CN111708530A - 一种工业机器人图形化编程系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人图形化编程系统，包括操作模块库、图形化程序编辑器和解释器，本发明将结合在实际场景中工业机器人图形化语言系统的物理结构，分析图形化程序从作业任务到目标指令代码的数据流，提出图形化编程系统的开发需求，设计包含操作模块库、编辑器、基于XML的解释器三个主要功能模块的总体方案，并研究其涉及到的关键技术。本文所研究的工业机器人为实验室中经过一定电气与控制系统改造的华数HR‑JR605六轴机器人。

Description

一种工业机器人图形化编程系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种工业机器人图形化编程系统。

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。图形化编程技术涉及到两个核心问题：图形化编程范式，图形化语言的编译技术。前者主要围绕图形化语言模型和图形化语言的形式化描述两个问题来展开研究。图形化语言的编译技术则围绕程序代码的自动生成算法来展开研究。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工业机器人图形化编程系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括操作模块库、图形化程序编辑器和解释器，所述操作模块库能完备表示机器人指令集的基本单元，合法有效地表示机器人语言系统的功能，操作模块对应的图元需要交互简单，图元的参数填写、图元间的逻辑组织自带语法限制；所述图形化程序编辑器提供机器人点位的记录修改，操作模块的逻辑关系组织功能，程序文件的加载渲染以及文件系统功能；实现图形化程序文本代码实时自动生成功能；提供图形任务的检查、运行、调试及报警功能；所述解释器实现程序数据管理，包含解析程序数据以及提供高效的程序数据访问能力；能够高效对程序进行解释，满足控制系统实时性要求；实现运行功能，提供自动执行及流程控制功能，包含解释执行机制，机器人能够通过单步或连续、单周或循环及正向或反向的组合便利地进行现场调试。

所述解释器为基于XML的解释器。

所述操作模块库包括运动块、码垛块、视觉块，所述操作模块库的数据输出至所述图形程序编辑器，所述图形程序编辑器与所述解释器之间传输图形程序和XML中间文件，所述解释器输出目标指令代码。

所述图形程序编辑器还连接文本程序编辑器，所述文本程序编辑器收集指令集，生成文本程序和语法树，所述指令集包括运动指令、码垛指令、视觉指令。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种工业机器人图形化编程系统，与现有技术相比，本发明将结合在实际场景中工业机器人图形化语言系统的物理结构，分析图形化程序从作业任务到目标指令代码的数据流，提出图形化编程系统的开发需求，设计包含操作模块库、编辑器、基于XML的解释器三个主要功能模块的总体方案，并研究其涉及到的关键技术。本文所研究的工业机器人为实验室中经过一定电气与控制系统改造的华数HR-JR605六轴机器人。

附图说明

图1是本发明的机器人图形任务处理数据流图；

图2是本发明的机器人图形化编程系统功能图；

图3是本发明的图形化编程系统方案框图；

图4是本发明的机器人语言节点模型；

图5是本发明的图形化程序编辑器分层结构；

图6是本发明的界面布局示意图；

图7是本发明的解释器结构设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：结合在实际场景中六轴机器人语言系统的物理结构，通过分析图形化语言中机器人程序整个生命周期不同步骤的处理流程及其状态，得到图形任务数据流图，其中，根据实际生产要求分析该任务的详细步骤，细分机器人的每个动作，得到作业任务，接着进行程序编制，包括创建目标点、标定视觉系统、基于操作模块编辑图形化程序等一系列的步骤。图形化程序中的元素为对应任务中的不同模块，程序通过解析处理生成目标指令代码再让其他功能模块插补执行，最终控制机器人动作。

图形化编程系统负责其中的从程序编制到目标指令代码生成的过程，因此其实现的功能关键在于数据流图中的程序编制、解析处理步骤以及相对应不同状态下的程序数据结构，即如图1中红色方框所示，因此将本编程系统的功能划分为如图2所示的结构。

该编程系统采用操作模块代替文本语法要素，修改、组织操作模块代替手写文本语言；编辑器具有完整的程序编辑管理功能；解释器直接对图形化程序的操作模块进行解释得到目标指令代码，省去中间的复杂编译步骤，并降低资源开销，达到控制系统实时性和单步调试目标。

本发明包括操作模块库、图形化程序编辑器和解释器，所述操作模块库能完备表示机器人指令集的基本单元，合法有效地表示机器人语言系统的功能，操作模块对应的图元需要交互简单，图元的参数填写、图元间的逻辑组织自带语法限制；所述图形化程序编辑器提供机器人点位的记录修改，操作模块的逻辑关系组织功能，程序文件的加载渲染以及文件系统功能；实现图形化程序文本代码实时自动生成功能；提供图形任务的检查、运行、调试及报警功能；所述解释器实现程序数据管理，包含解析程序数据以及提供高效的程序数据访问能力；能够高效对程序进行解释，满足控制系统实时性要求；实现运行功能，提供自动执行及流程控制功能，包含解释执行机制，机器人能够通过单步或连续、单周或循环及正向或反向的组合便利地进行现场调试。

