工业机器人控制器：Universal Robots UR Controller：工业机器人控制器概论

工业机器人控制器：UniversalRobotsURController：工业机器人控制器概论1工业机器人控制器简介1.11什么是工业机器人控制器工业机器人控制器是工业机器人系统的大脑，负责接收来自操作系统的指令，解析这些指令，并将其转换为机器人可以执行的运动命令。控制器通过精确控制机器人的关节电机，实现对机器人位置、速度和力的调节，确保机器人按照预定的轨迹和任务进行操作。它还负责监控机器人的状态，如位置、速度和负载，以及处理传感器数据，以实现对环境的感知和适应。1.22工业机器人控制器的类型工业机器人控制器主要分为以下几种类型：集中式控制器：所有决策和控制逻辑都集中在单个处理器上，这种设计简化了系统结构，但对处理器的性能要求较高。分布式控制器：控制逻辑分布在多个处理器上，每个处理器负责控制机器人的一部分，如一个关节或一组关节。这种设计提高了系统的灵活性和可靠性，但增加了系统复杂性。智能控制器：结合了人工智能技术，如机器学习和神经网络，使机器人能够自主学习和适应环境，实现更复杂的任务。1.33UniversalRobotsURController概述1.3.13.1UniversalRobotsURController的特点UniversalRobots（UR）控制器是UR机器人系列的核心组成部分，它采用了分布式控制架构，每个关节都有自己的电机控制器，通过实时以太网（Real-timeEthernet）与主控制器通信。这种设计使得UR机器人具有高度的灵活性和精确性，能够实现复杂的运动控制和任务执行。UR控制器还支持多种编程语言，包括Python和C#，允许用户通过URScript或Polyscope界面进行编程，实现自定义任务和集成外部设备。此外，UR控制器内置了安全功能，如碰撞检测和速度限制，确保了人机协作的安全性。1.3.23.2URController的编程示例下面是一个使用Python通过URScript控制UR机器人移动到特定位置的示例代码：#导入urx库，用于与UR机器人通信

importurx

#创建UR机器人对象，连接到机器人

robot=urx.Robot("192.168.1.100")#假设机器人的IP地址为192.168.1.100

#定义目标位置

target_pose=[0.1,-0.2,0.3,3.14,0,0]#x,y,z,roll,pitch,yaw

#移动机器人到目标位置

robot.movej(target_pose,a=1.0,v=0.5)#a为加速度，v为速度

#关闭与机器人的连接

robot.close()1.3.33.3解释在上述代码中，我们首先导入了urx库，这是一个用于与UR机器人通信的Python库。然后，我们创建了一个Robot对象，通过指定机器人的IP地址来建立连接。接下来，定义了目标位置target_pose，这是一个包含x、y、z坐标和roll、pitch、yaw旋转角度的列表。使用movej函数，我们命令机器人以指定的加速度和速度移动到目标位置。最后，通过调用close方法，我们关闭了与机器人的连接，确保资源得到释放。1.3.43.3UniversalRobotsURController的应用场景UniversalRobotsURController因其灵活性和安全性，广泛应用于各种工业场景，包括但不限于：装配线：UR机器人可以精确地执行装配任务，提高生产效率和质量。物料搬运：在仓库和物流中心，UR机器人能够安全地与人类员工协作，搬运重物或小件物品。质量检测：UR机器人可以配备视觉传感器，进行自动化检测，提高检测的准确性和速度。人机协作：UR机器人的安全特性使得它能够在人类员工附近工作，无需额外的安全围栏，降低了工厂的布局成本。通过上述内容，我们对工业机器人控制器，特别是UniversalRobotsURController有了初步的了解。URController不仅提供了强大的运动控制能力，还支持灵活的编程接口和内置的安全功能，使其成为现代工业自动化中不可或缺的一部分。2UniversalRobotsURController硬件2.11UR控制器硬件组件UniversalRobots(UR)控制器是工业机器人系统的核心部分，负责处理机器人的所有运动控制和安全功能。UR控制器硬件组件主要包括以下部分：主控制器单元：这是UR控制器的大脑，包含处理器、内存和存储，用于运行UR的控制软件和用户程序。电源模块：负责为控制器和机器人提供稳定的电力供应，通常包括电源转换和保护电路。运动控制模块：包括驱动机器人关节的伺服驱动器，以及用于控制机器人速度、加速度和位置的电路。安全模块：UR控制器内置了安全功能，如碰撞检测和停止机制，确保操作人员的安全。通信接口：用于连接外部设备，如计算机、传感器和执行器，支持多种通信协议，如Ethernet、USB和RS-485。输入/输出(I/O)模块：提供与外部设备交互的接口，包括数字I/O和模拟I/O，用于接收信号和发送控制命令。2.22UR控制器接口介绍UR控制器提供了丰富的接口，用于与外部设备通信和控制。以下是一些主要接口的介绍：Ethernet接口：用于与计算机或网络设备通信，支持TCP/IP协议，可以远程控制机器人或传输数据。USB接口：用于连接USB设备，如鼠标、键盘或USB存储设备，方便操作和程序下载。RS-485接口：用于连接工业现场总线设备，如PLC，支持ModbusRTU协议。数字I/O接口：提供数字输入和输出信号，用于接收传感器信号或控制外部设备。模拟I/O接口：提供模拟输入和输出信号，用于处理连续变化的信号，如温度或压力传感器。安全I/O接口：专门用于处理安全相关的输入和输出信号，确保在紧急情况下机器人能够安全停止。2.2.1代码示例：通过UR控制器的数字I/O接口控制外部设备#导入ur_modern_driver模块

