CN111708525A - 一种基于xml工业机器人图形化编程系统解释器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，包括程序数据管理模块、解释器运行接口模块和语义分析程序模块，表示图形化程序的XML中间文件传输至所述程序数据管理模块，所述程序数据管理通过解析中间文件得到程序数据，构造内存缓冲区，提供高效的数据访问接口给其他子模块使用；所述解释器运行接口模块中取出指令按照特定运行逻辑进一步处理；接着语义分析转发器采用一次扫描的方法自顶向下地将指令编程块分成更细粒度的语法单元，转发给具体的语义分析程序进行分析。本发明完成了图形化程序的语义分析程序的设计，同时提出了检查算法，以解决在编程时可能出现运动模块的位姿参数不匹配的问题。

Description

一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器。

背景技术

随着人力成本的提高和制造业对自动化、智能化发展的需求，我国工业机器人密度高速增长，机器人日益广泛应用于焊接、码垛和装配等工业生产中。社会持续新产品的生产需求使得机器人编程应该更简单高效，工厂因此能够针对新生产线的要求，快速开发机器人的新的应用程序。于是各种编程方法应运而生，主要有示教编程、动作级编程、离线编程和自主编程。现有的工业机器人图形化编程语言的设计操作繁琐、交互性差，编译算法基本上都是先生成高级语言，再通过传统编译器进行编译，编译过程复杂、资源开销大，且不满足工业机器人解释执行的实际需求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括程序数据管理模块、解释器运行接口模块和语义分析程序模块，表示图形化程序的XML中间文件传输至所述程序数据管理模块，所述程序数据管理通过解析中间文件得到程序数据，构造内存缓冲区，提供高效的数据访问接口给其他子模块使用；所述解释器运行接口模块中取出指令按照特定运行逻辑进一步处理；接着语义分析转发器采用一次扫描的方法自顶向下地将指令编程块分成更细粒度的语法单元，转发给具体的语义分析程序进行分析。

所述程序数据管理模块提取XML中间文件的程序数据，文件经由解析处理后，得到点位、基本变量、程序逻辑、子程序，接着为运行子模块提供指令流输出接口，为语义分析子模块提供程序定位搜索、寄存器IO、程序删减数据读写接口。

所述解释器运行接口模块在运行过程中，除了记录点位、程序逻辑等程序数据外，还需要解释器环境、程序缓冲区、等待数据缓冲区、运动数据缓冲区数据结构，以记录程序运行时的各种状态信息，其中核心为程序逻辑、解释器环境、程序缓冲区。

所述语义分析程序模块通过转发器接收指令流，进行语句语义分析、表达式语义分析和寄存器语义分析，所述语句语义分析输出目标数据结构。

所述解释器运行接口模块解释执行设计的基本运行逻辑有单步执行、连续执行：

1)单步运行：通过在插补缓冲区真正的运动指令数据之间构造“段终止”的伪指令，作为暂停标志，使得插补器识别到该标志后停止插补，继而解释循环跑空，以达到单步运行的目的；

2)连续执行：插补器忽略段终止不断进行插补。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，与现有技术相比，本发明首先设计了解释器的系统结构，其次设计了程序数据数据结构及其数据访问接口，完成了图形化程序的语义分析程序的设计，同时提出了检查算法，以解决在编程时可能出现运动模块的位姿参数不匹配的问题，最后设计了提供自动执行和流程控制的能力的运行功能模块。

附图说明

图1是本发明基于XML的机器人解释器结构；

图2是本发明的程序数据管理设计图；

图3是本发明的图形化程序与其文档树映射图；

图4是本发明的程序行表；

图5是本发明的语义检查时指令流输出流程图；

图6是本发明的语义分析程序结构；

图7是本发明的运算表达式解释；

图7中：(a)已婚算表达式语法结构；(b)表达式求值流程图；

图8是本发明的寄存器的赋值表达式解释；

图8中：(a)赋值表达式语法结构(b)值传递过程(c)寄存器持久化；

图9是本发明的条件语句语义分析；

图10是本发明的跳转调用子程序语句流程图；

图11是本发明的运动模块终点位姿的检查流程图；

图12是本发明的解释执行机制；

图13是本发明的条件等待机制；

图14是本发明的机器人反向运行机制；

图14中：(a)机器人反相运行样例(b)反向运行重新规划流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

