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！

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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