“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”編程思想在工業(yè)機(jī)器人操作與編程教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用

孟鑫 張聰超 韓警賢

摘要：隨著“1+X”證書制度在高等職業(yè)教育中開展，越來越多的學(xué)校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人操作與編程這門課程，但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們在做機(jī)器人編程時邏輯不清晰，寫出的程序雜亂無章?，F(xiàn)依據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，提出一種“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”的編程思想，并通過一個搬運(yùn)實(shí)例進(jìn)行深入講解，使機(jī)器人編程規(guī)范化，找出機(jī)器人程序編程內(nèi)在的規(guī)律，使學(xué)生們能快速掌握機(jī)器人編程技巧。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人編程;數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化;編程思想

引言：

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)和科技均得到了高速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)，我國現(xiàn)代化制造業(yè)不斷向智能化、信息化以及數(shù)字化的方向高速發(fā)展，隨之，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，相關(guān)專業(yè)也應(yīng)運(yùn)而生[1]。其中《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》這門課程是機(jī)器人專業(yè)的核心課程，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人編程的時候邏輯混亂，不知道從哪里入手，程序可讀性也很差，不具備通用性。因此，本文提出一種“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”編程思想，通過對一個搬運(yùn)實(shí)例進(jìn)行深入講解，使機(jī)器人編程規(guī)范化，使學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人編程時邏輯清晰，能夠快速掌握機(jī)器人編程技巧，做到舉一反三。

1.機(jī)器人品牌的選擇

目前多數(shù)高職院校采用ABB機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)，原因是ABB機(jī)器人品牌口碑好，性能好，得到了很多企業(yè)的認(rèn)可[2]。近年來隨著國產(chǎn)機(jī)器人的崛起，越來越多國產(chǎn)機(jī)器人相關(guān)公司與高職院校進(jìn)行合作共同培養(yǎng)人才，國產(chǎn)機(jī)器人的特點(diǎn)是性價比高，編程語言風(fēng)格更符合中國人的邏輯[3]。我們學(xué)校與華中數(shù)控有限公司進(jìn)行校企合作建立了一個“1+X工業(yè)機(jī)器人操作與編程”考證培訓(xùn)基地，平時學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)操練習(xí)使用的都是華數(shù)工業(yè)機(jī)器人，因此本文是在華數(shù)工業(yè)機(jī)器人操作與編程的基礎(chǔ)上講解論述“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”的編程思想。

2.“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”編程思想

我們先對數(shù)據(jù)、邏輯和進(jìn)化這三個名詞進(jìn)行解釋，然后再結(jié)合機(jī)器人操作編程論述“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”的編程思想。

數(shù)據(jù)的定義：對客觀事物的性質(zhì)、狀態(tài)以及相互關(guān)系等進(jìn)行記載的物理符號。不僅僅是數(shù)字，也可以是具有一定意義的文字、圖形、視頻等。

邏輯的定義：是指思維的規(guī)律和規(guī)則，就是事情的因果規(guī)律。引入“邏輯”一詞，就是要建立數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系。

進(jìn)化的定義：又稱為演化，在生物學(xué)中是指種群里的基因在世代之間的變化。引入“進(jìn)化”一詞，就是要說明程序的編寫要從簡單到復(fù)雜，從已有的向未知的逐步迭代演化。

2.1機(jī)器人編程中的數(shù)據(jù)

以華數(shù)機(jī)器人為例，它包含的數(shù)據(jù)類型有：UT[i]：工具坐標(biāo)系變量;UF[i]：基坐標(biāo)系變量;R[i]：數(shù)值型變量;JR[i]：關(guān)節(jié)型坐標(biāo)變量LR[i]：笛卡爾型坐標(biāo)變量;I[i]：數(shù)字輸入型變量;O[i]：數(shù)字輸出型變量。

本文以將工件從A位置搬運(yùn)到B位置為例來說明數(shù)據(jù)的建立。將工件從A位置搬運(yùn)到B位置是一個最簡單的搬運(yùn)編程，通過分析知此程序至少需要5個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

