工业机器人编程语言：URScript (Universal Robots)：UR机器人力控制与力传感器编程

工业机器人编程语言：URScript(UniversalRobots)：UR机器人力控制与力传感器编程1URScript简介与环境设置1.1URScript语言概述URScript是UniversalRobots（UR）机器人系列的专用编程语言，设计用于直接在UR机器人控制器上编写和执行程序。它是一种高级、易于理解的语言，旨在简化工业机器人的编程过程，使用户能够快速开发和部署机器人应用。URScript支持各种机器人操作，包括运动控制、I/O管理、逻辑处理和高级功能，如力控制和传感器集成。1.1.1特点直观性：URScript的语法设计直观，易于学习，即使是没有编程经验的操作员也能快速上手。实时性：URScript程序可以直接在机器人控制器上运行，无需额外的计算机或软件，实现即时反馈和控制。灵活性：URScript支持多种编程范式，包括过程式和函数式编程，允许用户根据具体需求选择最适合的编程方式。1.1.2基本语法URScript的基本语法包括变量声明、函数定义、条件语句和循环控制。例如，下面的代码展示了如何使用URScript控制机器人移动到指定位置：defmove_to_position(x,y,z):

#移动到指定位置

movej([x,y,z,0,-90,0],a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)1.2UR机器人系统配置在开始使用URScript编程之前，确保UR机器人的系统配置正确是至关重要的。这包括硬件检查、软件版本确认和安全设置。1.2.1硬件检查机器人本体：检查机器人各关节是否正常，无损伤或松动。末端执行器：确保末端执行器（如夹爪、吸盘等）与机器人兼容并正确安装。力传感器：如果使用力传感器，检查传感器是否正确安装并连接到机器人控制器。1.2.2软件版本确认UR机器人控制器运行的软件版本应与URScript版本兼容。可以通过控制器的界面检查当前软件版本，并根据需要进行更新。1.2.3安全设置速度限制：设置机器人的最大速度，以确保操作安全。力矩限制：定义机器人在遇到障碍时的最大力矩，防止损坏。安全区域：设定机器人操作的安全区域，避免与周围环境发生碰撞。1.3力传感器安装与校准力传感器是UR机器人实现力控制的关键组件，它能够测量机器人在操作过程中所受的力和力矩，从而实现精确的力控制和力反馈。1.3.1安装力传感器通常安装在机器人末端执行器和机器人手腕之间。安装过程应遵循以下步骤：断电：在安装前，确保机器人控制器已断电。连接：将力传感器连接到机器人手腕和末端执行器之间，确保所有连接紧固。布线：将传感器的信号线连接到机器人控制器的相应端口。1.3.2校准安装完成后，力传感器需要进行校准，以确保测量的准确性和一致性。校准过程包括零点校准和力矩校准。1.3.2.1零点校准#零点校准

defzero_calibration():

#读取当前力传感器读数

force=get_force_torque()

#将读数设置为零点

set_force_torque_offset(force)1.3.2.2力矩校准力矩校准通常在零点校准后进行，以确保在不同方向上的力矩测量准确。#力矩校准

deftorque_calibration(direction):

#设置力传感器的力矩方向

set_torque_direction(direction)

#读取并记录力矩值

torque=get_torque()

#调整力矩偏移量

adjust_torque_offset(torque)1.3.3力控制编程示例一旦力传感器安装并校准完成，就可以使用URScript进行力控制编程。下面的示例展示了如何使用力传感器控制机器人在接触物体时的力：#力控制示例

defforce_controlled_movement(target_force):

#设置力控制模式

set_force_control_mode(True)

#设置目标力

set_target_force(target_force)

#移动到接触点

movej([0,-90,0,0,-90,0],a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#等待直到达到目标力

whileget_force()<target_force:

sleep(0.1)

