Программы для программы роботы: Среда программирования RobotON Studio

Содержание

Среда программирования RobotON Studio

СКАЧАТЬ ПРОГРАММУ

Среда программирования RobotON Studio является графической и разработана специально для детей и взрослых, не имеющих начальных навыков программирования, но имеющих огромное желания заниматься робототехникой на Arduino. Данная программа была разработана программистами «RobotON» и используется как основной инструмент для программирования роботов в наших кружках.

Скриншот программы «RobotON Studio»

Зачем мы создали данный софт? Дело в том, что графическое ПО открывает двери в мир робототехники для студентов любого уровня (особенно для новичков!). Необходимость изучать синтаксис программного кода, искать мелкие ошибки в огромных программах, состоящих из страниц кода, – все это часто приводит к падению интереса у обучающихся, особенно у детей. Обратное происходит, если ребенок сразу видит результат своих действий, интерес в таком случае возрастает многократно!

Принцип работы RobotON Studio следующий: обучающиеся собирают разноцветные блоки в логическую цепочку, программный код, при этом, генерируется автоматически. Загрузка кода в плату Arduino происходит напрямую из программы. Таким образом, пользователи могут управлять различными устройствами, начиная светодиодами и заканчивая различными электромоторами и датчиками. С каждым обновлением мы расширяем базу поддерживаемых устройств, которые могут управляться с помощью среды программирования RobotON Studio.

Программирование Arduino и Arduino-совестимых плат в среде RobotON Studio подходит и для продвинутых пользователей, которые хотят перейти от простого графического программирования к реальному написанию кода. Изучать реальные команды можно, наблюдая за изменением кода в специальном окне RobotON Studio, во время любых взаимодействий с блоками (код генерируется в реальном времени!).

RobotON Studio в наших кружках робототехники

Все обучающиеся на наших курсах робототехники получают бесплатную лицензию на использование программы и могут пользоваться ей для домашних упражнений с роботами.

Что дает RobotON Studio
  • Возможность программирования Arduino без начальных знаний и навыков программирования
  • Возможность результативного использования детьми от 7 лет
  • Широкий спектр поддерживаемых плат, моторов, датчиков итд.
  • Бесплатное использование для наших учеников
  • Простой и понятный интерфейс
Установка RobotON Studio

Скачать RobotON Studio можно по ссылке. Программа сама устанавливает все необходимые драйвера и настраивает ваш компьютер на работу с любыми платами класса Arduino и китайскими аналогами.

По вопросам получения лицензии, обращайтесь в личные сообщения в группу в ВК или на почту [email protected]

Стоимость лицензии на использование ПО «RobotON Studio»:

Управление роботами Fanuk, Kuka, Staubli, Motoman, ABB, Nachi

CAM система для оффлайн программирования промышленных роботов

 

Решение

SprutCAM Robot переносит трудоемкую задачу по программированию робота из цеха на рабочее место за компьютером. Так программирование робота становится более простым и эффективным. 

 

Задачи по программированию промышленных роботов, которые решает SprutCAM Robot

  

 

 

Фрезеровка

Материалы: камень, дерево, пластик, пенопласт. Любые по форме детали: скульптуры, барельефы, ложементы, формы для литейной оснастки и т. д. Можно разместить робот на рельсе и использовать поворотный стол.

Обрезка

Обрезку можно запрограммировать с использованием концевых, дисковых или фасонных фрез. Подходит для обрезки как плоских деталей, так и для имеющих сложную форму. Можно вырезать отверстия, круглые или произвольной формы. 

Сварка

Электрическая дуговая, точечная контактная, лазерная сварка. А так же наплавка. В траекторию движения заложены колебательные движения для правильного формирования сварного шва. 

  

 

 

Резка

Плазменная, лазерная, гидроабразивная, резка ножом. Можно запрограммировать обработку как плоских деталей, так и сложные формы. Программирование учитывает параметры резки: ширина реза, высота заготовки, скорость резания, давление воды, торможения в углах траектории.

Наплавка

Аддитивные операции — новое применение для промышленных роботов. SprutCAM Robot поддерживает 3D печать.

Шлифовка и полировка

В SprutCAM Robot можно запрограммировать операции «деталь к инструменту». Не только шлифовку и полировку, но и фрезеровку. 

 

Внедрение

Предлагаем комплексное решение, а не просто программы для робототехники

 

ПО SprutCAM Robot

 

Постпроцессор

3D модель роботизированной ячейки

 

Внедрение, обучение и техподдержка

  

В результате

Теперь технолог работает за своим компьютером. Он составляет управляющую программу для робота полностью в виртуальной среде. Для симуляции он использует 3D модель роботизированной ячейки с учётом расположения и крепления робота в пространстве. Для отладки управляющей программы контролирует все виды проблем: соударения, выход за допустимые зоны перемещений, зоны сингулярности. Все это называется «оффлайн программирование» и происходит без задействования самого робота.  В результате: уменьшается время простоя робота, снижается трудоемкость программирования, повышается качество обработки.

 

 

Процесс

Этапы внедрения SprutCAM

 

Выбор конфигурации ПО

Подберем оптимальную конфигурацию ПО для ваших задач 
 
 
   
   

Разработка постпроцессора и схемы станка

Предоставим готовый или разработаем новый постпроцессор
для вашей системы ЧПУ. Помимо постпроцессора,
сделаем кинематическую схему станка

   

Обучение

Проведем обучение ваших сотрудников
на вашей или нашей территории

 
 
   
   

Техподдержка и обновление

Наши эксперты буду на связи с вашими
сотрудниками и помогут преодолеть затруднения

 

Функционал

 

Оффлайн программирование

Благодаря оффлайн программированию уменьшаются простои робота и снижается стоимость программирования. Быстрее, чем программирование с пульта. 

 

Программирование роботизированных ячеек с дополнительными осями

SprutCAM позволяет создать G-код для работы с поворотным столом или для робота на рельсе.

 

Автоматический контроль столкновений 

В процессе программирования SprutCAM Robot позволяет избежать столкновений робота с заготовкой, оснасткой и другими элементами роботизированной ячейки. 

 

Реалистичное моделирование в процессе программировани 

В SprutCAM Robot моделирование происходит после каждой созданной операции. И следующая операция всегда считается с учетом результата предыдущей. Такого нет ни в одной другой CAM системе.

 

Поддерживаем оборудование

                                            

                                             

— Вашего производителя нет в списке?

— В SprutCAM Robot нет каких-либо ограничений, связанных с производителем робота. Так что можно быть уверенным, что любой другой промышленный робот можно запрограммировать в SprutCAM. Мы поможем.

 

 

 

Установите пробную версию SprutCAM Robot и получите запись двухдневного обучения

Заполните и отправьте форму, вам на почту придет ссылка на установщик ПО и ссылка на запись обучающего курса. Скачать пробную версию либо купить лицензию

 

 

 

 

Кто разработчики?

СПРУТ-Технология. 30 лет опыта в CAM.

 

Мы, команда разработчиков SprutCAM, пишем CAM софт с 1986 года. Сейчас у нас 10000 пользователей в 50+ странах.  Мы расположены в России, город Набережные Челны. Работаем по всему миру.

 

Заинтересовал SprutCAM Robot?

Заполните заявку и получите ваше предложение

 

Программирование роботов | программы для роботов: как программируют

Программирование — завершающий этап сборки робота. Полностью собранный высокотехнологичный робот фактически является своеобразным макетом до того момента, как в его память не будет загружена особая программа, которая научит его совершать определенные операции и исполнять команды, отданные оператором. Если этот этап не будет завершен – робот не научится делать ничего из того, что было заложено в него технически.

Программирование роботов

Для того чтобы микропроцессор робота стал его мозгом, программист должен загрузить в него программу, соответствующую функционалу устройства. Обычный человеческий язык машина понять неспособна, поэтому для общения с ней используются специальные языки программирования. Они могут обеспечить четкую формализацию поставленных задач, точность и надежность их оценки с точки зрения логических связей, и т. д.

В зависимости от того, какие задачи решает язык программирования, выделяют несколько уровней таких искусственных языков:

  • Низший. Служит для управления исполнительными приводами в формате заданных точных значений линейного или углового перемещения отдельных звеньев интеллектуальной сети устройства.
  • Манипулятивный уровень. С его помощью можно реализовать общее управление всей системой в целом, где рабочий орган робота будет зафиксирован в системе координат.
  • Оперативный уровень. Предназначен для формирования рабочей программы, где методом установления последовательности определенных действий будет достигнут результат, запланированный оператором.
  • Высший уровень. При выходе на него программа самостоятельно, без детализации способна указать, какие именно действия необходимо совершить рабочему органу.

Высшей целью является составление таких программ, где оператор ставит перед роботом цель произвести сборку устройства, а робот самостоятельно исполняет поставленную перед ним задачу.

Какой язык программирования выбрать?

Существует множество популярных программных языков, которые подходят для того, чтобы составлять программы для роботизированной техники. Наиболее популярными являются:

  • «Ассемблер». Это низкоуровневый язык, максимально приближенный к машинописному коду. Его недостатком является сильная зависимость от архитектурных особенностей процессора и трудоемкость в использовании. Ассемблер применяют лишь в тех случаях, когда оператору нужен полный контроль над кодом уже на уровне инструкций.
    Один из первых языков программирования, который и сегодня с успехом применяется для работы с некоторыми микроконтроллерами, в том числе – Parallax, BasicX и др.
  • C / C ++. Наиболее популярные программные языки. Они способны обеспечить высокую функциональность, сохранив при этом полный контроль над системой.
    Молодой язык программирования, с помощью которого можно реализовать множество функций безопасности за счет снижения уровня контроля над системой.
  • C #. Собственный язык Microsoft, который применяется для разработки приложений в Visual Studio.
    Простой и доступный язык, который часто используется для быстрой и эффективной передачи программ.
  • Чаще всего используется модуль C ++. Содержит ряд упрощений, которые позволяют сделать процесс программирования менее сложным.

Как программируют роботов: пошаговая инструкция

Процедура программирования робототехники может происходить по нескольким сценариям.

Конвейерный подход

В нем традиционно процесс программирования включает в себя следующие этапы:

  • Наблюдение за встроенными датчиками робота. Все данные, полученные на этом тапе, впоследствии станут вводными, которые робот получит для исполнения тех или иных задач.
  • Оценка состояния системы. С помощью вводных данных, полученных на этапе наблюдения, описываются основные характеристики робота: его скорость движения, ориентация и др.
  • Построение моделей и создание прогнозов. Представляет собой динамическую работу с периодической помощью в отношении модели робота и оценки его состояния.
  • Планирование. Именно на этом этапе определяется палитра действий, необходимая для эффективного исполнения поставленной задачи
  • Управление. Этап заключается в преобразовании команд и возможности модифицировать программы для управления переводом робота.

Биологический подход

Искусственный интеллект и нейронные сети все чаще применяются в робототехнике. На сегодняшний день эти технологии призваны имитировать биологическую нейронную (синаптическую) мозговую активность человека. В 2016 году эта технология позволила воплотить в жизнь возможность схватывания. Это позволило обучать роботов так же, как ответственные хозяева учат командам своих домашних питомцев.

Биологический подход во многом противоречит традиционному конвейерному, но уже демонстрирует собственные достойные результаты.

Смешанные подходы

Сочетают в себе положительный опыт конвейерного и биологического подходов, при котором технологии совмещаются. Роботы, запрограммированные таким способом, отличаются более высокими показателями, чем классические.

Полезное для программистов

Советы

При программировании роботов важно следовать следующим рекомендациям:

  • При написании кода следите за тем, чтобы его сегменты были управляемыми. Программируя, вы постепенно создаете собственную библиотеку, где при необходимости будет легко найти нужный кусок кода и вставить в текущую программу, сэкономив время, потраченное на разработку.
  • Включайте в код собственные комментарии, документируйте процесс. Чем опытнее программист, тем меньше комментариев он оставляет в коде. На начальном уровне рекомендуется оставлять сопутствующие комментарии практически к каждой строке.
  • Регулярно сохраняйте текущие версии кода во время его написания. Не стоит перезаписывать один и тот же файл. В случае ошибки вы сможете вернуться в более ранней версии и добавлять изменения по мере необходимости. В противном случае ошибку придется искать по всему тексту.
  • При осуществлении отладочных работ с роботом обязательно приподнимите его. Необходимо добиться того, чтобы его гусеницы, колеса и другие части не касались поверхности пола или земли. В таком случае робот не сможет себе навредить в случае неправильной работы программы. Обратите внимание также на то, чтобы кнопка отключения питания не была закрыта деталями и являлась легкодоступной. Это позволит быстро отключить устройство в случае необходимости.
  • Если программа составлена таким образом, что код кажется неработоспособным, отключите питание робота. Чаще всего проблема кроется в необходимости корректировки и не сможет исчезнуть сама по себе. За это время, если устройство не будет обесточено, может повредиться часть механических узлов робота.

Написание программного кода – важнейшая часть создания робота. Без правильно составленной программы механизм не сможет проявить себя и эффективно выполнять те функции, на которые технически способен. Программирование роботов несколько отличается от обычного создания программ. Отличие заключается в том, что программист составляет обычный код, а программист-робототехник должен дополнительно взаимодействовать с механикой, электроникой и реальностью, окружающей его.

  • 19 декабря 2020
  • 4311

Урок 4. Оффлайн программирование сварочного робота

Программное обеспечение OCTOPUZ позволяет создать программу для сварки детали в несколько нажатий кнопки мыши. Кроме  движения и ориентации инструмента программа содержит точки подхода и отхода инструмента, скорость и другие параметры сварки. В руководстве рассмотрен пример создания сварного шва.

Набор инструментов для создания программы

Набор инструментов PathPlanner служит для создания, изменения и преобразования траектории движения инструмента.

Инструмент Create Path служит для создания блока программы отвечающего за сварку детали.

Инструменты Create Manual Serch и Create Auto Search служат для создания блока программы отвечающего за поиск детали.

Как запрограммировать сварку на роботе?

Перейдите в меню PROGRAM

Инструмент Create Path служит для создания блока программы. Блок программы PATH WELD_1 отображается в окне Program Editor.

PATH WELD_1 содержит внутри себя программу для сварки, эта программа отображается в окне Point Editor.

Создание сварочной программы

Траекторию движения инструмента можно задать линией пересечения двух поверхностей — FlorSurface и WallSurface – поверхность Пол и поверхность Стена.

Задаем начальное положение робота
Выбираем инструмент Ceate Path

В правой части экрана появится окно Create Path,

Устанавливаем параметры:

Номер инструмента — Base Frame

Номер базы робота — Tool Frame

Скорость сварки — Speed

Process — должно быть установлен Welding

При помощи щелчка левой кнопки мыши, укажите поверхность пола

Укажите поверхность стены

Программа автоматически создаст траекторию движения инструмента, точки подхода/отхода инструмента:

Затем нажмите кнопку Create

После нажатия кнопки Create, в окне Program Editor появится блок PATH WELD_1, содержащий внутри себя программу сварки.

Команда Clear all selection

Если после выделения пола и стены, траектория движения инструмента не получилась как нужно, то ее можно удалить используя команду Clear all selection. После удаления можно заново указать поверхность пола и стены

Исполнитель Робот — Среда программирования Кумир

Настройка среды Кумир для исполнителя Робот.

Запущенная программа Кумир выглядит так.

Первым делом мы должны раскомментировать первую строку нашей программы, убрав символ |

Таким образом, программа станет выглядеть так:

использовать Робот

алг

нач

кон

Удалив символ |, мы тем самым указали Кумиру на то, что будем работать с исполнителем Робот. Если этого не сделать, то при написании программы мы столкнемся с ошибкой «Нет такого алгоритма». Поэтому очень важно при создании новой программы раскомментировать первую строку. Теперь все готово для дальнейшей работы.

Но перед началом, нам необходимо задать стартовую обстановку Робота и познакомиться с простыми командами исполнителя Робот.

Стартовая обстановка Робота

Перед началом выполнения программы необходимо задать исполнителю Робот стартовую обстановку. Это значит установить Робота в нужную позицию, расставить стены, закрасить нужные клетки и т. п. Этот шаг очень важен. Если его проигнорировать, то программа может работать неправильно или вообще завершится аварийно.

Что такое стартовая обстановка?

Наш Робот находится в некой среде — это клетчатое поле, размер которого известен. Так же на этом поле могут находится стены и закрашенные клетки, а сам Робот может находится в любой клетке. Так вот — 

стартовая обстановка задает положение Робота на поле и расположение всех остальных элементов — стен, закрашенных клеток. И перед тем, как писать алгоритм для Робота необходимо задать стартовую обстановку. Насколько это важно давайте рассмотрим на примере. Пусть есть две стартовые обстановки:

Стартовая обстановка 1

Стартовая обстановка 2

Отличаются они только тем, что в стартовой обстановке 2 справа от Робота находится стена.

