第八章-機(jī)器人編程ppt課件

1、第八章 機(jī)器人編程,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。機(jī)器人編程必然涉及到機(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(duì)機(jī)器人動(dòng)作的描述，使機(jī)器人按照編程者的意圖進(jìn)行各種操作。機(jī)器人語言的產(chǎn)生和發(fā)展是與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)編程語言的發(fā)展緊密相關(guān)的。編程系統(tǒng)的核心問題是操作運(yùn)動(dòng)控制問題,8.1 機(jī)器人編程要求與語言類型,8.1.1 對(duì)機(jī)器人編程的要求,1 能夠建立世界模型（world model） 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(dòng)都

2、以相對(duì)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(duì)世界（環(huán)境）的建模功能。 2 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(gè)作業(yè)。 3 能夠描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 機(jī)器人編程語言的基本功能之一就是描述機(jī)器人需要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。 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。 4 允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程 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)用子程序以至中斷等,5 要有良好的編程環(huán)境 一個(gè)好的編程環(huán)境有助于提

3、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(duì)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(dú)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。 6 需要人機(jī)接口和綜合傳感信號(hào) 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。 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,8.1.2 機(jī)器人編程語言的類型,1 動(dòng)作級(jí)編程語言 動(dòng)作級(jí)語言是以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)作為描述中心，通常由指揮夾手從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的一系列命令組成。動(dòng)

4、作級(jí)語言的每一個(gè)命令（指令）對(duì)應(yīng)于一個(gè)動(dòng)作，如VAL語言。動(dòng)作級(jí)編程又可分為關(guān)節(jié)級(jí)編程和終端執(zhí)行器編程兩種。 關(guān)節(jié)級(jí)編程 關(guān)節(jié)級(jí)編程程序給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位移的時(shí)間序列。 終端執(zhí)行器級(jí)編程 終端執(zhí)行器級(jí)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。 2 對(duì)象級(jí)編程語言 對(duì)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，這類語言有AML，AUTOPASS等。 AUTOPASS是一種用于計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行機(jī)械零件裝配的自動(dòng)編程系統(tǒng)，這一編程系統(tǒng)面對(duì)作業(yè)對(duì)象及裝配操作而不直接面對(duì)裝配機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),3 任務(wù)級(jí)編程語言 任務(wù)級(jí)語言是比較

5、高級(jí)的機(jī)器人語言，這類語言允許使用者對(duì)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,決定編程語言具有不同設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(gè)機(jī)械手的能力 控制結(jié)構(gòu) 、模式 運(yùn)動(dòng)形式 信號(hào)線 傳感器接口 支援模塊 調(diào)試性能,8.2 機(jī)器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能,8.2.1 機(jī)器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信 包

6、括三個(gè)基本的操作狀態(tài) 監(jiān)控狀態(tài) 編輯狀態(tài) 執(zhí)行狀態(tài),圖8-1 機(jī)器人語言系統(tǒng),8.2.2機(jī)器人編程語言的基本功能,1 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。 2 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。 3 通訊 人和機(jī)器能夠通過許多不同方式進(jìn)行通訊。 4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng) 可用許多不同方法來規(guī)定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。 5 工具指令 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。 6 傳感數(shù)據(jù)處理 用于機(jī)械手控制的通用計(jì)算機(jī)只有與傳

7、感器連接起來，才能發(fā)揮其全部效用,8.3 常用的機(jī)器人編程語言,表8-1 國外主要的機(jī)器人編程語言,表8-1 國外主要的機(jī)器人編程語言（續(xù),1 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(jí)控制系統(tǒng) 主要用于PUMA機(jī)器人、UNIMATE 2000和NIMATE 4000系列機(jī)器人 VAL語言的主要特點(diǎn) 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(shí)時(shí)計(jì)算和產(chǎn)生機(jī)器人控制指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交聯(lián),2 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(jì)

8、算機(jī)上執(zhí)行也可事先固化在PROM中 多個(gè)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(jì)了32個(gè)指令定義字完成對(duì)子任務(wù)的描述及將子任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的組合,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,3 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(dòng)作進(jìn)行編程的動(dòng)作級(jí)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

9、釋程序來解釋 使用者定義的用戶指令 系統(tǒng)提供的基本指令,用戶利用該語言給出機(jī)器人的工作點(diǎn)、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)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,4 AL語言 由美國斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā) 原設(shè)計(jì)用于有傳感反饋的多個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)和多臺(tái)在線微型計(jì)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

