第8章機(jī)器人編程

1、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)國家級國家級智能科學(xué)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)團(tuán)隊智能科學(xué)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)團(tuán)隊“機(jī)器人學(xué)機(jī)器人學(xué)”課程配套教材課程配套教材蔡自興蔡自興 主編主編20092第八章 機(jī)器人編程8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型對機(jī)器人編程的要求 能夠建立世界模型（world model）在進(jìn)行機(jī)器人編程時，需要一種描述物體在三維空間內(nèi)運(yùn)動的方法。存在具體的幾何型式是機(jī)器人編程語言最普通的組成部分。物體的所有運(yùn)動都以相對于基坐標(biāo)系的工具坐標(biāo)來描述。機(jī)器人語言應(yīng)當(dāng)具有對世界（環(huán)境）的建模功能。 能夠描述機(jī)器人的作業(yè) 現(xiàn)有的機(jī)器人語言需要給出作業(yè)順序，由語法和詞法定義輸入語言，并由它描述整個作業(yè)。 機(jī)器人學(xué)

2、基礎(chǔ)3能夠描述機(jī)器人的運(yùn)動 描述機(jī)器人需要進(jìn)行的運(yùn)動是機(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)定路徑上的點及目標(biāo)點，決定是否采用點插補(bǔ)運(yùn)動或笛卡兒直線運(yùn)動。用戶還可以控制運(yùn)動速度或運(yùn)動持續(xù)時間。允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程 同一般的計算機(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，包括試驗和轉(zhuǎn)移、循環(huán)、調(diào)用子程序以至中斷等。 8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型對機(jī)器人編程的要求 4要有良好的編程環(huán)境 一個好的編程環(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。從而導(dǎo)致工作效率低下。 現(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人編程語言含

3、有中斷功能，以便能在程序開發(fā)和調(diào)試過程中每次只執(zhí)行一條單獨語句。典型的編程支撐（如文本編輯調(diào)試程序）和文件系統(tǒng)也是需要的。 需要人機(jī)接口和綜合傳感信號 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)動出現(xiàn)故障時能及時處理，確保安全。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。 8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型對機(jī)器人編程的要求 58.1 機(jī)器人編程要求與語言類型機(jī)器人編程語言的類型動作級編程語言 動作級語言是以機(jī)器人的運(yùn)動作為描述中心，通常由指揮夾手從一個位置到另一個位置的一系列命令組成。動作級語言的每一個命令（指令）對應(yīng)于一個動作。動作級編程又可分為關(guān)節(jié)級

4、編程和終端執(zhí)行器編程兩種。 關(guān)節(jié)級編程 關(guān)節(jié)級編程程序給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位移的時間序列。 終端執(zhí)行器級編程 終端執(zhí)行器級編程是一種在作業(yè)空間內(nèi)直角坐標(biāo)系里工作的編程方法。 第八章 機(jī)器人編程6對象級編程語言 對象級語言解決了動作級語言的不足，它是描述操作物體間關(guān)系使機(jī)器人動作的語言，即是以描述操作物體之間的關(guān)系為中心的語言，這類語言有AML，AUTOPASS等。 AUTOPASS是一種用于計算機(jī)控制下進(jìn)行機(jī)械零件裝配的自動編程系統(tǒng)，這一編程系統(tǒng)面對作業(yè)對象及裝配操作而不直接面對裝配機(jī)器人的運(yùn)動。 任務(wù)級編程語言 任務(wù)級語言是比較高級的機(jī)器人語言，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

5、命令，不需要規(guī)定機(jī)器人所做的每一個動作的細(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)器人可自動進(jìn)行推理、計算，最后自動生成機(jī)器人的動作。 8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型機(jī)器人編程語言的類型7決定編程語言具有不同設(shè)計特點的因素語言模式、型式 幾何學(xué)數(shù)據(jù)形式 旋轉(zhuǎn)矩陣的規(guī)定與表示 控制多個機(jī)械手的能力 控制結(jié)構(gòu) 、模式 運(yùn)動形式 信號線傳感器接口 支援模塊 調(diào)試性能8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型機(jī)器人編程語言的類型88.2 機(jī)器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能機(jī)器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含語言本身和處理系統(tǒng)支持機(jī)器人編程、控制 支持與外圍設(shè)備、傳感器 和機(jī)器人接口支持和計算機(jī)系統(tǒng)的通信包括三個基

