Warum die offizielle OpenArm-Stromversorgung bei hoher Last an ihre Grenzen stößt

Beim Aufbau eines OpenArm-Roboters wirkt die offizielle Stromversorgung zunächst völlig ausreichend.
24 V DC, einige hundert Watt Leistung, einfache Verdrahtung — alles sieht sauber und nachvollziehbar aus.

Und tatsächlich:
Im ersten Moment funktioniert das System.

Der Arm bewegt sich.
Die Gelenke reagieren.
Nichts wird auffällig warm.

Die Probleme beginnen meist erst dann, wenn aus einer Demonstration ein realer Einsatz wird.

Ein typischer Erfahrungsweg vieler Nutzer

Zunächst läuft alles stabil:

• Einzelne Gelenke

• Langsame Bewegungen

• Keine oder geringe Last

Dann steigen die Anforderungen:

• Mehrere Gelenke beschleunigen gleichzeitig

• Höhere Geschwindigkeiten

• Reale Nutzlasten

• Eventuell sogar ein Doppelarm-System

Plötzlich treten Effekte auf wie:

• Nachlassende Kraft

• Unerwartete Verlangsamungen

• Unterspannungsfehler der Antriebe

• Neustart oder Abschaltung des Netzteils

Häufig wird dann an Motoren oder Regelparametern gezweifelt.

In den meisten Fällen liegt die Ursache jedoch nicht dort.

Die stillschweigenden Annahmen der offiziellen Auslegung

Die offizielle OpenArm-Stromversorgung basiert auf Annahmen, die selten explizit benannt werden:

• Geringe Dynamik

• Kaum gleichzeitige Achsbewegungen

• Kleine Lasten

• Lehr- und Demonstrationsbetrieb

Solange diese Annahmen gelten, funktioniert das System zuverlässig.

Sobald sie verletzt werden, wird die Stromversorgung zum begrenzenden Faktor.

Das ist kein OpenArm-Spezifikum, sondern ein klassisches Problem beim Übergang von Prototyp zu realem Roboter.

Robotische Leistung ist ein Kurzzeitproblem

Ein zentraler Punkt wird oft unterschätzt:
Roboterleistung ist impulsartig.

Die mechanische Leistung eines Gelenks ergibt sich aus:

                                P=M⋅ω

Wenn mehrere Achsen gleichzeitig beschleunigen:

• Trägheitsmomente müssen überwunden werden

• Hohe Getriebeuntersetzungen führen zu hohen Motorströmen

• Leistungsspitzen überlagern sich zeitlich

So entstehen kurzzeitig Leistungsanforderungen, die ein Vielfaches der Nennleistung betragen können.

Diese Spitzen sind kurz —
aber lang genug, um Schutzmechanismen auszulösen.

Ein reales Community-Beispiel: Worst-Case-Leistungsabschätzung bei Dual-Arm-OpenArm

Ein sehr aufschlussreiches Beispiel findet sich in einer offiziellen Diskussion im OpenArm-GitHub-Repository, in der Community-Mitglieder versucht haben, den Worst-Case-Leistungsbedarf eines Dual-Arm-OpenArm-Systems abzuschätzen.

Ein Teilnehmer ging dabei von der real eingesetzten Stromversorgung im Referenzaufbau aus:
zwei voneinander getrennte AC/DC-Netzteile mit jeweils etwa 360 W Nennleistung. Daraus leitete er ab, dass selbst unter ungünstigen Bedingungen die gesamt verfügbare elektrische Leistung realistisch unter ~720 W bleibt, da die Netzteile selbst eine harte physikalische Obergrenze darstellen.

Ein anderer Ansatz in derselben Diskussion bestand darin, die Nennströme aller Gelenkmotoren zu addieren und mit der Busspannung zu multiplizieren. Das Ergebnis lag bei rund 2500 W. Der Autor merkte jedoch ausdrücklich an, dass dieser Wert offensichtlich zu hoch und für den realen Betrieb nicht repräsentativ ist.

Dieses Beispiel zeigt ein klassisches Missverständnis in der Systemauslegung:

Die Summe der Nennwerte einzelner Motoren beschreibt nicht das reale Leistungsverhalten eines Robotersystems.

Motornennwerte stehen typischerweise für:

• maximale Dauerströme oder

• thermische Grenzfälle

Sie beschreiben jedoch nicht:

• gleichzeitige reale Betriebspunkte aller Achsen,

• kurzzeitige Transienten bei koordinierten Bewegungen,

• oder die durch Stromversorgung und DC-Bus gesetzten Systemgrenzen.

Die zentrale ingenieurtechnische Erkenntnis aus dieser Diskussion lautet daher:

Bei einem System wie OpenArm wird die praktisch verfügbare Gesamtleistung durch die Stromversorgung definiert, nicht durch die theoretische Addition von Motordatenblattwerten.

Diese Community-Diskussion bestätigt damit ein Grundprinzip aus der industriellen Robotik:
Systemverhalten muss auf Systemebene bewertet werden — nicht durch die lineare Aggregation einzelner Komponentenkennwerte.

obald dieser Unterschied zwischen Komponentenkennwerten und Systemgrenzen klar ist, wird die Bedeutung von Verkabelung und DC-Bus-Auslegung offensichtlich.“

Quelle: OpenArm GitHub Issue #229 – „Worst case power consumption of OpenArm with dual-arm configuration“

24 V: Elektrisch machbar, aber anspruchsvoll

Bei 24 V führt jede Leistungssteigerung direkt zu hohem Strom:

• 1000 W → ~42 A

• 2000 W → ~83 A

Solche Ströme bedeuten:

• Spannungsabfall auf Leitungen

• Erwärmung von Steckverbindern

• Reduzierte Eingangsspannung an den Antrieben

Und genau hier entsteht der typische Eindruck:

„Der Roboter hat nicht genug Kraft.“

In Wirklichkeit fehlt nicht die Motorleistung —
sondern die elektrische Versorgung unter Last.

Rekuperation: Ein oft ignoriertes, aber zentrales Thema

Beim Abbremsen oder Absenken von Lasten speisen die Antriebe Energie in den DC-Bus zurück.

Industrielle Servosysteme sind dafür ausgelegt.
Viele einfache AC/DC-Netzteile jedoch nicht.

Die Folge:

• Anstieg der DC-Bus-Spannung

• Auslösen der Überspannungsschutzschaltung

• Abschaltung oder Verriegelung des Netzteils

Für den Anwender wirkt das zufällig.
Aus Sicht der Elektrotechnik ist es logisch und vorhersehbar.

Fazit aus ingenieurtechnischer Sicht

Die offizielle OpenArm-Stromversorgung ist nicht falsch.

Sie ist jedoch auf einen sehr engen Einsatzbereich optimiert.

Wer höhere Dynamik, reale Lasten oder Mehrarm-Systeme nutzt, muss:

• Leistung nicht nur im Mittelwert betrachten

• Stromführung und Leitungsdimensionierung ernst nehmen

• Rekuperation als systemrelevantes Thema verstehen

Ab diesem Punkt ist die Stromversorgung kein Zubehör mehr,
sondern ein zentrales Subsystem des Roboters.

Ausblick

Im nächsten Teil betrachten wir den oft unterschätzten Faktor:

👉 Teil 2:
„Warum die Verkabelung bei 24 V-OpenArm-Systemen über Leistung und Stabilität entscheidet“