Tesla-Patente erläutern Designs von Optimus-Hand und -Knie

Zwei neu veröffentlichte Patente geben einen detaillierten Einblick, wie Tesla seinen humanoiden Roboter Optimus entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf biomimetischen Mechanismen, Effizienz und innovativer Kabelführung liegt, um schwierige Herausforderungen in der Robotik zu bewältigen.

Die Untersuchung der Hand- und Knie-Mechanismen verdeutlicht, wie das System so konzipiert wird, dass es leistungsfähig, langlebig und energieeffizient ist.

Die Hand: Beseitigung von Nebensprechen

Eine hochfunktionale humanoide Hand benötigt mehrere Zugseile als künstliche Sehnen, die von Aktuatoren im Unterarm durch ein hochbewegliches Handgelenk in jeden Finger geführt werden.

Ein häufiges Problem, bekannt als Nebensprechen (Crosstalk), tritt auf, wenn Bewegungen des Handgelenks unbeabsichtigt an internen Kabeln ziehen, wodurch die Finger zucken oder sich ohne Befehl schließen.

Um dies zu beheben, beschreiben die Ingenieure Megan Giacobetti, Rod Jafari, Michael Leddy, Harry Edward Olive und Shitong Pang einen orthogonalen Kabelübergang am Handgelenk. Auf der Seite des Unterarms sind die Steuerkabel in einem seitlichen, horizontalen Stapel angeordnet.

Diese Anordnung verkürzt den Hebelarm um die Nickachse (Auf-Ab-Bewegung). Während die Kabel durch das Rotationszentrum des Handgelenks verlaufen, gehen sie in einen vertikalen Stapel über, was wiederum den Hebelarm um die Gierachse (Seitwärtsbewegung) reduziert.

Der entscheidende Vorteil ist, dass die Gesamtkabellänge während der Artikulation erhalten bleibt. Indem die Zugseile in den Rotationszentren sowohl der Nick- als auch der Gierachse platziert werden, kann sich das Handgelenk frei drehen, ohne die Fingersehnen unbeabsichtigt zu straffen.

Dies isoliert die Bewegungen von Handgelenk und Fingern, hilft ungeschickte Griffe und versehentliches Fallenlassen zu vermeiden und reduziert den Rechenaufwand, der sonst aufgewendet werden müsste, um unbeabsichtigten Fingerzuckungen entgegenzuwirken.

Abgesehen von der Kabelführung im Handgelenk sind die Finger auf Langlebigkeit und Präzision ausgelegt. Die meisten Finger bestehen aus vier Gliedern: einer distalen Spitze, zwei Mittelgliedern und einem Basisglied.

Anstelle einfacher Bolzengelenke, die verschleißen und Reibung erzeugen, verwenden die Fingerglieder gekrümmte Kontaktflächen, die beim Beugen des Fingers sanft abrollen.

Jeder Standardfinger wird von drei Kabeln betätigt. Ein Hauptkabel verläuft hinter dem Basisgelenk und vor den oberen Gelenken, um die Greifbewegung auszuführen.

Die anderen beiden Kabel sind an den Mittelgliedern befestigt, um Adduktion und Abduktion zu steuern, wodurch der Roboter seine Finger seitwärts spreizen kann. Präzisionsgefertigte interne Kanäle halten diese Kabel seitlich an ihren Endpunkten ausgerichtet, was ein Überkreuzen und Ausfransen verhindert.

Iterative Verbesserungen

Laut Elon Musk vom 19. April 2026 wurde dieses patentierte Handdesign bereits modifiziert und weiterentwickelt.

We already changed the design. This one didn’t actually work.

— Elon Musk (@elonmusk) April 19, 2026

Elon deutete an, dass das Rollgelenk des Fingers in der Praxis nicht funktionierte. Ob ein neues Patent für die Hand erscheint oder Änderungen mit der Einführung von Optimus V3 sichtbar werden, bleibt abzuwarten.

Das Knie: Extreme mechanische Hebelwirkung

Während die Hand auf reibungsarme Kabelführung setzt, konzentriert sich das von Rod Jafari verfasste Patent für das Roboterknie auf die Maximierung der mechanischen Hebelwirkung und die Effizienz der Aktuatoren, wobei es sich stark an der menschlichen Anatomie orientiert, um Gehen, Hocken und Heben zu unterstützen.

Anstelle eines herkömmlichen Scharniers verwendet das Knie eine mechanische Vier-Gelenk-Koppelung, eine direkte mechanische Entsprechung zu den Interaktionen zwischen Kniescheibe, Oberschenkelknochen, Schienbein und Kreuzbändern.

Die Vier-Stangen-Geometrie verteilt dynamische Lasten auf mehrere Gelenkpunkte, wenn der Roboter beispielsweise in die Hocke geht, um eine schwere Kiste aufzuheben, wodurch die Integrität des Gelenks gewahrt und ein Versagen unter schwerem Gewicht verhindert wird.

Das Knie wird von einem einzigen linearen Aktuator – effektiv ein präziser Servomotor – im Oberschenkel angetrieben. Aufgrund der Koppelungsgeometrie muss der Aktuator sein primäres Glied nur um etwa 60 Grad drehen, was einen Rotationsbereich von etwa 150 Grad für den Unterschenkel ergibt.

Dieser große Bewegungszuwachs ist für einen batteriebetriebenen Humanoiden vorteilhaft: Eine kleine Aktuatorbewegung kann einen weiten Ausschlag des Unterschenkels erzeugen, was den Stromverbrauch senkt und die Baugruppe kompakt hält.

Um dieses System mit hoher Hebelwirkung zu schützen, misst ein Kraftsensor im sekundären Glied die Echtzeitlast auf dem Bein. Die Steuerungselektronik berechnet dann die exakte Mikrobewegung, die der Aktuator ausführen muss, unter Berücksichtigung des aktuellen Beinwinkels, der gewünschten Gehgeschwindigkeit und des für den nächsten Schritt erforderlichen Drehmoments.

Während Tesla ursprünglich geplant hatte, Optimus im ersten Quartal vorzustellen, soll dies nun zeitlich näher an der Produktion erfolgen, um das Risiko zu verringern, dass Wettbewerber die Arbeit kopieren.