东南大学远程教育
机器人技术
第 五十五 讲
主讲教师：王兴松
机器人编程
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
8.2 机器人语言系统结构和基本功能
8.3 常用的机器人编程语言
8.4 机器人的离线编程
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
任务：
检验工件有无缺陷。
销钉插入锥形孔。
销钉压入锥形孔。
检验是否压紧了。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 1）能够建立世界模型
是描述物体三维运动的
方法。
定义相关几何体的名义
变量来建模。
模型要描述尽可能多的
有关物体和机械手的信息。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 2）能够描述机器人的作业
描述水平决定了编程语言水平。
利用空间关系说明物体形态。
东南大学远程教育
机器人技术
第 五十六 讲
主讲教师：王兴松
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 3）能够描述机器人的运动
例，移至 goal1,在移至 goal2,然后经过 via1到
goal3。
VAL-Ⅱ 语言,AL语言（机械手 garm）
move goal1 move garm to goal1;
move goal2 move garm to goal2;
move vial move garm to goal3 via via1;
move goal3
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 4）允许用户规定执行流程
包括实验，转移，循环，调用子程序以及中断。
多台计算机的并行处理。
使用某种传感器来监控不同的过程。
（ 5）要有良好的编程环境
◆在线修改和立即重新启动。
◆传感器的输出和程序追踪。
◆仿真。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 6）需要人机接口和综合传感信号
人机间进行信息交换，及时处理故障。
可根据传感器信号来控制程序的流程。
三类传感器：
◆位置检测
◆力觉和触觉
◆视觉
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 1）动作级（以 VAL为代表）
以机器人的运动作为描述中心，每一命令对应
一个动作。
优点，语句简单，易于编程。
缺点，不能进行复杂计算，不能接受复杂传感
信号。
◆关节级，给出机器人个关节位移的时间序列。
◆终端执行器级，给出终端执行器的位姿和辅助
机能的时间序列。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 2）对象级（ AML,AUTOPASS）
以描述物体间的关系为中心的语言。
特点：
◆运动控制
◆处理传感器信息
◆通信和数字运算
◆具有和好的扩展性
利用知识库和数据库进行仿真。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 3）任务级（普渡大学,RCCL）
对工作任务所要达到的饿目标直接下命令。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 4）决定编程语言具有不同设计特点的因素
语言模式 语言形式
几何学数据形式 旋转矩阵的规定与表示
控制结构 控制多个机械手的能力
控制模式 运动形式
信号线 传感器接口
支援模块 调试性能
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
1.机器人语言系统的结构
机器人语言操作系统的
三个基本的操作状态：
◆监控状态
◆编辑状态
◆执行状态
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 1）运算
解析几何运算的计算工具包括
◆机械手解答及逆解答
◆坐标运算和位置表示
◆矢量运算
（ 2）决策
根据传感器输入信息作出决策。
条件转移指令形式：
符号检验 关系检验 布尔检验
逻辑检验 集合检验
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 3）通讯
机器人提供信息：
信号灯 字符显示设备 图形显示设备
语言合成器及音响设备
人对机器人, 说话,,
按钮 键盘 光标及光笔 光学字符阅读机
远距离操纵主控装置
其他；语音输入输出。
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 4）机械手运动
按提供的一组关节位置运动，或按工作空间内
的一系列位置运动。
绝对运动和相对运动。
计算机引入，提高其工作能力。
（ 5）工具指令
直接控制，由某个开关或继电器触发。
采用工具功能控制器，进行复杂控制。
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 6）传感数据处理
内体感受器
触觉传感器
距离传感器
力和力矩传感器
视觉传感器
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
1.VAL语言（ 1979，美,Unimation公司）
用于 PUMA,UNIMATE2000,UNIMATE4000系列。
六种监控指令：
（ 1）定义位置，姿势
（ 2）程序编程
（ 3）列表指令
（ 4）存储指令
（ 5）控制程序执行指令
（ 6）系统状态控制
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
2.SIGLA语言（ 70年代，意,OLIVETTI公司）
用于 直角坐标式的 SIGLA型装配机器人。
32个指令字，分为六类：
（ 1）输入输出指令
（ 2）逻辑指令
