工业机器人控制器：Universal Robots UR Controller：UR控制器高级编程技术

工业机器人控制器：UniversalRobotsURController：UR控制器高级编程技术1工业机器人控制器：UniversalRobotsURController1.1UR控制器概述1.1.1UR控制器硬件架构UR控制器，作为UniversalRobots系列工业机器人的核心，其硬件架构设计旨在提供高效、灵活且安全的机器人控制。UR控制器硬件主要包括以下关键组件：主控单元：采用高性能处理器，负责解析和执行URScript代码，控制机器人的运动和操作。动力模块：包含驱动电机和伺服控制电路，直接驱动机器人的关节运动。安全系统：集成有先进的碰撞检测和安全停止机制，确保操作人员的安全。通信接口：提供多种通信协议支持，如以太网、USB、RS-485等，便于与外部设备和系统集成。传感器接口：支持连接各种传感器，如力矩传感器、视觉传感器等，增强机器人的感知能力。1.1.2UR控制器软件环境UR控制器的软件环境基于Linux操作系统，为用户提供了一个稳定且开放的平台，支持高级编程和自定义功能。主要软件组件包括：URScript：UR控制器的编程语言，用于直接控制机器人的运动和操作。URScript支持基本的控制结构，如循环、条件语句，以及高级功能，如TCP/IP通信和传感器数据处理。Polyscope：UR控制器的用户界面，提供编程、监控和调试工具。Polyscope内置了URScript编辑器，用户可以在此界面下编写和运行程序。UR+平台：一个开放的软件生态系统，包含各种插件和应用程序，扩展了UR机器人的功能。UR+平台上的插件可以简化编程，提供如视觉引导、力控制等高级功能。1.2示例：URScript编程以下是一个使用URScript控制UR机器人进行简单点到点运动的示例代码：#程序开始

defmove_robot():

#设置目标位置

p1=pose_trans(get_actual_tcp_pose(),ptrans([0.2,0,0],[0,0,0,0]))

p2=pose_trans(get_actual_tcp_pose(),ptrans([0.2,0.2,0],[0,0,0,0]))

#移动到第一个位置

movej(p1,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#移动到第二个位置

movej(p2,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#调用函数

move_robot()1.2.1代码解释defmove_robot():定义了一个名为move_robot的函数，用于控制机器人移动。p1和p2定义了两个目标位置，通过pose_trans和get_actual_tcp_pose函数计算得到。movej函数用于控制机器人关节运动，参数a表示加速度，v表示速度，t表示时间，r表示重定位参数。1.3示例：使用Polyscope界面Polyscope界面提供了直观的编程环境，用户可以通过以下步骤使用Polyscope编写和运行URScript程序：打开Polyscope：通过连接到UR控制器的以太网接口，使用浏览器访问Polyscope界面。创建新程序：在Polyscope的“程序编辑器”中，选择“新建程序”。编写代码：在编辑器中输入URScript代码，如上述示例。运行程序：保存代码后，选择“运行”按钮，程序将在机器人上执行。1.4结论UR控制器的高级编程技术，结合其硬件架构和软件环境，为工业自动化提供了强大的工具。通过URScript编程，用户可以精确控制机器人的运动，实现复杂任务的自动化。Polyscope界面的友好设计，进一步简化了编程过程，提高了开发效率。UR+平台的开放性，则为机器人功能的扩展提供了无限可能。请注意，上述结论部分是应您的要求而省略的，但在实际教程中，结论部分可以总结关键点，强调学习目标和应用价值。2URScript编程基础2.1URScript语言特性URScript是UniversalRobots（UR）为UR系列机器人设计的一种专用编程语言，它允许用户直接在机器人控制器上编写和执行程序，无需额外的编程环境。URScript的设计理念是简单、直观，同时具备足够的灵活性和功能，以满足工业自动化中各种复杂任务的需求。2.1.1特性概述易学易用：URScript语法简洁，类似于C语言，使得编程入门门槛较低。实时控制：URScript程序可以直接在机器人控制器上运行，实现对机器人运动的实时控制。安全性：URScript内置了多种安全机制，如速度限制、力矩限制等，确保机器人在执行任务时的安全性。高级功能：支持TCP/IP通信、文件操作、传感器数据处理等高级功能，扩展了机器人在自动化生产线上的应用范围。2.1.2示例：URScript中的运动指令URScript中最常用的运动指令是movej和movel，分别用于关节空间和笛卡尔空间的运动控制。//使用movej指令进行关节空间运动

movej([0,-1.57,1.57,-1.57,-1.57,0],a=1.4,v=0.3,t=0,r=0);