#关闭力控制模式

set_force_control_mode(False)在这个示例中，set_force_control_mode函数用于开启或关闭力控制模式，set_target_force函数设置目标力，get_force函数读取当前力传感器的力值。通过循环和sleep函数，机器人将等待直到达到目标力值。通过以上步骤和示例，可以有效地在UR机器人上实现力控制和力传感器的编程，从而提升机器人在复杂环境下的操作精度和安全性。2工业机器人编程语言：URScript(UniversalRobots)力控制与力传感器编程2.1基础力控制编程2.1.1力控制指令详解在URScript中，力控制是通过一系列特定的指令实现的，这些指令允许机器人在执行任务时感知并适应外部力的变化。以下是一些关键的力控制指令：2.1.1.1force_mode_...force_mode_off():关闭力控制模式，使机器人回到传统的位置控制模式。force_mode_teaching(speed,force):设置力控制模式下的教学速度和力限制，用于手动引导机器人时。force_mode_add(speed,force,acceleration,time):在力控制模式下，以指定的速度、力、加速度和持续时间向当前方向添加力。2.1.1.2force_control_...force_control_wrench(wrench,speed,acceleration,time):使用六轴力矩传感器的读数来控制机器人的力和扭矩。force_control_normal(normal,speed,acceleration,time):控制机器人在指定法线方向上的力。2.1.1.3force_stopping_...force_stopping_enable():启用力停止功能，当机器人检测到超过设定阈值的力时，机器人将停止运动。force_stopping_set_threshold(threshold):设置力停止的阈值。2.1.2力传感器数据读取UR机器人配备有内置的力矩传感器，可以测量六个自由度上的力和扭矩。URScript提供了读取这些传感器数据的指令：#读取力矩传感器数据

wrench=get_actual_tcp_force()get_actual_tcp_force()函数返回一个包含六个元素的数组，分别对应于TCP（工具中心点）处的三个线性力（Fx,Fy,Fz）和三个扭矩（Tx,Ty,Tz）。2.1.3基本力控制应用示例2.1.3.1示例1：使用力控制模式进行手动教学#启用力控制模式下的教学

force_mode_teaching(0.1,50)

#等待用户手动引导机器人

wait_for_button(0)

#关闭力控制模式

force_mode_off()在这个示例中，机器人被设置为力控制模式下的教学状态，用户可以以0.1m/s的速度和50N的力限制手动引导机器人。wait_for_button(0)指令等待用户按下示教器上的按钮，之后机器人将关闭力控制模式。2.1.3.2示例2：使用力控制进行表面接触#定义力控制参数

speed=0.05

force=10

acceleration=0.1

time=0.5

#启用表面接触力控制

force_control_normal([0,0,1],speed,acceleration,time)

#等待力控制完成

wait_until_force_control_stopped()

#关闭力控制模式

force_mode_off()在这个示例中，机器人被设置为在Z轴方向上进行力控制，以0.05m/s的速度、10N的力、0.1m/s^2的加速度和0.5秒的持续时间接触表面。wait_until_force_control_stopped()指令确保机器人在继续执行其他任务之前完成力控制操作。2.1.3.3示例3：力停止功能#启用力停止功能

force_stopping_enable()

#设置力停止阈值

force_stopping_set_threshold(150)

#执行机器人运动

movej(p1)

#等待力停止或运动完成

wait_until_force_stopping_or_program_stopped()

#关闭力停止功能

force_stopping_disable()此示例展示了如何在机器人运动中启用力停止功能。如果机器人在运动过程中检测到超过150N的力，它将立即停止。wait_until_force_stopping_or_program_stopped()指令确保在力停止或程序正常停止之前，机器人不会继续执行其他指令。通过这些示例，我们可以看到URScript中的力控制和力传感器功能如何被用于实现更安全、更灵活的机器人操作。在实际应用中，这些功能可以用于精密装配、表面处理、人机协作等场景，提高生产效率和安全性。3高级力控制技术3.1力控制与路径规划结合在工业机器人应用中，力控制与路径规划的结合是实现精确和安全操作的关键。URScript支持通过力传感器反馈实时调整机器人运动，确保在接触任务中，如打磨、装配，机器人能够适应环境变化，保持恒定的力作用。3.1.1原理力控制通过调整机器人关节的力矩，使机器人末端执行器在接触任务中能够保持预设的力值。路径规划则确保机器人能够按照预定的轨迹运动。结合两者，机器人在执行路径的同时，能够根据接触力的反馈调整其运动，以适应工件的形状和硬度变化。3.1.2示例代码//定义力控制参数

consttarget_force=50;//目标接触力，单位：牛顿

constforce_gain=100;//力控制增益，用于调整力反馈对运动的影响

//定义路径规划参数

constspeed=0.1;//机器人运动速度，单位：米/秒

constacceleration=0.1;//机器人加速度，单位：米/秒^2

//开始力控制

force_control(target_force,force_gain);

