机器人语言编程系统的设计与实现

１．１．２课题研究的日的和意义
本课题以江苏省“十五”攻关项目“网络化机器人研制及其汽车焊接生产线应用一为背景，研 究开放式网络化机器人系统软件，包括研究机器人软件体系结构与设计方法，机器人编程语言及其 编辑器、解释器，机器入主控界面，运动学建模、机器人运动轨迹计算（插补）．设计并实现与ＰＭＡ（２
．Ｉ一
东南大学 硕士学位论文 机器人语言编程系统的设计与实现 姓名：黄永华 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：孟正大
20040301
东南大学硕一Ｉ：学位论文
中文摘要
摘要
本文以江苏省十五攻关项目。网络化焊接机器入研制与汽车生产线应用工程”为背
景，研究开放式网络化机器人系统软件．主要内容是机器人语言编程系统的设计扣开发 机器人编程系统．
在示教再现方式下，使用示教盒根据作业的需要把机器人的抓手送到作业所需要的位置上去， 并且处于所需要的姿态（在本论文中，把位置信息和姿态信息合称为位姿信息），然后把这一位姿信 息存储起来．对作业空间各轨迹重复上述操作并记录成个作业程序．工作时再现上述操作就能使机 器人完成预定的作业，并且可以反复同样的作业过程．示教再现方式的缺点：示教时间过长，速度 太慢，尤其是对于一些复杂的作业；作业任务稍有改变则必须重新示教；无法接受感觉信息的反馈； 无法控制多台机器人协调工作．
自八十年代以来。国外工业机器人技术发展趋于成熟，工业机器人本身作为一种标准设备已被 世界范围制造业特别是汽车与电子制造行业广泛采用．对提高企业自动化水平，劳动生产率、产品 质量、经济效益和改善劳动环境起到了重要作用．成为现代制造业自动化的标志．
目前，机器人技术发展十分迅速．加速机器人技术的实用化、机器人产品和应用过程的系列化 以及工业机器人的智能化网络化是机器人产业界正在不断追求的目标．工业机器人技术一个显著的 发展趋势就是——鳊程离线化。编程技术由导引示教向基于三维图形快速显示技术的离线编程发展。 这大大简化了用户编程．缩短了编程时问，提高了编程效率．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：
Ｒｏｂｏｔ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ Ｔｅａｃｈ ａｎｄ ｒｅｐｌａｙｉｎｇ
Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｌａｎｇｕａｇｅ
Ｈ
东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
机器人机械手的动作，例如装配水泵、旋转曲轴等作业．ＷＡＶＥ语言具有动作的描述、力和接触的
Ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｓｕｂｔａｓｋ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｅｎｔｈ Ｆｉｖｅ Ｋｅｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ‘Ｒ＆Ｄ ｏｆ
ＯｐｅｎＮｅｔｗｏｒｋＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＲｏｂｏｔａｎｄｔｈｅＡ蜊ｊ∞出ｏｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＷｅｌｄｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔ
另外，本文详细阐述了ＳＩＡＳＵＮ机器人示教，再现系统设计和实现．给出了本地操作 和运动控制之间的模块的具体划分以及它们之间的接口及其实现．
最后，对网络化机器人软件体系结构的设计进行了尝试性的探索．
关键词： 机器人 运动学 机器人语言 示教 再现
至里盔兰耍土兰丝笙兰
Ａｂｓｔｒａｃｔ
竺竺
Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｉａｓｕｎ ＲｏｂｏＵｃｓ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｐｒｏｇｒａｍｉｎｇ
Ｌｉｎｅ’．
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｗｅ∞ｎｔｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ ｉｔｓ
ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｉｎ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄ ａｌｓｏ．ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒｉｃ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
吁 研究生签名：
导师签名：垒丝日期：
东南大学硕士学位论文
第一章：绪论
第一章绪论
§１．１课题背景及其研究意义
１．１．１课题背景
进入七十年代后。为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，对多品种 小批量生产方式的要求越来越高．出现了适应这种生产模式的、由工业机器人、数控机床和加工中 心等自动化装备构成的柔性制造系统．这一时期是包括工业机器人在内的自动化装备快速发展的阶 段．九十年代以来，如何利用技术提供的可能性。加速新产品的构思及概念的形成。并以最短时间 开发出高质量低成本的新产品．已成为市场竞争的新焦点．制造业进入了从面向市场而生产转变为 面向顾客而生产的阶段．
本文介绍了机器人语言的基本概念以及机器人语言系统在整个机器人系统中的地 位．介绍了机器人语言开发的一般方法，提出了ＳＩＡＳＵＮ机器人语言编程系统的开发框 榘．
然后，对本课题中需要用到的有关机器人运动学部分内容进行分析，详细阐述了在 关节空间和在笛卡尔空间下轨迹规划的方法和实现．
作为本论文的重点，详细介绍了ＳＩＡＳＵＮ机器人语言的定义．语法．基本语句及其 格式．给出了机器人语言编辑器和语言解释器的设计和实现方法．
机器人群体作为整个集成化的生产设备的—部分．编程及监控技术不断改进，使它能和整个 生产设备在统一的框架下进行编程、仿真及编程．目前，编程语言依然是每个供应商独立开发的， 五花八门，各式各样．在今后的发展中，随着机器人控制器采用通用计算机成为一个主漉，机器人 语言完全可以像计算机语言一样规范化，这将大大有利于系统集成，便于系统的编程、仿真及监控．
言其实是个语言系统，不仅包括语言本身．还包括语言的实现、对机器人工作环境的建模等其他相 关功能的语言处理系统．
