Программирование роботов: методы и инструменты

О чем речь? Программирование роботов сильно отличается от написания программ другого вида. В данном случае программист пишет не только код, но и взаимодействует с окружением машины, а также с ее механикой и электроникой.

Какие языки используются? Для роботов применяют несколько языков программирования разного уровня. Это может быть C++, Java, Python и ряд других. Также используют разные среды программирования и подходы.

Суть программирования роботов

Область, объединяющая науку, технику и технологии – это робототехника. В ней проводятся исследования с целью создания машин, которые смогут повторять действия человека и даже во многом его заменить.

В робототехнику входят проектирование, создание и программирование «умных» механизмов, то есть роботов. Они применяются в аэрокосмической промышленности, здравоохранении, электронной коммерции, освоении космоса, транспорте и других отраслях.

Название «робот» пришло из чешского языка, где оно имеет форму robota. Этот термин использовал писатель Карел Чапек, когда в 1920 году в пьесе «RUR» («Универсальные роботы Россума») назвал так придуманные им искусственно созданные на фабрике человекоподобные машины, похожие на живых людей. В наше время приблизительно так же мы представляем себе андроидов или гуманоидов.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 31954

Новая эра промышленности началась в 1959 году. В США был создан первый в мире промышленный робот Unimate.

В наши дни робототехника стала одним из направлений, которые развиваются очень быстрыми темпами. Сойдя со страниц чешского фантаста, в реальной жизни эти разработки делятся на различные области.

Вот пять основных областей робототехники:

1. Интерфейс оператора. Это область взаимодействия робота и контроллера (человека, управляющего его действиями). Человек и машина могут быть связаны с помощью сенсорной панели, джойстика и т.д.
2. Подвижность или передвижение. Задаёт способ перемещения машины в пространстве, который зависит от типа робота. Для передвижения могут использоваться колёса, плавники, пропеллеры (например, у дронов). Если речь идёт о гуманоидном объекте, он передвигается на двух конечностях, подобно человеку.
3. Манипуляторы. Этот термин относится к той части робота, которая приспособлена для выполнения определённых действий. Это такие компоненты машины, как захваты, толкатели, когти, механические руки и пальцы. Например, если задачей промышленного робота является перемещение предметов, его оснащают двухпальцевым захватом.

   Читайте также!

   Роботизация в промышленности и бизнес-процессах

   Подробнее
   
4. Ощущения и восприятие. Данная область робототехники отвечает за то, как машина ориентируется в пространстве, опознаёт объекты и реагирует на окружающее. С помощью этого поля робот получает информацию о направлении движения, препятствиях, расположении нужных объектов. Например, встречая преграду на пути, он ищет, как её обойти. Чтобы машина принимала верные решения, программист должен ввести в неё такие компоненты.
5. Программирование. Включает в себя команды, с помощью которых робот действует в той или иной ситуации. Нужно спроектировать и создать компьютерную программу, которая будет исполняемой и позволит выполнять задачи, для которых предназначена машина.

Выбор способа программирования промышленных роботов зависит от их марки. Многие считают, что используется C++ или Visual Basic. На самом деле зачастую используются такие языки, как ассемблер.

В наши дни имеется большое число языков программирования для машин – более тысячи. Нужно разобраться подробнее в этой теме, чтобы выяснить, как работает эта отрасль робототехники.

Методы программирования роботов

Существует несколько вариантов того, как происходит программирование роботов.

Конвейерный подход

Этот сценарий подразумевает следующие этапы, из которых складывается процесс:

• Отслеживание информации со встроенных датчиков робота. Все полученные данные превратятся во вводные, которые будет получать машина для выполнения своих задач.
• Анализ состояния. Используя вводные данные, которые были получены на предыдущем этапе, составляется описание основных характеристик системы. Оцениваются скорость передвижения робота, его ориентация и так далее.
• Построение моделей и прогнозирование. Этот этап представляет собой динамическую работу, при которой периодически оказывается помощь в оценке состояния робота и его модели.
• Планирование. На данном этапе определяют набор действий, который необходим для того, чтобы поставленная задача была решена.
• Управление. Команды преобразуются, и появляется возможность модифицировать программу, управляющую поведением робота.

Биологический подход

Всё чаще и чаще робототехника использует такие технологии, как искусственный интеллект и нейронные сети. Их задача на сегодняшнем этапе – имитация биологической нейронной мозговой деятельности человека. Важное достижение данных технологий – возможность схватывания, воплощённая в 2016 году. Теперь можно обучать роботов приблизительно как обучают командам домашних животных.

Биологический и конвейерный подходы во многом противоположны друг другу. Но достойные результаты первого говорят сами за себя.