所述解释器为基于XML的解释器。

所述操作模块库包括运动块、码垛块、视觉块，所述操作模块库的数据输出至所述图形程序编辑器，所述图形程序编辑器与所述解释器之间传输图形程序和XML中间文件，所述解释器输出目标指令代码。

所述图形程序编辑器还连接文本程序编辑器，所述文本程序编辑器收集指令集，生成文本程序和语法树，所述指令集包括运动指令、码垛指令、视觉指令。

基于上述功能需求，为了实现工业机器人图形化程序的编制与执行，结合松耦合服务化的软件设计思想，本文设计图形化编程系统的总体框架如图3所示。

按照机器人作业任务，用户通过从操作模块库选取编程块并在编辑器的画布中组织得到图形程序，同时程序数据被序列化到XML中间文件，由机器人图形化程序解释器解释，得到目标指令代码，并送到插补器插补，最后由伺服驱动器控制机器人动作。其中操作模块以及图形程序编辑器位于属于上位机，机器人图形化程序解释器属于下位机。除了关键的图形化子系统，编程系统同时兼容传统文本方式的编写，因此还包括文本子系统及其与图形化子系统间的关联功能，如图形化程序的文本代码翻译。操作模块库与指令集，图形程序编辑器与文本程序编辑器是并行关系。

操作模块是图形化语言设计的核心。根据机器人不同实际操作在程序中的执行功能、语法和图形特征，操作模块库提供不同种类的封装好的编程块，有运动块、码垛块、视觉块等。其设计主要涉及到指令属性、视图属性、参数写入操作、模块组织行为，据此在编辑器中进行程序编制时，编程块功能表达鲜明、程序结构直观，模块的连接、参数填入能够满足语法要求。

承接机器人图形化语言，针对实际的机器人程序编写调试需求，编辑器提供集成的编程环境，其设计关键为程序编辑、调试检查、文本代码自动生成。程序编辑器负责反序列化XML中间文件并渲染图标程序，供用户进一步拖放操作模块到编辑画布中组织，经过整体任务检查后将程序重新持久化到中间文件中。XML中间文件记录着所有程序数据，由编辑器生成，提供编辑器其他子模块解析加载，持久化以及代码翻译；此外，它还被下发到解释器用于解释执行任务，是编辑器和解释器两者交互程序数据的介质。

机器人解释器负责对XML中间文件进行编译，是基础件模块。由于操作模块库中编程块的语法限制功能以及编辑器生成的XML中间文件的自结构特性，图形化程序的语法正确性得到最大程度上的保证，因此解释器通过加载解析程序文件，按特定运行流程采用了一遍扫描的语义分析算法，生成目标指令代码并送到插补器进行插补，提高了时间效率。

机器人操作模块库的设计主要包括三点：机器人语言的抽象，机器人图形化语言的定义，机器人指令集的参数化。

首先基于机器人语言的面向过程和基于控制流等特征，分析机器人程序语法结构并抽象出其形式化描述，对工业机器人的实际操作分类，根据具体执行功能大致可以分为运动、视觉、码垛、IO、等待、条件几类。结合不同操作的语义表达、语法行为，通过确定其图形化设计共同点将其划分为变量、表达式、语句三大类。

图形化语言由操作模块组成，在其定义中，核心在于采用图片设计文法设计图形化程序描述中的操作模块图元模型。从语法和面向对象的角度看，机器人语言基本语法单元可看成如图4所示的一个节点，包含内部属性和外部行为，属性可分为基本属性、指令属性和视图属性；基本属性有模块的元素类型、标识等，其中重要的指令属性则包含关于模块对应的功能逻辑的信息，视图属性主要表示图元模型在编辑区的画布中的位置、与周边图元间的位置关系及其显示情况。节点行为可分为参数写入操作、模块组织行为。参数写入操作指一个模块的参数有何种填入参数的操作，写入受到的约束，模块组织指模块相互拼接时受到的语法约束等。

机器人指令集的参数化主要是针对每个机器人语言基本元素的逻辑功能进行数据化表达，抽象出来的参数为属于节点中的指令属性，如运动指令中会包含目标位置、进给速度、终止类型、附加运动指令等参数。

