Программирование для робототехники: на каких языках программируют роботов

Краткое содержание статьи:

Что такое робототехника?

В результате робототехника включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин, называемых роботами. Такие машины используются в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность, здравоохранение, электронная коммерция, освоение космоса и транспорт и т.д.

В 1959 году в США родился первый промышленный робот Unimate, открыв новую эру развития промышленности. Подробнее про первых в истории роботов смотрите здесь: Краткая история робототехники

Каковы пять основных областей робототехники

1. Интерфейс оператора

Интерфейс оператора относится к взаимодействию между роботом и его человеком-контроллером. Это механизм связи между человеком и машиной, например, сенсорная панель, джойстик.

2. Подвижность или передвижение

Подвижность или передвижение описывает, как робот перемещается из одного места в другое в заданном пространстве. И это зависит от типа машины. Например, летающие роботы и дроны используют пропеллеры для движения. Точно так же гуманоиды ходят на двух ногах, как люди. Другие варианты мобильности включают плавники и колеса.

Он относится к конкретному компоненту машины, который делает его идеальным для выполнения определенных задач. Такие части могут включать толкатели, когти, захваты, механические руки и пальцы. Например, промышленные роботы обычно оснащены двухпальцевыми захватами для перемещения предметов.

4. Ощущения и восприятие

Ощущения и восприятие сосредотачиваются на том, как машина идентифицирует вещи в своей среде и реагирует на эти факторы. Благодаря этому полю робот может получить доступ к такой информации, как:

Например, когда робот встречает препятствие, в каком направлении он должен двигаться. Программисты вводят такие компоненты в машину, чтобы помочь ей принять правильное решение.

Программирование относится к командам, которые позволяют роботам функционировать в конкретной ситуации. Он включает в себя проектирование и создание исполняемой компьютерной программы для выполнения определенных задач.

Сегодня существует более тысячи языков программирования роботов. Чтобы понять, как работает эта область робототехники, мы должны разобрать этот вопрос более подробно.

Что такое программирование роботов?

Программирование роботов относится к процессу разработки схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей. Обычно для этого требуются базовые знания математики и языка программирования. Например, Python сегодня является одним из самых популярных языков программирования роботов.

Помимо разработки машинного обучения, Python также можно использовать для создания пакетов операционной системы роботов. Прежде чем мы исследуем другие языки программирования, давайте сначала рассмотрим программное обеспечение.

Какое программное обеспечение используется для программирования роботов

Операционная система роботов (ROS)

Например, проект с открытым исходным кодом ROS-Industrial включает интерфейсы, уникальные для промышленных роботов. К ним относятся промышленные манипуляторы, захваты, датчики и сети устройств.

Важнейшим преимуществом операционной системы робота является способ работы и взаимодействия программного обеспечения. Это позволяет программистам разрабатывать передовое программное обеспечение, не зная, как работает конкретное оборудование.

Автономное программирование роботов OLP

Используя трехмерное представление роботизированной рабочей ячейки, которое наглядно демонстрирует, как робот движется по запрограммированному пути.

Автономное программирование (OLP) может выполняться с помощью программных платформ, специфичных для непосредственных производителей оборудования (OEM), или с помощью сторонних решений.

OLP также дает опытным и начинающим программистам роботов возможность создавать, тестировать и изменять программу или задачу робота в удобной виртуальной среде программирования на ПК до того, как они будут реализованы на операционном уровне.

Робот запрограммирован на перемещение от точки к точке, однако необходимо планировать путь в соответствии с конкретными элементами, такими как приспособления для удержания деталей. При планировании траектории проще запрограммировать робота для маневрирования вокруг фиксированных точек, поскольку он активирует обнаружение столкновений для предотвращения нарушений движения.

Если несколько роботов работают в непосредственной близости, важно, чтобы они были запрограммированы на работу в команде. Во время автономного процесса программирования функция обнаружения столкновений сигнализирует о потенциальном риске сбоя, позволяя программисту внести необходимые корректировки перед загрузкой программы на рабочий уровень.

Автономное программирование позволяет создать роботизированную задачу еще на этапе создания рабочей ячейки. Этот процесс ускоряет время интеграции, поскольку файлы данных могут быть переданы после того, как рабочая ячейка будет завершена и установлена на операционном уровне.