Смешанные подходы

Здесь происходит совмещение технологий. При этом используется положительный опыт биологического и конвейерного подходов. В итоге роботы, которые запрограммированы этим способом, показывают более высокие результаты по сравнению с классическими.

Только до 25.11

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

Популярные языки программирования роботов

Те несколько сотен языков программирования, которые существуют сегодня, делятся на две группы в зависимости от их низкого или высокого уровня.

В начале 50-х годов на смену машинному коду пришли языки низкого уровня. С их помощью программировать стало легче. Они применяются до сих пор и особенно полезны в случае, если действия робота нужно строго контролировать. У этих языков имеется важный недостаток: одинаковые действия машин различной конструкции требуют написания отдельных программ. То есть, для захвата робота-экскаватора нужна одна программа, а для роботоруки – другая.

Эта проблема отсутствует при работе с языками высокого уровня. Они более развиты и удобны в использовании. При этом не имеют значения нюансы конструкции: любой робот выполнит одну и ту же команду. Но на таких языках можно написать программу только для устройства с большим объёмом памяти, так как она займёт много места.

Если управление передаётся через транслятор, программирование робота придётся выполнять на языке низкого уровня. Если же микроконтроллер имеет плату типа Arduino, можно использовать высокоуровневые языки, работать с которыми легче. При программировании робота, имеющего несколько типов управления, зачастую применяют разные языки для различных задач. Такую машину можно считать полиглотом.

Ниже представлена подборка наиболее популярных языков, которые используют робототехники.

Для подробного изучения языков программирования нужно прочесть много литературы. Здесь лишь указаны основные особенности каждого, чтобы дать общее представление и объяснить, почему он оказался в списке лидеров.

Для каждого языка приведён пример одной и той же программы, написанной на нём. С этой программы обычно начинают базовое обучение. Её результат – появление надписи Hello, world на мониторе или экране контроллера.

Assembly («Ассемблер»)

Это язык из группы низкоуровневых. Он очень близок к машинному коду. Со времени появления таких микроконтроллеров, как Arduino, данный язык используется реже, так как теперь роботы могут управляться на другом уровне. Микроконтроллеры поддерживают управление на C/C++ и других языках. Но «Ассемблер» по-прежнему необходим. Его применяют в случаях, когда нужен полный контроль над действиями робота. Некоторые условия задать машине можно лишь на этом языке.

global _main

extern _printf

section .text

_main:

push message

call _printf

add esp,4

ret

message:

db ‘Hello, World’, 10,0

Java

Смысл заключается в том, что виртуальная машина Java позволяет применить один и тот же код на различных роботах. Но такая идея срабатывает не всегда и иногда замедляет исполнение программы, доносящей код до механизма. Виртуальной машине необходимо сперва создать «образ» работы конкретной программы на данном роботе. Это требует довольно много времени.

Программирование роботов, имеющих отношение к веб-технологиям, происходит именно на этом языке. Примеры: машина, снимающая видео с трансляцией в интернет, также можно указать систему «умный дом», где используется схожий по принципу JavaScript.

Одним из создателей и пропагандистов языка является Саймон Риттер. Он также разработал Robotics Software Development Kit и демонстрирует новые роботизированные системы. Этот человек считается наиболее авторитетным специалистом по Java-технологиям.

class HelloWorldApp {

public static void main(String[] args) {

System.out.printIn(«Hello World!»); //Prints the string to the console.

}

}

MATLAB

Язык высокого уровня, получивший популярность у инженеров в области робототехники. Кроме MATLAB с его средой, существуют близкие к нему языки, имеющие интерпретаторы с открытым исходным кодом, такие как Octave.

Этот язык позволяет писать программы, которые обрабатывают информацию в большом объёме и дают точные результаты. Поэтому MATLAB подходит, в частности, для того, чтобы разрабатывать компьютерное зрение.

classdef hello

methods

function greet(this)

disp(‘Hello, World’)

end

end

end

Python

Ценится этот язык из группы высокоуровневых за простоту использования. Также он позволяет экономить время при таких операциях, как определение и приведение типов переменных.

Имеется множество готовых кодов выполнения программы (скриптов), которые уже написаны. Есть возможность использовать их для реализации ряда базовых функций. Кроме этого, язык можно привязать к скриптам, которые написаны на C/C++, а значит, на этих языках можно реализовать те части кода, которые нуждаются в высокой производительности. Всё это делает Python универсальным языком почти во всех областях.

Читайте также!

