로봇 특이점(Singularity)

어깨 특이점은 로봇 손목 중심점이 J1축 관절과 같은 직선상에 있을 때 발생합니다. 로봇의 "어깨" - 즉 제1관절축(J1)과 손목 중심점을 연결하는 선이 일직선상에 있을 때, 로봇 구조는 수평 방향의 자유도를 잃게 됩니다. 이때 J1과 제4관절축(J4)이 결합되어 양축이 말단 자세를 유지하기 위해 "순간적으로" 큰 회전을 완료해야 하며, 관절축 1과 4가 순간적으로 180도 회전하려고 시도합니다. 이는 사람의 어깨와 팔뚝이 완전히 일직선으로 뻗었을 때 팔의 특정 회전 동작이 매우 어려워지는 것과 유사합니다.

로봇 손목 중심점이 관절축 2와 3과 같은 평면에 있을 때 엘보 특이점이 발생합니다. 로봇의 "팔꿈치" - 즉 제2관절축(J2)과 제3관절축(J3) 및 손목 중심점이 동일 평면상에 있고 완전히 뻗어있을 때, 로봇은 "팔을 한계까지 뻗은" 상태와 유사하여 팔꿈치가 특정 공간 위치에 고정됩니다. 이때 팔꿈치의 회전 자유도가 사라져 말단 운동의 특정 방향이 제어 불가능해지고, 역기구학 해가 유일성을 잃게 됩니다. 이는 사람이 팔을 완전히 뻗었을 때 팔꿈치를 더 이상 구부릴 수 없어 일부 동작이 제한되는 것과 유사합니다.

로봇의 두 손목축(관절축 4와 6)이 같은 직선상에 있을 때 손목 특이점이 발생합니다. 로봇 손목의 제4관절축(J4)과 제6관절축(J6)이 일직선상에 있을 때, 손목 부분의 회전 자유도가 결합되어 로봇 말단 자세 제어가 어려워집니다. 이때 TCP의 미세한 움직임이 J4와 J6의 급격한 회전을 유발할 수 있으며, 이러한 관절들이 즉시 180도 회전하려고 시도할 수 있습니다. 이는 사람의 손목이 완전히 한계까지 비틀렸을 때 특정 회전을 팔 전체의 움직임으로만 완성할 수 있는 것과 유사합니다.

어깨 특이점과 엘보 특이점의 경우, 로봇의 작업 범위를 제한하기만 하면 쉽게 회피할 수 있습니다. 그러나 손목 특이점은 로봇 작업 영역의 거의 모든 위치에서 발생할 가능성이 있습니다. 로봇이 이러한 손목 특이점이나 그 근처를 통과할 때, 로봇 손목축의 J4축과 J6축이 짧은 시간 내에 큰 회전량의 운동을 하게 되어 로봇이 극도로 기이한 운동 자세를 보입니다. 이때 손목축의 운행 속도를 제한하면 툴 센터 포인트(TCP)의 속도가 느려지고, 동시에 로봇도 티칭된 운행 궤적에서 벗어나게 됩니다.