Если наша программа начнется с команды, которая переместит Робота на одну клетку вправо (о простых командах Робота), то в первом случае (стартовая обстановка 1) Робот выполнит эту команду, а во втором программа завершится аварийно, так как Робот не может ходить сквозь стены. Получается, что одна и та же программа в первом случае работает, а во втором приводит к ошибке. Именно поэтому так важно задавать стартовую обстановку для Робота.

Как задать стартовую обстановку?

Запустив среду Кумир в меню Инструменты выбираем пункт Редактировать стартовую обстановку Робота

Откроется окно с синим фоном. Это и есть стартовая обстановка Робота. И мы ее можем изменить.

По-умолчанию, размер окна 10 на 15 клеток. Если нам необходимо изменить количество строк и столбцов, то щелкаем Обстановка -> Новая обстановка и задаем необходимые значения

Далее,

  • чтобы переместить Робота в новую позицию, щелкаем по нему левой кнопкой мыши и не отпуская ее тащим Робота в нужное место.
  • чтобы добавить/удалить стену, щелкаем левой кнопкой мыши по границе клетки.
  • чтобы закрасить/очистить клетку, щелкаем по ней левой кнопкой мыши
  • чтобы добавить или убрать точку в клетку щелкаем по клетке, удерживая клавишу Ctrl

После того, как мы задали нужную стартовую обстановку, ее необходимо сохранить (Обстановка -> Сохранить или Обстановка -> Сохранить как). После этого закрываем окно Обстановка и в основном окне программы выбираем Робот -> Сменить стартовую обстановку

Находим сохраненную ранее обстановку и загружаем ее. После этого убедимся, что загрузили правильную стартовую обстановку, щелкнув по кнопке Показать окно Робота

Если в окне с зеленым фоном (текущая обстановка Робота) вы увидите вашу обстановку, то можно переходить к написанию алгоритма, используя простые команды Робота.

Исполнитель Робот. Простые команды.

У нашего Робота тоже есть система команд. Сегодня мы рассмотрим простые команды Робота. Всего их 5:

вверх

вниз

влево

вправо

закрасить

Результат выполнения этих команд понятен из их названия:

вверх — переместить Робота на одну клетку вверх

вниз — переместить Робота на одну клетку вниз

влево — переместить Робота на одну клетку влево

вправо — переместить Робота на одну клетку вправо

закрасить — закрасить текущую клетку (клетку в которой находится Робот).

Эти команды можно писать с клавиатуры, а можно использовать горячие клавиши (нажав их команды будут вставляться автоматически):

вверх — Escape, Up (стрелка вверх)

вниз — Escape, Down (стрелка вниз)

влево — Escape, Left (стрелка влево)

вправо — Escape, Right (стрелка вправо)

закрасить — Escape, Space (пробел)

Обратите внимание, что набирать нужную комбинацию горячих клавиш нужно не привычным нам способом! Мы привыкли нажимать клавиши одновременно, а здесь их нужно нажимать последовательно.

Теперь мы готовы написать первый алгоритм для Робота. Предлагаю начать с простого — нарисуем квадрат со стороной 3 клетки. Поехали!

Запускаем Кумир, настраиваем его. Можно начинать писать программу? Конечно нет! Мы же не задали стартовую обстановку! Делаем это. Предлагаю использовать вот такую:

Вот теперь все готово. Начинаем писать программу. Пока она выглядит так

Удаляем символ «|» и называем наш алгоритм «Квадрат»

Предлагаю рисовать квадрат, двигаясь по часовой стрелке. Для начала закрасим текущую клетку, дав команду закрасить. Потом делаем шаг вправо и опять закрашиваем клетку. И еще раз шаг вправо и закрасить.

Попробуем запустить программу и посмотреть что же получилось. Для запуска нажимаем F9 или же кнопку на панели инструментов

В результате мы должны увидеть вот такую картину

Если такое окно Робота у вас не появилось, то на панели инструментов щелкните «Показать окно Робота» или в меню Робот выберите пункт «Показать окно Робота». Продолжаем дальше.

Теперь мы будем двигаться вниз и закрашивать правую сторону квадрата:

вниз

закрасить

вниз

закрасить

Потом пойдем влево, закрашивая нижнюю границу квадрата

влево

закрасить

влево

закрасить

У нас осталась одна незакрашенная  клетка. Закрасим ее

вверх

закрасить

Все готово! В итоге наша программа выглядит так:

использовать Робот

алг Квадрат

нач

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вниз

закрасить

вниз

закрасить

влево

закрасить

влево

закрасить

вверх

закрасить

кон

А результат ее работы вот так

Итак, сегодня мы с вами написали программу, используя простые команды Робота. Рекомендую попрактиковаться самостоятельно — придумать себе задание и написать программу. Это могут быть самые различные фигуры, узоры, буквы. К примеру, попробуйте написать программу, рисующую букву П, Р, Ш, Щ, М. А если получится и захотите поделиться — комментируйте и прикрепляйте результат к комментарию.

Исполнитель Робот. Циклы.

Итак, что такое цикл? Представьте, что мы находимся на уроке физической культуры и перед нами стоит задача сделать 7 приседаний. Это задание можно оформить в виде линейного алгоритма и тогда оно будет выглядеть примерно так:

сделай приседание

сделай приседание

сделай приседание

сделай приседание

сделай приседание

сделай приседание

сделай приседание

Т. е мы повторили команду сделай приседание 7 раз. А есть ли смысл писать 7 одинаковых команд? Может проще дать команду сделай 7 приседаний? Конечно проще и правильнее. Это и есть цикл. Вы можете сами вспомнить примеры циклов из жизни — их довольно много.

Таким образом линейный алгоритм, где повторяются одни и те же команды мы можем оформить в виде циклического алгоритма — примерно так:

повторяй 7 раз

сделай приседание

конец цикла

Вот так, на придуманном нами языке мы оформили цикл. У исполнителя Робот тоже есть возможность записывать циклы. Причем, циклы бывают разные. Тот вариант, который мы только что рассмотрели называется цикл со счетчиком или цикл с параметром.

Виды циклов.

Цикл со счетчиком.

Цикл со счетчиком применяется когда заранее известно сколько повторений необходимо сделать. В примере выше с приседаниями именно такой случай.

Для того, чтобы написать цикл со счетчиком для исполнителя необходимо знать его синтаксис. А он такой:

нц <количество повторений> раз

<команда 1>

<команда 2>

<команда n>

кц

Здесь мы должны указать количество повторений (число) и команды, которые будут повторяться.  Команды, которые повторяются в цикле называют телом цикла.

Давайте рассмотрим это на примере.

Закрасим 7 клеток, как на рисунке. Рекомендую почитать про стартовую обстановку Робота и про его простые команды.

Изначально Робот находился в левой верхней клетке.

Давайте для начала решим задачу линейно. В этом случае мы будет закрашивать текущую клетку и перемещаться на 1 клетку вправо и программа будет выглядеть так:
использовать Робот
алг
нач

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вправо

закрасить

вправо

кон

Как видим, команды закрасить и вправо повторяются 7 раз. Давайте теперь перепишем программу с использованием цикла. Кстати, чтобы вставить цикл в свою программу можно в меню Вставка выбрать пункт нц-раз-кц или нажать одну из комбинаций клавиш Esc, Р (русская буква Р) или Esc, H (латинская буква H). Причем клавиши надо нажимать последовательно — сначала Esc, отпустить ее и только потом Р или H.

Так вот, наша программа с циклом будет выглядеть так:

использовать Робот

алг

нач

нц 7 раз

закрасить

вправо

кц

кон

Если мы ее запустим, то увидим, что в результате получится тоже самое — 7 закрашенных клеток. Однако программа стала короче и значительно грамотней с алгоритмической точки зрения!

В качестве разминки и закрепления предлагаю самостоятельно написать программу для Робота, которая нарисует квадрат со стороной 7 клеток. Естественно, используя цикл. Жду решения в комментариях.

Цикл с условием.

Вернемся к физкультуре и изменим задачу. Ведь кто-то может и не сделать 7 приседаний, а другой способен сделать 27. Можно ли учесть это при создании цикла? Конечно. Только теперь мы будем использовать не счетчик (количество повторений), а условие. К примеру, пока не устал, делай приседания. В этом случае человек будет делать не конкретное число приседаний, а приседать до тех пор, пока не устанет. И наш цикл на абстрактном языке примет такой вид:

пока не устал

сделай приседание

конец цикла

Слова не устал в нашем случае — это условие. Когда оно истинно, цикл выполняется. Если же оно ложно (устал) тело цикла не будет выполнено. У исполнителя Робот есть несколько условий

сверху свободно

снизу свободно

слева свободно

справа свободно

сверху стена

снизу стена

слева стена

справа стена

Теперь давайте решим следующую задачу для Робота — нарисовать вертикальную линию от левой до правой границы поля использую цикл с условием. Изначально Робот находится в левом верхнем углу.

Давайте сначала сформулируем словесный алгоритм — т. е. опишем словами что нужно делать Роботу. Этот алгоритм будет звучать примерно так:

«Пока справа свободно делай шаг вправо и закрашивай клетку»

В результате Робот пробежит по всем клеткам вправо и будет их закрашивать до тех пор, пока справа не окажется стена.

Исходный код нашей программы для Робота будет примерно такой:

использовать Робот

алг

нач

нц пока справа свободно

вправо

закрасить

кц

кон

В результате выполнения этой программы мы увидим вот такую картину:

Как видим, не хватает только закрашенной первой клетки. Для этого перед циклом необходимо выполнить команду закрасить.

Для закрепления прошу написать программу, которая будет делать рамку вокруг рабочего поля Робота независимо от его размера. Конечно же с использованием циклов с условием. В итоге должно получиться так:

Программа Robotmaster для промышленных роботов в Фолипласт

Приложение Robotmaster в среде Mastercam

Аналогично методике подготовки программ управления для ЧПУ-станков с использованием распространенной системы MasterCAM реализуется программирование промышленных роботов-манипуляторов. Для этого в операционную среду Mastercam интегрируется комплексное приложение Robotmaster, которое объединяет в себе: и 3D-моделирование, и создание выверенных траекторий движения по цифровой модели, и тут же — генерацию управляющей программы. Функциональность Robotmaster позволяет быстро настроить версию роботизированной ячейки с указанием всех специфических параметров и виртуальной проверкой движений на симуляторе. Если  необходимо, можно провести более тонкую отладку, и максимально повысить производительность робота.

Путь инструмента — в движения робота

Робот-манипулятор обычно имеет 5-6 осей вращения. Задача управляющей программы конвертировать траекторию инструмента для станка с ЧПУ во вращения сочленений «руки» робота. При этом, управляя вращательными движениями узлов вокруг самого инструмента, возможно обеспечить максимальную досягаемость зон обработки.
   

                

Оптимизация траекторий

Интерактивная среда моделирования Robotmaster дает возможность удобно программировать, визуализировать и сразу оптимизировать весь технологический процесс. Инструментарий приложения и простая система внесения корректировок в движения манипулятора позволяют избежать различных критических моментов:
  • точек сингулярности, когда, например, происходит совпадение двух осей вращения сочленений робота, и нет однозначности в нахождении последующих перемещений;
  • соударения навесного оборудования и рабочих частей робота, как между собой, так и с обрабатываемой деталью, и с прочими элементами внутри ячейки;
  • выхода за предельно допустимые значения поворота суставов, когда какой-либо из них дальше не в состоянии вращаться;
  • наличия зон в рабочей области, до которых манипулятор не может дотянуться;
  • участков траектории, где скорость вращения суставов может достигнуть предельно допустимых значений в целях обеспечения постоянства скорости линейного движения инструмента.
Работа с данным функционалом протекает в следующем порядке: во-первых, траектория оценивается на наличие вышеописанных коллизий, а результаты выводятся в окне оптимизатора в виде цветовой диаграммы. Следующим этапом является интерактивное изменение параметров на основе полученной диаграммы, и определение степени поворота вокруг оси инструмента в каждой конкретной точке на протяжении всего пути его движения.

                                                               

В Robotmaster роботизированная ячейка управляется как одна целостная система, где контролируется движение всех осей, включая внешние оси, такие, как: поворотные столы и рельсы. 

Виртуальный симулятор обработки

Также в среде Robotmaster обеспечена максимальная реалистичность для режима контроля движения робота. Для отладки параметров симулятор создает модель всей роботизированной ячейки, что дает оператору программы следующие возможности:
  • непрерывно просматривать траекторию хода инструмента;
  • автоматически выявлять возможные коллизии;
  • управлять всеми осями манипулятора вручную;
  • обозрение элементов оборудования в ячейке по частям, добавляя или отключая отображение нужных.

                                                       


Модуль генерации управляющей программы
Постпроцессор, встроенный в приложение, обеспечивает:
  • автоматическую проверку линии движения инструмента на коллизии перед генерацией управляющей программы;
  • выпуск управляющей программы на языке, понятном конкретному роботу;
  • разбиение управляющей программы на блоки, если её итоговый объем выше предельно допустимого значения.
Система Robotmaster с продвинутым шестиосевым контурным программированием предоставляет возможность производителям создавать максимально оптимизированные процессы обработки деталей с помощью роботов-манипуляторов. За счет этого создаются экономические преимущества, основанные на повышении рентабельности оборудования путем исключения потерь времени. Управляющие программы создаются и отрабатываются непосредственно на компьютере, а в «обучении» самого робота уже нет необходимости.

Приобрести и внедрить программу Robotmaster  на своем производстве можно при поддержке компании Фолипласт с доставкой в Москву, Санкт-Петербург, Самару, Казань и другие города России.
Сделайте заказ по телефону 8 (800) 302-13-41 либо отправьте заявку в любой контактной форме сайта. Мы с радостью поделимся накопленным опытом в деле интеграции роботизированных комплексов и их программирования.

Программа курса «Конструирование и робототехника»

Автор: Ю. И. Разумов

Пояснительная записка

Мы живём в удивительное время, когда на наших глазах меняется представление о грамотности человека. Если 15 лет назад показателем грамотности служило умение читать и писать, а ещё недавно необходимой составляющей являлся навык работы с компьютером, то уже завтра каждый образованный человек должен будет уметь работать с роботами. Роботы постепенно, но уверенно входят в нашу жизнь. Они работают на производстве (например, в автомобильной промышленности), а также помогают людям в быту (например, робот-пылесос или кофеварочная машина).

Программы-роботы «беседуют» с человеком во многих CALL-центрах, помогая выбрать нужный тариф или услугу, а в банке, МФЦ, ПФР или поликлинике робот следит за порядком в очереди.

Актуальность программы

Программа соответствует действующим нормативным правовым актам и Концепции развития дополнительного образования в сфере технического творчества.

Новизна программы и её педагогическая целесообразность обусловлены применением новых оригинальных образовательных технологий в робототехнике. В программе представлены современные идеи и актуальные направления развития науки и техники. Программа «Конструирование и робототехника» формирует конвергентное мышление, т. е. является соединением различных предметных областей, таких как математика, информатика, физика и технология. В процессе создания робота учащемуся необходимо делать математические вычисления, знать физические процессы, чтобы понимать, какой принцип используется при работе датчиков, уметь применять технологические приёмы в конструировании робота и программировать его информационный код.

Цель программы: ознакомление с основами конструирования и программирования учебных роботов.

Задачи программы

Обучающие:

  • развитие инновационной творческой деятельности обучающихся на занятиях по конструированию и робототехнике;
  • развитие сформированных универсальных учебных действий через создание на занятиях учебных ситуаций, постановку проблемных задач, требующих выбора, обоснования и создания определенной модели конструкции, написания алгоритма действий робота с помощью пиктограмм графического языка;
  • формирование представлений о социальных и этических аспектах научно-технического прогресса;

Развивающие:

  • развитие навыков взаимной оценки;
  • развитие навыков рефлексии, готовность к самообразованию и личностному самоопределению;
  • формирование представления о мире профессий, связанных с робототехникой, и требованиях, предъявляемых такими профессиями, как инженер, механик, конструктор, архитектор, программист, инженер-конструктор по робототехнике.

Воспитательные:

  • содействовать социальной адаптации обучающихся в современном обществе, проявлению лидерских качеств;
  • воспитывать ответственность, трудолюбие, целеустремленность и организованность.

Метапредметные универсальные учебные действия:

–     регулятивные:

  • владение основами самоконтроля, самооценки, осуществление контроля своей деятельности, корректирование своих действий в соответствии с изменяющейся ситуацией;

–     познавательные:

  •   умение читать схемы сборки, инструкции;
  •   умение составлять схемы и строить конструкции по собственному замыслу;

–     коммуникативные (обеспечивающие возможность сотрудничества):

  • умение сотрудничать с педагогом и сверстниками, работать в группе: находить общее решение на основе согласования позиций и учёта общих интересов и мнений при выполнении учебно-исследовательских работ и проектов по робототехнике; умение устанавливать необходимые контакты с другими людьми.

