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Python, C#, C++ 或者 MATLAB ——使用哪種語言給工業機器人編程更好?

by hiholife
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使用“高階”語言給工業機器人編程有很多好處。那麼,哪種語言更適合於機器人編程呢——是 Python, C# 還是 MATLAB?

這裡的“高階”指的是更接近於人類語言。本質上,最低階的機器語言只包含0跟1兩個字符,我們無法讀懂。高階編程語言降低了編程難度,這幫助用戶節省編程時間、也更容易完成複雜的編程功能。高階語言通過編譯後變成機器能讀懂的低階機器語言。給工業機器人編程時,機器人廠商一般會開放其品牌特有的語言函數庫給用戶使用,用戶完成程序後通過編譯、並在機器人控制器上運行。而通用的編程語言讓用戶無需學習各個品牌機器人特有的編程語言

那麼,選擇哪種高階語言給機器人編程呢?

品牌特有的語言比如 RAPID(ABB 機器人),KRL(庫卡 KUKA 機器人),JBI(安川 Motoman 機器人)與 Karel(發那科Fanuc 機器人)等等。這些語言只能在本品牌機器人的控制器上使用。

而四種常見的通用編程語言,有Python,C#,C++ 與MATLAB。今天,我們就來介紹一下這4種通用編程語言的優劣之處。不過首先我們來解答一下,為什麼需要使用高階編程語言呢?

高階編程語言的優勢

起初,機器人只能透過低階語言編程,最早的例如1973年左右出現的 MHI,VAL 以及 SIGLA 語言,其功能都非常有限。多數語言只能應用於與其相匹配的特定型號機器人,以控制機器人簡單的運動,操作也不靈活。

多年後,編程語言變得更加先進,用戶開始使用更通用、高階的語言來控制機器人。C++ 出現在1982年,Python 在1990年,而 MATLAB 出生於2012年。使用通用的高階語言給機器人編程,相對於使用專有的、並且只有一套“封閉的”語言函數庫來說,有更大的益處。例如:

  • 可以對不同的機器人重複使用(部分)程序代碼
  • 可以不斷在函數庫中添加新的機器人功能
  • 使用高級的調試工具——機器人廠商很少提供他們特有語言的程序調試器
  • 因為通用編程語言的用戶群體龐大而更容易解決問題
機器人編程調試

Python 對比 C#, C++ 對比 MATLAB ——哪種更好?

機器人編程語言

在通用的高階語言中,要知道哪種語言最適合於你需要實現的機器人項目,可以通過對比各種語言的優勢與劣勢來判斷。

以上文中介紹的通用語言優勢為基礎,我們來比較一下目前最常見的四種編程語言:Python, C#, C++ 與MATLAB。當然在有些時候,還可以根據需要在同一個項目中使用一種以上的語言。

Python

Python 在設計時以簡單易懂為前提,儘管在90年代已經被開發,直到近年來用戶群數量獲得極大的增長。用戶普遍認為 Python 容易學習,對於已經有其他語言編程基礎的用戶來說 Python 也很容易上手。對於一名年輕的機器人編程人員,容易開始。

使用 Python 給機器人編程的優勢是:

  • 易學易懂
  • 可利用強大的函數工具庫
  • 可重複使用的代碼
  • 用戶群龐大,容易獲得幫助

使用 Python 給機器人編程的缺點:

  • 在龐大而復雜的項目中,程序容易顯得無序。
  • 各項指標都不錯,但是沒有特別的長處。
  • 由於是“直譯式”語言,有時不易於查錯。

我們認為 Python 對於快速、小到中型的機器人編程項目來說優勢最明顯——在對系統的“實時性能”要求不高的情況下,用戶可以使用它強大的功能以及函數工具庫。而如果你需要更穩定、高效的程序,那麼Python 可能不是最好的選擇。

C#

C# 由微軟於2000年後開發,之後迅速獲得用戶歡迎,特別在生產製造行業中成為被使用最多的編程語言之一。不同於C++語言的是,C#更容易學習,因為它自動對內存進行管理,採用“垃圾回收”機制釋放不需要的內存。