§１．２机器人语言系统概述
１．２．１机器人语言的概念、发展及其分类
（一）机器人语言的概念 机器人的一个很重要的特性就是它具有通用性。为了使其具有通用性。就必须使它具有可编程 能力．这样，在机器人本身结构参数不变的情况下．通过改变其程序可以使机器人完成不同的任务． 为使机器人完成某—特定任务．通常有三种方式来实现：（Ｉ）示教再现方式：（２）离线数据程序设 计方式；（３）使用机器人语言方式．
ａｔｈｌｅｔｉｃｓ ｃｏｎｔｒｏＩ ｍｏｄｕｌｅ．
ＦｉｎａｌＩｙｔ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｓｅｅｋｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＩｎｄｕｓｔｒａＩ Ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ａ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．
（二）机器人语言的发展历史 机器人系统的编程能力很大程度上决定了具体机器人的灵活性和智能程度．因此机器人技术 的发展离不开机器人语言的发展． 机器人语言是从７０年代发展起来的。在较早的机器人语言中，有些是以普通的程序设计语言 为主体·加入一些专用的机器人控制指令而成；有些则是由数控语言改进而成。 １９７３年，Ｓｔａｎｆｏｒｄ人工智能实验室研究和开发了ＷＡＶＥ语言．这是一种符号语言，用于控制
研究生签名：细缉日期：一
东南大学学位论文使用授权声明
Fra Baidu bibliotek
东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包 括刊登）授权东南大学研究生院办理。
多台机器人之间通信以实现机器人之间的协调工作以及实现整个机器人系统的开放性。而对机器人
进行编程控制是对ＳＩＡＳＵＮ机器人进行有效控制和利用的前提，也是上述各项研究工作展开的基础．
同时，我们需要对ＳＩＡＳＵＮ机器人控制器进行改造并且重新设计其软件系统．鉴于这种情况．我们
需要自己开出发用于ＳＩＡＳＵＮ机器人编程控制的机器人语言．但跟计算机语言不同的是，机器人语
东南大学硕士学位论文
第一章绪论
的接口．
给机器人编程是有效使用机器人的前提．但是跟计算机编程方式不同，由于机器人控制装置和
作业要求的多样性，目前还没有制定统一机器人控制代码标准，所以机器人编程语言也是各种各样
的，对于不同生产厂商的机器人一般都配置不同的编程语言．现在，仅实用的机器人语言就有十几
种．
我们以ＳＩＡｓＵＮ机器人为对象，展开了一系列研究课题．比如实现对机器人控制算法的修改、
本课题组承担了江苏省十五攻关项目，即南京跃进汽车集团的“网络化焊接机器人研制与汽车 焊接生产线应用工程”项目．本项目研究的目的就是为了研制基于开放式体系结构的网络化焊接机 器人控制器，并对跃进汽车集团南维柯公司原有焊接机器人控制器进行网络化改造．通过信息技术， 实现该公司多台机器人、其他设备和周边设备以及生产管理系统的整体集成，通过对生产线的作业 规划、任务调度与优化·实现能力与资源最佳匹配．达到最佳的生产效率和经济效益．
离线数据程序设计方式克服了直接示教再现方式的某些缺点，它使用计算机辅助软件设计数 据，计算出为了完成某一作业，机器人抓手应该运动的位置和所处的姿态，且可用计算机软件进行 仿真．一言以蔽之，离线数据程序设计方式是用计算机辅助软件产生用于示教的数据．
第三种方式是使用编程语言。即机器人语言的方式．机器人语言是一种专用的语言，即用简 单的命令来描述机器人的动作，通过不同命令的组合，可以完成较为复杂的任务．这种方式的优点 有：（１）用计算机代替了手动示教，提高了效率：（２）语言编程与机器人型号无关，编好的程序可 供多台机器人或不同型号的机器人使用；（３）可以接受来自传感器的反馈信息：（４）可以协调多台 机器人的工作；（５）可以引入逻辑判断、决策和规划功能以及人工智能的其他方法．
在汽车行业，焊接是最主要的作业。焊接机器人的国产化也是８６３计划的主要目标之一．目前， 在国内大多数企业如跃进汽车集团，焊接机器人（包括９０年以来从国外进口的）还处在单机使用方 式，其控制器比较封闭。编程语言仍然是专用的．并采用示教再现方式．当投产一个新产品时，多 台机器人仍采用示教再现方式。编程时间过长。严重影响生产，无法适应敏捷制造的要求。虽然有 些新进口的焊接机器人具有离线编程功能，但由于工件的定位误差或缺少工件的精确数学模型，始 终未能实用化。特别是还缺少对机器人焊接生产线进行调度优化和远程监控的系统集成平台．因此， 针对焊接作业ｔ研制网络化开放式机器人控制器并对老机器人进行网络化改造，在此基础上实现机 器人焊接生产线的系统集成，对于汽车工业和机器人应用工程来说都是优先发展的方向之一．
Ｄｅｓｃａｒｔｅｓ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎａｔｉｎ．ｔｈｅ ｓｙｎｔａｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｍａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｍｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｄｎｏｒ ａｎｄ
ｌａｎｇｕｇｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｏｒ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓ＇蜒ｌｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅａｃｈ ａｎｄ ｒｅｐｌａｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｓｃｈ－ａｎｄ－ｒｅｐｌａｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ
ｆｒａｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｌａｎｇｕｇｅ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ ＳＩＡＳＵＮ ｒｏｂｏｔ
ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｌａｔｅｒ， ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎ ｂｏｔｈ ｊｏｉｎｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｎｄ