工业机器人编程语言：URScript(UniversalRobots)：UR机器人安全编程与碰撞检测

工业机器人编程语言：URScript(UniversalRobots)：UR机器人安全编程与碰撞检测1工业机器人编程语言：URScript(UniversalRobots)：UR机器人安全编程与碰撞检测1.1URScript简介与安全编程基础1.1.1URScript语言概述URScript是UniversalRobots(UR)公司为UR系列协作机器人开发的专用编程语言。它允许用户直接在UR机器人的示教器上编写和执行程序，无需额外的编程环境。URScript支持多种编程结构，如循环、条件语句和函数，使得机器人能够执行复杂的任务。此外，URScript还提供了丰富的API，用于控制机器人运动、I/O操作、TCP/IP通信等，极大地提高了编程的灵活性和效率。1.1.2安全编程的重要性在工业环境中，安全编程是至关重要的。UR机器人作为协作机器人，其设计初衷就是在人类工作环境中安全地运行，与人共存。因此，URScript的安全特性尤为突出。安全编程不仅能够保护操作人员免受伤害，还能防止机器人损坏，确保生产过程的连续性和产品质量。通过使用URScript的安全指令，可以实现对机器人运动的精确控制，避免潜在的碰撞风险，提高工作场所的安全性。1.1.3基本安全指令学习URScript提供了多种安全指令，用于控制机器人的速度、加速度、力矩限制等，以确保在与人或环境交互时的安全。以下是一些基本的安全指令示例：1.1.3.1set_speed()set_speed()函数用于设置机器人的最大速度。速度的单位是毫米/秒(mm/s)。通过限制机器人的速度，可以减少在意外情况下的冲击力，提高安全性。#设置机器人最大速度为100mm/s

set_speed(100)1.1.3.2set_acceleration()set_acceleration()函数用于设置机器人的最大加速度。加速度的单位是毫米/秒2(mm/s2)。控制加速度可以平滑机器人的运动，减少突然加速或减速带来的风险。#设置机器人最大加速度为0.5mm/s^2

set_acceleration(0.5)1.1.3.3set_force()set_force()函数用于设置机器人在接触物体时的最大力矩。力矩的单位是牛顿米(Nm)。当机器人在执行任务时遇到障碍物，力矩限制可以防止机器人对障碍物或自身造成损害。#设置机器人最大力矩为5Nm

set_force(5)1.1.3.4set_payload()set_payload()函数用于设置机器人所承载的负载。负载的单位是千克(kg)。正确设置负载可以确保机器人在运动时的稳定性和安全性，避免因负载过重而导致的运动失控。#设置机器人负载为2kg

set_payload(2)1.1.3.5set_wobj()set_wobj()函数用于设置机器人的工作对象。工作对象是指机器人在执行任务时所参考的坐标系。通过设置工作对象，可以确保机器人在正确的位置上执行任务，避免因坐标系错误而导致的碰撞。#设置工作对象为工件坐标系1

set_wobj(wobj0)1.1.3.6set_cframe()set_cframe()函数用于设置机器人的工具坐标系。工具坐标系是指机器人末端执行器的坐标系。正确设置工具坐标系可以确保机器人在执行任务时的精度，避免因坐标系错误而导致的碰撞。#设置工具坐标系为工具坐标系1

set_cframe(cframe0)1.1.3.7set_tcp()set_tcp()函数用于设置机器人的TCP(ToolCenterPoint)。TCP是指机器人末端执行器的中心点。通过设置TCP，可以确保机器人在执行任务时的精度和稳定性，避免因TCP设置错误而导致的碰撞。#设置TCP为工具中心点1

set_tcp(tcp0)1.1.3.8set_digital_out()虽然set_digital_out()不是一个直接与安全相关的指令，但在某些情况下，它可以通过控制外部设备来提高安全性。例如，当机器人检测到潜在的碰撞风险时，可以通过设置数字输出信号来触发安全装置，如安全围栏的关闭。#设置数字输出信号1为高电平

set_digital_out(1,True)1.1.3.9stopl()stopl()函数用于立即停止机器人的线性运动。当机器人在执行线性运动时遇到紧急情况，如检测到障碍物，可以立即调用stopl()来停止运动，避免碰撞。#立即停止线性运动

stopl()1.1.3.10stopj()stopj()函数用于立即停止机器人的关节运动。当机器人在执行关节运动时遇到紧急情况，可以立即调用stopj()来停止运动，避免碰撞。#立即停止关节运动

