CN104503754A - 一种机器人图形化编程***中编程及编译的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机器人图形化编程***中编程及编译的设计方法。根据机器人运动控制特征，将字符代码封装为图形控件的形式提供给用户，大大降低编程难度，提高编程效率；在编译器语法分析阶段，采用预先推导模式进行语法分析，减少预测查询次数，省去了部分语法产生式分析所需的时间，实现字符串语法结构的快速分析，提高了编译效率；利用mono运行环境作为编译器后端，使得编译器前后端的体系架构相对独立，具有良好的扩展性和可移植性。

Description

一种机器人图形化编程***中编程及编译的设计方法

技术领域

本发明涉及一种机器人图形化编程控制方法，具体是指一种图形化编程***中编程及编译的设计方法。

背景技术

机器人编程***是操作人员控制机器人完成一定动作或作业任务的操作***，随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人编程控制***的研究也愈发重要。

但是，自机器人诞生以来，所采用的编程***都是开发者基于自己产品的独立结构开发的：使用专用的机器人语言编程，专用的硬件结构，机器人控制算法固化在ROM中，***功能的修改性与扩展性较差。另一方面，目前市场上大多数机器人控制平台采用文本编辑的方式进行程序的编写，在文本编辑方式中，所有的程序代码均需要手工输入，不可避免会有一些拼写上的错误，增加了程序调试的难度和时间。同时，采用文本编辑方式的前提条件是必须熟悉所使用的编程语言的语法，而由于机器人控制涉及大量算法，导致了编程语言的复杂性，需要操作人员具有专业的编程知识，不能很快的投入到使用中。

针对以上问题，国内外进行了一系列研究。徐成提出基于事件驱动的机器人图形化编程思想，利用图形的特征区分不同的编程单元，同时采用积木式的编程方法，大大降低了开发人员在编程过程中的出错率，节省了机器人***的开发周期。张琪采用基于结构化的数据流的编程方式，结合图形化编程语言的特点设计了图形化编程的机器人专用软件研究***(GR4S)，用户通过构建流程图的形式，完成程序设计。魏兰提出了一种基于图形化编程的机器人软件***的总体结构设计，包括软件结构的总体设计思路，主要处理从流程图式的图形化结构到类C语言的转换，再将这种类C语言翻译转换为下位机所能识别的目标代码。Jianfei Mao和Antonio Benitez利用构建机器人3D模型的形式动态辅助编程。Germano Veiga设计了一种用户期望草图结合三维技术调整的编程模式。曹建福采用了基于构件的组态结构，提出了一种柔性的机器人控制软件结构，所有软件模块都按标准接口进行封装，它可解决基于嵌入式***的机器人控制功能重构问题。Omar A Fresti讨论了一种通用的机器人虚拟机概念Rovim，来解决控制软件对硬件的依赖。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人图形化编程控制***的设计方法，实现和提高机器人编程***中编程和编译的效率。本发明提供的技术方案如下：

机器人图形化编程***的执行步骤为：

1、图形化编程。基于机器人控制特性对图形控件进行分类，将机器人基本动作、条件判断、循环等函数代码封装为图形控件的模式提供给用户。用户通过对这些图形控件的调用设计机器人任务程序，并通过代码转换机制将图形化代码转化成字符源代码。

2、编译器。编译器读取字符源代码，并将其转换成中间语言形式，主要步骤为：

(a)词法分析，读取源程序，按规定类型识别并区分单词，并输出相应的单词流信息。

(b)语法分析，解析词法分析步骤中得到的单词流，根据指定文法，采用预先推导的模式建立产生式推导预测表，减少预测查询次数，省去了中间部分语法产生式分析过程，实现语法结构的快速分析。

(c)语义分析和中间代码转换，根据语法分析树审查源程序有无语义错误，将代码转换成IL中间语言的形式。

3、虚拟机。利用mono虚拟机，调用机器人控制算法相关函数，对IL中间代码进行解析，生成机器人控制器能够识别的目标代码。

本发明优点如下：本发明提出一种机器人图形化控制编程***中编程及编译的设计方法。根据机器人运动控制特征，将字符代码封装为图形控件的形式提供给用户，大大降低编程难度，提高编程效率；在编译器语法分析阶段，采用预先推导模式进行语法分析，减少预测查询次数，省去了部分语法产生式分析所需的时间，实现语法结构的快速分析，提高了编译效率。采用mono运行环境作为编译器后端，使得***体系架构相对独立，具有良好的扩展性和可移植性。

