機器人學(xué)基礎(chǔ)-第8章-機器人編程-蔡自興

1、1中南大學(xué)中南大學(xué)蔡自興，謝蔡自興，謝 斌斌zxcai, 2010機器人學(xué)基礎(chǔ)機器人學(xué)基礎(chǔ)第八章第八章 機器人編程機器人編程1Ch.8 Robot ProgrammingFundamentals of Robotics2Review General Considerations in Trajectory Planning Interpolated Calculation of Joint Trajectories Planning of Cartesian Path Trajectories Real Time Generation of Planning Trajectories2Fund

2、amentals of Robotics3 3QuestionsAccording to level of task description, how many categories can robot programming languages be split into? List out several commonly used robot programming languages.Comparison between off-line programming and teach by showing.Ch.8 Robot Programming4Contents Requireme

3、nts and Language Types to Robot Programming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 4Ch.8 Robot Programming5Ch.8 Robot Programming 機器人編程語言是一種程序描述語言程序描述語言，它能十分簡潔地描述工作環(huán)境工作環(huán)境和機器人的動作動作，能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡可能簡單的程序來

4、實現(xiàn)。機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)簡明結(jié)構(gòu)簡明、概念統(tǒng)一概念統(tǒng)一、容易擴展容易擴展等特點。由于機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)一的機器人控制代碼標(biāo)準(zhǔn)，所以編程語言也是多種多樣多種多樣的。Ch.8 Robot Programming68.1 Requirements to Robot Programming & Type of Languages 機器人編程要求和語言類型機器人編程要求和語言類型8.1.1 Requirements to Robot Programming 對機器人編程的要求對機器人編程的要求World modeling 能夠建立

5、世界模型Task specification 能夠描述機器人的作業(yè) Motion specification 能夠描述機器人的運動 Flow of execution 允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程Programming environment 要有良好的編程環(huán)境 Sensor integration 需要人機接口和綜合傳感信號 8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages78.1.1 Requirements to Robot ProgrammingWorld modeling8.1 Requirements and Types o

6、f Robot Programming Languages88.1.1 Requirements to Robot ProgrammingTask specification(a)(b)8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages98.1.1 Requirements to Robot ProgrammingMotion specification例. 機械手運動如下：(1)移至位置“goal1”；(2)再以直線移至位置“goal2”；(3)不停頓地移動經(jīng)過“via1”，到達(dá)停止位置“goal3”。用VAL-II語言： mo

7、ve goal1 moves goal2 move via1 move goal3用AL語言（控制機械手garm）： move garm to goal1; move garm to goal2 linearly; move garm to goal3 via via1;8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages108.1.1 Requirements to Robot ProgrammingFlow of execution允許用戶執(zhí)行測試、分支、循環(huán)、調(diào)用子程序以及中斷等流程。 Programming environm

8、ent包含斷點調(diào)試功能，以及典型的編程支持（如文本編輯、調(diào)試程序和文件系統(tǒng)等）。Sensor integration在編程和作業(yè)過程中，應(yīng)便于人與機器人之間進(jìn)行信息交換。能與傳感器進(jìn)行信息交互，以此來控制程序的流程。 8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages11118.1.2 Types of Robot Programming 機器人編程的類型機器人編程的類型根據(jù)編程方式，機器人編程可以分為：Teach by showing (示教編程示教編程)手把手示教Robot programming languages (機器人

9、語言編程機器人語言編程) 用專用的或通用的機器人語言來描述機器人的動作軌跡Off-line programming (離線編程離線編程) 在專門的軟件環(huán)境軟件環(huán)境支持下用專用或通用程序，在離線離線情況下進(jìn)行機器人軌跡規(guī)劃編程 示教盒示教8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages12Teach by showing8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages13138.1.2 Types of Robot Programming根據(jù)作業(yè)描述水平作業(yè)描述水平

10、的高低，機器人編程語言可以分為：Motion-level programming (動作級動作級)以機器人關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)或末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器的動作為中心來描述各種操作； Object-level programming (對象級對象級) 以描述操作物體之間的關(guān)系操作物體之間的關(guān)系為中心的語言； Task-level programming (任務(wù)級任務(wù)級) 只要直接指定操作內(nèi)容操作內(nèi)容就可以了，為此，機器人必須一邊思考一邊工作。8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages14Contents Requirements and L

11、anguage Types to Robot Programming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 14Ch.8 Robot Programming15158.2 Structure & Basic Functions of Robot Programming System 機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本功能機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本功能8.2.

12、1 Structure of A Robot Programming System 機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System16168.2.2 Basic Functions of Robot Programming Languages 機器人編程語言的基本功能機器人編程語言的基本功能運算運算(Calculation)：是機器人最重要的功能之一。包括機器人的正解、逆解、坐標(biāo)變換及矢量運算等。機械手運動機械手運動(Motion of Robot Manipulators)

13、：是機器人最基本的功能。機器人語言用最簡單的方法向各關(guān)節(jié)伺服裝置提供一系列關(guān)節(jié)位置及姿態(tài)信息，由伺服系統(tǒng)實現(xiàn)運動。工具指令工具指令(Tool Instruction)：包括工具種類及工具號的選擇、工具參數(shù)的選擇及工具的動作(工具的開關(guān)、分合)。8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System17178.2.2 Basic Functions of Robot Programming Languages決策決策(Decision)：是指機器人根據(jù)作業(yè)空間范圍內(nèi)的傳感信息而做出的判斷決策。這種決策功能一般由條件轉(zhuǎn)移指令實

14、現(xiàn)。通信通信(Communication)：即機器人系統(tǒng)與操作人員的各式通信，包括機器人向操作人員要求信息和操作人員知道機器人的狀態(tài)、機器人的操作意圖等。傳感數(shù)據(jù)處理傳感數(shù)據(jù)處理(Sensor Data Processing)：機器人只有與傳感器連接起來才能具有感知能力，具有某種智能。傳感器輸入和輸出信號的形式、性質(zhì)及強弱不同，往往需要進(jìn)行大量的復(fù)雜運算和處理。8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System18Contents Requirements and Language Types to Robot Pro

15、gramming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 18Ch.8 Robot Programming19研究室里的實驗語言美國斯坦福大學(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；商用的機器人語言由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。8.3 Commonly Us

16、ed Robot Programming Languages 常用的機器人編程語言常用的機器人編程語言 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages208.3 Commonly Used Robot Programming Languages8.3 Commonly Used Robot Programming Languages218.3 Commonly Used Robot Programming Languages8.3 Commonly Used Robot Programming Languages2222斯坦福大學(xué)1974年開發(fā)的AL

17、語言是一種高級程序設(shè)計系統(tǒng)，描述諸如裝配裝配(Assembly)一類的任務(wù)。它有類似ALGOL的源語言，有將程序轉(zhuǎn)換為機器碼的編譯程序編譯程序和由控制操作機械手和其他設(shè)備的實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)。 基本功能語句： 標(biāo)量（SCALAR） 矢量（VECTOR） 旋轉(zhuǎn)（ROT） 坐標(biāo)系（FRAME） 變換（TRANS） AL Language8.3 Commonly Used Robot Programming Languages23上圖是機器人插螺栓作業(yè)的示意圖?？梢越⑵饒D中的base坐標(biāo)系、beam坐標(biāo)系和feeder坐標(biāo)系。Example: 機器人插螺栓作業(yè) 8.3 Commonly Used R

18、obot Programming Languages24base FRAME (nilrot，VECTOR (20，0，15)*inches)；坐標(biāo)系base的原點位于世界坐標(biāo)系原點（20，0，15）英寸處，z軸平行于世界坐標(biāo)系的 z 軸base坐標(biāo)系例. 機器人插螺栓作業(yè) 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages25beam FRAME (ROT (z，90*deg)，VECTOR (20，15，0)*inches)；坐標(biāo)系beam原點位于世界坐標(biāo)系原點(20，15，0)英寸處，并繞世界坐標(biāo)系 z 軸旋轉(zhuǎn)90beam坐標(biāo)系例. 機器人插螺栓作