//执行路径规划

movej(p[0.1,0.2,0.3,-1.57,-1.57,0],a=acceleration,v=speed,t=0,r=0);

//结束力控制

force_control(0,0);3.1.3解释force_control(target_force,force_gain)：启动力控制，设置目标力和力控制增益。movej：关节空间路径规划，机器人以设定的速度和加速度移动到指定位置。force_control(0,0)：关闭力控制。3.2力控制在装配任务中的应用装配任务要求机器人能够精确控制力，以避免对工件或机器人本身造成损害。URScript的力控制功能使机器人能够在装配过程中感知并调整力的大小，实现柔性和精确的装配操作。3.2.1示例代码//定义装配力控制参数

constassembly_force=20;//装配过程中的目标接触力

constassembly_gain=50;//力控制增益

//定义装配路径

constassembly_path=[p[0.1,0.2,0.3,-1.57,-1.57,0],p[0.1,0.25,0.35,-1.57,-1.57,0]];

//开始力控制

force_control(assembly_force,assembly_gain);

//沿着装配路径移动

for(targetinassembly_path){

movej(target,a=0.1,v=0.05,t=0,r=0);

}

//结束力控制

force_control(0,0);3.2.2解释assembly_path：定义了装配过程中机器人需要经过的路径点。for循环：机器人沿着每个路径点移动，同时力控制保持激活状态，确保在装配过程中力的大小符合要求。3.3力控制与视觉系统集成在复杂环境中，机器人需要同时处理视觉和力的反馈信息。URScript支持与视觉系统集成，通过视觉信息引导机器人到达目标位置，同时利用力控制确保操作的精确性和安全性。3.3.1示例代码//定义视觉系统参数

constcamera_offset=[0.05,0,0];//相机相对于机器人末端执行器的偏移量

consttarget_position=[0.5,0.5,0.5];//目标位置，通过视觉系统识别

//定义力控制参数

constvisual_force=10;//视觉引导下的目标接触力

constvisual_gain=100;//力控制增益

//开始力控制

force_control(visual_force,visual_gain);

//根据视觉信息调整位置

movej(target_position+camera_offset,a=0.1,v=0.05,t=0,r=0);

//执行后续操作

//...

//结束力控制

force_control(0,0);3.3.2解释camera_offset：考虑到视觉系统与机器人末端执行器之间的相对位置，需要在目标位置上加上偏移量。movej：机器人根据视觉系统识别的目标位置，加上偏移量后，以设定的速度和加速度移动到该位置。力控制在整个过程中保持激活，确保即使在视觉引导下，机器人也能安全地与环境交互。通过上述示例，我们可以看到URScript如何在工业机器人中实现高级力控制技术，包括力控制与路径规划的结合、在装配任务中的应用，以及与视觉系统的集成。这些技术的应用极大地提高了机器人在复杂工业环境中的适应性和操作精度。4力传感器编程实践4.1传感器数据处理与分析在工业机器人应用中，力传感器是实现精确力控制的关键组件。URScript提供了直接读取力传感器数据的功能，使得机器人能够根据外部力的变化调整其动作。以下是如何在URScript中处理和分析力传感器数据的示例。4.1.1读取力传感器数据URScript中，使用get_analog_input()函数可以读取力传感器的模拟输入值。假设力传感器连接到机器人控制器的模拟输入0，我们可以这样读取数据：#读取力传感器数据

analog_input=get_analog_input(0)4.1.2数据转换力传感器的原始输出通常需要转换为力的单位（如牛顿）。这通常涉及到将模拟输入值映射到已知的力范围。例如，如果传感器的输出范围是0-10V，对应力的范围是0-100N，我们可以使用以下代码进行转换：#数据转换

force=(analog_input/10.0)*100.04.1.3数据分析为了从力传感器数据中提取有用的信息，我们可能需要进行一些数据分析，如计算力的平均值、最大值或最小值。以下是一个简单的示例，展示了如何在URScript中计算力的平均值：#数据分析：计算力的平均值

total_force=0.0

num_samples=100

foriinrange(num_samples):

analog_input=get_analog_input(0)

force=(analog_input/10.0)*100.0

total_force+=force

average_force=total_force/num_samples4.2力传感器编程案例研究4.2.1案例：力控制下的装配任务在装配任务中，机器人需要施加精确的力以避免损坏零件。以下是一个使用URScript实现力控制装配的示例：#力控制下的装配任务