6、本的操作狀態(tài) 監(jiān)控狀態(tài) 編輯狀態(tài) 執(zhí)行狀態(tài) 第八章 機(jī)器人編程8.4圖 機(jī)器人語言系統(tǒng)98.2 機(jī)器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能機(jī)器人編程語言的基本功能運(yùn)算 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。 決策 機(jī)器人系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器輸入信息做出決策，而不必執(zhí)行任何運(yùn)算。 通訊 人和機(jī)器能夠通過許多不同方式進(jìn)行通訊。 第八章 機(jī)器人編程10機(jī)械手運(yùn)動 可用許多不同方法來規(guī)定機(jī)械手的運(yùn)動。工具指令 一個工具控制指令通常是由閉合某個開關(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，或者送出一個小功率信號給電子控制器，讓后者去控制工具。傳感數(shù)據(jù)處理 用于機(jī)

7、械手控制的通用計算機(jī)只有與傳感器連接起來，才能發(fā)揮其全部效用。 8.2 機(jī)器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能 機(jī)器人編程語言的基本功能118.3 常用的機(jī)器人編程語言.2表8 國外主要的機(jī)器人語言第八章 機(jī)器人編程8.2表 國外主要的機(jī)器人語言128.3 常用的機(jī)器人編程語言.2表8 國外主要的機(jī)器人語言（續(xù)上表）第八章 機(jī)器人編程8.2表 國外主要的機(jī)器人語言（續(xù)上表）138.3 常用的機(jī)器人編程語言VAL語言由美國Unimation公司推出 是在BASIC語言的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的機(jī)器人語言 適用于機(jī)器人兩級控制系統(tǒng) 主要用于PUMA機(jī)器人、UNIMATE 2000和UNIMATE 4000系列機(jī)器人VA

8、L語言的主要特點 編程方法和全部指令適用性廣指令簡明指令及功能均可擴(kuò)展 可調(diào)用子程序組成復(fù)雜操作控制 可連續(xù)實時計算和產(chǎn)生機(jī)器人控制指令，實現(xiàn)人機(jī)交聯(lián) 第八章 機(jī)器人編程148.3 常用的機(jī)器人編程語言SIGLA語言由意大利OLIVETTI公司研制的非文本型類語言可在RAM大于8k的微型計算機(jī)上執(zhí)行也可事先固化在PROM中多個指令字為用戶提供了定義機(jī)器人任務(wù)的能力 在SIGMA型機(jī)器人上，裝配任務(wù)常由若干子任務(wù)組成 設(shè)計了32個指令定義字完成對子任務(wù)的描述及將子任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的組合 第八章 機(jī)器人編程15指令定義字的要求描述各種子任務(wù) 將各子任務(wù)組合起來成為可執(zhí)行的任務(wù)指令定義字的分類輸入輸出指

9、令邏輯指令幾何指令 調(diào)子程序指令 邏輯聯(lián)鎖指令編輯指令 8.3 常用的機(jī)器人編程語言SIGLA語言168.3 常用的機(jī)器人編程語言IML語言由日本九州大學(xué)開發(fā)，是一種著眼于末端執(zhí)行器動作進(jìn)行編程的動作級語言 數(shù)據(jù)類型有標(biāo)量 、矢量和邏輯型數(shù)據(jù) 用直角坐標(biāo)系來描述機(jī)器人和目標(biāo)物體的位姿固定在機(jī)器人上的機(jī)座坐標(biāo)系 固定在操作空間的工作坐標(biāo)系 命令以指令形式給出，由解釋程序來解釋系統(tǒng)提供的基本指令 使用者定義的用戶指令 第八章 機(jī)器人編程17用戶利用該語言給出機(jī)器人的工作點、操作路線，或給出目標(biāo)物體的位置、姿態(tài)，直接操縱機(jī)器人IML語言還具有的特征描述往返運(yùn)作可以不用循環(huán)語句 可以直接在工作坐標(biāo)系內(nèi)

10、使用能把要示教的軌跡（末端執(zhí)行器位姿向量的變化）定義成指令，加入到語言中。所示教的數(shù)據(jù)還可以用力控制方式再現(xiàn)出來。 8.3 常用的機(jī)器人編程語言IML語言188.3 常用的機(jī)器人編程語言AL語言由美國斯坦福大學(xué)人工智能實驗室開發(fā)原設(shè)計用于有傳感反饋的多個機(jī)器手并行或協(xié)同控制的編程 AL系統(tǒng)硬件應(yīng)包括后臺計算機(jī)、控制計算機(jī)和多臺在線微型計算機(jī)基本功能語句 標(biāo)量（SCALAR） 向量（VECTOR） 旋轉(zhuǎn)（ROT） 坐標(biāo)系（FRAME） 變換（TRANS） 第八章 機(jī)器人編程19基本功能語句塊結(jié)構(gòu)形式 運(yùn)動語句（MOVE） 手的開合運(yùn)動（OPEN，CLOSE） 兩物體結(jié)合的操作（AFFIX，UNF

