ARCS 系统奇异点问题处理指南

1.奇异点

在六轴机器人运动过程中，机械臂通过 6 个关节协同配合，可以实现空间中任意位置和姿态的运动。但当机械臂运动到某些特殊位姿时，两个或多个关节的运动效果会相互抵消或重叠，导致机械臂末端无法沿某个方向继续移动——这就是奇异点（Singularity）。

关节	运动表现	奇异点触发条件与注意事项
J1	绕竖直轴线水平旋转	J5 旋转轴线位于 J1 旋转轴线正上方时，易触发肩部奇异点。
J2	驱动大臂抬升、俯仰摆动	用于调节作业高度，一般不会独立形成奇异点姿态。
J3	控制小臂伸展、折叠	关节角度趋近 0° 或 180°（小臂完全伸直 / 完全折叠），会触发肘部奇异点。
J4	驱动腕部整体旋转	奇异姿态下该关节极易出现瞬间失控超速旋转，为受影响最显著关节。
J5	控制末端工具俯仰摆动	关节角度趋近 0° 或 ±180°（腕部完全展平），易触发腕部奇异点。
J6	驱动末端法兰盘自转	自身回转轴线与 J4 回转轴线共线时，易触发腕部奇异点。

对于 AUBO 六轴工业机械臂，奇异点主要分为以下三种。

肩部奇异点
- 触发条件：当 J5 旋转轴线与 J1 旋转轴线处于同一垂直线上时触发。
- 易发姿态：与单一关节角度无关，通常发生在机械臂“直立指天”或“向内折叠”使得腕部正好位于基座正上方时。
- 表现现象：机械臂运动过程中，当腕部中心 J5 悬停在基座 J1 轴正上方时，转动 J1 只能使机械臂原地自转，无法带动末端向前或向后平移。系统为了维持原有直线轨迹，会强迫 J1 关节以极高的速度来弥补位移（即算法上的“速度发散”），导致其瞬间极速反转，最终触发过载报警并紧急停机。
肘部奇异点
- 触发条件：当机械臂处于“完全伸直”或“完全折叠”状态时触发。即 J2 关节、J3 关节和腕部中心点连成一条直线。
- 易发角度：J3 关节角度 = 0° 或 180°。
- 表现现象：此时机械臂达到了其工作半径的物理极限，无法继续沿手臂延伸的方向进行直线运动。
腕部奇异点
- 触发条件：当 J4 关节的旋转轴线与 J6 关节的旋转轴线共线（重合）时触发。
- 易发角度：J5 关节角度 = 0° 或 ±180°。
- 表现现象：此时 J4 和 J6 的旋转效果在空间上完全重叠（转动 J4 相当于转动 J6），导致机械臂在此姿态下丢失了一个旋转自由度，极易引起 J4 关节瞬间极速反转。

关节超速与电机过载： 在奇异点附近，系统逆解运算会导致个别关节（如 J4 或 J6）接收到异常高的速度指令（理论可达无限大），迫使电机瞬间超出物理极限，直接引发过载报警甚至烧毁驱动器（若无保护机制时）。
减速器剧烈机械冲击： 异常的瞬间超速与随后的急停会产生巨大扭矩，直接冲击精密减速器，容易导致齿轮剧烈磨损、精度下降甚至直接碎裂。
轨迹突变与严重碰撞风险： 为强行维持空间直线轨迹，机械臂姿态会发生不可预测的剧烈“翻转”或“扭转”，极大增加与周边工装夹具及现场人员发生严重碰撞的安全隐患。

当 ARCS 系统检测到机械臂运动中即将触发奇异点时，为避免机械臂受到损伤，将会立即中止机械运动，并以弹窗形式提醒用户路点设置有误。

接下来以肘部奇异点为例介绍在使用 ARCS 系统控制机械臂的情景。

在程序编辑界面编写运动程序，模拟机械臂从安全正常位姿向奇异点位运动。
说明：
- 为复现奇异触发场景，移动方式选用严格遵循笛卡尔空间轨迹约束（即要求工具末端在空间中走出绝对精准的路线）的【样条曲线】。
- 该模式全程 TCP 精准跟随预设空间轨迹，逆解运算（ARCS 系统计算各关节需要分别转多少度来配合这条路线）易触发奇异点。
在程序中设置路点 1。
说明：
该点位为机械臂正常工作位姿，J1 ~ J6 关节参数如界面所示，无奇异风险。
在程序中设置路点 2。
说明：
此路点 J3 为 0°，机械臂在运动至路点 2 的过程中将触发肘部奇异。
设置完成后，界面中实体模型位于路点 1 位置，红色虚影表示路点 2 的目标位姿。
保存程序后，单击软件左下角启动程序。ARCS 系统实时校验路径，预判行进路径途经奇异点，触发安全保护逻辑：即刻终止程序运行，弹出异常告警弹窗。

将移动方式修改为【关节运动】或利用【直线运动】的算法优化，可有效规避或缓解奇异点引发的停机问题。

移动方式修改为【关节运动】
在此模式下，系统不要求工具中心点（TCP）严格遵循笛卡尔空间轨迹，而是直接计算并执行各关节从起点到终点的角度变化。由于无需进行实时的逆运动学求解，彻底避免了因空间死角导致的关节瞬间超速要求，是最安全、最彻底的奇异点规避方案。
移动方式修改为【直线运动】
相比样条曲线严苛的位姿连续性要求，直线运动的轨迹约束相对简单。ARCS 系统的底层插补算法在处理两点间的直线运动时，若检测到接近奇异点，底层插补算法自动微调 TCP 姿态、平滑降速优化轨迹，从而有效缓解速度突变并避免异常中断。
此时，虽然示例程序中将路点 2 的 J3 关节角度设为 0°，但在直线运动模式下，ARCS 系统的底层插补算法会在运动终止时将其微调为 0.26°，从而成功规避奇异点。
警告：
此运动方式并不能完全避免出现奇异点，在编辑程序时，应尽量避免将路点设置为易发奇异点的角度。