第08.22 7 機(jī)器人的語言系統(tǒng)

1、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院董春利 QQ：958385645實(shí)訓(xùn)樓414ACompiled by: Dong Chunli復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1. 1.智能機(jī)器人應(yīng)該具備智能機(jī)器人應(yīng)該具備哪些哪些機(jī)能機(jī)能? ?2. 2.智能機(jī)器人的定義。智能機(jī)器人的定義。3. 3.什么是機(jī)器人的感知能力？什么是機(jī)器人的感知能力？4. 4.機(jī)器人的用中存在著哪兩個(gè)問題？機(jī)器人的用中存在著哪兩個(gè)問題？5. 5.這兩個(gè)問題是如何解決的？這兩個(gè)問題是如何解決的？6. 6.智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)是如何劃分的智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)是如何劃分的？7. 7.智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容是什么？是什么？ 8.

2、8.第一層的功能有哪些？第一層的功能有哪些？ 9. 9.第二層的功能有哪些？第二層的功能有哪些？10.10.第三層的功能有哪些？第三層的功能有哪些？ 11.11.第四層的功能有哪些？第四層的功能有哪些？ 12.12.第五層的功能有哪些？第五層的功能有哪些？ 13.13.第六層的功能有哪些？第六層的功能有哪些？ 14.14.人工智能研究哪三方面的問題？人工智能研究哪三方面的問題？15.15.智能機(jī)器人知識(shí)的獲取內(nèi)容？智能機(jī)器人知識(shí)的獲取內(nèi)容？16.16.智能機(jī)器人知識(shí)的處理含哪些技術(shù)？智能機(jī)器人知識(shí)的處理含哪些技術(shù)？17.17.智能機(jī)器人知識(shí)的運(yùn)用基礎(chǔ)是什么？智能機(jī)器人知識(shí)的運(yùn)用基礎(chǔ)是什么？18

3、.18.智能控制的特點(diǎn)有哪些？智能控制的特點(diǎn)有哪些？Compiled by: Dong Chunli復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1. 1.智能機(jī)器人應(yīng)該具備智能機(jī)器人應(yīng)該具備哪些哪些機(jī)能機(jī)能? ?2. 2.智能機(jī)器人的定義。智能機(jī)器人的定義。3. 3.什么是機(jī)器人的感知能力？什么是機(jī)器人的感知能力？4. 4.機(jī)器人的應(yīng)用中存在的問題？機(jī)器人的應(yīng)用中存在的問題？5. 5.這兩個(gè)問題是如何解決的？這兩個(gè)問題是如何解決的？6. 6.智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)如何劃分智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)如何劃分？7. 7.智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容是？是？ 8. 8.第一層的功能有哪些？第一層的功能有哪些？ 9. 9.第二層的功

4、能有哪些？第二層的功能有哪些？10.10.第三層的功能有哪些？第三層的功能有哪些？ 11.11.第四層的功能有哪些？第四層的功能有哪些？ 12.12.第五層的功能有哪些？第五層的功能有哪些？ 13.13.第六層的功能有哪些？第六層的功能有哪些？ 14.14.人工智能研究哪三方面的問題？人工智能研究哪三方面的問題？15.15.智能機(jī)器人知識(shí)獲取內(nèi)容？智能機(jī)器人知識(shí)獲取內(nèi)容？16.16.智能機(jī)器人知識(shí)處理技術(shù)？智能機(jī)器人知識(shí)處理技術(shù)？17.17.智能機(jī)器人知識(shí)的運(yùn)用基礎(chǔ)？智能機(jī)器人知識(shí)的運(yùn)用基礎(chǔ)？18.18.智能控制的特點(diǎn)有哪些？智能控制的特點(diǎn)有哪些？19.19.智能控制主要用在何處？智能控制主要

5、用在何處？機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第七章第七章 機(jī)器人語言系統(tǒng)機(jī)器人語言系統(tǒng)第一節(jié) 機(jī)器人的語言系統(tǒng)概述第二節(jié) 常用機(jī)器人語言簡介第三節(jié) 機(jī)器人的離線編程第四節(jié) 機(jī)器人的編程示例Compiled by: Dong Chunli第一節(jié) 機(jī)器人的語言系統(tǒng)概述 一、機(jī)器人的控制方式二、機(jī)器人語言的編程三、機(jī)器人編程語言的分類四、機(jī)器人編程語言的功能五、機(jī)器人編程語言的發(fā)展Compiled by: Dong Chunli第一節(jié) 機(jī)器人的語言系統(tǒng)概述 o早期的機(jī)器人由于功能單一，動(dòng)作簡單，可采用固定程序或示教方式來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。o隨著機(jī)器人作業(yè)動(dòng)作的多樣化和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，依靠固定的程序或示教

6、方式已滿足不了要求，必須依靠能適應(yīng)作業(yè)和環(huán)境隨時(shí)變化的機(jī)器人語言編程來完成機(jī)器人的工作。o機(jī)器人語言已成為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要部分。機(jī)器人的功能除了依靠機(jī)器人硬件的支持外，相當(dāng)一部分依賴機(jī)器人語言來完成。無論是順序控制、示教再現(xiàn)、離線編程還是語言編程類控制的機(jī)器人。o機(jī)器人編程語言是一種程序描述語言，它能十分簡潔地描述工作環(huán)境和機(jī)器人的動(dòng)作，能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡可能簡單的程序來實(shí)現(xiàn)。o機(jī)器人編程語言也和一般的程序語言一樣，應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)簡明、概念統(tǒng)一、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，很多情況下都是操作者實(shí)時(shí)地操縱機(jī)器人工作，為此，機(jī)器人編程語言還應(yīng)當(dāng)簡單易學(xué)，并且有良好的對話性。o高水

7、平的機(jī)器人編程語言還能夠作出并應(yīng)用目標(biāo)物體和環(huán)境的幾何模型。在工作進(jìn)行過程中，幾何模型又是不斷變化的，因此性能優(yōu)越的機(jī)器人語言會(huì)極大地減少編程的困難。Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人的控制方式o機(jī)器人的控制方式無非是遠(yuǎn)程控制、編程控制與人工控制，按這種控制方式分類，有操作型機(jī)器人、程控型機(jī)器人、示教再現(xiàn)型機(jī)器人、數(shù)控型機(jī)器人、感覺控制型機(jī)器人、適應(yīng)控制型機(jī)器人、學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人、智能機(jī)器人等。o目前，一般的機(jī)器人的主要控制方式和編程方式有順序控制、示教再現(xiàn)、離線編程、語言編程等幾種形式。 。1順序控制形式順序控制形式o主要用于程控型機(jī)器人，即按預(yù)先要求的順序及條件，依

8、次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。所以又叫物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。o在順序控制的機(jī)器人中，所有的控制都是由機(jī)械的或電氣的順序控制器實(shí)現(xiàn)的。按照我們的定義，這里沒有程序設(shè)計(jì)的要求，因此，也就不存在編程方式。o順序控制的靈活性小，這是因?yàn)樗械墓ぷ鬟^程都已事先組織好，或由機(jī)械擋塊，或由其他確定的辦法所控制。大量的自動(dòng)機(jī)都是在順序控制下操作的。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于控制和操作。Compiled by: Dong Chunli2在線編程或示教編程在線編程或示教編程o在線編程又叫示教編程或示教再現(xiàn)編程，用于示教-再現(xiàn)型機(jī)器人中