11、IX）力覺的處理功能 力的穩(wěn)定性控制 同時控制多臺機(jī)械手的運(yùn)動語句（COBEGIN，COEND ）可使用子程序及數(shù)組（PROCEDURE，ARRAY）可與VAL語言進(jìn)行信息交流 8.3 常用的機(jī)器人編程語言 AL語言208.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程的特點和主要內(nèi)容隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和所完成任務(wù)復(fù)雜程度的提高，示教方式編程已很難滿足要求 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)利用計算機(jī)圖形學(xué)建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，再利用規(guī)劃算法通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃 示教編程和離線編程兩種方式的比較 第八章 機(jī)器人編程218.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程的特點和主要內(nèi)容8.4

12、表 兩種機(jī)器人編程的比較離線編程的優(yōu)點可減少機(jī)器人非工作時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機(jī)器人仍可在生產(chǎn)線上工作 使編程者遠(yuǎn)離危險的工作環(huán)境 使用范圍廣，可以對各種機(jī)器人進(jìn)行編程 便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合做到CAD/CAM/機(jī)器人一體化 可使用高級計算機(jī)編程語言對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程 便于修改機(jī)器人程序 22離線編程系統(tǒng)的主要內(nèi)容機(jī)器人工作過程的知識 機(jī)器人和工作環(huán)境三維實體模型 機(jī)器人幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)知識 基于圖形顯示和可進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動圖形仿真的關(guān)于上述內(nèi)容的軟件系統(tǒng) 軌跡規(guī)劃和檢查算法傳感器的接口和仿真，以用傳感器信息進(jìn)行決策和規(guī)劃 通訊功能，進(jìn)行從離線編程系統(tǒng)所生成的運(yùn)動代碼到各種

13、機(jī)器人控制柜的通訊用戶接口，提供有效的人機(jī)界面，便于人工干預(yù)和進(jìn)行系統(tǒng)的操作 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程的特點和主要內(nèi)容238.4 機(jī)器人的離線編程8.5圖 離線編程系統(tǒng)框圖機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)24用戶接口工業(yè)機(jī)器人一般提供兩個用戶接口 用于示教編程，可以用示教盒直接編制機(jī)器人程序。 用于語言編程，即用機(jī)器人語言編制程序，使機(jī)器人完成給定的任務(wù)。 機(jī)器人系統(tǒng)的三維構(gòu)型 構(gòu)型的三種主要方式 結(jié)構(gòu)立體幾何表示掃描變換表示 邊界表示邊界表示最便于形體在計算機(jī)內(nèi)表示、運(yùn)算、修改和顯示 結(jié)構(gòu)立體幾何表示所覆蓋的形體種類較多 掃描變換表示則便于生成軸對稱的形體 機(jī)器人系統(tǒng)的幾何構(gòu)型大多采用

14、這三種形式的組合8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)25運(yùn)動學(xué)計算 分為運(yùn)動學(xué)正解和運(yùn)動學(xué)反解兩部分 正解是給出機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)和關(guān)節(jié)變量來計算末端位姿 反解則是由給定的末端位姿計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量值 就運(yùn)動學(xué)反解而言，離線編程系統(tǒng)與機(jī)器人控制柜的聯(lián)系有兩種選擇 用離線編程系統(tǒng)代替機(jī)器人控制柜的逆運(yùn)動學(xué)，將機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)值通訊給控制柜 將笛卡兒坐標(biāo)值輸送給控制柜，由控制柜提供的逆運(yùn)動學(xué)方程求解機(jī)器人的形態(tài)8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)26軌跡規(guī)劃規(guī)劃的兩種類型 自由移動（僅由初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)定義） 依賴于軌跡的約束運(yùn)動 約束運(yùn)動受到路徑、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)約束 自由移動