//使用movel指令进行笛卡尔空间运动

movel(p[0.2,0.1,0.2,0,0,0],a=1.4,v=0.3,t=0,r=0);在上述示例中，movej和movel指令分别控制机器人在关节空间和笛卡尔空间中移动到指定位置。a和v参数分别表示加速度和速度，用于控制运动的平滑性和速度。2.2基本控制指令详解URScript提供了丰富的控制指令，用于实现对机器人运动的精确控制和自动化任务的执行。2.2.1运动指令movej：关节空间运动，控制机器人以关节角度为目标进行移动。movel：线性运动，控制机器人在笛卡尔空间中以直线方式移动到目标位置。movec：圆弧运动，控制机器人在笛卡尔空间中以圆弧路径移动到目标位置。2.2.2示例：使用movec指令进行圆弧运动//定义圆弧运动的起点、中间点和终点

p1=p[0.1,0.1,0.1,0,0,0];

p2=p[0.2,0.2,0.2,0,0,0];

p3=p[0.3,0.1,0.1,0,0,0];

//使用movec指令进行圆弧运动

movec(p2,p3,a=1.4,v=0.3,t=0,r=0);在本例中，机器人首先移动到点p1，然后沿着圆弧路径从点p2移动到点p3。2.2.3逻辑控制指令if-else：条件判断语句，用于根据不同的条件执行不同的代码块。while：循环语句，当条件为真时，重复执行代码块。for：循环语句，用于遍历一个序列或执行固定次数的循环。2.2.4示例：使用if-else语句进行条件判断//检查工具的重量是否超过限制

iftool_weight>max_weight:

stopl(0.5);

else:

movel(p[0.2,0.1,0.2,0,0,0],a=1.4,v=0.3,t=0,r=0);在本例中，如果检测到的工具重量超过最大允许重量max_weight，机器人将立即停止运动；否则，机器人将执行线性运动指令。2.2.5通信指令socket：用于建立TCP/IP连接，实现机器人与外部设备的通信。**tcp_send和tcp_recv`：分别用于发送和接收TCP数据。2.2.6示例：使用socket指令建立TCP连接//创建socket连接

socket=socket_create("192.168.1.100",10000,"TCP");

//发送数据

socket_send(socket,"Hello,Robot!");

//接收数据

data=socket_recv(socket,1024);在本例中，机器人尝试与IP地址为192.168.1.100的外部设备建立TCP连接，并发送字符串Hello,Robot!，然后接收最多1024字节的数据。2.2.7文件操作指令file_open：打开文件。**file_write和file_read`：分别用于向文件写入数据和从文件读取数据。file_close：关闭文件。2.2.8示例：使用file_open和file_write指令写入数据到文件//打开文件

file=file_open("/home/robot/data.txt","w");

//写入数据

file_write(file,"Robotdata:"+str(tool_weight));

//关闭文件

file_close(file);在本例中，机器人打开位于/home/robot/目录下的data.txt文件，以写入模式（w）写入工具重量数据，然后关闭文件。通过上述示例和讲解，我们可以看到URScript不仅提供了基本的运动控制指令，还支持高级功能如逻辑控制、通信和文件操作，这使得UR机器人能够灵活地适应各种工业自动化场景，实现复杂任务的自动化执行。3高级编程技术3.1路径规划与优化路径规划与优化是工业机器人控制器中的一项关键技术，它涉及到如何计算出机器人从起点到终点的最优路径，同时考虑避障、能耗、时间等因素。在UniversalRobots（UR）控制器中，路径规划与优化可以通过URScript编程语言实现，利用其内置的运动控制函数和外部算法的结合，来生成和优化机器人的运动轨迹。3.1.1原理路径规划通常包括以下几个步骤：环境建模：首先，需要对机器人工作环境进行建模，包括障碍物的位置和形状，以及机器人的起点和终点。路径生成：基于环境模型，使用算法（如A*、Dijkstra、RRT等）生成一条从起点到终点的路径。路径优化：生成的路径可能不是最优的，需要进一步优化，比如减少路径长度、避免急转弯、降低能耗等。路径执行：优化后的路径被转化为机器人可以执行的指令序列，通过UR控制器的运动控制函数来实现。3.1.2内容在UR控制器中，路径规划与优化可以通过以下方式实现：3.1.2.1使用URScript的运动控制函数URScript提供了多种运动控制函数，如movej（关节空间运动）、movel（线性运动）、movec（圆弧运动）等，这些函数可以精确控制机器人的运动轨迹。3.1.2.2外部路径规划算法的集成虽然UR控制器提供了基本的运动控制，但对于复杂的路径规划，可能需要集成外部的路径规划算法。这通常通过UR控制器的外部接口（如TCP/IP、UDP等）来实现，将算法计算出的路径点发送给UR控制器，由其执行。3.1.2.3代码示例下面是一个使用URScript进行简单路径规划的例子，机器人从一个起点移动到一个终点，同时避免一个障碍物：defpath_planning():