9、，它是目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人的編程方式，在機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行。所謂示教編程，即操作者根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的需要把機(jī)器人末端執(zhí)行器送到目標(biāo)位置，且處于相應(yīng)的姿態(tài)，然后把這一位置、姿態(tài)所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息記錄到存儲(chǔ)器保存。對機(jī)器人作業(yè)空間的各點(diǎn)重復(fù)以上操作，就把整個(gè)作業(yè)過程記錄下來，再通過適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)，自動(dòng)生成整個(gè)作業(yè)過程的程序代碼，這個(gè)過程就是示教過程。o機(jī)器人示教后可以立即應(yīng)用，在再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人重復(fù)示教時(shí)存入存儲(chǔ)器的軌跡和各種操作，如果需要，過程可以重復(fù)多次。機(jī)器人實(shí)際作業(yè)時(shí)，再現(xiàn)示教時(shí)的作業(yè)操作步驟就能完成預(yù)定工作。機(jī)器人示教產(chǎn)生的程序代碼與機(jī)器人編程語言的程序指令形式非常類似。o示教編程的優(yōu)點(diǎn)：

10、操作簡單，不需要環(huán)境模型；易于掌握，操作者不需要具備專門知識(shí)，不需復(fù)雜的裝置和設(shè)備，軌跡修改方便，再現(xiàn)過程快。對實(shí)際的機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，可以修正機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的誤差。示教編程的缺點(diǎn)：功能編輯比較困難，難以使用傳感器，難以表現(xiàn)條件分支，對實(shí)際的機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，要占用機(jī)器人。 o示教編程在一些簡單、重復(fù)、軌跡或定位精度要求不高的作業(yè)中經(jīng)常被應(yīng)用，如焊接、堆垛、噴涂及搬運(yùn)等作業(yè)。Compiled by: Dong Chunli2在線編程或示教編程在線編程或示教編程o（1）直接示教o直接示教就是操作者操縱安裝在機(jī)器人手臂內(nèi)的操縱桿，按規(guī)定動(dòng)作順序示教動(dòng)作內(nèi)容。主要用于示教再現(xiàn)型機(jī)器人，通過引導(dǎo)或其他方

11、式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。o直接示教是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作任務(wù)的人員所掌握，而且用簡單的設(shè)備和控制裝置即可進(jìn)行。示教過程進(jìn)行得很快，示教過后，馬上即可應(yīng)用。在對機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)存入存儲(chǔ)器的軌跡和各種操作。如果需要，過程還可以重復(fù)多次。在某些系統(tǒng)中，還可以用與示教時(shí)不同的速度再現(xiàn)。o如果能夠從一個(gè)運(yùn)輸裝置獲得使機(jī)器人的操作與搬運(yùn)裝置同步的信號(hào)，就可以用示教的方法來解決機(jī)器人與搬運(yùn)裝置配合的問題。o直接示教方式編程也有一些缺點(diǎn)：o只能在人所能達(dá)到的速度下工作；難與傳感器的信息相配合；不能用于某些危險(xiǎn)的情況；在操作大型機(jī)器人時(shí)，這種方法不

12、實(shí)用；難獲得高速度和直線運(yùn)動(dòng)；難于與其他操作同步。o使用示教盒可以克服其中的一部分缺點(diǎn)。Compiled by: Dong Chunli2在線編程或示教編程在線編程或示教編程o（2）示教盒示教o示教盒示教則是操作者利用示教控制盒上的按鈕驅(qū)動(dòng)機(jī)器人一步一步運(yùn)動(dòng)。o主要用于數(shù)控型機(jī)器人，不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，利用裝在控制盒上的按鈕可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按需要的順序進(jìn)行操作。機(jī)器人根據(jù)示教后形成的程序進(jìn)行作業(yè)。o在示教盒中，每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一對按鈕，分別控制該關(guān)節(jié)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。有時(shí)還提供附加的最大允許速度控制。雖然為了獲得最高的運(yùn)行效率，人們希望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)合成運(yùn)動(dòng)，

13、但在用示教盒示教的方式下，卻難以同時(shí)移動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)。類似于電視游戲機(jī)上的游戲桿雖可用來提供在幾個(gè)方向上的關(guān)節(jié)速度，但它也有缺點(diǎn)。這種游戲桿通過移動(dòng)控制盒中的編碼器或電位器來控制各關(guān)節(jié)的速度和方向，但難以實(shí)現(xiàn)精確控制。o示教盒示教方式編程也有一些缺點(diǎn)：示教相對于再現(xiàn)所需的時(shí)間較長，即機(jī)器人的有效工作時(shí)間短，尤其對一些復(fù)雜的動(dòng)作和軌跡，示教時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過再現(xiàn)時(shí)間。很難示教復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及準(zhǔn)確度要求高的直線。示教軌跡的重復(fù)性差，兩個(gè)不同的操作者示教不出同一個(gè)軌跡，即使同一個(gè)人兩次不同的示教也不能產(chǎn)生同一個(gè)軌跡。無法接受傳感器信息。難以與其他操作或其他機(jī)器人操作同步。示教盒一般用于對大型機(jī)器人或危險(xiǎn)作業(yè)條

14、件下的機(jī)器人示教。但這種方法仍然難以獲得高的控制精度，也難以與其他設(shè)備同步和與傳感器信息相配合。Compiled by: Dong Chunli3離線編程或預(yù)編程離線編程或預(yù)編程o離線編程和預(yù)編程的含意相同。它是指用機(jī)器人程序語言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。離線編程克服了在線編程的許多缺點(diǎn)，充分利用了計(jì)算機(jī)的功能。o主要用于操作型機(jī)器人，能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。o離線編程是在專門的軟件環(huán)境支持下用專用或通用程序在離線情況下進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃編程的一種方法。離線編程程序通過支持軟件的解釋或編譯產(chǎn)生目標(biāo)程序代碼，最后生成機(jī)器人

15、路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)。一些離線編程系統(tǒng)帶有仿真功能，這使得在編程時(shí)就解決了障礙干涉和路徑優(yōu)化問題。這種編程方法與數(shù)控機(jī)床中編制數(shù)控加工程序非常類似。離線編程的發(fā)展方向是自動(dòng)編程。Compiled by: Dong Chunli3離線編程或預(yù)編程離線編程或預(yù)編程o離線編程有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：o1）編程時(shí)可以不使用機(jī)器人，可騰出機(jī)器人去做其他工作；o2）可預(yù)先優(yōu)化操作方案和運(yùn)行周期；o3）以前完成的過程或子程序可結(jié)合到待編的程序中去；o4）可用傳感器探測外部信息，從而使機(jī)器人作出相應(yīng)的響應(yīng)。這種響應(yīng)使機(jī)器人可以工作在自適應(yīng)的方式下；o5）控制功能中可以包含現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（