Ожидаемые результаты и способы определения результативности

Предметные результаты изучения программы:

  • осознание роли техники в процессе развития общества, понимание экологических последствий развития производства, транспорта;
  • владение методами исследовательской и проектной деятельности;
  • владение научной терминологией, методами и приёмами конструирования, моделирования и роботостроения;
  • умение устанавливать взаимосвязь с разными предметными областями (математика, физика, природоведение, биология, анатомия, информатика и др.) для решения задач по робототехнике;
  • владение ИКТ-компетенциями при работе с информацией.

По окончании изучения учебной программы каждый обучающийся будет:

1. иметь представление:

  • об основных частях робота;
  • об основных приёмах соединения деталей при конструировании механизмов;
  • об организации соревнований роботов.

2. знать:

3. уметь:

  • использовать основные команды программирования роботов;
  • управлять роботом на соревнованиях;
  • устанавливать и обновлять программы.

4. владеть:

  • навыками работы с ПК;

  • основными командами управления роботом;

  • приёмами работы с различными палитрами.

Способы определения результативности:

  • педагогическое наблюдение;
  • педагогический анализ активности обучающихся, анализ результатов участия в соревнованиях роботов;
  • подготовка и защита проектной работы для участия в мероприятиях;
  • участие в конкурсах.

Возраст обучающихся, участвующих в реализации программы: 10–12 лет.

Срок реализации программы: программа рассчитана на 34 часа (период обучения – сентябрь-май).

Формы занятий: групповая, индивидуальная, индивидуально-групповая. Наполняемость группы – не более 15 человек.

Режим занятий: продолжительность занятия от 1 до 3 часов в неделю в зависимости от прохождения программы.

Содержание программы «Конструирование и робототехника»

В учебном процессе предполагается использование образовательных конструкторов. На занятиях применяются образовательные конструкторы Mindstorms EV3 и различные подручные материалы. В базовый набор входят: контроллер, моторы, датчики, аккумулятор, соединительные кабели, а также конструктивные элементы – балки, оси, зубчатые колеса, штифты, кирпичи, пластины и другие вспомогательные детали.

Учебно-тематический план

№ п/п

Наименование разделов, тем

Теоретическая часть

Практическая часть

Кол-во
часов

 1.

Техника безопасности на занятии. Введение в робототехнику. Области использования роботов

1

 

1

 

Раздел 1. Введение

 2.

Что такое робот? Органы чувств робота

1

 

1

 3.

Сборка робота с двумя моторами. Приёмы соединения деталей

 

1

1

 

Раздел 2. Основы программирования

 4.

Установка программы.

Управление контроллером. Интерфейс программы управления. Окно программы, палитры команд, пульт управления

 

1

1

 5.

Встроенное программное обеспечение («Прошивка»). Загрузка программы. Загрузка управляющего кода в робота. Движение вперёд. Направление движения

 

1

1

 6.

Программирование в среде разработки. Правила программирования

 

1

1

 

Раздел 3. Движение

 7.

Движение по лабиринту. Скорость и направление. Мощность мотора

 

1

1

 8.

Скорость и направление. Поворот и разворот

1

1

2

 9.

Точное движение. Ручная подстройка мощности моторов

1

1

2

10.

Контроль сигналов, управляющих моторами

1

 

1

11.

Синхронизация моторов при движении вперёд

 

1

1

12. 

Синхронизация моторов при движении по лабиринту

1

1

2

 

Раздел 4. Датчики

13. 

Датчик «Касания». Обнаружение препятствия

 

1

1

14. 

Структуры: цикл While (Пока)

 

1

1

15. 

Датчик «Ультразвуковой». Обнаружение препятствия

1

 

1

16. 

Датчик света. Обнаружение линии

 

1

1

17. 

Как работает датчик освещённости

1

 

1

18. 

Обнаружение чёрной линии 

 

1

1

19. 

Отслеживание линии

 

1

1

20. 

Движение вдоль линии с одним датчиком

1

1

2

21. 

Движение вдоль линии с двумя датчиками

1

1

2

22. 

Таймер. Отслеживание линии

1

 

1

23. 

Датчик оборотов. Отслеживание линии

 

1

1

 

Раздел 5. Переменные и функции

24. 

Переменные. Автоматическое нахождение порога

1

1

2

25. 

Переменные и функции

1

1

2

26. 

Принципы автоматического регулирования

1

1

2

 

Итого

14

20

34

Содержание

Тема 1. Техника безопасности на занятии. Введение в Робототехнику. Области использования роботов.

Тема 2. Что такое робот? Органы чувств робота. Какие органы чувств есть у человека, какие органы «чувств» могут быть у роботов – домашних, промышленных, в будущем. Работа с датчиками измерения параметров окружающей среды.

Тема 3. Практическая работа. Сборка робота с двумя моторами. Приёмы соединения деталей. Сборка учебного робота.

Тема 4.Практическая работа. Установка программы. Установка программного обеспечение на компьютер. Управление контроллером. Интерфейс программы управления. Окно программы, палитра команд, пульт управления.

Тема 5.Практическая работа. Встроенное программное обеспечение («прошивка»). Загрузка программы. Загрузка управляющего кода в робота. Движение вперёд. Загрузка «прошивки» в блок EV3. Создание кода управляющей программы для прямолинейного движения вперёд. Настройка блока движения на заданное расстояние и заданное время. Настройка направления движения.

Тема 6. Практическая работа. Программирование в среде разработки. Правила программирования. Основные правила написания программ: синтаксис и пунктуация.

Тема 7. Практическая работа. Движение по лабиринту. Скорость и направление. Мощность мотора. Улучшение программы управления для точного прямолинейного движения робота методом снижения его скорости.

Тема 8. Скорость и направление. Поворот и разворот.

Практическая работа. Подбор различных комбинаций мощности моторов робота для выполнения поворота или разворота. Выполнение последовательности движений.

Тема 9. Точное движение. Ручная подстройка мощности моторов. Практическая работа. Ручная корректировка мощности моторов для точного прямолинейного движения.

Тема 10. Контроль сигналов, управляющих моторами. Встроенный в мотор датчик оборотов. Настройка моторов.

Тема 11. Практическая работа. Синхронизация моторов при движении вперёд. Использование команды «Синхронизация моторов» для равномерного движения робота без ускорения и замедления.

Тема 12. Синхронизация моторов при движении по лабиринту. Практическая работа. Алгоритм точного движения на повороте.

Тема 13. Практическая работа. Датчик касания. Обнаружение препятствия. Выбор расположения датчиков касания для обнаружения препятствия.

Тема 14. Практическая работа. Структуры: цикл While. Изучение цикла While.

Тема 15. Датчик ультразвуковой. Обнаружение препятствия. Получение данных от датчика расстояния.

Тема 16. Датчик света. Работа с датчиком света: измерение изменений освещённости в классе, исследование отражающей способности разных поверхностей.

Практическая работа. Обнаружение линии. Особенности применения датчика света (освещённости) в отличие от датчиков касания или расстояния.

Тема 17. Как работает датчик освещённости. Физические процессы работы датчика освещённости. Задание порога освещённости для определения белого и чёрного.

Тема 18. Практическая работа. Обнаружение чёрной линии. Применение датчика света и подбор порога уровня освещённости для обнаружения чёрной линии.

Тема 19. Отслеживание линии. Построение алгоритма отслеживания края линии, используя блоки «Жди темноты» и «Жди света».

Тема 20. Движение вдоль линии с одним датчиком.

Практическая работа. Создание программы движения вдоль линии. Создание оптимального алгоритма, используя условие (Если-Иначе, if-else).

Тема 21. Движение вдоль линии с двумя датчиками света. Алгоритм движения робота с двумя датчиками.

Практическая работа. Создание программы с более эффективным алгоритмом для движения по линии. Преодоление перекрёстков и сложных поворотов становится возможным для робота.

Тема 22. Таймер. Отслеживание линии. Изучение команды «Таймер» для движения робота на заданное время.

Тема 23. Датчик оборотов. Как устроен датчик оборотов. Решение задач с использованием датчика оборотов.

Практическая работа. Отслеживание линии. Использование датчика оборотов для движения робота на заданное расстояние.

Тема 24. Переменные. Введение понятия переменных для представления данных с датчиков.

Практическая работа. Автоматическое нахождение порога. Изучение мира значений и особенно «структур», которые используются для представления и хранения значений, называемых «переменными». Использование значения датчика света для тёмного и светлого участков, которые были сохранены в переменных, для вычисления среднего значения.

Тема 25. Переменные и функции. Введение понятий «переменные» и «функции» для представления связи между данными с датчиков и выполняемыми действиями.

Практическая работа. Автоматическая настройка робота перед движением с использованием «функции». Применение метода сохранения значения датчика освещённости в «переменные», а также использование датчика касания для взаимодействия робота и человека. 

Тема 26. Принципы автоматического регулирования.

Практическая работа. Включение ПИД-контроля скорости моторов робота для более эффективного и точного движения робота вдоль линии.

Методическое обеспечение занятий

Образовательные наборы для конструирования предназначены для групповой работы, что даёт возможность обучающимся одновременно приобретать и навыки сотрудничества, и умение справляться с индивидуальным заданием, составляющим часть общей задачи. Конструируя и добиваясь того, чтобы созданные модели работали по определенной заданной программе, тестируя полученные конструкции и запрограммированных роботов, обучающиеся получают возможность учиться на собственном опыте, поэтапно выполняя задания разной сложности. Принцип обучения «шаг за шагом» обеспечивает обучающимся возможность работать в собственном темпе. В программе учитывается разница в уровнях подготовки детей, индивидуальные различия в их познавательной деятельности, восприятии, внимании, памяти, мышлении, речи, моторике и т. д., связанные с возрастными, психологическими и физиологическими индивидуальными особенностями детей младшего школьного возраста.

Программа задумана таким образом, чтобы постоянно привлекать и удерживать внимание учеников, стимулируя мотивацию к обучению. Дополнительные элементы, содержащиеся в каждом наборе конструктора, позволяют обучающимся создавать модели не только по схемам, имеющимся в наборах, но и по собственному замыслу. Все комплекты полностью соответствуют индивидуальным возможностям обучающихся и способствуют успешному обучению каждого ребёнка любого уровня подготовки.

Образовательные наборы позволяют постигать взаимосвязь между различными областями знаний. Интересные и несложные в сборке модели из образовательного конструктора дают ясное представление о работе механических конструкций, о силе, движении и скорости. Образовательные конструкторы помогают освоить основы конструирования и роботостроения, провести эксперимент по автоматическому управлению роботом или производственным процессом, научиться программировать. Из деталей конструктора учащиеся строят уменьшенные аналоги различных механических устройств и механизмов. 

В целях роста мотивации и эффективности учебной деятельности в программе предусматривается включение обучающихся в учебно-исследовательскую и проектную деятельность, которая направлена не только на повышение компетентности школьников в области конструирования и робототехники, но и на создание конкретной законченной модели.

Используются следующие этапы работы над проектом:

1) выбор и обоснование темы проекта;

2) поиск информации и разработка модели проекта;

3) сборка механизма;

4) составление программы для работы механизма;

5) тестирование механизма, устранение дефектов и неисправностей, отладка программы;

6) защита проекта.

Такие учебно-исследовательские и проектные работы позволяют сочетать различные виды познавательной деятельности. Для построения индивидуальной траектории развития обучающихся необходимо учитывать взаимосвязь уровня сформированности универсальных учебных действий со следующими показателями:

— с состоянием здоровья детей;

— с успешностью освоения обязательных учебных предметов;

— с умением слушать собеседника и задавать вопросы;

— со стремлением понять и решить учебную задачу;

— с владением навыками общения со сверстниками;

— с умением планировать, контролировать развитие универсальных учебных действий.

Программа направлена на развитие мелкой моторики при конструировании, а также помощь обучающимся выполнять задания по программированию от простого к сложному и самореализовываться в выбранном направлении.

Методика работы по программе характеризуется общим поиском эффективных технологий, позволяющих конструктивно воздействовать как на развитие индивидуальных качеств обучающихся, позволяющих успешно осваивать предлагаемый материал, так и на совершенствование их возможностей в коллективной работе в группах по 2–3 человека.

Дидактическое обеспечение

При организации практических занятий используется следующее учебно-дидактическое обеспечение:

  • электронные задания;
  • раздаточный материал по темам модуля в электронном или печатном виде.

Условия реализации программы

  • Для успешной реализации данной программы необходимо иметь класс ПЭВМ с характеристиками, не уступающими Pentium 4, объёмом оперативной памяти от 2 Гб, дисковой памяти – не менее 200 Гб. Количество компьютеров – не менее 10–12 штук, по одному компьютеру на каждого или на группу из двух обучающихся.
  • Для ведения образовательного процесса необходимо использование проекционного оборудования.

Программное обеспечение

Для реализации программы необходимы:

  • кабинет для конструирования и занятий робототехникой, учебно-наглядные пособия, наборы конструкторов LEGO EV3, ТРИК, ЗНАТОК, конструктор металлических деталей;
  • электронные задания;
  • раздаточный материал по темам модуля в электронном или печатном виде;
  • книга для педагога;
  • рабочие бланки для обучающихся;
  • презентации к занятиям;
  • компьютер для педагога, проектор, маркерная доска;
  • компьютеры для обучающихся. 

Список литературы для педагога

1. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 4 июля 2014 г. № 41 «Об утверждении СанПиН 2.4.4.3172-14 «Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, содержанию и организации режима работы образовательных организаций дополнительного образования детей».

2. Примерные требования к содержанию и оформлению образовательных программ дополнительного образования детей (письмо Министерства образования РФ от 11.12.2006 № 06-1844).

3. Белиовский Н. А., Белиовская Л. Г. Использование LEGO-роботов в инженерных проектах школьников. Отраслевой подход. – М.: ДМК-пресс, 2015.

4. Злаказов А., Горшков Г., Шевалдина С. Уроки ЛЕГО-конструирования в школе. – М.: БИНОМ, 2011.

5. Копосов Д. Г. Первый шаг в робототехнику. Практикум для 5–6 классов. – М.: БИНОМ, 2014.

6. Справочное пособие к программному обеспечению Robolab 2.9.4. – М.: ИНТ.

7. Сухомлинский В. Л.  Воспитание коллектива. – М.: Просвещение, 1989.

8. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. 3-е изд. – СПб.: Наука, 2014.

Список литературы для обучающихся

1. Клаузен Петер. Компьютеры и роботы. – М.: Мир книги, 2006.

2. Макаров И. М., Топчеев Ю. И. Робототехника. История и перспективы. – М.: Наука, Изд-во МАИ, 2003.

3. Филиппов С. А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2014

Ресурсы сети Internet по профилю

1. Russian software developer network // Русское сообщество разработчиков программного обеспечения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nnxt.blogspot.ru/

2. Каталог программ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.legoengineering.com/category/support/building-instructions/, http://nnxt.blogspot.ru/search/label/

3. RoboLab developer network // Сообщество разработчиков RoboLab [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.legoengineering.com/

4. Сообщество разработчиков ТРИК [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://blog.trikset.com/

 

 

Руководство по программированию собственных роботов

Основные выводы по программированию роботов:

  • Робототехника включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин, называемых роботов .
  • Слово робот происходит от славянского слова robota , что означает слуга.
  • Основные области робототехники — это интерфейс оператора, движение, эффекторы, программирование и восприятие.
  • Программирование роботов — это разработка схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей.
  • Операционная система для роботов — это промежуточное ПО — набор программных фреймворков для разработки программного обеспечения для роботов .
  • Программное обеспечение для управления роботами — это программа для управления роботами.
  • Популярные языки программирования в робототехнике включают C / C ++, Python, JAVA, C # /.NET, MATLAB и другие.

Программирование роботов быстро становится важным событием, поскольку все больше компаний проявляют интерес и инвестируют в роботов .

По имеющимся данным, глобальная технология робототехники, оцененная в 62,75 миллиарда долларов в 2019 году, к 2027 году достигнет 170,08 миллиарда долларов. В результате спрос на программистов-роботов также вырастет в ближайшее десятилетие.

Вот здесь и появляется этот пост. Хотя в нем не рассматриваются практические детали программирования роботов , в этой статье рассматриваются основы.

Что такое робототехника?

Робототехника относится к междисциплинарной области исследований на стыке науки, техники и технологий. Цель исследования — разработать машины, которые не только будут копировать человеческие действия, но и в конечном итоге заменят людей. В результате робототехники включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин , называемых роботов . Такие машины используются в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмической , здравоохранения , электронной коммерции , космических исследований и транспорта и других.

Слово робот происходит от славянского слова robota , что означает слуга. Но Карел Чапек — чешский писатель — первым использовал термин «робот» в своей пьесе 1920 года рубля (Универсальные роботы Россума) .

В то время Чапек использовал этот термин для описания созданных на фабриках людей, которых можно было принять за людей. Действительно, это похоже на современное представление об андроидах или гуманоидах.

Сегодня Робототехника — одно из самых быстрорастущих направлений исследований.Переходя от сценария чешского писателя, робототехника теперь разделена на несколько областей.

