機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)

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1、1 機(jī) 器 人 軟 件 結(jié) 構(gòu) 2 內(nèi) 容 簡 介 機(jī) 器 人 軟 件 的 作 用 與 構(gòu) 成 系 統(tǒng) 軟 件 及 結(jié) 構(gòu) 機(jī) 器 人 的 編 程 語 言 機(jī) 器 人 的 編 程 機(jī) 器 人 軟 件 的 作 用 與 構(gòu) 成 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 可 大 致 由 硬 件 系 統(tǒng) 和 軟 件 系 統(tǒng) 組 成 。 其 中 硬 件 系 統(tǒng) 包 括 機(jī) 械 系 統(tǒng) 、 傳 感 系 統(tǒng) 、 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 及 計算 機(jī) 與 控 制 系 統(tǒng) ， 機(jī) 器 人 的 精 度 與 執(zhí) 行 工 作 的 速 度 由 硬件 系 統(tǒng) 決 定 。 軟 件 系 統(tǒng) 則 是 所 有 控 制 程 序 的 統(tǒng) 稱 ， 機(jī) 器 人 執(zhí)

2、行 何 種 操作 、 操 作 控 制 的 方 便 性 及 具 有 的 功 能 則 由 機(jī) 器 人 的 軟 件系 統(tǒng) 決 定 。 機(jī) 器 人 的 硬 件 系 統(tǒng) 己 趨 向 于 模 塊 化 和 簡 單 化 ， 而 且 逐 步定 型 ； 機(jī) 器 人 的 軟 件 系 統(tǒng) 則 由 于 機(jī) 器 人 執(zhí) 行 任 務(wù) 的 多 樣化 而 趨 向 于 復(fù) 雜 化 。 隨 著 機(jī) 器 人 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 特 別 是 智 能 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 ， 機(jī)器 人 的 軟 件 在 整 個 系 統(tǒng) 中 占 的 比 例 將 愈 來 愈 大 。 3 機(jī) 器 人 軟 件 的 作 用 與 構(gòu) 成 機(jī) 器 人 的 基 本

3、 工 作 原 理 圖 4 機(jī) 器 人 軟 件 的 作 用 與 構(gòu) 成 很 明 顯 ， 硬 件 系 統(tǒng) 則 是 動 作 的 執(zhí) 行 者 ， 而 軟 件 系 統(tǒng) 是 機(jī)器 人 工 作 的 指 揮 核 心 。 軟 件 系 統(tǒng) 可 分 為 系 統(tǒng) 軟 件 和 應(yīng) 用 軟 件 。 系 統(tǒng) 軟 件 是 由 機(jī) 器 人 制 造 廠 商 提 供 ， 相 當(dāng) 于 機(jī) 器 的 操 作系 統(tǒng) ， 它 提 供 了 各 種 控 制 機(jī) 器 人 動 作 的 手 段 和 指 令 系 統(tǒng) 。機(jī) 器 人 的 系 統(tǒng) 軟 件 的 主 要 功 能 有 ： 提 供 人 一 機(jī) 器 人 對 話的 手 段 、 提 供 控 制 機(jī) 器 人

4、 的 指 令 系 統(tǒng) 與 編 程 環(huán) 境 、 監(jiān) 控和 管 理 機(jī) 器 人 完 成 任 務(wù) 的 過 程 和 實 時 監(jiān) 控 各 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動 。 應(yīng) 用 軟 件 是 由 用 戶 編 制 的 ， 它 是 使 機(jī) 器 人 完 成 具 體 任 務(wù)的 程 序 。 5 系 統(tǒng) 軟 件 及 結(jié) 構(gòu) 按 系 統(tǒng) 軟 件 功 能 的 不 同 ， 機(jī) 器人 系 統(tǒng) 軟 件 可 用 分 級 的 方 法 概括 如 圖 所 示 。 機(jī) 器 人 具 有 的 不同 軟 件 級 別 ， 是 區(qū) 別 機(jī) 器 人 先進(jìn) 性 的 重 要 標(biāo) 志 。 6 系 統(tǒng) 軟 件 及 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 第 一 級 ， 即 實 時 監(jiān)

