Singularity (Osobliwość) – co to?

Singularity to szczególny układ przegubów, w którym robot traci jeden lub więcej stopni swobody: osi współpracujące ustawiły się w jednej linii albo nałożyły się kierunki ruchu. W takiej konfiguracji macierz Jacoba staje się osobliwa (jej wyznacznik dąży do zera), a algorytm kinematyki odwrotnej przestaje jednoznacznie wyznaczać prędkości i momenty. Skutkiem mogą być niekontrolowane przyspieszenia, „wyskok” osi lub sygnały sterujące o bardzo dużych wartościach, które przekraczają możliwości serwonapędów.

Dlaczego osobliwości stanowią wyzwanie dla programistów robotów?

W pobliżu singularity drobna zmiana pozycji TCP może wymagać ogromnej zmiany kątów przegubów, co prowadzi do niestabilnego ruchu, drgań i błędów pozycjonowania. Może to skutkować kolizją narzędzia, przeciążeniem przekładni lub zatrzymaniem linii z powodu alarmu sterownika. Świadomość rozmieszczenia osobliwości w przestrzeni roboczej jest więc krytyczna dla bezpieczeństwa ludzi i sprzętu, a także dla jakości procesu (np. równomiernej prędkości spawania czy nakładania kleju).

Gdzie wykorzystuje się wiedzę o singularity w praktyce?

• Planowanie trajektorii offline (CAM/OLP) – oprogramowanie generuje drogi omijające strefy osobliwości lub automatycznie wstawia kompensujące „łuki omijające”.
• Sterowanie on-line – kontrolery stosują tłumienie pseudoodwrotności Jacobiego albo dynamiczne ograniczenie prędkości w pobliżu osobliwości, aby zapobiegać skokom momentu.
• Optymalizacja pozycji robota – integratorzy ustawiają podstawę robota pod kątem lub dodają siódmą oś liniową, by kluczowe operacje (np. zgrzew punktowy nadwozia) odbywały się z daleka od stref krytycznych.

Jak unikać lub świadomie wykorzystywać osobliwości?

Najczęściej dąży się do ich omijania: odpowiednio ustawia się orientację narzędzia, wstawia dodatkowe punktu pośrednie czy włącza adaptacyjne filtry prędkości. W robotach redundantnych (7-osiowych) można jednak celowo „przespacerować” osobliwość, obracając oś nadmiarową i utrzymując stabilny ruch TCP. Niektóre strategie – np. „singularity robustness” w sterownikach FANUC czy „Singularity Avoidance” w KUKA – pozwalają automatycznie modyfikować trajektorię, aby utrzymać płynne sterowanie, nawet gdy przejazd przez osobliwość jest technicznie nieunikniony. Dzięki temu robot zachowuje powtarzalność i bezpieczeństwo, minimalizując ryzyko nieprzewidywalnych zachowań w czasie rzeczywistym.