16、CAM）的信息；o6）可以預(yù)先運(yùn)行程序來模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。利用圖形仿真技術(shù)，可以在屏幕上模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)來輔助編程；o7）對不同的工作目的，只需替換一部分待定的程序。o8）在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，沒有外界環(huán)境的反饋，僅有的輸入是各關(guān)節(jié)傳感器的測量值，因此可以使用簡單的程序設(shè)計(jì)手段。o9）所需的能補(bǔ)償機(jī)器人系統(tǒng)誤差的功能、坐標(biāo)系數(shù)據(jù)仍難以得到。Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的編程o 機(jī)器人的主要特點(diǎn)之一是其通用性，使機(jī)器人具有可編程能力是實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的重要手段。o 機(jī)器人編程必然涉及機(jī)器人語言，機(jī)器人語言是使用符號(hào)來描述機(jī)器人動(dòng)作的方法。它通過對機(jī)器人動(dòng)作的

17、描述，使機(jī)器人按照編程者的意圖進(jìn)行各種操作。Compiled by: Dong Chunli1機(jī)器人的編程系統(tǒng)機(jī)器人的編程系統(tǒng)o 機(jī)器人編程系統(tǒng)的核心問題是機(jī)器人操作運(yùn)動(dòng)控制問題。Compiled by: Dong Chunli示教盒機(jī)器人語言與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信操作系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)編輯狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài)機(jī)器人控制柜傳感器外圍設(shè)備位置作業(yè)和動(dòng)作顯示機(jī)器人當(dāng)前實(shí)用的工業(yè)機(jī)器人編程方法主要為：離線編程和示教。在調(diào)試階段可通過示教控制盒對編譯好的程序進(jìn)行一步一步地執(zhí)行，調(diào)試成功后可投入正式運(yùn)行。如圖所示。機(jī)器人語言操作系統(tǒng)包括三個(gè)基本操作狀態(tài)：監(jiān)控狀態(tài)；編輯狀態(tài)；執(zhí)行狀態(tài)。2機(jī)器人語言編程機(jī)器人語言編程o機(jī)器人

18、語言編程即用專用的機(jī)器人語言來描述機(jī)器人的動(dòng)作軌跡。它不但能準(zhǔn)確地描述機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作，而且能描述機(jī)器人的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，如對傳感器狀態(tài)信息的描述，更進(jìn)一步還能引入邏輯判斷、決策、規(guī)劃功能及人工智能。o機(jī)器人編程語言具有良好的通用性，同一種機(jī)器人語言可用于不同類型的機(jī)器人，也解決了多臺(tái)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作的問題。主要用于下列類型的機(jī)器人。o1）感覺控制型機(jī)器人，利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。o2）適應(yīng)控制型機(jī)器人，機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。o3）學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人，機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，并具有一定的學(xué)習(xí)功能，可以將所“學(xué)習(xí)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。o4）智能機(jī)器人，以人工智能決定

19、其行動(dòng)的機(jī)器人。Compiled by: Dong Chunli3機(jī)器人語言的編程要求機(jī)器人語言的編程要求（1）能夠建立世界模型o在進(jìn)行機(jī)器人編程時(shí)，需要一種描述物體在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方式。所以需要給機(jī)器人及其相關(guān)物體建立一個(gè)基礎(chǔ)坐標(biāo)系。這個(gè)坐標(biāo)系與大地相連，也稱“世界坐標(biāo)系”。 o機(jī)器人工作時(shí)，為了方便起見，也建立其他坐標(biāo)系，同時(shí)建立這些坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換關(guān)系。o機(jī)器人編程系統(tǒng)應(yīng)具有在各種坐標(biāo)系下描述物體位姿的能力和建模能力。（2）能夠描述機(jī)器人的作業(yè)o機(jī)器人作業(yè)的描述與其環(huán)境模型密切相關(guān)，編程語言水平?jīng)Q定了描述水平。其中以自然語言輸入為最高水平?，F(xiàn)有的機(jī)器人語言需要給出作業(yè)順序，由語

20、法和詞法定義輸入語言，并由它描述整個(gè)作業(yè)。（3）能夠描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)o描述機(jī)器人需要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人編程語言的基本功能之一。用戶能夠運(yùn)用語言中的運(yùn)動(dòng)語句，與路徑規(guī)劃器和發(fā)生器連接，允許用戶規(guī)定路徑上的點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)，決定是否采用點(diǎn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)或笛卡兒直線運(yùn)動(dòng)。用戶還可以控制運(yùn)動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間。o對于簡單的運(yùn)動(dòng)語句，大多數(shù)編程語言具有相似的語法。不同語言間在主要運(yùn)動(dòng)基元上的差別是比較表面的。Compiled by: Dong Chunli3機(jī)器人語言的編程要求機(jī)器人語言的編程要求（4）允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程o同一般的計(jì)算機(jī)編程語言一樣，機(jī)器人編程系統(tǒng)允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程，包括試驗(yàn)和轉(zhuǎn)移、循環(huán)、調(diào)用子

21、程序以至中斷等。o對于許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用，并行處理對于自動(dòng)工作站是十分重要的。首先，一個(gè)工作站常常運(yùn)用兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)工作以減少過程周期。在單臺(tái)機(jī)器人的情況，工作站的其他設(shè)備也需要機(jī)器人控制器以并行方式控制。因此，在機(jī)器人編程語言中常常含有信號(hào)和等待等基本語句或指令，而且往往提供比較復(fù)雜的并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)。o通常需要用某種傳感器來監(jiān)控不同的過程。然后，通過中斷或登記通訊，機(jī)器人系統(tǒng)能夠反應(yīng)由傳感器檢測到的一些事件。有些機(jī)器人語言提供規(guī)定這種事件的監(jiān)控器。（5）要有良好的編程環(huán)境o如同任何計(jì)算機(jī)一樣，一個(gè)好的編程環(huán)境有助于提高程序員的工作效率。機(jī)械手的程序編制是困難的，其編程趨向于試探對話式。如果用

22、戶忙于應(yīng)付連續(xù)重復(fù)的編譯語言的編輯編譯執(zhí)行循環(huán)，那么其工作效率必然是低的。因此，現(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人編程語言含有中斷功能，以便能夠在程序開發(fā)和調(diào)試過程中每次只執(zhí)行一條單獨(dú)語句。典型的編程支撐和文件系統(tǒng)也是需要的。 o根據(jù)機(jī)器人編程特點(diǎn)，其支撐軟件應(yīng)具有下列功能：在線修改和立即重新啟動(dòng)；傳感器的輸出和程序追蹤；仿真。Compiled by: Dong Chunli3機(jī)器人語言的編程要求機(jī)器人語言的編程要求（6）需要人機(jī)接口和綜合傳感信號(hào)o在編程和作業(yè)過程中，應(yīng)便于人與機(jī)器人之間進(jìn)行信息交換，以便在運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)處理，確保安全。而且，隨著作業(yè)環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容復(fù)雜程度的增加，需要有功能強(qiáng)大的人機(jī)接口

23、。o機(jī)器人語言的一個(gè)極其重要的部分是與傳感器的相互作用。語言系統(tǒng)應(yīng)能提供一般的決策結(jié)構(gòu)。以便根據(jù)傳感器的信息來控制程序的流程。o在機(jī)器人編程中，傳感器的類型一般分為三類：位置檢測；力覺和觸覺；視覺。如何對傳感器的信息進(jìn)行綜合，各種機(jī)器人語言都有它自己的句法。Compiled by: Dong Chunli三、三、機(jī)器人編程語言的分類機(jī)器人編程語言的分類o給機(jī)器人編程是有效使用機(jī)器人的前提。由于機(jī)器人的控制裝置和作業(yè)要求多種多樣，國內(nèi)外尚未制訂統(tǒng)一的機(jī)器人控制代碼標(biāo)準(zhǔn)，所以編程語言也是多種多樣的。o機(jī)器人語言品種繁多，而且新的語言層出不窮。這是因?yàn)闄C(jī)器人的功能不斷拓展，需要新的語言來配合其工作。