机器人解释器编译编辑器下发的XML中间文件，生成目标指令代码并送给插补器插补执行。为此设计解释器结构如图1所示，将其划分成三个功能子模块：程序数据管理、语义分析、解释器运行功能。

程序数据管理通过解析中间文件得到程序数据，构造内存缓冲区，提供高效的数据访问接口给其他子模块使用；运行功能子模块中取出指令按照特定运行逻辑进一步处理；接着语义分析转发器采用一次扫描的方法自顶向下地将指令编程块分成更细粒度的语法单元，转发给具体的语义分析程序进行分析。

程序数据管理提取XML中间文件的程序数据并提供高效的访问能力，为此设计其结构如图2所示。文件经由解析处理后，得到点位、基本变量、程序逻辑等，接着为运行子模块提供指令流输出接口，为语义分析子模块提供程序定位搜索、寄存器读写等数据读写接口。核心为程序数据结构以及其访问的设计。

在解释器运行过程中，除了记录点位、程序逻辑等程序数据外，还需要解释器环境、程序缓冲区、等待数据缓冲区、运动数据缓冲区等数据结构，以记录程序运行时的各种状态信息。其中核心为程序逻辑、解释器环境、程序缓冲区。

程序逻辑在于XML程序主逻辑的适配，如图3所示。其中右侧的XML文档树为左侧所示的机器人图形化程序的XML主逻辑的内存模型，其自结构性能很好地适配前已述及的程序逻辑的语法结构。

根据两者的映射关系，遍历原生文档树提取语法树根节点下的语句模块，并重新组织得到程序行表如图4所示，作为指令流输出、程序定位搜索等接口使用的数据结构，以便高效地逐行模块送解析插补。

解释器环境数据结构设计如表1所示，其中为实现程序的调用子程序功能，基于哈希表设计的子程序集合,记录着程序中所有“CALL”模块的目标程序名与程序缓冲区的映射关系，以实现在常数时间内定位程序。程序的调用则通过程序调用栈记录每次程序调用时控制流转移的断点状态信息，以便调用结束后，程序能恢复到断点。

表1解释器环境数据结构

程序缓冲区的数据结构设计如表2所示，其中关键的总行数、程序行表、xml文档树指针记录程序主逻辑；跳转表基于哈希表实现，用于Label模块和Jump模块。

表2程序缓冲区数据结构

程序数据访问接口主要有指令流输出、寄存器IO、程序定位搜索等，关键为指令流输出。针对语义检查功能的需求，设计指令流输出算法如图5所示。

该接口遍历当前程序及其所有子程序中未被检查过的，在每个程序中遍历指令，输出下一个非空且非注释的指令供运行子模块进一步处理。而针对程序实际运行的指令流输出接口与此区别主要有：只输出当前程序的指令直至结束；在反向运行时只读取移动指令，正向运行时输出非注释指令和空行。

语义分析及目标指令代码生成：

语义分析对操作模块进行分析并生成目标指令代码，目标指令代码是指图形化程序经本解释器解释后得到的数据结构，包含运动、动作控制、流程控制等数据，运动数据可直接输入插补器进行插补再到运动控制模块进行机器人的运动控制，流程控制则由本解释器读取并进行程序控制流的改变。

本文所研究的六轴机器人控制系统中目标指令代码定义如表4所示，其中如插补数据中包含程序名、程序行等程序基本信息，机器人所示用的坐标系编号，以及关键的运动指令数据和控制消息。前者为解释器结合当前机器人状态解释运动模块得到的数据，后者为解释流程控制模块及IO模块得到的数据。此外还有等待数据、计时器等。

同时，该语言也能使用在四轴SCARA机器人上，区别在于DH参数等相关配置。

表3六轴机器人语言目标指令代码

表4六轴机器人语言目标指令代码续表

由于插补样条曲线需要获得三个点位的数据，即当前运动模块及下一运动模块的点位，因此解释器的实时性有一定约束：解释器的速度要比插补器的速度快两个运动模块。针对此约束，结合程序词法语法的正确性在编辑器中已得到保证，提出一遍扫描的语义分析方法，设计其流程如图6所示。