（ 3）几何指令
（ 4）调子程序指令
（ 5）逻辑联锁指令
（ 6）编辑指令
另有 9个控制定义字。
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
3.IML语言（日，九洲大学）
对末端执行器进行编程的动作级语言。
物体位姿有六维矢量表示。
系统指令和用户自定义指令。
其它特征：
（ 1）描述往返操作可不用循环语句。
（ 2）可直接在工作坐标系内使用。
（ 3）可将要示教的轨迹定义成指令，加入到语言
中，可体现力。
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
4.AL语言（ 70年代，美，斯坦福大学）
基于 ALGOL，和 PASCAL共用。
用于多机械手并行控制的编程。
基本功能语句：
标量 矢量 旋转 坐标系 变换
块结构形式 运动语句 手的开合
两物体结合的操作 力觉的处理功能
力的稳定性控制 同时控制多个机械手
可使用子程序及数组
可与 VAL语言进行信息交流
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
1.机器人离线的特点和主要内容
优点：
（ 1）减少机器人非工作时间。
（ 2）使编程者远离危险。
（ 3）使用范围广。
（ 4）便于和 CAD/CAM系统结合。
（ 5）可使用高级编程语言对复杂任务进行编程。
（ 6）便于修改机器人程序。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
1.机器人离线的特点和主要内容
编程需考虑的内容：
（ 1）机器人工作过程的知识。
（ 2）机器人和工作环境三维实体模型。
（ 3）机器人几何学，运动学和动力学知识。
（ 4）可进行运动图形仿真。
（ 5）轨迹规划和检查算法。
（ 6）传感器的接口和仿真。
（ 7）通讯功能。
（ 8）用户接口。
另，减小仿真与实际间误差。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 1）用户接口：
两个接口，用于示教编程及语言编程。
重要部分：机器人语言。
对机器人系统进行图形编辑。
（ 2）机器人系统的三维构型
三种方式：结构立体几何表示。
扫描表示。
边界表示。
采用零件和工具的 CAD模型。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 3）运动学计算：
包括运动学正解及运动学反解两部分。
运动学反解：
其与控制柜的联系选择,直接输入关节值。
输入笛卡儿坐标值。
与控制柜通讯是的注意点，采用公式一致。
可行解确定准则一致。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 4）轨迹规划：
两种类型，自由移动。
依赖于轨迹的约束运动。
轨迹规划算法，关节空间及笛卡儿空间的差补计算。
（ 5）动力学模型：
高速，重载下，防止较大误差。
三类动力学模型，数字法。
符号法。
解析法。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 6）并行操作：
多台机器人的协调工作。
一台机器人与视觉系统相配合。
（ 7）传感器的仿真：
主要是几何模型间干涉，相交检验问题。
触觉，接近觉及力觉传感器的仿真。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 8）通讯接口：
把仿真生成的运动程序转换成各种机器人控制
柜可接受的代码。
方法一，选择较为通用的语言，然后再对该语
言加工。
方法二，用翻译系统将离线编程结果快速生成
机器人运动程序代码。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 9）误差的校正：
误差原因
机器人,连杆制造误差和关节偏置变化。
结构刚度不足。
相同型号机器人的不一致性。
控制器的误差。
编程系统，数字精度。
实际世界模型数据的质量。
误差校正
一,基准点方法。精度不高。
二,传感器反馈。精度教高。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 1） HOLPSS系统结构
语言处理模块
运动学及规划模块
三维构型模块
运动仿真模块
通讯模块
主控模块
传感器仿真模块
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
一，三维几何构型
基本体的构造,扫操作方法。
局部变形或集合运算。
机器人总体构型：体素构造和分级装配。
二，运动的动态仿真和动画技术
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
三，通讯及后置处理
两种通讯方式,翻译离线编程语言。
只输入有关数据。
两种传送方式,接口总线。
磁盘。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
四，机器人作业总体布局
直接搜索。
启发式搜索。
五，碰撞和路径优化
5个自由度规定的弧焊作业。
冗余度机器人避免碰撞和回避奇异性的自动
规划。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
六，协调运动的自动规划
工件与重力矢量在焊接中保持一定关系。
七，力控制系统的仿真
八，自动调度
九，误差和公差的自动评估
机器人技术
第 五十五 讲
主讲教师：王兴松
机器人编程
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
8.2 机器人语言系统结构和基本功能
8.3 常用的机器人编程语言
8.4 机器人的离线编程
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
任务：
检验工件有无缺陷。
销钉插入锥形孔。
销钉压入锥形孔。
检验是否压紧了。
