Passive Compliance

• 別名: mechanical compliance
• カテゴリ: Mechanical structure › Arms & end-effectors
• タグ: compliance, end-of-arm-tooling, assembly, contact, mechanism-design

ばね、ダンパ、柔らかい材料など、ロボットの機構に組み込まれた柔軟性。センシングや能動的な制御なしに、接触力に対してロボットを逃がす。

定義

受動コンプライアンス（Passive compliance）とは、ロボットやそのツールに設計として組み込まれた機械的な逃げのことである。ばね、エラストマー、フレクシャ、ダンパ、柔らかい材料は接触力を受けると変形するので、エンドエフェクタはわずかにずれたり傾いたりして、位置や姿勢の誤差を吸収できる。この応答はコントローラではなく物理現象そのものから生じるため、瞬時に働き、センサーも計算も必要とせず、ソフトウェアや電源が故障しても働き続ける。

これは能動コンプライアンス（active compliance）と対をなす。能動コンプライアンスでは、インピーダンス制御やアドミッタンス制御などのコントローラが、力やトルクの測定値とモータ指令を使って、剛なロボットをあたかもコンプライアンスがあるかのように振る舞わせる。能動コンプライアンスは剛性をその場で変えられるが、センシング、制御帯域、遅延によって制限される。受動コンプライアンスはどの制御ループよりも速く衝撃に応答するが、剛性は固定か、ゆっくりとしか調整できない。多くのシステムは両方を使う。例えば、インピーダンス制御されたアームの先にコンプライアントリストを取り付ける。

よく知られた例が リモートセンターコンプライアンスデバイス（remote center compliance device）で、これはコンプライアンス中心を把持した部品の先端付近に置く手首機構であり、ペグインホール挿入時の横方向と角度のずれが、ジャミングを起こさずに修正されるようにする。ほかの形態には、ばね式やエラストマー式の手首マウント、直列弾性アクチュエータ、柔らかい指やフレクシャベースの指、脚ロボットのコンプライアントな足がある。主な代償は位置精度の低下と振動の可能性であり、変位を測定しない限り、ロボットはもはやツールの正確な位置を知らないことになる。

重要な理由

挿入、拭き取り、把持といった接触タスクは小さな位置誤差に非常に敏感であり、完全に剛なロボットはそうした誤差を大きな力に変えて、部品を噛み込ませたりハードウェアを損傷させたりする。受動コンプライアンスはこれらの誤差を機械的に吸収するので、より安価で精度の低いロボットや単純なコントローラでも、接触の多い作業に十分対応できるようになることが多い。

主な用途

• リモートセンターコンプライアンスデバイスを用いたペグインホール挿入と組立
• 研磨、サンディング、拭き取り用のコンプライアントリストとツールマウント
• 物体の形状になじむ柔らかいグリッパーやフレクシャベースのグリッパー
• 安全なインタラクションと力センシングのための直列弾性アクチュエータ
• 脚ロボットの足やドローンの着陸脚における衝撃吸収

実際の使われ方

低コストのアームが、位置誤差がクリアランスより大きいために、ピンを治具に挿入するのに何度も失敗している。チームはアームをアップグレードする代わりに、フランジとグリッパーの間にばね・ダンパ式のコンプライアンスユニットを取り付ける。接近中にピンの面取りが穴の縁に当たると、ユニットが横にずれて傾き、ピンが滑り込む。チームは、グリッパーが自重で垂れ下がらないようにばね剛性を調整し、速い動作の後の振動を止めるためにダンピングを加え、コンプライアンスよりも精度が重要な搬送動作中にはユニットを剛にするロック機構を取り付ける。

よくある誤解

• 受動コンプライアンスはインピーダンス制御と同じである — インピーダンス制御はセンシングとフィードバックによってコンプライアンスを生み出すが、受動コンプライアンスは機構そのものから生じる
• コンプライアンスは多いほど常に安全でよい — コンプライアンスが多すぎると精度が下がり、垂れ下がりや振動を招き、蓄えたエネルギーが突然解放されることもある
• 受動コンプライアンスがあるとロボットはツールの位置を知ることができない — 直列弾性アクチュエータのように、変位はエンコーダなどのセンサーで測定できる

知っておくべき人

• エンドエフェクタとグリッパーの設計者
• 組立・自動化のエンジニア
• アクチュエータと機構の設計者
• 脚ロボットとソフトロボティクスの研究者

関連技術

• リモートセンターコンプライアンスデバイス（Remote Center Compliance Device）
• 直列弾性アクチュエータ（Series Elastic Actuator）
• 可変剛性アクチュエータ（Variable Stiffness Actuator）
• フレクシャ機構（Flexure Mechanisms）
• コンプライアントリスト（Compliant Wrist）

関連用語

• Impedance Control
• Series Elastic Actuator
• Soft Robotics
• EOAT
• Backdrivability
• Gripper

関連プロジェクト

• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• mjfit: Exact convex collision geometry for MuJoCo pegs, holes, threads and gears