24、另一方面，機(jī)器人語言多是針對某種類型的具體機(jī)器人而開發(fā)的，所以機(jī)器人語言的通用性很差，幾乎一種新的機(jī)器人問世，就有一種新的機(jī)器人語言與之配套。o機(jī)器人語言可以按照其作業(yè)描述水平的程度分為動(dòng)作級(jí)編程語言、對象級(jí)編程語言和任務(wù)級(jí)編程語言三類。Compiled by: Dong Chunli1動(dòng)作級(jí)編程語言動(dòng)作級(jí)編程語言o動(dòng)作級(jí)語言以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個(gè)動(dòng)作。這是一種最基本的描述方式。o動(dòng)作級(jí)編程語言是最低一級(jí)的機(jī)器人語言。它以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)描述為主，通常一條指令對應(yīng)機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作，表示從機(jī)器人的一個(gè)位姿運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位姿。動(dòng)作級(jí)編程語言的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，編程

25、容易。其缺點(diǎn)是功能有限，無法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不接受浮點(diǎn)數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能接受復(fù)雜的傳感器信息，只能接受傳感器開關(guān)信息；與計(jì)算機(jī)的通信能力很差。o典型的動(dòng)作級(jí)編程語言為VAL語言，如VAL語言語句“MOVE TO （destination）”的含義為機(jī)器人從當(dāng)前位姿運(yùn)動(dòng)到目的位姿。o動(dòng)作級(jí)編程語言編程時(shí)分為關(guān)節(jié)級(jí)編程和末端執(zhí)行器級(jí)編程兩種。Compiled by: Dong Chunli1動(dòng)作級(jí)編程語言動(dòng)作級(jí)編程語言o（1）關(guān)節(jié)級(jí)編程o關(guān)節(jié)級(jí)編程是以機(jī)器人的關(guān)節(jié)為對象，編程時(shí)給出機(jī)器人一系列各關(guān)節(jié)位置的時(shí)間序列，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中進(jìn)行的一種編程方法。o對于直角坐標(biāo)型機(jī)器人和圓柱

26、坐標(biāo)型機(jī)器人，由于直角關(guān)節(jié)和圓柱關(guān)節(jié)的表示比較簡單，這種方法編程較為適用；而對具有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，由于關(guān)節(jié)位置的時(shí)間序列表示困難，即使一個(gè)簡單的動(dòng)作也要經(jīng)過許多復(fù)雜的運(yùn)算，整個(gè)編程過程很不方便，故這一方法并不適用。o關(guān)節(jié)級(jí)編程得到的程序沒有通用性，因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)器人編制的程序一般難以用到另一臺(tái)機(jī)器人上。這樣得到的程序也不能模塊化，它的擴(kuò)展也十分困難。o關(guān)節(jié)級(jí)編程可以通過簡單的編程指令來實(shí)現(xiàn)，也可以通過示教盒示教和鍵入示教實(shí)現(xiàn)。Compiled by: Dong Chunli1動(dòng)作級(jí)編程語言動(dòng)作級(jí)編程語言o（2）末端執(zhí)行器級(jí)編程o末端執(zhí)行器級(jí)編程是一種在作業(yè)空間內(nèi)各種設(shè)定好的坐標(biāo)系里編程的編

27、程方法。末端執(zhí)行器級(jí)編程程序給出機(jī)器人終端執(zhí)行器的位姿和輔助機(jī)能的時(shí)間序列，包括力覺、觸覺、視覺等機(jī)能以及作業(yè)用量、作業(yè)工具的選定等。o這種語言的指令由系統(tǒng)軟件解釋執(zhí)行。可提供簡單的條件分支，可應(yīng)用于程序，并提供較強(qiáng)的感受處理功能和工具使用功能，這類語言有的還具有并行功能。o這種語言的基本特點(diǎn)是：1）各關(guān)節(jié)的求逆變換由系統(tǒng)軟件支持進(jìn)行；2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理且導(dǎo)前于執(zhí)行階段；3）使用方便，占內(nèi)存較少；4）指令語句有運(yùn)動(dòng)指令語言、運(yùn)算指令語句、輸入輸出和管理語句等Compiled by: Dong Chunli2對象級(jí)編程語言對象級(jí)編程語言o 對象級(jí)語言解決了動(dòng)作級(jí)語言的不足，它是描述操作物體間關(guān)系使

28、機(jī)器人動(dòng)作的語言，即是以描述操作物體之間的關(guān)系為中心的語言。使用這種語言時(shí)，必須明確地描述操作對象之間的關(guān)系和機(jī)器人與操作對象之間的關(guān)系，它特別適用于組裝作業(yè)。o 所謂對象即作業(yè)及作業(yè)物體本身。對象級(jí)編程語言是比動(dòng)作級(jí)編程語言高一級(jí)的編程語言，它不需要描述機(jī)器人手爪的運(yùn)動(dòng)，只要由編程人員用程序的形式給出作業(yè)本身順序過程的描述和環(huán)境模型的描述，即描述操作物與操作物之間的關(guān)系。通過編譯程序機(jī)器人即能知道如何動(dòng)作。Compiled by: Dong Chunli2對象級(jí)編程語言對象級(jí)編程語言o這類語言典型的例子有AML及AUTOPASS等語言，其特點(diǎn)為：o1）運(yùn)動(dòng)控制：具有動(dòng)作級(jí)編程語言的全部動(dòng)作功

29、能。o2）處理傳感器信息：可以接受比開關(guān)信號(hào)復(fù)雜的傳感器信號(hào)，有較強(qiáng)的感知能力，能處理復(fù)雜的傳感器信息，可以利用傳感器信息來修改、更新環(huán)境的描述和模型，也可以利用傳感器信息進(jìn)行控制、測試和監(jiān)督。o3）具有很好的擴(kuò)展性：具有良好的開放性，語言系統(tǒng)提供了開發(fā)平臺(tái)，用戶可以根據(jù)需要增加指令，擴(kuò)展語言功能。o4）通信和數(shù)字運(yùn)算：數(shù)字計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可以處理浮點(diǎn)數(shù)，能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行即時(shí)通信。o作業(yè)對象級(jí)編程語言以近似自然語言的方式描述作業(yè)對象的狀態(tài)變化，指令語句是復(fù)合語句結(jié)構(gòu)；用表達(dá)式記述作業(yè)對象的位姿時(shí)序數(shù)據(jù)及作業(yè)用量、作業(yè)對象承受的力、力矩等時(shí)序數(shù)據(jù)。o系統(tǒng)中機(jī)器人尺寸參數(shù)、作業(yè)對象及工具等參數(shù)