10、換（TRANS） 塊結(jié)構(gòu)形式 運(yùn)動(dòng)語句（MOVE） 手的開合運(yùn)動(dòng)（OPEN，CLOSE） 兩物體結(jié)合的操作（AFFIX，UNFIX） 力覺的處理功能 力的穩(wěn)定性控制 同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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,8.4 機(jī)器人的離線編程,1 機(jī)器人離線編程的特點(diǎn)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(jì)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(duì)圖形的控制和操作，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃,表8-2示教編程和

11、離線編程兩種方式的比較,離線編程的優(yōu)點(diǎn) 可減少機(jī)器人非工作時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人仍可在生產(chǎn)線上工作 使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境 使用范圍廣，可以對(duì)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(jí)計(jì)算機(jī)編程語言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程 便于修改機(jī)器人程序,離線編程系統(tǒng)的主要內(nèi)容 機(jī)器人工作過程的知識(shí) 機(jī)器人和工作環(huán)境三維實(shí)體模型 機(jī)器人幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí) 基于圖形顯示和可進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)代碼到各

12、種機(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,2 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),圖8-2 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)框圖,機(jī)器人離線編程系統(tǒng)主要由用戶接口、機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)仿真、平行操作、傳感器仿真、通訊接口和誤差校正9部分組成,用戶接口 工業(yè)機(jī)器人一般提供兩個(gè)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(jì)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

13、類較多 掃描變換表示則便于生成軸對(duì)稱的形體 機(jī)器人系統(tǒng)的幾何構(gòu)型大多采用這三種形式的組合,運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算 分為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)反解兩部分 正解是給出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量來計(jì)算末端位姿 反解則是由給定的末端位姿計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量值 就運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)學(xué)方程求解機(jī)器人的形態(tài) 軌跡規(guī)劃 規(guī)劃的兩種類型 自由移動(dòng)（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(dòng) 約束運(yùn)動(dòng)受到路徑、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束 自由移動(dòng)沒有約束條件 軌跡規(guī)劃器接

14、受路徑設(shè)定和約束條件的輸入，并輸出起點(diǎn)和終點(diǎn)之間按時(shí)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,動(dòng)力學(xué)仿真 當(dāng)機(jī)器人跟蹤期望的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，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(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行軌跡規(guī)劃，而不考慮機(jī)器人的動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)模型是機(jī)器人實(shí)時(shí)控制及仿真的主要任務(wù)之一 從計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，動(dòng)力學(xué)模型的建立分為三類 數(shù)字法 符號(hào)法 解析（數(shù)字符號(hào)）法 并行操作 定義 并行操作是在同一時(shí)刻對(duì)多個(gè)裝置工作進(jìn)行仿真的技術(shù) 目的 提

15、供對(duì)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(duì)每一裝置分配并聯(lián)和串聯(lián)存儲(chǔ)器 如果可以分配幾個(gè)不同處理器共一個(gè)并聯(lián)存儲(chǔ)器，則可使用并行處理，否則應(yīng)該在各存儲(chǔ)器中交換執(zhí)行情況，并控制各工作裝置的運(yùn)動(dòng)程序的執(zhí)行時(shí)間,傳感器的仿真 在離線編程系統(tǒng)中，對(duì)傳感器進(jìn)行構(gòu)型以及能對(duì)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(duì)每一幾何塊和物體間干涉的檢查，并將

16、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(yàn)力傳感器的幾何模型和物體間的相交外，還需計(jì)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(shí)際力傳感器所測力和數(shù)值,通訊接口 作用 起著連接軟件系統(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(dòng)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(shí)用化的一個(gè)主要問題 缺乏標(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(duì)該語言加工使其轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制柜可接受的語言,誤差的校正 目前誤差校正的方法主要有兩種 基準(zhǔn)點(diǎn)方法 即在工作空間內(nèi)選擇一些基準(zhǔn)點(diǎn)（一般不少于三點(diǎn)），這些基準(zhǔn)點(diǎn)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(dòng)到這些基準(zhǔn)點(diǎn)，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(diǎn)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,VAL程序舉例 下面是一個(gè)程序名為DEMO的VAL程序，功能是將物體從位置1（PICK位置）搬運(yùn)至位置2（PLACE位置） EDIT DEMO 啟動(dòng)編輯狀態(tài) PROGRAM DEMO VAL響應(yīng)