importur_modern_driver

#连接到UR控制器

robot=ur_modern_driver.Robot('192.168.1.100')

#设置数字输出信号

robot.set_digital_out(1,True)

#读取数字输入信号

input_signal=robot.get_digital_in(1)

print("Digitalinputsignal:",input_signal)2.33UR控制器的安装与设置UR控制器的安装和设置是确保机器人系统正常运行的关键步骤。以下是一些基本的安装和设置指南：物理安装：将UR控制器放置在稳固的表面上，确保其与机器人本体的连接线缆安全固定，避免在操作过程中受到损坏。电源连接：连接控制器到稳定的电源，确保电源电压符合控制器的要求。网络配置：通过Ethernet接口将控制器连接到网络，配置IP地址以便远程访问和控制。安全检查：在启动机器人之前，检查所有安全功能是否正常工作，包括急停按钮和安全I/O接口。软件设置：使用UR控制器的内置软件进行基本的设置，如机器人运动参数、I/O配置和安全参数。2.3.1安装步骤示例连接电源：将UR控制器的电源线连接到230VAC电源。网络配置：通过控制器的Ethernet接口连接到网络，使用UR的配置工具设置IP地址为192.168.1.100。软件设置：启动UR控制器，使用UR的PolyScope软件进行基本设置，如设置机器人最大速度为0.5m/s，加速度为0.5m/s^2。2.3.2设置步骤示例：使用PolyScope软件设置机器人最大速度打开PolyScope软件。进入“设置”菜单。选择“运动设置”。在“最大速度”选项中输入0.5m/s。点击“应用”保存设置。以上内容详细介绍了UniversalRobotsURController的硬件组件、接口以及安装和设置的基本步骤。通过理解和掌握这些信息，可以有效地操作和维护UR机器人系统。3工业机器人编程基础3.11UR控制器编程语言介绍UniversalRobots(UR)的控制器使用了一种名为URScript的编程语言，这是一种专门为UR机器人设计的高级语言，旨在简化工业机器人的编程和控制。URScript支持直接在机器人控制器上运行，无需额外的硬件或软件，使得机器人能够快速响应和适应生产环境的变化。URScript的语法简洁，易于学习，它结合了传统编程语言的特性，如变量、函数、循环和条件语句，同时也包含了一些专门针对机器人操作的指令，如移动、抓取和释放等。这种语言的设计理念是让非专业程序员也能快速上手，进行机器人编程。3.1.1代码示例：URScript基本结构#URScript程序示例

#该程序将机器人移动到预设位置

#定义一个函数，用于移动机器人到指定位置

defmove_robot_to_position():

