ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-2-275-286ntv-589Research ArticleАВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКАAUTOMATIC CONTROL AND ROBOTICSИнтегрированный алгоритм управления для избегания препятствий и сингулярностей в роботе-манипулятореIntegrated control algorithm for obstacle and singularity avoidance in a robotic manipulatorhttps://orcid.org/0009-0009-9505-6288АльвардатМ. Я.AlwardatM. Ya.

Альвардат Мохаммад Ясин — аспирант 

Санкт-Петербург, 195251 

sc 59317423900 

Mohammad Yasin Alwardat — PhD Student 

Saint Petersburg, 195251 

sc 59317423900 

moh.alwardat@yahoo.comhttps://orcid.org/0000-0001-6900-7946Ал-АражиМ. Х.AlwanH. M.

Ал-Аражи Мохаммед Хасан — кандидат технических наук, доцент 

Санкт-Петербург, 195251 

sc 57202389530 

Hassan Mohammed Alwan — PhD, Associate Professor 

Saint Petersburg, 195251 

alarazhi_hm@spbstu.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202620042026262275286Copyright © Альвардат М.Я., Ал-Аражи М.Х., 20262026Альвардат М.Я., Ал-Аражи М.Х.Alwardat M.Y., Alwan H.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/589

Введение. Рассмотрена задача безопасного управления шестизвенным роботом-манипулятором в ограниченном рабочем пространстве, содержащем препятствия и потенциальные сингулярные конфигурации. Цель исследования заключается в разработке интегрированного алгоритма, обеспечивающего одновременное избегание препятствий и предотвращение сингулярных состояний при сохранении высокой точности позиционирования конца эффектора. Метод. Предлагаемый подход основан на сочетании пропорциональноинтегрально-дифференциального регулятора в декартовом пространстве и метода псевдоинверсии с демпфированием с проекцией вторичных задач в нуль-пространство, что позволяет поддерживать манипулируемость и стабилизировать управление вблизи сингулярных конфигураций. Для предотвращения столкновений используется метод искусственных потенциальных полей, формирующий отталкивающие скорости на уровне звеньев. Основные результаты. Результаты численного моделирования в двух сценариях показали, что предложенный алгоритм позволяет достигать заданных целей без коллизий, при этом остаточная погрешность позиционирования составляет менее 0,05 м, минимальная дистанция до ближайшего препятствия не опускается ниже 0,18 м, а индекс манипулируемости остается выше 0,8. Обсуждение. Полученные данные подтверждают эффективность и применимость разработанного решения для управления роботами-манипуляторами в режиме реального времени.

This paper addresses the problem of safe control of a six-degree-of-freedom robotic manipulator operating in a constrained workspace containing obstacles and potential singular configurations. The aim of the study is to develop an integrated control algorithm that simultaneously ensures obstacle avoidance and singularity prevention while maintaining high end-effector positioning accuracy. The proposed methodology combines a PID controller in Cartesian space, the Damped Least Squares method, and the projection of secondary tasks into the null space. To prevent collisions, an Artificial Potential Field module is used to generate repulsive velocities at the link level. This structure allows adaptive motion regulation under varying workspace geometries and maintains the system manipulability near singular points. Numerical simulation results for two scenarios demonstrate that the proposed algorithm enables the manipulator to reach the target point with a residual positioning error of less than 0.05 m, while the minimum distance to the nearest obstacle remained above 0.18 m, and the manipulability index stayed higher than 0.8. The manipulator exhibited stable behavior without collisions or singularities, confirming the effectiveness and real-time applicability of the developed approach.