转发器负责对模块中不同类型的语法单元进行分发，由具体的函数分析，整个分析流程自顶向下，数据的流向自底向上。由此，具体分析程序互不可见，有效分离选择操作、分析具体操作，具有较高的易维护性、易扩展性。

具体分析时，有语句、表达式、寄存器三类模块的语义分析函数，难点在于前两者。表达式分析包含寄存器赋值表达式、运算表达式。运算表达式的语法结构如图7(a)所示含有左变量、右变量和操作符三个子节点。其分析流程如图(b)所示，依次读取左右节点和提取左右变量的值，再根据读取的操作符调用相应的求值函数，返回结果。

寄存器的赋值表达式语法结构如图8(a)所示，左子节点为寄存器变量，右子节点代表符合参数类型约束的表达式。分析时首先创建右值临时变量，接着由运算器对表达式项进行解释，将结果存于临时变量中，再将其传递给左值，并由另一线程周期性地持久化到寄存器文件中。

功能语句中的难点运动语句将于下一节进行阐述。以下设计控制语句的语义分析。条件语句由于存在多个条件分支节点与执行语句子节点，采用标志位来记录条件表达式的真值，节点属性来判断逻辑表达式和执行语句，据此在循环解析子节点时决定执行语句的解释，详细流程如图9所示。

机器人现场工作条件的变化会触发响应的应对程序，为此实现跳转和调用子程序模块以使程序支持控制流的改变。解释器采用哈希表存储程序的标签位和子程序缓冲区。当遇到跳转模块时，重设程序当前行，对于调用模块，则保存当前程序断点于程序调用栈中，并重设当前程序及其当前行为目标子程序及其首行。流程如图10所示。

机器人运动模块的位姿参数的规范化处理

运动模块的分析，除了基础运动学算法，难点在于实际编程应用时所遇到的位姿参数的不范化等问题，如起止位姿不匹配、运动过程中超出限位或遇到奇异点等问题设计检查算法如下。

运动类型与终点位姿类型匹配性的分析与修正

为了实现工业机器人在笛卡尔坐标系和关节坐标系下的关节运动、直线运动以及圆弧运动，需要针对在实际编程中，用户输入的终点位姿或与运动模块的运动类型不一致的问题，对位姿进行归一化处理。

针对直线或圆弧运动模块，需要验证其位置参数是否采用笛卡尔坐标系，否则执行坐标转换。转换时，对于直线运动模块，坐标符合则通过反解验证其合理性再直接返回，否则进行坐标转换。此外，如果程序不是检查状态，则需要检测关节坐标的属性问题，如单关节转数超过180度、起点与中点或者终点坐标的配置属性不同则视为错误。关节运动馆模块则类似，具体流程如图11所示。

运动模块中起终位姿不匹配情形的检查与处理

语义分析程序对运动模块中进行运动学反解，将工业机器人末端在笛卡尔坐标系下的位姿转换成关节变量值，然后驱动机器人动作。然而用户输入的起终点位姿有可能存在问题导致机器人无法动作，如反解后存在多组解，起终点的反解组合有可能会使机器人的规划路线中出现奇异点，转动范围过大等。

因此采用关节属性来解决上述问题。根据六轴操作臂的位置奇点、速度奇点、姿态奇点，界定三种关节属性，以三种奇异点为边界，机器人反解得到的关节角均落在每个关节属性的正负空间，即前后、上下、俯仰。由此当分析运动模块时，在反解得到的多组解中，通过判断起终点反解组合的关节属性，选择相同的组合，来保证移动量比其他属性不同的组合要小，以减小在解空间中的搜索量，提高效率。此外两位姿关节属性不同时，机器人会通过奇异点，据此只允许做关节运动，禁止做直线、圆弧运动。在本运动模块的设计中，新增腕关节动作指令附加指令，如果用户指定该附加指令，则对于6轴机器人，在进行终点坐标更新时，则是将其更新为手腕关节坐标，且俯仰属性统一换成0，这样可使机器人继续动作。

此外，由于操作臂的实际机械结构可能在运动过程中会发生干涉，因此理论计算的工作空间不是实际的工作空间，为此在位姿处理时检查其关节角是否超过软限位以及单关节转动幅度是否超过180度，如果超过的话则需要进行出错处理。

