Passive Compliance
- Auch genannt: mechanical compliance
- Kategorie: Mechanical structure › Arms & end-effectors
- Schlagwörter: compliance, end-of-arm-tooling, assembly, contact, mechanism-design
In den Mechanismus eines Roboters eingebaute Flexibilität, etwa Federn, Dämpfer oder weiche Materialien, die ihn Kontaktkräften nachgeben lässt, ohne jede Sensorik oder aktive Regelung.
Definition
Passive Nachgiebigkeit (Passive Compliance) ist mechanisches Nachgeben, das gezielt in einen Roboter oder sein Werkzeug konstruiert wird. Federn, Elastomere, Festkörpergelenke (Flexures), Dämpfer oder weiche Materialien verformen sich, wenn eine Kontaktkraft auf sie wirkt, sodass sich der Endeffektor leicht verschieben oder neigen kann, um Positions- und Orientierungsfehler auszugleichen. Weil die Reaktion aus der Physik und nicht aus einem Regler kommt, wirkt sie sofort, braucht weder Sensoren noch Rechenleistung und funktioniert weiter, wenn Software oder Stromversorgung ausfallen.
Sie ist das Gegenstück zur aktiven Nachgiebigkeit (Active Compliance), bei der ein Regler, etwa eine Impedanz- oder Admittanzregelung, Kraft- oder Drehmomentmessungen und Motorbefehle nutzt, damit sich ein steifer Roboter so verhält, als wäre er nachgiebig. Aktive Nachgiebigkeit kann ihre Steifigkeit im laufenden Betrieb ändern, ist aber durch Sensorik, Regelbandbreite und Latenz begrenzt; passive Nachgiebigkeit reagiert schneller auf Stöße als jeder Regelkreis, hat aber eine feste oder nur langsam verstellbare Steifigkeit. Viele Systeme nutzen beides, zum Beispiel ein nachgiebiges Handgelenk unter einem impedanzgeregelten Arm.
Ein bekanntes Beispiel ist das Remote-Center-Compliance-Element (RCC), ein Handgelenk, das sein Nachgiebigkeitszentrum nahe der Spitze eines gehaltenen Teils platziert, sodass seitliche und winklige Fehlausrichtungen beim Peg-in-Hole-Einsetzen korrigiert werden, statt zum Verklemmen zu führen. Weitere Formen sind federnde oder Elastomer-Handgelenkhalterungen, serienelastische Aktuatoren, weiche und auf Festkörpergelenken beruhende Finger sowie nachgiebige Füße an Laufrobotern. Der Hauptpreis ist eine geringere Genauigkeit der Position und die Möglichkeit von Schwingungen, da der Roboter nicht mehr genau weiß, wo sein Werkzeug ist, sofern die Auslenkung nicht gemessen wird.
Warum es wichtig ist
Kontaktaufgaben wie Einsetzen, Wischen und Greifen reagieren sehr empfindlich auf kleine Positionsfehler, und ein vollkommen steifer Roboter verwandelt diese Fehler in große Kräfte, die Teile verklemmen oder Hardware beschädigen. Passive Nachgiebigkeit fängt die Fehler mechanisch ab, wodurch günstigere, weniger genaue Roboter und einfachere Regler für kontaktreiche Arbeit oft gut genug werden.
Wichtige Anwendungen
- Peg-in-Hole-Einsetzen und Montage mit Remote-Center-Compliance-Elementen
- Nachgiebige Handgelenke und Werkzeughalterungen zum Polieren, Schleifen und Wischen
- Weiche und auf Festkörpergelenken beruhende Greifer, die sich der Objektform anpassen
- Serienelastische Aktuatoren für sichere Interaktion und Kraftmessung
- Stoßdämpfung in den Füßen von Laufrobotern und im Fahrwerk von Drohnen
In der Praxis
Ein kostengünstiger Arm scheitert wiederholt daran, Stifte in eine Vorrichtung einzusetzen, weil sein Positionsfehler größer ist als das Spiel. Statt den Arm aufzurüsten, montiert das Team eine Feder-Dämpfer-Nachgiebigkeitseinheit zwischen Flansch und Greifer. Beim Anfahren berührt die Fase des Stifts den Rand der Bohrung, die Einheit weicht seitlich aus und neigt sich, und der Stift gleitet hinein. Das Team stimmt die Federsteifigkeit so ab, dass der Greifer nicht unter seinem Eigengewicht durchhängt, ergänzt Dämpfung, um Schwingungen nach schnellen Bewegungen zu stoppen, und baut einen Verriegelungsmechanismus ein, der die Einheit bei Transportbewegungen starr macht, bei denen Genauigkeit wichtiger ist als Nachgiebigkeit.
Häufige Missverständnisse
- Passive Nachgiebigkeit ist dasselbe wie Impedanzregelung — Impedanzregelung erzeugt Nachgiebigkeit durch Sensorik und Rückführung, während passive Nachgiebigkeit aus dem Mechanismus selbst kommt
- Mehr Nachgiebigkeit ist immer sicherer und besser — zu viel Nachgiebigkeit verringert die Genauigkeit, verursacht Durchhängen und Schwingungen und kann Energie speichern, die plötzlich freigesetzt wird
- Passive Nachgiebigkeit bedeutet, dass der Roboter nicht wissen kann, wo sein Werkzeug ist — die Auslenkung lässt sich mit Drehgebern oder anderen Sensoren messen, wie bei serienelastischen Aktuatoren
Wer das wissen sollte
- Konstrukteure von Endeffektor-Werkzeugen (End-of-Arm Tooling) und Greifern
- Montage- und Automatisierungsingenieure
- Konstrukteure von Aktuatoren und Mechanismen
- Forschende zu Laufrobotern und Soft Robotics
Verwandte Technologien
- Remote-Center-Compliance-Element (Remote Center Compliance Device)
- Serienelastischer Aktuator (Series Elastic Actuator)
- Aktuator mit variabler Steifigkeit (Variable Stiffness Actuator)
- Festkörpergelenk-Mechanismen (Flexure Mechanisms)
- Nachgiebiges Handgelenk (Compliant Wrist)