機器人奇點是個讓生產商和用戶都很頭痛的問題，碰上了，嚴重點可能造成“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。根據物理學家推論，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），但這是一個數學特性。數學可以很容易處理無窮的概念，而現實世界不能。

大量的數學方程趨于無窮大。正如這位物理學家解釋的那樣，理論上來說，你每次拔下浴缸的塞子，都創造了一個奇點。其基本原理就是，越接近孔的中心，水流越快。根據這個理論，在孔的正中心，水流速度趨于無限快。在現實中，卻并非如此。據我們所知，物理系統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學控制（它可以達到無限大），但移動的是真實的物理部件（它無法實現無限大）。如果控制器命令機器人某個關節“以無限大的角速度旋轉180度”，但機器人關節會“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引起的。當遇到奇點時，可能有無限種方式到達機器人的同一位置。如果沒有選擇最優解，假定有一個，機器人關節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，他們需要被關閉，移動機械臂，然后手動重啟。

3類機器人奇點

六軸工業機器人存在3種類型的奇點，但是，這些奇點仍然會造成嚴重的破壞。

工業機器人和機器人系統的美國國家標準是這樣定義奇點的，“由兩個或多個機器人軸的共線對準引起的不可預測的機器人運動和速度。”因此，三類奇點是按由哪個關節共線引發的問題來定義的：

1.腕關節奇點-這通常發生在機器人的兩個腕關節軸（關節4和6）成一條直線。這可能會導致這些關節嘗試瞬間旋轉180度。

2.肩關節奇點-它發生在機器人中心的腕關節和關節1的軸對齊時。它導致關節1和4試圖瞬間旋轉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節（關節1和6）對齊。

3.肘關節奇點-這發生在機器人中心的腕關節跟關節2和3處于同一平面時。肘關節奇點看起來就像機器人“伸得太遠”，導致肘關節被鎖在某個位置。

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，當他們被命令以無限大的速凍運動時，關節顯示為紅色，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，如果某個關節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避技術。在上面的視頻中，機器人的每個關節都被編程限制了最大速度。當腕關節被命令以“無限大”的速度運動時，軟件就會降低此速度。當它到達線的中間時，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

避免奇點已經是多年來的熱門話題。業界提出了多種解決方案，其中某些方案已經應用在工業機器人上。例如，ETS控制和機器人實驗室援引了一篇很好的學術文章，它解釋了機器人奇點背后的數學，并提供了使用在工業機器人上的案例。

機器人的軸越多，發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。

技術人員如何避免奇點

多年來，機器人技術人員提出了多種創新方式來避免奇點。當機器人連接成直線和/或關節接近0度時，就會出現奇點。因此，技術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，通常可以確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。

最后，另一種很好的方法是把任務移動到沒有奇點的區域。雖然不是每次都可行，但非常有效。

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