机器人软件结构

1 机 器 人 软 件 结 构 2 内 容 简 介 机 器 人 软 件 的 作 用 与 构 成 系 统 软 件 及 结 构 机 器 人 的 编 程 语 言 机 器 人 的 编 程 机 器 人 软 件 的 作 用 与 构 成 机 器 人 系 统 可 大 致 由 硬 件 系 统 和 软 件 系 统 组 成 。 其 中 硬 件 系 统 包 括 机 械 系 统 、 传 感 系 统 、 驱 动 系 统 及 计算 机 与 控 制 系 统 ， 机 器 人 的 精 度 与 执 行 工 作 的 速 度 由 硬件 系 统 决 定 。 软 件 系 统 则 是 所 有 控 制 程 序 的 统 称 ， 机 器 人 执 行 何 种 操作 、 操 作 控 制 的 方 便 性 及 具 有 的 功 能 则 由 机 器 人 的 软 件系 统 决 定 。 机 器 人 的 硬 件 系 统 己 趋 向 于 模 块 化 和 简 单 化 ， 而 且 逐 步定 型 ； 机 器 人 的 软 件 系 统 则 由 于 机 器 人 执 行 任 务 的 多 样化 而 趋 向 于 复 杂 化 。 随 着 机 器 人 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 智 能 机 器 人 的 发 展 ， 机器 人 的 软 件 在 整 个 系 统 中 占 的 比 例 将 愈 来 愈 大 。 3 机 器 人 软 件 的 作 用 与 构 成 机 器 人 的 基 本 工 作 原 理 图 4 机 器 人 软 件 的 作 用 与 构 成 很 明 显 ， 硬 件 系 统 则 是 动 作 的 执 行 者 ， 而 软 件 系 统 是 机器 人 工 作 的 指 挥 核 心 。 软 件 系 统 可 分 为 系 统 软 件 和 应 用 软 件 。 系 统 软 件 是 由 机 器 人 制 造 厂 商 提 供 ， 相 当 于 机 器 的 操 作系 统 ， 它 提 供 了 各 种 控 制 机 器 人 动 作 的 手 段 和 指 令 系 统 。机 器 人 的 系 统 软 件 的 主 要 功 能 有 ： 提 供 人 一 机 器 人 对 话的 手 段 、 提 供 控 制 机 器 人 的 指 令 系 统 与 编 程 环 境 、 监 控和 管 理 机 器 人 完 成 任 务 的 过 程 和 实 时 监 控 各 关 节 的 运 动 。 应 用 软 件 是 由 用 户 编 制 的 ， 它 是 使 机 器 人 完 成 具 体 任 务的 程 序 。 5 系 统 软 件 及 结 构 按 系 统 软 件 功 能 的 不 同 ， 机 器人 系 统 软 件 可 用 分 级 的 方 法 概括 如 图 所 示 。 机 器 人 具 有 的 不同 软 件 级 别 ， 是 区 别 机 器 人 先进 性 的 重 要 标 志 。 6 系 统 软 件 及 结 构 系 统 的 第 一 级 ， 即 实 时 监 控 软 件 。 任 何 机 器 人 至 少 都 具有 这 一 级 的 软 件 ， 其 主 要 任 务 是 将 期 望 的 关 节 运 动 转 化成 各 关 节 的 驱 动 力 和 驱 动 力 矩 ， 并 监 视 此 运 动 的 完 成 ，这 级 软 件 大 多 由 汇 编 语 言 写 成 ， 要 求 有 极 好 的 实 时 性 ，监 控 整 个 运 动 的 核 心 在 这 一 级 上 。 系 统 的 第 二 级 是 点 位 运 动 控 制 软 件 。 这 是 目 前 市 场 上 多数 机 器 人 均 具 有 的 ， 它 只 能 控 制 点 到 点 的 运 动 ， 当 任 务复 杂 时 ， 其 编 程 比 较 繁 琐 、 困 难 ， 同 时 编 出 的 程 序 一 般只 能 依 顺 序 执 行 ， 很 少 有 分 支 能 力 。 7 系 统 软 件 及 结 构 系 统 的 第 三 级 是 运 动 的 控 制 软 件 。 