19、業(yè) 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages26feeder FRAME (nilrot，VECTOR(25，20，0)*inches)；坐標(biāo)系feeder的原點位于世界坐標(biāo)系（25，20，0）英寸處，且z軸平行于世界坐標(biāo)系的z軸 feeder坐標(biāo)系例. 機器人插螺栓作業(yè) 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages27Tg base*TRANS(ROT(x，180*deg)，VECTOR(15，0，0)*inches)；建立坐標(biāo)系Tg，其 z 軸繞base坐標(biāo)系的 x 軸旋轉(zhuǎn)180，原點距base

20、坐標(biāo)系原點（15，0，0）英寸處。Tg坐標(biāo)系例. 機器人插螺栓作業(yè) 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages28E Tg*TRANS (nilrot，VECTOR (0，0，5)*inches)；建立坐標(biāo)系 E，其z軸平行于Tg坐標(biāo)系的 z 軸，原點距 Tg 坐標(biāo)系原點（0，0，5）英寸處手爪 E 坐標(biāo)系例. 機器人插螺栓作業(yè) 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages29MOVE語句用來表示機器人由初始位置和姿態(tài)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的運動。假定機械手在任意位置，可把它運動到停放位置：MOVE bar

21、m TO bpark；如果要求在4s內(nèi)把機械手移動到停放位置：MOVE barm TO bpark WITH DURATION = 4*seconds；AL Language8.3 Commonly Used Robot Programming Languages30符號“”可用在語句中，表示當(dāng)前位置，如：MOVE barm TO 2*zhat* inches；該指令表示機械手從當(dāng)前位置向下移動2in。由此可以看出，基本的MOVE語句具有如下形式：MOVE TO ；MOVE barm TO VIA f1 f2 f3表示機械手經(jīng)過中間點f1、f2、f3移動到目標(biāo)坐標(biāo)系。AL Language8.

22、3 Commonly Used Robot Programming Languages31用AL語言編制上圖中機器人把螺栓插入其中一個孔里的作業(yè)。這個作業(yè)需要把機器人移至料斗上方A點，抓取螺栓，經(jīng)過B點、C點再把它移至導(dǎo)板孔上方D點，并把螺栓插入其中一個孔里。參考步驟：（1）定義機座、導(dǎo)板、料斗、導(dǎo)板孔、螺栓柄等的位置和姿態(tài)；（2）把裝配作業(yè)劃分為一系列動作，如移動機器人、抓取物體和完成插入等；（3）加入傳感器以發(fā)現(xiàn)異常情況和監(jiān)視裝配作業(yè)的過程；（4）重復(fù)步驟13，調(diào)試改進(jìn)程序。Home Work 思考題8.3 Commonly Used Robot Programming Languages

23、32Contents Requirements and Language Types to Robot Programming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 32Ch.8 Robot Programming33338.4 Off-Line Programming of Robots 機器人的離線編程機器人的離線編程8.4.1 Features of

24、Robot Off-Line Programming隨著機器人應(yīng)用范圍的擴大和所完成任務(wù)復(fù)雜程度的提高，示教方式編程已很難滿足要求 機器人離線編程系統(tǒng)利用計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)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(jìn)行軌跡規(guī)劃 示教編程示教編程和離線編程離線編程兩種方式的比較 8.4 Off-Line Programming of Robots34348.4.1 Features of Robot Off-Line Programming可減少機器人非工作時間非工作時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機器人仍可在生產(chǎn)線上工作；使編程者遠(yuǎn)離危險遠(yuǎn)離危險的

25、工作環(huán)境；便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合，做到CAD/CAM/機器人一體化一體化；可使用高級計算機編程語言對復(fù)雜任務(wù)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程；便于修改修改機器人程序。8.4 Off-Line Programming of Robots353582圖 離線編程系統(tǒng)框圖8.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming System8.4 Off-Line Programming of Robots36368.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKine

26、matic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 8.4 Off-Line Programming of Robots37378.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-pla

