Ein Datenblatt zu einem humanoiden Roboter verrät, wie viele Aktoren er besitzt und manchmal auch, welche Getriebe er verwendet – fast nie jedoch, welche Motoren verbaut sind. Diese Auslassung verschleiert die entscheidende Aufteilung bei der Aktuation humanoider Roboter: Körper und Hände arbeiten mit zwei grundlegend unterschiedlichen elektrischen Maschinen. Zu wissen, welcher Motor wo sitzt, erklärt Masse, Wärmeentwicklung und Regelverhalten eines Roboters besser als jede Angabe zum Spitzendrehmoment im Prospekt.

Ein Roboter, zwei elektromagnetische Prinzipien

Ein humanoider Roboter besitzt 25 bis 35 angetriebene Gelenke, und jedes folgt demselben Grundprinzip: Elektromotor, Getriebe zur Umwandlung von Drehzahl in Drehmoment und Sensorik zur Regelung. Der Getriebewettstreit – Harmonic-Drive-, Planeten- oder Rollengewindetriebe – wird laut und öffentlich ausgetragen. Der Motorwettstreit nicht. Datenblätter kompletter Roboter nennen fast nie den verbauten Motor. Dabei bestimmt die Motorauswahl die Masse, das Wärmeverhalten und die Regelbarkeit des Gelenks sowie einen erheblichen Teil seiner Kosten.

Analysen der Lieferkette und Demontagen liefern das klarste öffentlich verfügbare Bild davon, wie sich diese Aufteilung in der Praxis gestaltet. Ein führender humanoider Roboter der zweiten Generation besitzt rund vierzig Motoren: 28 rahmenlose Drehmomentmotoren in seinen 14 rotatorischen und 14 linearen Körperaktoren sowie sechs eisenlose Motoren in jeder Hand für die Steuerung der einzelnen Finger. Ein Roboter, zwei elektromagnetische Prinzipien – und diese Arbeitsteilung ist kein Zufall. Körpergelenke bewegen Masse: Hüften, Knie, Schultern und alles, was hebt und trägt. Finger bewegen fast nichts außer sich selbst, dutzende Male pro Sekunde, auf Bahnen, die geschmeidig statt kraftvoll sein müssen. Unterschiedliche Aufgaben erfordern unterschiedliche Maschinen.

Diese Konstruktionslogik wenden wir auch bei den Aktoren für humanoide Roboter von Ti5ROBOT an: Wir wählen die elektromagnetische Maschine passend zur tatsächlichen Aufgabe des Gelenks und konstruieren anschließend das Modul darum herum.

Was „rahmenlos“ tatsächlich ermöglicht

Ein rahmenloser Drehmomentmotor ist ein bürstenloser Permanentmagnet-Synchronmotor, der aus zwei losen Ringen besteht: einem Statorring mit Kupferwicklungen und einem Rotorring mit Magneten. Welle, Lager, Gehäuse, Endkappen und Encoder fehlen. All das stellt der Roboterhersteller bereit – die Gelenkstruktur selbst dient als Motorrahmen, das Gelenklager als Motorlager, und das Getriebe wird direkt am Rotorring befestigt.

Das Konzept ist älter, als man vielleicht denkt: Die ersten rahmenlosen Einheiten wurden 1949 für kardanische Aufhängungen in der Lenkung von Raketen entwickelt. Neu ist die Nachfrage eines Kunden, der bei Serienproduktion im Automobilmaßstab fast dreißig davon pro Roboter benötigt. In den Unterlagen der Zulieferer kehren drei Gründe für diesen Aufwand immer wieder:

