Краткое содержание статьи:
- Робототехника включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин, называемых роботами.
- Слово робот происходит от чешского слова robota.
- Программирование роботов - это разработка схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей.
- Операционная система роботов - это промежуточное ПО - набор программных фреймворков для разработки программного обеспечения 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 становится все более актуальным, поскольку все больше компаний проявляют интерес и инвестируют в роботов.
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 робототехника включает в себя проектирование, конструирование и эксплуатацию интеллектуальных машин, называемых роботами. Такие машины используются в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность, здравоохранение, электронная коммерция, освоение космоса и транспорт и т.д.
Слово робот происходит от чешского слова robota. Карел Чапек - чешский писатель - первым использовал термин «робот» в своей пьесе «RUR» 1920 года («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.
В 1959 году в США родился первый промышленный робот Unimate, открыв новую эру развития промышленности. Подробнее про первых в истории роботов смотрите здесь: Краткая история робототехники
Сегодня робототехника - одно из самых быстрорастущих направлений исследований. Переходя от сценария чешского писателя, робототехника теперь разделена на несколько областей.
Каковы пять основных областей робототехники
1. Интерфейс оператора
Интерфейс оператора относится к взаимодействию между роботом и его человеком-контроллером. Это механизм связи между человеком и машиной, например, сенсорная панель, джойстик.
2. Подвижность или передвижение
Подвижность или передвижение описывает, как робот перемещается из одного места в другое в заданном пространстве. И это зависит от типа машины. Например, летающие роботы и дроны используют пропеллеры для движения. Точно так же гуманоиды ходят на двух ногах, как люди. Другие варианты мобильности включают плавники и колеса.
3. Манипуляторы
Он относится к конкретному компоненту машины, который делает его идеальным для выполнения определенных задач. Такие части могут включать толкатели, когти, захваты, механические руки и пальцы. Например, промышленные роботы обычно оснащены двухпальцевыми захватами для перемещения предметов.
4. Ощущения и восприятие
Ощущения и восприятие сосредотачиваются на том, как машина идентифицирует вещи в своей среде и реагирует на эти факторы. Благодаря этому полю робот может получить доступ к такой информации, как:
- Где это;
- Куда идти;
- Как избежать препятствий.
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 функционировать в конкретной ситуации. Он включает в себя проектирование и создание исполняемой компьютерной программы для выполнения определенных задач.
Способ программирования промышленного робота сильно зависит от марки робота. Вы можете подумать, что программа для робота выглядит как C++ или Visual Basic. Правда в том, что некоторые роботы до сих пор программируются на языках, подобных ассемблеру.
Сегодня существует более тысячи языков программирования роботов. Чтобы понять, как работает эта область робототехники, мы должны разобрать этот вопрос более подробно.
Что такое программирование роботов?
Программирование роботов относится к процессу разработки схемы управления тем, как машина взаимодействует с окружающей средой и достигает своих целей. Обычно для этого требуются базовые знания математики и языка программирования. Например, Python сегодня является одним из самых популярных языков программирования роботов.
Помимо разработки машинного обучения, Python также можно использовать для создания пакетов операционной системы роботов. Прежде чем мы исследуем другие языки программирования, давайте сначала рассмотрим программное обеспечение.
Какое программное обеспечение используется для программирования роботов
Операционная система роботов (ROS)
Операционная система роботов - это промежуточное ПО - набор программных фреймворков для разработки программного обеспечения роботов.
Например, проект с открытым исходным кодом ROS-Industrial включает интерфейсы, уникальные для промышленных роботов. К ним относятся промышленные манипуляторы, захваты, датчики и сети устройств.
Важнейшим преимуществом операционной системы робота является способ работы и взаимодействия программного обеспечения. Это позволяет программистам разрабатывать передовое программное обеспечение, не зная, как работает конкретное оборудование.
Автономное программирование роботов OLP
При автономном программировании роботизированная ячейка представлена в симуляторе посредством графической 3D-модели.
