《工业机器人技术基础》课件-7.感知工业机器人编程

工业机器人技术基础航空工业出版社感知工业机器人编程项目七目录01任务一

工业机器人编程概述02任务二

编程方式03任务三

工业机器人编程语言机器人要实现特定动作与功能，除依靠可靠硬件支持外，很大程度需借助编程完成，其技术随机器人发展不断完善，成为机器人技术的重要组成部分。编程是机器人功能实现的核心纽带学习工业机器人编程及编程语言知识，能培养严谨的逻辑思维与创新能力，为未来参与国家智能制造建设做好充分准备。编程学习的目标与价值机器人编程语言是使用符号描述机器人动作的方法，通过对动作的精准描述，可让机器人完全按照程序员的意图完成各类动作。机器人编程语言的核心内涵项目概述工业机器人编程概述任务一任务导入任务描述程序好比是机器人的思维，让机器人知道自己该做什么，而人类赋予机器人思维的过程就是编程。在本任务中，小梁将学习工业机器人编程的作用、要求及编程系统应具备的功能。任务目标1.了解工业机器人编程的作用。2.熟悉工业机器人的编程要求。3.能讲出优质的编程系统应具有的功能。4.培养学生实验探索精神与创新思维，以创新赋能专业，立足所学助力国产机器人技术迭代升级。一、工业机器人编程的作用机器人的机构和一般机械不同，其程序设计也独具特色。在介绍有关机器人编程之前，先以机器人自动工作站为例说明机器人的工作过程，如图7-1-1所示。任务实施图7-1-1展示了一个假设的制造过程中用于装配的工作站，由传送带、摄像机、机器人、送料器、冲压机床和工作台等组成。机器人装配作业与编程依次执行传送带起动、视觉定位检测、机械手抓取装配、错误反馈，循环完成装配任务装配作业流程用特定语言描述机器人运动轨迹，使其按指令完成作业，精准重现期望过程编程核心定义随机器人技术发展不断完善，已是机器人技术体系的重要组成部分编程技术价值（一）能够建立世界坐标系及其他坐标系建立基础世界坐标系机器人编程时需建立描述三维空间运动的基础坐标系，即世界坐标系，作为物体位姿的基准参照。支持多坐标系变换可按需建立其他坐标系，所有坐标系与世界坐标系间存在唯一变换关系，由X、Y、Z、W、P、R六个变量表示。多坐标系位姿描述机器人编程系统具备在各类坐标系下，精准描述物体位置与姿态的能力，满足多样化作业需求。二、工业机器人编程的要求（二）能够描述机器人作业情况作业与环境模型关联01机器人作业需通过编程语言描述，语言水平决定作业描述的精准度，作业与其环境模型紧密绑定。作业顺序语法定义02现有机器人语言通过语法、词法定义输入语句，明确作业执行顺序，完整描述整个作业流程。装配作业状态表征03装配作业可描述为世界模型的一系列状态，由工作空间内所有物体的位姿确定，也可通过物体空间关系说明。（三）能够描述机器人运动用户可通过运动语句与路径规划器连接，设置路径点及目标点，指定采用点插补或直线运动模式。运动路径规划对接支持用户控制机器人运动速度，或直接设定运动持续时间，适配不同场景下的运动精度与效率需求。运动参数自主调控（四）允许用户规定执行流程同计算机编程语言一致，机器人编程系统支持规定执行流程，包含转移、循环、子程序调用等操作。多元执行流程设定具备中断机制，支持程序试运行，结合示教器单步执行功能，便于程序开发与调试阶段的分步验证。中断与试运行功能（五）具有良好的编程环境机械手程序编制难度较高，编程模式趋向试探对话式，降低连续重复编译循环带来的效率损耗。试探对话式编程趋向多数机器人编程语言配备中断功能，支持开发调试时每次仅执行单独一条语句，提升编程调试效率。单步执行辅助调试三、编程系统的功能机器人作业动作复杂、耗时久，任务某阶段失败后无需从头运行，编程系统需支持在线修改程序并随时重启。在线修改和重启功能机器人与环境实时交互具有不可重复性，编程系统需随程序运行追踪并记录传感器的输入/输出值。传感器输出和程序追踪功能可脱离机器人实体与真实工作环境，完成不同任务程序的模拟调试。仿真功能编程及作业中便于人机信息交换，故障时及时处理保障安全；随作业复杂度提升，需提供功能强大的人机接口。人机接口和综合传感信号思行致远我国工业机器人装机量占全球比重超过50%2024年7月5日，工业和信息化部副部长辛国斌在国新办举行的“推动高质量发展”系列主题新闻发布会上透露，当前，我国工业机器人装机量占全球比重超过50%，工业互联网实现工业大类全覆盖，培育421家国家级智能制造示范工厂。