Passive Compliance
- 又稱: mechanical compliance
- 類別: Mechanical structure › Arms & end-effectors
- 標籤: compliance, end-of-arm-tooling, assembly, contact, mechanism-design
內建於機器人機構中的柔性，例如彈簧、阻尼器或軟性材料，讓機器人無需任何感測或主動控制，就能順應接觸力而退讓。
定義
被動柔順（Passive compliance）是設計在機器人或其工具中的機械退讓能力。彈簧、彈性體、撓性結構、阻尼器或軟性材料在接觸力作用下會變形，因此末端執行器能稍微位移或傾斜，以容納位置與方向上的誤差。由於這種反應來自物理本身而非控制器，它是即時的，不需要感測器或運算，而且在軟體或電源失效時仍能運作。
它是主動柔順（active compliance）的對應概念。在主動柔順中，阻抗控制或導納控制等控制器利用力或扭矩量測值與馬達指令，讓剛性機器人表現得彷彿具有柔順性。主動柔順可以在運作中即時改變剛性，但受限於感測、控制頻寬與延遲；被動柔順對衝擊的反應比任何控制迴路都快，但剛性是固定的，或只能緩慢調整。許多系統會同時使用兩者，例如在以阻抗控制的手臂下方裝上柔順腕部。
一個著名的例子是遠端中心柔順裝置（remote center compliance device），這是一種把柔順中心設在被夾持零件尖端附近的腕部，使軸孔插入時的橫向與角度偏差得到修正，而不是造成卡死。其他形式包括彈簧式或彈性體腕部安裝座、串聯彈性致動器、軟性手指與以撓性結構為基礎的手指，以及足式機器人上的柔順足部。主要代價是位置精度下降以及可能產生振盪，因為除非量測變形量，否則機器人不再確切知道其工具的位置。
為何重要
插入、擦拭與抓取等接觸任務對微小的位置誤差非常敏感，而完全剛性的機器人會把這些誤差轉成很大的力，使零件卡死或損壞硬體。被動柔順以機械方式吸收這些誤差，這常讓更便宜、精度較低的機器人與更簡單的控制器足以勝任接觸豐富的工作。
主要應用
- 以遠端中心柔順裝置進行軸孔插入與組裝
- 用於拋光、砂磨與擦拭的柔順腕部與工具安裝座
- 能貼合物體形狀的軟性夾爪與以撓性結構為基礎的夾爪
- 用於安全互動與力感測的串聯彈性致動器
- 足式機器人足部與無人機起落架中的衝擊吸收
實際應用
一支低成本機器手臂一再無法把銷插入治具，因為它的位置誤差大於配合間隙。團隊沒有升級手臂，而是在法蘭與夾爪之間裝上一個彈簧-阻尼柔順單元。接近時，銷的倒角碰到孔緣，單元便向側面偏移並傾斜，銷隨之滑入。團隊調整彈簧剛性，讓夾爪不會因自重而下垂；加入阻尼以消除快速移動後的振盪；並裝上鎖定機構，在精度比柔順更重要的搬運移動中讓單元保持剛性。
常見誤解
- 被動柔順與阻抗控制相同 — 阻抗控制透過感測與回饋產生柔順性，而被動柔順來自機構本身
- 柔順性越高一定越安全、越好 — 柔順性過高會降低精度、造成下垂與振盪，還可能儲存能量後突然釋放
- 被動柔順代表機器人無法知道其工具的位置 — 變形量可以用編碼器或其他感測器量測，串聯彈性致動器正是如此
誰需要了解
- 末端執行器與夾爪設計人員
- 組裝與自動化工程師
- 致動器與機構設計人員
- 足式機器人與軟性機器人研究人員
相關技術
- 遠端中心柔順裝置（Remote Center Compliance Device）
- 串聯彈性致動器（Series Elastic Actuator）
- 可變剛性致動器（Variable Stiffness Actuator）
- 撓性機構（Flexure Mechanisms）
- 柔順腕部（Compliant Wrist）