робот-манипуляторизбегание препятствийсингулярностиметод псевдоинверсии с демпфированиемнульпространствопланирование траекторииметод искусственных потенциальных полейrobotic manipulatorobstacle avoidancesingularitydamped least squaresnull spacetrajectory planningartificial potential fieldsReferencesBeck F., Vu M.N., Hartl-Nešić C., Kugi A. Singularity avoidance with application to online trajectory optimization for serial manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2023. V. 56. N 2. P. 284–291. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.10.1582Beck F., Vu M.N., Hartl-Nešić C., Kugi A. Singularity avoidance with application to online trajectory optimization for serial manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2023. V. 56. N 2. P. 284–291. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.10.1582Li Y., Zheng Y., Liu Y., Gao S., Song R. Damped least-squares optimization-based singularity configuration avoidance for manipulator // Proc. of the 2nd International Conference on Frontiers of Intelligent Manufacturing and Automation. 2024. P. 560–565. https://doi.org/10.1145/3704558.3705523Li Y., Zheng Y., Liu Y., Gao S., Song R. Damped least-squares optimization-based singularity configuration avoidance for manipulator // Proc. of the 2nd International Conference on Frontiers of Intelligent Manufacturing and Automation. 2024. P. 560–565. https://doi.org/10.1145/3704558.3705523Ding X., Wang H., Ren Y., Zheng Y., Chen C., He J. Online control barrier function construction for safety-critical motion control of manipulators // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2024. V. 54. N 8. P. 4761–4771. https://doi.org/10.1109/tsmc.2024.3387434Ding X., Wang H., Ren Y., Zheng Y., Chen C., He J. Online control barrier function construction for safety-critical motion control of manipulators // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. 2024. V. 54. N 8. P. 4761–4771. https://doi.org/10.1109/tsmc.2024.3387434Morton D., Pavone M. Safe, task-consistent manipulation with operational space control barrier functions // Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ( I R O S ) . 2025 . P. 187–194 . https://doi.org/10.1109/iros60139.2025.11246389Morton D., Pavone M. Safe, task-consistent manipulation with operational space control barrier functions // Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ( I R O S ) . 2025 . P. 187–194 . https://doi.org/10.1109/iros60139.2025.11246389Ducaju J.M.S., Olofsson B., Robertsson A., Johansson R. Null-space compliance variation for safe human–robot collaboration in redundant manipulators using safety control barrier functions // Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2023. P. 5903–5909. https://doi.org/10.1109/iros55552.2023.10342181Ducaju J.M.S., Olofsson B., Robertsson A., Johansson R. Null-space compliance variation for safe human–robot collaboration in redundant manipulators using safety control barrier functions // Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2023. P. 5903–5909. https://doi.org/10.1109/iros55552.2023.10342181Kim S., Yun S., Shin D. Numerical quantification of controllability in the null space for redundant manipulators // Applied Sciences. 2021. V. 11. N 13. P. 6190. https://doi.org/10.3390/app11136190Kim S., Yun S., Shin D. Numerical quantification of controllability in the null space for redundant manipulators // Applied Sciences. 2021. V. 11. N 13. P. 6190. https://doi.org/10.3390/app11136190Wong C.-C., Tsai C.-Y., Lai Y.-C., Wong S.-W. Manipulability-aware task-oriented grasp planning and motion control with application in a Seven-DoF redundant dual-arm robot // Electronics. 2024. V. 13. N 24. P. 5025. https://doi.org/10.3390/electronics13245025Wong C.-C., Tsai C.-Y., Lai Y.-C., Wong S.-W. Manipulability-aware task-oriented grasp planning and motion control with application in a Seven-DoF redundant dual-arm robot // Electronics. 2024. V. 13. N 24. P. 5025. https://doi.org/10.3390/electronics13245025He X., Zhou Y., Liu H., Shang W. Improved RRT*-connect manipulator path planning in a multi-obstacle narrow environment // Sensors. 2025. V. 25. N 8. P. 2364. https://doi.org/10.3390/s25082364He X., Zhou Y., Liu H., Shang W. Improved RRT*-connect manipulator path planning in a multi-obstacle narrow environment // Sensors. 2025. V. 25. N 8. P. 2364. https://doi.org/10.3390/s25082364Zhu T., Mao J., Han L., Zhang C., Yang J. Real-time dynamic obstacle avoidance for robot manipulators based on cascaded nonlinear MPC with artificial potential field // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2024. V. 71. N 7. P. 7424–7434. https://doi.org/10.1109/tie.2023.3306405Zhu T., Mao J., Han L., Zhang C., Yang J. Real-time dynamic obstacle avoidance for robot manipulators based on cascaded nonlinear MPC with artificial potential field // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2024. V. 71. N 7. P. 7424–7434. https://doi.org/10.1109/tie.2023.3306405Liu J., Yang J., Mao J., Zhu T., Xie Q., Li Y., Wang X., Li S. Flexible active safety motion control for robotic obstacle avoidance: a CBFguided MPC approach // IEEE Robotics and Automation Letters. 2025. V. 10. N 3. P. 2686–2693. https://doi.org/10.1109/lra.2025.3534519Liu J., Yang J., Mao J., Zhu T., Xie Q., Li Y., Wang X., Li S. Flexible active safety motion control for robotic obstacle avoidance: a CBFguided MPC approach // IEEE Robotics and Automation Letters. 