30、一般以知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫的形式存在，系統(tǒng)編譯程序時(shí)獲取這些信息后對機(jī)器人動(dòng)作過程進(jìn)行仿真，再進(jìn)行實(shí)現(xiàn)作業(yè)對象合適的位姿，獲取傳感器信息并處理，回避障礙以及與其他設(shè)備通信等工作。Compiled by: Dong Chunli3任務(wù)級(jí)編程語言任務(wù)級(jí)編程語言o任務(wù)級(jí)語言是一種比前兩類更高級(jí)的一種語言，也是最理想的機(jī)器人高級(jí)語言。這類語言允許使用者對工作任務(wù)所要求達(dá)到的目標(biāo)直接下命令，不需要規(guī)定機(jī)器人所做的每一個(gè)動(dòng)作的細(xì)節(jié)。只要按某種原則給出最初的環(huán)境模型和最終工作狀態(tài)，機(jī)器人可自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算，最后自動(dòng)生成機(jī)器人的動(dòng)作。為此，機(jī)器人必須一邊思考一邊工作。o這類語言不需要用機(jī)器人的動(dòng)作來描述作業(yè)任務(wù)，

31、也不需要描述機(jī)器人對象物的中間狀態(tài)過程，只需要按照某種規(guī)則描述機(jī)器人對象物的初始狀態(tài)和最終目標(biāo)狀態(tài)，機(jī)器人語言系統(tǒng)即可利用已有的環(huán)境信息和知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算，從而自動(dòng)生成機(jī)器人詳細(xì)的動(dòng)作、順序和數(shù)據(jù)。o任務(wù)級(jí)語言的概念類似于人工智能中程序自動(dòng)生成的概念。任務(wù)級(jí)機(jī)器人編程系統(tǒng)能夠自動(dòng)執(zhí)行許多規(guī)劃任務(wù)。任務(wù)級(jí)機(jī)器人編程系統(tǒng)必須能把指定的工作任務(wù)翻譯為執(zhí)行該任務(wù)的程序。 Compiled by: Dong Chunli3任務(wù)級(jí)編程語言任務(wù)級(jí)編程語言o例如，一裝配機(jī)器人欲完成某一螺釘?shù)难b配，螺釘?shù)某跏嘉恢煤脱b配后的目標(biāo)位置已知，當(dāng)發(fā)出抓取螺釘?shù)拿顣r(shí)，語言系統(tǒng)從初始位置到目標(biāo)位置之間尋找

32、路徑，在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中找出一條不會(huì)與周圍障礙物產(chǎn)生碰撞的合適路徑，在初始位置處選擇恰當(dāng)?shù)淖藨B(tài)抓取螺釘，沿此路徑運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。在此過程中，作業(yè)中間狀態(tài)作業(yè)方案的設(shè)計(jì)、工序的選擇、動(dòng)作的前后安排等一系列問題都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。o任務(wù)級(jí)編程語言的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫的支持，目前還不是十分完善，是一種理想狀態(tài)下的語言，有待于進(jìn)一步的研究。但可以相信，隨著人工智能技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展，任務(wù)級(jí)編程語言必將取代其他語言而成為機(jī)器人語言的主流，使得機(jī)器人的編程應(yīng)用變得十分簡單。o現(xiàn)在還有人在開發(fā)一種系統(tǒng)，它能按某種原則給出最初的環(huán)境狀態(tài)和最終的工作狀態(tài)，然后讓機(jī)器

33、人自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算，最后自動(dòng)生成機(jī)器人的動(dòng)作。這種系統(tǒng)現(xiàn)在仍處于基礎(chǔ)研究階段，還沒有形成機(jī)器人語言。Compiled by: Dong Chunli四、四、機(jī)器人編程語言的功能機(jī)器人編程語言的功能o機(jī)器人語言一直以3種方式發(fā)展著：一是產(chǎn)生一種全新的語言；二是對老版本語言（指計(jì)算機(jī)通用語言）進(jìn)行修改和增加一些句法或規(guī)則；三是在原計(jì)算機(jī)編程語言中增加新的子程序。o因此，機(jī)器人語言與計(jì)算機(jī)編程語言有著密切的關(guān)系，它也應(yīng)有一般程序計(jì)算語言所應(yīng)具有的特性。o1機(jī)器人語言的特征機(jī)器人語言的特征o機(jī)器人語言是在人與機(jī)器人之間的一種記錄信息或交換信息的程序語言，它提供了一種方式來解決人-機(jī)通信問題，它是一種

34、專用語言，用符號(hào)描述機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人編程語言具有一般程序計(jì)算語言所具有的特性。機(jī)器人語言具有四方面的特征：o1）實(shí)時(shí)系統(tǒng)；2）三維空間的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；3）良好的人機(jī)接口；4）實(shí)際的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。Compiled by: Dong Chunli2機(jī)器人語言的指令集機(jī)器人語言的指令集o機(jī)器人語言實(shí)際上是一個(gè)語言系統(tǒng)，機(jī)器人語言系統(tǒng)既包含語言本身給出作業(yè)指示和動(dòng)作指示，同時(shí)又包含處理系統(tǒng)根據(jù)上述指示來控制機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人語言系統(tǒng)能夠支持機(jī)器人編程、控制，以及與外圍設(shè)備、傳感器和機(jī)器人接口；同時(shí)還能支持與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的通信。其機(jī)器人語言指令集包括：o1）移動(dòng)插補(bǔ)功能：直線、圓弧插補(bǔ)； o2）環(huán)境定義功能

35、；o3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)算功能；o4）程序控制功能：跳轉(zhuǎn)運(yùn)行或轉(zhuǎn)入循環(huán)； o5）數(shù)值運(yùn)算功能：四則運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算； o6）輸入、輸出和中斷功能；o7）文件管理功能；o8）其他功能：工具變換、基本坐標(biāo)設(shè)置和初始值設(shè)置，作業(yè)條件的設(shè)置等。Compiled by: Dong Chunli3機(jī)器人編程語言基本特性機(jī)器人編程語言基本特性o（1）清晰性、簡易性和一致性o這個(gè)概念在點(diǎn)位引導(dǎo)級(jí)特別簡單?；具\(yùn)動(dòng)級(jí)作為點(diǎn)位引導(dǎo)級(jí)與結(jié)構(gòu)化級(jí)的混合體，它可能有大量的指令，但控制指令很少，因此缺乏一致性。o結(jié)構(gòu)化級(jí)和任務(wù)生成級(jí)在開發(fā)過程中，自始至終考慮了程序設(shè)計(jì)語言的特性。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減輕了對特定指令

36、的要求，坐標(biāo)變換使得表達(dá)運(yùn)動(dòng)更一般化。而子句的運(yùn)用大大提高了基本運(yùn)動(dòng)語句的通用性。o（2）程序結(jié)構(gòu)的清晰性o結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)的引入，如while-do-if-then-else這種類似自然語言的語句代替簡單的訂和goto語句，使程序結(jié)構(gòu)清晰明了，但需要更多的時(shí)間和精力來掌握。o（3）應(yīng)用的自然性o正是由于這一特性的要求，使得機(jī)器人語言逐漸增加各種功能，由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展。o（4）易擴(kuò)展性o從技術(shù)不斷發(fā)展的觀點(diǎn)來說，各種機(jī)器人語言都能滿足各自機(jī)器人的需要，又能在擴(kuò)展后滿足未來新應(yīng)用領(lǐng)域以及傳感設(shè)備改進(jìn)的需要。o（5）調(diào)試和外部支持工具o它能快速有效地對程序進(jìn)行修改，已商品化的較低級(jí)別的語言有非常

