1、機器人學基礎機器人學基礎國家級國家級智能科學基礎系列課程教學團隊智能科學基礎系列課程教學團隊“機器人學機器人學”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 機器人編程8.1 機器人編程要求與語言類型對機器人編程的要求 能夠建立世界模型（world model）在進行機器人編程時，需要一種描述物體在三維空間內運動的方法。存在具體的幾何型式是機器人編程語言最普通的組成部分。物體的所有運動都以相對于基坐標系的工具坐標來描述。機器人語言應當具有對世界（環(huán)境）的建模功能。 能夠描述機器人的作業(yè) 現有的機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)。 機器人學

2、基礎3能夠描述機器人的運動 描述機器人需要進行的運動是機器人編程語言的基本功能之一。用戶能夠運用語言中的運動語句，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點，決定是否采用點插補運動或笛卡兒直線運動。用戶還可以控制運動速度或運動持續(xù)時間。允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程 同一般的計算機編程語言一樣，機器人編程系統(tǒng)允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程，包括試驗和轉移、循環(huán)、調用子程序以至中斷等。 8.1 機器人編程要求與語言類型對機器人編程的要求 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。從而導致工作效率低下。 現在大多數機器人編程語言含

3、有中斷功能，以便能在程序開發(fā)和調試過程中每次只執(zhí)行一條單獨語句。典型的編程支撐（如文本編輯調試程序）和文件系統(tǒng)也是需要的。 需要人機接口和綜合傳感信號 在編程和作業(yè)過程中，應便于人與機器人之間進行信息交換，以便在運動出現故障時能及時處理，確保安全。隨著作業(yè)環(huán)境和作業(yè)內容復雜程度的增加，需要有功能強大的人機接口。 8.1 機器人編程要求與語言類型對機器人編程的要求 58.1 機器人編程要求與語言類型機器人編程語言的類型動作級編程語言 動作級語言是以機器人的運動作為描述中心，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）對應于一個動作。動作級編程又可分為關節(jié)級

4、編程和終端執(zhí)行器編程兩種。 關節(jié)級編程 關節(jié)級編程程序給出機器人各關節(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)空間內直角坐標系里工作的編程方法。 第八章 機器人編程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系使機器人動作的語言，即是以描述操作物體之間的關系為中心的語言，這類語言有AML，AUTOPASS等。 AUTOPASS是一種用于計算機控制下進行機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器人的運動。 任務級編程語言 任務級語言是比較高級的機器人語言，這類語言允許使用者對工作任務所要求達到的目標直接下

5、命令，不需要規(guī)定機器人所做的每一個動作的細節(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)，機器人可自動進行推理、計算，最后自動生成機器人的動作。 8.1 機器人編程要求與語言類型機器人編程語言的類型7決定編程語言具有不同設計特點的因素語言模式、型式 幾何學數據形式 旋轉矩陣的規(guī)定與表示 控制多個機械手的能力 控制結構 、模式 運動形式 信號線傳感器接口 支援模塊 調試性能8.1 機器人編程要求與語言類型機器人編程語言的類型88.2 機器人語言系統(tǒng)結構和基本功能機器人語言系統(tǒng)的結構包含語言本身和處理系統(tǒng)支持機器人編程、控制 支持與外圍設備、傳感器 和機器人接口支持和計算機系統(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 機器人編程8.4圖 機器人語言系統(tǒng)98.2 機器人語言系統(tǒng)結構和基本功能機器人編程語言的基本功能運算 在作業(yè)過程中執(zhí)行的規(guī)定運算能力是機器人控制系統(tǒng)最重要的能力之一。 決策 機器人系統(tǒng)能夠根據傳感器輸入信息做出決策，而不必執(zhí)行任何運算。 通訊 人和機器能夠通過許多不同方式進行通訊。 第八章 機器人編程10機械手運動 可用許多不同方法來規(guī)定機械手的運動。工具指令 一個工具控制指令通常是由閉合某個開關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。傳感數據處理 用于機

7、械手控制的通用計算機只有與傳感器連接起來，才能發(fā)揮其全部效用。 8.2 機器人語言系統(tǒng)結構和基本功能 機器人編程語言的基本功能118.3 常用的機器人編程語言.2表8 國外主要的機器人語言第八章 機器人編程8.2表 國外主要的機器人語言128.3 常用的機器人編程語言.2表8 國外主要的機器人語言（續(xù)上表）第八章 機器人編程8.2表 國外主要的機器人語言（續(xù)上表）138.3 常用的機器人編程語言VAL語言由美國Unimation公司推出 是在BASIC語言的基礎上擴展的機器人語言 適用于機器人兩級控制系統(tǒng) 主要用于PUMA機器人、UNIMATE 2000和UNIMATE 4000系列機器人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展 可調用子程序組成復雜操作控制 可連續(xù)實時計算和產生機器人控制指令，實現人機交聯 第八章 機器人編程148.3 常用的機器人編程語言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器人任務的能力 在SIGMA型機器人上，裝配任務常由若干子任務組成 設計了32個指令定義字完成對子任務的描述及將子任務進行相應的組合 第八章 機器人編程15指令定義字的要求描述各種子任務 將各子任務組合起來成為可執(zhí)行的任務指令定義字的分類輸入輸出指

9、令邏輯指令幾何指令 調子程序指令 邏輯聯鎖指令編輯指令 8.3 常用的機器人編程語言SIGLA語言168.3 常用的機器人編程語言IML語言由日本九州大學開發(fā)，是一種著眼于末端執(zhí)行器動作進行編程的動作級語言 數據類型有標量 、矢量和邏輯型數據 用直角坐標系來描述機器人和目標物體的位姿固定在機器人上的機座坐標系 固定在操作空間的工作坐標系 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 機器人編程17用戶利用該語言給出機器人的工作點、操作路線，或給出目標物體的位置、姿態(tài)，直接操縱機器人IML語言還具有的特征描述往返運作可以不用循環(huán)語句 可以直接在工作坐標系內