• Integration. Durch den Wegfall von Gehäuse und Welle entfällt unnötige Masse, und der Motor kann die eigenen Lager des Gelenks mitnutzen. Weniger Bauteile, kürzerer axialer Bauraum und geringeres Gewicht – ein Vorteil, der sich entlang der kinematischen Kette vervielfacht.
• Die Hohlbohrung. Eine große Durchgangsbohrung ermöglicht es, Kabel und Encoderleitungen durch die Mitte des Motors zu führen. So verlaufen die Kabel eines humanoiden Arms durch seine Gelenke statt außen herum. Bei einem Roboter mit dreißig Gelenken entscheidet dieser Kabelkanal darüber, ob ein Arm ein Jahr lang Zyklen übersteht oder ob sein Kabelbaum durch Scheuern ausfällt.
• Drehmoment bei niedriger Drehzahl. Rah­menlose Drehmomentmotoren besitzen Wicklungen mit hoher Polzahl, um bei den für das Gehen typischen Gelenkdrehzahlen ein hohes Drehmoment und geringe Drehmomentwelligkeit zu liefern. Das ist besonders wichtig, wenn das Getriebe eine quasi-direkt angetriebene Stufe mit nur 6:1 bis 10:1 Übersetzung ist und kaum etwas zwischen Wicklungen und Gliedmaß liegt.

Ein leicht zu übersehendes Detail ist die Spannung. Industrielle rahmenlose Motoren wurden traditionell für Servoantriebe mit 300–600 V gewickelt, während humanoide Roboter mit einer Batteriespannung von höchstens 48 V arbeiten. Für humanoide Anwendungen werden die Wicklungen dicker und kürzer ausgeführt, damit sie bei niedriger Spannung Drehmoment erzeugen. Das ist einer der weniger offensichtlichen Gründe, warum Roboterhersteller nicht einfach einen Motor aus dem Katalog für die Fabrikautomation nehmen und in ein Kniegelenk einbauen können.

Der Motor ist nicht der Aktor

Hier ist eine Zahl, die viele überrascht: Ein nackter rahmenloser Motor für humanoide Roboter erreicht laut Branchenumfragen eine Drehmomentdichte von etwa 2–5 Nm/kg. Für ein fertiges Gelenkaktormodul werden typischerweise 80–160 Nm/kg angegeben. Beide Zahlen sind korrekt. Der Unterschied entsteht durch das Getriebe: Es vervielfacht das Motordrehmoment um den Faktor dreißig bis hundert und wiegt dabei weniger als die Kupferwicklungen und Magnete, auf die es durch seine Wirkung verzichten lässt.

Ein einzelnes handelsübliches Produkt macht das konkret: Ein hohlwelliges Planeten-Gelenkmodul mit einer Übersetzung von 48:1 wiegt 1,4 kg und erreicht ein Spitzendrehmoment von 222 Nm – etwa 159 Nm/kg für die komplette Baugruppe. Der darin verbaute nackte Motor könnte diesen Wert niemals erreichen. Die Vervielfachung übernimmt das Getriebe.

Ein häufiger Fehler beim Vergleich der Drehmomentdichte von Gelenken ist, die Nm/kg-Angabe eines nackten Motors mit der eines Getriebemoduls zu vergleichen. Bevor Sie einer Zahl vertrauen, stellen Sie immer zwei Fragen: Bezieht sie sich nur auf den Motor oder auf das komplette Modul – und auf Spitzen- oder Dauerdrehmoment?

Daraus folgt: Bei der Motorauswahl kommt es für den Roboterhersteller darauf an, welche Kompromisse das Getriebe zulässt. Ein Harmonic-Drive-Gelenk mit hoher Übersetzung kann einen kleineren Motor verwenden und dessen Drehmomentwelligkeit kaschieren. Ein quasi-direkt angetriebenes Gelenk mit einer Übersetzung von 6:1 oder 9:1 benötigt dagegen einen kräftigen Drehmomentmotor mit hoher Polzahl, denn zwischen Wicklungen und Umgebung liegt kaum etwas. Dieser Zielkonflikt entspricht dem, den wir beim Vergleich von Direktantriebs- und Getriebelösungen für humanoide Gelenke beschrieben haben: Motor und Getriebe sind eine gemeinsame Konstruktionsaufgabe, nicht zwei getrennte Anschaffungen.