Гибкость программного обеспечения OLP предлагает множество преимуществ и позволяет лучше сочетать задачи с легким переходом от одной задачи к другой.

Программное обеспечение для управления роботами

Некоторые повседневные задачи, которыми управляет программное обеспечение робота, включают цепи обратной связи, фильтрацию данных, определение местоположения и обмен данными.

Программное обеспечение роботов имеет очень частную природу. Таким образом, производители оборудования для роботов обычно должны предоставлять собственное программное обеспечение для работы с машиной.

Как научиться программировать робототехнику?

Из более чем 1500 языков программирования в мире только десять популярны в области робототехники. К ним относятся Pascal, Scratch, Industrial Robot Language, LISP и Prolog. Также есть C / C ++, Python, JAVA, C # /.NET, MATLAB и язык описания оборудования.

Вот разбивка языков программирования роботов в порядке их полезности.

Этот язык программирования является также основой для нескольких промышленных роботов языков. По этой причине это отличная отправная точка для тех, кто хочет программировать промышленных роботов.

Хотя Паскаль может быть слишком устаревшим для повседневного использования, он может помочь вам познакомиться с другими языками промышленных роботов.

Scratch чрезвычайно популярен среди начинающих робототехников, и на то есть веские причины. Это яык визуального программирования, по сути, включает перетаскивание и соединение блоков.

Большинство опытных робототехников вряд ли напишут промышленных роботов на Scratch. Тем не менее, этот язык дает новичкам удобный способ познакомиться с робототехникой.

3. Языки промышленных роботов

Сегодня почти каждый робот имеет собственный язык программирования роботов.

Как вы уже догадались, это давняя проблема промышленной робототехники. Это означает, что пользователям приходится изучать новый язык каждый раз, когда они используют новый бренд роботов.

Некоторые среды программирования общего назначения, такие как ROS Industrial (Robot Operating System Industrial), начинают предлагать стандартизированные параметры. Однако технические специалисты по-прежнему могут использовать собственный язык программирования.

Между тем, Prolog был одним из первых языков логического программирования. Помимо доказательства полезности для обработки естественного языка, Prolog также используется для доказательства теорем, экспертных систем и автоматизированного планирования.

Действительно, вы можете программировать искусственный интеллект, используя другие языки из этого списка. Однако LISP и Prolog являются неотъемлемой частью некоторых реализаций искусственного интеллекта.

5. Язык описания оборудования

Инженеры, создающие низкоуровневую электронику для роботов, используют языки описания оборудования для описания своих прототипов.

Благодаря HDL программисты могут быстро описать схему с помощью слов и символов. Программное обеспечение для разработки может затем преобразовать это текстовое описание в данные конфигурации для реализации.

Инженеры-робототехники полагаются на MATLAB для анализа данных и разработки систем управления. Помимо обработки данных, некоторые университетские курсы также используют этот язык программирования в исследовательских целях.

Таким образом, исследователи, которые хотят использовать систему, должны изучить C#. Кроме того, язык программирования также служит основой для некоторых популярных движков виртуальной реальности, таких как Unity.

С учетом сказанного, C# может быть не самым простым языком программирования для изучения. Подумайте о том, чтобы начать с C / C++.

Java- это объектно-ориентированный язык программирования общего назначения, основанный на классах. Он предназначен для того, чтобы разработчики приложений могли писать один раз и запускать их где угодно.

Язык программирвоания J ava весьма полезен в некоторых аспектах робототехники. Например, это один из основных языков современных систем искусственного интеллекта, таких как AlphaGo и IBM Watson.

Существенным преимуществом этого языка программирования является простота использования. С Python вещи, которые отнимают время в программировании, такие как определение и приведение типов переменных, становятся ненужными.

Кроме того, для Python доступно большое количество бесплатных библиотек. В результате программистам не придется «изобретать велосипед» для реализации некоторых основных функций.

Python полезен в робототехнике, потому что это один из основных языков программирования в операционной системе для роботов ROS (помимо C ++). Тем не менее, он может стать еще более популярным, поскольку более дружелюбная к роботам электроника, например одноплатные компьютеры Raspberry PI, поддерживает этот язык по умолчанию.