27、nning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 工業(yè)機器人一般提供兩個用戶接口兩個用戶接口：用于示教編程示教編程，即用示教盒直接編制機器人程序。 用于語言編程語言編程，即用機器人語言編制程序，使機器人完成給定的任務(wù)。 8.4 Off-Line Programming of Robots38388.4.2 Structure of Robot Off-Line Programmi

28、ng SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 機器人系統(tǒng)的幾何構(gòu)型幾何構(gòu)型大多采用三種形式的組合三種形式的組合：結(jié)構(gòu)立體幾何表示（覆蓋的形體種類較多） 掃描變換表示 （便于生成軸對稱的形體 ）邊界表示（最便于形體在計算機內(nèi)表示、運算、修改和顯示）8.4

29、Off-Line Programming of Robots39398.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 分為運動學(xué)正解運動學(xué)正解和運動學(xué)反解運動學(xué)反解兩部分就

30、運動學(xué)反解而言，離線編程系統(tǒng)與機器人控制柜的聯(lián)系有兩種選擇 l用離線編程系統(tǒng)代替機器人控制柜的逆運動學(xué)，將機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)值通訊給控制柜l將笛卡兒坐標(biāo)值輸送給控制柜，由控制柜提供的逆運動學(xué)方程求解機器人的形態(tài)Which method is better?8.4 Off-Line Programming of Robots40408.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulatio

31、nMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 離線編程系統(tǒng)需要對機器人的運動軌跡進(jìn)行仿真。 規(guī)劃的兩種類型l自由移動自由移動（僅由初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)定義） l依賴于軌跡的約束運動約束運動 （受到路徑、運動學(xué)和動力學(xué)約束 ）軌跡規(guī)劃算法l關(guān)節(jié)空間的插補關(guān)節(jié)空間的插補l笛卡兒空間的插補笛卡兒空間的插補8.4 Off-Line Programming of Robots41418.4.2 Structure of Robot Off-Line

32、 Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 當(dāng)機器人跟蹤期望的運動軌跡時，如果所產(chǎn)生的誤差在允許范圍誤差在允許范圍內(nèi)，則離線編程系統(tǒng)可以只從運動學(xué)的角度進(jìn)行軌跡規(guī)劃，而不考慮機器人的動力學(xué)特性。如果機器人工作在高速高速和重負(fù)載重負(fù)載

33、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。 從軟件設(shè)計的觀點看，動力學(xué)模型的建立分為三類l數(shù)字法l符號法l解析（數(shù)字符號）法 快速有效地建立動力學(xué)模型動力學(xué)模型是機器人離線編程的主要任務(wù)之一 8.4 Off-Line Programming of Robots42428.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulatio

34、nSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 并行操作是在同一時刻同一時刻對多個裝置多個裝置工作進(jìn)行仿真的技術(shù)用于提供對不同裝置工作過程進(jìn)行仿真的環(huán)境 工作原理l在執(zhí)行過程中，首先對每一裝置分配并聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)串聯(lián)存儲器 l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動程序的執(zhí)行時間 8.4 Off-Line Programming of Robots43438.4.2 Structure of Robot Of

35、f-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 在離線編程系統(tǒng)中，對傳感器進(jìn)行建模傳感器進(jìn)行建模以及能對裝有傳感器的機器人的誤差校正進(jìn)行仿真誤差校正進(jìn)行仿真是很重要的。 傳感器主要分局部局部的和全局全局的兩類l局部傳感器有力

36、覺、觸覺和接近覺等傳感器l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幾何圖形仿真獲取信息 8.4 Off-Line Programming of Robots44448.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 在離線編程系統(tǒng)中通訊接口通訊接口起著聯(lián)結(jié)軟件系統(tǒng)和機器人控制柜的橋梁作用。 離線編程系統(tǒng)實用化的一個主要問題是缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口通訊接口通訊接口把仿真系統(tǒng)所生成的機器人運動程序轉(zhuǎn)換成機器人控制柜可以接受的代碼解決辦法可以是選擇一種較為通用通用的機器人語言，然后通過對該語