这 一 级 的 主 要 任 务 是进 行 运 动 和 轨 迹 的 规 划 ， 它 保 证 任 务 的 执 行 过 程 在 比 较优 化 的 基 础 上 进 行 ， 指 令 较 全 ， 同 时 它 可 支 持 多 设 备 的协 调 工 作 ， 对 具 有 这 级 软 件 的 机 器 人 编 程 相 对 简 单 一 些 。 系 统 的 第 四 级 是 结 构 化 编 程 支 持 级 。 此 级 实 质 上 是 一 个编 译 系 统 ， 它 使 机 器 人 的 运 动 控 制 编 程 可 以 脱 离 机 器 人 ，进 行 离 线 的 调 试 与 仿 真 。 8 系 统 软 件 及 结 构 系 统 的 第 五 级 ， 目 前 大 多 数 机 器 人 都 不 具 备 。 在 这 一 级给 机 器 人 编 程 时 是 以 任 务 为 单 位 给 定 的 ， 不 必 用 具 体 的运 动 来 描 述 ， 这 是 软 件 的 高 级 层 次 ， 主 要 用 人 工 智 能 的手 段 来 解 决 。 诸 如 环 境 的 区 别 、 任 务 的 描 述 、 任 务 的 划分 等 问 题 ， 均 需 用 该 层 软 件 来 解 决 。 很 明 显 ， 在 整 个 机器 人 软 件 系 统 中 有 不 少 是 用 于 监 控 机 器 人 运 动 过 程 的 ，这 相 当 于 机 器 人 的 内 部 特 性 。 一 般 来 讲 ， 用 户 关 心 的 是机 器 人 的 语 言 ， 而 不 是 语 言 的 具 体 工 作 过 程 。 9 机 器 人 的 编 程 语 言 机 器 人 的 编 程 语 言 是 机 器 人 系 统 软 件 的 重 要 组 成 部 分 ，其 发 展 与 机 器 人 技 术 的 发 展 是 同 步 的 。 机 器 人 语 言 有 四 种 主 要 类 型 ， 从 低 级 到 高 级 分 别 是 ： 1、 面 向 点 位 控 制 的 机 器 人 语 言 (如 T3 FUNKY语 言 等 )； 2、 面 向 运 动 的 机 器 人 语 言 (如 VAL.EMUY.RCL语 言 等 )； 3、 结 构 化 编 程 语 言 (如 AL.MCL.MAPL语 言 等 )； 4、 面 向 任 务 的 机 器 人 语 言 (如 AUTOPASS语 言 等 )。 10 机 器 人 的 编 程 语 言 每 个 机 器 人 的 语 言 大 都 可 以 归 于 上 述 一 类 中 。 另 外 一 种语 言 则 是 对 任 何 机 器 人 都 适 用 的 ， 那 就 是 实 时 监 控 语 言 ，但 这 种 语 言 的 使 用 需 要 很 高 的 技 巧 及 对 系 统 硬 件 详 尽 的了 解 ， 一 般 用 户 不 必 使 用 ， 只 有 研 究 人 员 才 应 用 此 级 软件 。 目 前 ， 各 种 机 器 人 语 言 纷 繁 复 杂 ， 机 器 人 语 言 标 准 化 的要 求 日 益 迫 切 ， 机 器 人 语 言 一 方 面 向 完 善 方 向 发 展 ， 另一 方 面 则 可 能 向 标 准 的 方 向 发 展 。 11 机 器 人 的 编 程 1 机 器 人 的 示 教 用 机 器 人 代 替 人 进 行 作 业 时 ， 必 须 预 先 对 机 器 人 发 出 指示 ， 规 定 机 器 人 进 行 应 该 完 成 的 动 作 和 作 业 的 具 体 内 容 。这 个 过 程 就 称 为 对 机 器 人 的 示 教 或 对 机 器 人 的 编 程 。 对 机 器 人 的 示 教 有 不 同 的 方 法 ， 要 想 让 机 器 人 实 现 人 们所 期 望 的 动 作 ， 必 须 赋 予 机 器 人 各 种 信 息 ， 首 先 是 机 器人 动 作 顺 序 的 信 息 及 外 部 设 备 的 协 调 信 息 ； 其 次 是 与 机器 人 工 作 时 的 附 加 条 件 信 息 ； 再 次 是 机 器 人 的 位 置 和 姿态 信 息 。 