“數據+邏輯+進化”編程思想在工業機器人操作與編程教學當中的應用

孟鑫 張聰超 韓警賢

摘要：隨著“1+X”證書制度在高等職業教育中開展，越來越多的學校開設了工業機器人操作與編程這門課程，但在教學中發現，學生們在做機器人編程時邏輯不清晰，寫出的程序雜亂無章?，F依據教學經驗，提出一種“數據+邏輯+進化”的編程思想，并通過一個搬運實例進行深入講解，使機器人編程規范化，找出機器人程序編程內在的規律，使學生們能快速掌握機器人編程技巧。

關鍵詞：工業機器人編程;數據+邏輯+進化;編程思想

引言：

當前，我國經濟和科技均得到了高速發展，以此為基礎，我國現代化制造業不斷向智能化、信息化以及數字化的方向高速發展，隨之，工業機器人技術得到了越來越廣泛的應用，相關專業也應運而生[1]。其中《工業機器人操作與編程》這門課程是機器人專業的核心課程，在教學中發現學生在學習機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“數據+邏輯+進化”編程思想，通過對一個搬運實例進行深入講解，使機器人編程規范化，使學生學習機器人編程時邏輯清晰，能夠快速掌握機器人編程技巧，做到舉一反三。

1.機器人品牌的選擇

目前多數高職院校采用ABB機器人進行教學，原因是ABB機器人品牌口碑好，性能好，得到了很多企業的認可[2]。近年來隨著國產機器人的崛起，越來越多國產機器人相關公司與高職院校進行合作共同培養人才，國產機器人的特點是性價比高，編程語言風格更符合中國人的邏輯[3]。我們學校與華中數控有限公司進行校企合作建立了一個“1+X工業機器人操作與編程”考證培訓基地，平時學生的理論學習和實操練習使用的都是華數工業機器人，因此本文是在華數工業機器人操作與編程的基礎上講解論述“數據+邏輯+進化”的編程思想。

2.“數據+邏輯+進化”編程思想

我們先對數據、邏輯和進化這三個名詞進行解釋，然后再結合機器人操作編程論述“數據+邏輯+進化”的編程思想。

數據的定義：對客觀事物的性質、狀態以及相互關系等進行記載的物理符號。不僅僅是數字，也可以是具有一定意義的文字、圖形、視頻等。

邏輯的定義：是指思維的規律和規則，就是事情的因果規律。引入“邏輯”一詞，就是要建立數據之間的因果關系。

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

2.1機器人編程中的數據

以華數機器人為例，它包含的數據類型有：UT[i]：工具坐標系變量;UF[i]：基坐標系變量;R[i]：數值型變量;JR[i]：關節型坐標變量LR[i]：笛卡爾型坐標變量;I[i]：數字輸入型變量;O[i]：數字輸出型變量。

本文以將工件從A位置搬運到B位置為例來說明數據的建立。將工件從A位置搬運到B位置是一個最簡單的搬運編程，通過分析知此程序至少需要5個基礎數據：

（1）機器人原點：JR[0]（通過直接輸入數值獲得）

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

（3）一個常量點位：抬起高度LR[15]（通過直接輸入數值獲得）

（4）一個IO點位：DO[1]，吸盤工具開與關。（通過配置IO獲得）

至此，我們已經知道了此任務需要的基礎數據及獲取方式，在后續編程過程中需要的數據要么是基礎數據，要么是利用基礎數據運算得到的計算數據。

2.2 機器人編程中的邏輯

2.1節已對程序需要的數據類型、數量及獲取方式進行了詳細說明，下面論述將工件從A位置搬運到B位置的編程邏輯。

邏輯建立的第一步是對數據的規劃與存儲。由2.1節中我們知道此程序需要獲取5個基礎數據，但在邏輯建立的過程中還需要必要的計算點位，如：

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

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

此任務編程需要的全部數據為：

（1）機器人原點：JR[0]

（2）兩個示教點位：取料點LR[10]，放料點LR[11]

（3）兩個計算點位：取料點安全高度LR[20]，放料點安全高度LR[21]