Каковы пять основных областей робототехники

Фотографии Hobby / Unsplash.com

Опыт команды инженеров необходим для создания продвинутого робота . По этой причине основные области робототехники — это интерфейс оператора, мобильность или передвижение, манипуляторы и эффекторы, программирование, зондирование и восприятие.

1. Интерфейс оператора

Интерфейс оператора относится к взаимодействию между роботом и его человеком-контроллером.Это механизм связи между человеком и его или ее машиной.

Например, джойстик Контроллер служит интерфейсом оператора между игроком и консолью.

2. Подвижность или передвижение

Подвижность или передвижение описывает, как робот перемещается из одного места в другое в пределах заданного пространства. И это зависит от типа машины.

Например, летающих роботов и дронов используют пропеллеры для движения.Точно так же гуманоидов ходят на двух ногах, как люди. Другие варианты мобильности включают плавники и колеса.

3. Манипуляторы и эффекторы

Это относится к конкретному компоненту машины, который делает ее идеальной 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. Чувство и восприятие

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

  • Где это
  • Куда пойти
  • Как объезжать препятствия

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

5. Программирование

Программирование относится к командам, которые позволяют роботам работать в определенной ситуации.Он включает в себя проектирование и создание исполняемой программы computer для выполнения определенных задач.

Сегодня существует более тысячи языков для программирования роботов . Чтобы понять, как работает эта область робототехники, мы должны углубиться.

Что такое программирование роботов?

Герд Альтманн / Pixabay.com

Программирование роботов относится к процессу разработки схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей.Обычно это требует базовых знаний математики и программирования языка . Например, Python — один из самых популярных сегодня языков программирования роботов.

Помимо разработки машинного обучения, Python также можно использовать для создания пакетов Robot Operating System . Прежде чем изучать другие языки программирования, давайте сначала рассмотрим программное обеспечение.

Какое программное обеспечение используется для программирования роботов

Операционная система роботов (ROS)

Robot Operating System — это промежуточное программное обеспечение — набор программных фреймворков для разработки программного обеспечения для роботов .Хотя это не операционная система, ROS предоставляет услуги, предназначенные для гетерогенного компьютерного кластера.

Сюда входят:

  • Аппаратная абстракция
  • Устройство нижнего уровня управления
  • Реализация часто используемых функций
  • Обмен сообщениями между процессами
  • Управление пакетами

Например, проект с открытым исходным кодом ROS-Industrial расширяет возможности ROS на автоматизацию производства и робототехнику.Таким образом, это хранилище включает интерфейсы, уникальные для промышленных роботов.

Сюда входят 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.

ROS в настоящее время выпускает новую версию каждый май после выпуска Ubuntu LTS версий . Аналогичным образом ROS2 выпускает новую версию каждые шесть месяцев — в декабре и июле.

Программное обеспечение для управления роботом

Как вы уже догадались, программа для управления роботами — это программа для управления роботами. Это набор закодированных команд, которые сообщают машине, какие задачи выполнять автономно.

Некоторые повседневные задачи, которыми управляет программное обеспечение робота, включают петель обратной связи, фильтрацию данных, местоположение и данных совместное использование .

Программное обеспечение для роботов имеет проприетарный характер. Таким образом, робот производители оборудования обычно должны предоставлять собственное программное обеспечение для работы с машиной.

Как научиться программировать робототехнику?

Крис Рид / Unsplash.com

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.

1. Паскаль

Pascal — это базовый язык, буквально основанный на языке BASIC , разработанный для поощрения хороших практик программирования. Это потому, что он использует структурированное программирование и структурирование данных.

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

Хотя Паскаль может быть слишком устаревшим для повседневного использования, он может помочь вам познакомиться с другими языками промышленных роботов .Таким образом, вы можете изучить различные марки роботов .

2. Поцарапать

Scratch чрезвычайно популярен среди начинающих робототехников , и на то есть веские причины. Визуальный язык программирования по существу включает перетаскивание и соединение блоков.

В результате он идеально подходит для начинающих программистов — пользователей в возрасте от восьми до шестнадцати лет. Кроме того, скрэтч является языком, который выбирают в большинстве клубов робототехники и школьных технических классов.

Большинство опытных робототехников вряд ли напишут промышленных роботов в 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 .

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

Например, роботов Fanuc используют Karel, Yaskawa использует INFORM , Kuka имеет KRL (язык роботов Kuka) , а ABB имеет свой RAPID , язык программирования . Этот список можно продолжить.

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

4. LISP и Prolog

Область искусственного интеллекта в последнее время стала более популярной. В результате различных языков программирования AI теперь привлекают больше внимания, чем когда-либо прежде. LISP и Prolog — два таких языка.

LISP — один из первых языков программирования. В результате он стал пионером многих идей в области информатики, таких как автоматическое управление хранением, условные выражения, рекурсия и функции высшего порядка.

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

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

Также стоит отметить, что робототехника и искусственный интеллект — две разные области.

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, используя слова и символы. Программное обеспечение для разработки может затем преобразовать это текстовое описание в данные конфигурации для реализации.

Самыми популярными языками описания оборудования являются Verilog и VHDL . И они широко используются для программирования программируемых вентильных матриц (ПЛИС) .

6. MATLAB

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

Однако роботов инженеров используют MATLAB и Simulink для проектирования для различных целей. К ним относятся:

  • Алгоритмы настройки
  • Модель реальных систем
  • Автоматическая генерация кодов

Кроме того, они выполняют эти функции из одной программной среды.

7. C # /.НЕТТО

C # — это проприетарный язык программирования от Microsoft . Это основной язык Microsoft Robotics Developer Studio — среды на базе Windows для управления и моделирования robot .

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 ++.

8. ЯВА

Java — это объектно-ориентированный язык программирования общего назначения на основе классов. Он разработан, чтобы позволить разработчикам приложений написать один раз и работать где угодно (WORA) .

Другими словами, код JAVA может работать на любой платформе, поддерживающей JAVA, без необходимости перекомпиляции. Таким образом, становится возможным использовать один и тот же код на разных машинах.

JAVA весьма полезен в некоторых аспектах робототехники .Например, это один из основных языков современных ИИ, таких как AlphaGo и IBM Watson .

9. Python

Python — один из самых популярных языков программирования благодаря быстрорастущей области машинного обучения. Фактически, IEEE Spectrum назвал его лучшим языком программирования в 2019 году.

Существенным преимуществом этого языка программирования является простота использования. С Python вещи, которые отнимают время при 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 ROS (помимо C ++). Тем не менее, он может стать еще более популярным, поскольку более дружелюбной к роботам электроники поддерживают этот язык по умолчанию.

10. C / C ++

C и C ++ — язык программирования номер один в робототехнике , и по понятным причинам.

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 доступных языков программирования.

Обратите внимание, что C / C ++ не так прост 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.

Однако робототехника сильно зависит от производительности в реальном времени. В результате C и C ++ являются наиболее близкими к стандартному языку программирования роботов .

Заключительное слово: Какой язык программирования роботов следует выучить? Робо Вундеркинд / Unsplash.com

На основании этого поста вы можете сделать вывод, что изучение Python или C / C ++ должно быть первым шагом. Хотя этот вывод может быть точным, ответ не так прост.

Правильный ответ — выучить тот язык программирования, который в настоящее время имеет для вас наибольший смысл.Вот почему.

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 позволит вам быстро и легко разрабатывать программы. Тем не менее, он также должен подходить к вашему оборудованию robotic .

Для большинства людей этим языком программирования является Python. Его легко освоить и он эффективен благодаря огромным библиотекам.После Python вы можете изучить C и C ++ для взаимодействия с драйверами роботизированного оборудования .

Однако, если вам меньше 16 лет или у вас нет опыта программирования, вы можете начать с нуля — это не каламбур.

Подробнее: Игры с программированием для детей: увлекательный способ научиться программировать на компьютере

9 типов программного обеспечения для робототехники, которое вы могли бы рассмотреть для своего робота

Мы вошли в число ведущих производителей программного обеспечения для перемещения роботов! Но в индустрии робототехники существует множество различных типов программного обеспечения.

Как вы можете различать различные программные пакеты?

Как вы просеиваете путаницу?

Здесь, в RoboDK, мы были недавно вне себя от радости, увидев, что мы вошли в пятерку лучших компаний-разработчиков программного обеспечения для движения роботов в рейтинге StartUS Insights. Выбор был сделан из базы данных 181 компании-разработчика программного обеспечения для робототехники. Это настоящий плюс нашей замечательной программе.

Наряду с нами в пятерку лидеров вошли компании, специализирующиеся на робототехнике по широкому спектру направлений, включая программное обеспечение для планирования движения дронов, реактивное планирование пути в реальном времени и управление мобильными роботами.

В индустрии робототехники доступно огромное количество различных типов программного обеспечения.

Может быть довольно сложно различить их всех и быть в курсе последних событий, которые имеют отношение к вам и вашим потребностям.

Как определить, какой тип программного обеспечения лучше всего подходит для вас?

Как избавиться от шума и найти подходящее программное обеспечение

Если вы выполните поиск по запросу «программное обеспечение для робототехники» в Google, вы, вероятно, окажетесь перед довольно запутанным набором результатов поиска.

На момент написания многие результаты поиска привели вас к чему-то, называемому Robot Process Automation (RPA). Это не имеет ничего общего с программированием физических роботов.

По другим результатам можно получить специальные пакеты программного обеспечения для робототехники, в основном те, которые поставляются в комплекте с конкретными марками роботов. Затем вы также найдете несколько наших сообщений в блоге.

Проблема в том, что существует множество различных типов программного обеспечения для робототехники. Некоторые из них подходят для программирования ваших конкретных роботов для вашей уникальной ситуации.Других не будет.

Когда вы обдумываете, какое программное обеспечение выбрать для своего робота, вам нужно уточнить, какой тип программного обеспечения вы ищете.

9 типов программного обеспечения для робототехники, которое вы могли бы рассмотреть для своего робота

Чтобы помочь вам преодолеть шум и найти подходящее для вас программное обеспечение, вот несколько типов программного обеспечения для робототехники, которое вы можете встретить на рынке:

1. Автономное программирование

Категория программного обеспечения, которая наиболее дорога нашему сердцу здесь, в RoboDK.Программное обеспечение для автономного программирования позволяет вам программировать своего промышленного робота без необходимости физического подключения к нему. Это означает, что вам не нужно снимать робота с производства, чтобы его запрограммировать. Это сокращает время простоя, улучшает качество программирования и, помимо других преимуществ, позволяет быстро переключаться между линейками продуктов.

Рынок автономного программирования весьма раздроблен, и пакеты часто привязаны к отдельным брендам роботов. Кроме того, существует программное обеспечение для автономного программирования, которое можно использовать с роботами любого бренда, например RoboDK.

2. Симуляторы

Симуляторы роботов бывают разных видов. Некоторые позволяют только простое 2D-моделирование определенных аспектов робототехники, в то время как другие включают 3D-моделирование со сложными физическими движками и реалистичными средами. При желании вы могли бы потратить много времени на тестирование множества различных доступных пакетов моделирования. К сожалению, по рекламному ролику сложно сказать, насколько прост в использовании тренажер. Вы должны пойти и проверить это на себе.

RoboDK — это не только инструмент для автономного программирования, но и отличный симулятор.Это достаточно просто, чтобы вы могли легко программировать своего робота, при этом будучи достаточно мощным, чтобы обрабатывать множество различных вариантов использования.

3. Промежуточное ПО

Одним из наиболее неправильно понимаемых типов программного обеспечения для роботов является промежуточное программное обеспечение, наиболее популярным из которых является ROS (операционная система роботов). Промежуточное ПО роботов обеспечивает основу для запуска сложных роботизированных систем и управления ими из единого унифицированного интерфейса.

По словам некоторых, промежуточное ПО — это «программный клей», который помогает строителям роботов не изобретать колесо заново при разработке новой роботизированной системы.

Вы, вероятно, не стали бы использовать промежуточное программное обеспечение для управления одним роботом на производственной линии. Однако, если вы создавали свою собственную роботизированную систему с несколькими компонентами или хотели координировать работу нескольких роботов, вы можете использовать промежуточное программное обеспечение, чтобы немного облегчить себе жизнь на этапе исследований и разработок.

4. Планирование мобильных роботов

Мобильные роботы программируются иначе, чем другие роботы, что означает также использование другого типа программного обеспечения. Например, планировщики пути используются для программирования маршрута, по которому робот будет проходить через окружающую среду.А алгоритмы обхода препятствий реагируют на изменения момента.

Существует множество интересных программных инструментов для программирования мобильных роботов, от складской логистики до автономных транспортных средств.

5. Планирование пути в реальном времени

Программное обеспечение для планирования пути используется во многих областях робототехники. Базовые планировщики пути, такие как наша функция PRM, просто используются для ускорения этапа программирования промышленной робототехники.

Планирование пути в реальном времени намного сложнее, чем простое планирование пути.Это включает в себя постоянное обновление программы, чтобы реагировать на изменения в окружающей среде. Это позволяет роботу реагировать, но также может сделать его более небезопасным.

Компании-разработчики программного обеспечения, которые специализируются на планировании пути в реальном времени, как правило, сосредотачивают свои усилия на одном типе роботов, таких как гуманоидная робототехника, мобильная робототехника или роботизированные руки.

6. БПЛА (Drone) Control

Растущий тип программного обеспечения для роботов — это управление дронами. Это относится к любому программному обеспечению, которое используется для программирования и координации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА / дроны).

За последнее десятилетие число областей применения дронов увеличилось. Например, с дронами, которые сейчас используются в сельском хозяйстве, инспекции и безопасности. Программное обеспечение для дронов, как правило, ориентировано на определенные области применения или аспекты управления дронами (например, сбор данных, анализ изображений, картографирование и т. Д.).

7. Искусственный интеллект для роботов

Искусственный интеллект (ИИ) используется в робототехнике уже много лет — почти столько же, сколько существует робототехника.Однако в последнее время количество программных решений растет. Специально для использования ИИ с роботами в определенных областях применения. Как и в случае с другими типами программного обеспечения для роботов, ИИ, как правило, сосредоточен на определенных аспектах этих приложений, таких как анализ изображений, собранных в сельскохозяйственных условиях, фильтрация операционных данных в производственных средах или координация скоплений мобильных роботов в логистике.

Какое программное обеспечение лучше всего подходит для вас?

Как вы, наверное, заметили, существует огромное количество типов программного обеспечения для роботов.Если вы ищете программное обеспечение для конкретного приложения для роботов, стоит уточнить, что вы ищете.

Например, вы добьетесь большего успеха, если будете искать такие термины, как «автономное программирование для обработки роботов», чем просто «программирование промышленных роботов».

И, как я сказал выше, один из лучших способов определить, подходит ли конкретная роботизированная программа для ваших нужд, — это попробовать ее на себе.

Какой тип приложения робота вы хотите запрограммировать? Расскажите нам в комментариях ниже или присоединитесь к обсуждению в LinkedIn, Twitter, Facebook, Instagram или на форуме RoboDK.

Учебное пособие по программированию робототехники

: как программировать простого робота

Примечание редактора: 16 октября 2018 г. эта статья была переработана для работы с новейшими технологиями.

Посмотрим правде в глаза, роботы — это круто. Они также собираются когда-нибудь править миром, и, надеюсь, тогда они пожалеют своих бедных мягкотелых создателей (также известных как разработчики робототехники) и помогут нам построить космическую утопию, наполненную изобилием. Я, конечно, шучу, но только вроде.

Стремясь хоть как-то повлиять на этот вопрос, в прошлом году я прошел курс теории управления автономными роботами, кульминацией которого стало создание симулятора робота на основе Python, который позволил мне практиковать теорию управления на простом, мобильном, программируемом устройстве. робот.

В этой статье я собираюсь показать, как использовать платформу роботов Python для разработки управляющего программного обеспечения, описать схему управления, которую я разработал для своего смоделированного робота, проиллюстрировать, как он взаимодействует со своей средой и достигает своих целей, а также обсудить некоторые из фундаментальные проблемы программирования робототехники, с которыми я столкнулся на этом пути.

Чтобы следовать этому руководству по программированию робототехники для начинающих, вы должны иметь базовые знания двух вещей:

  • Математика — мы будем использовать некоторые тригонометрические функции и векторы
  • Python — поскольку Python является одним из наиболее популярных базовых языков программирования роботов, мы будем использовать базовые библиотеки и функции Python.

Приведенные здесь фрагменты кода являются лишь частью всего симулятора, который полагается на классы и интерфейсы, поэтому для непосредственного чтения кода вам может потребоваться некоторый опыт в Python и объектно-ориентированном программировании.

Наконец, дополнительные темы, которые помогут вам лучше следовать этому руководству, — это знать, что такое конечный автомат и как работают датчики диапазона и энкодеры.

Задача программируемого робота: восприятие против реальности и хрупкость управления

Основная проблема всей робототехники заключается в следующем: невозможно когда-либо узнать истинное состояние окружающей среды. Программное обеспечение для управления роботом может только предполагать состояние реального мира на основе измерений, возвращаемых его датчиками.Он может только попытаться изменить состояние реального мира посредством генерации управляющих сигналов.