2025. V. 10. N 3. P. 2686–2693. https://doi.org/10.1109/lra.2025.3534519Zhao Z., Yang X., Li Y., Xu Z., Zhao J., Liu H. Singularity analysis and avoidance for an SSRMS-type reconfigurable space manipulator with a non-spherical wrist and two lockable passive telescopic links // Chinese Journal of Aeronautics. 2024. V. 37. N 8. P. 435–459. https://doi.org/10.1016/j.cja.2024.01.014Zhao Z., Yang X., Li Y., Xu Z., Zhao J., Liu H. Singularity analysis and avoidance for an SSRMS-type reconfigurable space manipulator with a non-spherical wrist and two lockable passive telescopic links // Chinese Journal of Aeronautics. 2024. V. 37. N 8. P. 435–459. https://doi.org/10.1016/j.cja.2024.01.014Альвардат М., Ал-Аражи Х.М. Интеллектуальные методы управления траекторией робота манипулятора с предотвращением сингулярностей // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2025. № 10. С. 115– 128. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-10-115-128Alwardat M., Alwan H. Intelligent control methods for robot manipulator trajectory planning with singularity avoidance. Bulletin of Belgorod State Technological University Named After V.G. Shukhov, 2025, no. 10, pp. 115–128. (in Russian). https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-10-10-115-128Alwardat M.Y., Alwan H.M., Kochneva O.V. Comprehensive kinematic analysis for optimal performance of a 6-DOF robotic manipulator with prismatic joint (RRRRRP) // Russian Engineering Research. 2024. V. 44. N 11. P. 1640–1647. https://doi.org/10.3103/S1068798X24702691Alwardat M.Y., Alwan H.M., Kochneva O.V. Comprehensive kinematic analysis for optimal performance of a 6-DOF robotic manipulator with prismatic joint (RRRRRP) // Russian Engineering Research. 2024. V. 44. N 11. P. 1640–1647. https://doi.org/10.3103/S1068798X24702691Alwardat M.Y., Alwan H.M. Forward and inverse kinematics of a 6-DOF robotic manipulator with a prismatic joint using MATLAB robotics toolbox // International Journal of Advanced Technology and Engineering Exploration. 2024. V. 11. N 117. P. 1096–1110. https://doi.org/10.19101/ijatee.2024.111100210Alwardat M.Y., Alwan H.M. Forward and inverse kinematics of a 6-DOF robotic manipulator with a prismatic joint using MATLAB robotics toolbox // International Journal of Advanced Technology and Engineering Exploration. 2024. V. 11. N 117. P. 1096–1110. https://doi.org/10.19101/ijatee.2024.111100210Alwardat M.Y., M’bolo O.E.-L., Benslimane Y., Alwan H.M. Intelligent control of rigid-link manipulators: a systematic review of recent advances and future trends // International Journal of Robotics and Control Systems. 2025. V. 5. N 3. P. 1949–1974. https://doi.org/10.31763/ijrcs.v5i3.2019Alwardat M.Y., M’bolo O.E.-L., Benslimane Y., Alwan H.M. Intelligent control of rigid-link manipulators: a systematic review of recent advances and future trends // International Journal of Robotics and Control Systems. 2025. V. 5. N 3. P. 1949–1974. https://doi.org/10.31763/ijrcs.v5i3.2019Alwardat M.Y., Alwan H.M. Redundancy-based obstacle avoidance with virtual force fields for high-dof robotic arm // International Journal of Advanced Research in Computer Science. 2025. V. 16. N 3. P. 15–21. https://doi.org/10.26483/ijarcs.v16i3.7221Alwardat M.Y., Alwan H.M. Redundancy-based obstacle avoidance with virtual force fields for high-dof robotic arm // International Journal of Advanced Research in Computer Science. 2025. V. 16. N 3. P. 15–21. https://doi.org/10.26483/ijarcs.v16i3.7221Alwardat M.Y., Alwan H.M. Geometric Jacobians derivation and kinematic singularity analysis for 6-dof robotic manipulator // International Journal of Advanced Research in Computer Science. 2025. V. 16. N 1. P. 6–20. https://doi.org/10.26483/ijarcs.v16i1.7178Alwardat M.Y., Alwan H.M. Geometric Jacobians derivation and kinematic singularity analysis for 6-dof robotic manipulator // International Journal of Advanced Research in Computer Science. 2025. V. 16. N 1. P. 6–20. https://doi.org/10.26483/ijarcs.v16i1.7178Альвардат М., Ал-Аражи Х.М. Оптимизация траектории робота с избеганием сингулярностей на основе ОМК и нечеткой логики // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2026. № 1. С. 117–132. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-11-1-117-132Alwardat M., Alwan H. Path optimization and singularity avoidance in robotic manipulators using hybrid ACO-FLC techniques, Bulletin of Belgorod State Technological University Named After V.G. Shukhov, 2026, no. 1, pp. 117–132. (in Russian). https://doi.org/10.34031/2071-7318-2025-11-1-117-132Альвардат М.Я., Ал-Аражи Х.М. Анализ сингулярностей робота-манипулятора с шестью степенями свободы с использованием MATLAB // Известия высших учебных заведений. Приборо­строение. 2025. Т. 68. № 7. С. 643–647. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2025-68-7-643-647Alwardat M.Y., Araji H.M. Singularity analysis of a robotic manipulator with six degrees of freedom using MatLab, Journal of Instrument Engineering, 2025, vol. 68, no. 7, pp. 643–647. (in Russian). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2025-68-7-643-647

The authors declare that there are no conflicts of interest present.