5、 控 軟 件 。 任 何 機(jī) 器 人 至 少 都 具有 這 一 級 的 軟 件 ， 其 主 要 任 務(wù) 是 將 期 望 的 關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動 轉(zhuǎn) 化成 各 關(guān) 節(jié) 的 驅(qū) 動 力 和 驅(qū) 動 力 矩 ， 并 監(jiān) 視 此 運(yùn) 動 的 完 成 ，這 級 軟 件 大 多 由 匯 編 語 言 寫 成 ， 要 求 有 極 好 的 實 時 性 ，監(jiān) 控 整 個 運(yùn) 動 的 核 心 在 這 一 級 上 。 系 統(tǒng) 的 第 二 級 是 點 位 運(yùn) 動 控 制 軟 件 。 這 是 目 前 市 場 上 多數(shù) 機(jī) 器 人 均 具 有 的 ， 它 只 能 控 制 點 到 點 的 運(yùn) 動 ， 當(dāng) 任 務(wù)復(fù) 雜 時 ， 其

6、 編 程 比 較 繁 瑣 、 困 難 ， 同 時 編 出 的 程 序 一 般只 能 依 順 序 執(zhí) 行 ， 很 少 有 分 支 能 力 。 7 系 統(tǒng) 軟 件 及 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 第 三 級 是 運(yùn) 動 的 控 制 軟 件 。 這 一 級 的 主 要 任 務(wù) 是進(jìn) 行 運(yùn) 動 和 軌 跡 的 規(guī) 劃 ， 它 保 證 任 務(wù) 的 執(zhí) 行 過 程 在 比 較優(yōu) 化 的 基 礎(chǔ) 上 進(jìn) 行 ， 指 令 較 全 ， 同 時 它 可 支 持 多 設(shè) 備 的協(xié) 調(diào) 工 作 ， 對 具 有 這 級 軟 件 的 機(jī) 器 人 編 程 相 對 簡 單 一 些 。 系 統(tǒng) 的 第 四 級 是 結(jié) 構(gòu) 化 編 程

7、 支 持 級 。 此 級 實 質(zhì) 上 是 一 個編 譯 系 統(tǒng) ， 它 使 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動 控 制 編 程 可 以 脫 離 機(jī) 器 人 ，進(jìn) 行 離 線 的 調(diào) 試 與 仿 真 。 8 系 統(tǒng) 軟 件 及 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 的 第 五 級 ， 目 前 大 多 數(shù) 機(jī) 器 人 都 不 具 備 。 在 這 一 級給 機(jī) 器 人 編 程 時 是 以 任 務(wù) 為 單 位 給 定 的 ， 不 必 用 具 體 的運(yùn) 動 來 描 述 ， 這 是 軟 件 的 高 級 層 次 ， 主 要 用 人 工 智 能 的手 段 來 解 決 。 諸 如 環(huán) 境 的 區(qū) 別 、 任 務(wù) 的 描 述 、 任 務(wù) 的 劃分

8、 等 問 題 ， 均 需 用 該 層 軟 件 來 解 決 。 很 明 顯 ， 在 整 個 機(jī)器 人 軟 件 系 統(tǒng) 中 有 不 少 是 用 于 監(jiān) 控 機(jī) 器 人 運(yùn) 動 過 程 的 ，這 相 當(dāng) 于 機(jī) 器 人 的 內(nèi) 部 特 性 。 一 般 來 講 ， 用 戶 關(guān) 心 的 是機(jī) 器 人 的 語 言 ， 而 不 是 語 言 的 具 體 工 作 過 程 。 9 機(jī) 器 人 的 編 程 語 言 機(jī) 器 人 的 編 程 語 言 是 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 軟 件 的 重 要 組 成 部 分 ，其 發(fā) 展 與 機(jī) 器 人 技 術(shù) 的 發(fā) 展 是 同 步 的 。 機(jī) 器 人 語 言 有 四 種 主 要 類