辛国斌表示，工业和信息化部将联合相关部门，聚焦重点企业推进数字化智能化转型，聚焦重点产业链推进数字化协同改造，聚焦重点集群、重点园区建设一批高标准数字园区。在重点产业链方面，制订重点行业数字化转型实施方案，“一链一策”开展制造业重点产业链数字化协同改造，支持链主企业、龙头企业开放数据接口，引导供应链企业接入，打造一批数字化供应链。编程方式任务二任务导入任务描述小梁了解到，工业机器人的编程方式可以分为在线编程、离线编程和自主编程三种类型。在线编程简单直接，主要应用于早期机器人；离线编程技术随着计算机技术的发展而应用越来越广泛，在精度等方面展现了其优越性；自主编程是随着传感技术、AI技术的发展而产生的，目前尚处于起步阶段。本任务，他将学习这几种编程方式。任务目标1.熟悉工业机器人的几种编程方式。2.能讲出几种编程方式各自所具备的特点。3.践行劳动精神、感悟实践价值，以实干锤炼编程本领，为机器人技术创新发展筑牢根基。一、在线编程任务实施要实现工业机器人特定连贯动作，可先将其拆分为关键动作序列即动作节点。工业机器人关节部位伺服传感器可实时检测姿态，据此形成在线编程思路：依次调整机器人至各动作节点并记录位姿，直至动作结束。如图7-2-1所示，在线编程分为“手把手”示教编程和示教器编程两种方式。（一）“手把手”示教编程核心定义操作人员直接用手移动机器人末端执行器，确定动作节点后编程，曾是早期工业机器人主流方式。核心优势技术简单直接，完成示教即可应用，且成本低廉，适配电子技术欠发达的早期场景。现存短板对操作人员经验要求高、人工操作繁重，难操控大型及高减速比机器人，位置与路径控制不精确，轨迹重复性欠佳。（二）示教器示教编程借助示教盒对应按钮驱动机器人按序操作，单关节独立控制为主，难以实现多关节同步运动。操作逻辑多用于大型工业机器人，或危险作业条件下的机器人示教编程。适用场景控制精度难达高水平，难以与其他操作同步，作业过程存在一定危险性。固有缺陷二、离线编程利用计算机图形学成果构建计算机及工作环境几何模型，通过计算机语言、算法操控图形，离线规划机器人作业轨迹。基于图形的编程如早期的POWER语言，是一种机器人专用语言，但这种编程方法缺少可视性，在现实中基本不采用。基于文本的编程（一）离线编程的种类（二）机器人离线编程软件20世纪70年代末国外开始研究机器人离线规划和编程系统，早期系统功能不完备、使用不便；80年代后，国外众多机构和企业大量研究并开发出相关原型及应用系统。发展历程如今离线编程软件均采用图形化编程方式，具备人机交互编程及图形仿真功能，技术成熟实用，常见品牌有RobotStudio、Robotmaster、RobotWorks等。现状与常见品牌（三）离线编程的流程及其关键步骤基于工件CAD模型与工作站布局，完成ABBIRB1600机器人、变位机及环境虚拟建模，明确焊接相贯线姿态与运动需求。前期方案设计在离线编程软件中规划运动路径，开展碰撞干涉检测与动态仿真，输出动作时间等参数，优化焊枪姿态与协调运动轨迹。中期方案验证0102生成机器人控制代码并导入工作站，现场校准，修正偏差，确保焊接精度达标。后期再现修正03图7-2-2为离线编程的一般流程示意图。1.几何建模离线编程软件支持导入IGES、DXF等其他CAD软件生成的格式文件，满足复杂建模需求。兼容外部模型各机器人厂家的离线编程软件，通常将本品牌标准变位机、地轨等外围设备模型纳入自带模型库。内置模型支持离线编程的首要任务是对工业机器人及其工作单元进行三维几何建模，完成图形描述。核心任务定位2.空间布局离线编程软件可借助图形仿真技术，在不接触实际机器人及环境的前提下，模拟作业过程实现离线调试。核心作用需将机器人本体、工件及周边设备等全系统模型，严格依照实际装配安装情况在仿真环境中布局。布局规范3.运动规划任务路径定义新建编程任务后，可根据自身需求定义期望点，为后续轨迹规划明确目标基准。轨迹算法生成路径离线编程系统依托轨迹规划算法（如五次多项式），详细计算并生成机器人运动路径，输出具体轨迹点以形成完整运动轨迹。轨迹平稳性保障通过设置初始/终点速度、加速度等合理边界条件，搭配动态调整策略，避免速度或加速度突变，保障机械系统平稳运行与控制精度。1234.动画仿真