图形化程序编辑器提供集成的编程环境，除了提供用户进行机器人的图形化编程的关键功能以外，高效的交互和完善的功能是其需要具备的。采取模块化和软件分层的思想，其设计如图5所示，自顶向下主要分为界面层以及业务层。

其中界面层为不同功能的布局、外观、交互逻辑设计，业务层则执行不同功能的具体业务流程，解释器通信API则用于当程序解释执行时，更新编辑器各功能模块的信息。一个例子是在文件管理界面中发送加载程序文件命令后，机器人图形化程序经过解析渲染显示在程序编辑画布中。它的整个过程由文件系统，程序逻辑管理和点位数据管理三者配合完成，首先文件系统读取解析文件，构造程序数据内存缓冲区，包含点位数据和XML程序主逻辑，点位数据由点位管理提供读写接口，并由点位编辑进行渲染显示，接着XML程序主逻辑由程序逻辑管理进一步解析，递归提取程序中操作模块的信息并进行渲染，再由画布显示。

编辑器界面布局设计如图6所示，主要有大纲区、操作模块库、编辑区、运行窗口、控制台等。其中操作模块库提供不同机器人类型编程块的选择。编辑区包括程序编辑和点位编辑，程序编辑包含画布、代码和XML三个功能视窗，画布为编写机器人图形化程序的地方，代码区用于实时显示图形化程序自动生成的代码，XML区则显示图形化程序的载体XML代码。大纲区提供用户管理项目文件。运行区则提供不同逻辑的运行交互界面。

机器人解释器子模块负责图形化程序编译工作，解析编辑器产生的XML中间文件并生成目标指令代码，按特定运行流程送到插补器进行插补，为此设计其结构如图7所示，由三个主要功能模块组成：程序数据管理、运行接口、语义分析.

从图形化编辑器下来的XML中间文件作用有两个，分别为持久化图形化程序和供解释器解释执行。由于编辑器能够保证中间文件中的XML主程序逻辑的语法正确性，因此解释器在解释过程采用一遍扫描的方法，只进行语义分析，提高解释时间效率，保证控制系统的实时性。

XML中间文件首先到达程序数据管理模块，它主要负责解析该文件，构造程序数据的内存缓冲区，包括XML语法树和各种变量，并提供高效的程序数据访问能力。接着运行功能模块利用数据访问接口来获取机器人程序的指令流，按照用户期望的运行逻辑来进一步处理并输出指令流，其作用是提供自动执行功能及流程控制。然后指令流到达语义分析子模块，经由转发器分成更细粒度的不同类型的语法单元，转发给具体的分析程序进行具体的操作，最终生成目标数据结构给插补器进一步处理。其中整个过程若某一步出现语义错误则有出错管理来解决。该语义分析流程易维护、易扩展，便于机器人新增应用场景时快速扩展工艺包。

本发明结合在实际场景中工业机器人图形化语言系统的物理结构，通过图形化程序从作业任务到目标指令代码的数据流分析，明确了图形化编程系统的开发需求，设计了其总体方案。接着说明了操作模块库、图形化程序编辑器和基于XML的解释器三个关键技术相关功能，后续将对该三个子模块进行研究、设计与实现。

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 (4)

1.一种工业机器人图形化编程系统，其特征在于：包括操作模块库、图形化程序编辑器和解释器，所述操作模块库能完备表示机器人指令集的基本单元，合法有效地表示机器人语言系统的功能，操作模块对应的图元需要交互简单，图元的参数填写、图元间的逻辑组织自带语法限制；所述图形化程序编辑器提供机器人点位的记录修改，操作模块的逻辑关系组织功能，程序文件的加载渲染以及文件系统功能；实现图形化程序文本代码实时自动生成功能；提供图形任务的检查、运行、调试及报警功能；所述解释器实现程序数据管理，包含解析程序数据以及提供高效的程序数据访问能力；能够高效对程序进行解释，满足控制系统实时性要求；实现运行功能，提供自动执行及流程控制功能，包含解释执行机制，机器人能够通过单步或连续、单周或循环及正向或反向的组合便利地进行现场调试。

2.根据权利要求1所述的工业机器人图形化编程系统，其特征在于：所述解释器为基于XML的解释器。

3.根据权利要求1所述的工业机器人图形化编程系统，其特征在于：所述操作模块库包括运动块、码垛块、视觉块，所述操作模块库的数据输出至所述图形程序编辑器，所述图形程序编辑器与所述解释器之间传输图形程序和XML中间文件，所述解释器输出目标指令代码。

4.根据权利要求1所述的工业机器人图形化编程系统，其特征在于：所述图形程序编辑器还连接文本程序编辑器，所述文本程序编辑器收集指令集，生成文本程序和语法树，所述指令集包括运动指令、码垛指令、视觉指令。

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