Jedes elektrische Robotergelenk verfügt bereits über eine kostenlose Schätzung des Drehmoments: den Motorstrom. Doch laut veröffentlichten Branchenleitfäden und technischen Referenzen liegt die strombasierte Kraftschätzung auch 2026 noch bei ±10–20 % des Nenndrehmoments – zu ungenau für Montage, Nachgiebigkeitsregelung oder sicheren menschlichen Kontakt. Dieser Artikel erläutert die drei Messverfahren, zwischen denen Ingenieure tatsächlich wählen, warum das kostenlose Signal versagt und welche Leistungen die neuesten integrierten Gelenkmodule inzwischen am Abtriebsflansch erreichen.

Fragt man ein Robotergelenk: "Wie stark drücken Sie?", gibt es nur drei verlässliche Möglichkeiten, eine Antwort zu erhalten. Man kann das Drehmoment aus der elektrischen Signatur des Motors ableiten, die elastische Verdrehung des Getriebes mit zwei Encodern erfassen oder die Last mit einem Dehnungsmessstreifen-Element am Abtrieb direkt messen. Alles Weitere in der Gelenkkraftregelung – Kollisionserkennung, Teach-in durch manuelles Führen, Impedanzregelung und präzise Montage – beruht darauf, zwischen diesen drei Verfahren zu wählen und mit ihren jeweiligen Kompromissen zu leben. 2026 ist diese Entscheidung dringlicher geworden: Aktuatoren für humanoide Roboter entwickeln sich von inszenierten Vorführungen hin zu realer körperlicher Arbeit, bei der Reibung, Kontakt und Fehler keine Ausnahme, sondern alltägliche Betriebsbedingungen sind.

Das kostenlose Signal täuscht: τ = Kt·Iq·N und seine blinden Flecken

Der naheliegende Ansatz verursacht keine zusätzlichen Kosten. Das Motordrehmoment ist proportional zum Quadraturstrom: τ = Kt × Iq; über ein Übersetzungsverhältnis N ergibt sich daraus das Gelenkdrehmoment. Das Signal steht im Antrieb mit einer Abtastrate von mehreren zehn Kilohertz zur Verfügung und ist für grundlegende Funktionen – Überstromschutz, Trendüberwachung und grobe Kollisionsmeldungen – durchaus ausreichend.

Das Problem ist alles, was zwischen dem elektromagnetischen Motordrehmoment und dem tatsächlich am Gelenkabtrieb abgegebenen Drehmoment liegt:

• Reibung ist nichtlinear und vom Zustand abhängig. Getriebe mit hoher Übersetzung (bei wellgetriebebasierten Gelenken typischerweise 50:1 bis 120:1) weisen Haftreibung mit Stribeck-Verhalten sowie viskose Reibungsanteile auf, die sich mit der Eingangsdrehzahl und der Schmierstofftemperatur ändern. Auch der Wirkungsgrad eines Wellgetriebes hängt von der Richtung ab: Er unterscheidet sich je nachdem, ob die Last angetrieben oder rückgetrieben wird.
• Die Flexspline speichert Energie, die der Motor nicht erfassen kann. Die dünnwandige Flexspline eines Wellgetriebes verformt sich unter Last elastisch, verdreht sich leicht und gibt diese Energie später wieder ab. Diese Hysterese ist für eine Strommessung auf der Motorseite vollständig unsichtbar.
• Auch die Drehmomentkonstante verändert sich. Der magnetische Fluss nimmt mit steigender Motortemperatur ab, sodass derselbe Strom weniger Drehmoment erzeugt. Veröffentlichte Referenzen zur Fehlerbehebung nennen "das Drehmoment pro Ampere sinkt, wenn sich der Motor erwärmt" als primäre Fehlerquelle. Sie lässt sich gerade deshalb von Ausrichtungs- oder Reibungsfehlern unterscheiden, weil sie der Wicklungstemperatur folgt und sich beim Abkühlen zurückbildet.
• Der Schmierstoff verändert den Ausgangswert. Ein 2026 von einem Anbieter von Gelenkmodulen veröffentlichter Branchenleitfaden maß eine Viskositätsänderung des Schmierfetts von mehr als 40 %, als die Innentemperatur eines Moduls während hoher Belastungszyklen von 25 °C auf 65 °C stieg – genug, um den scheinbaren Drehmoment-Ausgangswert erheblich zu verschieben.

Berücksichtigt man diese Effekte zusammen, stimmen die Zahlen unabhängiger Quellen überein: Die strombasierte Schätzung liegt typischerweise bei ±10–20 % des Nenndrehmoments (Dynamometermessungen eines Anbieters ergaben ±12–20 %), mit Hysterese zwischen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen sowie zusätzlicher Abweichung durch Temperatur und Verschleiß. Eine technische Referenz bringt es auf den Punkt: Der Motorstrom ist die modellabhängigste Größe im Gelenk – eine Randbedingung, kein Sensor. Er grenzt das Drehmoment ein, zeigt Trends und meldet Anomalien, sollte aber keinen Kraftregelkreis schließen.

Verfahren eins: Zwei Encoder erfassen die Verdrehung des Getriebes

Die erste Aufrüstung arbeitet weiterhin ausschließlich mit Positionsmessungen. Wird ein Absolutencoder auf der Motorwelle und ein zweiter am Gelenkabtrieb montiert, entspricht die Differenz zwischen den beiden Messwerten der elastischen Verformung der Übertragungskette – aus der sich mithilfe einer bekannten Steifigkeit das Drehmoment ableiten lässt.

Die Physik ist einfach und die Rechnung nachvollziehbar. Das Nenntotspiel eines typischen Wellgetriebes liegt unter 1 Winkelminute, doch die Drehmomentinformation steckt gerade in diesen kleinen Winkelunterschieden. Eine Verdrehung von 0,5 Winkelminuten am Abtrieb eines Gelenks, das einen 1 Meter langen Arm antreibt, entspricht etwa 0,15 mm Positionsfehler am Endeffektor – wenn sie nicht modelliert wird, ist das für Präzisionsmontage inakzeptabel; wird sie gezielt gemessen, ist sie ein wertvolles Signal.

In veröffentlichten chinesischen und englischsprachigen technischen Leitfäden erreicht der Ansatz mit zwei Encodern eine Drehmomentgenauigkeit von ±2–5 % – etwa eine Größenordnung besser als die Stromschätzung. Die Einschränkungen sind struktureller Art:

• Die Übertragung muss elastisch genug sein, um eine messbare Verformung zuzulassen; eine sehr steife Übertragungskette erzeugt ein äußerst kleines Signal.
• Die Genauigkeit wird durch die Encoderauflösung und dadurch begrenzt, wie gut das Steifigkeitsmodell über verschiedene Temperaturen und Lastverläufe hinweg gültig bleibt.
• Es handelt sich um eine indirekte Messung – ein Modell, dem zwei Encoder Messwerte zuführen. Daher ist eine sorgfältige Kalibrierung ebenso wichtig wie die Hardware.

Der praktische Vorteil liegt in den Kosten und der Integration: kein Sensorelement im Lastpfad, keine zusätzliche Verkabelung über das rotierende Gelenk hinweg, und beide Encoder werden üblicherweise ohnehin für die Positioniergenauigkeit mit doppelter Rückführung benötigt, mit der ein leichtes integriertes Gelenkmodul wirbt.

Verfahren zwei: Dehnungsmessstreifen am Abtriebsflansch

Das direkte Messinstrument ist ein Gelenkdrehmomentsensor: ein elastisches Element, das in den Abtriebspfad des Getriebes eingearbeitet ist – etwa eine Speichenstruktur, ein geschlitztes Rohr oder ein dünnwandiger Abschnitt – und mit Dehnungsmessstreifen in einer vollständigen Wheatstone-Brückenschaltung bestückt wird. Das Drehmoment belastet das Element, dieses verformt sich mikroskopisch, und die Brückenschaltung wandelt die Dehnung in eine Spannung um. Die Empfindlichkeit wird durch die Geometrie und den K-Faktor des Messstreifens bestimmt.

Richtig ausgeführt, bietet dieses Verfahren die höchste Genauigkeit der drei Ansätze: Veröffentlichte Leitfäden geben für die direkte Drehmomentmessung am Abtrieb eine Genauigkeit von ±1 % oder besser bezogen auf den Endwert an. Eine korrekt platzierte Vollbrücke kompensiert Temperatureinflüsse in erster Näherung und unterdrückt Axial- und Biegebelastungen durch Symmetrie. Bei Plattformen, die das Gelenkdrehmoment direkt messen, wird die impulsbasierte Kollisionserkennung zu einer Residuenberechnung mit klaren statistischen Eigenschaften statt zu einer Schwellenwertprüfung auf Basis eines Modellfehlers.