37、豐富的調(diào)試手段，結(jié)構(gòu)化級(jí)在設(shè)計(jì)過程中始終考慮到離線編程，因此也只需要少量的自動(dòng)調(diào)試。o（6）效率o語言的效率取決于編程的容易性即編程效率和語言適應(yīng)新硬件環(huán)境的，能力（即可移植性）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，處理速度越來越快，已能滿足一般機(jī)器人控制的需要，各種復(fù)雜的控制算法實(shí)用化已指日可待。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o 這些基本功能包括運(yùn)算、決策、通訊、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)、工具指令以及傳感器數(shù)據(jù)處理等。許多正在運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)，只提供機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和工具指令以及某些簡單的傳感數(shù)據(jù)處理功能。機(jī)器人語言體現(xiàn)出來的基本功能都是機(jī)器人系統(tǒng)軟件支持形

38、成的。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（1）運(yùn)算）運(yùn)算 o在作業(yè)過程中執(zhí)行的規(guī)定運(yùn)算能力是機(jī)器人控制系統(tǒng)最重要的能力之一。o如果機(jī)器人未裝有任何傳感器，那么就可能不需要對機(jī)器人程序規(guī)定什么運(yùn)算。沒有傳感器的機(jī)器人只不過是一臺(tái)適于編程的數(shù)控機(jī)器。o對于裝有傳感器的機(jī)器人所進(jìn)行的最有用的運(yùn)算是解析幾何計(jì)算。這些運(yùn)算結(jié)果能使機(jī)器人自行作出決定，在下一步把工具或夾手置于何處。用于解析幾何運(yùn)算的計(jì)算工具可能包括下列內(nèi)容：o1）機(jī)械手解答及逆解答。o2）坐標(biāo)運(yùn)算和位置表示，例如，相對位置的構(gòu)成和坐標(biāo)的變化等。o3）矢量運(yùn)算，例如，點(diǎn)積、交積、

39、長度、單位矢量、比例尺以及矢量的線性組合等。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（2）決策）決策o機(jī)器人系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器輸入信息作出決策，而不必執(zhí)行任何運(yùn)算。按照傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果，是作出下一步該干什么這類決策的基礎(chǔ)。這種決策能力使機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能更強(qiáng)有力。一條簡單的條件轉(zhuǎn)移指令（例如檢驗(yàn)零值）就足以執(zhí)行任何決策算法。o供采用的形式包括符號(hào)檢驗(yàn)（正、負(fù)或零）、關(guān)系檢驗(yàn)（大于、不等于等等）、布爾檢驗(yàn)（開或關(guān)、真或假）、邏輯檢驗(yàn)（對一個(gè)計(jì)算字進(jìn)行位組檢驗(yàn)）以及集合檢驗(yàn)（一個(gè)集合的數(shù)、空集等）。 Compiled by: Don

40、g Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（3）通訊）通訊o機(jī)器人系統(tǒng)與操作人員之間的通訊能力，允許機(jī)器人要求操作人員提供信息、告訴操作者下一步該干什么，以及讓操作者知道機(jī)器人打算干什么。人和機(jī)器能夠通過許多不同方式進(jìn)行通訊。o機(jī)器人向人提供信息的設(shè)備，按其復(fù)雜程度排列：o 1）信號(hào)燈，通過發(fā)光二極管，機(jī)器人能夠給出顯示信號(hào)。 o 2）字符打印機(jī)、顯示器。o 3）繪圖儀。o 4）語言合成器或其他音響設(shè)備（鈴、揚(yáng)聲器等）。o這些輸入設(shè)備包括：按鈕、乒乓開關(guān)、旋鈕和指壓開關(guān)；數(shù)字或字母數(shù)字鍵盤；光筆、光標(biāo)指示器和數(shù)字變換板；光學(xué)字符閱讀機(jī)；遠(yuǎn)距離操縱主控裝置，如懸掛式操作臺(tái)等

41、。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（4）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)o可用許多不同方法來規(guī)定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。最簡單的方法是向各關(guān)節(jié)伺服裝置提供一組關(guān)節(jié)位置，然后等待伺服裝置到達(dá)這些規(guī)定位置。比較復(fù)雜的方法是在機(jī)械手工作空間內(nèi)插入一些中間位置。這種程序使所有關(guān)節(jié)同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)和同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。o用與機(jī)械手的形狀無關(guān)的坐標(biāo)來表示工具位置是更先進(jìn)的方法，而且（除X-Y-Z機(jī)械手外）需要用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對解答進(jìn)行計(jì)算。在笛卡兒空間內(nèi)插入工具位置能使工具端點(diǎn)沿著路徑跟隨軌跡平滑運(yùn)動(dòng)。引入一個(gè)參考坐標(biāo)系，用以描述工具位置，然后讓該坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。這對許多情況是很

42、方便的。o采用計(jì)算機(jī)之后，極大地提高了機(jī)械手的工作能力，包括：o1）使復(fù)雜得多的運(yùn)動(dòng)順序成為可能。o2）使運(yùn)用傳感器控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)成為可能。o3）能夠獨(dú)立存儲(chǔ)工具位置，而與機(jī)械手的設(shè)計(jì)以及刻度系數(shù)無關(guān)。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（5）工具指令）工具指令o一個(gè)工具控制指令通常是由閉合某個(gè)開關(guān)或繼電器而開始觸發(fā)的，而繼電器又可能把電源接通或斷開，以直接控制工具運(yùn)動(dòng)，或者送出一個(gè)小功率信號(hào)給電子控制器，讓后者去控制工具。直接控制是最簡單的方法，而且對控制系統(tǒng)的要求也較少。可以用傳感器來感受工具運(yùn)動(dòng)及其功能的執(zhí)行情況。o當(dāng)采用工具功

43、能控制器時(shí)，對機(jī)器人主控制器來說就可能對機(jī)器人進(jìn)行比較復(fù)雜的控制。采用單獨(dú)控制系統(tǒng)能夠使工具功能控制與機(jī)器人控制協(xié)調(diào)一致地工作。這種控制方法已被成功地用于飛機(jī)機(jī)架的鉆孔和銑削加工。Compiled by: Dong Chunli4機(jī)器人編程語言基本功能機(jī)器人編程語言基本功能o（6）傳感數(shù)據(jù)處理）傳感數(shù)據(jù)處理o用于機(jī)械手控制的通用計(jì)算機(jī)只有與傳感器連接起來，才能發(fā)揮其全部效用。傳感數(shù)據(jù)處理是許多機(jī)器人程序編制的十分重要而又復(fù)雜的組成部分。當(dāng)采用觸覺、聽覺或視覺傳感器時(shí)，更是如此。例如，當(dāng)應(yīng)用視覺傳感器獲取視覺特征數(shù)據(jù)、辨識(shí)物體和進(jìn)行機(jī)器人定位時(shí)，對視覺數(shù)據(jù)的處理往往是極其大量的和費(fèi)時(shí)的。o我們已