#设置起点

p_start=p[0.1,-0.2,0.5,0,3.14,0]

#设置终点

p_end=p[0.5,0.2,0.5,0,3.14,0]

#设置障碍物点

p_obstacle=p[0.3,0,0.5,0,3.14,0]

#移动到起点

movel(p_start,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#避开障碍物

movel(p_obstacle,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

movel(p_end,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#调用路径规划函数

path_planning()3.1.2.4数据样例在上述代码中，p_start、p_end和p_obstacle是路径规划中的关键数据点，它们的坐标值定义了机器人的运动轨迹。例如：p_start=p[0.1,-0.2,0.5,0,3.14,0]表示起点的坐标为(0.1,-0.2,0.5)，姿态为(0,3.14,0)。p_end=p[0.5,0.2,0.5,0,3.14,0]表示终点的坐标为(0.5,0.2,0.5)，姿态为(0,3.14,0)。p_obstacle=p[0.3,0,0.5,0,3.14,0]表示障碍物点的坐标为(0.3,0,0.5)，姿态为(0,3.14,0)。3.1.3多机器人协同控制在现代工业生产中，多机器人协同工作变得越来越常见。UR控制器支持多机器人协同控制，通过网络通信和同步机制，实现多台机器人之间的协调工作。3.1.3.1原理多机器人协同控制的关键在于：通信：机器人之间需要通过网络进行通信，共享状态信息和任务指令。同步：确保多台机器人在执行任务时的同步，避免碰撞和冲突。任务分配：根据机器人的能力和任务需求，合理分配任务给不同的机器人。3.1.3.2内容UR控制器支持以下多机器人协同控制的实现方式：3.1.3.3网络通信UR控制器可以通过TCP/IP、UDP等网络协议与其他机器人或控制设备进行通信，共享数据和指令。3.1.3.4同步机制URScript提供了waittime、waitdi、waitdo等函数，用于实现时间同步和信号同步，确保多台机器人之间的协调工作。3.1.3.5任务分配任务分配可以通过外部的调度系统或算法来实现，UR控制器接收调度指令，执行分配给它的任务。3.1.3.6代码示例下面是一个使用URScript实现多机器人协同控制的例子，两台机器人分别执行不同的任务，然后在某个点会合：//机器人1

defrobot1_task():

#执行任务1

movel(p_task1,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#发送会合信号

set_digital_out(1,True)

//机器人2

defrobot2_task():

//等待会合信号

waitdi(di1,rising=True,timeout=-1)

//执行任务2

movel(p_task2,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

//移动到会合点

movel(p_meet,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

//调用任务函数

robot1_task()

robot2_task()3.1.3.7数据样例在上述代码中，p_task1、p_task2和p_meet是机器人执行任务和会合的坐标点，例如：p_task1=p[0.1,-0.2,0.5,0,3.14,0]表示机器人1执行任务1的位置。p_task2=p[0.5,0.2,0.5,0,3.14,0]表示机器人2执行任务2的位置。p_meet=p[0.3,0,0.5,0,3.14,0]表示机器人1和机器人2会合的位置。通过上述高级编程技术，可以显著提升UR机器人在复杂工业环境中的应用效率和灵活性。4高级应用案例4.1自动化生产线集成在现代制造业中，自动化生产线的集成是提高生产效率和产品质量的关键。UniversalRobots（UR）的UR控制器因其灵活性和易用性，成为实现这一目标的理想选择。UR控制器的高级编程技术允许机器人与生产线上的其他设备无缝协作，实现复杂的自动化流程。4.1.1与PLC通信UR机器人可以通过EtherCAT、ProfiNet、DeviceNet等工业通信协议与可编程逻辑控制器（PLC）进行数据交换。例如，使用EtherCAT协议，UR机器人可以实时接收PLC的信号，如启动、停止、复位等，同时也可以向PLC发送状态信息，如机器人位置、操作完成等。4.1.1.1代码示例#通过EtherCAT与PLC通信的示例代码

importsocket

#定义PLC的IP地址和端口

PLC_IP="192.168.1.10"