Некоторые аппаратные библиотеки в робототехнике используют C или C++. Кроме того, эти библиотеки позволяют взаимодействовать с низкоуровневым оборудованием. И они также поддерживают работу в реальном времени.

Сегодня C ++, возможно, более полезен в робототехнике, чем C. Однако последний остается одним из наиболее энергоэффективных языков программирования.

Обратите внимание, что языки C и C++ не так просты в использовании, как Python или MATLAB. Реализация той же функциональности с использованием C не только занимает больше времени, но также требует большего количества строк кода.

Заключительное слово: какой язык программирования роботов вам следует изучить?

Основываясь на этом посте, вы можете сделать вывод, что изучение Python или C / C++ должно быть первым шагом. Хотя этот вывод может быть правильным, ответ на вопрос не так прост.

Вначале вам следует сосредоточиться только на разработке приемлемых практик программирования. Хотя для этого может потребоваться изучение многих языков, вам нужно выбрать только тот, который кажется вам естественным. Такой язык должен позволить вам быстро и легко разрабатывать программы. Однако он также должен соответствовать вашему роботизированному оборудованию.

Перевод с англиского специально для сайта «Школа для электрика».

Источник

Runtime программирование промышленного робота на RCML

Под runtime программированием в этой статье понимается процесс создания исполняемой программы для контроллера робота (далее просто робота) на внешнем контроллере. Процесс исполнения роботом созданной программы в таком случае, происходит итерационно, путем передачи ему минимальной исполняемой команды или пакета команд. Другими словами, при runtime программировании, исполняемая программа передаётся роботу порционно, при этом робот не обладает, не хранит и не знает заранее всю исполняемую программу. Такой подход позволяет создать абстрактную параметризованную исполняемую программу, которая формируется внешним устройством «на ходу», т.е. runtime.

Под катом описание и реальный пример того, как работает runtime программирование.

Типично программа для робота представляет собой последовательность позиций, в которые должен прийти манипулятор робота. Каждая из этих позиций характеризуются положением TCP (Tool Center Point) – точкой острия инструмента, установленного на манипуляторе. По умолчанию TCP находится в центре фланца робота, см. рисунок ниже, но её положение может быть перенастроено и чаще всего так, что TCP совпадает с острием установленного инструмента на манипуляторе робота. Поэтому обычно при программировании задается положение TCP в пространстве, а положение суставов манипулятора робот определяет сам. Далее в статье будет использоваться термин «положение TCP», или другими словами точка, в которую робот должен «прийти».
Программа для робота также может содержать примитивную управляющую логику (ветвления, циклы), простые математические операции, а также команды по управлению периферией – аналоговыми и цифровыми входами/выходами. В предлагаемом подходе runtime программирования, в качестве внешнего контроллера используется обычный ПК, на котором могут быть использованы мощные средства программирования дающие необходимый уровень абстракции (ООП и прочие парадигмы) и инструменты, обеспечивающие скорость и легкость разработки сложной логики (высокоуровневые языки программирования). На роботе же остается только логика критичная к скорости реакции, для исполнения которой нужна надежность промышленного контроллера, например, оперативная и адекватная реакция на внештатную ситуацию. Управление же периферией, подключенной к роботу, попросту «проксируется» самим роботом на ПК, позволяя ПО с ПК включать или выключать соответствующие сигналы на роботе. Это чем-то похоже на управление «ножками» на Arduino.

Как отмечалось ранее, runtime программирование позволяет передавать роботу программу порционно – частями. Обычно за один раз передается набор состояний выходных сигналов и небольшое число точек или вообще только одна точка. Таким образом траектория перемещений TCP, выполняемая роботом, может строиться динамически и отдельные её части могут принадлежать как разным технологическим процессам, так и даже разным роботам (подключенным к одному внешнему контроллеру), если работает группа роботов, т.е. возникают предпосылки для динамического замещения роботов в технологическом процессе.

Например, перемещение робота между рабочими зонами. В каждой зоне он совершает необходимые операции и далее переходит в следующую зону, потом в ещё одну, и затем снова в первую, и т.д. В разных рабочих зонах роботом выполняются операции необходимые для разных технологических процессов, исполнение программ которых протекает в параллельных потоках на внешнем контроллере, который выделяет робота разным процессам, не требующим постоянного присутствия робота. Этот механизм подобен тому, как ОС выделяет время ядра процессора (исполнительного ресурса) разным потокам (задачам) и в тоже время, разные исполнители не привязаны к потокам на всем периоде выполнения программы.

