Интегрированный алгоритм управления для избегания препятствий и сингулярностей в роботе-манипуляторе

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.

1. Beck 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.2023.10.1582

2. Li 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/10.1145/3704558.3705523

3. Ding 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.2024.3387434

4. Morton 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/iros60139.2025.11246389

5. Ducaju 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/iros55552.2023.10342181

6. Kim 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/app11136190

7. Wong 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/electronics13245025

8. He 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/s25082364

9. Zhu 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.2023.3306405

10. Liu 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.2025.3534519

11. Zhao 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.2024.01.014

12. Альвардат 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/10.34031/2071-7318-2025-10-10-115-128

13. Alwardat 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/S1068798X24702691

14. Alwardat 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.2024.111100210

15. Alwardat 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.v5i3.2019

16. Alwardat 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.v16i3.7221

17. Alwardat 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.v16i1.7178

18. Альвардат 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/10.34031/2071-7318-2025-11-1-117-132

19. Альвардат 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/10.17586/0021-3454-2025-68-7-643-647