解释器运行功能

运行功能子模块提供机器人程序自动执行及流程控制功能，满足实际的机器人编程调试需求，由此设计其功能主要有：解释执行机制、等待机制、反向运行机制。在输入的指令流中，通过解释执行机制进一步处理，使得能够逐个语句模块地单步解释，当遇到等待模块，由等待机制负责更新解释器状态信息，并阻塞指令流的输入；此外反向运行机制则实现正向解释地过程。

本解释器运行于工业机器人控制系统中，与组控制循环线程中的插补器配合工作，因此解释执行机制设计如图12所示。

程序运行时，解释循环线程中指令流不断被送进解释缓冲区，语义分析子模块不断从中取指令分析并将结果送进插补缓冲区的队尾，组控制循环线程的插补器则从队头取出作进一步的处理，直到程序结束。

解释执行设计的基本运行逻辑有单步执行、连续执行：

1)单步运行：通过在插补缓冲区真正的运动指令数据之间构造“段终止”的伪指令，作为暂停标志，使得插补器识别到该标志后停止插补，继而解释循环跑空，以达到单步运行的目的。

2)连续执行：插补器忽略段终止不断进行插补。

等待机制提供时间等待以及条件等待功能。两者本质上是一致的，区别在于等待的判据是计时结束(使用定时器)还是条件表达式为真。现通过一例子来说明后者，如图13所示，两个机器人在协作完成任务，机器人A在解释时当遇到条件等待指令时，则首先置位等待标志位，接着在每次译码循环中调用DEC_Step，轮询PLC信号，若信号未到则继续阻塞并返回伪造段，否则等待结束，返回插补数据并解释下一条指令。

工业器人的反向运行机制主要在于运动指令的重新组装。假设现有如图14(a)所示的机器人程序样例(限于空间大小采用文本语言形式)，当前执行完第三条指令时机器人处于位置P₃，此时反向运动轨迹为P₃→P₂，是第二条指令正向运动轨迹P₂→P₃的逆过程，因此运动方式为J，速率取V₃，附加指令是衔接的地方∠P₁P₂P₃，取Add₂，因此其反向运行时运动模块的规划流程如图(b)所示。

本发明首先设计了解释器的软件结构，接着设计了程序数据数据结构及其数据访问接口。完成了图形化程序的语义分析程序的设计，同时提出了检查算法，以解决在编程时可能出现运动模块的位姿参数不匹配的问题。最后设计了提供自动执行和流程控制的能力的运行功能模块。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，其特征在于：包括程序数据管理模块、解释器运行接口模块和语义分析程序模块，表示图形化程序的XML中间文件传输至所述程序数据管理模块，所述程序数据管理通过解析中间文件得到程序数据，构造内存缓冲区，提供高效的数据访问接口给其他子模块使用；所述解释器运行接口模块中取出指令按照特定运行逻辑进一步处理；接着语义分析转发器采用一次扫描的方法自顶向下地将指令编程块分成更细粒度的语法单元，转发给具体的语义分析程序进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，其特征在于：所述程序数据管理模块提取XML中间文件的程序数据，文件经由解析处理后，得到点位、基本变量、程序逻辑、子程序，接着为运行子模块提供指令流输出接口，为语义分析子模块提供程序定位搜索、寄存器IO、程序删减数据读写接口。

3.根据权利要求1所述的基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，其特征在于：所述解释器运行接口模块在运行过程中，除了记录点位、程序逻辑等程序数据外，还需要解释器环境、程序缓冲区、等待数据缓冲区、运动数据缓冲区数据结构，以记录程序运行时的各种状态信息，其中核心为程序逻辑、解释器环境、程序缓冲区。

4.根据权利要求1所述的基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，其特征在于：所述语义分析程序模块通过转发器接收指令流，进行语句语义分析、表达式语义分析和寄存器语义分析，所述语句语义分析输出目标数据结构。

5.根据权利要求1所述的基于XML工业机器人图形化编程系统解释器，其特征在于：所述解释器运行接口模块解释执行设计的基本运行逻辑有单步执行、连续执行：

1)单步运行：通过在插补缓冲区真正的运动指令数据之间构造“段终止”的伪指令，作为暂停标志，使得插补器识别到该标志后停止插补，继而解释循环跑空，以达到单步运行的目的；

2)连续执行：插补器忽略段终止不断进行插补。

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