機(jī)器人編程語言（一）

　　伴隨著機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人語言也得到發(fā)展和完善。機(jī)器人語言已成為機(jī)器人技術(shù)的一個重要部分。機(jī)器人的功能除了依靠機(jī)器人硬件的支持外，相當(dāng)一部分 依賴機(jī)器人語言來完成。早期的機(jī)器人由于功能單一，動作簡單，可采用固定程序或示教方式來控制機(jī)器人的運(yùn)動。隨著機(jī)器人作業(yè)動作的多樣化和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜 化，依靠固定的程序或示教方式已滿足不了要求，必須依靠能適應(yīng)作業(yè)和環(huán)境隨時變化的機(jī)器人語言編程來完成機(jī)器人的工作。

    自機(jī)器人出現(xiàn)以來，美國、日本等機(jī)器人的原創(chuàng)國也同時開始進(jìn)行機(jī)器人語言的研究。美國斯坦福大學(xué)于1973年研制出世界上第一種機(jī)器人語言——WAVE語 言。WAVE是一種機(jī)器人動作語言，即語言功能以描述機(jī)器人的動作為主，兼以力和接觸的控制，還能配合視覺傳感器進(jìn)行機(jī)器人的手、眼協(xié)調(diào)控制。

    在WAVE語言的基礎(chǔ)上，1974年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室又開發(fā)出一種新的語言，稱為AL語言。這種語言與高級計(jì)算機(jī)語言ALGOL結(jié)構(gòu)相似，是一種 編譯形式的語言，帶有一個指令編譯器，能在實(shí)時機(jī)上控制，用戶編寫好的機(jī)器人語言源程序經(jīng)編譯器編譯后對機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)分配和作業(yè)命令控制。AL語言不僅 能描述手爪的動作，而且可以記憶作業(yè)環(huán)境和該環(huán)境內(nèi)物體和物體之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。

    美國IBM公司也一直致力于機(jī)器人語言的研究，取得了不少成果。1975年，IBM公司研制出ML語言，主要用于機(jī)器人的裝配作業(yè)。隨后該公司又研制出另一種語言——AUTOPASS語言，這是一種用于裝配的更高級語言，它可以對幾何模型類任務(wù)進(jìn)行半自動編程。

    美國的Unimation公司于1979年推出了VAL語言。它是在BASIC語言基礎(chǔ)上擴(kuò)展的一種機(jī)器人語言，因此具有BASIC的內(nèi)核與結(jié)構(gòu)，編程簡 單，語句簡練。VAL語言成功地用于PUMA和UNIMATE型機(jī)器人。1984年，Unimation公司又推出了在VAL基礎(chǔ)上改進(jìn)的機(jī)器人語言—— VAL Ⅱ語言。VALⅡ語言除了含有VAL語言的全部功能外，還增加了對傳感器信息的讀取，使得可以利用傳感器信息進(jìn)行運(yùn)動控制。

    20世紀(jì)80年代初，美國Automatix公司開發(fā)了RAIL語言，該語言可以利用傳感器的信息進(jìn)行零件作業(yè)的檢測。同時，麥道公司研制了MCL語言， 這是一種在數(shù)控自動編程語言——APT語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)器人語言。MCL特別適用于由數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等組成的柔性加工單元的編程。

    機(jī)器人語言品種繁多，而且新的語言層出不窮。這是因?yàn)闄C(jī)器人的功能不斷拓展，需要新的語言來配合其工作。另一方面，機(jī)器人語言多是針對某種類型的具體機(jī)器人而開發(fā)的，所以機(jī)器人語言的通用性很差，幾乎一種新的機(jī)器人問世，就有一種新的機(jī)器人語言與之配套。

　　機(jī)器人語言可以按照其作業(yè)描述水平的程度分為動作級編程語言、對象級編程語言和任務(wù)級編程語言三類。

動作級編程語言

　　動作級編程語言是最低一級的機(jī)器人語言。它以機(jī)器人的運(yùn)動描述為主，通常一條指令對應(yīng)機(jī)器人的一個動作，表示從機(jī)器人的一個位姿運(yùn)動到另一個位姿。動 作級編程語言的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，編程容易。其缺點(diǎn)是功能有限，無法進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，不接受浮點(diǎn)數(shù)和字符串，子程序不含有自變量；不能接受復(fù)雜的傳感器 信息，只能接受傳感器開關(guān)信息；與計(jì)算機(jī)的通信能力很差。典型的動作級編程語言為VAL語言，如AVL語言語句“MOVE TO (destination)”的含義為機(jī)器人從當(dāng)前位姿運(yùn)動到目的位姿。