Das Drehmoment eines nackten Motors nimmt außerdem stark mit seinem Durchmesser zu. Das Drehmoment wächst ungefähr mit dem Quadrat des Luftspalt-Hebelarms – Motorenentwickler sprechen mitunter von der D²L-Regel, bei der der Durchmesser stärker ins Gewicht fällt als die Länge. Ein breiterer Ring ist daher einem längeren überlegen. Diese grundlegende physikalische Beziehung erklärt, warum humanoide Gelenke zunehmend auf großbohrige, flache „Pancake“-Bauformen statt auf lange, schmale zylindrische Motoren setzen.

Heute Radialfluss, morgen Axialfluss

Fast alle rahmenlosen Motoren, die derzeit in humanoiden Robotern zum Einsatz kommen, arbeiten mit Radialfluss: Das Magnetfeld durchquert den Luftspalt seitlich, vom Magnetring zum Wicklungsring. Sie setzen den Produktionsmaßstab aus einem wenig überraschenden Grund: Die Fertigung ist seit einem Jahrhundert ausgereift.

Der Herausforderer ist der Axialflussmotor. Dreht man die Geometrie um neunzig Grad – ein flacher Scheibenrotor gegenüber einem flachen Scheibenstator, mit einem Feld entlang der Achse –, wird der Motor bei gleichem Drehmoment um 20 bis 40 Prozent kürzer. Analysen der Patentlandschaft beziffern die Drehmomentdichte von Axialflussmotoren auf 15–25 Nm/kg, gegenüber rund 10 Nm/kg bei vergleichbaren Radialflussmaschinen. Außerdem argumentieren sie, dass sich ein Scheibenmotor besonders gut mit flachen Harmonic-Drive- oder Zykloidgetrieben kombinieren lässt und so das Gesamtgewicht des Aktors um 40–50 Prozent senken kann. Diese Zahlen sollten als optimistische Einschätzung betrachtet werden: Sie stammen von Anbietern und aus Patentanmeldungen, nicht aus Demontagen ausgelieferter Roboter. Derzeit besteht die installierte Basis weiterhin ganz überwiegend aus Radialflussmotoren.

In beiden Lagern lohnt es sich, auf ein bestimmtes Muster zu achten: Fortschritte bei der Drehmomentdichte beruhen immer weniger auf besseren Magneten und immer mehr auf der Geometrie – breiteren Bohrungen, flacheren Scheiben und Motoren, die gemeinsam mit den Getrieben statt unabhängig davon entwickelt werden.

In den Händen kommt ein anderer Motor zum Einsatz

Die gesamte für Körpergelenke verwendete Mechanik passt nicht in einen Finger. Die Handaktuation basiert auf eisenlosen Motoren, in der chinesischen Branche auch „Hohlbechermotoren“ genannt. Ihre Wicklung ist überhaupt nicht auf einen Eisenkern gewickelt: Stattdessen rotiert ein selbsttragender Kupferbecher um einen stationären Kern. Eisenzähne, an denen die Magnete einrasten könnten, gibt es nicht. Das Ergebnis sind kein Rastmoment, nahezu keine Rotorträgheit und ein gleichmäßiges Drehmoment auch bei sehr kleinen Abmessungen – genau das, was sehnengetriebene Finger benötigen. Bei einer typischen geschickten Roboterhand treibt jeder eisenlose Motor über eine kleine Planetengetriebestufe eine Sehne oder eine Mikrogestängeverbindung an und wandelt dabei seine hohe Drehzahl in Greifkraft auf Fingerebene um.

Die Fachliteratur nennt zwei tatsächliche Schwächen. Erstens kann ein eisenloser Motor bei einem Wicklungsfehler den Anlauf verweigern: Ohne Rastmoment, das den Rotor anstößt, kann eine beschädigte Wicklung ihn in einer Rastposition festsetzen. Zweitens zeigt sich der Qualitätsunterschied zwischen den günstigsten und den hochwertigsten Einheiten eher in der Lebensdauer als im Datenblatt.

Die Kostenstruktur verändert sich gerade grundlegend. Schweizer und deutsche Präzisionshersteller begründeten diese Produktkategorie für chirurgische Instrumente und die Luft- und Raumfahrt und verlangten jahrzehntelang Premiumpreise. Anbieter aus China verkaufen nun Motoren in humanoider Qualität der rahmenlosen Klasse 30–50 Prozent unter westlichen Vergleichspreisen und haben die Kosten für Handmotoren um eine Größenordnung gesenkt – ein ähnlicher struktureller Preisverfall, wie er bereits bei Getrieben und Rollengewindetrieben zu beobachten war. Diese Entwicklung haben wir aus Sicht der Module in unserer Produktlinie für leichte Gelenkmodule verfolgt: Wenn sich die Kosten für Komponenten verschieben, wird die Qualität der Integration – nicht der Komponentenpreis – zum entscheidenden Unterscheidungsmerkmal.

Checkliste für Käufer: Fragen zum nicht genannten Motor

Da die Datenblätter dazu schweigen, sollten Käufer und Systemintegratoren gezielt vier Fragen stellen:

1. Welche Motorklasse kommt im Knie zum Einsatz, und wurde sie gemeinsam mit dem Getriebe entwickelt? Gemeinsam entwickelte Motor-Getriebe-Paare erlauben verlässlichere Rückschlüsse auf die thermische Belastbarkeit als das im Prospekt angegebene Spitzendrehmoment. Ein Modul, das beim Spitzenwert gewinnt, kann im Schichtbetrieb trotzdem unterliegen. An der Differenz zwischen Spitzen- und Dauerdrehmoment entscheidet sich, ob ein Gelenk dauerhaft zuverlässig arbeitet – wie wir in unserer Analyse der thermischen Vorteile einer integrierten Gelenkkonstruktion erläutert haben.
2. Ist die Bohrung tatsächlich durchgehend hohl? Werden Kabel um das Gelenk herum statt hindurchgeführt, macht das „integrierte“ Modul eine Neukonstruktion des Kabelbaums erforderlich.
3. Ist eine doppelte Rückführung vorhanden? Encoder auf Eingangs- und Ausgangsseite machen aus einem leistungsstarken Motor ein präzises Gelenk. Die Genauigkeitsgrenze eines Moduls wird am Ausgang bestimmt, wie wir in unserem Beitrag zur Rechenarchitektur von Gelenken und zu Doppelencodern erläutert haben.
4. Sind die Wicklungen nativ für 48 V ausgelegt? Ein Motor, der aus einem Bestand industrieller Servomotoren angepasst wurde, liefert am Batteriespannungsbus selten dasselbe Dauerdrehmoment wie ein dafür entwickelter Motor.

Die integrierten Gelenkmodule von Ti5ROBOT folgen genau diesem Prinzip: ein Drehmomentmotor der rahmenlosen Klasse, abgestimmt auf ein Präzisionsgetriebe, mit doppelter Rückführung, Hohlraum für die Kabelführung und thermischen Reserven für den Dauerbetrieb – alles in einer einzelnen, anschraubbaren Einheit.

Zwei Motoren, zwei Aufgaben

Die Schlussfolgerung ist einfach: Wenn Sie den nächsten humanoiden Roboter oder das nächste Gelenkmodul für Ihre eigene Plattform bewerten, fragen Sie, welcher Motor im Knie sitzt und ob er gemeinsam mit dem Getriebe entwickelt wurde. Die Antwort verrät besser als jede Zahl im Datenblatt, was der Roboter den ganzen Tag leisten kann.

Quelle: humanoid.guide, „Rahmenlose Drehmomentmotoren und eisenlose Motoren: Die elektromagnetischen Muskeln in humanoiden Gelenken“ (2026-10-12); Produktdaten zu CubeMars AKH70-48; öffentliche Analysen zur Demontage von Produkten aus der Branchenlieferkette, 2026. Angaben zu Produkten und Plattformen Dritter werden als knappe Branchenreferenzwerte angeführt.