Еще немного теории и переходим к практике.

Без учета, вводимого в данной статье подхода runtime программирования, принято выделять два способа программирования промышленных роботов. Офлайн- и онлайн-программирование.

Процесс онлайн программирования происходит при непосредственном взаимодействии программиста с роботом на месте его использования. При помощи пульта управления или физического перемещения осуществляется подвод инструмента (TCP), установленного на фланце робота, к необходимой точке пространства.

В качестве примера, рассмотрим создание программы робота в runtime режиме, обеспечивающей технологический процесс написания объявления маркером.

ВНИМАНИЕ! Видео не является рекламой, вакансия закрыта. Статья написана после того, как видео потеряло свою актуальность, для того, чтобы продемонстрировать предлагаемый подход программирования.

ПРИВЕТ, ЛЮДИ! НАМ НУЖЕН
РАЗРАБОТЧИК.ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЕБ
ИНТЕРФЕЙСА СИСТЕМЫ НАШИХ
ЗНАНИЙ. ТАК МЫ СМОЖЕМ ПЕРЕНЯТЬ
ОТ ВАС ГУМАНОЙДОВ ЗНАНИЯ.

И НАКОНЕЦ-ТО МЫ СМОЖЕМ
ЗАХВАТИТЬ УЛУЧШИТЬ ЭТОТ МИР

ПОДРОБНЕЕ: HTTP://ROBOTCT.COM/HI
ИСКРЕННЕ ВАШ SKYNET =^-^=

Для написания этого текста потребовалось передать роботу более 1700 точек.

В качестве примера в спойлере приведен скриншот, с пульта робота, программы рисующей квадрат. В ней всего 5 точек (строки 4-8), каждая точка по сути представляет собой законченное выражение (оператор) и занимает одну строку. Манипулятор обходит каждую из четырех точек и по завершению возвращается в начальную точку.

Если писать программу подобный образом, то это было бы минимум 1700 операторов — строк кода, по оператору на точку. А что если бы потом потребовалось изменить текст или высоту букв, или расстояние между ними? Править все 1700 точек-строк? Это противоречит духу автоматизации!

Итак, приступим к решению…

Имеем робота FANUC LR Mate 200iD с котроллером R-30i серии B cabinet. У робота предварительно настроена TCP на конце маркера и координатная система рабочего стола, поэтому мы можем отправлять координаты, напрямую не заботясь о преобразовании координат из координатной системы стола в координатную систему робота.

Для реализации программы передачи координат роботу, которая будет высчитывать абсолютные значения каждой конкретной точки будем использовать язык программирования RCML, который поддерживает предлагаемый подход, имеет модули для связи с данным роботом и который, что немаловажно бесплатен для любого использования.

Опишем каждую букву точками, но не в реальных координатах пространства, а в относительных внутри рамки, в которую будет вписана буква. Каждая буква будет отрисовываться отдельной функцией, получающей в качестве входных параметров порядковый номер буквы в строке, номер строки, а также размер буквы, и отправляющей набор точек роботу с вычисленными абсолютными координатами каждой точки.

Чтобы написать текст нам потребуется вызвать последовательность функций, рисующих буквы в такой же последовательности, в которой они (буквы) указаны в тексте. RCML имеет скудный инструментарий для работы со строками, поэтому сделаем внешний скрипт на Python, который будет генерировать программу на RCML – по сути генерировать только последовательность вызовов функций соответствующих последовательности букв.

Весь код доступен в репозитории на GitHub: rct_paint_words

Рассмотрим подробнее выходной файл, исполнение начинается с функции main():

Все константы конфигурации, в том числе размер букв, их количество в строке и пр. были вынесены в отдельный файл chars_config.rcml.

В итоге суммарно мы получили примерно 300 строк высокоуровневого кода, на проектирование и написание которого ушло не более 2 часов.

Если бы данная задача решалась «в лоб» онлайн программированием по точкам, то на это бы ушло более 9 часов (примерно по 20-25 сек на точку, с учетом того, что точек более 1700 шт.). В этом случае страдания разработчика трудно представить :), особенно когда выяснилось бы, что он забыл про отступы между буквами, или ошибся с высотой букв и текст не влез, и теперь придется начинать всё с начала.

