedingungen über 90 Prozent bleibt.

Praktische Schlussfolgerung: Wenn ein Gelenk den Großteil seines Lastzyklus unter 30 Prozent des Nenndrehmoments arbeitet, zählt der durchschnittliche Wirkungsgrad über den Einsatz – nicht der Wert am Nennbetriebspunkt. Fragen Sie nach einer Wirkungsgradkennlinie (oder zumindest nach dem Leerlaufmoment bei Betriebstemperatur), nicht nach einer einzelnen Prozentangabe.

Kupferverluste: Die Belastung, die bleibt, wenn alles stillsteht

Getriebeverluste erklären einen Teil des Budgets; der Motor erklärt noch mehr. Für die Erzeugung von Drehmoment ist Strom erforderlich, und der Stromfluss durch den Wicklungswiderstand erzeugt unabhängig von Bewegung Wärme in Höhe von I²R. Motorentwickler fassen dies in der Motorkonstanten Km zusammen, angegeben in N·m pro √W: Sie beschreibt das erzeugte Drehmoment pro Einheit der Wicklungswärme; Km = τ / √P. Umgestellt ergibt sich für die Kupferverluste P = (τ / Km)². Eine Verdopplung des Drehmoments vervierfacht die Kupferverluste.

Deshalb verbraucht ein humanoider Roboter auch im Stillstand erhebliche Leistung. Beim Halten einer geduckten Position verrichtet ein Kniegelenk keine mechanische Arbeit – Drehmoment mal Drehzahl ergibt null –, dennoch gibt der Motor fortlaufend erhebliche Wärme in den abgedichteten Gelenkhohlraum ab. Das ist ebenso ein Wärmemanagementproblem wie ein Energieproblem. Auch die Batterieauslegung spiegelt dies wider: Der humanoide Roboter Figure 03 ist mit einem 2.3 kWh-Akkupack ausgestattet, das bei Spitzenleistung für etwa 5 Stunden ausgelegt ist. Daraus ergibt sich eine durchschnittliche Leistungsaufnahme von rund 460 W, von denen ein großer Anteil nie in Bewegung umgesetzt wird. Forschungsplattformen messen denselben Effekt aus einer anderen Perspektive: Der Duke Humanoid demonstrierte allein durch eine Laufstrategie mit passiver Dynamik eine Verringerung der Transportkosten um bis zu 31 Prozent – das Energiebudget wird gemeinsam durch die Hardware und die Körperhaltung bestimmt.

Jede Entscheidung zum Übersetzungsverhältnis ist ein Kompromiss. Eine höhere Übersetzung verringert das für ein bestimmtes Gelenkdrehmoment erforderliche Motordrehmoment und senkt so die Kupferverluste deutlich – erhöht aber das Schleppmoment des Getriebes und versteift das Gelenk gegenüber äußeren Kräften. Eine niedrigere Übersetzung (das Prinzip des Quasi-Direktantriebs) sorgt für ein nachgiebiges, rücktreibbares Gelenk, erfordert aber einen größeren und schwereren Motor, der beim Halten statischer Lasten mehr Strom verbraucht. Es gibt keine Übersetzung, die beides gleichermaßen optimiert.

Quelle: Definition der Motorkonstanten, gängige BLDC-Fachliteratur; Batteriespezifikation Figure F.03; Duke Humanoid, arXiv 2409.19795.

Jedes Watt nachverfolgen: Das Gesamtsystem schneidet schlechter ab als jedes Einzelbauteil

Die Datenblätter der einzelnen Komponenten sorgen für zusätzliche Verwirrung, denn jedes beschreibt nur einen Teil des Systems. Ein isolierter Servomotor kann am Nennbetriebspunkt einen Wirkungsgrad von nahezu 80 Prozent erreichen. Werden ein Präzisionsgetriebe mit hoher Übersetzung zwischen Motor und Gelenk eingebaut und Schaltverluste des Antriebs, Verluste im Bremswiderstand sowie Verluste bei der Zwischenkreiswandlung hinzugerechnet, fallen konventionelle industrielle Antriebsstränge deutlich schlechter aus. Eine Branchenanalyse aus dem Jahr 2026 beziffert den Gesamtwirkungsgrad konventioneller Ausführungen auf rund 40 Prozent; für Gelenke mit Wellgetrieben wird typischerweise eine Systemeffizienz von 60–85 Prozent angegeben.