15、沒有約束條件 軌跡規(guī)劃器接受路徑設(shè)定和約束條件的輸入，并輸出起點和終點之間按時間排列的中間形態(tài)序列，它們可用關(guān)節(jié)坐標(biāo)或笛卡兒坐標(biāo)表示 軌跡規(guī)劃器采用軌跡規(guī)劃算法 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)27動力學(xué)仿真 當(dāng)機(jī)器人跟蹤期望的運(yùn)動軌跡時，如果所產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi)，則離線編程系統(tǒng)可以只從運(yùn)動學(xué)的角度進(jìn)行軌跡規(guī)劃，而不考慮機(jī)器人的動力學(xué)特性。但是，如果機(jī)器人工作在高速和重負(fù)載的情況下，則必須考慮動力學(xué)特性，以防止產(chǎn)生比較大的誤差。 快速有效地建立動力學(xué)模型是機(jī)器人實時控制及仿真的主要任務(wù)之一 從計算機(jī)軟件設(shè)計的觀點看，動力學(xué)模型的建立分為三類 數(shù)字法 符號法 解析（數(shù)字符號）

16、法 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)28并行操作 定義并行操作是在同一時刻對多個裝置工作進(jìn)行仿真的技術(shù)目的提供對不同裝置工作過程進(jìn)行仿真的環(huán)境 工作原理在執(zhí)行過程中，首先對每一裝置分配并聯(lián)和串聯(lián)存儲器 如果可以分配幾個不同處理器共一個并聯(lián)存儲器，則可使用并行處理，否則應(yīng)該在各存儲器中交換執(zhí)行情況，并控制各工作裝置的運(yùn)動程序的執(zhí)行時間 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)29傳感器的仿真 在離線編程系統(tǒng)中，對傳感器進(jìn)行構(gòu)型以及能對裝有傳感器的機(jī)器人的誤差校正進(jìn)行仿真是很重要的。 傳感器主要分局部的和全局的兩類局部傳感器有力覺、觸覺和接近覺等傳感器 全局傳感器有視覺等傳

17、感器 傳感器功能可以通過幾何圖形仿真獲取信息 如觸覺，為了獲取有關(guān)接觸的信息，可以將觸覺陣列的幾何模型分解成一些小的幾何塊陣列，然后通過對每一幾何塊和物體間干涉的檢查，并將所有和物體發(fā)生干涉的幾何塊用顏色編碼，通過圖形顯示可以得到接觸的信息。 力覺傳感器除了要檢驗力傳感器的幾何模型和物體間的相交外，還需計算出二者相交的體積，根據(jù)相交體積的大小可以定量地表征出實際力傳感器所測力和數(shù)值。 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)30通訊接口 作用起著聯(lián)結(jié)軟件系統(tǒng)和機(jī)器人控制柜的橋梁作用 可以把仿真系統(tǒng)所生成的機(jī)器人運(yùn)動程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制柜可以接受的代碼 離線編程系統(tǒng)實用化的一個主要問題缺

18、乏標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的功能是可以將機(jī)器人仿真程序轉(zhuǎn)化成各種機(jī)器人控制柜可接受的格式 解決辦法選擇一種較為通用的機(jī)器人語言，然后通過對該語言加工使其轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制柜可接受的語言 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)31誤差的校正目前誤差校正的方法主要有兩種基準(zhǔn)點方法。即在工作空間內(nèi)選擇一些基準(zhǔn)點（一般不少于三點），這些基準(zhǔn)點具有比較高的位置精度，由離線編程系統(tǒng)規(guī)劃使機(jī)器人運(yùn)動到這些基準(zhǔn)點，通過兩者之間的差異形成誤差補(bǔ)償函數(shù) 傳感器方法。利用傳感器（力覺或視覺等）形成反饋，在離線編程系統(tǒng)所提供機(jī)器人位置的基礎(chǔ)上，局部精確定位靠傳感器來完成 基準(zhǔn)點方法主要用于精度要求不太高的場合（如噴涂 ）傳感器方法用于較高精度的場合（如裝配） 8.4 機(jī)器人的離線編程機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)328.5 總結(jié) 研究了對機(jī)器人編程的要求這些要求包括能夠建立世界模型、能夠描述機(jī)器人的作業(yè)和運(yùn)動、允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程、要有良好的編程環(huán)境以及需要功能強(qiáng)大的人機(jī)接口，并能綜合傳感信號等 機(jī)器人編程語言的分類問題按照機(jī)器人作業(yè)水平的高低，把機(jī)器人編程語言分為三級，即動作級、對象級和任務(wù)級 第八章 機(jī)器人編程338.5 總結(jié) 機(jī)器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本功能 一個機(jī)器人語言系