Программное обеспечение для управления роботом может только предполагать состояние реального мира на основе измерений, возвращаемых его датчиками.

Таким образом, одним из первых шагов в разработке системы управления является создание абстракции реального мира, известной как модель , с помощью которой можно интерпретировать показания наших датчиков и принимать решения. Пока реальный мир ведет себя в соответствии с предположениями модели, мы можем делать правильные предположения и осуществлять контроль.Однако, как только реальный мир отклонится от этих предположений, мы больше не сможем делать правильные предположения, и контроль будет утерян. Часто, когда контроль теряется, его уже невозможно восстановить. (Если его не восстановит какая-нибудь доброжелательная внешняя сила.)

Это одна из основных причин того, что программирование робототехники так сложно. Мы часто видим в лаборатории видеоролики, на которых новейший исследовательский робот демонстрирует фантастические навыки ловкости, навигации или совместной работы, и у нас возникает соблазн спросить: «Почему это не используется в реальном мире?» Что ж, в следующий раз, когда вы посмотрите такое видео, посмотрите, насколько строго контролируется лабораторная среда.В большинстве случаев эти роботы могут выполнять эти впечатляющие задачи только до тех пор, пока условия окружающей среды остаются в узких рамках его внутренней модели. Таким образом, одним из ключей к развитию робототехники является разработка более сложных, гибких и надежных моделей, и это продвижение зависит от ограничений доступных вычислительных ресурсов.

Одним из ключей к развитию робототехники является разработка более сложных, гибких и надежных моделей.

[Боковое примечание: и философы, и психологи отметили бы, что живые существа также страдают от зависимости от собственного внутреннего восприятия того, что им говорят их чувства.Многие успехи в робототехнике достигаются благодаря наблюдению за живыми существами и их реакции на неожиданные раздражители. Думаю об этом. Какова ваша внутренняя модель мира? Он отличается от муравья, а от рыбы? (Надеюсь.) Однако, подобно муравью и рыбе, он, вероятно, слишком упрощает некоторые реалии мира. Когда ваши предположения о мире неверны, вы рискуете потерять контроль над ситуацией. Иногда мы называем это «опасностью». Так же, как наш маленький робот пытается выжить в неизвестной вселенной, мы все тоже.Это мощное открытие для робототехников.]

Программируемый симулятор робота

Симулятор, который я построил, написан на Python и очень умно назван Sobot Rimulator . Вы можете найти версию 1.0.0 на GitHub. В нем не так много наворотов, но он создан для одной цели очень хорошо: обеспечивает точное моделирование мобильного робота и дает начинающему робототехнику простую основу для практики программирования программного обеспечения роботов. Хотя всегда лучше иметь настоящего робота, чтобы играть с ним, хороший симулятор робота на Python намного доступнее и является отличным местом для начала.

В реальных роботах программное обеспечение, генерирующее управляющие сигналы («контроллер»), должно работать на очень высокой скорости и производить сложные вычисления. Это влияет на выбор языков программирования роботов, которые лучше всего использовать: обычно для таких сценариев используется C ++, но в более простых робототехнических приложениях Python — очень хороший компромисс между скоростью выполнения и простотой разработки и тестирования.

Программное обеспечение, которое я написал, имитирует реального исследовательского робота под названием Khepera, но его можно адаптировать к ряду мобильных роботов с различными размерами и датчиками.Поскольку я пытался запрограммировать симулятор, максимально приближенный к возможностям реального робота, логику управления можно загрузить в настоящего робота Khepera с минимальным рефакторингом, и он будет работать так же, как моделируемый робот. Реализованные особенности относятся к Khepera III, но они могут быть легко адаптированы к новому Khepera IV.

Другими словами, программирование смоделированного робота аналогично программированию реального робота. Это очень важно, если симулятор будет использоваться для разработки и оценки различных подходов к программному обеспечению управления.

В этом руководстве я опишу архитектуру программного обеспечения для управления роботами, которая поставляется с версией 1.0.0 Sobot Rimulator , и предоставлю фрагменты из исходного кода Python (с небольшими изменениями для ясности). Тем не менее, я рекомендую вам погрузиться в источник и бездельничать. Симулятор был разветвлен и использовался для управления различными мобильными роботами, включая Roomba2 от iRobot. Точно так же, пожалуйста, не стесняйтесь разветвлять проект и улучшать его.

Управляющая логика робота ограничена следующими классами / файлами Python:

  • модели / супервайзер.py — этот класс отвечает за взаимодействие между моделируемым миром вокруг робота и самим роботом. Он развивает конечный автомат нашего робота и запускает контроллеры для вычисления желаемого поведения.
  • models / supervisor_state_machine.py — этот класс представляет различные состояний , в которых может находиться робот, в зависимости от его интерпретации датчиков.
  • Файлы в каталоге models / controllers — эти классы реализуют различное поведение робота при известном состоянии окружающей среды.В частности, в зависимости от конечного автомата выбирается конкретный контроллер.

Цель

Роботам, как и людям, нужна цель в жизни. Цель нашего программного обеспечения, управляющего этим роботом, будет очень простой: он попытается добраться до заранее определенной целевой точки. Обычно это основная функция, которой должен обладать любой мобильный робот, от автономных автомобилей до роботов-пылесосов. Координаты цели программируются в управляющем программном обеспечении до активации робота, но могут быть сгенерированы из дополнительного приложения Python, которое контролирует движения робота.Например, представьте, что он проезжает через несколько путевых точек.

Однако, чтобы усложнить ситуацию, окружение робота может быть усыпано препятствиями. Робот НЕ МОЖЕТ столкнуться с препятствием на пути к цели. Следовательно, если робот сталкивается с препятствием, ему придется найти путь, чтобы продолжить свой путь к цели.

Программируемый робот

Каждый робот имеет разные возможности и особенности управления. Давайте познакомимся с нашим смоделированным программируемым роботом.

Прежде всего следует отметить, что в этом руководстве нашим роботом будет автономный мобильный робот . Это означает, что он будет свободно перемещаться в пространстве и будет делать это под собственным контролем. Это контрастирует, скажем, с роботом с дистанционным управлением (который не является автономным) или заводским роботом-манипулятором (который не является мобильным). Наш робот должен сам выяснить, как достичь своих целей и выжить в окружающей среде. Это оказывается удивительно сложной задачей для начинающих программистов-робототехников.

Управляющие входы: датчики

Есть много разных способов, которыми робот может быть оборудован для наблюдения за окружающей средой. Это могут быть датчики приближения, датчики света, бамперы, камеры и т. Д. Кроме того, роботы могут связываться с внешними датчиками, которые дают им информацию, которую они сами не могут наблюдать.

Наш эталонный робот оснащен девятью инфракрасными датчиками. — более новая модель имеет восемь инфракрасных и пять ультразвуковых датчиков приближения — расположенных в «юбке» во всех направлениях.Есть больше датчиков, обращенных к передней части робота, чем к задней части, потому что для робота обычно более важно знать, что находится перед ним, чем то, что находится за ним.

Помимо датчиков приближения, у робота пара бегунов колес , которые отслеживают движение колес. Они позволяют отслеживать, сколько оборотов делает каждое колесо, при этом один полный оборот колеса вперед составляет 2765 тиков. Повороты в обратном направлении считают обратный отсчет, уменьшая счетчик тиков вместо того, чтобы увеличивать его.Вам не нужно беспокоиться о конкретных цифрах в этом руководстве, потому что программное обеспечение, которое мы напишем, использует пройденное расстояние, выраженное в метрах. Позже я покажу вам, как вычислить его по тикам с помощью простой функции Python.

Управляющие выходы: мобильность

Некоторые роботы передвигаются на ногах. Некоторые катятся, как мяч. Некоторые даже скользят, как змеи.

Наш робот — это робот с дифференциальным приводом, то есть он передвигается на двух колесах. Когда оба колеса вращаются с одинаковой скоростью, робот движется по прямой.Когда колеса движутся с разной скоростью, робот поворачивается. Таким образом, управление движением этого робота сводится к правильному контролю скорости вращения каждого из этих двух колес.

API

В Sobot Rimulator разделение между роботом «компьютером» и (смоделированным) физическим миром воплощено в файле robot_supervisor_interface.py , который определяет весь API для взаимодействия с датчиками и двигателями «реального робота»:

  • read_proximity_sensors () возвращает массив из девяти значений в собственном формате датчиков
  • read_wheel_encoders () возвращает массив из двух значений, указывающих общее количество тиков с начала
  • set_wheel_drive_rates (v_l, v_r) принимает два значения (в радианах в секунду) и устанавливает эти два значения для скорости левого и правого колес.

Этот интерфейс внутренне использует объект-робот, который предоставляет данные от датчиков и возможность перемещать двигатели или колеса.Если вы хотите создать другого робота, вам просто нужно предоставить другой класс робота Python, который может использоваться в том же интерфейсе, а остальная часть кода (контроллеры, супервизор и симулятор) будет работать из коробки!

Симулятор

Так же, как вы использовали бы настоящего робота в реальном мире, не уделяя слишком много внимания задействованным законам физики, вы можете игнорировать то, как моделируется робот, и просто перейти непосредственно к программированию программного обеспечения контроллера, так как это будет почти то же самое между реальным миром и симуляцией.Но если вам интересно, я кратко представлю его здесь.

Файл world.py — это класс Python, который представляет смоделированный мир с роботами и препятствиями внутри. Функция step внутри этого класса заботится о развитии нашего простого мира:

  • Применение правил физики к движениям робота
  • Учет столкновений с препятствиями
  • Предоставление новых значений для датчиков робота

В конце концов, он вызывает диспетчеров роботов, ответственных за выполнение программного обеспечения мозга робота.

Пошаговая функция выполняется в цикле, так что robot.step_motion () перемещает робота, используя скорость колеса, вычисленную супервизором на предыдущем шаге моделирования.

  # пошаговое моделирование через один временной интервал
def step (self):
dt = self.dt
# шаг всем роботам
для робота в self.robots:
# шаг движения робота
robot.step_motion (dt)

# применяем физические взаимодействия
self.physics.apply_physics ()

# ПРИМЕЧАНИЕ: супервизоры должны бежать последними, чтобы убедиться, что они наблюдают за «текущим» миром.
# шаг всем супервизорам
для руководителя в себе.руководители:
supervisor.step (dt)

# увеличить мировое время
self.world_time + = dt
  

Функция apply_physics () внутренне обновляет значения датчиков приближения робота, чтобы супервизор мог оценить окружающую среду на текущем этапе моделирования. Те же принципы применимы к кодировщикам.

Простая модель

Во-первых, у нашего робота будет очень простая модель. Он сделает много предположений о мире. Некоторые из важных включают:

  • Местность всегда ровная и даже
  • Препятствий не бывает круглых
  • Колеса не пробуксовывают
  • Ничто и никогда не сможет подтолкнуть робота к
  • Датчики никогда не выходят из строя и не дают ложных показаний
  • Колеса всегда поворачиваются, когда им говорят на

Несмотря на то, что большинство из этих предположений разумны в условиях дома, могут присутствовать круглые препятствия.Наше программное обеспечение для предотвращения препятствий имеет простую реализацию и следует за границей препятствий, чтобы обойти их. Мы подскажем читателям, как улучшить систему управления нашим роботом с помощью дополнительной проверки, позволяющей избегать круговых препятствий.

Контур управления

Теперь мы войдем в ядро ​​нашего управляющего программного обеспечения и объясним поведение, которое мы хотим запрограммировать внутри робота. В эту структуру можно добавить дополнительные модели поведения, и вы должны попробовать свои собственные идеи после того, как закончите читать! Программное обеспечение для робототехники на основе поведения было предложено более 20 лет назад и до сих пор остается мощным инструментом для мобильной робототехники.Например, в 2007 году набор моделей поведения был использован в DARPA Urban Challenge — первом соревновании для автомобилей с автономным вождением!

Робот — это динамическая система. Состояние робота, показания его датчиков и влияние его управляющих сигналов постоянно меняются. Управление ходом событий включает следующие три этапа:

  1. Подайте управляющие сигналы.
  2. Измерьте результаты.
  3. Генерировать новые управляющие сигналы, рассчитанные на то, чтобы приблизить нас к нашей цели.

Эти шаги повторяются снова и снова, пока мы не достигнем нашей цели. Чем больше раз мы сможем сделать это в секунду, тем более точным будет контроль над системой. Робот Sobot Rimulator повторяет эти шаги 20 раз в секунду (20 Гц), но многие роботы должны делать это тысячи или миллионы раз в секунду, чтобы иметь адекватный контроль. Вспомните наше предыдущее введение о разных языках программирования роботов для разных робототехнических систем и требований к скорости.

В общем, каждый раз, когда наш робот выполняет измерения с помощью своих датчиков, он использует эти измерения для обновления своей внутренней оценки состояния мира, например, расстояния от своей цели.Он сравнивает это состояние со значением ссылки того, каким хочет, чтобы состояние было (для расстояния, он хочет, чтобы оно было равно нулю), и вычисляет ошибку между желаемым состоянием и фактическим состоянием. Как только эта информация известна, создание новых управляющих сигналов может быть сведено к задаче , минимизируя ошибку , которая в конечном итоге приведет робота к цели.

Изящный трюк: упрощение модели

Чтобы управлять роботом, которого мы хотим запрограммировать, мы должны послать сигнал на левое колесо, сообщающее ему, как быстро поворачиваться, и отдельный сигнал на правое колесо, сообщающее и , как быстро вращаться.Назовем эти сигналы v L и v R . Однако постоянно мыслить категориями v L и v R очень громоздко. Вместо того, чтобы спрашивать: «С какой скоростью мы хотим, чтобы вращалось левое колесо, и с какой скоростью мы хотим, чтобы вращалось правое колесо?» естественнее спросить: «С какой скоростью мы хотим, чтобы робот двигался вперед, и с какой скоростью мы хотим, чтобы он поворачивался или менял свой курс?» Назовем эти параметры скоростью v и угловой (вращательной) скоростью ω (читается «омега»).Оказывается, мы можем основать всю нашу модель на v и ω вместо v L и v R , и только после того, как мы определили, как мы хотим, чтобы наш запрограммированный робот двигался, математически преобразовывался. эти два значения в v L и v R нам нужно для фактического управления колесами робота. Это известно как моноцикл , модель управления .

Вот код Python, реализующий окончательное преобразование в супервизоре .py . Обратите внимание, что если ω равно 0, оба колеса будут вращаться с одинаковой скоростью:

  # генерировать и отправлять роботу правильные команды
def _send_robot_commands (сам):
  # ...
  v_l, v_r = self._uni_to_diff (v, омега)
  self.robot.set_wheel_drive_rates (v_l, v_r)

def _uni_to_diff (self, v, omega):
  # v = поступательная скорость (м / с)
  # омега = угловая скорость (рад / с)

  R = self.robot_wheel_radius
  L = self.robot_wheel_base_length

  v_l = ((2.0 * v) - (омега * L)) / (2.0 * R)
  v_r = ((2,0 * v) + (омега * L)) / (2,0 * R)

  вернуть v_l, v_r
  

Оценка состояния: робот, познай себя

Используя свои датчики, робот должен попытаться оценить состояние окружающей среды, а также свое собственное состояние. Эти оценки никогда не будут идеальными, но они должны быть достаточно хорошими, потому что робот будет основывать все свои решения на этих оценках. Используя только свои датчики приближения и бегущие строки колес, он должен попытаться угадать следующее:

  • Направление на препятствия
  • Расстояние до препятствий
  • Положение робота
  • Заголовок робота

Первые два свойства определяются показаниями датчика приближения и довольно просты.Функция API read_proximity_sensors () возвращает массив из девяти значений, по одному для каждого датчика. Мы заранее знаем, что седьмое показание, например, соответствует датчику, который указывает на 75 градусов вправо от робота.

Таким образом, если это значение показывает значение, соответствующее расстоянию 0,1 метра, мы знаем, что есть препятствие на расстоянии 0,1 метра, 75 градусов влево. Если препятствий нет, датчик вернет значение максимальной дальности 0,2 метра.Таким образом, если мы прочитаем 0,2 метра на датчике 7, мы предположим, что на самом деле препятствий в этом направлении нет.

Из-за того, как работают инфракрасные датчики (измерение инфракрасного отражения), возвращаемые ими числа являются нелинейным преобразованием фактического обнаруженного расстояния. Таким образом, функция Python для определения указанного расстояния должна преобразовывать эти показания в метры. Это делается в supervisor.py следующим образом:

  # обновить расстояния, указанные датчиками приближения
def _update_proximity_sensor_distances (самостоятельно):
    себя.близости_sensor_distances = [0,02- (журнал (значение чтения / 3960,0)) / 30,0 для
        readval в self.robot.read_proximity_sensors ()]
  

Опять же, у нас есть конкретная модель датчика в этой среде роботов Python, в то время как в реальном мире датчики поставляются с сопутствующим программным обеспечением, которое должно обеспечивать аналогичные функции преобразования из нелинейных значений в счетчики.

Определение положения и направления робота (вместе известное как поза , в программировании робототехники) несколько сложнее.Наш робот использует одометрию , чтобы оценить свою позу. Вот здесь-то и появляются бегущие строки колес. Измеряя, на сколько каждое колесо повернулось с момента последней итерации цикла управления, можно получить хорошую оценку того, как изменилась поза робота, — но только в том случае, если изменение небольшое. .

Это одна из причин, по которой важно очень часто повторять цикл управления в реальном роботе, где двигатели, вращающие колеса, могут быть несовершенными. Если бы мы слишком долго ждали, чтобы измерить тикеры колес, оба колеса могли бы сделать довольно много, и было бы невозможно оценить, где мы оказались.

Имея наш текущий программный симулятор, мы можем позволить выполнить расчет одометрии при 20 Гц — той же частоте, что и контроллеры. Но было бы неплохо иметь отдельный поток Python, работающий быстрее, чтобы улавливать более мелкие движения тикеров.

Ниже приведена полная функция одометрии в supervisor.py , которая обновляет оценку позы робота. Обратите внимание, что поза робота состоит из координат x и y и заголовка theta , который измеряется в радианах от положительной оси X.Положительное значение x расположено на востоке, а положительное значение y — на севере. Таким образом, заголовок 0 указывает на то, что робот смотрит прямо на восток. Робот всегда принимает исходную позу (0, 0), 0 .

  # обновить расчетное положение робота, используя показания датчика положения колеса
def _update_odometry (самостоятельно):
  R = self.robot_wheel_radius
  N = плавающее (self.wheel_encoder_ticks_per_revolution)
  
  # считываем значения энкодера колеса
  ticks_left, ticks_right = self.robot.read_wheel_encoders ()
  
  # получить разницу в тиках с последней итерации
  d_ticks_left = ticks_left - self.prev_ticks_left
  d_ticks_right = ticks_right - self.prev_ticks_right
  
  # оценить движения колеса
  d_left_wheel = 2 * pi * R * (d_ticks_left / N)
  d_right_wheel = 2 * pi * R * (d_ticks_right / N)
  d_center = 0,5 * (d_left_wheel + d_right_wheel)
  
  # рассчитываем новую позу
  prev_x, prev_y, prev_theta = self.estimated_pose.scalar_unpack ()
  new_x = prev_x + (d_center * cos (prev_theta))
  new_y = prev_y + (d_center * sin (prev_theta))
  new_theta = prev_theta + ((d_right_wheel - d_left_wheel) / self.robot_wheel_base_length)
  
  # обновить оценку позы с новыми значениями
  self.estimated_pose.scalar_update (new_x, new_y, new_theta)
  
  # сохраняем текущий счетчик тиков для следующей итерации
  self.prev_ticks_left = ticks_left
  self.prev_ticks_right = ticks_right
  

Теперь, когда наш робот может дать точную оценку реального мира, давайте воспользуемся этой информацией для достижения наших целей.

Методы программирования роботов на Python: поведение при достижении цели

Высшая цель существования нашего маленького робота в этом руководстве по программированию — добраться до цели.Так как же заставить колеса повернуться, чтобы добраться туда? Давайте начнем с небольшого упрощения нашего мировоззрения и предположим, что на пути нет препятствий.

Это становится простой задачей и может быть легко запрограммировано на Python. Если мы пойдем вперед, глядя на цель, мы доберемся до нее. Благодаря одометрии мы знаем наши текущие координаты и направление. Мы также знаем координаты цели, потому что они были запрограммированы заранее. Поэтому, используя небольшую линейную алгебру, мы можем определить вектор от нашего местоположения к цели, как в go_to_goal_controller.py :

  # вернуть вектор курса к цели в системе отсчета робота
def calculate_gtg_heading_vector (сам):
  # получаем обратную позу робота
  robot_inv_pos, robot_inv_theta = self.supervisor.estimated_pose (). inverse (). vector_unpack ()
  
  # вычисляем вектор цели в системе отсчета робота
  цель = self.supervisor.goal ()
  goal = linalg.rotate_and_translate_vector (цель, robot_inv_theta, robot_inv_pos)
  
  возвратный гол
  

Обратите внимание, что мы получаем вектор к цели в системе отсчета робота, а НЕ в мировых координатах.Если цель находится на оси X в системе отсчета робота, это означает, что она находится прямо перед роботом. Таким образом, угол этого вектора от оси X — это разница между нашим курсом и тем курсом, которым мы хотим быть. Другими словами, это ошибка между нашим текущим состоянием и тем, каким мы хотим видеть текущее состояние. Поэтому мы хотим, чтобы скорректировал нашу скорость поворота ω так, чтобы угол между нашим курсом и целью изменился в сторону 0. Мы хотим минимизировать ошибку:

  # вычислить условия ошибки
theta_d = atan2 (сам.gtg_heading_vector [1], self.gtg_heading_vector [0])

# вычислить угловую скорость
omega = self.kP * theta_d
  

self.kP в приведенном выше фрагменте реализации контроллера Python является усилением управления. Это коэффициент, который определяет, насколько быстро мы перейдем к соотношению и к тому, насколько далеко от цели, которая стоит перед нами. Если в нашем заголовке ошибка 0 , то скорость поворота тоже 0 . В реальной функции Python внутри файла go_to_goal_controller.py , вы увидите больше аналогичных приростов, поскольку мы использовали ПИД-регулятор вместо простого пропорционального коэффициента.

Теперь, когда у нас есть угловая скорость ω , как нам определить нашу поступательную скорость v ? Хорошее общее эмпирическое правило — это то, которое вы, вероятно, знаете инстинктивно: если мы не делаем поворот, мы можем двигаться вперед на полной скорости, и чем быстрее мы поворачиваем, тем больше нам следует замедляться. Это обычно помогает нам поддерживать стабильность нашей системы и действовать в рамках нашей модели.Таким образом, v является функцией ω . В go_to_goal_controller.py уравнение:

  # вычислить скорость поступательного движения
# скорость равна v_max, когда omega равно 0,
# быстро падает до нуля как | omega | поднимается
v = self.supervisor.v_max () / (абс (омега) + 1) ** 0,5
  

Предлагается уточнить эту формулу, чтобы учесть, что мы обычно замедляемся, когда приближаемся к цели, чтобы достичь ее с нулевой скоростью. Как бы изменилась эта формула? Он должен каким-то образом включать замену v_max () чем-то, пропорциональным расстоянию.Хорошо, мы почти завершили единственный контур управления. Осталось только преобразовать эти два параметра модели одноколесного велосипеда в дифференциальные скорости колес и послать сигналы на колеса. Вот пример траектории робота под управлением контроллера перехода к цели без препятствий:

Как мы видим, вектор к цели является для нас эффективным ориентиром, на котором основываются наши контрольные вычисления. Это внутреннее представление о том, «куда мы хотим идти». Как мы увидим, единственное существенное различие между поведением к цели и другим поведением состоит в том, что иногда движение к цели — плохая идея, поэтому мы должны вычислить другой опорный вектор.

Методы программирования роботов на Python: поведение без препятствий

Показательный пример — движение к цели, когда в этом направлении есть препятствие. Вместо того, чтобы бросаться с головой в препятствия на нашем пути, давайте попробуем запрограммировать закон управления, который заставляет робота избегать их.

Чтобы упростить сценарий, давайте теперь полностью забудем о целевой точке и просто сделаем следующую нашу цель: Когда перед нами нет препятствий, двигайтесь вперед. Когда встретите препятствие, отворачивайтесь от него, пока оно не исчезнет перед нами.

Соответственно, когда перед нами нет препятствий, мы хотим, чтобы наш опорный вектор просто указывал вперед. Тогда ω будет нулевым, а v будет максимальной скоростью. Однако, как только мы обнаруживаем препятствие с помощью наших датчиков приближения, мы хотим, чтобы опорный вектор указывал в любом направлении от препятствия. Это заставит ω взлететь вверх, чтобы отклонить нас от препятствия, и заставит v упасть, чтобы убедиться, что мы случайно не натолкнемся на препятствие в процессе.

Изящный способ сгенерировать желаемый опорный вектор — это преобразовать наши девять показаний близости в векторы и получить взвешенную сумму. Когда препятствий не обнаружено, векторы будут суммироваться симметрично, в результате чего будет получен опорный вектор, указывающий прямо вперед по желанию. Но если датчик, скажем, на правой стороне улавливает препятствие, он вносит меньший вектор в сумму, и результатом будет опорный вектор, смещенный влево.

Для обычного робота с другим размещением датчиков можно применить ту же идею, но может потребоваться изменение веса и / или дополнительная осторожность, когда датчики симметричны спереди и сзади робота, поскольку взвешенная сумма может стать нуль.

Вот код, который делает это в escape_obstacles_controller.py :

  # коэффициент усиления (веса) датчика
self.sensor_gains = [1.0+ ((0.4 * абс (p.theta)) / пи)
                      для p в supervisor.proximity_sensor_placements ()]

# ...

# возвращаем вектор уклонения от препятствий в системе отсчета робота
# также возвращает векторы к обнаруженным препятствиям в системе отсчета робота
def calculate_ao_heading_vector (сам):
  # инициализировать вектор
  Препятствие_векторах = [[0.0, 0,0]] * len (self.proximity_sensor_placements)
  ao_heading_vector = [0,0, 0,0]
  
  # получаем расстояния, обозначенные показаниями сенсоров робота
  sensor_distances = self.supervisor.proximity_sensor_distances ()
  
  # вычислить положение обнаруженных препятствий и найти вектор уклонения
  robot_pos, robot_theta = self.supervisor.estimated_pose (). vector_unpack ()
  
  для i в диапазоне (len (sensor_distances)):
    # вычисляем положение препятствия
    sensor_pos, sensor_theta = self.близости_sensor_placements [i] .vector_unpack ()
    vector = [sensor_distances [i], 0,0]
    vector = linalg.rotate_and_translate_vector (vector, sensor_theta, sensor_pos)
    Препятствие_вектора [i] = вектор # сохранить векторы препятствия в системе отсчета робота
    
    # накапливаем вектор курса в системе отсчета робота
    ao_heading_vector = linalg.add (ao_heading_vector,
                                 linalg.scale (вектор, self.sensor_gains [i]))
                                 
  вернуть ao_heading_vector, преподобный_вектор
  

Используя полученный результат ao_heading_vector в качестве эталона для робота, чтобы попытаться сопоставить, вот результаты запуска программного обеспечения робота в симуляции с использованием только контроллера избегания препятствий, полностью игнорируя целевую точку.Робот бесцельно подпрыгивает, но никогда не сталкивается с препятствием и даже умудряется перемещаться в очень ограниченном пространстве:

Методы программирования роботов на Python: гибридные автоматы (конечный автомат поведения)

До сих пор мы описали два поведения — стремление к цели и избегание препятствий — по отдельности. Оба они превосходно выполняют свои функции, но для того, чтобы успешно достичь цели в среде, полной препятствий, нам необходимо объединить их.

Решение, которое мы разработаем, относится к классу машин, который имеет в высшей степени классное обозначение гибридные автоматы .Гибридный автомат запрограммирован с несколькими различными поведениями или режимами, а также с контролирующим конечным автоматом. Конечный автомат контроля переключается из одного режима в другой в дискретные моменты времени (когда цели достигнуты или окружающая среда внезапно изменилась слишком сильно), в то время как каждое поведение использует датчики и колеса для непрерывной реакции на изменения окружающей среды. Решение было названо hybrid , потому что оно развивается как дискретным, так и непрерывным образом.

Наша платформа роботов Python реализует конечный автомат в файле supervisor_state_machine.py .

Имея два наших удобных поведения, простая логика напрашивается сама собой: Когда препятствие не обнаружено, используйте поведение перехода к цели. При обнаружении препятствия переключитесь на поведение избегания препятствий до тех пор, пока препятствие не перестанет обнаруживаться.

Однако оказывается, что эта логика вызовет множество проблем. Что эта система будет иметь тенденцию делать, когда сталкивается с препятствием, так это отвернуться от него, а затем, как только она отошла от него, развернуться назад и снова столкнуться с ним.В результате получается бесконечный цикл быстрого переключения, который делает робота бесполезным. В худшем случае робот может переключаться между поведением с помощью на каждой итерации контура управления — состояние, известное как условие Зенона .

Есть несколько решений этой проблемы, и читатели, которые ищут более глубокие знания, должны проверить, например, архитектуру программного обеспечения DAMN.

Для нашего простого смоделированного робота нам нужно более простое решение: еще одно поведение, специализирующееся на задаче обойти вокруг препятствия и достичь другой стороны.

Методы программирования роботов на Python: поведение следования за стеной

Вот идея: когда мы сталкиваемся с препятствием, снимаем показания двух датчиков, которые находятся ближе всего к препятствию, и используем их для оценки поверхности препятствия. Затем просто установите наш опорный вектор параллельно этой поверхности. Продолжайте следовать по этой стене, пока A) препятствие больше не будет между нами и целью, и B) мы не приблизимся к цели, чем были в начале. Тогда мы можем быть уверены, что правильно преодолели препятствие.

Имея ограниченную информацию, мы не можем с уверенностью сказать, будет ли быстрее объехать препятствие слева или справа. Чтобы определиться, мы выбираем направление, которое сразу приблизит нас к цели. Чтобы выяснить, в каком направлении это происходит, нам нужно знать опорные векторы поведения движения к цели и поведения избегания препятствий, а также оба возможных опорных вектора следования за стеной. Вот иллюстрация того, как принимается окончательное решение (в этом случае робот решит пойти налево):

Определение опорных векторов следящей стены оказывается немного сложнее, чем опорные векторы обхода препятствий или движения к цели.Взгляните на код Python в follow_wall_controller.py , чтобы увидеть, как это делается.

Дизайн окончательного контроля

Окончательный дизайн управления использует поведение следящей стены почти для всех столкновений с препятствиями. Однако, если робот окажется в узком месте, опасно близко к столкновению, он переключится в режим чистого избегания препятствий, пока не окажется на более безопасном расстоянии, а затем вернется к следящей стене. После успешного преодоления препятствий робот переходит к цели.Вот диаграмма окончательного состояния, которая запрограммирована внутри supervisor_state_machine.py :

Вот робот, успешно перемещающийся в многолюдной среде, используя эту схему управления:

Дополнительная функция конечного автомата, которую вы можете попробовать реализовать, — это способ избежать круговых препятствий, переключившись на достижение цели как можно скорее вместо того, чтобы следовать за границей препятствия до конца (чего не существует для круглых объектов. !)

Твик, твик, твик: пробная версия и ошибка

Схема управления, поставляемая с Sobot Rimulator, очень точно настроена.Потребовалось много часов, чтобы настроить одну маленькую переменную здесь и другое уравнение там, чтобы заставить ее работать так, как я был удовлетворен. Программирование робототехники часто связано с большим количеством простых старых проб и ошибок. Роботы очень сложны, и есть несколько способов заставить их вести себя оптимальным образом в среде симулятора роботов … по крайней мере, не намного меньше машинного обучения, но это совсем другая баня червей.

Робототехника часто связана с большим количеством простых старых проб и ошибок.

Я рекомендую вам поиграть с контрольными переменными в Sobot Rimulator, понаблюдать и попытаться интерпретировать результаты. Все изменения следующих элементов оказывают сильное влияние на поведение моделируемого робота:

  • Коэффициент усиления ошибки кП в каждом контроллере
  • Коэффициент усиления датчика, используемый контроллером объезда препятствий
  • Расчет v как функции ω в каждом контроллере
  • Расстояние от препятствия, используемое контроллером следящей стены
  • Условия переключения, используемые supervisor_state_machine.ру
  • Практически все остальное

При отказе программируемых роботов

Мы проделали большую работу, чтобы добраться до этого момента, и этот робот кажется довольно умным. Тем не менее, если вы запустите Sobot Rimulator на нескольких случайных картах, вскоре вы найдете ту, с которой этот робот не сможет справиться. Иногда он заезжает прямо в крутые повороты и сталкивается. Иногда он просто бесконечно колеблется взад и вперед не с той стороны препятствия. Иногда его законно заключают в тюрьму без возможности достижения цели.После всего нашего тестирования и настройки иногда мы должны прийти к выводу, что модель, с которой мы работаем, просто не подходит для работы, и мы должны изменить дизайн или добавить функциональность.

Во вселенной мобильных роботов «мозг» нашего маленького робота находится на более простом конце спектра. Многие из возникающих сбоев можно было бы преодолеть, добавив в систему более совершенное программное обеспечение. Более продвинутые роботы используют такие методы, как отображение , чтобы запоминать, где он был, и избегать повторения одних и тех же вещей снова и снова; эвристика , чтобы генерировать приемлемые решения, когда идеального решения не найдено; и машинное обучение , чтобы более точно настроить различные параметры управления, управляющие поведением робота.

Образец того, что будет дальше

Роботы уже так много делают для нас, и только в будущем они будут делать еще больше. Хотя даже базовое программирование робототехники — сложная область изучения, требующая большого терпения, это также увлекательная и очень полезная область.

В этом руководстве мы узнали, как разработать программное обеспечение для реактивного управления роботом, используя язык программирования высокого уровня Python. Но есть много более сложных концепций, которые можно быстро изучить и протестировать с помощью фреймворка роботов Python, аналогичного тому, который мы здесь прототипировали.Я надеюсь, что вы подумаете об участии в формировании будущего!


Благодарность: Я хотел бы поблагодарить доктора Магнуса Эгерштедта и Жан-Пьера де ла Круа из Технологического института Джорджии за то, что они научили меня всему этому, и за их энтузиазм по поводу моей работы над Sobot Rimulator.

Какие существуют методы программирования для роботов?

Как говорится, «есть более одного способа снять шкуру с кошки» . Вы также можете сказать «есть больше , чем один способ запрограммировать робота» .Это было бы так же верно и меньше беспокоило бы кошку. Каковы преимущества и недостатки каждого метода программирования? В этом посте мы рассмотрим три наиболее популярных способа программирования промышленного и коллаборативного робота s.

Когда большинство людей думают о «программировании», они думают о вводе строк кода в компьютер. Хотя это все еще самый популярный способ программирования, это далеко не единственный способ. Для некоторых ранних программистов «написание программы» означало проделывать множество отверстий в длинных полосках бумаги и загружать их в компьютер.«Перезагрузить программу» означало наматывать полоски обратно на катушку, а это означало, что профессиональная опасность для программистов заключалась в том, что порезы на бумаге.

С тех пор программирование современной робототехники прошло долгий путь. Но, в конце концов, каждая инструкция по робототехнике заканчивается единицами и нулями внутри какой-то низкоуровневой электроники. В наши дни есть много разных способов ввести эти двоичные биты в робота. Некоторые из них даже не требуют формального знания программирования.

Три основных метода программирования роботов

В программировании роботов произошел переход от низкоуровневого программирования к более интуитивным методам.Этот шаг частично был вызван желанием упростить программирование для операторов. Операторы роботов не всегда являются производителями роботов, а производители роботов не всегда являются лучшими людьми для программирования конкретной задачи. Например, было бы гораздо лучше поручить художнику программировать рисовальщика, чем программисту, не имеющему опыта рисования. Традиционные методы программирования будут ограничивать такие операторы.

Каждый метод программирования имеет свои преимущества и недостатки.Вот три популярных метода программирования роботов, для которых, конечно, не нужны полоски перфорированной бумаги.

1. Обучающий кулон

Самый популярный метод программирования роботов — это, вероятно, кулон для обучения. По данным Британской ассоциации автоматизации и роботов, более 90% роботов программируются с использованием этого метода. Подвеска для обучения роботов сильно изменилась за время своего существования, но часто состоит из того, что выглядит как гигантский портативный калькулятор.Ранние подвески представляли собой большие серые коробки с хранением на магнитной ленте. Современные кулоны для обучения больше похожи на планшет с сенсорным экраном, поскольку технология разработана для постоянно развивающихся пользователей. Чтобы запрограммировать робота, оператор перемещает его от точки к точке, используя кнопки на подвеске, чтобы перемещать его и сохранять каждое положение отдельно. Когда вся программа изучена, робот может воспроизводить точки на полной скорости.

Преимущества обучающего кулона

  • Большинство традиционных промышленных роботов поставляются с обучающим пультом, что делает их знакомыми для технических специалистов.
  • Они обеспечивают точное позиционирование, поскольку робот может быть запрограммирован с использованием числовых координат в мировых координатах, координатах робота или в другой системе координат.
  • Подвески
  • Teach отлично подходят для простых движений, таких как рисование по прямой линии или по большой плоской поверхности.

Недостатки обучающей подвески

  • Нарушение работы всей системы из-за простоя робота. Робот должен быть переведен в «режим обучения», и все операции с использованием робота должны быть остановлены до тех пор, пока он не будет запрограммирован.
  • Для обучения и программирования требуется обучение.
  • Может оказаться трудным для квалифицированных мастеров, незнакомых с программированием.

2. Моделирование / автономное программирование

Автономное программирование или моделирование чаще всего используется в исследованиях робототехники, чтобы убедиться, что передовые алгоритмы управления работают правильно, прежде чем переносить их на настоящего робота. Однако он также используется в промышленности для сокращения времени простоя и повышения эффективности.Это может быть особенно полезным методом для малых и средних предприятий, поскольку роботов с большей вероятностью придется перенастраивать несколько раз, чем в условиях массового производства. Автономное программирование означает, что это не слишком мешает производству. Автономное программирование позволяет программировать робота с помощью виртуального макета робота и задачи. Если программное обеспечение для моделирования интуитивно понятно, это может быть быстрый способ проверить идею, прежде чем передавать ее роботу.

Некоторые современные пакеты моделирования довольно просты в использовании. На этом видео показано программное обеспечение RoboDK с двумя роботами, выполняющими подбор и укладку с конвейерной ленты. Моделирование можно настроить за считанные минуты, как только вы познакомитесь с программным обеспечением, используя библиотеку обычных роботов и объектов.

Некоторые симуляторы также позволяют вводить часть САПР, и система автоматически генерирует траектории робота. Это может еще больше повысить эффективность программирования.

Преимущества автономного программирования

  • Сокращает время простоя, необходимое для программирования роботов.Программы разрабатываются в автономном режиме, поэтому робота нужно останавливать только на время загрузки и тестирования новой программы.
  • Может быть довольно интуитивно понятным, особенно если робота можно перемещать в среде 3D CAD с помощью методов перетаскивания.
  • Легко протестировать множество различных подходов к одной и той же проблеме, что было бы неэффективно для методов онлайн-программирования.

Недостатки автономного программирования

  • Виртуальные модели (вероятно) никогда не смогут представить реальный мир со 100% точностью.После того, как они будут применены к реальному роботу, возможно, потребуется изменить программы.
  • В целом может потребоваться больше времени. Хотя автономное программирование сокращает время простоя робота, это означает, что кому-то приходится тратить дополнительное время на разработку симуляции, а также на ее тестирование на роботе.
  • Иногда может тратить время на решение проблем симулятора вместо решения производственных задач. Это может быть связано с качеством симулятора.

3.Обучение

посредством демонстрации

Обучение путем демонстрации (и более конкретных методов, таких как обучение Kinetiq) предлагает интуитивно понятное дополнение к классическому кулону для обучения. Эти методы включают перемещение робота вокруг либо путем манипулирования датчиком силы или джойстиком, прикрепленным к запястью робота чуть выше конца e ffector. Как и в случае с подвесным пультом обучения, оператор сохраняет каждую позицию в компьютере робота.Многие коллаборативные роботы внедрили этот метод программирования в своих роботов, поскольку операторы могут сразу же начать использовать робота со своими приложениями.

Преимущества обучения посредством демонстрации

  • Быстрее традиционных кулонов для обучения. Это устраняет необходимость многократного нажатия кнопок, позволяя оператору просто перемещать робота в желаемое положение.
  • Более интуитивно понятный, чем традиционные обучающие подвески и программы моделирования, поскольку задача программируется почти так же, как ее выполнял бы человек-оператор.Это упрощает обучение операторов. Как правило, этот метод не требует знания концепций программирования или знакомства со средами 3D CAD (как при моделировании).
  • Очень хорошо подходит для детализированных задач, требующих большого количества строк кода для достижения того же эффекта, таких как сварка или рисование сложных форм.

Недостатки обучения посредством демонстрации

  • Как и в случае с традиционным обучающим пультом, в этом методе для программирования используется физический робот.Это означает, что он не сокращает время простоя в такой степени, как автономное программирование.
  • Перемещение робота к точным координатам не так просто, как с другими методами. Это особенно верно для некоторых систем на основе джойстика, где нет возможности ввести числовое значение. Обучение Kinetiq сочетает в себе эти функции, позволяя вводить точные числовые координаты вместе с координатами на основе позиционирования.
  • Не очень подходит для задач, которые «алгоритмические» по своей природе.Например, если роботу нужно было рисовать плоскую поверхность, двигаясь горизонтально по поверхности, затем опускаться на дюйм вниз, перемещаться горизонтально в противоположном направлении и т. Д. Перемещение робота вручную было бы трудным и неточным для такой задачи.

Какой метод программирования выбрать?

Как и все в робототехнике, лучший метод будет сильно зависеть от вашей задачи, робота и требований. Используйте преимущества и недостатки, перечисленные в этом посте, чтобы решить, какой метод подойдет вашему приложению.Если сокращение времени простоя является для вас наиболее важным фактором, лучшим вариантом может стать автономное программирование. Если интуитивное программирование более важно, вам больше подойдет обучение посредством демонстрации. Если у вас есть алгоритмическая задача и вам нужен знакомый интерфейс, обучающий кулон может стать хорошим выбором. Дополнительную информацию о совместных роботах и ​​их интуитивно понятном интерфейсе программирования можно найти в электронной книге ниже.

Какой метод программирования роботов вы предпочитаете? Есть ли какие-либо другие методы, которые вы используете, но не упомянутые в этом посте? Как вы думаете, в чем заключаются преимущества и недостатки каждого метода? Расскажите нам в комментариях ниже или присоединитесь к обсуждению в LinkedIn, Twitter или Facebook.

Какой лучший язык программирования для робототехники?

Вам нужно запрограммировать робота, но вы не знаете, какой язык выбрать?

Не знаете, какие языки доступны?

Нет простого ответа, но вот 10 самых популярных языков программирования для робототехники.

Какой язык программирования лучший? Это вопрос, который многие новички в робототехнике задают хотя бы раз в своей карьере, но однозначного ответа на него нет.

Но это вполне резонный вопрос. В конце концов, какой смысл тратить много времени и усилий на изучение нового языка программирования, если оказывается, что вы никогда не собираетесь его использовать?

Если вы новичок в робототехнике, вы хотите изучить языки программирования, которые действительно будут полезны для вашей карьеры.

Почему вы никогда не получите простого ответа от робототехники

Когда я опубликовал первую версию этой статьи в 2016 году, я знал, что она будет неоднозначной.С тех пор огромное количество комментариев ниже и множество статей-подражателей, опубликованных в других местах в Интернете, позволяют предположить, что я был прав …

… многие люди не согласны с тем, что является «лучшим языком программирования для робототехники».

К сожалению, вы никогда не получите простого ответа, если спросите: «Какой язык программирования для робототехники лучший?» для целой комнаты профессионалов в области робототехники (или на таких форумах, как Stack Overflow, Quora, Trossen, Reddit или Research Gate).

Инженеры-электронщики дадут другой ответ, чем промышленные роботы.

Программисты компьютерного зрения дадут другой ответ, чем специалисты по когнитивным роботам.

В конце концов, ответ, с которым согласны самые умные люди, — «это зависит от обстоятельств».

Это наиболее реалистичный ответ. Это зависит от того, какое приложение вы хотите разработать. Это зависит от того, какую систему вы используете. Это зависит от ваших личных предпочтений.

Но это также довольно бесполезный ответ для нового робототехника, который пытается решить, какой язык выучить в первую очередь.Вы, вероятно, читаете эту статью, потому что хотите начать программировать роботов и не знаете, какой язык выбрать.

Какой язык программирования я должен выучить в первую очередь?

Мой совет — не спрашивать, какой язык программирования «лучший». Лучше задать вопрос: Какой язык программирования мне начать изучать сейчас?

Мнения по-прежнему расходятся, но многие робототехники могут прийти к единому мнению о ключевых языках.

Но сначала поясните, почему вы хотите изучать программирование роботов:

1.Если вы просто хотите запустить одного робота

Если вы используете только одного робота для своего бизнеса, лучший язык для изучения — это тот, который поможет вам начать работу в кратчайшие сроки. В этом случае вам может даже не понадобиться изучать язык программирования. Например, с помощью технологии ручного управления вы можете перемещать коллаборативного робота вручную. Никакого текстового программирования не требуется.

2. Если вы хотите начать карьеру в робототехнике

Самым важным для профессиональных робототехников является развитие «Программного мышления», а не владение одним конкретным языком, как я объяснял в статье об основных робототехнических навыках.

Во многих смыслах не имеет значения, какой язык программирования вы изучаете в первую очередь. Каждый изучаемый вами язык развивает ваши навыки программирования и облегчает изучение любого нового языка, когда это необходимо.

В этом случае выучите тот язык, который больше всего подходит для вашего следующего проекта.

Как я делал выводы по этой статье

Первоначальная версия этой статьи — одной из наших самых популярных статей — была основана как на моем опыте в области робототехники, так и на опыте моих коллег в сочетании со многими мнениями, которые я нашел на онлайн-форумах.

Для этой обновленной версии статьи я привел некоторые более объективные данные о наиболее популярных языках программирования среди инженеров и о наиболее распространенных языках программирования на момент написания. Я также исследовал новые языки, которые появляются со времени выхода первой версии этой статьи.

Эти новые данные изменили некоторые элементы в списке, но не сильно. Те же языки программирования остаются такими же популярными, как и на момент написания первой версии.

Также стоит отметить, что некоторые широко популярные языки не используются в робототехнике. Например, Javascript и PHP широко используются в веб-разработке, но почти не используются в робототехнике.

10 самых популярных языков программирования в робототехнике

В мире более 1500 языков программирования, и это слишком много для изучения.

Вот десять самых популярных языков программирования в робототехнике на данный момент. Если вашего любимого языка нет в списке, расскажите о нем всем в комментариях! Каждый язык имеет разные преимущества для робототехники.Я расположил их примерно в порядке важности от наименее к наиболее ценным.

10.Паскаль

Pascal был одним из первых языков программирования, которые я когда-либо изучал. Однако я включил его сюда не поэтому. Это основа для нескольких языков промышленных роботов (см. Номер 8 ниже). В результате это все еще неплохая отправная точка, если вы собираетесь программировать промышленных роботов.

Pascal — это базовый язык (буквально основанный на языке BASIC), разработанный для поощрения хороших практик программирования.

В наши дни Паскаль слишком устарел, чтобы его можно было использовать в повседневной жизни. Однако это может быть полезно, если вы хотите познакомиться с другими языками промышленных роботов, не привязываясь к одному конкретному бренду роботов.

9. Царапина

Совершенно новая запись в этом списке, Scratch используется тысячами начинающих робототехников по всему миру каждый год. Этот язык визуального программирования специально разработан для начинающих программистов — ориентирован на пользователей в возрасте от 8 до 16 лет — и часто является языком, который выбирают в школьных классах технологий и клубах робототехники.

Программирование с нуля достигается перетаскиванием блоков и соединением их вместе. «Под капотом» он написан на комбинации Squeak (диалект Smalltalk), ActionScript и Javascript.

Хотя вы, вероятно, не собираетесь писать какие-либо программы для промышленных роботов на Scratch, это невероятно хороший и популярный язык для начинающих и открывает путь для многих наших будущих инженеров-робототехников.

8. Языки промышленных роботов

Практически каждый производитель роботов разработал свой собственный язык программирования роботов, который долгое время был одной из проблем промышленной робототехники.Вы можете познакомиться с некоторыми из них, изучив Паскаль. Однако вам все равно придется изучать новый язык каждый раз, когда вы начнете использовать новый бренд роботов.

ABB имеет свой язык программирования RAPID. У Куки есть KRL (язык роботов Кука). Comau использует PDL2, Yaskawa использует INFORM, а Kawasaki использует AS. Затем роботы Fanuc используют Karel, роботы Stäubli используют VAL3, а универсальные роботы используют URScript.

В последние годы более универсальные варианты программирования, такие как ROS Industrial, автономное программирование, не зависящее от производителя, и ручное управление, начали предоставлять программистам более стандартизованные возможности.Однако, если вы технический специалист, вам все равно придется использовать язык производителя.

7. LISP и Prolog

Искусственный интеллект (ИИ) в последнее время действительно набирает популярность. Это означает, что языки программирования AI, такие как LISP и Prolog, начинают возвращаться в наборы инструментов программирования.

LISP — второй старейший язык программирования в мире (FORTRAN старше, но всего на год).Части ROS (Операционная система роботов) написаны на LISP, хотя вам не нужно знать его, чтобы использовать ROS.

Prolog — это язык логического программирования, который позволяет программистам представлять «знания» в форме, понятной алгоритму ИИ. Пролог использовался как часть программирования в IBM Watson AI.

Также можно запрограммировать искусственный интеллект, используя некоторые другие языки из этого списка и другие, не указанные в списке. Однако LISP и Prolog остаются ядром некоторых реализаций ИИ и, безусловно, заслуживают своего места в этом списке.Также стоит помнить, что робототехника и ИИ — это не одно и то же.

6. Языки описания оборудования (HDL)

Язык описания аппаратного обеспечения — это, по сути, способ программирования описания электроники. Эти языки будут хорошо знакомы инженерам-электронщикам, создающим низкоуровневую электронику роботов.