Zu dieser Messgenauigkeit gehören folgende technische Herausforderungen:

• Querachsenkopplung. Eine für Drehmoment ausgelegte Brückenschaltung reagiert auf Prozentniveau auch auf Biegemomente und Scherkräfte. Deshalb muss eine Kalibriermatrix statt eines einzelnen Faktors angewendet werden; nach Überlastungsereignissen ist eine erneute Kalibrierung erforderlich.
• Driftmanagement. Der Widerstand der Messstreifen und die Verstärkeroffsets verändern sich mit der Temperatur. Daher nutzen praktische Systeme fortlaufende Nullungsstrategien – beispielsweise tiefpassgefilterte Offset-Messwerte, wenn bekannt ist, dass das Gelenk unbelastet ist.
• Signalübertragung über das rotierende Gelenk. Erregung und Signal müssen über Schleifringe oder Telemetrie die rotierende Schnittstelle überqueren. Dadurch kommen ein zusätzliches Bauteil, eine mögliche Stelle für Kabelermüdung und ein weiterer Fehlerfall hinzu. In einem veröffentlichten Projektbericht nahm die Fehlersuche zwei Tage in Anspruch, nachdem ein Kabel in einem kontinuierlich rotierenden Gelenk gebrochen war.

Auf diese Architektur haben sich die integrierten Gelenke der Spitzenklasse im Jahr 2026 eingependelt: Ein Anbieterleitfaden beschreibt ein Sechs-in-eins-Modul, das einen frameless Motor, ein Getriebe, einen FOC-Antrieb, zwei 17-Bit-Encoder, eine Dehnungsmessstreifenbrücke am Abtrieb und eine Sicherheitsbremse in einem Gehäuse der 60–80-mm-Klasse vereint. Zu den vom Anbieter veröffentlichten Werten gehören eine Genauigkeit von ±1,0–1,5 % bezogen auf den Endwert, eine Drehmomentregelkreis-Bandbreite von bis zu mehreren hundert Hertz, eine Kollisionsreaktion in unter 5 Millisekunden und ein minimal erfassbares Kontaktdrehmoment im Bereich von Zehntel Newtonmetern. Diese Angaben sind als Messwerte des Anbieters zu verstehen, zeigen aber, wo die Integrationsgrenze derzeit liegt.

Verfahren drei: Serielle Elastizität als Sensor

Das dritte Verfahren kehrt die übliche Konstruktionslogik um. Anstatt das Getriebe steifer zu machen, damit sich das Drehmoment leichter ableiten lässt, fügt der serielle Elastizitätsaktuator (SEA) – 1995 von Pratt und Williamson eingeführt – gezielt eine bekannte Feder zwischen Getriebe und Gelenk ein und misst deren Verformung: τ = k(θmotor/N − θlink). Beide Winkel werden bereits mit den beiden Encodern aus Verfahren eins gemessen; die Feder macht die Nachgiebigkeit selbst zum Sensor.

Ein Rechenbeispiel zeigt, weshalb dieser Ansatz weiterhin relevant ist. Bei einer Federsteifigkeit von 1.000 N·m/rad und Encoderpaaren mit einer Auflösung von 0,01° (1,75 × 10⁻⁴ rad) beträgt die Drehmomentauflösung k × Δθ ≈ 0,175 N·m – genau genug für die Ganzkörper-Kraftregelung, ohne dass sich ein Messstreifen im Lastpfad befindet. Gleichzeitig schützt die Feder die Getriebezähne vor Stoßbelastungen und sorgt bei Robotern in Menschennähe für eine geringere Umweltimpedanz.

Der Kompromiss liegt in der Resonanz. Die Feder bildet zusammen mit der auf die Gelenkseite reflektierten Trägheit ein Schwingungssystem: Bei einer reflektierten Trägheit von 0,5 kg·m² gilt ω = √(k/J) ≈ 45 rad/s ≈ 7 Hz. Die nutzbare Kraftregelungsbandbreite muss daher darunter liegen, sofern der Regler nicht gezielt auf die Resonanz ausgelegt wird. Eine steifere Feder erhöht die Bandbreite, verschlechtert aber die Drehmomentauflösung – derselbe grundlegende Kompromiss zwischen Steifigkeit und Empfindlichkeit, der auch die Auslegung von Dehnungsmessstreifenelementen bestimmt, hier jedoch in mechanischer Form.