（1）機(jī)器人原點(diǎn)：JR[0]（通過直接輸入數(shù)值獲得）

（2）兩個示教點(diǎn)位：取料點(diǎn)LR[10]，放料點(diǎn)LR[11]（通過示教器示教獲得）

（3）一個常量點(diǎn)位：抬起高度LR[15]（通過直接輸入數(shù)值獲得）

（4）一個IO點(diǎn)位：DO[1]，吸盤工具開與關(guān)。（通過配置IO獲得）

至此，我們已經(jīng)知道了此任務(wù)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及獲取方式，在后續(xù)編程過程中需要的數(shù)據(jù)要么是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，要么是利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)運(yùn)算得到的計算數(shù)據(jù)。

2.2 機(jī)器人編程中的邏輯

2.1節(jié)已對程序需要的數(shù)據(jù)類型、數(shù)量及獲取方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，下面論述將工件從A位置搬運(yùn)到B位置的編程邏輯。

邏輯建立的第一步是對數(shù)據(jù)的規(guī)劃與存儲。由2.1節(jié)中我們知道此程序需要獲取5個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但在邏輯建立的過程中還需要必要的計算點(diǎn)位，如：

取料點(diǎn)安全高度（LR[20]）=取料點(diǎn)（LR[10]） +抬起高度（LR[15]）

放料點(diǎn)安全高度（LR[21]）=放料點(diǎn)（LR[11]） +抬起高度（LR[15]）

此任務(wù)編程需要的全部數(shù)據(jù)為：

（1）機(jī)器人原點(diǎn)：JR[0]

（2）兩個示教點(diǎn)位：取料點(diǎn)LR[10]，放料點(diǎn)LR[11]

（3）兩個計算點(diǎn)位：取料點(diǎn)安全高度LR[20]，放料點(diǎn)安全高度LR[21]

（4）一個IO點(diǎn)位：DO[1]，吸盤工具開與關(guān)

邏輯建立的第二步是路徑規(guī)劃及動作規(guī)劃。如下圖，圖中點(diǎn)位位置和箭頭指向表明了運(yùn)動的邏輯關(guān)系，即機(jī)器人以何種方式到達(dá)哪一個點(diǎn)位，然后執(zhí)行何種動作，完成何種任務(wù)。

至此，我們已經(jīng)表述清楚了此任務(wù)的邏輯關(guān)系。

2.3機(jī)器人編程中的進(jìn)化

在我們知道了完成此任務(wù)需要的數(shù)據(jù)，和此任務(wù)的編程邏輯后，我們可以立即寫出此任務(wù)的程序。我們將程序命名為“MVONE.PRG”，程序內(nèi)容如下：

MVONE.PRG：

J JR[0] //機(jī)器人在原點(diǎn)

LR[20]=LR[10]+LR[15] //定義機(jī)器人取料點(diǎn)安全高度

LR[21]=LR[11]+LR[15] //定義機(jī)器人放料點(diǎn)安全高度

J LR[20] //機(jī)器人運(yùn)動到取料點(diǎn)安全高度

L LR[10] //機(jī)器人運(yùn)動到取料點(diǎn)

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

DO[10]=ON //吸盤開，吸工件

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

L LR[20] //機(jī)器人運(yùn)動到取料點(diǎn)安全高度

J LR[21] //機(jī)器人運(yùn)動到放料點(diǎn)安全高度

L LR[11] //機(jī)器人運(yùn)動到放料點(diǎn)

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

DO[10]=OFF //吸盤關(guān)閉，放工件

WAIT ITME=100 //等待500毫秒

L LR[21] //機(jī)器人運(yùn)動到放料點(diǎn)安全高度

J JR[0] //機(jī)器人運(yùn)動到原點(diǎn)

下面我們對程序進(jìn)行第一層進(jìn)化，通過主程序調(diào)用子程序的方式實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)任務(wù)。主程序命名為“MAIN1.PRG”，程序內(nèi)容如下：

MAIN1.PRG：

CALL “MVONE”

則運(yùn)行主程序“MAIN1.PRG”后，通過主程序調(diào)用子程序的方式來實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。

