Drehmomentmessung ist in modernen Robotersystemen längst kein Zusatzfeature mehr. Insbesondere in Cobots, medizinischen Robotern und haptischen Systemen bildet sie die Grundlage für sichere Interaktion und präzise Regelung. „Drehmomentmessung ist nicht nur ein nettes Feature, sondern in vielen Anwendungen unabdingbar“, erklärt Stephan Sporer, Customer Solutions Manager bei Sensodrive. Neben der Kollisionserkennung ermöglicht sie hochwertige Force-Feedback-Anwendungen. In teleoperierten Systemen etwa erhält der Bediener nicht nur eine visuelle Rückmeldung, sondern spürt über eine Eingabeeinheit auch die tatsächlichen Kräfte am Werkzeug.
Auch in industriellen Anwendungen sind kraftgeregelte Prozesse zunehmend Standard. Fügeaufgaben mit engen Toleranzen, Klebeprozesse oder adaptive Montageoperationen profitieren von einer präzisen Drehmomentregelung. Während der Mensch einen Stift intuitiv durch kleine Ausgleichsbewegungen in eine Bohrung einpasst, benötigt der Roboter dafür eine exakte Rückmeldung aus dem Antriebssystem. Ohne Drehmomentsensorik bleibt dies modellbasiert – mit begrenzter Genauigkeit. Darüber hinaus eröffnet die Drehmomentmessung zusätzliche Funktionen wie aktive Schwingungsdämpfung. Strukturvibrationen können erfasst und in der Regelung gezielt kompensiert werden – ein wesentlicher Beitrag zu höherer Prozessstabilität.
Status quo: Eine Achse, mehrere Bussysteme
In einer typischen Roboterachse sind mindestens ein, häufig sogar zwei Positionssignale erforderlich – antriebs- und abtriebsseitig. Diese Encoder kommunizieren heute überwiegend über das BiSS-Protokoll. Es gilt als robust, schnell und echtzeitfähig und hat sich im Hightech-Robotikbereich als De-facto-Standard etabliert. Anders verhielt es sich bislang bei der Drehmomentmessung. Hier kamen unterschiedliche Schnittstellen zum Einsatz, etwa SPI oder analoge Signale. Das führte zu zusätzlichem Integrationsaufwand im Motorcontroller: separate Receiver-Chips, unterschiedliche Pegeldefinitionen und individuelle Protokollanpassungen. „Das eigentliche Problem ist weniger die technische Leistungsfähigkeit anderer Protokolle“, so Sporer. „Es ist der Integrationsaufwand.“ Jeder zusätzliche Kommunikationskanal erhöht die Systemkomplexität – insbesondere bei Eigenentwicklungen von Motorcontrollern.
BiSS für Drehmomentsensoren
Vor diesem Hintergrund hat Sensodrive den BiSS-Standard auch für Drehmomentsensoren maßgeblich mitgestaltet und als erstes Unternehmen einen entsprechenden Sensor mit integrierter BiSS-C-Schnittstelle vorgestellt. Der Vorteil liegt in der Standardisierung: BiSS ist klar spezifiziert, frei zugänglich und weit verbreitet. Entwickler können innerhalb kurzer Zeit eine kompatible Implementierung realisieren. Während bei SPI individuelle Abstimmungen zu Pegeln und Signalvarianten erforderlich sind, bietet BiSS eine einheitliche Basis. Für Hersteller, die ihre Motorelektronik selbst entwickeln, ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil: Positionsencoder und Drehmomentsensor können über dieselbe BiSS-Master-Hardware angebunden werden. Das reduziert Bauteilvielfalt und Entwicklungsaufwand. In der Intralogistik ist die Maximierung der Lagerkapazität entscheidend. Kompakte Sensoren spielen dabei eine Schlüsselrolle: Höchste Leistung in kompakter Bauform schafft mehr Platz für die Ware, denn die Technik macht sich klein. ‣ weiterlesen
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Hohe Bandbreite und direkte SI-Werte
Neben der Standardisierung überzeugt BiSS durch technische Eigenschaften, die gerade für Cobots und haptische Systeme entscheidend sind. Eine zentrale Rolle spielt die hohe Bandbreite. Sie ermöglicht eine sehr steife Regelung mit hohen Taktraten. Ein Beispiel ist das kraftgeregelte Anfahren harter Endanschläge. Hier ändert sich die Systemdynamik abrupt – vom freien Lauf zum definierten Anschlag innerhalb weniger Millisekunden. Damit die Regelung stabil bleibt, muss der Motorcontroller sofort reagieren können. Voraussetzung dafür sind hochauflösende und latenzarme Sensordaten.
Ein weiterer Vorteil: Über BiSS werden die Drehmomentwerte direkt in SI-Einheiten – typischerweise Newtonmeter – übertragen. Bei analogen oder inkrementellen Signalen muss der Motorcontroller Offset- und Steigungswerte berücksichtigen und die Umrechnung selbst vornehmen. Mit BiSS entfällt dieser Zwischenschritt. Der Wert kann unmittelbar in die Regelung eingehen. Hinzu kommt die bidirektionale Kommunikation. Fehlerzustände werden über sogenannte Error-Flags signalisiert. Darüber hinaus lassen sich Register auslesen und Diagnosedaten abrufen – ohne den Sensor auszubauen. Für Wartung und Instandhaltung bedeutet das einen deutlichen Komfortgewinn.
Präzision als Differenzierungsmerkmal
Sensodrive positioniert sich klar im Hightech-Segment. Die Drehmomentsensoren des Unternehmens wurden bereits 2003 erstmals in Leichtbaurobotern eingesetzt und zählen heute zu den etablierten Lösungen im Premiumbereich. Bei der Genauigkeit nennt Sporer einen Richtwert von 0,5 Prozent vom Nenndrehmoment – vorausgesetzt, die Umgebungsbedingungen sind bekannt und werden in der Bewertung berücksichtigt. Temperatur- und Einbaueinflüsse fließen dabei in eine Gesamtbetrachtung ein. Analoge Low-Cost-Lösungen mögen auf den ersten Blick einfacher erscheinen, stoßen jedoch bei anspruchsvollen Industrie- oder Medizinanwendungen an Grenzen. „Im Hightech-Bereich ist die Integrationshürde kein Argument“, betont Sporer. Entscheidend seien Zuverlässigkeit, Stabilität und reproduzierbare Qualität. Digitale Souveränität in der Automation: Fraunhofer IOSB-INA entwickelt einen KI-Assistenten für die SPS-Programmierung. ‣ weiterlesen
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Mehrwert für Entwickler und Entscheidungsträger
Die Integration eines Drehmomentsensors ist gemessen am Gesamtprojekt eines Industrieroboters zwar nur ein Baustein. Dennoch beeinflusst die Wahl des Bussystems die Gesamtarchitektur. Einheitliche Schnittstellen reduzieren Entwicklungsaufwand und Diskussionen mit verschiedenen Chipherstellern. Wer BiSS für Positionsencoder bereits etabliert hat, kann dieses Knowhow für weitere Sensorik nutzen. Das vereinfacht Hardware- und Softwaredesign gleichermaßen. Auch strategisch empfiehlt Sporer, Drehmomentmessung und Bussystem frühzeitig gemeinsam zu denken: „Wenn man die Drehmomentmessung als zentrale Komponente des Robotergelenks von Anfang an berücksichtigt – mechanisch wie elektronisch -, vermeidet man in späteren Entwicklungsphasen viele Probleme.“ Späte Integration bei bereits festgelegten Randbedingungen schränkt hingegen den Handlungsspielraum erheblich ein.
Branchen und Perspektiven
BiSS-basierte Drehmomenterfassung ist überall dort relevant, wo bereits BiSS-Positionsencoder eingesetzt werden oder hochdynamische Kraftregelungen gefragt sind – von der Industrierobotik über Sondermaschinenbau bis hin zur Medizintechnik. Mit Blick in die Zukunft sieht Sporer weiteres Potenzial. Im Hightech-Segment könnte sich BiSS auch für zusätzliche Sensordaten etablieren. Eine sichere Variante (BiSS Safety) befindet sich in Entwicklung. Parallel prüft Sensodrive weitere Protokolle wie Ethercat für bestimmte Architekturen, etwa bei höherer Integrationsebene zwischen zentraler Steuerung und Achsen.
Mehrwert: konsistente Systemarchitektur
Cobots, haptische Systeme und kraftgeregelte Industrieprozesse verlangen nach präziser, schneller und zuverlässiger Drehmomentmessung. Die Integration über eine bereits etablierte Schnittstelle wie BiSS reduziert Komplexität im Roboterdesign und erleichtert Entwicklung wie Wartung. Der entscheidende Mehrwert liegt weniger in einer isolierten Zeitersparnis, sondern in einer konsistenten Systemarchitektur: weniger Schnittstellenvielfalt, direkte SI-Werte, hohe Bandbreite und Diagnosefähigkeit. Wer Drehmomentmessung frühzeitig als integralen Bestandteil des Robotergelenks betrachtet, schafft die Grundlage für leistungsfähige und langlebige Robotersysteme.