全作业流程三维模拟系统对运动规划结果开展三维图形动画仿真，完整复现机器人整个作业过程

碰撞与轨迹双维度校验通过仿真排查末端工具碰撞风险，验证机器人运动轨迹的合理性

作业时间精准测算计算机器人各工步操作时长与整体循环时间，为编程可行性提供数据支撑5.程序生成及传输将离线编制的源程序编译为实体机器人可识别的目标程序源程序适配转译通过通信接口将控制程序与数据下载至机器人控制柜，驱动执行指定任务程序下载驱动作业待作业程序仿真结果完全符合要求后，转换成机器人控制程序与数据仿真达标触发转换6.运行确认与作业出于安全考量，目标作业程序自动运转前需进行跟踪试运行预运行安全校验试运行中操作者需确认焊枪姿态合理性、运动轨迹与实际焊缝位置匹配度关键参数人工核验若参数不符合要求，需手动修改轨迹，确认无误后方可正式再现作业轨迹修正闭环优化（四）工业机器人离线编程与在线编程的比较工业机器人离线编程与在线编程的比较如表7-2-1所示。工业机器人脱机编程核心优势以往完成的过程或子程序可并入待编程序，针对不同工作目的，仅需替换部分特定程序。程序复用高效适配可通过传感器探测外部信息，实现基于传感器的自动规划功能。传感器驱动自动规划程序易于修改，适合中、小批量的生产需求。灵活适配小批量生产能够实现多台机器人和外围辅助设备的示教和协调。多设备协同示教管控（一）基于激光结构光的自主编程眼在手模式，将结构光传感器安装在机器人末端，形成“眼在手上”工作模式，通过焊缝跟踪逐点测量焊缝中心坐标，建立轨迹数据库作为焊枪运动路径。三、自主编程技术（二）基于双目视觉的自主编程视觉轨迹识别，主控计算机通过视觉传感器沿焊缝自动跟踪、采集并识别图像，计算焊缝空间轨迹与位姿，按焊接优化要求自动生成焊枪位姿参数。（三）多传感器信息融合自主编程采用力控制器、视觉传感器及位移传感器构建高精度自动路径生成系统，集成位移、力、视觉控制功能并引入视觉伺服。多传感系统构建01机器人可跟随记号笔绘制的曲线生成路径，位移控制器保持TCP点位姿，视觉传感器跟踪曲线，力传感器维持TCP点与工件距离恒定。精准路径生成02智造视窗基于增强现实的编程技术增强现实技术源于虚拟现实技术，它是一种实时地计算摄像机影像位置及角度，并叠加相应图像的技术。这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并实现互动。增强现实技术使计算机产生的三维物体融入现实场景中，加强了用户同现实世界的交互。将增强现实技术用于机器人编程具有革命性的意义。工业机器人编程语言任务三任务导入任务描述在给工业机器人编程时，需要运用某种特定的编程语言来描述机器人动作轨迹。只有通过编程语言对机器人动作的描述，机器人才能按照既定运动和作业指令完成编程者想要的各种操作。本任务，小梁将学习工业机器人编程语言的相关知识。任务目标1.了解机器人编程语言的发展。2.熟悉机器人编程语言的基本功能。3.熟悉机器人编程语言的特征和特性。4.能辨识工业机器人所使用编程语言5.树立正确技能观，秉持精益求精的态度锤炼自身本领，运用专业技能为智能制造发展贡献力量。通用性是工业机器人主要特点之一，更换手端操作器即可适配不同任务场景，大幅提升设备复用价值通用性：工业机器人核心特质可编程让工业机器人可随工作环境变化重新编程，适配小批量、多品种的柔性制造需求可编程：实现通用性的关键手段机器人编程语言以符号描述机器人动作，精准传递程序员意图，保障机器人按设定完成各类操作机器人编程语言：动作指令的载体任务实施一、机器人编程语言的发展目前已有众多种机器人语言问世，其中AL、Autopass、VAL、RAPT、IML、RAPID等语言在工业场景中应用较为广泛。当前主流应用语言1973年美国斯坦福大学推出世界首款机器人语言WAVE，主打动作描述，兼顾力控与手眼协调；1974年升级为AL语言，支持多机器人协同与作业环境记忆。早期奠基性语言研发美国IBM公司先后推出ML语言（装配作业）、Autopass语言（几何模型半自动编程）；Unimation公司1979年推出VAL语言，1984年迭代为VALⅡ。厂商代表性语言涌现20世纪80年代初，Automatic公司开发可利用传感器信息的RLAL语言，麦道公司推出适配柔性加工单元的MCL语言。多场景适配语言拓展二、机器人编程语言的基本功能机器人语言所体现的各项基本功能，均由机器人系统软件提供底层支持功能实现核心支撑目前多数正在运行的机器人系统，仅能提供机械手运动、工具指令及简单传感数据处理功能当前系统功能局限涵盖运算、决策、通信、机械手运动、工具指令及传感器数据处理六大类基本功能核心功能全景（一）运算未配备传感器的机器人无需设定运算，仅为可编程数控机器无传感器场景解析几何运算工具包含机械手正逆解答、坐标运算、矢量运算三类运算核心工具配备传感器的机器人需解析几何运算，以此自主决定工具或夹持器下一步位置带传感器运算（二）决策

