특이점(Singularity)

빠른 속도와 높은 정밀도, 그리고 넓은 이동범위까지, 다양한 장점을 자랑하는 로봇팔에도 약점이 한 가지 있습니다.

이 약점은 바로 특이점입니다.

 

특이점이란?

특이점은 쉽게 말하자면, 로봇이 불편해하는 포즈라고 할 수 있습니다.

 

작업영역 내에서 로봇의 엔드이펙터는 거의 모든 위치에 도달할 수 있습니다. 하지만, 모든 위치에서 모든 자세를 표현할 수 있는 것은 아닙니다. 극단적인 예로, 로봇팔을 수직으로 쭉 뻗어 작업 영역의 경계에 위치할 때, 엔드이펙터가 밖을 향하는 자세는 가능하지만 안쪽을 향하는 자세는 취하기 힘듭니다.

 

특정 위치에서 어떤 자세를 취하지 어려운 경우, 소위, 각이 안 나온다 싶을 때, 로봇이 특이점 근처에 있을 가능성이 큽니다.

 

기구학 관점에서 보면, 직교 공간의 어떤 위치 자세에 대해 역기구학을 계산하는데, 해(조인트 각도)를 구하기 어려운 영역이 특이점 구간, 즉 역기구학 실패 영역이 될 것입니다.

 

특이점 영역에서는 직교 좌표계에서 한 개 또는 그 이상의 자유도를 잃게 됩니다. 그러다보니 특정 방향으로 직선 이동이 제한됩니다.

 

특이점 분류

로봇역학에서 특이점은 크게 두 가지로 분류됩니다.

 

첫 번째는 workspace-boundary singularities라고 하며, 작업 영역 부근에서 특이점이 형성됩니다. 쭉 뻗게 되면 아무래도 자유도가 줄어들기 때문입니다.

 

두 번째는 workspace-interior singularities라고 하는데, 일반적으로 두 개 혹은 그 이상의 조인트 축 방향이 일치할 때 발생합니다.

 

실제 산업용 로봇의 특이점

첫 번재로 베이스 축을 중심으로 한 원통형 영역이 대표적인 특이점 구간입니다. 엔드 이펙터가 직선 경로로 이 영역을 지나가려 할 경우, 특이점 에러가 발생하거나 특정 조인트가 돌려하다가 조인트 속도 에러가 발생할 것 입니다. 그래서 제품 작업영역 도면을 보면 원통형 영역을 제한 사항으로 표시합니다.

 

두 번째는 작업 영역 경계입니다. 로봇팔을 쭉 뻗은 상태에서 더 뻗으려 하거나, 엔드이펙터 위치를 유지하면서 자세를 변경하려 할 경우, 특이점 에러가 발생할 것 입니다. 사람의 팔을 뻗은 상태에서 더 뻗으려 하면 어깨가 빠지고 관절이 손상되는 것과 비슷합니다.

 

마지막으로 5번째 축이 0 또는 180도 인 경우입니다. 무려 4개의 축이 같은 방향을 가리키게 되어 특정 방향에 대한 자유도를 잃게 됩니다. 아래 그림에서는 현재의 자세를 유지하면서 왼쪽 위치로 이동하기 어렵습니다.

다수의 축 방향이 일치하는 포즈

 

특이점 회피 방법

특이점 구간에서 로봇이 문제없이 움직이는 방법은 조인트 공간 상의 경로로 이동하는 것 입니다. 시작 위치와 목표 위치가 모두 조인트 각도로 주어진다면, 특이점 문제에 마주하지 않을 것 입니다. 직선 경로로 움직이더라도 특이점이 예상되는 구간 만큼은 조인트 경로로 이동하는 것이 적절합니다.

 

 

 

 

출처 :  https://cobots.tistory.com/8?category=0