9、 型 ， 從 低 級 到 高 級 分 別 是 ： 1、 面 向 點 位 控 制 的 機(jī) 器 人 語 言 (如 T3 FUNKY語 言 等 )； 2、 面 向 運(yùn) 動 的 機(jī) 器 人 語 言 (如 VAL.EMUY.RCL語 言 等 )； 3、 結(jié) 構(gòu) 化 編 程 語 言 (如 AL.MCL.MAPL語 言 等 )； 4、 面 向 任 務(wù) 的 機(jī) 器 人 語 言 (如 AUTOPASS語 言 等 )。 10 機(jī) 器 人 的 編 程 語 言 每 個 機(jī) 器 人 的 語 言 大 都 可 以 歸 于 上 述 一 類 中 。 另 外 一 種語 言 則 是 對 任 何 機(jī) 器 人 都 適 用 的 ， 那

10、就 是 實 時 監(jiān) 控 語 言 ，但 這 種 語 言 的 使 用 需 要 很 高 的 技 巧 及 對 系 統(tǒng) 硬 件 詳 盡 的了 解 ， 一 般 用 戶 不 必 使 用 ， 只 有 研 究 人 員 才 應(yīng) 用 此 級 軟件 。 目 前 ， 各 種 機(jī) 器 人 語 言 紛 繁 復(fù) 雜 ， 機(jī) 器 人 語 言 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的要 求 日 益 迫 切 ， 機(jī) 器 人 語 言 一 方 面 向 完 善 方 向 發(fā) 展 ， 另一 方 面 則 可 能 向 標(biāo) 準(zhǔn) 的 方 向 發(fā) 展 。 11 機(jī) 器 人 的 編 程 1 機(jī) 器 人 的 示 教 用 機(jī) 器 人 代 替 人 進(jìn) 行 作 業(yè) 時 ， 必 須 預(yù)

11、先 對 機(jī) 器 人 發(fā) 出 指示 ， 規(guī) 定 機(jī) 器 人 進(jìn) 行 應(yīng) 該 完 成 的 動 作 和 作 業(yè) 的 具 體 內(nèi) 容 。這 個 過 程 就 稱 為 對 機(jī) 器 人 的 示 教 或 對 機(jī) 器 人 的 編 程 。 對 機(jī) 器 人 的 示 教 有 不 同 的 方 法 ， 要 想 讓 機(jī) 器 人 實 現(xiàn) 人 們所 期 望 的 動 作 ， 必 須 賦 予 機(jī) 器 人 各 種 信 息 ， 首 先 是 機(jī) 器人 動 作 順 序 的 信 息 及 外 部 設(shè) 備 的 協(xié) 調(diào) 信 息 ； 其 次 是 與 機(jī)器 人 工 作 時 的 附 加 條 件 信 息 ； 再 次 是 機(jī) 器 人 的 位 置 和 姿態(tài)

12、信 息 。 12 機(jī) 器 人 的 編 程 (1) 直 接 示 教 就 是 我 們 常 說 的 手 把 手 示 教 ， 由 人 直 接 搬 動 機(jī) 器 人 的 手臂 對 機(jī) 器 人 進(jìn) 行 示 教 ， 如 示 教 盒 示 教 或 操 作 桿 示 教 等 。在 這 種 示 教 中 ， 為 了 示 教 方 便 及 獲 取 信 息 的 快 捷 而 準(zhǔn) 確 ，人 們 可 選 擇 在 不 同 的 坐 標(biāo) 系 下 示 教 ， 可 在 關(guān) 節(jié) 坐 標(biāo) 系 、直 角 坐 標(biāo) 系 (基 坐 標(biāo) 系 )以 及 工 具 坐 標(biāo) 系 、 工 件 坐 標(biāo) 系 或用 戶 自 定 義 的 坐 標(biāo) 系 下 示 教 。 13 機(jī)