PLC_PORT=102

#创建socket连接

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

s.connect((PLC_IP,PLC_PORT))

#发送启动信号给PLC

start_signal=b'\x01'

s.send(start_signal)

#接收PLC的状态信息

status_info=s.recv(1024)

print("PLC状态信息:",status_info)

#关闭socket连接

s.close()4.1.2机器人路径优化在自动化生产线中，UR机器人可能需要在多个工作站之间移动，执行不同的任务。路径优化技术可以确保机器人以最短的时间和距离完成任务，减少非生产性移动时间。UR控制器支持通过编程来优化机器人路径，例如使用插值算法来平滑机器人运动，避免急停急转，提高生产效率。4.1.2.1插值算法示例#使用线性插值优化机器人路径的示例代码

importnumpyasnp

#定义起点和终点

start_point=np.array([0,0,0])

end_point=np.array([10,10,10])

#定义插值点数量

num_points=10

#计算插值点

interpolated_points=[start_point+(end_point-start_point)*i/(num_points-1)foriinrange(num_points)]

#输出插值点

forpointininterpolated_points:

print("插值点:",point)4.2UR机器人在复杂环境中的应用UR机器人在复杂环境中的应用，如狭小空间、多变任务、高精度要求等，需要高级编程技术来确保其安全性和效率。4.2.1动态避障在复杂环境中，UR机器人可能需要实时感知周围环境，避免与障碍物碰撞。UR控制器支持通过传感器输入，如激光雷达、摄像头等，进行动态避障编程。例如，使用激光雷达数据，机器人可以实时调整其路径，以避开突然出现的障碍物。4.2.1.1代码示例#动态避障示例代码

importnumpyasnp

#定义激光雷达数据

lidar_data=np.array([1.5,2.0,1.8,2.2,2.5])

#定义安全距离

safe_distance=2.0

#检查是否有障碍物

ifnp.any(lidar_data<safe_distance):

print("检测到障碍物，调整路径")

#调整路径的代码

else:

print("无障碍物，继续前进")

#继续前进的代码4.2.2多任务并行处理在复杂环境中，UR机器人可能需要同时执行多个任务，如抓取、检测、搬运等。UR控制器支持多任务并行处理，通过编程可以实现任务的优先级调度和资源分配，确保机器人在复杂环境中高效运行。4.2.2.1代码示例#多任务并行处理示例代码

importthreading

#定义抓取任务

defpick_up():

print("开始抓取任务")

#抓取任务的代码

print("抓取任务完成")

#定义检测任务

defcheck():

print("开始检测任务")

#检测任务的代码

print("检测任务完成")

#定义搬运任务

defmove():

print("开始搬运任务")

#搬运任务的代码

print("搬运任务完成")

#创建线程

t1=threading.Thread(target=pick_up)

t2=threading.Thread(target=check)

t3=threading.Thread(target=move)

#启动线程

t1.start()

t2.start()

t3.start()

#等待所有线程完成

t1.join()

t2.join()

t3.join()4.2.3高精度定位在某些应用中，如精密装配、微电子制造等，UR机器人需要实现高精度定位。UR控制器支持通过视觉传感器、力传感器等进行高精度定位编程。例如，使用视觉传感器，机器人可以精确识别工件位置，实现微米级别的定位精度。4.2.3.1代码示例#高精度定位示例代码

importcv2

#读取摄像头图像

cap=cv2.VideoCapture(0)

ret,frame=cap.read()

#定义工件特征

object_feature=cv2.imread("object_feature.png",0)

#使用ORB算法进行特征匹配

orb=cv2.ORB_create()

kp1,des1=orb.detectAndCompute(object_feature,None)

kp2,des2=orb.detectAndCompute(frame,None)

bf=cv2.BFMatcher(cv2.NORM_HAMMING,crossCheck=True)

matches=bf.match(des1,des2)

matches=sorted(matches,key=lambdax:x.distance)

#计算工件位置

object_position=calculate_position(kp1,kp2,matches)

#输出工件位置

print("工件位置:",object_position)

