小學(xué)教學(xué)機(jī)器人編程語言解釋器設(shè)計

文/張智

1 序言

針對小學(xué)教學(xué)需求對機(jī)器人編程語言進(jìn)行設(shè)計，是完善小學(xué)機(jī)器人編程教學(xué)的重要步驟。傳統(tǒng)的教學(xué)機(jī)器人編程語言與小學(xué)教學(xué)并不匹配，尤其是在難易性等方面都暴露出了一系列問題。為了改善這種情況，不少研究人員針對小學(xué)生的學(xué)習(xí)特點構(gòu)建出了相應(yīng)的機(jī)器人編程語言，借助前沿技術(shù)來幫助教師完善對學(xué)生的培養(yǎng)。利用專門的編程語言來幫助提高小學(xué)教學(xué)的教學(xué)效率的效率，對于鞏固和擴(kuò)大教學(xué)成果有著不可忽視的重要作用，本文主要就編程語言中的解釋器設(shè)計進(jìn)行了探究。

2 小學(xué)機(jī)器人編程語言設(shè)計

2.1 小學(xué)機(jī)器人編程語言需求分析

設(shè)計機(jī)器人語言系統(tǒng)的是主要目的是方便對機(jī)器人進(jìn)行編程和控制，同時滿足機(jī)器人的接口和通信等功能。所以傳統(tǒng)的機(jī)器人語言系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）能夠?qū)ν獠渴澜邕M(jìn)行建模，因為機(jī)器人在進(jìn)行運動時的環(huán)境是三維空間，所以其語言系統(tǒng)需要對空間物體進(jìn)行相應(yīng)的描述；

（2）能夠?qū)\動進(jìn)行描述，這也是操作者控制機(jī)器人運動的基礎(chǔ)，只要將機(jī)器人的軌跡規(guī)劃程序和軌跡生成程序聯(lián)系起來，開發(fā)者才能將機(jī)器人應(yīng)用到日常的生產(chǎn)生活之中；

（3）允許對機(jī)器人的運動過程進(jìn)行操作，對執(zhí)行流程進(jìn)行規(guī)定或者更改，從而應(yīng)對不同的生產(chǎn)生活需求；

（4）需要針對接口進(jìn)行拓展，方便操作者和傳感器進(jìn)行信息交換；

（5）需要對編程軟件提供支持，軟件能夠為編程語言的運行提供良好的環(huán)境，從而提高編程效率。

而基于小學(xué)教學(xué)的設(shè)計出了上述需求之外，還需要考慮以下兩個方面：一方面是機(jī)器人教育的新穎性，針對機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)能夠豐富小學(xué)信息技術(shù)課程的內(nèi)容和形式，利用多樣化的表現(xiàn)方法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高教師的教學(xué)效率；另一方面是難易性，小學(xué)生的思維能力尚在發(fā)育階段，教師可以利用簡易的編程語言將課程的難點進(jìn)行分解，讓學(xué)生更容易理解編程教學(xué)的過程，降低編程教學(xué)難度的同時，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的分析能力和分析習(xí)慣。

2.2 小學(xué)機(jī)器人編程語言系統(tǒng)設(shè)計

在小學(xué)機(jī)器人編程教學(xué)中，機(jī)器人的語言系統(tǒng)共分為五個部分，分別是由文本編輯或者示教生成空間點所構(gòu)成的編輯器、機(jī)器人的源程序、負(fù)責(zé)詞法（語法、語義）分析的解釋器、軌跡規(guī)劃和插補計算、執(zhí)行結(jié)構(gòu)。其中解釋器的過程最為復(fù)雜，因為解釋器負(fù)責(zé)將源程序輸入的文本形式轉(zhuǎn)化為目標(biāo)指令，本文也主要對解釋器的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的研究。

3 小學(xué)機(jī)器人編程語言解釋器的實現(xiàn)

解釋器的主要功能是詞法分析、語法分析和語義分析，詞法分析是識別源程序的文本單詞，同時對單詞進(jìn)行檢查和轉(zhuǎn)換；語法分析是識別源程序的文本語法，同時對語法結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查；語義分析是識別源程序的文本語義，同時檢測出相應(yīng)的錯誤信息。所以基于上述功能，編程語言解釋器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分為以下幾個步驟：首先是在初始化的處理的基礎(chǔ)上加載源程序，然后對詞法進(jìn)行分析，詞法無誤后進(jìn)行語法分析，語法分析無誤后進(jìn)行語義分析，如果此三項有錯誤全部進(jìn)行錯誤處理，上述步驟完成之后解釋器可以在符號表的基礎(chǔ)上生成目標(biāo)代碼。

3.1 詞法分析

基于小學(xué)機(jī)器人教學(xué)需求的機(jī)器人語言包括以下五種單詞符號：關(guān)鍵字、識別符、常量（數(shù)字）、運算符、標(biāo)點符號。詞法分析程序的輸入為機(jī)器人源程序文件，而輸出為提供給語法分析的單詞串。在進(jìn)行詞法分析前，需要構(gòu)造關(guān)鍵字表。關(guān)鍵字表用一個字符指針數(shù)組保存，其定義如下：char*keywords[keywordsnum]； 其 中keywordsnum為宏定義，表示關(guān)鍵字的數(shù)目。這種定義方式方便了隨時增加或刪減關(guān)鍵字。分析程序中應(yīng)提供對關(guān)鍵字表的查找操作，定義函數(shù)如下：intlookup(char*)；此函數(shù)輸入?yún)?shù)為待查找的單詞串，返回一個整型值代碼關(guān)鍵字的內(nèi)碼，若沒有查找到返回數(shù)值—1。

3.2 語法分析

基于小學(xué)機(jī)器人教學(xué)需求的機(jī)器人語言語法分析使用的是正則表達(dá)式，正則表達(dá)式主要有以下優(yōu)點：首先是其自身能夠通過簡單的控制方式對字符串進(jìn)行復(fù)雜的控制；其次是內(nèi)在的邏輯性非常強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種環(huán)境。使用正則表達(dá)式進(jìn)行機(jī)器人程序的語法分析，要經(jīng)過指令正則表達(dá)式的定義、初始化和匹配三個過程。在處理正則表達(dá)式的過程中，可以借助機(jī)器人控制器下位機(jī)所用的Linux系統(tǒng)帶有的正則表達(dá)式處理庫函數(shù)regcomp()和regexec()來實現(xiàn)一些功能。

3.3 語義分析

機(jī)器人程序經(jīng)詞法分析和語法分析之后，若沒有錯誤則說明此程序在書寫上是正確的且符合語法規(guī)則。語法上的正確并不能保證其在語義上是正確的，要判定予以是否正確，必須依靠語法分析，而要產(chǎn)生目標(biāo)代碼，還需要一種翻譯技術(shù)將源程序翻譯成目標(biāo)代碼。出于小學(xué)教學(xué)效率和實現(xiàn)難度的考慮，本次研究的語法分析程序沒有輸出語法樹，只是進(jìn)行語法檢查。在一般的語義分析程序中，要遍歷語法樹來實現(xiàn)語法制導(dǎo)的翻譯過程，但是遍歷語法樹的效率較低，而且語法樹的儲存要耗費大量的內(nèi)存，這對機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)所需求的高實時性造成了一定的影響，因此本文設(shè)計的語法分析程序仍遍歷機(jī)器人源程序作為輸入，來進(jìn)行語法的檢查和目標(biāo)代碼的生成。

4 總結(jié)

總而言之，基于小學(xué)機(jī)器人教學(xué)需求對解釋器進(jìn)行開發(fā)和研究，不僅能夠降低小學(xué)編程教學(xué)的難度，從而提高小學(xué)生的邏輯思維能力、實踐操作能力和語言表達(dá)能力，還能夠提高學(xué)生對于其他學(xué)科的理解能力，幫助學(xué)生綜合全面的發(fā)展。除此之外，編程語言的開發(fā)還需要學(xué)校和教育部分的重視，定期舉辦相應(yīng)的課題和研究，同時教師也需要提高自身的專業(yè)水平，對相關(guān)編程教學(xué)的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行實時的了解，并積極應(yīng)用到相關(guān)的編程教學(xué)中，豐富學(xué)生知識儲備的同時開闊學(xué)生的視野。