stopj()1.1.3.11waittime()waittime()函数用于设置机器人等待的时间。在某些情况下，通过设置等待时间，可以确保机器人在安全的条件下执行任务，如等待外部设备完成操作后再继续运动。#设置机器人等待2秒

waittime(2)1.1.3.12wait_until()wait_until()函数用于设置机器人等待直到满足某个条件。这可以用于确保机器人在安全的条件下执行任务，如等待数字输入信号变为高电平后再继续运动。#设置机器人等待直到数字输入信号1变为高电平

wait_until(digital_in(1)==True)1.1.3.13recovery()recovery()函数用于在机器人遇到故障或停止后，重新启动机器人。在安全编程中，这可以用于在确保安全的情况下，恢复机器人的正常运行。#重新启动机器人

recovery()1.1.3.14reset_errors()reset_errors()函数用于清除机器人在执行任务时遇到的错误。在安全编程中，这可以用于在确保安全的情况下，清除错误并继续执行任务。#清除机器人错误

reset_errors()1.1.3.15set_safety_mode()set_safety_mode()函数用于设置机器人的安全模式。UR机器人提供了多种安全模式，如NORMAL、REDUCED、FINE等。通过设置安全模式，可以确保机器人在不同的工作环境中安全地运行。#设置机器人安全模式为REDUCED

set_safety_mode("REDUCED")1.1.3.16set_safety_zone()set_safety_zone()函数用于设置机器人的安全区域。当机器人在执行任务时超出安全区域，机器人将自动停止运动，以避免潜在的碰撞风险。#设置机器人安全区域为半径100mm的圆

set_safety_zone(100)1.1.3.17set_safety_stop()set_safety_stop()函数用于设置机器人的安全停止条件。当机器人在执行任务时满足安全停止条件，机器人将自动停止运动，以避免潜在的碰撞风险。#设置机器人安全停止条件为力矩超过10Nm

set_safety_stop(10)1.1.3.18set_safety_force()set_safety_force()函数用于设置机器人的安全力矩限制。当机器人在执行任务时力矩超过安全力矩限制，机器人将自动停止运动，以避免潜在的碰撞风险。#设置机器人安全力矩限制为5Nm

set_safety_force(5)1.1.3.19set_safety_distance()set_safety_distance()函数用于设置机器人的安全距离。当机器人在执行任务时与障碍物的距离小于安全距离，机器人将自动停止运动，以避免潜在的碰撞风险。#设置机器人安全距离为10mm

set_safety_distance(10)1.1.3.20set_safety_speed()set_safety_speed()函数用于设置机器人的安全速度限制。当机器人在执行任务时速度超过安全速度限制，机器人将自动停止运动，以避免潜在的碰撞风险。#设置机器人安全速度限制为50mm/s

set_safety_speed(50)通过学习和应用这些基本的安全指令，可以有效地提高UR机器人的安全性，确保在与人或环境交互时的安全。在实际编程中，应根据具体的应用场景和安全需求，合理地选择和使用这些指令，以实现最佳的安全效果。2碰撞检测与避免策略2.1碰撞检测原理碰撞检测是工业机器人操作中的关键安全功能，它通过实时监测机器人与周围环境的接触，防止意外碰撞发生。URScript支持多种碰撞检测机制，包括基于力矩的检测和基于位置的检测。原理上，UR机器人通过其内置的关节力矩传感器和精密的位置控制，能够感知到外部的力和位移变化，从而判断是否发生了碰撞。2.1.1基于力矩的检测UR机器人每个关节都装备有力矩传感器，可以测量关节受到的外部力。当检测到的力矩超过预设阈值时，机器人会立即停止运动，以避免进一步的损害。2.1.2基于位置的检测机器人在运动过程中，如果关节的位置偏差超过设定的阈值，系统会认为发生了碰撞，从而触发安全停止。2.2UR机器人碰撞检测设置在UR机器人中，碰撞检测的设置主要通过URScript中的set_tcp_force和set_tcp_force_limits函数来实现。此外，还可以通过set_collision_behavior函数来调整碰撞后的行为。2.2.1设置TCP力set_tcp_force([Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]);Fx,Fy,Fz：分别代表TCP在X、Y、Z轴上的力阈值。Mx,My,Mz：分别代表TCP在X、Y、Z轴上的力矩阈值。2.2.2设置TCP力限制set_tcp_force_limits([Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]);Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz：与set_tcp_force相同，但此函数用于设置力和力矩的硬限制，超过这些限制时，机器人将立即停止。2.2.3设置碰撞行为set_collision_behavior(stop_type,stop_time,stop_distance);stop_type：停止类型，可以是none、stop或slow。stop_time：停止时间，单位为秒。stop_distance：停止距离，单位为毫米。2.3编写安全的碰撞避免代码2.3.1示例代码下面的代码示例展示了如何在URScript中设置碰撞检测，并编写安全的碰撞避免代码。#设置TCP力检测

