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机器人流行编程语言

2018-02-11    作者:    来源:    阅读:198

    机器人的开发语言一般为C、C++、C++ Builder、VB、VC等语言,主要取决于执行机构(伺服系统)的开发语言;而机器人编程分为示教、动作级机器人编程语言、任务级编程语言三个级别;机器人编程语言分为专用操作语言(如VAL语言、AL语言、SLIM语言等)、应用已有计算机语言的机器人程序库(如Pascal语言、JARS语言、AR-BASIC语言等)、应用新型通用语言的机器人程序库(如RAPID语言、AML语言KAREL语言等)三种类型。目前主要应用的是SLIM语言。
机器人编程语言(一)
    伴随着机器人的发展,机器人语言也得到发展和完善。机器人语言已成为机器人技术的一个重要部分。机器人的功能除了依靠机器人硬件的支持外,相当一部分依赖机器人语言来完成。早期的机器人由于功能单一,动作简单,可采用固定程序或示教方式来控制机器人的运动。随着机器人作业动作的多样化和作业环境的复杂化,依靠固定的程序或示教方式已满足不了要求,必须依靠能适应作业和环境随时变化的机器人语言编程来完成机器人的工作。
    自机器人出现以来,美国、日本等机器人的原创国也同时开始进行机器人语言的研究。美国斯坦福大学于1973年研制出世界上第一种机器人语言——WAVE语言。WAVE是一种机器人动作语言,即语言功能以描述机器人的动作为主,兼以力和接触的控制,还能配合视觉传感器进行机器人的手、眼协调控制。
    在WAVE语言的基础上,1974年斯坦福大学人工智能实验室又开发出一种新的语言,称为AL语言。这种语言与高级计算机语言ALGOL结构相似,是一种编译形式的语言,带有一个指令编译器,能在实时机上控制,用户编写好的机器人语言源程序经编译器编译后对机器人进行任务分配和作业命令控制。AL语言不仅能描述手爪的动作,而且可以记忆作业环境和该环境内物体和物体之间的相对位置,实现多台机器人的协调控制。
    美国IBM公司也一直致力于机器人语言的研究,取得了不少成果。1975年,IBM公司研制出ML语言,主要用于机器人的装配作业。随后该公司又研制出另一种语言——AUTOPASS语言,这是一种用于装配的更高级语言,它可以对几何模型类任务进行半自动编程。
    美国的Unimation公司于1979年推出了VAL语言。它是在BASIC语言基础上扩展的一种机器人语言,因此具有BASIC的内核与结构,编程简单,语句简练。VAL语言成功地用于PUMA和UNIMATE型机器人。1984年,Unimation公司又推出了在VAL基础上改进的机器人语言——VAL Ⅱ语言。VALⅡ语言除了含有VAL语言的全部功能外,还增加了对传感器信息的读取,使得可以利用传感器信息进行运动控制。
    20世纪80年代初,美国Automatix公司开发了RAIL语言,该语言可以利用传感器的信息进行零件作业的检测。同时,麦道公司研制了MCL语言,这是一种在数控自动编程语言——APT语言的基础上发展起来的一种机器人语言。MCL特别适用于由数控机床、机器人等组成的柔性加工单元的编程。
    机器人语言品种繁多,而且新的语言层出不穷。这是因为机器人的功能不断拓展,需要新的语言来配合其工作。另一方面,机器人语言多是针对某种类型的具体机器人而开发的,所以机器人语言的通用性很差,几乎一种新的机器人问世,就有一种新的机器人语言与之配套。
    机器人语言可以按照其作业描述水平的程度分为动作级编程语言、对象级编程语言和任务级编程语言三类。


动作级编程语言
    动作级编程语言是最低一级的机器人语言。它以机器人的运动描述为主,通常一条指令对应机器人的一个动作,表示从机器人的一个位姿运动到另一个位姿。动作级编程语言的优点是比较简单,编程容易。其缺点是功能有限,无法进行繁复的数学运算,不接受浮点数和字符串,子程序不含有自变量;不能接受复杂的传感器信息,只能接受传感器开关信息;与计算机的通信能力很差。典型的动作级编程语言为VAL语言,如AVL语言语句“MOVE TO (destination)”的含义为机器人从当前位姿运动到目的位姿。
    动作级编程语言编程时分为关节级编程和末端执行器级编程两种。
关节级编程
    关节级编程是以机器人的关节为对象,编程时给出机器人一系列各关节位置的时间序列,在关节坐标系中进行的一种编程方法。对于直角坐标型机器人和圆柱坐标型机器人,由于直角关节和圆柱关节的表示比较简单,这种方法编程较为适用;而对具有回转关节的关节型机器人,由于关节位置的时间序列表示困难,即使一个简单的动作也要经过许多复杂的运算,故这一方法并不适用。
    关节级编程可以通过简单的编程指令来实现,也可以通过示教盒示教和键入示教实现。
末端执行器级编程
    末端执行器级编程在机器人作业空间的直角坐标系中进行。在此直角坐标系中给出机器人末端执行器一系列位姿组成位姿的时间序列,连同其他一些辅助功能如力觉、触觉、视觉等的时间序列,同时确定作业量、作业工具等,协调地进行机器人动作的控制。
    这种编程方法允许有简单的条件分支,有感知功能,可以选择和设定工具,有时还有并行功能,数据实时处理能力强。
机器人编程语言(二)
对象级编程语言
    所谓对象即作业及作业物体本身。对象级编程语言是比动作级编程语言高一级的编程语言,它不需要描述机器人手爪的运动,只要由编程人员用程序的形式给出作业本身顺序过程的描述和环境模型的描述,即描述操作物与操作物之间的关系。通过编译程序机器人即能知道如何动作。
这类语言典型的例子有AML及AUTOPASS等语言,其特点为:
(1) 具有动作级编程语言的全部动作功能。
(2) 有较强的感知能力,能处理复杂的传感器信息,可以利用传感器信息来修改、更新环境的描述和模型,也可以利用传感器信息进行控制、测试和监督。
(3) 具有良好的开放性,语言系统提供了开发平台,用户可以根据需要增加指令,扩展语言功能。
(4) 数字计算和数据处理能力强,可以处理浮点数,能与计算机进行即时通信。
    对象级编程语言用接近自然语言的方法描述对象的变化。对象级编程语言的运算功能、作业对象的位姿时序、作业量、作业对象承受的力和力矩等都可以以表达式的形式出现。系统中机器人尺寸参数、作业对象及工具等参数一般以知识库和数据库的形式存在,系统编译程序时获取这些信息后对机器人动作过程进行仿真,再进行实现作业对象合适的位姿,获取传感器信息并处理,回避障碍以及与其他设备通信等工作。
任务级编程语言
    任务级编程语言是比前两类更高级的一种语言,也是最理想的机器人高级语言。这类语言不需要用机器人的动作来描述作业任务,也不需要描述机器人对象物的中间状态过程,只需要按照某种规则描述机器人对象物的初始状态和最终目标状态,机器人语言系统即可利用已有的环境信息和知识库、数据库自动进行推理、计算,从而自动生成机器人详细的动作、顺序和数据。例如,一装配机器人欲完成某一螺钉的装配,螺钉的初始位置和装配后的目标位置已知,当发出抓取螺钉的命令时,语言系统从初始位置到目标位置之间寻找路径,在复杂的作业环境中找出一条不会与周围障碍物产生碰撞的合适路径,在初始位置处选择恰当的姿态抓取螺钉,沿此路径运动到目标位置。在此过程中,作业中间状态作业方案的设计、工序的选择、动作的前后安排等一系列问题都由计算机自动完成。
    任务级编程语言的结构十分复杂,需要人工智能的理论基础和大型知识库、数据库的支持,目前还不是十分完善,是一种理想状态下的语言,有待于进一步的研究。但可以相信,随着人工智能技术及数据库技术的不断发展,任务级编程语言必将取代其他语言而成为机器人语言的主流,使得机器人的编程应用变得十分简单。
    一般用户接触到的语言都是机器人公司自己开发的针对用户的语言平台,通俗易懂,在这一层次,每一个机器人公司都有自己语法规则和语言形式,这些都不重要,因为这层是给用户示教编程使用的。在这个语言平台之后是一种基于硬件相关的高级语言平台,如C语言、C++语言、基于IEC61131标准语言等,这些语言是机器人公司做机器人系统开发时所使用的语言平台,这一层次的语言平台可以编写翻译解释程序,针对用户示教的语言平台编写的程序进行翻译解释成该层语言所能理解的指令,该层语言平台主要进行运动学和控制方面的编程,再底层就是硬件语言,如基于Intel硬件的汇编指令等。
    商用机器人公司提供给用户的编程接口一般都是自己开发的简单的示教编程语言系统,如KUKA、ABB等,机器人控制系统提供商提供给用户的一般是第二层语言平台,在这一平台层次,控制系统供应商可能提供了机器人运动学算法和核心的多轴联动插补算法,用户可以针对自己设计的产品应用自由的进行二次开发,该层语言平台具有较好的开放性,但是用户的工作量也相应增加,这一层次的平台主要是针对机器人开发厂商的平台,如欧系一些机器人控制系统供应商就是基于IEC61131标准的编程语言平台。最底层的汇编语言级别的编程环境我们一般不用太关注,这些是控制系统芯片硬件厂商的事。
    各家工业机器人公司的机器人编程语言都不相同,各家有各家自己的编程语言。但是,不论变化多大,其关键特性都很相似。比如Staubli 机器人的编程语言叫VAL3,风格和Basic相似;ABB的叫做RAPID,风格和C相似;还有Adept Robotics 的V+,Fanuc,KUKA,MOTOMAN都有专用的编程语言,但是大都是相似.而由于机器人的发明公司Unimation公司最开始的语言就是VAL,所以这些语言结构都有所相似。 VAL语言是美国Unimation公司于1979年推出的一种机器人编程语言,主要配置在PUMA和UNIMATION等型机器人上,是一种专用的动作类描述语言。
    VAL语言是在BASIC语言的基础上发展起来的,所以与BASIC语言的结构很相似。在VAL的基础上Unimation公司推出了VALⅡ语言;而后来staubli 收购了Unimation公司后,又发展起来了VAL3的机器人编程语言。
    学习的话,一般来说各家机器人的官方网站都会有这些介绍资料,但是详细的资料就会比较欠缺。
    如果您问“机器人的最佳编程语言是什么?
    计算机视觉程序员会给出不同于认知机器人的答案。每个人都不同意什么是“最好的编程语言”,语言首先学习,即使这是最现实的答案,因为它取决于您要开发的应用程序类型以及您正在使用的系统。
机器人流行编程语言
    世界上有超过1500种编程语言,这是目前机器人技术中十种最流行的编程语言。每种语言对机器人有不同的优势:
1. BASIC / 帕斯卡
    BASIC和Pascal,它们是几种工业机器人语言的基础,如下所述。BASIC是为初学者设计的(它代表初学者通用符号指令代码),这使它成为一个非常简单的语言开始。帕斯卡尔旨在鼓励良好的编程习惯小号,并介绍构造,如指针,它一个很好的“敲门砖”,从普通版使一个更复杂的语言。这几天,这两种语言都有点过时,有利于“日常使用”。但是,如果要进行大量的低级编码,或者想要熟悉其他工业机器人语言,可以学习它们。
2.工业机器人语言
    几乎每个机器人制造商都开发了自己的专有机器人编程语言。您可以通过学习Pascal熟悉其中的几个。但是,您每次开始使用新的机器人时,仍然需要学习新的语言。
    ABB拥有RAPID编程语言。Kuka有KRL(Kuka Robot Language)。Comau使用PDL2,安川使用INFORM和川崎使用AS。然后,Fanuc机器人使用Karel,Stäubli机器人使用VAL3和Universal Robots使用URScript。
    近年来,像ROS Industrial这样的编程选项开始为程序员提供更多的标准化选项。但是,如果您是技术人员,则您更有可能使用制造商的语言。
3. LISP
    LISP是世界上第二大最古老的编程语言(FORTRAN年龄较大,但只有一年)。它不像这个列表上许多其他编程语言那么广泛使用; 然而,在人工智能编程中仍然非常重要。ROS的一部分是用LISP编写的,尽管你不需要知道使用ROS。
4. 硬件描述语言(HDL)
    硬件描述语言基本上是描述电子设备的编程方式。这些语言对于一些机器人专家来说是相当熟悉的,因为它们用于编程现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA允许您开发电子硬件,而无需实际生产硅芯片,这使得它们成为更快更容易的一些开发选择。
    如果你不是电子原型,你可能永远不会使用HDL。即使如此,重要的是知道它们存在,因为它们与其他编程语言完全不同。一方面,所有操作都是并行执行的,而不是依照基于处理器的语言进行。
5. MATLAB
    MATLAB及其开放源码的亲戚,如Octave,是非常受欢迎的一些机器人工程师分析数据和开发控制系统。还有一个非常受欢迎的机器人工具箱用于MATLAB。我知道使用MATLAB开发整个机器人系统的人。如果要分析数据,生成高级图形或实现控制系统,您可能需要学习MATLAB。
6. C# / .NET
    C#是Microsoft提供的专有编程语言。我在这里包括C#/ .NET,主要是因为使用它作为主要语言的Microsoft Robotics Developer Studio。如果你要使用这个系统,你可能要使用C#。但是,首先学习C / C ++可能是长期发展编码技巧的好选择。
7. Java
    一些计算机科学学位将Java教学作为他们的第一种编程语言。Java从程序员“隐藏”底层的内存功能,这使得它比C更容易编程,但这也意味着你对代码实际做的不太了解。如果您从计算机科学的背景(许多人,特别是在研究中)来到机器人,你可能已经学会了Java。像C#和MATLAB一样,Java是一种解释语言,这意味着它不会被编译成机器代码。相反,Java虚拟机在运行时解释指令。使用Java的理论是,由于Java虚拟机,您可以在许多不同的机器上使用相同的代码。在实践中,这并不总是奏效,有时会导致代码运行缓慢。然而,Java在机器人的某些部分非常受欢迎,因此你可能需要它。
8. Python
Python近年来尤其在机器人技术方面出现了巨大的复苏。其中一个原因可能是Python(和C ++)是ROS中发现的两种主要的编程语言。像Java一样,它是一种解释语言。与Java不同,语言的主要重点是易用性。许多人都认为这样做非常好。
Python节省了许多常规的事情,这些事情在编程中花费时间,例如定义和转换变量类型。此外,还有大量免费的图书馆,这意味着当您需要实现一些基本功能时,您不必“重新发明”。并且由于它允许使用C / C ++代码进行简单的绑定,这意味着代码的性能很重的部分可以用这些语言来实现,以避免性能下降。
9. C / C ++
最后,我们达到机器人技术的第一编程语言!许多人都同意C和C ++是新机器人的好起点。为什么?因为很多硬件库都使用这些语言。它们允许与低级硬件进行交互,允许实时性能和非常成熟的编程语言。这些天,您可能会使用C ++多于C,因为该语言具有更多的功能。C ++基本上是C的扩展。首先学习至少一点C可能是有用的,以便您可以在找到以C编写的硬件库时识别它。C / C ++并不像以前那样简单,比如Python或者MATLAB。使用C实现相同的功能可能需要相当长的时间,并且需要更多的代码行。然而,由于机器人非常依赖于实时性能,
机器人的主要特点之一是其通用性,是机器人具有可编程能力是实现这一特点的重要手段。机器人编程必然涉及机器人语言。机器人语言是使用符号来描述机器人动作的方法,它通过对机器人的描述,使机器人按照编程者的意图进行各种操作。
    机器人语言的产生和发展是与机器人技术的发展以及计算机编程语言的发展紧密相关的。编程系统的核心问题是操作运动控制问题。
机器人编程系统以及方法
    机器人编程是机器人运动和控制问题的结合点,也是机器人系统最关键的问题之一。当前实用的工业机器人常为离线编程或示教,在调试阶段可以通过示教控制盒对编译好的程序一步一步地进行,调试成功后可投入正式运行。
    机器人语言操作系统包括3个基本的操作状态:
1. 监控状态
2. 编程状态
3.执行状态
监控状态:用来进行整个系统的监督控制。
编辑状态:提供操作者编制程序或编辑程序
执行状态:用来执行机器人程序
    把机器人源程序转换成机器码,以便机器人控制柜能直接读取和执行,编译后的程序运行速度将大大加快。
    根据机器人不同的工作要求,需要不同的编程。编程能力和编程方式有很大的关系,编程方式决定着机器人的适应性和作业能力。随着计算机在工业上的广泛应用,工业机器人的计算机编程变得日益重要。
    编程语言也是多种多样的,目前工业机器人的编程方式有以下几种:
顺序控制的编程
    在顺序控制的机器中,所有的控制都是由机械或者电气的顺序控制来实现,一般没有程序设计的要求。顺序控制的灵活性小,这是因为所有的工作过程都已编辑好,由机械挡块,或其他确定的办法所控制。大量的自动机都是在顺序控制下操作的,这种方法的主要优点是成本低、易于控制和操作。
示教方式编程
    目前,大多数工业机器人都具有采用示教方式来编程的功能。示教方式编程一般可分为手把手示教编程和示教盒示教编程两种方式:
1、手把手示教编程:主要用于喷漆、弧焊等要求实现连续轨迹控制的工业机器人示教编程中。具体的方法是利用示教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测出工业机器人个关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下这些数据信息。实际工作中,工业机器人的控制系统会重复再现示教过的轨迹和操作技能。
手把手示教编程也能实现点位控制,与CP控制不同的是它只记录个轨迹程序移动的两端点位置,轨迹的运动速度则按各轨迹程序段应对的功能数据输入。
2、示教盒示教编程方式是人工利用示教盒上所具有的各种功能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴,按作业所需要的顺序单轴运动或多关节协调运动,完成位置和功能的示教编程。示教盒示教一般用于大型机器人或危险条件作业下的机器人示教。
3、脱机编程或预编程
(1)脱机编程和预编程的含义相同,它是指用机器人程序语言预先用示教的方法编程,脱机编程的优点:
(2)编程可以不使用机器人,可以腾出机器人去做其他工作
(3)可预先优化操作方案和运行周期
(4)以前完成的过程或子程序可结合到代编的程序中去
(5)可以用传感器探测外部信息,从而使机器人做出相应的响应。这种响应使机器人可以在自适应的方式下工作
(6)控制功能中,可以包含现有的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的信息
(7)可以用预先运行程序来模拟实际运动,从而不会出现危险,以在屏幕上模拟机器人运动来辅助编程
(8)对不同的工作目的,只需替换一部分待定的程序
(9)在非自适应系统中,没有外界环境的反馈,仅有的输入是关节传感器的测量值,从而可以使用简单的程序设计手段。
4、对机器人的编程要求
a. 能够建立世界模型
b. 能够描述机器人的作业
c. 能够描述机器人的运动
d. 允许用户规定执行流程
e. 有良好的编辑环境
5、机器人编辑语言的类型
a. 动作级(AL语言系统、LUNA语言及其特征)
b. 对象级(AUTOPASS语言及其特征、RAPT语言及其特征)
c.任务级

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