Numerical computation and avoidance of manipulator singularities
Authors:   , Bohigas Nadal Oriol 
Published: October 2023

This thesis develops general solutions to two open problems of robot kinematics: the exhaustive computation of the singularity set of a manipulator, and the synthesis of singularity-free paths between given configurations. Obtaining proper solutions to these problems is crucial, because singularities generally pose problems to the normal operation of a robot and, thus, they should be taken into account before the actual construction of a prototype. The ability to compute the whole singularity set also provides rich information on the global motion capabilities of a manipulator. The projections onto the task and joint spaces delimit the working regions in such spaces, may inform on the various assembly modes of the manipulator, and highlight areas where control or dexterity losses can arise, among other anomalous behaviour. These projections also supply a fair view of the feasible movements of the system, but do not reveal all possible singularity-free motions. Automatic motion planners allowing to circumvent problematic singularities should thus be devised to assist the design and programming stages of a manipulator.

The key role played by singular configurations has been thoroughly known for several years, but existing methods for singularity computation or avoidance still concentrate on specific classes of manipulators. The absence of methods able to tackle these problems on a sufficiently large class of manipulators is problematic because it hinders the analysis of more complex manipulators or the development of new robot topologies. A main reason for this absence has been the lack of computational tools suitable to the underlying mathematics that such problems conceal. However, recent advances in the field of numerical methods for polynomial system solving now permit to confront these issues with a very general intention in mind.

The purpose of this thesis is to take advantage of this progress and to propose general robust methods for the computation and avoidance of singularities on non-redundant manipulators of arbitrary architecture. Overall, the work seeks to contribute to the general understanding on how the motions of complex multibody systems can be predicted, planned, or controlled in an efficient and reliable way.
Aquesta tesi desenvolupa solucions generals per dos problemes oberts de la cinemàtica de robots: el càlcul exhaustiu del conjunt singular d'un manipulador, i la síntesi de camins lliures de singularitats entre configuracions donades. Obtenir solucions adequades per aquests problemes és crucial, ja que les singularitats plantegen problemes al funcionament normal del robot i, per tant, haurien de ser completament identificades abans de la construcció d'un prototipus. La habilitat de computar tot el conjunt singular també proporciona informació rica sobre les capacitats globals de moviment d'un manipulador. Les projeccions cap a l'espai de tasques o d'articulacions delimiten les regions de treball en aquests espais, poden informar sobre les diferents maneres de muntar el manipulador, i remarquen les àrees on poden sorgir pèrdues de control o destresa, entre d'altres comportaments anòmals. Aquestes projeccions també proporcionen una imatge fidel dels moviments factibles del sistema, però no revelen tots els possibles moviments lliures de singularitats. Planificadors de moviment automàtics que permetin evitar les singularitats problemàtiques haurien de ser ideats per tal d'assistir les etapes de disseny i programació d'un manipulador.

El paper clau que juguen les configuracions singulars ha estat àmpliament conegut durant anys, però els mètodes existents pel càlcul o evitació de singularitats encara es concentren en classes específiques de manipuladors. L'absència de mètodes capaços de tractar aquests problemes en una classe suficientment gran de manipuladors és problemàtica, ja que dificulta l'anàlisi de manipuladors més complexes o el desenvolupament de noves topologies de robots. Una raó principal d'aquesta absència ha estat la manca d'eines computacionals adequades a les matemàtiques subjacents que aquests problemes amaguen. No obstant, avenços recents en el camp de mètodes numèrics per la solució de sistemes polinòmics permeten ara enfrontar-se a aquests temes amb una intenció molt general en ment.

El propòsit d'aquesta tesi és aprofitar aquest progrés i proposar mètodes robustos i generals pel càlcul i evitació de singularitats per manipuladors no redundants d'arquitectura arbitrària. En global, el treball busca contribuir a la comprensió general sobre com els moviments de sistemes multicos complexos es poden predir, planificar o controlar d'una manera eficient i segura