13、 器 人 的 編 程 (2) 離 線 示 教 不 對 實 際 作 業(yè) 的 機(jī) 器 人 直 接 進(jìn) 行 示 教 ， 而 是 脫 離 實 際 作業(yè) 環(huán) 境 生 成 示 教 數(shù) 據(jù) ， 間 接 地 對 機(jī) 器 人 進(jìn) 行 示 教 。 在 離線 示 教 法 (離 線 編 程 )中 ， 通 過 使 用 計 算 機(jī) 內(nèi) 存 儲 的 模 型(CAD模 型 )， 不 要 求 機(jī) 器 人 實 際 產(chǎn) 生 運(yùn) 動 ， 便 能 在 示 教 結(jié)果 的 基 礎(chǔ) 上 對 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動 進(jìn) 行 仿 真 ， 從 而 確 定 示 教 內(nèi)容 是 否 恰 當(dāng) 及 機(jī) 器 人 是 否 按 人 們 期 望 的 方 式 運(yùn) 動

14、 。 14 機(jī) 器 人 的 編 程 2 機(jī) 器 人 語 言 及 其 分 類 機(jī) 器 人 軟 件 的 類 型 大 致 有 三 種 ： 伺 服 控 制 級 軟 件 ； 機(jī) 器 人 運(yùn) 動 控 制 級 軟 件 ， 用 于 對 機(jī) 器 人 軌 跡 控 制插 補(bǔ) 和 坐 標(biāo) 變 換 等 ； 周 邊 裝 置 的 控 制 軟 件 。 為 了 讓 機(jī) 器 人 產(chǎn) 生 人 們 所 期 望 的 動 作 ， 實 現(xiàn) 上 述 三 類 軟件 的 功 能 ， 就 必 須 設(shè) 計 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動 過 程 和 編 制 完 成 這種 運(yùn) 動 過 程 的 先 后 順 序 ， 這 與 計 算 機(jī) 編 制 程 序 的 概 念

15、 是一 樣 的 。 于 是 使 用 一 種 形 式 語 言 來 描 述 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動 ，這 種 形 式 語 言 叫 做 機(jī) 器 人 語 言 (Robot Language)。 15 機(jī) 器 人 的 編 程 以 機(jī) 器 人 語 言 為 線 索 ， 利 用 機(jī) 器 人 語 言 對 機(jī) 器 人 編 程 ，實 現(xiàn) 對 機(jī) 器 人 及 其 周 邊 裝 置 的 控 制 。 機(jī) 器 人 語 言 的 含 義是 ， 機(jī) 器 人 語 言 是 在 人 與 機(jī) 器 人 之 間 的 一 種 記 錄 信 號 或交 換 信 息 的 程 序 語 言 。 關(guān) 于 機(jī) 器 人 語 言 的 分 類 ， 從 不 同 的 方

16、 面 考 慮 有 很 多 種 分類 方 法 ， 通 常 人 們 根 據(jù) 作 業(yè) 描 述 水 平 的 高 低 分 為 三 級 ： (1)動 作 級 動 作 級 語 言 是 以 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動 作 為 描 述 的 中 心 ， 由 一 系列 命 令 組 成 ， 一 般 一 個 命 令 對 應(yīng) 一 個 動 作 ， 語 言 簡 單 ，易 于 編 程 ， 缺 點 是 不 能 進(jìn) 行 復(fù) 雜 的 數(shù) 學(xué) 運(yùn) 算 。 16 機(jī) 器 人 的 編 程 (2)對 象 級 對 象 級 語 言 是 以 描 寫 操 作 物 之 間 的 關(guān) 系 為 中 心 的 語 言 。 (3) 任 務(wù) 級 任 務(wù) 級 是 比 較 高 級 的 機(jī) 器 人 語 言 ， 這 類 語 言 允 許 使 用 者對 工 作 任 務(wù) 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 動 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 的 工 作 狀 態(tài) ， 機(jī) 器 人 可 自 動 進(jìn) 行 推理 計 算 ， 最 后 生 成 機(jī) 器 人 的 動 作 。 17 18