HDL обычно используются для программирования программируемых вентильных матриц (FPGA). Эти устройства позволяют разрабатывать электронное оборудование без необходимости фактически производить кремниевый чип, что делает их более быстрым и простым вариантом для некоторых задач разработки.

Если вы не создаете прототипы роботизированной электроники в своей работе, вы никогда не сможете использовать HDL. Тем не менее, важно знать, что они существуют, поскольку они сильно отличаются от других языков программирования. Во-первых, все операции выполняются параллельно, а не последовательно, как в языках с процессором.

5. MATLAB

MATLAB (и его родственники с открытым исходным кодом, такие как Octave) очень популярны среди некоторых инженеров-роботов для анализа данных и разработки систем управления.Он широко используется в исследованиях и обработке данных. Он также широко используется в некоторых университетских курсах.

Для робототехники существует также очень популярный набор инструментов Robotics Toolbox для MATLAB. Я знаю людей, которые разработали целые робототехнические системы, используя только MATLAB. Если вы хотите анализировать данные, создавать расширенные графики или внедрять системы управления, вы, вероятно, захотите изучить MATLAB.

4. C # /. NET

C # — это проприетарный язык программирования, предоставляемый Microsoft.Я включаю C # /. NET сюда по двум причинам:

  1. Это основной язык Microsoft Robotics Developer Studio. Если вы собираетесь использовать эту систему, вам, вероятно, придется использовать C #.
  2. Он используется в качестве основы для некоторых движков виртуальной реальности, таких как Unity, популярность которых сейчас растет.
C # — не самый простой вариант для изучения в первую очередь, поскольку это сложный язык. Обычно я рекомендую сначала изучить C / C ++. Однако в некоторых областях робототехники это, безусловно, необходимо.

3. Java

Если вы пришли к робототехнике из-за информатики (а многие люди так и поступают), вы, вероятно, сначала выучили Java.

Как инженер-электронщик, я никогда не разбирался в Java. Я всегда предпочитал языки, которые позволяли программировать более низкого уровня и больше контроля, например C. Это хороший пример того, как люди из разных дисциплин в робототехнике имеют разные предпочтения в программировании — просто потому, что мне это не нравится, это не значит ты не должен.

Подобно C # и MATLAB, Java является интерпретируемым языком, что означает, что он не компилируется в машинный код. Скорее виртуальная машина Java интерпретирует инструкции во время выполнения, что позволяет использовать один и тот же код на многих разных машинах.

Java довольно популярна в некоторых областях робототехники. Очевидно, это один из основных языков нескольких современных ИИ, включая IBM Watson и AlphaGo.

2. Python

Python сейчас на подъеме. Согласно статистике, он быстро вырос и стал одним из ведущих языков.

Одна из причин его популярности в робототехнике, вероятно, заключается в том, что Python (и C ++) являются двумя основными языками программирования, присутствующими в ROS.

Основное внимание в языке уделяется простоте использования. Многие согласны с тем, что это очень хорошо удается. Python избавляется от многих обычных вещей, которые отнимают время при программировании, таких как определение и приведение типов переменных. Как и Java, это интерпретируемый язык.

Существует также огромное количество бесплатных библиотек для Python, что означает, что вам не нужно «изобретать колесо», когда вам нужно реализовать некоторые базовые функции.А поскольку он позволяет выполнять простые привязки с кодом C / C ++, части кода, требующие высокой производительности, могут быть реализованы на этих языках, чтобы избежать потери производительности.

Поскольку все больше и больше удобной для робототехники электроники, которая теперь поддерживает Python «из коробки» (например, Raspberry Pi), мы, вероятно, продолжим видеть гораздо больше Python в робототехнике.

1. C / C ++

Наконец-то мы достигли языка программирования номер 1 в робототехнике!

Многие люди согласны с тем, что C и C ++ являются обязательными языками робототехники.Почему? Потому что многие аппаратные библиотеки, используемые в робототехнике, используют один из этих языков. Эти библиотеки позволяют взаимодействовать с низкоуровневым оборудованием, обеспечивают производительность в реальном времени и являются очень зрелыми языками программирования. В наши дни вы, вероятно, будете использовать C ++ больше, чем C, хотя C остается одним из самых эффективных доступных языков программирования.

C / C ++ не так просты в использовании, как, скажем, Python или MATLAB. Реализация той же функциональности с использованием C может занять намного больше времени и потребует гораздо больше строк кода.Однако, поскольку робототехника очень зависит от производительности в реальном времени, C и C ++, вероятно, наиболее близки к «стандартному языку», который есть у робототехников. Это верно даже несмотря на растущую популярность Python.

Если вы уберете из этой статьи только одно…

Многие люди использовали эту статью, чтобы сказать, что сначала им следует изучить C / C ++ или Python.

Этот вывод может быть правдой…

… однако позвольте мне дать вам только один совет:

Изучите тот язык программирования, который вам больше всего подходит прямо сейчас.

Самое главное — это развить «Программирование мышления». Изучите как можно больше языков программирования. Чем больше вы узнаете, тем лучше будете программировать. Тот факт, что я перечислил эти десять языков, не означает, что вы должны выучить их все или даже любой из них. Самое главное — найти язык, который кажется вам естественным и подходит для вашего робототехнического оборудования.

И если вам действительно нужна рекомендация…

Если вы должны подтолкнуть меня к рекомендации, я бы посоветовал вам выбрать язык, который позволит вам быстро и легко разрабатывать программы, чтобы вы могли больше сосредоточиться на разработке функциональности.

По этой причине я бы рекомендовал сначала изучить Python. Это просто мое личное мнение. Если другой язык имеет для вас больше смысла, лучше выучите его. Однако Python — удивительно простой язык для изучения и чрезвычайно мощный благодаря множеству легкодоступных библиотек.

Я слышал много рассказов (уже опытных) программистов, которые выучили Python за пару дней и сразу же перевели на него почти все свои потребности в программировании.Как сказал один парень, «Я могу создавать пригодный для использования код на Python так быстро, как я могу печатать».
После того, как вы достаточно хорошо освоите Python, я бы лично порекомендовал изучить C, а затем C ++. Он понадобится вам для взаимодействия с огромным большинством драйверов оборудования для роботов.

А если вам меньше 16 лет и / или вы никогда раньше не программировали… сначала изучите Scratch. Это великолепно!

Мы не учли ваш любимый язык программирования? Какой язык программирования вы выучили первым? Что вы чаще всего используете при программировании роботов? Расскажите нам в комментариях ниже или присоединитесь к обсуждению в LinkedIn, Twitter или Facebook.

Как программировать робота: руководство для начинающих

Роботы были среди нас уже добрых два-три десятилетия. В настоящее время роботы прочно укоренились в нашей культуре, чем когда-либо прежде. Большинство роботизированных машин используются на различных сборочных линиях или выполняют интенсивные физические операции на шахтах или промышленных объектах по всему миру.

Существуют также домашние роботы, инженеры которых программируют роботов для уборки вашего дома или выполнения других домашних обязанностей.На данный момент программирование робототехники может создавать роботов, которые выполняют относительно простые повседневные задачи. Есть определенные проблемы при программировании собственного робота, потому что полностью рабочий робот для домашнего или офисного использования требует шести степеней свободы (6DoF) для работы в трехмерном пространстве реального мира.

Фото Statista

С учетом сказанного, ваше путешествие в изучение программирования робототехники должно начаться с 6DoF. Это включает в себя возможности роботов двигаться вперед и назад, вверх и вниз, поворачивать влево и вправо.Он также должен иметь возможность вращаться вокруг трех перпендикулярных осей, которые называются тангажем, рысканием и креном.

Не так-то просто научиться программировать робота, который может выполнять все эти движения и действовать, полагаясь только на информацию, поступающую от ограниченного числа датчиков. Наше руководство по робототехнике для начинающих расскажет вам об основах, с которых вы должны начать программировать своего первого робота.

Введение в робототехнику: как программировать робота

Давайте начнем наше руководство по робототехнике с утверждения, что вы неправильно понимаете робота как умную машину.Во-первых, робот вполне может быть просто частью программного обеспечения, которое физически не присутствует в реальном мире. Программирование робототехники Java используется для создания роботов для торговли иностранной валютой, которые работают на различном оборудовании, таком как компьютеры, планшеты и смартфоны. Ни у одного из этих торговых роботов Forex нет физического тела; это просто алгоритмы, запрограммированные для торговли валютами в соответствии с установленными правилами.

Фото на Pixabay

У нас также есть автономные роботы и роботы, которым для работы требуется лишь ограниченная автономия или вообще не требуется ее.Кодирование для робототехники отличается, когда у вас есть автономная машина и другая, которая выполняет ограниченное количество повторяющихся операций в промышленной среде. Хорошим примером этого являются роботы, которые сваривают компоненты автомобилей на сборочной линии.

Проблема программирования роботов зависит от того, что вам нужно создать. Автономному роботу, вероятно, потребуются определенные возможности машинного обучения или некоторая степень искусственного интеллекта, поэтому вам, возможно, придется использовать другой язык программирования по сравнению с роботом, запрограммированным для выполнения определенного количества функций.

Языки кодирования для программирования робототехники

Продолжаются дискуссии о том, как программировать робота и какой язык программирования является лучшим для программирования робототехники. На самом деле, это всегда зависит от вашей конечной цели, и любой язык может соответствовать всем требованиям, если вы знаете, чего хотите и как этого достичь.

Существует широкий консенсус в отношении того, что программирование робототехники должно в основном полагаться на такие языки, как C / C ++ и Python. C и C ++ — это языки, с которых начинают работать новички в робототехнике, но вы не можете просто придерживаться этих двух языков, если хотите развиваться как хороший ученый-робототехник.

Фото на Pexels

Кодирование для робототехники включает также многочисленные языки промышленных роботов, разработанные производителями робототехнического оборудования. Изучение Паскаля — хорошая отправная точка. Это программное обеспечение имеет дело с некоторыми из этих проприетарных языков программирования робототехники. Но вам все равно нужно изучить каждую из них подробно.

MATLAB — еще один инструмент, который вам нужно освоить, когда вы изучаете, как программировать робота. Программирование роботов включает в себя много математики и анализа данных. Вам нужны надлежащие средства для обработки данных и получения надежных результатов от ваших аппаратных и программных датчиков, если вы хотите, чтобы ваш робот работал должным образом.

Если у вас есть некоторые знания в программировании на C / C ++, Python, Java или другом языке, используемом в робототехнике, пришло время запрограммировать вашего первого робота. Мы предлагаем начать с программного робота, поскольку гораздо проще написать программный код, выполняющий функции, не связанные с управлением физическим устройством.

Программирование робототехники для начинающих

Распознавание изображений и, в последнее время, обработка естественного языка — одни из основных проблем, которые должны решить ученые-робототехники, чтобы создавать роботов, имитирующих человеческое поведение.Итак, давайте начнем наше руководство по программированию робототехники с простого алгоритма защиты вашего дома или офиса, представив робота, который использует подключенную камеру для распознавания лиц.

Как запрограммировать такого программного робота? Для этого нужно выполнить следующие шаги:

  1. Установите датчик движения на входную дверь и подключите его к камере.
  2. Дайте указание датчику движения активировать камеру, когда кто-то окажется у двери.
  3. Камера берет изображение лица человека в качестве входного сигнала.
  4. Отсканируйте изображение на наличие определенного набора функций.
  5. Сравните эти особенности с библиотекой известных лиц.
  6. Если вы найдете спичку, прикажите двери открыть.
  7. Если совпадений нет, продолжайте, выполняя другие действия.

Не имеет значения, какой язык программирования вы будете использовать для программирования программного обеспечения для выполнения этого набора команд. Ваш первый алгоритм программирования робототехники будет выполнять вышеуказанные шаги снова и снова, как только будет выполнено условие запуска (т.е. кто-то активирует датчик движения у вашей входной двери).

Фото на Pixabay

Это простой робот, использующий программируемое оборудование. В этом случае оборудование включает датчик движения, камеру и компьютер, на котором будет храниться ваша база данных известных лиц. Компьютер особенно необходим для выполнения очень простого действия — отпирания двери.

Вы можете написать эту программу, используя всего 100 строк кода. Однако это возможно только в том случае, если у вас есть готовые программные модели, которые обрабатывают процесс распознавания лиц.По правде говоря, именно навыки написания кода программирования для распознавания лиц делают программиста продвинутым программистом.

Дальнейшее обсуждение программирования робота

Теперь, когда вы узнали своего первого посетителя и впустили его, вы можете решить поставить роботизированную руку, которая берет пальто ваших посетителей и помещает их в шкаф.

Фото на Slideshare

Что вам нужно, так это управлять динамической системой, которая включает датчики и роботизированный манипулятор.Рука должна распознать пальто на месте, взять его и куда-нибудь положить. Как ты это делаешь? Программирование вашей роботизированной руки будет включать следующие шаги:

  1. Применение сигналов управления.
  2. Измерение результатов.
  3. Генерация новых управляющих сигналов, рассчитанных на то, чтобы приблизить вашу руку к нашей цели.

Этот процесс включает в себя много математических операций и постоянный поток надежных данных, если вы хотите, чтобы ваш робот получил пальто и хранил его для вашего гостя.Речь идет об обработке данных датчиков в реальном времени и последующем применении фундаментальных логических операторов «если» и «то» для управления вашей роботизированной рукой. Если мы упростим его еще больше, вы выполните программирование типа «если слишком лево, то двигайтесь вправо» и «если слишком низко, то двигайтесь вверх». Так работает кодирование для робототехники.

Последние мысли о программировании робота

Робототехника развивается очень быстро. Чтобы идти в ногу с последними разработками в области программируемых машин, требуются усилия, выходящие за рамки знакомства с тем или иным языком, подходящим для программирования роботов.

Если вы действительно хотите научиться программировать робота, вам необходимо понимать требования и возможности робота как на аппаратном, так и на программном уровне. К счастью, ряд платформ позволяет программировать робототехнику для начинающих. Это достигается за счет устранения многих трудностей, связанных с пониманием того, как работает оборудование. Это также можно сделать, запрограммировав системы на уровне нулей и единиц.

Что вам нужно в робототехнике для начинающих, так это иметь программируемое оборудование или предварительно запрограммированные программные модули.После этого вы можете запрограммировать выполнение определенных операций. В любом случае вам нужно будет изучить один или несколько языков программирования, таких как C / C ++, Python, LISP или Java, чтобы заставить работать даже самый простой программный / аппаратный робот. Когда вы продвигаетесь дальше, желательно познакомиться с такими инструментами, как MATLAB. Это гарантирует, что вы полностью контролируете своих роботов.

Наш обширный опыт работы с программным обеспечением CAD / CAM (автоматизированное производство) позволил нам предложить революционный подход к программированию промышленных роботов.

Robotmaster обеспечивает непревзойденные, полнофункциональные возможности автономного программирования для роботов — простое программирование точного управления движением робота и быстрое создание траекторий любого размера с минимальным вмешательством программиста.

Позволяет вашему роботу выполнять короткие производственные операции, даже если это одна партия!

Robotmaster сокращает время программирования роботов с часов до минут, генерируя управляющий код робота непосредственно из инструментов CAD / CAM.

Облегчает самые сложные прикладные задачи

Robotmaster обеспечивает максимальное соответствие конструкции, создавая точные траектории роботов, оптимизированные для вашего процесса и инструментов, точно, без точек обучения.

Максимизирует производительность и прибыльность вашего робота.

Программирование Robotmaster осуществляется полностью автономно, планирование и настройка не связаны с производством. Его мощные инструменты моделирования рабочего пространства гарантируют безошибочный учет ориентации рабочего пространства и детали и ограничений.

Исключает программиста из программирования

Robotmaster предоставляет интуитивно понятные графические интерфейсы, адаптированные к вашему приложению, которые позволяют эксперту по процессам применять свои знания и опыт для получения наилучших результатов без необходимости становиться экспертом в области промышленной робототехники или программного обеспечения для роботов.

Пытаетесь запрограммировать робота так же, как станок с ЧПУ? Robotmaster справится с этой задачей:

Трудно интуитивно проверить пределы суставов робота и столкновения между роботами и деталями?

Robotmaster автоматически проверяет программы на совместные ограничения, ограничения вылета робота и столкновения.

Необходимо вручную подправить и доработать запрограммированные точки в автономном режиме?

Robotmaster по своей сути вычисляет значения суставов робота и правильно устанавливает параметры, чтобы обеспечить плавное воспроизведение программы без ручного вмешательства.

Недостаточно ли данных CAD / CAM для предоставления данных о положении и ориентации для 6-осевого робота?

Robotmaster использует автоматические настройки для ориентации инструмента робота для управления траекториями со сложными изменениями ориентации.

Ваша программа выдает ошибки и перестает работать, когда проходит через особенность робота?

Роботмастер проверяет особенности и имеет мощные инструменты для исправления программ, содержащих особенности.

Как выбрать до 8 возможных конфигураций робота для каждой из его запрограммированных точек?

Robotmaster может изменять конфигурации для оптимального программирования траекторий или следовать выбранной вами конфигурации робота.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.