Используя трехмерное представление роботизированной рабочей ячейки, которое наглядно демонстрирует, как робот движется по запрограммированному пути.
Автономное программирование (OLP) может выполняться с помощью программных платформ, специфичных для непосредственных производителей оборудования (OEM), или с помощью сторонних решений.
OLP также дает опытным и начинающим программистам роботов возможность создавать, тестировать и изменять программу или задачу робота в удобной виртуальной среде программирования на ПК до того, как они будут реализованы на операционном уровне.
Робот запрограммирован на перемещение от точки к точке, однако необходимо планировать путь в соответствии с конкретными элементами, такими как приспособления для удержания деталей. При планировании траектории проще запрограммировать робота для маневрирования вокруг фиксированных точек, поскольку он активирует обнаружение столкновений для предотвращения нарушений движения.
Если несколько роботов работают в непосредственной близости, важно, чтобы они были запрограммированы на работу в команде. Во время автономного процесса программирования функция обнаружения столкновений сигнализирует о потенциальном риске сбоя, позволяя программисту внести необходимые корректировки перед загрузкой программы на рабочий уровень.
Автономное программирование позволяет создать роботизированную задачу еще на этапе создания рабочей ячейки. Этот процесс ускоряет время интеграции, поскольку файлы данных могут быть переданы после того, как рабочая ячейка будет завершена и установлена на операционном уровне.
Гибкость программного обеспечения OLP предлагает множество преимуществ и позволяет лучше сочетать задачи с легким переходом от одной задачи к другой.
Программное обеспечение для управления роботами
Как вы уже догадались, в робототехнике программное обеспечение - 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 цепи обратной связи, фильтрацию данных, определение местоположения и обмен данными.
Программное обеспечение роботов имеет очень частную природу. Таким образом, производители оборудования для роботов обычно должны предоставлять собственное программное обеспечение для работы с машиной.
Как научиться программировать робототехнику?
Из более чем 1500 языков программирования в мире только десять популярны в области робототехники. К ним относятся Pascal, Scratch, 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
Паскаль - это базовый язык, разработанный для поощрения хороших практик программирования. Это потому, что он использует структурированное программирование и структурирование данных.
Этот язык программирования используется в некоторых промышленных роботах. По этой причине это отличная отправная точка для тех, кто хочет научиться их программировать.
Хотя Паскаль в настоящее время считается слишком устаревшим для повседневного использования, он может помочь вам познакомиться с другими языками промышленных роботов.
2. Scratch
Scratch чрезвычайно популярен среди начинающих робототехников, и на то есть веские причины. Это яык визуального программирования, по сути, включает перетаскивание и соединение блоков.
В результате он идеально подходит для начинающих программистов - пользователей в возрасте от восьми до шестнадцати лет. Кроме того, Scratch - язык, предпочитаемый большинством клубов робототехники и школьных технических кружков.
Большинство опытных робототехников вряд ли напишут промышленных роботов на Scratch. Тем не менее, этот язык дает новичкам удобный способ познакомиться с робототехникой.
3. Языки промышленных роботов
Сегодня почти каждый робот имеет собственный язык программирования роботов.
Как вы уже догадались, это давняя проблема промышленной робототехники. Это означает, что пользователям приходится изучать новый язык каждый раз, когда они используют новый бренд роботов.
Например, роботы Fanuc используют язык Karel (название такое он получил в честь Карела Чапека), Yaskawa использует INFORM, Kuka - KRL, а ABB имеет свой язык программирования RAPID. Этот список можно продолжить.
Некоторые среды программирования общего назначения, такие как ROS Industrial (Robot Operating System Industrial), начинают предлагать стандартизированные параметры. Однако технические специалисты по-прежнему могут использовать собственный язык программирования.
4. LISP и Пролог
В последнее время все более популярной стала область искусственного интеллекта. В результате различные языки программирования искусственного интеллекта сейчас 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 полезности для обработки естественного языка, Prolog также используется для доказательства теорем, экспертных систем и автоматизированного планирования.