Was die Fabrikhalle 2026 zeigt

Diese Verfahren sind keine bloßen Laborkategorien mehr; diesen Monat sind sie in Produktionszahlen und auf Fachmessen veröffentlichten Angaben sichtbar:

• Auf der China International Industry Fair 2026 in Shanghai konnte ein ausstellerseitig vorgestelltes kraftgeregeltes integriertes Gelenkmodul laut mehreren chinesischen Medienberichten Kraftänderungen von 0,02 N·m auflösen – ungefähr entsprechend dem Gewicht eines einzelnen Reiskorns – und innerhalb von einer Millisekunde auf Kontakt reagieren. Diese Angaben stammen vom Aussteller selbst, zeigen aber, wie weit die Kraftmessung auf der Abtriebsseite inzwischen in kompakte integrierte Gelenke vorgedrungen ist.
• Ein chinesischer Hersteller kraftgeregelter Roboterarme gab öffentlich die Auslieferung seines 10.000. humanoiden Roboterarms mit Kraftregelung in allen Gelenken bekannt. Berichten zufolge integrieren mehr als 70 Unternehmen im Bereich Embodied AI kraftgeregelte Arme in ihre Systeme – ein Umfang, der nur dann sinnvoll ist, wenn die Kraftmessung auf Gelenkebene zu einem zuverlässigen und in Serie herstellbaren Teilsystem geworden ist.
• Berichte über dieselbe Messe verwiesen auf humanoidspezifische Wellgetriebe mit halbiertem Gewicht und einer Präzisionserhaltung über 10.000 Stunden hinaus sowie auf Zykloidgetriebe mit einem angegebenen Wirkungsgrad von mehr als 85 %. Das erinnert daran, dass auch die mechanische Übertragungskette, auf die eine Kraftmessarchitektur angewiesen ist, für die Betriebszyklen humanoider Roboter neu ausgelegt wird.

Die Entwicklung ist eindeutig: Die Kraftmessung wandert vom externen Zubehör zu einer konstruktiven Eigenschaft des Gelenks selbst und wird am Abtriebsflansch integriert, wo sich die Last tatsächlich befindet. Das erklärt auch, weshalb mechanische Fragen – etwa die Debatte über die Untersetzungsstufe zwischen Direktantrieb und Getriebelösungen – zunehmend voraussetzen, dass am Abtrieb eine Messebene vorhanden ist.

Das passende Verfahren für die jeweilige Aufgabe auswählen

Eine Empfehlung, die sich in den veröffentlichten Leitfäden wiederholt: Nicht standardmäßig die höchstmögliche Genauigkeit wählen. Für Bahnverfolgung und Hindernisvermeidung reicht eine sorgfältig identifizierte Stromschätzung bereits aus; die Verformungsmessung mit zwei Encodern deckt einen Großteil der Nachgiebigkeitsregelung des Gesamtkörpers ab. Ein Drehmomentsensor am Abtrieb sollte den Anwendungen vorbehalten bleiben, die tatsächlich eine zertifizierte Kontaktkraftleistung benötigen. Die Entscheidung für ein Messverfahren sollte außerdem mit der Auswahl hinsichtlich Temperatur und Betriebszyklus abgestimmt werden: In abgedichteten Gelenkgehäusen sinkt das kontinuierlich verfügbare Drehmoment häufig auf 60–80 % des Prüfstandsnennwerts, und ein Kraftregelkreis ist nur so leistungsfähig wie die Fähigkeit des Aktuators, seinen Abtrieb im warmen Zustand aufrechtzuerhalten. Die Dimensionierung im Zusammenhang mit diesem Kompromiss haben wir in der Betrachtung der Betriebszyklen von Gelenkaktuatoren und den vier Stellhebeln der Leistungsdichte von Gelenken behandelt; die Kraftmessung fügt demselben Auswahlraster eine dritte Dimension hinzu.

Ein Gelenk, das seinen eigenen Abtrieb nicht spüren kann, rät nur. Die Generation integrierter Gelenke von 2026 hat mit dem Raten aufgehört – und die drei oben beschriebenen Verfahren bilden die Fachsprache, in der diese Entscheidung getroffen wird.

Quellen: PlaPivot, "Integrierte Drehmomentsensoren in Robotergelenken: Leitfaden 2026" (2026); SciXa, "Propriozeption: Wie Roboter ihre eigenen Bewegungen von innen wahrnehmen" (2026); b2bwiki-Leitfaden zur Auswahl spezieller Elektromotoren (2026); kwkr.cn, Wahrnehmung des Drehmoments in Robotergelenken mit zwei Encodern (2026-10-13); Wissensdatenbank von Industrial Monitor Direct zur strombasierten Drehmomentschätzung; Berichte von 金羊网/环球网/腾讯新闻 zur CIIF 2026 (2026-10-12/13); Berichte von 光明日报/中国新闻网 über die Auslieferung von 10.000 humanoiden Armen mit Kraftregelung (2026-10-10/13); Pratt & Williamson, "Serielle Elastizitätsaktuatoren" (1995).