第五章工業(yè)機(jī)器人的示教及編程語言

1、第五章 工北機(jī)器人的斥教及鎘程語書第五章 工業(yè)機(jī)器人的斥教及示教編程概述5.2工業(yè)機(jī)器人的示教作業(yè) 5.3工業(yè)機(jī)器人的仿真模擬作業(yè)（離線編程作業(yè)） 5.4機(jī)器人編程語言的類別和基本特性 5.5動(dòng)作級(jí)語言和對(duì)象級(jí)語言思考題【重點(diǎn)掌握】工業(yè)機(jī)器人的示教作業(yè)離線編程的主要內(nèi)容 AL語言及其特征AUTOPASS語言及其特征第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮示教編程概述機(jī)器人的工作能力基本上是由其軟件系統(tǒng)決定的。機(jī)器 人的軟件系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)什么樣的示教和操作決定了機(jī)器人實(shí)用 功能的靈活性和智能程度。如何教一臺(tái)機(jī)器人完成某個(gè)任務(wù), 或者說一臺(tái)機(jī)器人能夠編程到什么程度，決定了該機(jī)器人能 適應(yīng)什么任務(wù)以及機(jī)器人的

2、適應(yīng)性。例如，如何讓機(jī)器人執(zhí) 行復(fù)雜順序的任務(wù)？如何讓機(jī)器人快速地從一種操作方式轉(zhuǎn) 換到另一種操作方式？如何讓普通的工人操作機(jī)器人？如何 提高機(jī)器人的示教效率？所有這些問題，都是使用機(jī)器人所隨著機(jī)器人應(yīng)用的推廣，機(jī)器人的示教和操作得到越來 越多的關(guān)注。本章將介紹機(jī)器人示教的類別和特性、機(jī)器人 編程語言的類別與特性、機(jī)器人遙操作，并結(jié)合典型案例介 紹機(jī)器人的示教與操作。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮5.2工業(yè)機(jī)器人的示教作業(yè)1順序控制的編程示教在順序控制的機(jī)器人中，所有的控制都是由機(jī)械的或電氣的順序控制器實(shí)現(xiàn)的。按照我們的定義，這里沒有程序設(shè) 計(jì)的要求。順序控制的靈活性小，這是因?yàn)樗械墓ぷ?/p>

3、過程 都已編好，或由機(jī)械擋塊，或由其他確定的方法所控制。大 量的自動(dòng)機(jī)都是在順序控制下操作的。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn) 是成本低，易于操作和控制。2. 示教方式編程（手把手示教）目前90%以上的機(jī)器人還是釆用示教方式編程。示教方 式是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，易于被熟悉工作任務(wù)的人員所掌握， 而且用簡單的設(shè)備和控制裝置即可進(jìn)行。示教過程進(jìn)行得很 快，示教過后，馬上即可應(yīng)用。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，機(jī) 器人控制系統(tǒng)存入存儲(chǔ)器的軌跡和各種操作。如果需要，過 程還可以重復(fù)多次。在某些系統(tǒng)中，還可以用與示教時(shí)不同 的速度再現(xiàn)。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮如果能夠從一個(gè)運(yùn)輸裝置獲得

4、使機(jī)器人的操作和搬運(yùn)裝 置同步的信號(hào)，就可以用示教的方法來解決機(jī)器人與搬運(yùn)裝置配合的問題。不教方式編程也有一些缺點(diǎn):(1) 只能在人所能達(dá)到的速度下工作；(2) 難與傳感器的信息相配合；(3) 不能用于某些危險(xiǎn)的情況；(4) 在操作大型機(jī)器人時(shí)，這種方法不實(shí)用;(5) 難獲得高速度和直線運(yùn)行;(6) 難與其他操作同步。一示教器可以克服其中的部分缺點(diǎn)。3. 示教器示教利用裝在控制器上的按鈕可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按需要的順序 進(jìn)行操作。在示教器中，每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一對(duì)按鈕，分別控 制該關(guān)節(jié)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。有時(shí)還提供附加的最大允許 速度控制。雖然為了獲得最高的運(yùn)行效率，人們希望機(jī)器人 能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)合成運(yùn)動(dòng)

