Aktuator

Ein Aktuator wandelt elektrische, hydraulische oder pneumatische Eingangsenergie in mechanische Bewegung um. In aktuellen humanoiden Robotern dominieren elektrische Aktuatoren: bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC, brushless DC) in Kombination mit Untersetzungsstufen wie Harmonic-Drive- oder Planetengetrieben. Sie verbinden hohe Energiedichte mit präziser Drehmoment- und Positionsregelung über Field-Oriented Control (FOC) und sind leiser, wartungsärmer und energieeffizienter als hydraulische Systeme. Boston Dynamics hat genau aus diesen Gründen 2024 den hydraulisch angetriebenen Atlas der ersten Generation in Rente geschickt und die zweite Generation mit kundenspezifischen Elektroaktuatoren von Hyundai Mobis vorgestellt.

Die Auslegung eines Aktuators ist immer ein Kompromiss aus Spitzendrehmoment, Dauerlast, Bauraum, Gewicht und Wärmeabfuhr. Zwei Designschulen prägen den Markt. Quasi-Direct-Drive (QDD) verwendet hohe Polzahlen, niedrige Übersetzungen (etwa 6:1 bis 10:1) und ermöglicht kraftgeregelte, nachgiebige (compliant) Bewegungen — robust gegen Stöße und vorteilhaft für dynamisches Gehen. Unitree setzt diesen Ansatz beim G1 und H1 konsequent um. Hochuntersetzte Konzepte mit Harmonic-Drive-Wellgetrieben priorisieren dagegen Genauigkeit, Steifigkeit und Spielarmut — zentral für Manipulation in der Industrie. Tesla Optimus kombiniert beide Welten: Laut Tesla-Engineering-Präsentationen verbaut der Roboter 28 kundenspezifische Aktuatoren — 14 rotatorische mit Harmonic-Drive (Zulieferer: Suzhou Green Harmonic) und 14 lineare mit Planetenrollengewinde, jeweils mit eisenlosen Rahmenlosmotoren direkt im Gehäuse integriert.

Als grobe Richtgröße für tragfähige Bein-Aktuatoren in Humanoiden gilt in der Forschung ein spezifisches Drehmoment von mindestens etwa 10 Nm/kg; für lineare Aktuatoren werden mindestens etwa 4.000 N/kg spezifische Kraft angesetzt (vorläufige Einschätzung, da herstellerübergreifend nicht einheitlich publiziert). Im Gesamtsystem bestimmt der Aktuator gemeinsam mit Sensorik (Drehmoment-, Positions-, IMU-Daten) und der Regelschleife die nutzbaren Freiheitsgrade. Ohne hinreichend dimensionierte Aktuatoren bleiben Bewegungspläne theoretisch — die Hardware-Auslegung ist daher eng mit Gangbild, Energieaufnahme und Akkulaufzeit verknüpft. Wer Datenblätter vergleicht, sollte zwischen Nenn- und Spitzendrehmoment, zwischen Wirkungsgrad bei Nennlast und im Teillastbereich sowie zwischen reinen Motor- und kompletten Aktuatorangaben unterscheiden.

Aus Konsumentensicht ist die Aktuator-Wahl entscheidend für drei Dimensionen, die in Datenblättern oft im Hintergrund stehen. Erstens die Geräuschemission: Hydraulische Systeme der vorigen Atlas-Generation waren laut, elektrische BLDC-Aktuatoren mit Harmonic-Drive bewegen sich typischerweise im Bereich gewöhnlicher Bürogeräusche, je nach Last und Dichtung. Zweitens die Reparierbarkeit: Quasi-Direct-Drive-Module sind dank niedriger Komplexität in Werkstätten leichter tauschbar; integrierte Harmonic-Drive-Aktuatoren erfordern Spezialwerkzeug. Drittens die Sicherheit: Im Stillstand oder bei Stromausfall verhält sich ein hochuntersetzter Aktuator selbsthemmend — er bleibt in Position; ein QDD-Aktuator kann unter Last absinken, was bei tragenden Aufgaben relevant ist. Diese Charakteristika sind herstellerspezifisch und sollten bei einer Kaufentscheidung anhand der jeweiligen Datenblätter und unabhängiger Praxistests beurteilt werden.

Quellen

IEEE Spectrum: „Hello, Electric Atlas" (April 2024) — spectrum.ieee.org/atlas-humanoid-robot

Unitree G1 Produktseite und SDK-Doku — unitree.com/g1 und support.unitree.com

arXiv 2506.16356 (2025): „Comparison between External and Internal Single Stage Planetary gearbox actuators for legged robots" — Richtgrößen für spezifisches Drehmoment