set_tcp_force([5,5,5,5,5,5]);

#设置碰撞行为

set_collision_behavior('stop',0.1,50);

#定义安全移动函数

defsafe_move(pose_target):

#尝试移动到目标位置

try:

movej(pose_target,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

exceptURScriptErrorase:

#如果发生碰撞，打印错误信息并停止

print("Collisiondetected:",e)

stopl(0.5)

#定义目标位置

target_pose=[0.1,-0.2,0.3,0,3.14,0]

#调用安全移动函数

safe_move(target_pose)2.3.2代码解释设置TCP力检测：通过set_tcp_force函数设置TCP在各轴上的力阈值为5N。设置碰撞行为：使用set_collision_behavior函数，当检测到碰撞时，机器人将在0.1秒内停止，并在距离障碍物50mm的位置停止。安全移动函数：定义了一个safe_move函数，该函数尝试使用movej指令移动到目标位置。如果在移动过程中发生碰撞，函数将捕获URScriptError异常，打印错误信息，并使用stopl指令以0.5m/s的速度停止机器人。通过上述设置和代码，可以有效地在UR机器人操作中实现碰撞检测和避免，提高生产安全性和效率。3高级安全编程技术3.1使用宏和函数增强安全性在URScript编程中，宏和函数是提升代码可读性、可维护性和安全性的关键工具。宏允许你定义可重复使用的代码段，而函数则可以接受参数，执行更复杂的逻辑，并返回结果。通过合理使用宏和函数，可以确保代码的一致性，减少错误，同时在发生异常时提供更精细的控制。3.1.1宏示例假设我们需要在多个地方执行相同的初始化安全检查，可以定义一个宏来避免重复代码：macroinit_safety_check()

{

//安全检查：确认所有安全设备已连接

if(safety_device_connected()==0)

{

logi("Safetydevicenotconnected.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

}

else

{

logi("Safetycheckpassed.Robotcanproceed.");

}

}在程序中调用这个宏：init_safety_check();3.1.2函数示例函数可以接受参数，执行更复杂的逻辑。例如，一个检查机器人与障碍物距离的函数：defcheck_distance_to_obstacle(target_position,obstacle_position,safe_distance)

{

distance=distance_between(target_position,obstacle_position);

if(distance<safe_distance)

{

logi("Tooclosetoobstacle.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

}

else

{

logi("Safedistancemaintained.");

}

}调用函数时，需要传递具体的参数：check_distance_to_obstacle(pose_trans(get_forward_kin(),p[0.1,0,0,0,0,0]),[0,0,0,0,0,0],0.2);3.2集成外部安全设备UR机器人可以通过集成外部安全设备来增强其操作安全性。这些设备包括但不限于安全光幕、安全垫和紧急停止按钮。URScript提供了与这些设备通信的接口，允许机器人在检测到潜在危险时立即停止。3.2.1安全光幕示例安全光幕是一种常见的安全设备，用于检测机器人工作区域内的障碍物。当光幕被遮挡时，机器人应立即停止。在URScript中，可以通过读取光幕的状态来实现这一功能：//定义安全光幕的I/O地址

constintsafety_light_curtain=8;

//检查安全光幕状态

while(true)

{

if(digital_in(safety_light_curtain)==0)

{

logi("Safetylightcurtaintriggered.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

break;

}

else

{

//继续执行机器人任务

movej(p1);

movej(p2);

//...

}

}3.2.2安全垫示例安全垫是一种压力敏感设备，当有人或物体踩在上面时，会触发信号。UR机器人可以配置为在检测到安全垫信号时停止：//定义安全垫的I/O地址

constintsafety_mat=9;

//检查安全垫状态

while(true)

{

if(digital_in(safety_mat)==1)

{

logi("Safetymattriggered.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

break;

}

else

{

//继续执行机器人任务

movej(p1);

movej(p2);

//...

