“数据+逻辑+进化”编程思想在工业机器人操作与编程教学当中的应用

孟鑫 张聪超 韩警贤

摘要：随着“1+X”证书制度在高等职业教育中开展，越来越多的学校开设了工业机器人操作与编程这门课程，但在教学中发现，学生们在做机器人编程时逻辑不清晰，写出的程序杂乱无章。现依据教学经验，提出一种“数据+逻辑+进化”的编程思想，并通过一个搬运实例进行深入讲解，使机器人编程规范化，找出机器人程序编程内在的规律，使学生们能快速掌握机器人编程技巧。

关键词：工业机器人编程;数据+逻辑+进化;编程思想

引言：

当前，我国经济和科技均得到了高速发展，以此为基础，我国现代化制造业不断向智能化、信息化以及数字化的方向高速发展，随之，工业机器人技术得到了越来越广泛的应用，相关专业也应运而生[1]。其中《工业机器人操作与编程》这门课程是机器人专业的核心课程，在教学中发现学生在学习机器人编程的时候逻辑混乱，不知道从哪里入手，程序可读性也很差，不具备通用性。因此，本文提出一种“数据+逻辑+进化”编程思想，通过对一个搬运实例进行深入讲解，使机器人编程规范化，使学生学习机器人编程时逻辑清晰，能够快速掌握机器人编程技巧，做到举一反三。

1.机器人品牌的选择

目前多数高职院校采用ABB机器人进行教学，原因是ABB机器人品牌口碑好，性能好，得到了很多企业的认可[2]。近年来随着国产机器人的崛起，越来越多国产机器人相关公司与高职院校进行合作共同培养人才，国产机器人的特点是性价比高，编程语言风格更符合中国人的逻辑[3]。我们学校与华中数控有限公司进行校企合作建立了一个“1+X工业机器人操作与编程”考证培训基地，平时学生的理论学习和实操练习使用的都是华数工业机器人，因此本文是在华数工业机器人操作与编程的基础上讲解论述“数据+逻辑+进化”的编程思想。

2.“数据+逻辑+进化”编程思想

我们先对数据、逻辑和进化这三个名词进行解释，然后再结合机器人操作编程论述“数据+逻辑+进化”的编程思想。

数据的定义：对客观事物的性质、状态以及相互关系等进行记载的物理符号。不仅仅是数字，也可以是具有一定意义的文字、图形、视频等。

逻辑的定义：是指思维的规律和规则，就是事情的因果规律。引入“逻辑”一词，就是要建立数据之间的因果关系。

进化的定义：又称为演化，在生物学中是指种群里的基因在世代之间的变化。引入“进化”一词，就是要说明程序的编写要从简单到复杂，从已有的向未知的逐步迭代演化。

2.1机器人编程中的数据

以华数机器人为例，它包含的数据类型有：UT[i]：工具坐标系变量;UF[i]：基坐标系变量;R[i]：数值型变量;JR[i]：关节型坐标变量LR[i]：笛卡尔型坐标变量;I[i]：数字输入型变量;O[i]：数字输出型变量。

本文以将工件从A位置搬运到B位置为例来说明数据的建立。将工件从A位置搬运到B位置是一个最简单的搬运编程，通过分析知此程序至少需要5个基础数据：

（1）机器人原点：JR[0]（通过直接输入数值获得）

（2）两个示教点位：取料点LR[10]，放料点LR[11]（通过示教器示教获得）

（3）一个常量点位：抬起高度LR[15]（通过直接输入数值获得）

（4）一个IO点位：DO[1]，吸盘工具开与关。（通过配置IO获得）

至此，我们已经知道了此任务需要的基础数据及获取方式，在后续编程过程中需要的数据要么是基础数据，要么是利用基础数据运算得到的计算数据。

2.2 机器人编程中的逻辑

2.1节已对程序需要的数据类型、数量及获取方式进行了详细说明，下面论述将工件从A位置搬运到B位置的编程逻辑。

逻辑建立的第一步是对数据的规划与存储。由2.1节中我们知道此程序需要获取5个基础数据，但在逻辑建立的过程中还需要必要的计算点位，如：

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

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

此任务编程需要的全部数据为：

（1）机器人原点：JR[0]

（2）两个示教点位：取料点LR[10]，放料点LR[11]

（3）两个计算点位：取料点安全高度LR[20]，放料点安全高度LR[21]