44、經(jīng)知道，傳感器具有多種形式。此外，我們按照功能，把傳感器概括如下：o1）內(nèi)體感受器用于感受機(jī)械手或其他由計(jì)算機(jī)控制的關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)的位置。o2）觸覺傳感器用于感受工具與物體（工件）間的實(shí)際接觸。o3）接近度或距離傳感器用于感受工具至工件或障礙物的距離。o4）力和力矩傳感器用于感受裝配（如把銷釘插入孔內(nèi)）時(shí)所產(chǎn)生的力和力矩。o5）視覺傳感器用于“看見”工作空間內(nèi)的物體，確定物體的位置或（和）識(shí)別它們的形狀等。Compiled by: Dong Chunli五、五、機(jī)器人編程語言的發(fā)展機(jī)器人編程語言的發(fā)展o1機(jī)器人語言的發(fā)展機(jī)器人語言的發(fā)展o自機(jī)器人出現(xiàn)以來，美國、日本等機(jī)器人的原創(chuàng)國也同時(shí)開始進(jìn)行機(jī)

45、器人語言的研究。美國斯坦福大學(xué)于1973年研制出世界上第一種機(jī)器人語言WAVE語言。o在WAVE語言的基礎(chǔ)上，1974年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室又開發(fā)出一種新的語言，稱為AL語言。AL語言不僅能描述手爪的動(dòng)作，而且可以記憶作業(yè)環(huán)境和該環(huán)境內(nèi)物體和物體之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。o美國IBM公司也一直致力于機(jī)器人語言的研究，取得了不少成果。1975年，IBM公司研制出ML語言，主要用于機(jī)器人的裝配作業(yè)。隨后該公司又研制出另一種語言AUTOPASS語言，這是一種用于裝配的更高級(jí)語言，它可以對幾何模型類任務(wù)進(jìn)行半自動(dòng)編程。Compiled by: Dong Chunli1機(jī)器人語言的發(fā)

46、展機(jī)器人語言的發(fā)展o美國的Unimation公司于1979年推出了VAL語言。它是在BASIC語言基礎(chǔ)上擴(kuò)展的一種機(jī)器人語言，因此具有BASIC的內(nèi)核與結(jié)構(gòu)，編程簡單，語句簡練。VAL語言成功地用于PUMA和UNIMATE型機(jī)器人。1984年，Unimation公司又推出了在VAL基礎(chǔ)上改進(jìn)的機(jī)器人語言VAL 語言。VAL語言除了含有VAL語言的全部功能外，還增加了對傳感器信息的讀取，使得可以利用傳感器信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。o20世紀(jì)80年代初，美國Automatix公司開發(fā)了RAIL語言，該語言可以利用傳感器的信息進(jìn)行零件作業(yè)的檢測。同時(shí)，麥道公司研制了MCL語言，這是一種在數(shù)控自動(dòng)編程語言AP

47、T語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)器人語言。MCL特別適用于由數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等組成的柔性加工單元的編程。Compiled by: Dong Chunli2機(jī)器人語言的種類機(jī)器人語言的種類o機(jī)器人語言品種繁多，而且新的語言層出不窮。這是因?yàn)闄C(jī)器人的功能不斷拓展，需要新的語言來配合其工作。另一方面，機(jī)器人語言多是針對某種類型的具體機(jī)器人而開發(fā)的，所以機(jī)器人語言的通用性很差，幾乎一種新的機(jī)器人問世，就有一種新的機(jī)器人語言與之配套。o到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有多種機(jī)器人語言問世，其中有的是研究室里的實(shí)驗(yàn)語言，有的是實(shí)用的機(jī)器人語言。Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Don

48、g ChunliCompiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli第一節(jié) 概述o給機(jī)器人編程是有效使用機(jī)器人的前提。n 由于機(jī)器人的控制裝置和作業(yè)要求多種多樣，n 國內(nèi)外尚未制訂統(tǒng)一的機(jī)器人控制代碼標(biāo)準(zhǔn)，n 所以編程語言也是多種多樣的。o目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人的主要編程方式有以下幾種形式。 1）順序控制的編程 2）示教方式編程 3）示教盒示教 4）脫機(jī)編程或預(yù)編程Compiled by: Dong Chunli一、順序控制的編程o在順序控制的機(jī)器中，n 所有的控制都是由機(jī)械的或電氣的順序控制器實(shí)現(xiàn)的。o按照我們的定義，這里沒有程序設(shè)計(jì)的要求

49、。n 順序控制的靈活性小，n 這是因?yàn)樗械墓ぷ鬟^程都已編好n 或由機(jī)械擋塊，n 或由其他確定的辦法所控制。n 大量的自動(dòng)機(jī)都是在順序控制下操作的。o這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于控制和操作。Compiled by: Dong Chunlio目前90以下的機(jī)器人還是采用示教方式編程。n 示教方式是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作任務(wù)的人雖所掌握，而用簡單的設(shè)備和控制裝置即可進(jìn)行。n 示教過程進(jìn)行得很快，n 示教過后，馬上即可應(yīng)用。n 在對機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)存入存儲(chǔ)器的軌跡和各種操作。o如果需要，過程還可以重復(fù)多次。n 在某些系統(tǒng)中，還可以用與示教時(shí)不同的速度再現(xiàn)。二、示教方式編程

50、Compiled by: Dong Chunli二、示教方式編程o 如果能夠從一個(gè)運(yùn)輸裝置獲得使機(jī)器人的操作與搬運(yùn)裝置同步的信號(hào)，n就可以用示教的方法來解決機(jī)器人與搬運(yùn)裝置配合的問題。o 示教方式編程也有一些缺點(diǎn)：n只能在人所能達(dá)到的速度下工作；n難與傳感器的信息相配合；n不能用于某些危險(xiǎn)的情況；n在操作大型機(jī)器人時(shí)，這種方法不實(shí)用；n難獲得高速度和直線運(yùn)動(dòng)；n難于與其他操作同步。o 使用示教盒可以克服其中的部分缺點(diǎn)。Compiled by: Dong Chunli三、示教盒示教o 利用裝在控制盒上的按鈕n可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按需要的順序進(jìn)行操作。o 在示教盒中，n每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一對按扭，n分別控制

51、該關(guān)節(jié)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。n有時(shí)還提供附加的最大允許速度控制。o 雖然為了獲得最高的運(yùn)行效率，n人們希望機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)合成運(yùn)動(dòng)，n但在用示教盒示教的方式下，卻難以同時(shí)移動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)。Compiled by: Dong Chunli三、示教盒示教o 電視游戲機(jī)上的游戲桿雖可用來提供在幾個(gè)方向上的關(guān)節(jié)速度，但它也有缺點(diǎn)。n這種游戲桿通過移動(dòng)控制盒中的編碼器或電位器來控制各關(guān)節(jié)的速度和方向，n但難以實(shí)現(xiàn)精確控制。o 示教盒一般用于對大型機(jī)器人或危險(xiǎn)作業(yè)條件下的機(jī)器人示教。n但這種方法仍然難以獲得高的控制精度，n也難以與其他設(shè)備同步和與傳感器信息相配合。Compiled by: Dong Chunl

