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機器人奇點是什么?他們怎么會像黑洞一樣?

時間:2019-10-18 14:46:42來源:Robotiq公司 作者:Alex Owen-Hill

導(dǎo)語:?奇點是由機器人的逆運動學(xué)引起的。當(dāng)遇到奇點時,可能有無限種方式到達機器人的同一位置。如果沒有選擇最優(yōu)解,假定有一個,機器人關(guān)節(jié)可能被命令以一種不可能的方式移動。

機器人奇點是個讓生產(chǎn)商和用戶都很頭痛的問題,碰上了,嚴(yán)重點可能造成“機毀人亡”。那到底什么是機器人奇點,它是怎么形成的,怎么樣才能避免機器人奇點?下面這篇文章由Robotiq公司的AlexOwen-Hill撰寫,它能讓你全面了解這些煩人的問題。

如果你對科學(xué)感興趣,“奇點”很可能會讓你想起黑洞。自從美國LIGO實驗室證明了引力波的存在之后,黑洞就被媒體廣泛報道,為大眾所熟知。根據(jù)物理學(xué)家推論,在黑洞的中心,存在一個“引力奇點”,這意味著那里的引力非常大,甚至趨于無窮大。機器人奇點的概念跟黑洞完全一樣。

機器人奇點是什么?他們怎么會像黑洞一樣?

我的機器人要“瘋”了

想象一下,你想用你的機器人噴qiang畫一條線,如果這條線想要畫得完美,機器人需要以一個恒定的速度移動。如果機器人改變速度,則這條線可能會有粗有細,看起來就不是很好。如果機器人減速太多,我們可能會看到線上有難看的斑點。很顯然,在畫線的時候,機器人以恒定的速度運動是非常重要的。機器人是非常精確的。在通常情況下,機器人可以處理好這個問題,無任何壓力。然而,如果在這條線上存在運動奇點,這項工作將不可能完成。

為什么會存在奇點?如何解決?有兩種方式可以解決這個問題,但首先讓我們了解一下發(fā)生了什么事情。

奇點趨于無窮大

我在前面曾說過,黑洞中心的引力“趨于無窮大”。這就意味著,你越靠近中心,引力會變得越大。在黑洞的中心,引力在理論上是無限大的。這也許不是真的(沒有人知道),但這是一個數(shù)學(xué)特性。數(shù)學(xué)可以很容易處理無窮的概念,而現(xiàn)實世界不能。

大量的數(shù)學(xué)方程趨于無窮大。正如這位物理學(xué)家解釋的那樣,理論上來說,你每次拔下浴缸的塞子,都創(chuàng)造了一個奇點。其基本原理就是,越接近孔的中心,水流越快。根據(jù)這個理論,在孔的正中心,水流速度趨于無限快。在現(xiàn)實中,卻并非如此。據(jù)我們所知,物理系統(tǒng)的速度并不能達到無限快。

機器人之所以會存在奇點,是因為機器人是由數(shù)學(xué)控制(它可以達到無限大),但移動的是真實的物理部件(它無法實現(xiàn)無限大)。如果控制器命令機器人某個關(guān)節(jié)“以無限大的角速度旋轉(zhuǎn)180度”,但機器人關(guān)節(jié)會“說”:我做不到!

工業(yè)機器人 

什么是機器人的奇點?

奇點是由機器人的逆運動學(xué)引起的。當(dāng)遇到奇點時,可能有無限種方式到達機器人的同一位置。如果沒有選擇最優(yōu)解,假定有一個,機器人關(guān)節(jié)可能被命令以一種不可能的方式移動。無限大的速度不是產(chǎn)生問題的唯一奇點類型,其他類型的奇點可能更麻煩。如果機器人遇上了這樣的奇點,他們需要被關(guān)閉,移動機械臂,然后手動重啟。

3類機器人奇點

六軸工業(yè)機器人存在3種類型的奇點,但是,這些奇點仍然會造成嚴(yán)重的破壞。

工業(yè)機器人和機器人系統(tǒng)的美國國家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義奇點的,“由兩個或多個機器人軸的共線對準(zhǔn)引起的不可預(yù)測的機器人運動和速度。”因此,三類奇點是按由哪個關(guān)節(jié)共線引發(fā)的問題來定義的:

1.腕關(guān)節(jié)奇點-這通常發(fā)生在機器人的兩個腕關(guān)節(jié)軸(關(guān)節(jié)4和6)成一條直線。這可能會導(dǎo)致這些關(guān)節(jié)嘗試瞬間旋轉(zhuǎn)180度。

2.肩關(guān)節(jié)奇點-它發(fā)生在機器人中心的腕關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)1的軸對齊時。它導(dǎo)致關(guān)節(jié)1和4試圖瞬間旋轉(zhuǎn)180度。這其中還有另外一種情形,就是機器人的第一個和最后一個關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)1和6)對齊。

3.肘關(guān)節(jié)奇點-這發(fā)生在機器人中心的腕關(guān)節(jié)跟關(guān)節(jié)2和3處于同一平面時。肘關(guān)節(jié)奇點看起來就像機器人“伸得太遠”,導(dǎo)致肘關(guān)節(jié)被鎖在某個位置。

視頻地址:http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ4OTgwOTE0NA==.html

上面這個視頻展示了這些機器人奇點的模擬。在視頻中,當(dāng)他們被命令以無限大的速凍運動時,關(guān)節(jié)顯示為紅色,這樣看起來就非常清晰。

如何避開奇點?

制造商通常都通過編程避開奇點,以免機器人受損。然而,在過去,這只是意味著,如果某個關(guān)節(jié)被命令以過快的速度運動,機器人將以錯誤信息的方式完全停止。這并不是一個完美的解決方案。

這些年來,許多機器人制造商都在改進他們的奇點規(guī)避技術(shù)。在上面的視頻中,機器人的每個關(guān)節(jié)都被編程限制了最大速度。當(dāng)腕關(guān)節(jié)被命令以“無限大”的速度運動時,軟件就會降低此速度。當(dāng)它到達線的中間時,機器人的速度會降下來。一旦它通過奇點,機器人將繼續(xù)以正確的速度完成剩余的運動。畫線的工作仍然會被破壞,但機器人能保持功能正常,不會被卡住。

程序員如何避免奇點

避免奇點已經(jīng)是多年來的熱門話題。業(yè)界提出了多種解決方案,其中某些方案已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)機器人上。例如,ETS控制和機器人實驗室援引了一篇很好的學(xué)術(shù)文章,它解釋了機器人奇點背后的數(shù)學(xué),并提供了使用在工業(yè)機器人上的案例。

機器人的軸越多,發(fā)生奇點的可能性越大,這是因為會有更多的軸跟其他的軸對齊。當(dāng)然,額外的軸也可以通過替換位置的方法到達同樣的點,以降低奇點的影響。本文很好的介紹了冗余機械臂的控制,并討論了如何通過編程處理奇點。

技術(shù)人員如何避免奇點

多年來,機器人技術(shù)人員提出了多種創(chuàng)新方式來避免奇點。當(dāng)機器人連接成直線和/或關(guān)節(jié)接近0度時,就會出現(xiàn)奇點。因此,技術(shù)人員通過工具增加一個很小的角度,以減少機器人進入奇點的機會。

這種技術(shù)仍然是避免奇點的一種好方法。以一個非常小的角度(5-15度)安裝噴qiang,通??梢源_保機器人完全避免奇點。并非總是如此,但這是一個廉價的解決方案,并且很容易實現(xiàn)。

最后,另一種很好的方法是把任務(wù)移動到?jīng)]有奇點的區(qū)域。雖然不是每次都可行,但非常有效。

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