基于Lua的工業(yè)機(jī)器人解釋器實(shí)現(xiàn)的研究

張茂玲　楊錦濤

【摘 要】針對(duì)機(jī)器人編程語言和控制程序模塊化的發(fā)展需求，提出一種基于Lua腳本語言的機(jī)器人語言解釋器的實(shí)現(xiàn)方法。用Lua作為整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建者，對(duì)機(jī)器人語言進(jìn)行詞法、語法分析，調(diào)用控制代碼完成對(duì)機(jī)器人的控制，具有擴(kuò)充性和維護(hù)性強(qiáng)，系統(tǒng)開發(fā)效率高，解釋效率高的特點(diǎn)。該解釋器結(jié)合vs2008運(yùn)行，利用robotic toolbox for matlab仿真驗(yàn)證，證明該解釋器可以很好地解釋工業(yè)機(jī)器人語言，為解釋器的構(gòu)建提供了一種新的模式。

【關(guān)鍵詞】Lua；機(jī)器人語言；解釋器；模塊化

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，逐漸使人類從繁重、單調(diào)或是危險(xiǎn)的工作中解放出來。為了縮短機(jī)器人的開發(fā)周期，需要一種簡(jiǎn)單易懂的語言對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，這就是機(jī)器人語言產(chǎn)生的初衷[1]，它更符合人的語言習(xí)慣和思維方式，即使不懂編程語言的工作人員也能夠很快的理解和運(yùn)用。這就需要把這種類人思維的指令語言解析成為C/C++能夠理解和運(yùn)用的語言。機(jī)器人語言解釋器的主要功能就是將文本形式的簡(jiǎn)單的機(jī)器人語言，也就是指令代碼轉(zhuǎn)換為程序需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或格式，以控制機(jī)器人的運(yùn)行，所以解釋器在機(jī)器人軟件系統(tǒng)中起到非常重要的作用，其解釋效率將直接影響工業(yè)機(jī)器人的工作效率。

Lua的設(shè)計(jì)目的就是為了嵌入到應(yīng)用程序中，從而為應(yīng)用程序提供靈活的擴(kuò)展和定制功能。輕量級(jí)Lua語言的官方版本只包括一個(gè)精簡(jiǎn)的核心和最基本的庫(kù)。這使得Lua體積小、啟動(dòng)速度快，在目前所有腳本引擎中，Lua的速度是最快的[2]。這一切都決定了Lua是作為嵌入式腳本的最佳選擇。因此選用Lua腳本語言構(gòu)建解釋器。

與文[3][4]中的解釋器不同的是Lua不僅僅是把參數(shù)傳遞給主程序?；贚ua的解釋器用Lua整合現(xiàn)有資源，構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)的框架，調(diào)用控制模塊來實(shí)現(xiàn)具體功能，降低模塊之間耦合程度，其優(yōu)勢(shì)在于擴(kuò)展性、復(fù)用性較強(qiáng)，并且方便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和邏輯，為將來更高級(jí)的機(jī)器人語言解析提供了可能。腳本語言無需編譯，在解釋器的開發(fā)階段可以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的修改調(diào)試，縮短開發(fā)周期。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)及編程語言設(shè)計(jì)

1.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

操作者在界面利用規(guī)定的機(jī)器人語言指令編寫程序，用解釋器對(duì)機(jī)器人語言進(jìn)行解析，調(diào)用相應(yīng)的控制模塊，控制模塊包括路徑規(guī)劃模塊、速度規(guī)劃模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊和動(dòng)力學(xué)模塊，完成軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等運(yùn)算，最后Lua把伺服電機(jī)需要的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和加速度參數(shù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。

1.2 工業(yè)機(jī)器人編程語言設(shè)計(jì)

機(jī)器人編程語言需要運(yùn)動(dòng)指令和流程控制指令，解釋器的任務(wù)是要對(duì)指令進(jìn)行解析，控制機(jī)器人完成指令動(dòng)作。

2 基于Lua的解釋器設(shè)計(jì)

2.1 Lua簡(jiǎn)介

Lua是一種嵌入式語言，Lua具有與C/C++良好的交互能力，十分簡(jiǎn)潔的API，可以說是目前腳本語言中做的最好的[1]。我們可以把Lua作為C/C++的一個(gè)庫(kù)，同樣也可以把C/C++作為L(zhǎng)ua的一個(gè)庫(kù)。Lua與C/C++可以通過一個(gè)虛擬棧來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，十分簡(jiǎn)潔，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)工程的模塊化非常重要。解釋器將C++作為 Lua的一個(gè)庫(kù)來使用；

Lua提供了豐富的字符串處理函數(shù)；

靈活的table和function，table是Lua中一種特別的結(jié)構(gòu)，類似數(shù)組，但它其中的元素可以是任意類型的，甚至可以是一個(gè)函數(shù)。Function具有參數(shù)變長(zhǎng)機(jī)制，這些為解析工作提供了極大的方便；