Что такое чат-бот: виды, способы создания

Подробнее

В последнее время язык становится всё популярнее. Например, часто применяют Python для работы на Raspberry Pi – микрокомпьютере, идеально подходящем, чтобы экспериментировать и разрабатывать IoT-устройства. Способствуют выбору языка библиотеки, содержащие готовые решения для основных программ. Несложный и понятный синтаксис позволяет создавать программы для программирования роботов на Python детям и начинающим.

print(«Hello World»)

C/C++

В «Си» объединяются лучшие качества языков высокого и низкого уровней: удобство первых и контроль вторых. По сравнению со многими другими, этот язык легче переводится в машинный код. Но C/C++ имеет непростой синтаксис и не допускает ни малейшей ошибки. Работа действующей программы может быть нарушена всего из-за одной неправильно написанной строки. Компонование программ в универсальном языке робототехники GRL (сокращение от Generic Robot Language) происходит на таких языках, как С.

Этот высокоуровневый язык труден на стадии освоения, но изучив его, можно ставить почти любые задачи.

Вот области, где используется C++:

• разработка программного обеспечения;
• создание разнообразных программ, операционных систем, драйверов различных устройств;
• реализация приложений (в играх, на серверах с высокой производительностью, встраиваемых системах).

Язык С:

#include <stdio.h>

int main(void)

{

printf(«hello, world\n»)

}

Язык С++

#include <iostream>

int main()

{

std::cout<<«Hello, world!

\n»;

return 0;

}

Каждый из языков программирования подходит для определённых действий. Они обладают различным синтаксисом и работают, учитывая разные условия.

Чтобы объяснить это на наглядном примере, используем такую ситуацию. Нам нужно подняться с постели и выйти из спальни. Если бы мы были роботами и эту задачу надо было бы представить в виде программы, она была бы написана следующим образом.

На языке Python порядок действий выглядел бы так:

• открыть глаза
• встать с кровати
• выйти

На C++ программа выглядела бы иначе:

• (Создать объект «спальня»)
• (Создать объект «кровать»)
• (Создать объект «Я»)
• Открыть глаза

…и т. д.

Программное обеспечение роботов

ПО может использоваться для разных целей, исходя из этого существует его классификация, в которой выделяют:

• Средства технического обслуживания. Нужны для поддержания роботов в максимально рабочем состоянии, используя инструменты технического обслуживания, калибровки и ликвидации неисправностей.
• Средства представления и отслеживания работы автоматизированных промышленных роботов. Показывают их состояние и уровень эффективности.
• Средства создания моделей и имитации действий технических комплексов. Подобные механизмы и средства автономного программирования нужны для разработки и настройки решений роботизации до того, как они будут внедрены в производство.
• Средства создания дополнительного ПО. С их помощью ведётся разработка и настройка индивидуальных приложений для управления роботами.
• Средства программного управления контроллерами. Применяются при программировании роботов напрямую через логические контроллеры, при этом используются существующие периферийные ресурсы.
• Средства прикладного программного обеспечения. Подразумеваются интерфейсы к внешним компонентам или устройствам, используемые, чтобы запускать конкретные действия робота.

По другому принципу можно выделить две категории программного обеспечения:

• Контролирующее и управляющее. Сюда включают графические интерфейсы для работы с телеуправляемыми системами, программное обеспечение, предназначенное, чтобы взаимодействовать с автономно действующими роботами по схеме point-n-click и ПО для создания схем применения промышленных роботов;
• ПО для задач. К нему относятся простые интерфейсы, имеющие возможность перетаскивания и настройки маршрутов перемещения, а также программы, предназначенные специально для того, чтобы разворачивать конкретные приложения.

При разработке программного обеспечения для промышленных роботов необходимо помнить о требованиях безопасности и соблюдать их.

Среда разработки для программирования роботов

Чтобы управлять роботами, используют различные среды программирования. Они делятся на две основные группы: визуальные и текстовые. Кроме этого, имеется различие по универсальности. Есть среды программирования, специализированные на управление определённым роботом, и такие, которые подходят для разных роботов, производимых различными компаниями.

• NXT-G. Эта графическая среда была создана для известного робототехнического комплекта Lego Mindstorms NXT. С её помощью программируется модуль NXT Brick. Интерфейс данного софта интуитивно понятен, программы управления роботами создаются подобно блок-схемам. Блоки размещаются на LEGO-балках вдоль оси последовательности действий. Программа выполняется в том порядке, в котором следуют блоки.