5、，但在用示教器示教的方式下，卻難 以同時(shí)移動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)。電視游戲機(jī)上游戲桿雖可用來提供在 幾個(gè)方向上的關(guān)節(jié)速度，但它也有缺點(diǎn)。這種游戲桿通過移 動(dòng)控制器中的編碼器或電位器來控制各關(guān)節(jié)的速度和方向， 但難以實(shí)現(xiàn)精確控制。4. 離線編程的示教離線編程是指用機(jī)器人程序語言預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而 不是用示教的方法編程。離線編程有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1) 編程時(shí)可以不使用機(jī)器人，可騰出機(jī)器人去做其他 工作。(2) 可預(yù)先優(yōu)化操作方案和運(yùn)行周期。(3) 以前完成的過程或子程序可結(jié)合到待編的程序中去。可用傳感器探測外部信息，從而使機(jī)器人做出相應(yīng) 的響應(yīng)。這種響應(yīng)使機(jī)器人可以工作在自適應(yīng)的方式下。第五章 工止機(jī)

6、器人的斥教及偏程語哮(4) 控制功能中可以包含現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的信息。(5) 可以預(yù)先運(yùn)行程序來模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)出現(xiàn) 危險(xiǎn)。利用圖形仿真技術(shù)，可以在屏幕上模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)來 輔助編程。對(duì)不同的工作目的，只需替換一部分待定的程序。 在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，沒有外界環(huán)境的反饋，僅有的輸入是各 關(guān)節(jié)傳感器的測量值，因此可以使用簡單的程序設(shè)計(jì)手段。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮5. 基于演示的機(jī)器人示教基于演示的機(jī)器人示教就是通過人體的演示運(yùn)動(dòng)，基于 傳感器抽出眼熟運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵信息（如關(guān)鍵部位的位置、姿態(tài) 等），將關(guān)鍵信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人能夠識(shí)別的信息，從而讓機(jī)

7、器人再現(xiàn)人體的演示運(yùn)動(dòng)?；谘菔镜臋C(jī)器人示教已經(jīng)發(fā)展 30多年，得到了機(jī)器人領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。如何讓一臺(tái)純 粹的預(yù)編程機(jī)器人變成一臺(tái)基于用戶的柔性機(jī)器人來完成一 項(xiàng)任務(wù)，這是基于演示的機(jī)器人示教來實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。一方面, 我們希望機(jī)器人學(xué)習(xí)得更快；另一方面則希望機(jī)器人具有友 好的人機(jī)交互，能夠適應(yīng)人類的日常生活。早期的基于演示的機(jī)器人示教采用用戶引導(dǎo)生成策略， 只要簡單地復(fù)制演示的動(dòng)作。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于演 示的機(jī)器人示教結(jié)合了很多學(xué)習(xí)方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模 糊邏輯和隱形馬爾科夫模型等），這使演示示教能夠適應(yīng)新 的狀況。隨著仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器人的發(fā)展，基于演示的 機(jī)器人示教也關(guān)注一些仿

8、生學(xué)原理，如視覺運(yùn)動(dòng)模仿的原理 和小孩模仿能力形成的機(jī)理。基于演示的機(jī)器人示教的難點(diǎn) 在于如何讓機(jī)器人的行為更加具有人類的柔性和靈活性，如 何提高機(jī)器人行為的可預(yù)見性和可接受性。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮5.3工業(yè)機(jī)器人的仿真模擬作業(yè)(離線編程作業(yè))5.3.1離線編程的主要內(nèi)容機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是機(jī)器人編程語言的拓廣，通過該系統(tǒng)可以建立機(jī)器人和CAD/CAM之間的聯(lián)系。設(shè)計(jì)編程系 統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容。(1) 所編程的工作過程知識(shí)。(2) 機(jī)器人和工作環(huán)境的三維實(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)。第五章 工北機(jī)器人的斥教及鎘程語書(3) 基于圖形顯示的軟件系統(tǒng)、可進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)