附图说明

图1本发明总体执行流程图

图2本发明图形化编程模式示意图

图3本发明编译器语法分析阶段预先推导模型图

具体实施方式

为实现发明目的，使技术方案和特点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明：

附图1是本发明的机器人图形化编程控制***整体执行流程图。

流程包括图形化编程、编译、虚拟机解析，具体实现如下：

一、图形化编程

根据机器人运动控制特性，对图形化控件进行分类，主要包括以下几种类型：

机器人图形化编程控件分类表

图形化控件的设计思想是将字符代码抽象为固定架构和填充内容两部分。固定架构为当前控件所代表的稳定不变的代码框架，例如IF控件，其固定架构为“if(){}”；填充内容为根据用户输入才能确定的局部代码细节，例如IF控件的()和{}内的内容，可以继续调用图形化控件输入，也可以输入指定数据。用户通过对控件的组合拼装完成机器人程序设计。

图形化编程***的代码转换模式为：

(1)按照用户组件的图形化程序顺序，依次转换每个图元。

(2)将当前图元的固定架构和填充内容转换为字符模式。若填充内容是子图元形式，则转换子图元，若子图元转换完毕，继续转换父图元。

(3)第(2)部分采用递归的方式，直到所有子图元转换完毕。

附图2给出了本发明图形化编程示意图，其中实线框为图形化控件，虚线框为生成的字符代码。给出示例代码含义为：当信号W触发时，机器人自当前位置移动到a点，抓取物品，放至b点，并返回home点的工作流程。用户在编写此段代码时，调用IF、SPEED、MOVEJ、PICK、PUT等相应的图形化控件，进行组合拼装，只需输入速度s，a点、b点以及home点的坐标数值，即可完成一个任务流程编程。

二、编译器

编译器对源代码进行词法分析、语法分析、语义分析并生成中间代码。

词法分析

词法分析是将源代码分解成单词流形式的过程，单词符号分为以下四大类：

(1)关键字(keyword)，由字母组成具有固定意义的字符串。例如if、else、while等。

(2)标识符(identifier)，用来标识程序中各个对象或函数的名称。如机器人相关变量名、运动函数名称等。

(3)常数(number)，用来表示各类常数。如整型常数、实型常数、布尔常数和字符常数等。

(4)运算符(operation symbol)，表示程序中各类运算的符号。例如+、-、/、＞、＜等。

词法分析实现步骤为：

a、读取源文件，跳过空格和换行符等无效字符。

b、采用正规表达式(regular expression)模式描述一个词法单元的词素可能具有的形式，据此构造识别各类单词的状态转换图识别单词。

c、单词匹配并输出。

语法分析

语法分析程序是编译程序的核心部分，其作用是判断由词法分析给出的单词序列是否符合给定的文法形式。目前比较流行语法分析方法为LL分析法和LR分析法。其中LL(1)文法直观易判定，算法较为容易实现，便于手工构造或自动生成语法分析器，LL(1)分析方法得到了广泛的应用。本发明在LL(1)预测分析表的基础上进行二次推导，建立预先推导分析表，将部分产生式推导提前进行，可有效提高编译效率。附图3为本发明预先推导模型图，具体实现步骤如下：

设文法G＝(Vn，Vt，P，S)，其中Vn为非终结符集；Vt为终结符集，P为产生式集，S为开始符。

第一步：计算FIRST(A)，A为任意非终结符，FIRST(A)为从A推导出的串的开始符号的终结符的集合，计算规则如下：

1、

2、若∈为空，则∈也属于FIRST(A)。

第二步：计算FOLLOW(A)，FOLLOW(A)为包含所有句型中紧跟在A后面的终结符a的集合，计算规则如下：

1、

2、若则#也属于FOLLOW(A)集合，#为文法结束符。

第三步：对每个产生式A→α构建预测分析表M[A，a]，构建规则如下：

1、对于FIRST(A)中每个终结符号a，将产生式A→α加入到M[A，a]中。

2、如果∈在FIRST(A)中，那么对于FOLLOW(A)中的每个终结符号b，将A→α加入到M[A，b]中。

3、如果∈在FIRST(A)中，且#在FOLLOW(A)中，也将A→α加入到M[A，#]。

4、完成1、2、3后，如果M[A，a]中没有产生式，那么将M[A，a]设置为error；

第四步：建立预先推导分析表PreM[A，a]。建立规则如下：

1、对为非Vn→Vt|∈形式的产生式A→α进行预先推导，根据A和a，通过预测分析表M[A，a]推导产生式，并将产生式加入到PreM[A，a]中。二次推导实现算法如下：

2、对于Vn→Vt|∈形式的产生式，查询M[A，a]中对应信息，并加入到表PreM[A，a]中。

第五步：根据PreM[A，a]推导产生式，具体实现算法如下：

设置ip指向第一个符号a，ip为输入指针；

语义分析和中间代码生成

遍历语法树，根据语义规则检查是否有语义错误，并根据IL指令规则，进行语法制导翻译，生成IL程序集。

三、虚拟机

以Mono运行时作为编译器后端，利用mono强大的跨平台特性，可将本***轻松的部署到多种平台。下载对应平台的mono软件包并安装。使用时，首先启动mono运行环境，mini_init()初始化内部数据类型、字符转换、字符串操作以及线程等功能。初始化完成后，mono_assembly_open()加载IL程序集文件，获取类及方法信息，通过Class Loader加载类文件，利用JIT翻译成目标机器能识别的机器代码，其中机器人相关运动函数以本地方法的形式提供给虚拟机调用。

Claims (2)

1.本发明的目的在于提供一种机器人图形化编程***中编程及编译的设计方法；其特征是：根据机器人运动控制特征，将字符代码封装为图形控件的形式提供给用户，大大降低编程难度，提高编程效率；在编译器语法分析阶段，采用预先推导模式进行语法分析，减少预测查询次数，省去了部分语法产生式分析所需的时间，实现语法结构的快速分析，提高了编译效率；采用IL中间语言和mono运行环境作为编译器后端，使得编译器前后端的体系架构相对独立，具有良好的扩展性和可移植性；包含如下几个步骤：

一、图形化编程；基于机器人控制特性对图形控件进行分类，将机器人基本动作函数、条件判断、循环、函数调用等代码封装为图形控件的模式提供给用户；用户通过对这些图形控件的调用设计机器人任务程序，并通过代码转换机制将图形化代码转化成字符源代码；

二、编译器；编译器读取字符源代码，并将其转换成中间语言形式，主要步骤为：

(a)词法分析，读取源程序，采用正规表达式(regular expression)模式描述一个词法单元的词素可能具有的形式，据此构造识别各类单词的状态转换图识别单词，并输出相应的单词流信息；

(b)语法分析，解析词法分析步骤中得到的单词流，根据指定文法，采用预先推导模式进行语法分析，减少预测查询次数，省去了部分语法产生式分析所需的时间，实现语法结构的快速分析；

(c)语义分析和中间代码转换，遍历语法分析树，审查源程序有无语义错误，采用语法制导翻译的形式将代码转换成IL中间语言的形式；

三、虚拟机；利用mono虚拟机，调用机器人控制算法相关函数，对IL中间代码进行解析，生成机器人控制器能够识别的目标代码。

2.根据权利要求1所述一种机器人图形化编程***中编程及编译的设计方法，其特征在于，第二步所述的编译器语法分析阶段，预先推导模式为：对预测分析表进行二次推导，将部分产生式预测提前进行，建立预先推导分析表进行语法分析，执行步骤如下：

第一步：计算FIRST(A)和FOLLOW(A)，并对每个产生式A→α构建预测分析表M[A，a]；

第二步：对表M[A，a]进行二次推导，建立预先推导分析表PreM[A，a]，二次推导规则如下：

(1)对为非形式的产生式A→α进行二次推导，根据A和a，通过预测分析表M[A，a]推导产生式，并将产生式加入到PreM[A，a]中；具体实现算法如下：

(2)对于形式的产生式，查询M[A，a]中对应信息，并加入到表PreM[A，a]中；

第三步：根据PreM[A，a]推导产生式，预测分析实现算法如下：

设置ip指向第一个符号a，ip为输入指针；