决策逻辑基础机器人可直接依据传感器输入信息决策，传感器数据计算结果为决策核心依据决策执行方式简单条件转移指令（如校验零值）即可执行各类决策算法，大幅强化系统功能（三）通信机器人向人提供信息的设备按复杂度分为信号灯、打印/显示器、绘图仪、语言合成器等机器人输出设备人向机器人输入信息的设备包括按钮开关、键盘、光笔、主控装置、光学字符阅读器等人类输入设备（四）机械手运动最简单的运动控制是向关节伺服装置提供关节位置，等待其到达指定位置复杂方法可在工作空间插入中间位置，先进方法采用与机械手形状无关的坐标，需计算机计算引入计算机后，可实现复杂运动顺序、传感器控制运动、独立存储工具位置基础运动方式进阶控制方法计算机赋能优势（五）工具指令工具控制指令常通过闭合开关或继电器触发，直接控制工具运动，对系统要求较低基础控制方式采用工具功能控制器时，可实现更复杂控制，与机器人主控制器协调工作，已应用于飞机机架加工进阶控制方案（六）传感器数据处理用于机械手控制的通用计算机，只有与传感器连接起来，才能发挥其全部效用。连接核心作用传感器数据处理是机器人编程重要且复杂的组成部分，采用触觉、听觉或视觉传感器时尤为突出。处理核心地位运用视觉传感器获取视觉特征数据、辨识物体及定位机器人时，视觉数据处理繁重耗时。视觉处理难点三、机器人编程语言的特征与特性01三类发展路径02核心共性特性具备结构简明、概念统一、易于扩展等特性，能简洁描述工作环境与机器人动作，以简单程序实现复杂操作。03关联通用语言与计算机通用语言密切相关，继承通用程序语言核心特征，部分由通用语言改造或扩展而来。发展呈现三种方式：创造全新语言、修改通用语言句法规则、在通用语言中新增子程序。（一）机器人编程语言的特征03人机交互系统易掌握、好使用，可降编程门槛，提人机沟通效率。友好人机交互接口02支持三维运动控制，通过几何模型运算推算机器人轨迹与姿态。三维空间运动适配01可在实时处理时间内驱动机器人完成位姿物理变化，保障操作时效。实时系统特性04作用于机器人运动系统，将编程指令转化为机械动作。实际运动操作支撑1.简易性和通用性运用结构化程序设计和坐标变换简化运动表达，子句大幅提升基本运动语句通用性。通用化表达通用QBASIC语言命令简单易学，可快速掌握编程，指挥机器人完成画画、走迷宫等多种任务。低门槛上手支持仿真系统创建虚拟机器人，离线编程完成后，程序可直接下传到实体机器人运行。虚实双支持（二）机器人编程语言的基本特性2.程序结构的清晰性用while、do、if等类似自然语言的结构化语句，替代简单goto语句优化程序结构。结构化替代结构化设计让程序逻辑清晰明了，降低后续维护、修改时的理解成本。逻辑更直观虽需更长学习时间，但为构建复杂、可靠的机器人程序奠定核心基础。学用平衡3.应用的自然性为适配自然应用需求，机器人语言持续增加功能，逐步从低级向高级发展。功能迭代升级傅利叶GR-2复刻人手外形与运动，搭载触觉传感器与力控算法，实现类人化自然抓取。仿生操作适配0102优化开发平台，提供主流编程语言接口，适配不同领域开发者的自然使用习惯。开发者友好034.易扩展性机器人语言需满足不同型号机器人的个性化功能需求，保障当前场景作业顺畅。适配当前需求预留扩展空间，可适配未来新应用领域、传感设备改进等技术发展需求。兼容未来升级工业机器人指令系统支持模块扩展，可灵活适配搬运、弧焊、装配等多领域作业。跨领域适配5.调试和外部支持工具