使用C# 給機器人編程的優勢是:

  • 容易學習並且容易集成於大型項目中
  • 強大而多樣的函數庫
  • 出色而且免費的開發環境(微軟 Visual C# Express)
  • 微軟的 Visual Studio 包括非常有用的團隊開發工具
  • C# 在 .NET 框架下運行,具有與其他程序語言的良好互操作性

使用C# 給機器人編程的缺點:

  • 不適合在其他系統環境(例如 Linux)中開發
  • 由於 C# 是為 Windows 設計,C# 程序在非 Windows 系統環境下也不容易運行

很多人機交互界面(HMI,即Human Machine Interfaces)項目都是使用C# 開發的,也是數據採集與監控控制(SCADA,即Supervisory Control and Data Acquisition) 系統的一部分。

C++

C++ 是一種基於C語言的“面向對象”編程語言。它背後的設計關鍵是性能,並且代碼容易管理。假設我們至始至終只能選擇一種語言給機器人編程,那麼我們會推薦使用 C++。雖然 Python 更加容易使用(前文中也做了推薦),但是,一個更重要的因素是程序的性能,C++ 所具有的這個優勢不容忽視。

如果你是認真地想學習機器人,完美利用它的高級功能,我們建議學習跟使用C/C++。給機器人編程,技術等級由低(例如嵌入式馬達與探測器控制)到高(例如人工智能),這些功能使用C++ 能夠全部勝任,能做到這一點的編程語言並不多。

使用 C++ 給機器人編程的優勢是:

  • 性能(假設你的程序足夠好)
  • 可以利用很多函數工具庫(很多Python工具庫都是C++ 工具庫的封套)
  • “高階”編程語言中的“低階”語言,對硬件的控制性更強
  • 很多機器人硬件的函數工具庫都是用C/C++寫成的

使用 C++ 給機器人編程的缺點:

  • 學習時間長、不容易寫出合格的程序
  • 通常需要多次調試
  • 編程時間較長
  • 第三方提供的函數庫通常不易使用(不容易讀懂)

如果需要性能強大,或者與低階機器人硬件交互,C++ 可能是最好的選擇。但是,如果你想用最少的精力實現快速編程,C++ 就通常不被採用。

MATLAB

MATLAB 不僅僅是一種編程語言,而是一整個編程環境,它名字的由來是“矩陣實驗室”,在數學(矩陣)領域尤其有效。

矩陣是機器人的基礎,就像我們之前介紹的。MATLAB 在工程師中廣泛使用,應用於分析與仿真機器人。隨著產品的發展,也可以通過界面工具控制機器人硬件。MATLAB 用於數據分析的函數庫功能強大,但是控制機器人硬件不是它的強項。

使用 MATLAB 給機器人編程的優勢是:

  • 強大的數據與機器人運動分析工具
  • 快速完成可重複利用的代碼
  • 它的“機器人工具”也受到廣泛歡迎
  • 可以實現複雜的仿真

使用 MATLAB 給機器人編程的缺點:

  • MATLAB 本身不是為與機器人硬體交互所設計的
  • 作為一種“專利的”產品(語言與開發環境),價格不菲
  • 由於用戶需要購買 MATLAB,不容易與其他用戶分享代碼
  • 由第三方提供的工具沒有在其他語言中的那麼多

MATLAB 用於數據分析與仿真任務可能是最好的選擇,但僅限於此。當真正為機器人硬件編程時,我們通常推薦使用其他的語言。

總結

本篇的幾個要點:

  • 最簡單的編程選擇為 Python,適合較小的、快速的項目
  • 如果在效率(取得快速結果)與性能中平衡,那麼選擇 C#
  • 如果需要最優秀的性能,C++ 最佳
  • MATLAB 可能是最好的數據分析工具

不管選擇使用哪種語言,確保你的機器人編程環境支持這種語言。RoboDK 提供的應用編程接口(API),把你最喜愛的高階語言應用於工業機器人之中。

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