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。所示教的數據還可以用力控制方式再現出來。 8.3 常用的機器人編程語言IML語言188.3 常用的機器人編程語言AL語言由美國斯坦福大學人工智能實驗室開發(fā)原設計用于有傳感反饋的多個機器手并行或協同控制的編程 AL系統(tǒng)硬件應包括后臺計算機、控制計算機和多臺在線微型計算機基本功能語句 標量（SCALAR） 向量（VECTOR） 旋轉（ROT） 坐標系（FRAME） 變換（TRANS） 第八章 機器人編程19基本功能語句塊結構形式 運動語句（MOVE） 手的開合運動（OPEN，CLOSE） 兩物體結合的操作（AFFIX，UNF

11、IX）力覺的處理功能 力的穩(wěn)定性控制 同時控制多臺機械手的運動語句（COBEGIN，COEND ）可使用子程序及數組（PROCEDURE，ARRAY）可與VAL語言進行信息交流 8.3 常用的機器人編程語言 AL語言208.4 機器人的離線編程機器人離線編程的特點和主要內容隨著機器人應用范圍的擴大和所完成任務復雜程度的提高，示教方式編程已很難滿足要求 機器人離線編程系統(tǒng)利用計算機圖形學建立機器人及其工作環(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 機器人編程218.4 機器人的離線編程機器人離線編程的特點和主要內容8.4

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

13、機器人控制柜的通訊用戶接口，提供有效的人機界面，便于人工干預和進行系統(tǒng)的操作 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程的特點和主要內容238.4 機器人的離線編程8.5圖 離線編程系統(tǒng)框圖機器人離線編程系統(tǒng)的結構24用戶接口工業(yè)機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器人程序。 用于語言編程，即用機器人語言編制程序，使機器人完成給定的任務。 機器人系統(tǒng)的三維構型 構型的三種主要方式 結構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內表示、運算、修改和顯示 結構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 機器人系統(tǒng)的幾何構型大多采用

14、這三種形式的組合8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構25運動學計算 分為運動學正解和運動學反解兩部分 正解是給出機器人運動參數和關節(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的關節(jié)變量值 就運動學反解而言，離線編程系統(tǒng)與機器人控制柜的聯系有兩種選擇 用離線編程系統(tǒng)代替機器人控制柜的逆運動學，將機器人關節(jié)坐標值通訊給控制柜 將笛卡兒坐標值輸送給控制柜，由控制柜提供的逆運動學方程求解機器人的形態(tài)8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構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)和目標狀態(tài)定義） 依賴于軌跡的約束運動 約束運動受到路徑、運動學和動力學約束 自由移動

15、沒有約束條件 軌跡規(guī)劃器接受路徑設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，它們可用關節(jié)坐標或笛卡兒坐標表示 軌跡規(guī)劃器采用軌跡規(guī)劃算法 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構27動力學仿真 當機器人跟蹤期望的運動軌跡時，如果所產生的誤差在允許范圍內，則離線編程系統(tǒng)可以只從運動學的角度進行軌跡規(guī)劃，而不考慮機器人的動力學特性。但是，如果機器人工作在高速和重負載的情況下，則必須考慮動力學特性，以防止產生比較大的誤差。 快速有效地建立動力學模型是機器人實時控制及仿真的主要任務之一 從計算機軟件設計的觀點看，動力學模型的建立分為三類 數字法 符號法 解析（數字符號）

16、法 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構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行仿真的技術目的提供對不同裝置工作過程進行仿真的環(huán)境 工作原理在執(zhí)行過程中，首先對每一裝置分配并聯和串聯存儲器 如果可以分配幾個不同處理器共一個并聯存儲器，則可使用并行處理，否則應該在各存儲器中交換執(zhí)行情況，并控制各工作裝置的運動程序的執(zhí)行時間 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構29傳感器的仿真 在離線編程系統(tǒng)中，對傳感器進行構型以及能對裝有傳感器的機器人的誤差校正進行仿真是很重要的。 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值。 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構30通訊接口 作用起著聯結軟件系統(tǒng)和機器人控制柜的橋梁作用 可以把仿真系統(tǒng)所生成的機器人運動程序轉換成機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、乏標準的通訊接口 標準通訊接口的功能是可以將機器人仿真程序轉化成各種機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器人語言，然后通過對該語言加工使其轉換成機器人控制柜可接受的語言 8.4 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構31誤差的校正目前誤差校正的方法主要有兩種基準點方法。即在工作空間內選擇一些基準點（一般不少于三點），這些基準點具有比較高的位置精度，由離線編程系統(tǒng)規(guī)劃使機器人運動到這些基準點，通過兩者之間的差異形成誤差補償函數 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)所提供機器人位置的基礎上，局部精確定位靠傳感器來完成 基準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 機器人的離線編程機器人離線編程系統(tǒng)的結構328.5 總結 研究了對機器人編程的要求這些要求包括能夠建立世界模型、能夠描述機器人的作業(yè)和運動、允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程、要有良好的編程環(huán)境以及需要功能強大的人機接口，并能綜合傳感信號等 機器人編程語言的分類問題按照機器人作業(yè)水平的高低，把機器人編程語言分為三級，即動作級、對象級和任務級 第八章 機器人編程338.5 總結 機器人語言系統(tǒng)的結構和基本功能 一個機器人語言系