12 机 器 人 的 编 程 (1) 直 接 示 教 就 是 我 们 常 说 的 手 把 手 示 教 ， 由 人 直 接 搬 动 机 器 人 的 手臂 对 机 器 人 进 行 示 教 ， 如 示 教 盒 示 教 或 操 作 杆 示 教 等 。在 这 种 示 教 中 ， 为 了 示 教 方 便 及 获 取 信 息 的 快 捷 而 准 确 ，人 们 可 选 择 在 不 同 的 坐 标 系 下 示 教 ， 可 在 关 节 坐 标 系 、直 角 坐 标 系 (基 坐 标 系 )以 及 工 具 坐 标 系 、 工 件 坐 标 系 或用 户 自 定 义 的 坐 标 系 下 示 教 。 13 机 器 人 的 编 程 (2) 离 线 示 教 不 对 实 际 作 业 的 机 器 人 直 接 进 行 示 教 ， 而 是 脱 离 实 际 作业 环 境 生 成 示 教 数 据 ， 间 接 地 对 机 器 人 进 行 示 教 。 在 离线 示 教 法 (离 线 编 程 )中 ， 通 过 使 用 计 算 机 内 存 储 的 模 型(CAD模 型 )， 不 要 求 机 器 人 实 际 产 生 运 动 ， 便 能 在 示 教 结果 的 基 础 上 对 机 器 人 的 运 动 进 行 仿 真 ， 从 而 确 定 示 教 内容 是 否 恰 当 及 机 器 人 是 否 按 人 们 期 望 的 方 式 运 动 。 14 机 器 人 的 编 程 2 机 器 人 语 言 及 其 分 类 机 器 人 软 件 的 类 型 大 致 有 三 种 ： 伺 服 控 制 级 软 件 ； 机 器 人 运 动 控 制 级 软 件 ， 用 于 对 机 器 人 轨 迹 控 制插 补 和 坐 标 变 换 等 ； 周 边 装 置 的 控 制 软 件 。 为 了 让 机 器 人 产 生 人 们 所 期 望 的 动 作 ， 实 现 上 述 三 类 软件 的 功 能 ， 就 必 须 设 计 机 器 人 的 运 动 过 程 和 编 制 完 成 这种 运 动 过 程 的 先 后 顺 序 ， 这 与 计 算 机 编 制 程 序 的 概 念 是一 样 的 。 于 是 使 用 一 种 形 式 语 言 来 描 述 机 器 人 的 运 动 ，这 种 形 式 语 言 叫 做 机 器 人 语 言 (Robot Language)。 15 机 器 人 的 编 程 以 机 器 人 语 言 为 线 索 ， 利 用 机 器 人 语 言 对 机 器 人 编 程 ，实 现 对 机 器 人 及 其 周 边 装 置 的 控 制 。 机 器 人 语 言 的 含 义是 ， 机 器 人 语 言 是 在 人 与 机 器 人 之 间 的 一 种 记 录 信 号 或交 换 信 息 的 程 序 语 言 。 关 于 机 器 人 语 言 的 分 类 ， 从 不 同 的 方 面 考 虑 有 很 多 种 分类 方 法 ， 通 常 人 们 根 据 作 业 描 述 水 平 的 高 低 分 为 三 级 ： (1)动 作 级 动 作 级 语 言 是 以 机 器 人 的 运 动 作 为 描 述 的 中 心 ， 由 一 系列 命 令 组 成 ， 一 般 一 个 命 令 对 应 一 个 动 作 ， 语 言 简 单 ，易 于 编 程 ， 缺 点 是 不 能 进 行 复 杂 的 数 学 运 算 。 16 机 器 人 的 编 程 (2)对 象 级 对 象 级 语 言 是 以 描 写 操 作 物 之 间 的 关 系 为 中 心 的 语 言 。 (3) 任 务 级 任 务 级 是 比 较 高 级 的 机 器 人 语 言 ， 这 类 语 言 允 许 使 用 者对 工 作 任 务 要 求 达 到 的 目 标 直 接 下 命 令 ， 不 需 要 规 定 机器 人 所 做 的 每 一 个 动 作 的 细 节 。 只 要 按 某 种 原 则 给 出 最初 的 环 境 模 型 和 最 终 的 工 作 状 态 ， 机 器 人 可 自 动 进 行 推理 计 算 ， 最 后 生 成 机 器 人 的 动 作 。 17 18