Passive Compliance
- 又称: mechanical compliance
- 类别: Mechanical structure › Arms & end-effectors
- 标签: compliance, end-of-arm-tooling, assembly, contact, mechanism-design
内置于机器人机构中的柔性，例如弹簧、阻尼器或软材料，它使机器人在没有任何传感或主动控制的情况下顺应接触力而让位。
定义
被动柔顺（Passive compliance）是设计在机器人或其工具中的机械让位能力。弹簧、弹性体、柔性铰链、阻尼器或软材料在接触力作用下会发生变形，因此末端执行器可以稍微移动或倾斜，以适应位置和姿态上的误差。由于这种响应来自物理本身而不是控制器，它是即时的，不需要传感器或计算，并且在软件或电源失效时仍然有效。
它是主动柔顺（active compliance）的对应概念。在主动柔顺中，阻抗控制或导纳控制等控制器利用力或力矩测量值和电机指令，使刚性机器人表现得像是柔顺的。主动柔顺可以在运行中改变刚度，但受到传感、控制带宽和延迟的限制；被动柔顺对冲击的响应比任何控制回路都快，但刚度是固定的，或只能缓慢调节。许多系统同时使用两者，例如在阻抗控制的机械臂下方安装一个柔顺腕部。
一个著名的例子是远中心柔顺装置（remote center compliance device），这是一种把柔顺中心设置在被夹持零件尖端附近的腕部，使轴孔插装过程中的横向和角度偏差得到纠正，而不是导致卡阻。其他形式包括弹簧加载或弹性体腕部安装座、串联弹性执行器、软体手指和基于柔性铰链的手指，以及足式机器人上的柔顺足。主要代价是位置精度降低以及可能出现振荡，因为除非测量变形量，否则机器人不再确切知道其工具在哪里。
为何重要
插装、擦拭和抓取等接触任务对微小的位置误差非常敏感，而一个完全刚性的机器人会把这些误差变成很大的力，使零件卡住或损坏硬件。被动柔顺以机械方式吸收这些误差，这常常使更便宜、精度更低的机器人和更简单的控制器足以胜任富接触的工作。
主要应用
- 使用远中心柔顺装置进行轴孔插装与装配
- 用于抛光、打磨和擦拭的柔顺腕部和工具安装座
- 能贴合物体形状的软体夹爪和基于柔性铰链的夹爪
- 用于安全交互和力感知的串联弹性执行器
- 足式机器人足端和无人机起落架中的冲击吸收
实际应用
一台低成本机械臂反复无法把销钉插入夹具，因为它的位置误差大于配合间隙。团队没有升级机械臂，而是在法兰和夹爪之间安装了一个弹簧-阻尼柔顺单元。在接近过程中，销钉的倒角接触到孔的边缘，柔顺单元向侧面偏移并倾斜，销钉随之滑入。团队调节弹簧刚度，使夹爪不会在自重下下垂；加入阻尼以消除快速运动后的振荡；并安装一个锁定机构，在精度比柔顺更重要的转运运动中使该单元保持刚性。
常见误解
- 被动柔顺与阻抗控制相同 — 阻抗控制通过传感和反馈产生柔顺，而被动柔顺来自机构本身
- 柔顺越多总是越安全、越好 — 过多的柔顺会降低精度，导致下垂和振荡，并可能储存能量后突然释放
- 被动柔顺意味着机器人无法知道其工具的位置 — 变形量可以用编码器或其他传感器测量，串联弹性执行器就是这样做的
谁需要了解
- 末端执行器与夹爪设计人员
- 装配与自动化工程师
- 执行器与机构设计人员
- 足式机器人和软体机器人研究人员
相关技术
- 远中心柔顺装置（Remote Center Compliance Device）
- 串联弹性执行器（Series Elastic Actuator）
- 变刚度执行器（Variable Stiffness Actuator）
- 柔性铰链机构（Flexure Mechanisms）
- 柔顺腕部（Compliant Wrist）