（4）一個IO點位：DO[1]，吸盤工具開與關

邏輯建立的第二步是路徑規劃及動作規劃。如下圖，圖中點位位置和箭頭指向表明了運動的邏輯關系，即機器人以何種方式到達哪一個點位，然后執行何種動作，完成何種任務。

至此，我們已經表述清楚了此任務的邏輯關系。

2.3機器人編程中的進化

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

MVONE.PRG：

J JR[0] //機器人在原點

LR[20]=LR[10]+LR[15] //定義機器人取料點安全高度

LR[21]=LR[11]+LR[15] //定義機器人放料點安全高度

J LR[20] //機器人運動到取料點安全高度

L LR[10] //機器人運動到取料點

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] //機器人運動到取料點安全高度

J LR[21] //機器人運動到放料點安全高度

L LR[11] //機器人運動到放料點

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

DO[10]=OFF //吸盤關閉，放工件

WAIT ITME=100 //等待500毫秒

L LR[21] //機器人運動到放料點安全高度

J JR[0] //機器人運動到原點

下面我們對程序進行第一層進化，通過主程序調用子程序的方式實現搬運任務。主程序命名為“MAIN1.PRG”，程序內容如下：

MAIN1.PRG：

CALL “MVONE”

則運行主程序“MAIN1.PRG”后，通過主程序調用子程序的方式來實現搬運。

下面我們對程序進行第二層進化，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”，程序內容如下：

MAIN2.PRG：

LR[10]=LR[30]

LR[11]=LR[31]

CALL “MVONE”

則運行“MAIN2.PRG”，表明主程序調用子程序，其中示教點位保存在LR[30]和LR[31]中，這里實現了子程序點位在主程序中賦值，也就是帶參調用子程序。改進后的程序，層次分明，實現了模塊化編程，為后續程序的修改和擴展提供了方便。

這三段程序體現了，三種不同的編程思想：

（1）“MVONE.PRG”只是實現了工作任務。

（2）“MAIN1.PRG”實現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用，提高了修改機器人流程的效率

（3）“MAIN2.PRG”不僅實現了模塊化編程的概念，而且實現了帶參數子程序的調用，模塊的通用性更強。

這就是機器人編程中的進化，在教學生編程時，先從最直接的編程思路入手，要完成什么樣的任務，然后在主程序中直接編程，然后再考慮如何優化程序。對于有規律的多次搬運，特別是碼垛搬運，進化程序會體現出它的簡潔性。

下面我們將搬一放一這樣的編程任務擴展到搬三放三。即需要連續搬運3個工件然后放置到三個不同位置，假設三個取料點和三個放料點都是在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”，程序內容如下：

MAIN2.PRG：

R[10]=0

WHILE R[10]<3 //采用循環結構實現循環3次搬運

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現，只要我們理解了帶參數子程序調用的方法，并且學會搬運一個工件的程序操作，那么搬運三個工件是很簡單的事情。我們只需要把搬運三個工件的邏輯理清楚，三個工件的取料點和放料點之間的聯系理清楚，然后在主程序中體現出來就可以。

總之，程序進化是從易到難的一個過程，也是一個不斷使用已有知識發現新知識的過程。

最根本的還是要理解機器人程序的本質：

（1）機器人的運動的點位邏輯是什么

（2）機器人在什么地方做了什么樣的工作，即IO邏輯是什么。

3.結束語

上述的“數據+邏輯+進化”編程思想是在實踐教學中總結出來的，上述的機器人搬運編程實例，從搬一放一到搬三放三再到搬九放九是“數據+邏輯+進化”編程思想的典型運用。在“工業機器人操作與編程”教學實踐中，按照這種編程思想進行教學，學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，在機器人編程中做到了循序漸進，舉一反三。

參考文獻：

[1]盧峰，官文. 高職院校工業機器人編程與操作課程教學思考[J]. 科研與教育，2020，4：211-212

[2]邵軍.離線編程示教的工業機器人教學研究[J]. 湖北農機化，2019，16：118-119

[3]嚴偉青.淺談中職數學課堂教與學的策略[J].現代企業教育，2014（6）：210.