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如何理解機器人工作中的奇異點現象?

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那可能是它是遇到了奇異點。



問題來了,什么是奇異點呢?在其工作空間中存在一些特定點位,這些點會導致機器人失去一個或多個自由度,當機器人末端工具中心點達到或接近這些位置時,在其運動空間中會出現無窮解的情況,即使機器人笛卡爾坐標值發生了很小的變化,也會導致軸關節發生很大的變化,這樣就使得機器人無法正確的按照軌跡規劃運動。因此,在工業機器人領域將這些點稱為機器人奇異點


機器人在奇異點附近進行規劃運動(直線、圓弧等,不包括關節運動)時會報警停止,機器人運動編程時應盡量避開奇異點或以關節運動通過奇異點。是不是很難理解?別急往下看。



首先,我們要知道機器人的運動

包括插補運動和關節運動。





插補運動和關節運動


而機器人的運動學算法包括正向運動學和逆向運動學。關節運動屬于正向運動學,這一點非常好理解,當你告訴機器人某個關節需要運動多少度,那機器人會非常聽話的運動到對應的角度。


插補運動是機器人逆向運動學算法,也就是機器人根據要求的笛卡爾坐標值,逆向計算出各個關節需要運動的角度。


因此,要熟練的應用工業機器人,對工業機器人奇異點進行一定程度地了解是非常有必要的。常見的六軸串聯工業機器人會在三個位置逆解出無數個解的情況,出現三種奇異點,分別為肩關節奇點、肘關節奇點和腕關節奇點。

1

      肩關節奇異點

肩關節奇異點是指在機器人運動空間內,腕關節中心點與第一個關節的軸線共線。如下圖所示。


這種情況下,會導致關節軸1和關節軸4試圖瞬間旋轉180度。從而引起機器人超速報警,出現無法繼續工作的狀況。

2

      肘關節奇異點

肘關節奇異點是指在機器人運動空間內,腕關節的中心點落在關節2和3的軸線形成的平面上。如下圖所示。

肘關節奇異點一般位于機器人工作區域的最外緣,看起來像機器人“伸得太遠”,導致肘部鎖定在某個空間位置無法運動。

3

      腕關節奇異點

腕關節奇異點是指在機器人運動空間內,關節4和關節6的軸線與關節5的軸線在同一平面內。如下圖所示。

以上情況會導致機器人逆向運動學算法逆解的結果相互補償,形成無數個解。我們可以從圖中看到,肩關節奇異和肘關節奇異位置都在機器人非主要工作區域,一般不會在調試中出現這樣的姿態,處理較為簡單,只要限制機器人作業范圍,就可輕易地回避。



但是腕部奇異點不同,在機器人工作區域的幾乎所有位置都有可能發生,其規避方法相對困難,在實際應用時,可以利用使末端工具增加一定角度的辦法,避免腕部4軸和6軸中心共線。


因此,了解腕部奇異點的發生機理,并根據具體情況靈活應對,是確保機械臂穩定運行的關鍵。在路徑規劃中,要盡量避免機械臂經過奇異點。例如,在焊接任務中,如果焊接點恰好在機械臂運動的路徑點上,我們可以通過識別末端路徑上的奇異點區域,將焊接板放置在沒有奇異點的路徑上,就可以最大程度地避免機械臂經過奇異區域,充分發揮機器人作業的優勢。

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