• TrikStudio. Данная программа предназначена для программирования учебных роботов фирмы Trik. В неё включен симулятор, с помощью которого можно осуществлять тестирование программ, не применяя реальный робототехнический набор.
• Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS). Эта платформа содержит язык визуального программирования Visual Programming Language (VPL), также имеется имитационная визуальная 3D-среда. Описание алгоритмов действий роботов с помощью языка VPL больше подходит начинающим программистам. Также этот язык предлагается для изучения обучающимися. Профессиональные программисты могут использовать C#. Чтобы создать программу на платформе VPL , нужно выбрать подходящие компоненты для данной задачи и установить между ними связь.
• RobotC – один из лучших языков программирования для того, чтобы изучать роботов, а также готовиться к соревнованиям. Основан на языке С. Среда разработки проста в использовании, но это платное ПО.
• BricxCC – один из наиболее распространённых инструментов, который поддерживает язык программирования NXC. Программа находится в свободном доступе, имеет разнообразные инструменты, позволяющие работать с блоками Lego Mindstorms, и подходит для фактической замены стандартного программного обеспечения Lego, за исключением драйверов. С устройством можно работать на различных уровнях благодаря встроенным библиотекам языка. Предлагаются и низкоуровневые для того, чтобы обращаться к входам и выходам устройства и физическим языкам памяти, и высокоуровневые (например, для управления моторами или работы с данными, полученными с датчиков).
• Arduino – ещё одна среда программирования роботов. Интерфейс состоит из следующих элементов: текстового редактора, области для вывода сообщений, текстовой консоли, панели инструментов, имеющей стандартные кнопки, главное меню. С помощью этого софта компьютер может взаимодействовать с Ардуино, чтобы передавать данные или осуществить прошивку кода в контроллер.

Нюансы программирования промышленных роботов

Разработкой собственных языков программирования и средств вспомогательного ПО занимается почти каждая фирма-производитель в области робототехники. Те из них, которые внедряют робототехнику в производственные процессы, в первую очередь заинтересованы в разработке вспомогательного программного обеспечения, которое будет приспособлено к имеющимся условиям.

Также работа идёт в направлении создания новых и совершенствования старых технологий и внедрения измерительных систем, которые помогут повысить качество выпускаемой продукции.

Промышленные роботы, как правило, оснащены комплексной программной оболочкой, в которую можно добавить различные дополнительные модули расширений, исходя из решаемой задачи. Например, можно подключить модули взаимодействия с внешними наблюдательными устройствами (видеонаблюдение, система замера прилагаемой нагрузки, вращающего момента), и это позволит робототехническому механизму реагировать нужным образом при изменении внешних условий.

Имеются две разновидности программирования промышленных роботов: оnline-программирование и оffline-программирование. Обычно используются одновременно оба вида. Есть различия, которые касаются методов программирования, возможностей самих языков и особенностей роботов.

Online-программирование

Осуществляется на месте установки робота и с помощью самого механизма. В этом способе выделяются два метода: Teach-In и Playback.

Первый метод (Teach-In, сокращенно Teachen) заключается в таком программировании движений робота, когда оно управляется консолью (джойстик или кнопки). При этом в самом роботе в первую ось закладывается система координат, которая связана кинематической цепью с наиболее удалённой точкой машины (то есть, у шестиосевого робота это 6-я ось). В итоге, всегда ясны расположение в пространстве и ориентация всех осей механизма и его предполагаемого инструмента.

Контроллер робота запоминает достигнутое местоположение, и оно повторяется до тех пор, пока все требуемые операции не будут выполнены. Комплекс этих пунктов (местоположений) задаёт траекторию движения механизма. У каждого пункта имеются собственные изменяемые параметры, скорость движения и углового вращения, точность, конфигурация осей.

Второй метод – Playback. Сначала робот вручную проводится по нужному пути движения, а затем он в точности повторяет заданную траекторию. Таким методом часто программируются роботы, предназначенные для покраски или покрытия лаком.

Недостатком оnline-программирования является невозможность в это время вести производственный процесс. Кроме того, нельзя обеспечить высокую точность, а также затруднено внесение изменений в программу.

Offline-программирование

В этом случае программирование осуществляется без участия робота, на компьютере. При этом не нужно останавливать производственный процесс.

Программирование в текстовой форме описывает течение программы на одном из языков. То есть пишется логика программы: траектории и их последовательность, считывание данных периферийных устройств, взаимодействие с обслуживающим персоналом, соблюдение требований безопасности.

Дарим скидку от 60%
на курсы от GeekBrains до 24 ноября

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

При создании робота главнейшей задачей является написание программного кода. Чтобы машина смогла показать лучшим образом все свои возможности и правильно выполнить те задачи, для которых была создана, необходимо правильно составить программу. Хотя основы программирования роботов в наши дни доступны для изучения даже детям, надо учитывать, что оно отличается от написания обычной компьютерной программы.

Читайте также!

Быстрая сортировка: алгоритм для работы с массивами данных

Подробнее

Если программисту нужно составить обычный код, то программисту-робототехнику необходимо учесть взаимосвязь с механикой, электроникой и средой, в которой будет существовать робот.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование