工業(yè)機器人編程語言：URScript(UniversalRobots)：UR機器人安全編程與碰撞檢測

工業(yè)機器人編程語言：URScript(UniversalRobots)：UR機器人安全編程與碰撞檢測1工業(yè)機器人編程語言：URScript(UniversalRobots)：UR機器人安全編程與碰撞檢測1.1URScript簡介與安全編程基礎1.1.1URScript語言概述URScript是UniversalRobots(UR)公司為UR系列協(xié)作機器人開發(fā)的專用編程語言。它允許用戶直接在UR機器人的示教器上編寫和執(zhí)行程序，無需額外的編程環(huán)境。URScript支持多種編程結構，如循環(huán)、條件語句和函數(shù)，使得機器人能夠執(zhí)行復雜的任務。此外，URScript還提供了豐富的API，用于控制機器人運動、I/O操作、TCP/IP通信等，極大地提高了編程的靈活性和效率。1.1.2安全編程的重要性在工業(yè)環(huán)境中，安全編程是至關重要的。UR機器人作為協(xié)作機器人，其設計初衷就是在人類工作環(huán)境中安全地運行，與人共存。因此，URScript的安全特性尤為突出。安全編程不僅能夠保護操作人員免受傷害，還能防止機器人損壞，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量。通過使用URScript的安全指令，可以實現(xiàn)對機器人運動的精確控制，避免潛在的碰撞風險，提高工作場所的安全性。1.1.3基本安全指令學習URScript提供了多種安全指令，用于控制機器人的速度、加速度、力矩限制等，以確保在與人或環(huán)境交互時的安全。以下是一些基本的安全指令示例：1.1.3.1set_speed()set_speed()函數(shù)用于設置機器人的最大速度。速度的單位是毫米/秒(mm/s)。通過限制機器人的速度，可以減少在意外情況下的沖擊力，提高安全性。#設置機器人最大速度為100mm/s

set_speed(100)1.1.3.2set_acceleration()set_acceleration()函數(shù)用于設置機器人的最大加速度。加速度的單位是毫米/秒2(mm/s2)?？刂萍铀俣瓤梢云交瑱C器人的運動，減少突然加速或減速帶來的風險。#設置機器人最大加速度為0.5mm/s^2

set_acceleration(0.5)1.1.3.3set_force()set_force()函數(shù)用于設置機器人在接觸物體時的最大力矩。力矩的單位是牛頓米(Nm)。當機器人在執(zhí)行任務時遇到障礙物，力矩限制可以防止機器人對障礙物或自身造成損害。#設置機器人最大力矩為5Nm

set_force(5)1.1.3.4set_payload()set_payload()函數(shù)用于設置機器人所承載的負載。負載的單位是千克(kg)。正確設置負載可以確保機器人在運動時的穩(wěn)定性和安全性，避免因負載過重而導致的運動失控。#設置機器人負載為2kg

set_payload(2)1.1.3.5set_wobj()set_wobj()函數(shù)用于設置機器人的工作對象。工作對象是指機器人在執(zhí)行任務時所參考的坐標系。通過設置工作對象，可以確保機器人在正確的位置上執(zhí)行任務，避免因坐標系錯誤而導致的碰撞。#設置工作對象為工件坐標系1

set_wobj(wobj0)1.1.3.6set_cframe()set_cframe()函數(shù)用于設置機器人的工具坐標系。工具坐標系是指機器人末端執(zhí)行器的坐標系。正確設置工具坐標系可以確保機器人在執(zhí)行任務時的精度，避免因坐標系錯誤而導致的碰撞。#設置工具坐標系為工具坐標系1

set_cframe(cframe0)1.1.3.7set_tcp()set_tcp()函數(shù)用于設置機器人的TCP(ToolCenterPoint)。TCP是指機器人末端執(zhí)行器的中心點。通過設置TCP，可以確保機器人在執(zhí)行任務時的精度和穩(wěn)定性，避免因TCP設置錯誤而導致的碰撞。#設置TCP為工具中心點1

set_tcp(tcp0)1.1.3.8set_digital_out()雖然set_digital_out()不是一個直接與安全相關的指令，但在某些情況下，它可以通過控制外部設備來提高安全性。例如，當機器人檢測到潛在的碰撞風險時，可以通過設置數(shù)字輸出信號來觸發(fā)安全裝置，如安全圍欄的關閉。#設置數(shù)字輸出信號1為高電平