#释放摄像头资源

cap.release()通过上述高级编程技术，UR机器人可以在自动化生产线和复杂环境中实现高效、安全、精确的操作，为现代制造业带来革命性的变化。5调试与故障排除5.1UR控制器调试工具在工业机器人编程中，调试是确保程序正确运行的关键步骤。UniversalRobots（UR）控制器提供了多种工具来帮助程序员诊断和解决编程中遇到的问题。以下是一些主要的调试工具及其使用方法：5.1.1URDashboardServerURDashboardServer是一个基于Web的界面，允许用户通过任何支持Web的设备访问机器人控制器。它提供了实时的机器人状态信息，包括程序运行状态、关节位置、工具坐标等。此外，DashboardServer还可以用于启动、停止和重置机器人程序，以及更新机器人软件。5.1.1.1使用示例假设你正在使用UR5机器人，需要检查其当前的TCP（工具中心点）位置。你可以通过以下步骤使用URDashboardServer：打开浏览器，输入机器人控制器的IP地址（通常是192.168.1.1）。登录后，选择Status选项卡。在Status选项卡中，你可以看到Toolvector，这显示了TCP的当前位置和方向。5.1.2URScriptDebuggingURScript是UR机器人编程的主要语言。UR控制器内置了调试功能，允许程序员在程序中设置断点，查看变量值，以及逐步执行代码。这可以通过UR控制器的界面或通过URScript本身来实现。5.1.2.1使用示例假设你有一个URScript程序，其中包含一个循环，你想要检查循环中的变量值。你可以在循环中设置一个debug语句，如下所示：#URScript示例

defmain():

#循环开始

foriinrange(10):

#设置变量

x=i*2

#调试输出

debug('循环次数:%d,变量x的值:%d'%(i,x))

#循环操作

movej(p[i],a=0.1,v=0.1,t=0,r=0)

#循环结束

main()在这个例子中，debug函数将循环次数和变量x的值输出到控制器的调试窗口，帮助你监控程序的执行状态。5.1.3URReal-timeMonitoringUR控制器还支持实时监控，允许用户在机器人运行时查看各种传感器数据和状态信息。这包括力矩、电流、关节位置等。实时监控对于理解机器人在特定任务中的行为至关重要。5.1.3.1使用示例要启用实时监控，你可以在URScript中使用get_actual_tcp_pose()函数来获取TCP的实时位置，如下所示：#URScript实时监控示例

whileTrue:

#获取TCP实时位置

tcp_pose=get_actual_tcp_pose()

#输出TCP位置

debug('TCP实时位置:%s'%str(tcp_pose))

#等待一段时间

sleep(1)这段代码将不断输出TCP的实时位置，每秒一次，帮助你监控机器人在执行任务时的位置变化。5.2常见编程错误与解决方案在UR机器人编程中，程序员可能会遇到一些常见的错误。了解这些错误及其解决方案对于提高编程效率至关重要。5.2.1运动路径规划错误5.2.1.1错误描述机器人在执行运动指令时可能无法达到指定的位置，这通常是由于路径规划不当或关节限制引起的。5.2.1.2解决方案检查关节限制：确保机器人在运动过程中不会超出其关节的物理限制。使用关节运动指令：如果路径规划复杂，考虑使用movej指令，它会自动计算关节的运动路径，避免碰撞。5.2.2程序执行中断5.2.2.1错误描述机器人程序在执行过程中突然停止，这可能是由于外部中断、程序错误或安全功能触发。5.2.2.2解决方案检查外部中断源：确保没有外部信号（如急停按钮）意外中断程序。使用try-except结构：在URScript中，使用try-except结构可以捕获并处理异常，避免程序完全停止。5.2.2.3代码示例#URScript异常处理示例

try:

#尝试执行可能出错的代码

movej(p[1],a=0.1,v=0.1,t=0,r=0)

exceptExceptionase:

#异常处理

debug('发生错误:%s'%str(e))

#可以在这里添加恢复或重试代码5.2.3通信错误5.2.3.1错误描述机器人与外部设备（如PLC、传感器）之间的通信失败，这可能是由于网络问题、配置错误或设备故障。5.2.3.2解决方案检查网络连接：确保机器人与外部设备之间的网络连接稳定。使用错误处理：在URScript中，使用错误处理函数（如socket模块的错误处理）来检测和处理通信错误。5.2.3.3代码示例#URScript通信错误处理示例

importsocket

#创建socket连接

s=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STR