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8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 1）能够建立世界模型
是描述物体三维运动的
方法。
定义相关几何体的名义
变量来建模。
模型要描述尽可能多的
有关物体和机械手的信息。
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8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 2）能够描述机器人的作业
描述水平决定了编程语言水平。
利用空间关系说明物体形态。
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机器人技术
第 五十六 讲
主讲教师：王兴松
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 3）能够描述机器人的运动
例，移至 goal1,在移至 goal2,然后经过 via1到
goal3。
VAL-Ⅱ 语言,AL语言（机械手 garm）
move goal1 move garm to goal1;
move goal2 move garm to goal2;
move vial move garm to goal3 via via1;
move goal3
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8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 4）允许用户规定执行流程
包括实验，转移，循环，调用子程序以及中断。
多台计算机的并行处理。
使用某种传感器来监控不同的过程。
（ 5）要有良好的编程环境
◆在线修改和立即重新启动。
◆传感器的输出和程序追踪。
◆仿真。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
1.对机器人编程的要求
（ 6）需要人机接口和综合传感信号
人机间进行信息交换，及时处理故障。
可根据传感器信号来控制程序的流程。
三类传感器：
◆位置检测
◆力觉和触觉
◆视觉
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8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 1）动作级（以 VAL为代表）
以机器人的运动作为描述中心，每一命令对应
一个动作。
优点，语句简单，易于编程。
缺点，不能进行复杂计算，不能接受复杂传感
信号。
◆关节级，给出机器人个关节位移的时间序列。
◆终端执行器级，给出终端执行器的位姿和辅助
机能的时间序列。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 2）对象级（ AML,AUTOPASS）
以描述物体间的关系为中心的语言。
特点：
◆运动控制
◆处理传感器信息
◆通信和数字运算
◆具有和好的扩展性
利用知识库和数据库进行仿真。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 3）任务级（普渡大学,RCCL）
对工作任务所要达到的饿目标直接下命令。
Robot Programming
8.1 机器人编程要求与语言类型
2.机器人编程语言的类型
（ 4）决定编程语言具有不同设计特点的因素
语言模式 语言形式
几何学数据形式 旋转矩阵的规定与表示
控制结构 控制多个机械手的能力
控制模式 运动形式
信号线 传感器接口
支援模块 调试性能
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
1.机器人语言系统的结构
机器人语言操作系统的
三个基本的操作状态：
◆监控状态
◆编辑状态
◆执行状态
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8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 1）运算
解析几何运算的计算工具包括
◆机械手解答及逆解答
◆坐标运算和位置表示
◆矢量运算
（ 2）决策
根据传感器输入信息作出决策。
条件转移指令形式：
符号检验 关系检验 布尔检验
逻辑检验 集合检验
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8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 3）通讯
机器人提供信息：
信号灯 字符显示设备 图形显示设备
语言合成器及音响设备
人对机器人, 说话,,
按钮 键盘 光标及光笔 光学字符阅读机
远距离操纵主控装置
其他；语音输入输出。
Robot Programming
8.2 机器人语言系统的结构
2.机器人编程语言的基本功能
（ 4）机械手运动
按提供的一组关节位置运动，或按工作空间内
的一系列位置运动。
绝对运动和相对运动。
计算机引入，提高其工作能力。
（ 5）工具指令
直接控制，由某个开关或继电器触发。
采用工具功能控制器，进行复杂控制。
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2.机器人编程语言的基本功能
（ 6）传感数据处理
内体感受器
触觉传感器
距离传感器
力和力矩传感器
视觉传感器
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8.3 常用的机器人编程语言
1.VAL语言（ 1979，美,Unimation公司）
用于 PUMA,UNIMATE2000,UNIMATE4000系列。
六种监控指令：
（ 1）定义位置，姿势
（ 2）程序编程
（ 3）列表指令
（ 4）存储指令
（ 5）控制程序执行指令