52、i四、脫機(jī)編程或預(yù)編程o 脫機(jī)編程和預(yù)編程的含意相同。n它是指用機(jī)器人程序語言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而不是用示教的方法編程。o 脫機(jī)編程有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：n1)編程時(shí)可以不使用機(jī)器人，可騰出機(jī)器人去做其他工作n2)可預(yù)先優(yōu)化操作方案和運(yùn)行周期；n3)以前完成的過程或子程序町結(jié)合到待編的程序中左；n4)可用傳感器探測外部信息，從而使機(jī)器人作出相應(yīng)的響應(yīng)。這種響應(yīng)使機(jī)器人可以工作在自適應(yīng)的方式下；Compiled by: Dong Chunli四、脫機(jī)編程或預(yù)編程o 脫機(jī)編程有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：n5)控制功能中可以包含現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的信息；n6)可以預(yù)先

53、運(yùn)行程序來模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。利用圖形仿真技術(shù)，可以在屏幕上模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)來輔助編程；n7)對不同的工作目的，只需替換一部分待定的程序；o 在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，n沒有外界環(huán)境的反饋，n僅有的輸入是各關(guān)節(jié)傳感器的測量值，n因此可以使用簡單的程序設(shè)計(jì)手段。Compiled by: Dong Chunli第二節(jié) 機(jī)器人編程語言的類別和基本特性一、機(jī)器人編程語言的類別二、機(jī)器人語言的基本特性Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人編程語言的類別o機(jī)器人編程語言是一種程序描述語言，n它能十分簡潔地描述工作環(huán)境和機(jī)器人的動(dòng)作，n能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡可能簡單的程序來實(shí)現(xiàn)：o機(jī)

54、器人編程語言也和一般的程序語言一樣，n應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)簡明、概念統(tǒng)一、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。o從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，n很多情況下都是操作者實(shí)時(shí)地操縱機(jī)器人工作，n為此，機(jī)器人編程語言還應(yīng)當(dāng)簡單易學(xué)，n并且有良好的對話性。o高水平的機(jī)器人編程語言還能夠n作出并應(yīng)用目標(biāo)物體和環(huán)境的幾何模型。n在工作進(jìn)行過程中，幾何模型又是不斷變化的，n因此性能優(yōu)越的機(jī)器人語言會(huì)極大地減少編程的困難。 Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人編程語言的類別從描述操作命令的角度來看，機(jī)器人編程語言的水平可以分為：(1)動(dòng)作級(jí)動(dòng)作級(jí)語言以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為中心來描述各種操作，要在程序中說明每個(gè)動(dòng)作。這是一

55、種最基本的描述方式。(2)對象級(jí)對象級(jí)語言允許較粗略地描述操作對象的動(dòng)作、操作對象之間的關(guān)系等使用這種語言時(shí)，必須明確地描述操作對象之間的關(guān)系和機(jī)器人與操作對象之間的關(guān)系，它特別適用于組裝作業(yè)。(3)任務(wù)級(jí)只要直接指定操作內(nèi)容就可以了，為此，機(jī)器人必須一邊思考一邊工作。這是一種水平很高的機(jī)器人程序語言。 Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人編程語言的類別o現(xiàn)在還有人在開發(fā)一種系統(tǒng)，n它能按某種原則給出最初的環(huán)境狀態(tài)和最終的工作狀態(tài)，n然后讓機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行推理、計(jì)算，n最后自動(dòng)生成機(jī)器人的動(dòng)作。n這種系統(tǒng)現(xiàn)在仍處于基礎(chǔ)研究階段還沒有形成機(jī)器人語言。n本章主要介紹動(dòng)作級(jí)和對象

56、級(jí)語言。o到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有多種機(jī)器人語言問世，其中有的是研究室里的實(shí)驗(yàn)語言有的是實(shí)用的機(jī)器人語言。n前者中比較有名的有美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的AL語言、IBM公司開發(fā)的AUTOPASS語言、英國愛丁堡大學(xué)開發(fā)的RAPT語言等；n后者中比較有名的有由AL語言演變而來的VAL語言、日本九州大學(xué)開發(fā)的IML語言、IBM公司開發(fā)的AML語言等Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性o 機(jī)器人語言一直有以3種方式發(fā)展著：1)產(chǎn)生一種全新的語言；2)對老版本語言(指計(jì)算機(jī)通用語言)進(jìn)行修改和增加一些句法或規(guī)則；3)在原計(jì)算機(jī)編程語言中增加新的于程序。o 因此，機(jī)器人語言與計(jì)算

57、機(jī)編程語言有著密切的關(guān)系，n 它也應(yīng)有一般程序計(jì)算語言所應(yīng)具有的特性。Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性1，清晰性、簡易性和一致性2程序結(jié)構(gòu)的清晰性3應(yīng)用的自然性4易擴(kuò)展性5，調(diào)試和外部支持工具6效率Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性1，清晰性、簡易性和一致性o 這個(gè)概念在點(diǎn)位引導(dǎo)級(jí)特別簡單。n基本運(yùn)動(dòng)級(jí)作為點(diǎn)位引導(dǎo)級(jí)與結(jié)構(gòu)化級(jí)的棍合體，n它可能有大量的指令，但控制指令很少缺乏一致性。o 結(jié)構(gòu)化級(jí)和任務(wù)生成級(jí)n在開發(fā)過程中，自始至終考慮了程序設(shè)計(jì)語言的特性。n結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減輕了對特定指令的要求，坐標(biāo)變

58、換使得表達(dá)運(yùn)動(dòng)更一般化。n而于句的運(yùn)用大大提高了基本運(yùn)動(dòng)語句的通用性。Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性2程序結(jié)構(gòu)的清晰性o 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)的引入，n如while-do-ifthenelsen這種類似自然語言的語句代替簡單的if和goto語句，n使程序結(jié)構(gòu)清晰明了，n但需要更多的時(shí)間和精力來掌握。o 3應(yīng)用的自然性o 正是由于這一特性的要求，n使得機(jī)器人語言逐漸增加各種功能，n由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展。Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性4易擴(kuò)展性o 從技術(shù)不斷發(fā)展的觀點(diǎn)來說，n各種機(jī)器人語言都能滿足各自機(jī)器人的需要，n又能

59、在擴(kuò)展后滿足未來新應(yīng)用領(lǐng)域以及傳感設(shè)備改進(jìn)的需要。5，調(diào)試和外部支持工具o 它能快速有效地對程序進(jìn)行修改，n已商品化的較低級(jí)別的語言有非常豐富的調(diào)試手段，n結(jié)構(gòu)化級(jí)在設(shè)計(jì)過程中始終考慮到離線編程，n因此也只需要少量的自動(dòng)調(diào)試；Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人語言的基本特性6效率o 語言的效率取決于編程的容易性n 即編程效率和語言適應(yīng)新硬件環(huán)境的能力(即可移植性)。n 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，n 處理速度越來越快，n 已能滿足一般機(jī)器人控制的需要，n 各種復(fù)雜的控制算法實(shí)用化已指日可待Compiled by: Dong Chunli第三節(jié) 動(dòng)作級(jí)語言一、AL語言及其特征二、LUNA語言及其特征Compiled by: Dong Chunli一、AL語言及其特征o AL語言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，描述諸如裝配一類的任務(wù)。n它有類似ALGOL的源浯言，n有將程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼的編譯程序和由控制操作機(jī)械手和其他設(shè)備的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。n編譯程序是由斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室用高級(jí)語言編寫的，在小型計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行。n近年來該程序已能夠在微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行；o AL語言對其他語言有很大的影響，n在一般機(jī)器人語言中起主導(dǎo)作用。n該語言是斯坦福大學(xué)1974年開發(fā)的。 Compi