}

}3.3案例分析：安全编程在实际应用中的作用3.3.1案例描述在汽车制造工厂中，UR机器人被用于组装线上的零件搬运。为了确保操作员的安全，机器人配备了安全光幕和安全垫。当操作员进入机器人工作区域时，安全光幕会检测到并立即停止机器人，防止碰撞。同时，安全垫可以检测到操作员的脚部，提供额外的安全层。3.3.2安全编程实现//定义安全设备的I/O地址

constintsafety_light_curtain=8;

constintsafety_mat=9;

//定义安全检查宏

macrosafety_check()

{

if(digital_in(safety_light_curtain)==0||digital_in(safety_mat)==1)

{

logi("Safetydevicetriggered.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

}

}

//主程序

while(true)

{

safety_check();

//执行机器人任务

movej(p1);

movej(p2);

//...

}3.3.3安全效果通过集成安全光幕和安全垫，并使用宏进行安全检查，该工厂显著降低了操作员与机器人之间的碰撞风险。在实际操作中，一旦操作员接近机器人工作区域，机器人立即停止，确保了操作员的安全。此外，由于宏和函数的使用，代码更加整洁，易于维护，进一步提高了系统的整体安全性。通过上述示例，我们可以看到，URScript中的高级安全编程技术，如宏和函数的使用，以及与外部安全设备的集成，对于确保工业机器人操作的安全性和效率至关重要。在实际应用中，这些技术的合理应用可以有效预防事故，保护操作员和设备的安全。4URScript中的安全编程实践4.1编写可重复使用的安全代码片段在URScript编程中，创建可重复使用的安全代码片段是提高效率和减少错误的关键。这些代码片段通常涉及机器人运动控制、安全检查和异常处理，确保机器人在执行任务时不会对操作员或环境造成伤害。4.1.1例：安全运动代码片段#定义一个安全移动到目标位置的函数

defsafe_move_to(target_x,target_y,target_z):

"""

该函数安全地移动机器人到指定的XYZ坐标。

在移动前，它会检查当前位置与目标位置之间的距离，

如果距离过近，则直接移动；如果距离过远，则采用更慢的速度移动，

以避免突然的加速可能导致的碰撞。

"""

#获取当前机器人位置

current_pose=get_forward()

current_x=current_pose.x

current_y=current_pose.y

current_z=current_pose.z

#计算目标位置与当前位置之间的距离

distance=sqrt((target_x-current_x)**2+(target_y-current_y)**2+(target_z-current_z)**2)

#根据距离设置移动速度

ifdistance>0.1:

speed=0.1#较慢的速度

else:

speed=0.5#较快的速度

#安全移动到目标位置

movej([target_x,target_y,target_z,0,0,0],a=1.4,v=speed,t=0,r=0)4.1.2解释上述代码定义了一个safe_move_to函数，该函数接受目标位置的XYZ坐标作为参数。函数首先获取机器人当前的位置，然后计算目标位置与当前位置之间的距离。如果距离大于0.1米，机器人将以较慢的速度移动，以减少碰撞风险；如果距离小于或等于0.1米，机器人将以较快的速度移动，以提高效率。通过这种方式，我们确保了机器人在移动时的安全性，同时保持了代码的可重复使用性。4.2安全编程的调试与测试安全编程不仅涉及代码的编写，还包括了对代码的彻底测试和调试，以确保在所有预期和非预期情况下，机器人都能安全运行。4.2.1例：使用URScript进行安全测试#定义一个测试函数，用于检查机器人在特定环境下的安全移动

deftest_safe_movement():

"""

该测试函数将机器人移动到一系列预设的位置，

并在每次移动后检查机器人是否处于安全状态。

如果检测到任何不安全状态，测试将失败并输出错误信息。

"""

#列出一系列测试位置

test_positions=[

[0.1,0.2,0.3],

[0.4,0.5,0.6],

[0.7,0.8,0.9]

]

#遍历测试位置

forpositionintest_positions:

#安全移动到测试位置

safe_move_to(position[0],position[1],position[2])

#检查机器人是否处于安全状态

ifnotis_robot_in_safe_state():

