基于Lua的工业机器人解释器实现的研究

张茂玲1 杨锦涛2

（1.镇江中船现代发电设备有限公司，江苏 镇江 212009；

2.上海擎宝机器人有限公司，中国 上海 201600)

【摘　要】针对机器人编程语言和控制程序模块化的发展需求，提出一种基于Lua脚本语言的机器人语言解释器的实现方法。用Lua作为整个系统的构建者，对机器人语言进行词法、语法分析，调用控制代码完成对机器人的控制，具有扩充性和维护性强，系统开发效率高，解释效率高的特点。该解释器结合vs2008运行，利用robotic toolbox for matlab仿真验证，证明该解释器可以很好地解释工业机器人语言，为解释器的构建提供了一种新的模式。

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关键词 Lua；机器人语言；解释器；模块化

０　引言

工业机器人的快速发展，逐渐使人类从繁重、单调或是危险的工作中解放出来。为了缩短机器人的开发周期，需要一种简单易懂的语言对机器人进行编程，这就是机器人语言产生的初衷[1]，它更符合人的语言习惯和思维方式，即使不懂编程语言的工作人员也能够很快的理解和运用。这就需要把这种类人思维的指令语言解析成为C/C++能够理解和运用的语言。机器人语言解释器的主要功能就是将文本形式的简单的机器人语言，也就是指令代码转换为程序需要的数据结构或格式，以控制机器人的运行，所以解释器在机器人软件系统中起到非常重要的作用，其解释效率将直接影响工业机器人的工作效率。

Lua的设计目的就是为了嵌入到应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。轻量级Lua语言的官方版本只包括一个精简的核心和最基本的库。这使得Lua体积小、启动速度快，在目前所有脚本引擎中，Lua的速度是最快的[2]。这一切都决定了Lua是作为嵌入式脚本的最佳选择。因此选用Lua脚本语言构建解释器。

与文[3][4]中的解释器不同的是Lua不仅仅是把参数传递给主程序。基于Lua的解释器用Lua整合现有资源，构造整个系统的框架，调用控制模块来实现具体功能，降低模块之间耦合程度，其优势在于扩展性、复用性较强，并且方便实现更复杂的结构和逻辑，为将来更高级的机器人语言解析提供了可能。脚本语言无需编译，在解释器的开发阶段可以实现快速、实时的修改调试，缩短开发周期。

1　工业机器人控制系统及编程语言设计

1.1　工业机器人控制系统

操作者在界面利用规定的机器人语言指令编写程序，用解释器对机器人语言进行解析，调用相应的控制模块，控制模块包括路径规划模块、速度规划模块、运动学模块和动力学模块，完成轨迹规划、插补、逆运动学等运算，最后Lua把伺服电机需要的关节角度、关节角速度和加速度参数传递给运动控制器，实现对机器人的控制。

1.2　工业机器人编程语言设计

机器人编程语言需要运动指令和流程控制指令，解释器的任务是要对指令进行解析，控制机器人完成指令动作。

2　基于Lua的解释器设计

2.1　Lua简介

Lua是一种嵌入式语言，Lua具有与C/C++良好的交互能力，十分简洁的API，可以说是目前脚本语言中做的最好的[1]。我们可以把Lua作为C/C++的一个库，同样也可以把C/C++作为Lua的一个库。Lua与C/C++可以通过一个虚拟栈来进行数据交互，十分简洁，这一点对实现工程的模块化非常重要。解释器将C++作为 Lua的一个库来使用；

Lua提供了丰富的字符串处理函数；

灵活的table和function，table是Lua中一种特别的结构，类似数组，但它其中的元素可以是任意类型的，甚至可以是一个函数。Function具有参数变长机制，这些为解析工作提供了极大的方便；

Lua具有可移植性，Lua可以运行在任何平台上，包括：PlayStation、Xbox等等。

由于Lua具有的这些特点，它可以作为一种高效便捷的解析工具。

2.2　基于Lua解释器的体系结构

首先编辑机器人程序，编辑完成后，调用Lua读取文本中的机器人程序，解析每一句代码，检测词法语法错误，有错误时抛出错误类型，无错误时分解成指令和参数，根据不同的指令调用不同的控制模块：把示教点位置姿态信息传递给路径规划模块，得到路径参数，把速度参数和路径参数传递给速度规划模块，把速度规划参数和路径参数传递给插补模块，得到笛卡尔空间末端执行器插补状态参数，最后调用逆运动学求解模块，推出六个关节运行时间对应的位置、速度、加速度信息，传递给伺服驱动控制器完成动作。在这里Lua不仅是传统解释器的作用，而是整个系统的调度者，有利于机器人控制系统的模块化，这样一来，假如速度规划模块需要优化，我们可以直接把这个模块替换成优化后的模块。

例如解释器对下面一段机器人语言进行解析：

MOVC P002 P003 P004 V010 Z0

MOVL P005 V010 Z0

MOVC P005 P006 P007 V010 Z0

MOVC P007 P006 P005 V010 Z0

需要注意的是圆弧运动(MOVC)至少要给出三个点，解释器把这三个点传递给控制模块，控制模块按照圆弧规划的方式进行插补；直线运动(MOVJ)需给出目标点，控制模块根据传感器得出的机器人此刻所处位置信息，根据两点间直线进行插补；采用样条插补(MOCS)时需要说明是使用三次样条、五次样条或B样条方式进行插补。

解释器读取机器人语言存入字符串a。Lua分析程序，把每一句指令存入table b[i]。通过string.find()函数查找换行符的位置，然后用string.sub()函数提取中间字符串，从而分割出每一句代码。把每一句代码存入b[i]，b为一个table类型。再把b[i]分解成单个关键字存入c[j]，c[1]存放指令字符串，c[2]，c[3]等存放参数。

在此定义了一个存放指令的table cmd[]

cmd={

MOVJ={“P”， “V”，“Z”，cfunc=cmovj}，

MOVL={“P”， “V”，“Z”，cfunc=cmovl}，

……

}

这里table的使用体现了Lua的灵活之处，用指令直接作为table的索引，使用cmd[c[1]]可以直接索引到相应指令对应的参数和控制函数，进而进行参数检测和函数调用。这个技巧使得逻辑简单清晰，类似数组的索引方式提高了解析效率，并且在进行增加或更改指令等后期维护时，只需在cmd[]中添加或更改就可以了，具有很好的可维护性。

用cmd[c[1]][j]匹配参数，检测参数格式是否正确，格式错误时，输出错误类型。

在C++代码中使用注册函数Lua_register(L，“lname”，cname)，便可以在Lua中直接使用cmd[c[1]].cfunc(c[2]，c[3]，c[4])用来调用不同的控制模块并传递参数，控制模块中通过Lua_tostring()，Lua_tonumber()等来得到传递的参数。

2.3　基于Lua的解释器界面实现

常用的界面实现形式是Qt，基于Lua的解释器研究采用一种新颖的实现形式——Qtlua，Qtlua库旨在用Lua脚本语言使Qt应用程序可脚本化，为QtScript模式提供一种新的选择，因此它具有脚本的特点[2]。很多脚本语言都可以实现对Qt的封装，之所以选择Lua是因为Lua的小巧，可以将解释器模块式的嵌入到其他机器人平台中，并且可以方便的进行在线维护和升级。

Qtlua中的部分函数介绍：

信号与槽

——connect signal and slot of given Qt objects

qt.connect（qobject1， “qt_signal_signature（）”， qobject2， “qt_slot_sign

ature（）”）

——connect slot to given lua function

qt.connect(qobject， “qt_signal_signature（）”， lua_function)

……

文件操作函数

filename=qt.dialog.get_open_filename( [ “caption”， “directory”， ｜“filter”， QFileDialog::Option ] )

filename=qt.dialog.get_save_filename( [ “caption”， “directory”， “filter”， QFileDialog::Option ] )

……

标准消息框（关于，警告，错误等等）

qt.dialog.msg_about( “text” [ ， “title” ] )

button = qt.dialog.msg_critical( “text” [ ， “title”， QMessageBox::StandardButtons，

QMessageBox::StandardButton ] )

button= qt.dialog.msg_information( “text” [ ， “title”， QMessageBox::StandardButtons，

QMessageBox::StandardButton ] )

……

Qtlua利用Qt designer可视化的构建界面，用Lua实现具体的功能。这种嵌入式的界面模块可以方便的扩展原有应用程序的功能。编译器可以实现打开、新建、保存程序文件；单步、全速、终止运行等操作。

3　实验及结果

用自己开发的解释器软件RLI（Robot Language Interpreter)结合vs2008来解析文本，调用控制模块生成数据，利用robotic toolbox for matlab进行仿真验证。在编辑时加入一些不必要的空格和换行、替换控制模块，以测试解释解析的正确性。大量的测试表明，解释器能够正确的解析机器人语言，调用相应函数，执行循环结构，控制机器人执行相应动作等。当机器人程序编写有错误时，可以对其中的错误进行提示。图1中的程序描述了工作流程：机器人从位置点P001移动到位置点P002，然后按照弧线-直线-弧线对工件喷涂，等待工件底座旋转，再次喷涂，反复几次后停止于位置点P007，移动到位置点P008待命。运行仿真结果如图2所示。

4　结论

通过Lua脚本语言，可以准确、快速的解析机器人语言，可以使机器人语言的编写简单化，使非专业人员也可以对机器人进行编程。Lua脚本语言在机器人中的运用可以实现机器人控制程序的模块化，降低模块间的耦合度，方便实现模块的替换、升级和扩充；可以的大大缩短机器人解释器开发时调试的时间；解释器可以便捷的添加或删除指令，简化了后期的升级维护，实现了解释器的开放性；Lua具有良好的可移植性，根据不同平台修改cmd中的内容后就可以在其他机器人控制平台运行，具有广泛的应用范围。

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参考文献

［１］John J.Craig. 机器人学导论[M].3版.贠超，等，译.北京:机械工业出版社，2006.

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

［３］曾国.利用LEX与YACC实现数控线切割的加工程序编译器[J].机电工程，2004(1):58-61.

［４］王浩，谢存禧.工业机器人解释器的研究[J].机械设计与制造，2010(3):146-149.

［责任编辑：邓丽丽］