（ 6）系统状态控制
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8.3 常用的机器人编程语言
2.SIGLA语言（ 70年代，意,OLIVETTI公司）
用于 直角坐标式的 SIGLA型装配机器人。
32个指令字，分为六类：
（ 1）输入输出指令
（ 2）逻辑指令
（ 3）几何指令
（ 4）调子程序指令
（ 5）逻辑联锁指令
（ 6）编辑指令
另有 9个控制定义字。
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
3.IML语言（日，九洲大学）
对末端执行器进行编程的动作级语言。
物体位姿有六维矢量表示。
系统指令和用户自定义指令。
其它特征：
（ 1）描述往返操作可不用循环语句。
（ 2）可直接在工作坐标系内使用。
（ 3）可将要示教的轨迹定义成指令，加入到语言
中，可体现力。
Robot Programming
8.3 常用的机器人编程语言
4.AL语言（ 70年代，美，斯坦福大学）
基于 ALGOL，和 PASCAL共用。
用于多机械手并行控制的编程。
基本功能语句：
标量 矢量 旋转 坐标系 变换
块结构形式 运动语句 手的开合
两物体结合的操作 力觉的处理功能
力的稳定性控制 同时控制多个机械手
可使用子程序及数组
可与 VAL语言进行信息交流
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
1.机器人离线的特点和主要内容
优点：
（ 1）减少机器人非工作时间。
（ 2）使编程者远离危险。
（ 3）使用范围广。
（ 4）便于和 CAD/CAM系统结合。
（ 5）可使用高级编程语言对复杂任务进行编程。
（ 6）便于修改机器人程序。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
1.机器人离线的特点和主要内容
编程需考虑的内容：
（ 1）机器人工作过程的知识。
（ 2）机器人和工作环境三维实体模型。
（ 3）机器人几何学，运动学和动力学知识。
（ 4）可进行运动图形仿真。
（ 5）轨迹规划和检查算法。
（ 6）传感器的接口和仿真。
（ 7）通讯功能。
（ 8）用户接口。
另，减小仿真与实际间误差。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 1）用户接口：
两个接口，用于示教编程及语言编程。
重要部分：机器人语言。
对机器人系统进行图形编辑。
（ 2）机器人系统的三维构型
三种方式：结构立体几何表示。
扫描表示。
边界表示。
采用零件和工具的 CAD模型。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 3）运动学计算：
包括运动学正解及运动学反解两部分。
运动学反解：
其与控制柜的联系选择,直接输入关节值。
输入笛卡儿坐标值。
与控制柜通讯是的注意点，采用公式一致。
可行解确定准则一致。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 4）轨迹规划：
两种类型，自由移动。
依赖于轨迹的约束运动。
轨迹规划算法，关节空间及笛卡儿空间的差补计算。
（ 5）动力学模型：
高速，重载下，防止较大误差。
三类动力学模型，数字法。
符号法。
解析法。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 6）并行操作：
多台机器人的协调工作。
一台机器人与视觉系统相配合。
（ 7）传感器的仿真：
主要是几何模型间干涉，相交检验问题。
触觉，接近觉及力觉传感器的仿真。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 8）通讯接口：
把仿真生成的运动程序转换成各种机器人控制
柜可接受的代码。
方法一，选择较为通用的语言，然后再对该语
言加工。
方法二，用翻译系统将离线编程结果快速生成
机器人运动程序代码。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
2.机器人离线编程系统的结构
（ 9）误差的校正：
误差原因
机器人,连杆制造误差和关节偏置变化。
结构刚度不足。
相同型号机器人的不一致性。
控制器的误差。
编程系统，数字精度。
实际世界模型数据的质量。
误差校正
一,基准点方法。精度不高。
二,传感器反馈。精度教高。
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3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 1） HOLPSS系统结构
语言处理模块
运动学及规划模块
三维构型模块
运动仿真模块
通讯模块
主控模块
传感器仿真模块
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
一，三维几何构型
基本体的构造,扫操作方法。
局部变形或集合运算。
机器人总体构型：体素构造和分级装配。
二，运动的动态仿真和动画技术
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
三，通讯及后置处理
两种通讯方式,翻译离线编程语言。
只输入有关数据。
两种传送方式,接口总线。
磁盘。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
四，机器人作业总体布局
直接搜索。
启发式搜索。
五，碰撞和路径优化
5个自由度规定的弧焊作业。
冗余度机器人避免碰撞和回避奇异性的自动
规划。
Robot Programming
8.4 机器人的离线编程
3.机器人离线编程仿真系统 HOLPSS
（ 2） HOLPSS系统的功能
六，协调运动的自动规划
工件与重力矢量在焊接中保持一定关系。
七，力控制系统的仿真
八，自动调度
九，误差和公差的自动评估