下面我們對程序進(jìn)行第二層進(jìn)化，通過在主程序中對子程序賦值的方式來編程。同樣定義主程序為“MAIN2.PRG”，程序內(nèi)容如下：

MAIN2.PRG：

LR[10]=LR[30]

LR[11]=LR[31]

CALL “MVONE”

則運(yùn)行“MAIN2.PRG”，表明主程序調(diào)用子程序，其中示教點(diǎn)位保存在LR[30]和LR[31]中，這里實(shí)現(xiàn)了子程序點(diǎn)位在主程序中賦值，也就是帶參調(diào)用子程序。改進(jìn)后的程序，層次分明，實(shí)現(xiàn)了模塊化編程，為后續(xù)程序的修改和擴(kuò)展提供了方便。

這三段程序體現(xiàn)了，三種不同的編程思想：

（1）“MVONE.PRG”只是實(shí)現(xiàn)了工作任務(wù)。

（2）“MAIN1.PRG”實(shí)現(xiàn)了模塊化編程中的子程序的概念，在主程序中可以隨時取消調(diào)用，提高了修改機(jī)器人流程的效率

（3）“MAIN2.PRG”不僅實(shí)現(xiàn)了模塊化編程的概念，而且實(shí)現(xiàn)了帶參數(shù)子程序的調(diào)用，模塊的通用性更強(qiáng)。

這就是機(jī)器人編程中的進(jìn)化，在教學(xué)生編程時，先從最直接的編程思路入手，要完成什么樣的任務(wù)，然后在主程序中直接編程，然后再考慮如何優(yōu)化程序。對于有規(guī)律的多次搬運(yùn)，特別是碼垛搬運(yùn)，進(jìn)化程序會體現(xiàn)出它的簡潔性。

下面我們將搬一放一這樣的編程任務(wù)擴(kuò)展到搬三放三。即需要連續(xù)搬運(yùn)3個工件然后放置到三個不同位置，假設(shè)三個取料點(diǎn)和三個放料點(diǎn)都是在X方向一字排放，且相鄰間隔都是60mm，我們將間隔距離存放到LR[25]中，主程序命名為“MAIN3.PRG”，程序內(nèi)容如下：

MAIN2.PRG：

R[10]=0

WHILE R[10]<3 //采用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)循環(huán)3次搬運(yùn)

LR[10]=LR[30+R[10]* LR[25]]

LR[11]=LR[31+R[10]* LR[25]]

CALL “MVONE”

R[10]=R[10]+1

通過上面的搬三放三程序我們發(fā)現(xiàn)，只要我們理解了帶參數(shù)子程序調(diào)用的方法，并且學(xué)會搬運(yùn)一個工件的程序操作，那么搬運(yùn)三個工件是很簡單的事情。我們只需要把搬運(yùn)三個工件的邏輯理清楚，三個工件的取料點(diǎn)和放料點(diǎn)之間的聯(lián)系理清楚，然后在主程序中體現(xiàn)出來就可以。

總之，程序進(jìn)化是從易到難的一個過程，也是一個不斷使用已有知識發(fā)現(xiàn)新知識的過程。

最根本的還是要理解機(jī)器人程序的本質(zhì)：

（1）機(jī)器人的運(yùn)動的點(diǎn)位邏輯是什么

（2）機(jī)器人在什么地方做了什么樣的工作，即IO邏輯是什么。

3.結(jié)束語

上述的“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”編程思想是在實(shí)踐教學(xué)中總結(jié)出來的，上述的機(jī)器人搬運(yùn)編程實(shí)例，從搬一放一到搬三放三再到搬九放九是“數(shù)據(jù)+邏輯+進(jìn)化”編程思想的典型運(yùn)用。在“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”教學(xué)實(shí)踐中，按照這種編程思想進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生們的編程思路變的清晰了，程序的可讀性移植性也得到了提升，在機(jī)器人編程中做到了循序漸進(jìn)，舉一反三。

參考文獻(xiàn)：

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[3]嚴(yán)偉青.淺談中職數(shù)學(xué)課堂教與學(xué)的策略[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2014（6）：210.