Runtime программирование позволяет решать задачу по перемещению робота в общем виде, динамически составляя частную программу перемещения в зависимости от заданных параметров. Причем программа, решающая задачу в общем виде может разрабатываться без необходимости наличия робота, что с одной стороны можно отнести к офлайн подходу программирования промышленного робота. С другой стороны программа перемещения непосредственно для робота создается уже под конкретный экземпляр и частные параметры решения задачи на месте, как в онлайн программировании.

В рассмотренном примере общим алгоритмом было начертание букв, а такие параметры как их размер, отступы между ними, количество букв в строке и пр. зависели уже от частных условий на площадке с роботом.

Как отмечалось такой подход с динамическим построением траектории перемещения создает предпосылки для реализации переключения робота (на событийной основе), как исполнительного ресурса, между несколькими одновременно протекающими задачами.

В продемонстрированной вариации (с передачей одной точки за раз) runtime подход имеет существенное ограничение – некорректное понимание роботом инструкции сглаживания перемещения (CNT) или её игнорирование, т.к. при передаче всегда одной-текущей точки робот ничего не знает о следующей и не может просчитать сглаженную траекторию обхода текущей точки.

При перемещении инструмента робота возможно влиять на два параметра:

В худшем случае опасность использования данной инструкции в runtime режиме заключается в том, что робот сообщает о приходе в намеченную сглаживаемую точку, хотя в действительности он ещё идет к ней. Робот это делает, чтобы запросить следующую точку и рассчитать сглаживание. Очевидно, что нельзя точно знать в какой позиции находится робот при проходе такой точки, к тому же, в определенной точке может потребоваться, например, включение инструмента на манипуляторе. Робот даст сигнал, что доехал до точки, но на самом деле нет. В таком случае, инструмент будет включен раньше, чем следует.

В лучшем случае робот просто игнорирует инструкцию CNT (зависит от модели).

Лечится же это передачей 2-х и более точек за раз, где CNT-точка не последняя, однако это повышает сложность программы и нагрузку на программиста.

Источник

Bubot — очень легкий фреймворк на Python 3 для программирования роботов и домашней автоматизации

Предыстория

Хотелось создать своего робота, а так же автоматизировать управление светом и климатом дома. С этой целью начал изучать имеющиеся возможности. Для себя я разделил все решения на две группы: системы в которых код на контроллере выполняется в одном главном цикле (arduino, lego и т.п.) и системы состоящие из параллельно работающих процессов обменивающихся между собой сообщениями.
Интуитивно выбрал вторую группу, так как хотелось найти максимально простое решение с дружественным пользовательским интерфейсом. Из наиболее популярных представителей этого «семейства» очень понравились Microsoft Robotics Studio и ROS. Но к сожалению, на текущий момент, привязать их к конкретному железу весьма не просто, да и разобраться в них с нуля так же весьма не тривиальная задача. В итоге принял решение писать сам, но «кодить» на C очень не хотелось, Душа просила чего-нибудь попроще и полегче. В итоге выбрал Python. А учитывая, что по мимо робота и «умного дома» в голову начало лезть куча других идей, то решил сразу сделать небольшой фреймворк, в котором основной упор был бы сделан на простоту разработки.

Концепция

Концептуально фреймворк представляет собой набор поддерживаемых пользователем модулей реализующих различные функции робототехники. При работе Bubot строит сеть из процессов, которые могут асинхронно получать и отправлять сообщения между собой. Так же вы можете построить сеть из роботов, которые будут общаться между собой.

Сеть процессов строится на базе стандартного Python модуля multiprocessing. Система обмена сообщениями и разделяемая память реализованы при помощи Redis.

Каждый Bubot имеет встроенный веб-сервер веб-сервер Tornado, который позволяет контролировать состояние, управлять роботом, на ходу менять параметры (калибровать) робота, а также закладывается возможность обмена данными между роботами.
Bubot не является системой реального времени, хотя Bubot возможно интегрировать с кодом реального времени.

Hello Bubot

Изучать что-либо новое всегда проще на примере, и первое что приходит в голову, это переделать радиоуправляемую игрушку на управление с помощью веб-интерфейса через wi-fi или 3G.