#如果机器人不安全，输出错误信息并停止测试

print("Error:Robotisnotinasafestateatposition:",position)

return

#如果所有测试位置都通过了安全检查，输出测试成功信息

print("Alltestpositionspassedsafetychecks.")4.2.2解释test_safe_movement函数用于测试机器人在一系列预设位置上的安全移动。它首先定义了一个包含多个位置的列表，然后遍历这些位置，使用safe_move_to函数移动机器人。在每次移动后，函数会调用is_robot_in_safe_state函数（假设这是一个检查机器人安全状态的函数）来确保机器人没有进入不安全状态。如果在任何位置检测到不安全状态，测试将失败并输出错误信息。如果所有位置都通过了安全检查，测试将成功完成。4.3持续集成与安全编程持续集成（CI）是一种软件开发实践，通过自动化构建和测试，确保代码的持续质量和安全性。在URScript编程中，持续集成可以帮助团队及时发现和修复安全问题。4.3.1例：使用持续集成进行URScript安全检查在持续集成环境中，可以设置自动化脚本来运行URScript的安全测试。例如，使用Jenkins或GitLabCI，可以创建一个构建作业，每次代码提交时自动运行安全测试脚本。#GitLabCI配置文件示例

stages:

-test

safe_test:

stage:test

script:

-"ur_robotmovej([0,0,0,0,0,0],a=1.4,v=0.1,t=0,r=0)"

-"test_safe_movement"

rules:

-if:'$CI_COMMIT_BRANCH==$CI_DEFAULT_BRANCH'4.3.2解释上述GitLabCI配置文件示例展示了如何设置一个持续集成作业，用于运行URScript的安全测试。当代码提交到默认分支时，safe_test作业将被触发。作业首先将机器人移动到一个安全的初始位置，然后运行test_safe_movement函数来执行一系列安全测试。如果在测试过程中发现任何安全问题，持续集成系统将立即通知开发团队，以便他们可以快速修复问题，确保代码的安全性和质量。通过遵循这些安全编程实践，工业机器人编程人员可以创建更安全、更可靠的URScript代码，从而提高生产效率，同时减少潜在的安全风险。5安全编程的未来趋势与URScript发展5.1工业4.0与安全编程在工业4.0的背景下，安全编程成为工业机器人应用中的关键议题。随着机器人与人类在生产环境中的交互日益频繁，确保机器人操作的安全性变得至关重要。URScript，作为UniversalRobots（UR）机器人的一种专用编程语言，其设计初衷即包含了对安全性的考量。UR机器人以其协作性著称，能够在人类工作区域内安全运行，这得益于其内置的安全功能和URScript的编程支持。5.1.1URScript的安全特性URScript提供了多种安全功能，包括但不限于速度限制、力矩限制、碰撞检测和紧急停止机制。例如，速度限制可以确保机器人在接近人类操作员时自动减速，从而减少潜在的伤害风险。力矩限制则允许机器人在检测到与外部物体的接触力超过预设阈值时自动停止，避免对物体或机器人本身造成损害。5.1.1.1示例代码：速度限制#设置机器人速度限制为100mm/s

speed(100)

#移动到目标位置

movej(p1,a=1.0,v=100,t=0,r=0)在上述代码中，speed(100)函数用于设置机器人全局速度限制，而movej函数中的v=100参数则用于设置关节运动的速度限制。这种速度控制机制是URScript中实现安全编程的基础之一。5.2URScript的更新与安全功能增强随着UR机器人技术的不断进步，URScript也在持续更新，以增强其安全功能。最新的URScript版本引入了更高级的碰撞检测算法，能够更精确地识别机器人与环境中的物体接触，并即时做出反应。此外，URScript还支持实时监控和调整机器人的运行状态，确保在复杂多变的生产环境中，机器人能够持续安全运行。5.2.1碰撞检测算法URScript的碰撞检测算法基于实时传感器数据和机器人的运动学模型。当机器人在执行任务时，算法会持续监测其与周围环境的相对位置和接触力。一旦检测到潜在的碰撞风险，机器人会立即减速或停止，以避免碰撞发生。5.2.1.1示例代码：碰撞检测#启用碰撞检测

set_cobotta_collision_detection(True)

#设置碰撞检测阈值

set_collision_threshold(15)

#执行任务

movej(p2,a=1.0,v=100,t=0,r=0)在本例中，set_cobotta_collision_detection(True)用于启用碰撞检测功能，而set_collision_threshold(15)则用于设置碰撞检测的力矩阈值。一旦机器人在运动过程中检测到与外部物体的接触力超过15Nm，它将自动