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如何理解机器人工作中的奇异点现象？

2024-04-12 阅读：10602次

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那可能是它是遇到了奇异点。

问题来了，什么是奇异点呢？在其工作空间中存在一些特定点位，这些点会导致机器人失去一个或多个自由度，当机器人末端工具中心点达到或接近这些位置时，在其运动空间中会出现无穷解的情况，即使机器人笛卡尔坐标值发生了很小的变化，也会导致轴关节发生很大的变化，这样就使得机器人无法正确的按照轨迹规划运动。因此，在工业机器人领域将这些点称为机器人奇异点。

机器人在奇异点附近进行规划运动（直线、圆弧等，不包括关节运动）时会报警停止，机器人运动编程时应尽量避开奇异点或以关节运动通过奇异点。是不是很难理解？别急往下看。

首先，我们要知道机器人的运动

包括插补运动和关节运动。

插补运动和关节运动

而机器人的运动学算法包括正向运动学和逆向运动学。关节运动属于正向运动学，这一点非常好理解，当你告诉机器人某个关节需要运动多少度，那机器人会非常听话的运动到对应的角度。

插补运动是机器人逆向运动学算法，也就是机器人根据要求的笛卡尔坐标值，逆向计算出各个关节需要运动的角度。

因此，要熟练的应用工业机器人，对工业机器人奇异点进行一定程度地了解是非常有必要的。常见的六轴串联工业机器人会在三个位置逆解出无数个解的情况，出现三种奇异点，分别为肩关节奇点、肘关节奇点和腕关节奇点。

肩关节奇异点

肩关节奇异点是指在机器人运动空间内，腕关节中心点与第一个关节的轴线共线。如下图所示。

这种情况下，会导致关节轴1和关节轴4试图瞬间旋转180度。从而引起机器人超速报警，出现无法继续工作的状况。

肘关节奇异点

肘关节奇异点是指在机器人运动空间内，腕关节的中心点落在关节2和3的轴线形成的平面上。如下图所示。

肘关节奇异点一般位于机器人工作区域的最外缘，看起来像机器人“伸得太远”，导致肘部锁定在某个空间位置无法运动。

腕关节奇异点

腕关节奇异点是指在机器人运动空间内，关节4和关节6的轴线与关节5的轴线在同一平面内。如下图所示。

以上情况会导致机器人逆向运动学算法逆解的结果相互补偿，形成无数个解。我们可以从图中看到，肩关节奇异和肘关节奇异位置都在机器人非主要工作区域，一般不会在调试中出现这样的姿态，处理较为简单，只要限制机器人作业范围，就可轻易地回避。

但是腕部奇异点不同，在机器人工作区域的几乎所有位置都有可能发生，其规避方法相对困难，在实际应用时，可以利用使末端工具增加一定角度的办法，避免腕部4轴和6轴中心共线。

因此，了解腕部奇异点的发生机理，并根据具体情况灵活应对，是确保机械臂稳定运行的关键。在路径规划中，要尽量避免机械臂经过奇异点。例如，在焊接任务中，如果焊接点恰好在机械臂运动的路径点上，我们可以通过识别末端路径上的奇异点区域，将焊接板放置在没有奇异点的路径上，就可以最大程度地避免机械臂经过奇异区域，充分发挥机器人作业的优势。

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