商品化工具丰富已商品化的低级机器人语言，配备非常丰富的调试手段，助力快速修改程序。

离线编程适配结构化程序设计始终考虑离线编程环境需求，提升非现场开发的效率与便捷性。

精准调试保障工业机器人支持单步调试、状态监测等功能，可高效排查程序问题，优化运行效果。6.效率编程效率不由语言主导，开发者架构设计、算法思维及语言生态丰富度才是开发速度核心。编程效率的关键影响因子以Rust、Go为代表的创新语言，凭借内存安全设计、轻量级并发原语，适配高性能、多核新硬件环境。语言适配新硬件的核心特性夯实底层技术，结合场景选适配语言，依托成熟工具，实现开发与硬件适配效率双赢。效率提升的务实方向四、常用机器人编程语言

经典专用语言美国Unimation公司1979年推出VAL语言，基于BASIC发展，适配PUMA等机器人，支持在线/离线编程与实时运动控制。

通用主流语言C/C++、Python、Java等通用语言应用广泛，C/C++侧重底层高性能控制，Python适合快速原型开发与AI功能落地。

平台专属框架ROS机器人操作系统支持多语言开发，提供丰富工具库，可快速搭建机器人感知、导航等复杂应用。（一）AL语言AL语言是美国斯坦福大学人工智能研究所于20世纪70年代中期在WAVE基础上开发的机器人语言，适用于机器人装配作业。其结构及特点类似PASCAL语言，可编译成机器语言在实时控制机上运行，具备实时编译语言特征，支持同步、条件操作等，初衷是用于带传感器信息反馈的多台机器人或机械手的并行、协调控制编程，运行系统硬件含主、从两级计算机控制，如图7-3-1所示。主机PDP-10内，管理器协调各部分，编译器编译检查AL语言指令，实时接口负责主从机连接，装载器分配程序；主机编译AL语言、规划机器人动作，从机接收命令后实时计算轨迹及关节参数，向机器人发动作指令。常用AL语言语句如表7-3-2所示。工程师手记AL语言中的许多子程序和条件监测语句增强了该语言的力传感和柔顺控制能力。