#设置目标位置

target_pose=p[0.2,-0.1,0.4,3.14,0,0]

#移动机器人到目标位置

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

#调用函数，执行移动操作

move_robot_to_position()在上述示例中，我们定义了一个函数move_robot_to_position，该函数使用movej指令将机器人移动到一个预设的位置。movej是URScript中用于关节空间移动的指令，参数a和v分别表示加速度和速度，t和r分别表示时间限制和路径限制。3.22URScript编程基础URScript支持多种编程结构，包括但不限于：变量和数据类型：URScript支持整数、浮点数、字符串和数组等数据类型。函数：可以定义和调用自定义函数，以封装重复的代码逻辑。循环：支持for和while循环，用于重复执行代码块。条件语句：使用if、else和elif来根据不同的条件执行不同的代码路径。3.2.1代码示例：使用URScript控制机器人抓取和放置#URScript程序示例：抓取和放置操作

#定义抓取位置

pickup_pose=p[0.1,0.2,0.3,3.14,0,0]

#定义放置位置

place_pose=p[0.4,0.5,0.6,3.14,0,0]

#定义抓取和释放指令

defgrip_and_release(pickup,place):

#移动到抓取位置

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

#执行抓取动作

set_digital_out(1,True)

sleep(1)

#移动到放置位置

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

#执行释放动作

set_digital_out(1,False)

sleep(1)

#执行抓取和放置操作

grip_and_release(pickup_pose,place_pose)在这个示例中，我们定义了两个位置pickup_pose和place_pose，并创建了一个函数grip_and_release，该函数首先移动机器人到抓取位置，然后通过设置数字输出来控制一个抓取器进行抓取。之后，机器人移动到放置位置并释放抓取的物品。sleep函数用于在执行动作之间暂停，以确保动作的准确性和安全性。3.33示教器编程操作示教器是UR机器人编程和控制的重要工具，它提供了一个直观的用户界面，允许用户通过图形化的方式进行编程。示教器上的编程环境支持直接编写URScript代码，同时也提供了预定义的指令和动作，使得编程过程更加简单和直接。3.3.1操作步骤：连接示教器：确保示教器与机器人控制器正确连接。打开编程环境：在示教器上选择“程序编辑器”。编写代码：在编辑器中输入URScript代码，或使用预定义的指令。调试和运行：使用示教器上的调试工具检查代码错误，并运行程序以测试机器人动作。保存程序：在测试无误后，保存程序到机器人控制器，以便在生产环境中使用。3.3.2代码示例：通过示教器控制机器人进行圆周运动#URScript程序示例：圆周运动

#定义圆周运动的中心点

center_pose=p[0.0,0.0,0.0,3.14,0,0]

#定义圆周运动的半径

radius=0.1

#定义圆周运动的次数

num_circles=5

#定义圆周运动的函数

defcircle_motion(center,radius,num_circles):

#计算圆周运动的路径

foriinrange(num_circles):

#移动到圆周上的点

movec(p[center[0]+radius*cos(i*2*3.14/num_circles),

center[1]+radius*sin(i*2*3.14/num_circles),

center[2],3.14,0,0],

center_pose,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)

#执行圆周运动

circle_motion(center_pose,radius,num_circles)在这个示例中，我们定义了一个函数circle_motion，该函数使用movec指令来控制机器人进行圆周运动。movec是URScript中用于圆周路径移动的指令，它需要两个位置参数：圆周上的一个点和圆周的中心点。通过循环和三角函数计算，我们可以让机器人沿着预设的圆周路径移动。通过以上示例和介绍，我们可以看到URScript的强大和灵活性，它不仅支持基本的编程结构，还提供了丰富的机器人控制指令，使得工业机器人的编程和控制变得更加简单和高效。4工业机器人运动控制4.11UR机器人运动模式解析在工业自动化领域，UniversalRobots（UR）的机器人以其灵活性和易用性而著称。UR机器人提供了多种运动模式，以适应不同的工业应用需求。这些运动模式包括：关节运动（MoveJ）关节运动模式下，机器人以最快速度移动到目标位置，路径不一定是直线，而是通过关节的独立运动来实现。这种模式适用于不需要精确路径控制的场景，如搬运、码垛等。线性运动（MoveL）线性运动模式确保机器人在空间中沿直线路径移动，即使在关节空间中路径可能不是直线。这种模式适用于需要精确路径控制的应用，如焊接、涂装等。圆弧运动（MoveC）圆弧运动模式使机器人能够沿圆弧路径移动，需要指定圆弧的起点、终点和中间点（圆弧的中心）。这种模式适用于需要在特定点之间进行圆弧轨迹运动的应用，如打磨、装配等。4.1.1示例代码：关节运动（MoveJ）#调用UR机器人关节运动

