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技术揭秘:设计工程师如何避开机器人“黑洞奇点”

机器人奇点是个让生产商和用户都很头痛的问题,碰上了,严重点可能造成“机毁人亡”。那到底什么是机器人奇点,它是怎么形成的,怎么样才能避免机器人奇点?下面这篇文章由Robotiq公司的Alex Owen-Hill撰写,它能让你全面了解这些烦人的问题。

如果你对科学感兴趣,“奇点”很可能会让你想起黑洞。自从美国LIGO实验室证明了引力波的存在之后,黑洞就被媒体广泛报道,为大众所熟知。根据物理学家推论,在黑洞的中心,存在一个“引力奇点”,这意味着那里的引力非常大,甚至趋于无穷大。机器人奇点的概念跟黑洞完全一样。

机器人奇点是什么?他们怎么会像黑洞一样?

我的机器人要“疯”了

想象一下,你想用你的机器人喷qiang画一条线,如果这条线想要画得完美,机器人需要以一个恒定的速度移动。如果机器人改变速度,则这条线可能会有粗有细,看起来就不是很好。如果机器人减速太多,我们可能会看到线上有难看的斑点。很显然,在画线的时候,机器人以恒定的速度运动是非常重要的。机器人是非常精确的。在通常情况下,机器人可以处理好这个问题,无任何压力。然而,如果在这条线上存在运动奇点,这项工作将不可能完成。

为什么会存在奇点?如何解决?有两种方式可以解决这个问题,但首先让我们了解一下发生了什么事情。

奇点趋于无穷大

我在前面曾说过,黑洞中心的引力“趋于无穷大”。这就意味着,你越靠近中心,引力会变得越大。在黑洞的中心,引力在理论上是无限大的。这也许不是真的(没有人知道),但这是一个数学特性。数学可以很容易处理无穷的概念,而现实世界不能。

大量的数学方程趋于无穷大。正如这位物理学家解释的那样,理论上来说,你每次拔下浴缸的塞子,都创造了一个奇点。其基本原理就是,越接近孔的中心,水流越快。根据这个理论,在孔的正中心,水流速度趋于无限快。在现实中,却并非如此。据我们所知,物理系统的速度并不能达到无限快。

机器人之所以会存在奇点,是因为机器人是由数学控制(它可以达到无限大),但移动的是真实的物理部件(它无法实现无限大)。如果控制器命令机器人某个关节“以无限大的角速度旋转180度”,但机器人关节会“说”:我做不到!

什么是机器人的奇点?

奇点是由机器人的逆运动学引起的。当遇到奇点时,可能有无限种方式到达机器人的同一位置。如果没有选择最优解,假定有一个,机器人关节可能被命令以一种不可能的方式移动。无限大的速度不是产生问题的唯一奇点类型,其他类型的奇点可能更麻烦。如果机器人遇上了这样的奇点,他们需要被关闭,移动机械臂,然后手动重启。

3类机器人奇点

六轴工业机器人存在3种类型的奇点,但是,这些奇点仍然会造成严重的破坏。

工业机器人和机器人系统的美国国家标准是这样定义奇点的,“由两个或多个机器人轴的共线对准引起的不可预测的机器人运动和速度。”因此,三类奇点是按由哪个关节共线引发的问题来定义的:

1.腕关节奇点-这通常发生在机器人的两个腕关节轴(关节4和6)成一条直线。这可能会导致这些关节尝试瞬间旋转180度。 2.肩关节奇点-它发生在机器人中心的腕关节和关节1的轴对齐时。它导致关节1和4试图瞬间旋转180度。这其中还有另外一种情形,就是机器人的第一个和最后一个关节(关节1和6)对齐。 3.肘关节奇点-这发生在机器人中心的腕关节跟关节2和3处于同一平面时。肘关节奇点看起来就像机器人“伸得太远”,导致肘关节被锁在某个位置。

如何避开奇点?

制造商通常都通过编程避开奇点,以免机器人受损。然而,在过去,这只是意味着,如果某个关节被命令以过快的速度运动,机器人将以错误信息的方式完全停止。这并不是一个完美的解决方案。

这些年来,许多机器人制造商都在改进他们的奇点规避技术。在上面的视频中,机器人的每个关节都被编程限制了最大速度。当腕关节被命令以“无限大”的速度运动时,软件就会降低此速度。当它到达线的中间时,机器人的速度会降下来。一旦它通过奇点,机器人将继续以正确的速度完成剩余的运动。画线的工作仍然会被破坏,但机器人能保持功能正常,不会被卡住。

程序员如何避免奇点

避免奇点已经是多年来的热门话题。业界提出了多种解决方案,其中某些方案已经应用在工业机器人上。例如,ETS控制和机器人实验室援引了一篇很好的学术文章,它解释了机器人奇点背后的数学,并提供了使用在工业机器人上的案例。

机器人的轴越多,发生奇点的可能性越大,这是因为会有更多的轴跟其他的轴对齐。当然,额外的轴也可以通过替换位置的方法到达同样的点,以降低奇点的影响。本文很好的介绍了冗余机械臂的控制,并讨论了如何通过编程处理奇点。

技术人员如何避免奇点

多年来,机器人技术人员提出了多种创新方式来避免奇点。当机器人连接成直线和/或关节接近0度时,就会出现奇点。因此,技术人员通过工具增加一个很小的角度,以减少机器人进入奇点的机会。

这种技术仍然是避免奇点的一种好方法。以一个非常小的角度(5-15度)安装喷qiang,通常可以确保机器人完全避免奇点。并非总是如此,但这是一个廉价的解决方案,并且很容易实现。

最后,另一种很好的方法是把任务移动到没有奇点的区域。虽然不是每次都可行,但非常有效。

本文分享自微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources),作者:Yufy

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2016-03-07

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