（4）一个IO点位：DO[1]，吸盘工具开与关

逻辑建立的第二步是路径规划及动作规划。如下图，图中点位位置和箭头指向表明了运动的逻辑关系，即机器人以何种方式到达哪一个点位，然后执行何种动作，完成何种任务。

至此，我们已经表述清楚了此任务的逻辑关系。

2.3机器人编程中的进化

在我们知道了完成此任务需要的数据，和此任务的编程逻辑后，我们可以立即写出此任务的程序。我们将程序命名为“MVONE.PRG”，程序内容如下：

MVONE.PRG：

J JR[0] //机器人在原点

LR[20]=LR[10]+LR[15] //定义机器人取料点安全高度

LR[21]=LR[11]+LR[15] //定义机器人放料点安全高度

J LR[20] //机器人运动到取料点安全高度

L LR[10] //机器人运动到取料点

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

DO[10]=ON //吸盘开，吸工件

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

L LR[20] //机器人运动到取料点安全高度

J LR[21] //机器人运动到放料点安全高度

L LR[11] //机器人运动到放料点

WAIT TIME=500 //等待500毫秒

DO[10]=OFF //吸盘关闭，放工件

WAIT ITME=100 //等待500毫秒

L LR[21] //机器人运动到放料点安全高度

J JR[0] //机器人运动到原点

下面我们对程序进行第一层进化，通过主程序调用子程序的方式实现搬运任务。主程序命名为“MAIN1.PRG”，程序内容如下：

MAIN1.PRG：

CALL “MVONE”

则运行主程序“MAIN1.PRG”后，通过主程序调用子程序的方式来实现搬运。

下面我们对程序进行第二层进化，通过在主程序中对子程序赋值的方式来编程。同样定义主程序为“MAIN2.PRG”，程序内容如下：

MAIN2.PRG：

LR[10]=LR[30]

LR[11]=LR[31]

CALL “MVONE”

则运行“MAIN2.PRG”，表明主程序调用子程序，其中示教点位保存在LR[30]和LR[31]中，这里实现了子程序点位在主程序中赋值，也就是带参调用子程序。改进后的程序，层次分明，实现了模块化编程，为后续程序的修改和扩展提供了方便。

这三段程序体现了，三种不同的编程思想：

（1）“MVONE.PRG”只是实现了工作任务。

（2）“MAIN1.PRG”实现了模块化编程中的子程序的概念，在主程序中可以随时取消调用，提高了修改机器人流程的效率

（3）“MAIN2.PRG”不仅实现了模块化编程的概念，而且实现了带参数子程序的调用，模块的通用性更强。

这就是机器人编程中的进化，在教学生编程时，先从最直接的编程思路入手，要完成什么样的任务，然后在主程序中直接编程，然后再考虑如何优化程序。对于有规律的多次搬运，特别是码垛搬运，进化程序会体现出它的简洁性。

下面我们将搬一放一这样的编程任务扩展到搬三放三。即需要连续搬运3个工件然后放置到三个不同位置，假设三个取料点和三个放料点都是在X方向一字排放，且相邻间隔都是60mm，我们将间隔距离存放到LR[25]中，主程序命名为“MAIN3.PRG”，程序内容如下：

MAIN2.PRG：

R[10]=0

WHILE R[10]<3 //采用循环结构实现循环3次搬运

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

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

CALL “MVONE”

R[10]=R[10]+1

通过上面的搬三放三程序我们发现，只要我们理解了带参数子程序调用的方法，并且学会搬运一个工件的程序操作，那么搬运三个工件是很简单的事情。我们只需要把搬运三个工件的逻辑理清楚，三个工件的取料点和放料点之间的联系理清楚，然后在主程序中体现出来就可以。

总之，程序进化是从易到难的一个过程，也是一个不断使用已有知识发现新知识的过程。

最根本的还是要理解机器人程序的本质：

（1）机器人的运动的点位逻辑是什么

（2）机器人在什么地方做了什么样的工作，即IO逻辑是什么。

3.结束语

上述的“数据+逻辑+进化”编程思想是在实践教学中总结出来的，上述的机器人搬运编程实例，從搬一放一到搬三放三再到搬九放九是“数据+逻辑+进化”编程思想的典型运用。在“工业机器人操作与编程”教学实践中，按照这种编程思想进行教学，学生们的编程思路变的清晰了，程序的可读性移植性也得到了提升，在机器人编程中做到了循序渐进，举一反三。

参考文献：

[1]卢峰，官文. 高职院校工业机器人编程与操作课程教学思考[J]. 科研与教育，2020，4：211-212

[2]邵军.离线编程示教的工业机器人教学研究[J]. 湖北农机化，2019，16：118-119

[3]严伟青.浅谈中职数学课堂教与学的策略[J].现代企业教育，2014（6）：210.