　　動作級編程語言編程時分為關(guān)節(jié)級編程和末端執(zhí)行器級編程兩種。

關(guān)節(jié)級編程

　　關(guān)節(jié)級編程是以機(jī)器人的關(guān)節(jié)為對象，編程時給出機(jī)器人一系列各關(guān)節(jié)位置的時間序列，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中進(jìn)行的一種編程方法。對于直角坐標(biāo)型機(jī)器人和圓柱坐 標(biāo)型機(jī)器人，由于直角關(guān)節(jié)和圓柱關(guān)節(jié)的表示比較簡單，這種方法編程較為適用；而對具有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，由于關(guān)節(jié)位置的時間序列表示困難，即使一個 簡單的動作也要經(jīng)過許多復(fù)雜的運(yùn)算，故這一方法并不適用。

　　關(guān)節(jié)級編程可以通過簡單的編程指令來實(shí)現(xiàn)，也可以通過示教盒示教和鍵入示教實(shí)現(xiàn)。

末端執(zhí)行器級編程

　　末端執(zhí)行器級編程在機(jī)器人作業(yè)空間的直角坐標(biāo)系中進(jìn)行。在此直角坐標(biāo)系中給出機(jī)器人末端執(zhí)行器一系列位姿組成位姿的時間序列，連同其他一些輔助功能如力覺、觸覺、視覺等的時間序列，同時確定作業(yè)量、作業(yè)工具等，協(xié)調(diào)地進(jìn)行機(jī)器人動作的控制。

    這種編程方法允許有簡單的條件分支，有感知功能，可以選擇和設(shè)定工具，有時還有并行功能，數(shù)據(jù)實(shí)時處理能力強(qiáng)。

機(jī)器人編程語言（二）

對象級編程語言

　　所謂對象即作業(yè)及作業(yè)物體本身。對象級編程語言是比動作級編程語言高一級的編程語言，它不需要描述機(jī)器人手爪的運(yùn)動，只要由編程人員用程序的形式給出作業(yè)本身順序過程的描述和環(huán)境模型的描述，即描述操作物與操作物之間的關(guān)系。通過編譯程序機(jī)器人即能知道如何動作。

這類語言典型的例子有AML及AUTOPASS等語言，其特點(diǎn)為：

(1) 具有動作級編程語言的全部動作功能。

(2)有較強(qiáng)的感知能力，能處理復(fù)雜的傳感器信息，可以利用傳感器信息來修改、更新環(huán)境的描述和模型，也可以利用傳感器信息進(jìn)行控制、測試和監(jiān)督。

(3) 具有良好的開放性，語言系統(tǒng)提供了開發(fā)平臺，用戶可以根據(jù)需要增加指令，擴(kuò)展語言功能。

(4) 數(shù)字計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可以處理浮點(diǎn)數(shù)，能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行即時通信。

　　對象級編程語言用接近自然語言的方法描述對象的變化。對象級編程語言的運(yùn)算功能、作業(yè)對象的位姿時序、作業(yè)量、作業(yè)對象承受的力和力矩等都可以以表達(dá)式的形式出現(xiàn)。系統(tǒng)中機(jī)器人尺寸參數(shù)、作業(yè)對象及工具等參數(shù)一般以知識庫和數(shù)據(jù)庫的形式存在，系統(tǒng)編譯程序時獲取這些信息后對機(jī)器人動作過程進(jìn)行仿真，再進(jìn)行實(shí)現(xiàn)作業(yè)對象合適的位姿，獲取傳感器信息并處理，回避障礙以及與其他設(shè)備通信等工作。