Действительно, вы можете программировать искусственный интеллект, используя другие языки из этого списка. Однако LISP и Prolog являются неотъемлемой частью некоторых реализаций искусственного интеллекта.
Также стоит отметить, что робототехника и искусственный интеллект - две разные области, хотя они часто и пересекаются.
5. Язык описания оборудования
Инженеры, создающие низкоуровневую электронику для роботов, используют языки описания оборудования для описания своих прототипов.
Благодаря HDL программисты могут быстро описать схему с помощью слов и символов. Программное обеспечение для разработки может затем преобразовать это текстовое описание в данные конфигурации для реализации.
Самыми популярными языками описания оборудования являются Verilog и VHDL. И они широко используются в программировании PLD (programmable logic device), на русскоям языке - это программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
6. MATLAB
Инженеры-робототехники полагаются на MATLAB для анализа данных и разработки систем управления. Помимо обработки данных, некоторые университетские курсы также используют этот язык программирования в исследовательских целях.
Однако инженеры-робототехники используют MATLAB и Simulink для проектирования в различных целях (алгоритмы настройки, моделирование реальных систем).
7. C# / .NET
C# (си шарп) - это язык программирования от Microsoft. Это основной язык Microsoft Robotics Developer Studio - среды на базе Windows для управления роботами и моделирования.
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. Java
Java- это объектно-ориентированный язык программирования общего назначения, основанный на классах. Он предназначен для того, чтобы разработчики приложений могли писать один раз и запускать их где угодно.
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 старых машинах.
Язык программирвоания Java весьма полезен в некоторых аспектах робототехники. Например, это один из основных языков современных систем искусственного интеллекта, 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 в программировании, такие как определение и приведение типов переменных, становятся ненужными.
Кроме того, для Python доступно большое количество бесплатных библиотек. В результате программистам не придется «изобретать велосипед» для реализации некоторых основных функций.
Python полезен в робототехнике, потому что это один из основных языков программирования в операционной системе для роботов ROS (помимо C ++). Тем не менее, он может стать еще более популярным, поскольку более дружелюбная к роботам электроника, например одноплатные компьютеры Raspberry PI, поддерживает этот язык по умолчанию.
10. C и C++
C и C++ - язык программирования номер один в робототехнике.
Некоторые аппаратные библиотеки в робототехнике используют C или C++. Кроме того, эти библиотеки позволяют взаимодействовать с низкоуровневым оборудованием. И они также поддерживают работу в реальном времени.
Сегодня C ++, возможно, более полезен в робототехнике, чем C. Однако последний остается одним из наиболее энергоэффективных языков программирования.
Обратите внимание, что языки C и C++ не так просты в использовании, как Python или MATLAB. Реализация той же функциональности с использованием C не только занимает больше времени, но также требует большего количества строк кода.
Однако робототехника во многом полагается на работу в реальном времени. В результате C и C++ - самые близкие к стандартному языку программирования роботов.
Языки программирования промышленных роботов FANUC, Yaskawa Motoman, ABB и KUKA
FANUC, один из четырех ведущих производителей роботов, предлагает не один, а два различных языка программирования: Teach Pendant (или TP) и Karel.
Программы TP представляют собой двоичные файлы, которые можно редактировать с помощью кнопок пульта обучения робота (или сенсорного экрана для более новых роботов). Файлы TP также можно компилировать и декомпилировать из файла LS (удобочитаемый файл ASCII). Программы TP предлагают ограниченную функциональность, подобную ассемблеру.
Кроме того, с FANUC вы можете запрограммировать свои собственные алгоритмы с помощью компьютера и Karel (язык программирования на основе Pascal), но Karel не позволяет вам выполнять движения робота или редактировать программу с пульта обучения контроллера.