Zusätzlich zum Bewegungsbudget kommt eine konstante Last hinzu, die nie pausiert: Rechenleistung und Wahrnehmung. Aktuelle ausführliche Analysen beziffern den Leistungsbedarf für Berechnung und Sensorik eines humanoiden Roboters je nach Rechenplattform und danach, ob der Roboter läuft oder wartet, auf einige zehn Watt bis etwa 300 W – vergleichbar mit einem Gelenk, das den ganzen Tag unter mittlerer Last arbeitet, noch bevor das erste Newtonmeter abgegeben wird.

Die Lücke zwischen Datenblatt und Realität ist systembedingt und lässt sich nicht durch eine bessere Einzelangabe schließen. Deshalb fragen anspruchsvolle Käufer bei Anbietern von Gelenkmodulen inzwischen nach Energiedaten für konkrete Einsatzprofile: Watt pro Aufgabe, Watt pro Stunde im Stand und Wärmeabfuhr im Lastzyklus – nicht nach dem Wirkungsgrad an einem Nennbetriebspunkt.

Rekuperation ist keine Rückerstattung

Wenn ein Gelenk eine Last abbremst oder ein Bein bei der Landung Energie aufnimmt, fließt Energie rückwärts: Gliedmaße → Getriebe → Motor im Generatorbetrieb → Antrieb → Batteriebus. Das klingt nach kostenloser zusätzlicher Reichweite. Ist es aber nicht. Auf dem Rückweg geht die regenerierte Energie durch dieselben Verzahnungs-, Kupfer- und Schaltverluste wie auf dem Hinweg. Daher erreicht nur ein Teil der zurückgewonnenen Energie den Akku. Was der Zwischenkreis nicht aufnehmen kann, wird in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt – ein reiner Verlust und eine weitere Wärmequelle in einer abgedichteten Struktur.

Rekuperation ist dennoch wichtig, besonders bei dynamischen Gangarten mit hoher negativer Arbeit – bei der Landung, beim Absenken und bei schnellen Abstiegen. Wer dafür jedoch den angegebenen Rückgewinnungsgrad des Antriebs zugrunde legt, überschätzt die Realität. Maßgeblich ist der über das Einsatzprofil gemessene Wert, nachdem die Verluste von Getriebe und Motor auf dem Rückweg berücksichtigt wurden.

Was das für die Auswahl von Gelenken bedeutet

Eine technische Betrachtung des Energiebudgets – so bewerten wir bei Ti5ROBOT die Kompromisse bei Gelenken:

Aus der Tabelle ergeben sich drei Auswahlregeln:

1. Wählen Sie nach dem Wirkungsgrad im Einsatzprofil, nicht nach dem Nennwirkungsgrad. Zwei Gelenke mit identischen Katalogwerten können sich beim Energieverbrauch pro Aufgabe um mehrere Dutzend Prozent unterscheiden, sobald die Schleppverluste bei Teillast berücksichtigt werden.
2. Betrachten Sie das Haltemoment als Problem für Thermik und Batterie. Bei jeder Anwendung mit längeren statischen Positionen – etwa Inspektion, Montage oder Tragen – entscheiden die Kupferverluste über die Leistung. Damit sind auch die Motorkonstante, das Übersetzungsverhältnis und die Planung der Körperhaltung ausschlaggebend. Sie bestimmen außerdem, wie das Gelenk altert: Schleppmoment, Fettzustand und Dichtungsverhalten sind dieselben Mechanismen, die den langfristigen Verschleiß verursachen.
3. Fragen Sie auch nach den Werten für den Rückweg. Wenn Ihre Anwendung hohe negative Arbeit aufweist, machen die Berechnung der zurückgewonnenen Energie über das tatsächliche Getriebe und den Antrieb den Unterschied zwischen einer Laufzeitschätzung und einer bloßen Vermutung aus.

Der Trend der Branche zu integrierten Gelenkmodulen macht dies einfacher, nicht schwieriger: Ein gut ausgelegtes Modul legt das Verlustverhalten seines eigenen Motor-Getriebe-Antriebsstrangs offen. So können Integratoren Batterien und Kühlung anhand gemessener Einsatzdaten statt anhand eines Katalogwerts auslegen. Das ist der Unterschied zwischen einem Roboter, der bei einer Vorführung überzeugt, und einem, der eine ganze Schicht lang arbeitet.

Quelle: technische Einschätzung von Ti5ROBOT; siehe unsere Leichtbau-Gelenkmodule und die Aktuatorserie für humanoide Roboter als Referenzen für integrierte Gelenkarchitekturen.