Lua具有可移植性，Lua可以運(yùn)行在任何平臺(tái)上，包括：PlayStation、Xbox等等。

由于Lua具有的這些特點(diǎn)，它可以作為一種高效便捷的解析工具。

2.2 基于Lua解釋器的體系結(jié)構(gòu)

首先編輯機(jī)器人程序，編輯完成后，調(diào)用Lua讀取文本中的機(jī)器人程序，解析每一句代碼，檢測(cè)詞法語法錯(cuò)誤，有錯(cuò)誤時(shí)拋出錯(cuò)誤類型，無錯(cuò)誤時(shí)分解成指令和參數(shù)，根據(jù)不同的指令調(diào)用不同的控制模塊：把示教點(diǎn)位置姿態(tài)信息傳遞給路徑規(guī)劃模塊，得到路徑參數(shù)，把速度參數(shù)和路徑參數(shù)傳遞給速度規(guī)劃模塊，把速度規(guī)劃參數(shù)和路徑參數(shù)傳遞給插補(bǔ)模塊，得到笛卡爾空間末端執(zhí)行器插補(bǔ)狀態(tài)參數(shù)，最后調(diào)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模塊，推出六個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行時(shí)間對(duì)應(yīng)的位置、速度、加速度信息，傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)控制器完成動(dòng)作。在這里L(fēng)ua不僅是傳統(tǒng)解釋器的作用，而是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度者，有利于機(jī)器人控制系統(tǒng)的模塊化，這樣一來，假如速度規(guī)劃模塊需要優(yōu)化，我們可以直接把這個(gè)模塊替換成優(yōu)化后的模塊。

2.3 基于Lua的解釋器界面實(shí)現(xiàn)

常用的界面實(shí)現(xiàn)形式是Qt，基于Lua的解釋器研究采用一種新穎的實(shí)現(xiàn)形式——Qtlua，Qtlua庫(kù)旨在用Lua腳本語言使Qt應(yīng)用程序可腳本化，為QtScript模式提供一種新的選擇，因此它具有腳本的特點(diǎn)[2]。很多腳本語言都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Qt的封裝，之所以選擇Lua是因?yàn)長(zhǎng)ua的小巧，可以將解釋器模塊式的嵌入到其他機(jī)器人平臺(tái)中，并且可以方便的進(jìn)行在線維護(hù)和升級(jí)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

用自己開發(fā)的解釋器軟件RLI（Robot Language Interpreter）結(jié)合vs2008來解析文本，調(diào)用控制模塊生成數(shù)據(jù)，利用robotic toolbox for matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在編輯時(shí)加入一些不必要的空格和換行、替換控制模塊，以測(cè)試解釋解析的正確性。大量的測(cè)試表明，解釋器能夠正確的解析機(jī)器人語言，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，執(zhí)行循環(huán)結(jié)構(gòu)，控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作等。當(dāng)機(jī)器人程序編寫有錯(cuò)誤時(shí)，可以對(duì)其中的錯(cuò)誤進(jìn)行提示。圖1中的程序描述了工作流程：機(jī)器人從位置點(diǎn)P001移動(dòng)到位置點(diǎn)P002，然后按照弧線-直線-弧線對(duì)工件噴涂，等待工件底座旋轉(zhuǎn)，再次噴涂，反復(fù)幾次后停止于位置點(diǎn)P007，移動(dòng)到位置點(diǎn)P008待命。運(yùn)行仿真結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié)論

通過Lua腳本語言，可以準(zhǔn)確、快速的解析機(jī)器人語言，可以使機(jī)器人語言的編寫簡(jiǎn)單化，使非專業(yè)人員也可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。Lua腳本語言在機(jī)器人中的運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制程序的模塊化，降低模塊間的耦合度，方便實(shí)現(xiàn)模塊的替換、升級(jí)和擴(kuò)充；可以的大大縮短機(jī)器人解釋器開發(fā)時(shí)調(diào)試的時(shí)間；解釋器可以便捷的添加或刪除指令，簡(jiǎn)化了后期的升級(jí)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了解釋器的開放性；Lua具有良好的可移植性，根據(jù)不同平臺(tái)修改cmd中的內(nèi)容后就可以在其他機(jī)器人控制平臺(tái)運(yùn)行，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1]John J.Craig. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].3版.贠超，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]Roberto Ierusalimschy. Programming in Lua[M]. Lua.org， 2013.

[3]曾國(guó).利用LEX與YACC實(shí)現(xiàn)數(shù)控線切割的加工程序編譯器[J].機(jī)電工程，2004（1）：58-61.

[4]王浩，謝存禧.工業(yè)機(jī)器人解釋器的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（3）：146-149.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]