9、動(dòng)的圖 形仿真。(4) 軌跡規(guī)劃和檢查算法，如檢查機(jī)器人關(guān)節(jié)角超限、檢測碰撞以及規(guī)劃機(jī)器人在工作空間的運(yùn)動(dòng)軌跡等。(5) 傳感器的接口和仿真，以利用傳感器的信息進(jìn)行決 策和規(guī)劃。(6) 通信功能，以完成離線編程系統(tǒng)所生成的運(yùn)動(dòng)代碼 到各種機(jī)器人控制柜的通信。(7) 用戶接口，以提供有效的人機(jī)界面，便于人工干預(yù) 和進(jìn)行系統(tǒng)的操作。另外，由于離線編程系統(tǒng)是基于機(jī)器人系統(tǒng)的圖形模型 來模擬機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的工作進(jìn)行編程的，因此為了使 編程結(jié)果能符合實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)能夠計(jì)算仿真模型和實(shí)際 模型之間的誤差，并盡量減少二者間的誤差。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮5.3.2離線編程系統(tǒng)的組成一般說來，

10、機(jī)器人離線編程系統(tǒng)包括傳感器、機(jī)器人系 統(tǒng)CAD建模、離線編程、圖形仿真、人機(jī)界面以及后置處 理等主要模塊。1.用戶接口離線編程系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題是能否方便地產(chǎn)生機(jī)器人 編程系統(tǒng)的環(huán)境，便于人機(jī)交互。因此，用戶接口是很重要 的。工業(yè)機(jī)器人一般提供兩個(gè)用戶接口： 一個(gè)用于示教編程, 另一個(gè)用于離線編程。示教編程可以用示教器直接編制程序; 離線編程則是利用機(jī)器人編程語言進(jìn)行程序編制，目的都是 使機(jī)器人完成給定的任務(wù)。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮2. CAD建模機(jī)器人編程的核心技術(shù)是機(jī)器人及其工作單元的圖形描 述。建立工作單元中的機(jī)器人、夾具、零件和工具的三位幾 何模型，一般多采用零件和工具的

11、CAD模型。CAD建模需 要完成零件建模、設(shè)備建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和幾何模型處理等任 務(wù)。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮5.4機(jī)器人編程語言的類別和基本特性5.4.1機(jī)器人編程語言的類別機(jī)器人編程語言是一種程序描述語言，它能十分簡潔地 描述工作環(huán)境和機(jī)器人的動(dòng)作，能把復(fù)雜的操作內(nèi)容通過盡 可能簡單的程序來實(shí)現(xiàn)。機(jī)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、概念統(tǒng)一、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，很多情況下都是操作者實(shí)時(shí)地 操作機(jī)器人工作，為此，機(jī)器人編程語言還應(yīng)當(dāng)簡單易學(xué)， 并且有良好的對(duì)話性。高水平的機(jī)器人編程語言還能夠做出 并應(yīng)用目標(biāo)物體

12、和環(huán)境的幾何模型。在工作進(jìn)行過程中，幾 何模型又是不斷變化的，因此性能優(yōu)越的機(jī)器人語言會(huì)極大 地減少編程的困難。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮從描述操作命令的角度來看，機(jī)器人編程語言的水平可 以分為：(1) 動(dòng)作級(jí)。動(dòng)作級(jí)語言以機(jī)器人末端執(zhí)行器的動(dòng)作為 中心來描述各種操作，要在程序中說明每個(gè)動(dòng)作。這是一種 最基本的描述方式。對(duì)象級(jí)。對(duì)象級(jí)語言允許較粗略地描述操作對(duì)象的 動(dòng)作、操作對(duì)象之間的關(guān)系等。使用這種語言時(shí)，必須明確 地描述操作對(duì)象之間的關(guān)系和機(jī)器人與操作對(duì)象之間的關(guān)系, 它特別適用于組裝作業(yè)。第五章 工止機(jī)器人的斥教及偏程語哮(2) 任務(wù)級(jí)。任務(wù)級(jí)語言只要直接指定操作內(nèi)容即可， 為此，機(jī)器人必須一邊思考一邊工作。這是一種水平很高的 機(jī)器人程序語言?，F(xiàn)在還有人在開發(fā)一種系統(tǒng)，它能按各種原則給出最初 的環(huán)境狀態(tài)和最終的工作狀態(tài)，然后讓機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行推理、 計(jì)算，最后自動(dòng)生成機(jī)器人的動(dòng)作。這種系統(tǒng)現(xiàn)在仍處于基 礎(chǔ)研究階