Для этого нам понадобится любая китайская радиоуправляемая машинка и любой мини компьютер на котором может работать Python 3. В качестве подопытного кролика был приобретен один из самых доступных — raspberry pi b+.

Изначально практически любая радиоуправляемая машинка — это два мотора и примитивный радио модуль. Нам от неё надо только моторы и чтобы сама машинка была подходящего размера для размещения всей электроники.

Для начала упростим задачу — наша машинка должна выполнять четыре действия: ехать вперед или назад, поворачивать влево или вправо.

Подключаем моторы

При таком подключении, для чтобы заставить машину выполнить одну из наших команд, достаточно выставить высокий уровень на соответствующем GPIO.

Реализуем модуль мотора

В целях упрощения модели, пусть у нас команды поступают непосредственно на моторы.

Комментарии, думаю излишни. Приходит запрос, в параметрах которого указана мощность мотора, если она больше нуля говорим мотору ехать вперед, меньше — назад, равна нулю — стоим.

Бесконечный цикл в данном случае задействован не был. В случае его наличия достаточно определить метод main_loop().

Пример описания модуля для наших моторов \buject\Motor.json:

Раздел param содержит список параметров необходимых для запуска и работы модуля. Первые три обязательные для каждого модуля, и наследуются от базового класса Buject. Последние являются специфичными только для этого модуля, их количество и название Вы придумываете сами в зависимости от потребностей. GPIO_mode задает режим адресации GPIO и в дальнейшем переопределяться не будет. В то время как для GPIO_forward и GPIO_backward нет смысла задавать значения по умолчанию, т.к. они зависят исключительно от того к каким выводам будет подключен конкретный мотор и мы их определим дальше в параметрах запуска этого модуля.

Также описание модуля может содержать секцию status — где описаны все рассчитываемые параметры — отражающие текущее состояние модуля. В нашем модуле нет никаких добавленных статусов, однако, если Вы обратили внимание, в коде самого модуля мы изменяем статус ‘action’, который определен в описании базового модуля Buject.

Реализуем веб интерфейс

Каждый робот может иметь неограниченное количество веб интерфейсов. В нашем случае, для управления роботом, нам достаточно одного – реализующего 4 кнопки, которые при нажатии будет давать команду, а при отжатии её отменять.

Итак, создаем в каталоге ui подкаталог scout_easy и в нем два файла scout_easy.html и scout_easy.json следующего содержания (комментарии по тексту).

Обратите внимание на div если он присутствует, то в него фреймворк будет выводить все консольные сообщения, в т.ч. происходящие на стороне сервера ошибки кода.

bubot_socket.js — должен присутствовать на каждой странице ui, так как именно он отвечает за установку соединения с сервером и обмен сообщениями.

Соединение с сервером происходит через web socket, метод bubot_send_message([название сообщения], [параметры сообщения]) отвечает за передачу сообщений на сервер. На сервере при поступлении сообщения вызывается одноименный метод, которому передаются параметры сообщения. В нашем случае вызывается метод отправляющий запрос set_move_motor_power, имя сервиса получателя сообщения фреймворк берет из файла описания пользовательского интерфейса, названия этих сервисов определяется в заключительном разделе при описании робота.

Запускаем робота

Итак, мы подготовили все части робота. Чтобы его запустить, нужен ещё один файл с описанием самого робота.

В каталоге config хранятся описания всех Ваших роботов. Создавать описание можно как вручную, так и про помощи конфигуратора — но об этом подробнее на видео о bubot: scout.

Итак, для нашего первого робота описание будет выглядеть следующим образом:

Теперь у нас совсем все готово. Можно запускать.

Открываем в браузере подготовленный нами пользовательский интерфейс http://localhost/ui/scout_easy и пробуем нажать на кнопку. При первом запуске Вас попросят ввести логин и пароль — введите любые значения, по умолчанию права доступа к системе не установлены.

Bubot scout

Если поступательно развивать нашу машинку дальше, то следующий шаг это регулировка оборотов привода, замена рулевого мотора на серву, установка камеры, приводов на камеру, синтезатора речи, распознавание голосовых команд и т.д. Но это уже совсем другая история.

Источник