任務(wù)級編程語言

　　任務(wù)級編程語言是比前兩類更高級的一種語言，也是最理想的機(jī)器人高級語言。這類語言不需要用機(jī)器人的動作來描述作業(yè)任務(wù)，也不需要描述機(jī)器人對象物的中間狀態(tài)過程，只需要按照某種規(guī)則描述機(jī)器人對象物的初始狀態(tài)和最終目標(biāo)狀態(tài)，機(jī)器人語言系統(tǒng)即可利用已有的環(huán)境信息和知識庫、數(shù)據(jù)庫自動進(jìn)行推理、計(jì)算，從而自動生成機(jī)器人詳細(xì)的動作、順序和數(shù)據(jù)。例如，一裝配機(jī)器人欲完成某一螺釘?shù)难b配，螺釘?shù)某跏嘉恢煤脱b配后的目標(biāo)位置已知，當(dāng)發(fā)出抓取螺釘?shù)拿顣r，語言系統(tǒng)從初始位置到目標(biāo)位置之間尋找路徑，在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中找出一條不會與周圍障礙物產(chǎn)生碰撞的合適路徑，在初始位置處選擇恰當(dāng)?shù)淖藨B(tài)抓取螺釘，沿此路徑運(yùn)動到目標(biāo)位置。在此過程中，作業(yè)中間狀態(tài)作業(yè)方案的設(shè)計(jì)、工序的選擇、動作的前后安排等一系列問題都由計(jì)算機(jī)自動完成。

　　任務(wù)級編程語言的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，需要人工智能的理論基礎(chǔ)和大型知識庫、數(shù)據(jù)庫的支持，目前還不是十分完善，是一種理想狀態(tài)下的語言，有待于進(jìn)一步的研究。但可以相信，隨著人工智能技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展，任務(wù)級編程語言必將取代其他語言而成為機(jī)器人語言的主流，使得機(jī)器人的編程應(yīng)用變得十分簡單。

   一般用戶接觸到的語言都是機(jī)器人公司自己開發(fā)的針對用戶的語言平臺，通俗易懂，在這一層次，每一個機(jī)器人公司都有自己語法規(guī)則和語言形式，這些都不重要，因?yàn)檫@層是給用戶示教編程使用的。在這個語言平臺之后是一種基于硬件相關(guān)的高級語言平臺，如C語言、C++語言、基于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言等，這些語言是機(jī)器人公司做機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)時所使用的語言平臺，這一層次的語言平臺可以編寫翻譯解釋程序，針對用戶示教的語言平臺編寫的程序進(jìn)行翻譯解釋成該層語言所能理解的指令，該層語言平臺主要進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和控制方面的編程，再底層就是硬件語言，如基于Intel硬件的匯編指令等。

　  商用機(jī)器人公司提供給用戶的編程接口一般都是自己開發(fā)的簡單的示教編程語言系統(tǒng)，如KUKA、ABB等，機(jī)器人控制系統(tǒng)提供商提供給用戶的一般是第二層語言平臺，在這一平臺層次，控制系統(tǒng)供應(yīng)商可能提供了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法和核心的多軸聯(lián)動插補(bǔ)算法，用戶可以針對自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用自由的進(jìn)行二次開發(fā)，該層語言平臺具有較好的開放性，但是用戶的工作量也相應(yīng)增加，這一層次的平臺主要是針對機(jī)器人開發(fā)廠商的平臺，如歐系一些機(jī)器人控制系統(tǒng)供應(yīng)商就是基于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的編程語言平臺。最底層的匯編語言級別的編程環(huán)境我們一般不用太關(guān)注，這些是控制系統(tǒng)芯片硬件廠商的事。

   各家工業(yè)機(jī)器人公司的機(jī)器人編程語言都不相同，各家有各家自己的編程語言。但是，不論變化多大，其關(guān)鍵特性都很相似。比如Staubli 機(jī)器人的編程語言叫VAL3,風(fēng)格和Basic相似；ABB的叫做RAPID,風(fēng)格和Ｃ相似；還有Adept Robotics的V+,Fanuc,KUKA,MOTOMAN都有專用的編程語言，但是大都是相似.而由于機(jī)器人的發(fā)明公司Unimation公司最開始的語言就是VAL,所以這些語言結(jié)構(gòu)都有所相似。    VAL語言是美國Unimation公司于1979年推出的一種機(jī)器人編程語言，主要配置在PUMA和UNIMATION等型機(jī)器人上，是一種專用的動作類描述語言。

   VAL語言是在BASIC語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以與BASIC語言的結(jié)構(gòu)很相似。在VAL的基礎(chǔ)上Unimation公司推出了VALⅡ語言；而后來staubli收購了Unimation公司后，又發(fā)展起來了VAL3的機(jī)器人編程語言。

學(xué)習(xí)的話，一般來說各家機(jī)器人的官方網(wǎng)站都會有這些介紹資料，但是詳細(xì)的資料就會比較欠缺。