target_force=50.0#目标力，单位：牛顿

current_force=0.0

speed=0.1#机器人移动速度，单位：m/s

whilecurrent_force<target_force:

analog_input=get_analog_input(0)

current_force=(analog_input/10.0)*100.0

movej(p[0,0,0,0,0,0],a=0.1,v=speed,t=0,r=0)在这个例子中，机器人会以设定的速度移动，直到力传感器检测到的力达到目标值。这确保了在装配过程中施加的力不会超过预定的阈值。4.3故障排除与优化技巧4.3.1常见问题：力传感器读数不稳定力传感器读数不稳定可能是由多种因素引起的，包括电气噪声、机械振动或传感器校准问题。以下是一些优化技巧：使用滤波器：在读取力传感器数据时，可以应用滤波器（如均值滤波或低通滤波）来减少噪声的影响。#使用均值滤波器

force_buffer=[]

num_samples=10

foriinrange(num_samples):

analog_input=get_analog_input(0)

force=(analog_input/10.0)*100.0

force_buffer.append(force)

filtered_force=sum(force_buffer)/len(force_buffer)检查传感器连接：确保传感器与机器人控制器之间的连接稳固，没有松动或损坏。传感器校准：定期校准传感器以确保其准确性。4.3.2性能优化：减少数据处理延迟在实时力控制应用中，数据处理的延迟可能会影响机器人的响应速度。以下是一些减少延迟的技巧：减少数据采样频率：虽然更高的采样频率可以提供更详细的数据，但它也会增加处理负担。根据应用需求，适当降低采样频率可以减少延迟。使用硬件加速：如果可能，使用硬件加速（如FPGA或DSP）来处理力传感器数据，可以显著提高处理速度。优化算法：确保数据处理算法尽可能高效，避免不必要的计算。通过以上实践，我们可以有效地利用URScript进行力传感器编程，实现精确的力控制，从而提高工业机器人的操作精度和效率。5项目应用与案例分析5.1力控制在真实工业环境中的应用在工业自动化领域，力控制是确保机器人能够安全、精确地与环境交互的关键技术。URScript，作为UniversalRobots（UR）机器人的专用编程语言，提供了丰富的功能来实现力控制。力控制在真实工业环境中的应用广泛，包括但不限于：装配操作：在装配精密部件时，需要机器人施加精确的力，以避免损坏零件。打磨和抛光：机器人需要根据表面的硬度和形状调整力的大小，以达到理想的表面光洁度。协作作业：在与人类或其他机器人协作时，力控制确保了操作的安全性。5.1.1力控制原理UR机器人通过其内置的力矩传感器监测每个关节的力矩，从而实现力控制。URScript中的force_control函数允许用户设定力控制的参数，包括力的方向、大小以及力控制的持续时间。机器人将根据这些参数调整其运动，以达到所需的力效果。5.1.1.1示例代码#定义力控制参数

target_force=[0,0,-50]#力的方向和大小，单位为牛顿

wrench_frame=pTCP#力控制参考框架

gain=100#力控制增益

speed=0.1#速度限制，单位为米/秒

t=5#力控制持续时间，单位为秒

#开始力控制

force_control(target_force,wrench_frame,gain,speed,t)

#力控制结束后，机器人将停止在当前位置

stopl(0.1)5.1.2数据样例在力控制过程中，机器人会持续监测其关节的力矩。以下是一个数据样例，展示了力控制开始后，机器人关节力矩的变化：时间(秒)关节1力矩(Nm)关节2力矩(Nm)关节3力矩(Nm)关节4力矩(Nm)关节5力矩(Nm)关节6力矩(Nm)00.00.00.00.00.00.012.53.04.01.52.01.025.06.08.03.04.02.037.59.012.04.56.03.0410.012.016.06.08.04.0512.515.020.07.510.05.05.2力传感器编程项目实践力传感器编程是URScript中的一项高级功能，它允许机器人根据外部力的变化调整其行为。在实践中，这通常用于需要高精度力反馈的应用，如精密装配或材料测试。5.2.1力传感器编程原理UR机器人通过其末端执行器上的力传感器收集数据。URScript提供了get_analog_input和get_analog_input_volt函数来读取力传感器的输入值。这些值可以被用于实时调整机器人的运动或触发特定的程序逻辑。5.2.1.1示例代码假