機(jī)器人奇點(diǎn)是個(gè)讓生產(chǎn)商和用戶都很頭痛的問題，碰上了，嚴(yán)重點(diǎn)可能造成“機(jī)毀人亡”。那到底什么是機(jī)器人奇點(diǎn)，它是怎么形成的，怎么樣才能避免機(jī)器人奇點(diǎn)？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(duì)科學(xué)感興趣，“奇點(diǎn)”很可能會(huì)讓你想起黑洞。自從美國(guó)LIGO實(shí)驗(yàn)室證明了引力波的存在之后，黑洞就被媒體廣泛報(bào)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(gè)“引力奇點(diǎn)”，這意味著那里的引力非常大，甚至趨于無窮大。機(jī)器人奇點(diǎn)的概念跟黑洞完全一樣。

機(jī)器人奇點(diǎn)是什么？他們?cè)趺磿?huì)像黑洞一樣？

我的機(jī)器人要“瘋”了

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

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

奇點(diǎn)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(huì)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(gè)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(shí)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(gè)奇點(diǎn)。其基本原理就是，越接近孔的中心，水流越快。根據(jù)這個(gè)理論，在孔的正中心，水流速度趨于無限快。在現(xiàn)實(shí)中，卻并非如此。據(jù)我們所知，物理系統(tǒng)的速度并不能達(dá)到無限快。

機(jī)器人之所以會(huì)存在奇點(diǎn)，是因?yàn)闄C(jī)器人是由數(shù)學(xué)控制（它可以達(dá)到無限大），但移動(dòng)的是真實(shí)的物理部件（它無法實(shí)現(xiàn)無限大）。如果控制器命令機(jī)器人某個(gè)關(guān)節(jié)“以無限大的角速度旋轉(zhuǎn)180度”，但機(jī)器人關(guān)節(jié)會(huì)“說”：我做不到！

什么是機(jī)器人的奇點(diǎn)？

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

3類機(jī)器人奇點(diǎn)

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

工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器人系統(tǒng)的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義奇點(diǎn)的，“由兩個(gè)或多個(gè)機(jī)器人軸的共線對(duì)準(zhǔn)引起的不可預(yù)測(cè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和速度。”因此，三類奇點(diǎn)是按由哪個(gè)關(guān)節(jié)共線引發(fā)的問題來定義的：

1.腕關(guān)節(jié)奇點(diǎn)-這通常發(fā)生在機(jī)器人的兩個(gè)腕關(guān)節(jié)軸（關(guān)節(jié)4和6）成一條直線。這可能會(huì)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(diǎn)-它發(fā)生在機(jī)器人中心的腕關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)1的軸對(duì)齊時(shí)。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(jī)器人的第一個(gè)和最后一個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)1和6）對(duì)齊。

3.肘關(guān)節(jié)奇點(diǎn)-這發(fā)生在機(jī)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(shí)。肘關(guān)節(jié)奇點(diǎn)看起來就像機(jī)器人“伸得太遠(yuǎn)”，導(dǎo)致肘關(guān)節(jié)被鎖在某個(gè)位置。

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

上面這個(gè)視頻展示了這些機(jī)器人奇點(diǎn)的模擬。在視頻中，當(dāng)他們被命令以無限大的速凍運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(diǎn)？

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

這些年來，許多機(jī)器人制造商都在改進(jìn)他們的奇點(diǎn)規(guī)避技術(shù)。在上面的視頻中，機(jī)器人的每個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)，軟件就會(huì)降低此速度。當(dāng)它到達(dá)線的中間時(shí)，機(jī)器人的速度會(huì)降下來。一旦它通過奇點(diǎn)，機(jī)器人將繼續(xù)以正確的速度完成剩余的運(yùn)動(dòng)。畫線的工作仍然會(huì)被破壞，但機(jī)器人能保持功能正常，不會(huì)被卡住。

程序員如何避免奇點(diǎn)

避免奇點(diǎn)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(jī)器人上。例如，ETS控制和機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室援引了一篇很好的學(xué)術(shù)文章，它解釋了機(jī)器人奇點(diǎn)背后的數(shù)學(xué)，并提供了使用在工業(yè)機(jī)器人上的案例。

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

技術(shù)人員如何避免奇點(diǎn)

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

這種技術(shù)仍然是避免奇點(diǎn)的一種好方法。以一個(gè)非常小的角度（5-15度）安裝噴qiang，通常可以確保機(jī)器人完全避免奇點(diǎn)。并非總是如此，但這是一個(gè)廉價(jià)的解決方案，并且很容易實(shí)現(xiàn)。

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

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