defmove_robot_to_joint_position(joint_positions):

"""

将UR机器人移动到指定的关节位置。

参数:

joint_positions(list):机器人的六个关节位置，单位为弧度。

"""

#发送关节位置指令

robot.movej(joint_positions,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)4.1.2示例代码：线性运动（MoveL）#调用UR机器人线性运动

defmove_robot_to_linear_position(linear_position):

"""

将UR机器人移动到指定的线性位置。

参数:

linear_position(list):机器人在空间中的目标位置，包括x,y,z坐标和姿态。

"""

#发送线性位置指令

robot.movel(linear_position,a=1.0,v=0.5,t=0,r=0)4.22路径规划与优化路径规划是工业机器人控制中的关键环节，它涉及到如何计算从起点到终点的最优路径。UR机器人通过内置的路径规划算法，能够自动计算出避免碰撞的路径。路径优化则是在路径规划的基础上，进一步调整路径，以提高效率或满足特定的运动要求。4.2.1路径规划算法UR机器人使用了基于图形的路径规划算法，该算法能够处理复杂的环境，自动避开障碍物，找到从起点到终点的无障碍路径。此外，UR机器人还支持用户自定义路径规划，允许通过编程来指定特定的路径点和路径形状。4.2.2路径优化策略路径优化通常包括速度优化、加速度优化和路径平滑。速度优化确保机器人在移动过程中不会超过其速度限制，同时尽可能快地完成任务。加速度优化则关注于减少加速度的变化，以降低对机器人的冲击和振动。路径平滑则是通过调整路径点，使机器人运动更加流畅，减少不必要的关节运动。4.33速度与加速度控制速度和加速度控制是确保机器人运动平稳和精确的关键。UR机器人提供了速度和加速度的控制参数，允许用户根据具体的应用场景来调整。4.3.1速度控制在UR机器人的运动指令中，速度控制通过参数v来实现。v参数定义了机器人运动的速度，单位为毫米/秒（mm/s）。例如，在关节运动指令movej中，可以设置v=0.5，表示机器人以500mm/s的速度移动。4.3.2加速度控制加速度控制通过参数a来实现，a参数定义了机器人运动的加速度，单位为毫米/秒2（mm/s2）。例如，在线性运动指令movel中，可以设置a=1.0，表示机器人以1000mm/s^2的加速度移动。4.3.3示例代码：速度与加速度控制#调用UR机器人线性运动，设置速度和加速度

defmove_robot_with_speed_acceleration(linear_position,speed,acceleration):

"""

将UR机器人移动到指定的线性位置，同时控制速度和加速度。

参数:

linear_position(list):机器人在空间中的目标位置，包括x,y,z坐标和姿态。

speed(float):机器人运动的速度，单位为毫米/秒。

acceleration(float):机器人运动的加速度，单位为毫米/秒^2。

"""

#发送线性位置指令，设置速度和加速度

robot.movel(linear_position,a=acceleration,v=speed,t=0,r=0)通过上述代码，可以精确控制UR机器人的运动速度和加速度，实现更加高效和精确的工业自动化操作。5安全功能与操作5.11UR控制器安全系统概述UniversalRobots(UR)的控制器设计了先进的安全系统，确保在人机协作环境中操作的安全性。UR控制器的安全系统基于ISO10218和ISO/TS15066标准，提供了多种安全功能，如力矩限制、速度限制、安全停止等，以保护操作人员免受伤害。UR控制器的安全系统还支持安全区域设定，通过编程可以定义机器人在特定区域内的行为，一旦检测到人进入该区域，机器人会自动减速或停止，确保安全。5.1.1安全系统架构UR控制器的安全系统由硬件和软件两部分组成：硬件：包括集成在机器人关节中的扭矩传感器、安全输入/输出接口、紧急停止按钮等。软件：UR控制器内置的安全软件，可以设定安全参数，监控机器人状态，执行安全功能。5.1.2安全功能UR控制器提供了以下主要安全功能：安全停止：当检测到异常情况时，机器人立即停止所有运动。力矩限制：限制机器人关节的力矩，防止在接触时产生过大的力。速度限制：在安全区域内，限制机器人的最大速度。安全区域设定：通过编程定义安全区域，机器人在这些区域内会采取特定的安全措施。5.22安全功能设置与配置在UR控制器中设置和配置安全功能，主要通过其图形化编程环境URScript或Polyscope进行。以下是一个示例，展示如何在Polyscope中配置安全区域：#Polyscope示例代码：配置安全区域

defset_safety_zone(radius):

"""

设置安全区域的半径。

:paramradius:安全区域的半径，单位为毫米。

"""

#调用UR控制器的API设置安全区域

safety.set_safety_zone(radius)

#调用函数设置安全区域

set_safety_zone(300)5.2.1配置步骤登录Polyscope：首先，通过控制器的触摸屏登录到Polyscope。进入安全设置：在主菜单中选择“设置”>“安全”。定义安全区域：在安全设置中，选择“安全区域”，然后定义区域的形状和大小。设置安全参数：在安全区域设置中，可以设定机器人的最大速度和力矩限制。保存设置：完成设置后，保存并应用新的安全参数。5.33安全操作规程与实践安全操作规程是确保UR机器人在工业环境中安全运行的关键。以下是一些基本的安全操作实践：操作前检查：在启动机器人之前，检查所有安全设备是否正常工作，包括紧急停止按钮、安全围栏等。安全培训：所有操作人员必须接受安全培训，了解UR机器人的安全功能和操作规程。使用安全工具：在编程和调试过程中，使用UR控制器的安全功能，如安全停止、力矩限制等。监控机器人状态：在机器人运行时，持续监控其状态，确保没有异常情况发生。定期维护：定期对机器人进行维护，检查安全系统是否正常，及时更换磨损的部件。5.3.1实践案例假设在汽车制造车间，UR机器人用于组装零件。操作人员需要在机器人工作区域内进行检查和调整。在这种情况下，可以设置一个较小的安全区域，当操作人员进入时，机器人自动减速或停止，确保操作人员的安全。#Polyscope示例代码：检测人员进入安全区域

defcheck_person_in_zone():

"""

检测是否有人员进入安全区域。

:return:如果有人员进入，返回True；否则返回False。

"""

#调用UR控制器的API检测安全区域

ifsafety.check_person_in_zone():

returnTrue

else:

returnFalse

#调用函数检测人员是否在安全区域内

ifcheck_person_in_zone():

#如果有人员在安全区域内，机器人减速或停止

robot.set_speed(50)#减速到50%

robot.stop()通过以上实践，可以确保在人机协作环境中，UR机器人的安全功能得到充分利用，保护操作人员的安全。6工业机器人应用案例6.11UR机器人在制造业的应用在制造业中，UniversalRobots（UR）的机器人控制器因其灵活性和易用性而受到广泛欢迎。UR机器人能够执行一系列任务，从简单的物料搬运到复杂的装配操作，极大地提高了生产效率和工作安全性。UR机器人在制造业的应用主要体现在以下几个方面：物料搬运与码垛：UR机器人能够精确地搬运和码垛各种物料，减少人力需求，提高生产线的自动化水平。装配与组装：UR机器人通过其高精度的定位能力和灵活的关节设计，能够完成精细的装配任务。质量检测：UR机器人可以配备视觉系统，进行产品检测，确保产品质量符合标准。打磨与抛光：UR机器人能够进行精确的打磨和抛光操作，提高产品表面处理的质量和一致性。6.1.1示例：物料搬运假设我们有一个UR5机器人，需要从一个位置搬运物料到另一个位置。以下是一个简单的URScript代码示例，用于控制UR5机器人进行物料搬运：//定义起始位置和目标位置

conststart_pose=[0,-0.3,0.2,3.14,0,0];//X,Y,Z,Rx,Ry,Rz

consttarget_pose=[0.5,-0.3,0.2,3.14,0,0];

//移动到起始位置

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

//抓取物料

//假设有一个抓取指令，这里用注释表示

//grip();

//移动到目标位置

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

//释放物料

//假设有一个释放指令，这里用注释表示

//release();在这个示例中，movej函数用于控制机器人关节移动到指定位置，a和v分别表示加速度和速度，t和r分别表示时间限制和路径限制。抓取和释放物料的具体操作需要根据实际的末端执行器来实现。6.22UR机器人在自动化生产线中的角色UR机器人在自动化生产线中扮演着关键角色，它们能够与生产线上的其他设备无缝集成，实现连续、高效的生产流程。UR机器人可以执行重复性高、精度要求严苛的任务，如焊接、喷涂、装配等，同时还能通过编程实现任务的快速切换，适应多品种、小批量的生产需求。6.2.1例：自动化焊接UR机器人可以配备焊接工具，用于自动化焊接生产线。以下是一个URScript代码示例，用于控制UR机器人进行焊接操作：//定义焊接路径的起点和终点

constwelding_start=[0,-0.3,0.1,3.14,0,0];

constwelding_end=[0.5,-0.3,0.1,3.14,0,0];

//移动到焊接起点

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

//开始焊接

//假设有一个焊接开始指令，这里用注释表示

//start_welding();

//沿着焊接路径移动

movel(welding_end,a=1.0,v=0.1,t=0,r=0);

//结束焊接

//假设有一个焊接结束指令，这里用注释表示

//stop_welding();在这个示例中，movel函数用于控制机器人末端执行器沿直线路径移动，适用于焊接等需要精确路径控制的任务。6.33UR机器人在特定行业中的案例分析UR机器人在多个行业中都有广泛应用，包括汽车、电子、食品加工等。它们能够根据行业特点和需求，提供定制化的解决方案。6.3.1案例：食品加工行业在食品加工行业，UR机器人可以用于包装、分拣和装箱等任务，提高生产效率，同时减少食品污染的风险。以下是一个UR机器人在食品包装中的应用示例：假设我们需要使用UR机器人对生产线上的食品进行包装，机器人需要从传送带上抓取食品，然后将其放入包装盒中。这个过程可以通过URScript编程实现：//定义抓取位置和放置位置

constpickup_pose=[0,-0.3,0.1,3.14,0,0];

constplace_pose=[0.5,-0.3,0.1,3.14,0,0];

//移动到抓取位置

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

//抓取食品

//假设有一个抓取指令，这里用注释表示

//grip();

//移动到放置位置

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

//放置食品

//假设有一个释放指令，这里用注释表示

//release();在这个示例中，movej函数用于控制机器人关节移动到抓取和放置位置，抓取和释放食品的具体操作需要根据实际的末端执行器来实现。通过编程，UR机器人能够精确地执行食品包装任务，提高生产线的自动化水平和效率。以上示例展示了UR机器人在不同应用场景下的编程控制，通过URScript语言，可以实现对机器人运动的精确控制，满足制造业、自动化生产线和特定行业的需求。7维护与故障排除7.11UR控制器日常维护在工业环境中，UniversalRobots(UR)控制器的日常维护是确保机器人系统稳定运行的关键。以下是一些基本的维护步骤：清洁控制器外壳：使用干燥的、无绒布清洁控制器外壳，避免使用溶剂或水直接清洗，以防损坏电子元件。检查电缆连接：定期检查所有电缆连接，确保它们紧固且无损坏。松动或损坏的电缆可能导致通信问题或机器人运行不稳定。备份程序和设置：定期备份UR控制器的程序和设置，以防数据丢失。可以通过UR控制器的界面进行备份