Вы можете приобрести программное обеспечение ROBOGUIDE для автономного программирования и моделирования, чтобы программировать роботов FANUC в автономном режиме. Однако, если у вас нет WinOLPC от ROBOGUIDE, вы не сможете использовать программы LS, если у вас также нет опции «Загрузка ASCII» в вашем контроллере робота FANUC — для каждого робота требуется платное обновление программного обеспечения. Вам также понадобится ROBOGUIDE для редактирования и создания программ Karel.
Роботы Motoman запрограммированы с использованием языка программирования INFORM (файлы JBI). INFORM похож на FANUC TP. Однако Motoman также предлагает MotoCom для всех своих роботов: хорошо документированную библиотеку, позволяющую программировать робота с помощью C++, C# или Visual Basic (в Windows).
Программирование роботов ABB проще и основано на языке программирования RAPID, чем-то похожем на Visual Basic. Кроме того, ABB предоставляет RobotStudio, предлагающий онлайн-программирование и отличный редактор программ RAPID бесплатно, а также простую передачу файлов через сетевое соединение между ПК и роботом. При желании вы можете приобрести 3D-симулятор и инструменты автономного программирования.
Для роботов KUKA требуются программы SRC, написанные на языке программирования KRL, обычно редактируемые с помощью бесплатного редактора OrangeEdit, если у вас нет симулятора KUKA Sim Pro.
Интересно отметить, что контроллер Kuka KRC4 — это компьютер на базе Windows, а обучающий пульт — это удаленный рабочий стол этого компьютера. Нецелесообразно изменять программы с пульта, так как сенсорный экран работает медленно. Однако одним заметным исключением является коллаборативный робот KUKA LBR iiwa, который использует контроллер KUKA Sunrise и программируется на языке Java.
Некоторые производители роботов не имеют программного обеспечения для автономного программирования, например Universal Robots: пользователь должен программировать роботов UR с помощью подвесного сенсорного интерфейса робота (который очень интуитивно понятен, но также очень ограничен) или с помощью редактора ASCII и их языка сценариев UR (на основе Python).
Другие производители роботов сосредотачивают свои усилия на наличии плагинов для программного обеспечения САПР, например, Mitsubishi, которая предлагает MelfaWorks для SolidWorks.
Тот факт, что никто не сделал шага к унификации способов программирования роботов, очень разочаровывает. G-код был представлен в 50-х годах и в настоящее время его используют большинство контроллеров ЧПУ. Для промышленных роботов такого общего языка программирования не существует.
Несколько компаний предлагают мощные инструменты автономного программирования роботов (OLP), которые поддерживают несколько марок роботов, и каждый программный инструмент имеет свои преимущества и недостатки. Тем не менее, большинство из этих инструментов также относительно дороги.
Существуют также бесплатные инструменты, такие как Gazebo (обычно используемые с ROS), но они требуют экспертных навыков программирования и ориентированы на робототехнику в целом, что делает их менее практичными для моделирования и автономного программирования промышленных роботов.
Причина, по которой языки программирования роботов развиваются медленно, вероятно, связана с тем, что промышленные роботы чрезвычайно надежны и долговечны. Таким образом, производители роботов должны предлагать обратную совместимость. Продажа запасных частей и дополнительных опций, вероятно, так же прибыльна, как и продажа новых роботов. По этой причине производители роботов, вероятно, не изменят основы своих языков программирования.
Заключительное слово: какой язык программирования роботов вам следует изучить?
Основываясь на этом посте, вы можете сделать вывод, что изучение Python или C / C++ должно быть первым шагом. Хотя этот вывод может быть правильным, ответ на вопрос не так прост.
Правильный ответ - выучить тот язык программирования, который в настоящее время имеет для вас наибольший смысл. И 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 должен позволить вам быстро и легко разрабатывать программы. Однако он также должен соответствовать вашему роботизированному оборудованию.
Для большинства людей этим языком программирования является Python. Его легко освоить, и он мощный - благодаря огромным библиотекам. После Python вы можете изучить языки C и C++ для взаимодействия с драйверами роботизированного оборудования.
Смотрите также: Промышленные роботы и выгоды их внедрения на производстве, актуальность робототехники