set_digital_out(1,True)1.1.3.9stopl()stopl()函數(shù)用于立即停止機器人的線性運動。當機器人在執(zhí)行線性運動時遇到緊急情況，如檢測到障礙物，可以立即調(diào)用stopl()來停止運動，避免碰撞。#立即停止線性運動

stopl()1.1.3.10stopj()stopj()函數(shù)用于立即停止機器人的關節(jié)運動。當機器人在執(zhí)行關節(jié)運動時遇到緊急情況，可以立即調(diào)用stopj()來停止運動，避免碰撞。#立即停止關節(jié)運動

stopj()1.1.3.11waittime()waittime()函數(shù)用于設置機器人等待的時間。在某些情況下，通過設置等待時間，可以確保機器人在安全的條件下執(zhí)行任務，如等待外部設備完成操作后再繼續(xù)運動。#設置機器人等待2秒

waittime(2)1.1.3.12wait_until()wait_until()函數(shù)用于設置機器人等待直到滿足某個條件。這可以用于確保機器人在安全的條件下執(zhí)行任務，如等待數(shù)字輸入信號變?yōu)楦唠娖胶笤倮^續(xù)運動。#設置機器人等待直到數(shù)字輸入信號1變?yōu)楦唠娖?/p>

wait_until(digital_in(1)==True)1.1.3.13recovery()recovery()函數(shù)用于在機器人遇到故障或停止后，重新啟動機器人。在安全編程中，這可以用于在確保安全的情況下，恢復機器人的正常運行。#重新啟動機器人

recovery()1.1.3.14reset_errors()reset_errors()函數(shù)用于清除機器人在執(zhí)行任務時遇到的錯誤。在安全編程中，這可以用于在確保安全的情況下，清除錯誤并繼續(xù)執(zhí)行任務。#清除機器人錯誤

reset_errors()1.1.3.15set_safety_mode()set_safety_mode()函數(shù)用于設置機器人的安全模式。UR機器人提供了多種安全模式，如NORMAL、REDUCED、FINE等。通過設置安全模式，可以確保機器人在不同的工作環(huán)境中安全地運行。#設置機器人安全模式為REDUCED

set_safety_mode("REDUCED")1.1.3.16set_safety_zone()set_safety_zone()函數(shù)用于設置機器人的安全區(qū)域。當機器人在執(zhí)行任務時超出安全區(qū)域，機器人將自動停止運動，以避免潛在的碰撞風險。#設置機器人安全區(qū)域為半徑100mm的圓

set_safety_zone(100)1.1.3.17set_safety_stop()set_safety_stop()函數(shù)用于設置機器人的安全停止條件。當機器人在執(zhí)行任務時滿足安全停止條件，機器人將自動停止運動，以避免潛在的碰撞風險。#設置機器人安全停止條件為力矩超過10Nm

set_safety_stop(10)1.1.3.18set_safety_force()set_safety_force()函數(shù)用于設置機器人的安全力矩限制。當機器人在執(zhí)行任務時力矩超過安全力矩限制，機器人將自動停止運動，以避免潛在的碰撞風險。#設置機器人安全力矩限制為5Nm

set_safety_force(5)1.1.3.19set_safety_distance()set_safety_distance()函數(shù)用于設置機器人的安全距離。當機器人在執(zhí)行任務時與障礙物的距離小于安全距離，機器人將自動停止運動，以避免潛在的碰撞風險。#設置機器人安全距離為10mm

set_safety_distance(10)1.1.3.20set_safety_speed()set_safety_speed()函數(shù)用于設置機器人的安全速度限制。當機器人在執(zhí)行任務時速度超過安全速度限制，機器人將自動停止運動，以避免潛在的碰撞風險。#設置機器人安全速度限制為50mm/s

set_safety_speed(50)通過學習和應用這些基本的安全指令，可以有效地提高UR機器人的安全性，確保在與人或環(huán)境交互時的安全。在實際編程中，應根據(jù)具體的應用場景和安全需求，合理地選擇和使用這些指令，以實現(xiàn)最佳的安全效果。2碰撞檢測與避免策略2.1碰撞檢測原理碰撞檢測是工業(yè)機器人操作中的關鍵安全功能，它通過實時監(jiān)測機器人與周圍環(huán)境的接觸，防止意外碰撞發(fā)生。URScript支持多種碰撞檢測機制，包括基于力矩的檢測和基于位置的檢測。原理上，UR機器人通過其內(nèi)置的關節(jié)力矩傳感器和精密的位置控制，能夠感知到外部的力和位移變化，從而判斷是否發(fā)生了碰撞。2.1.1基于力矩的檢測UR機器人每個關節(jié)都裝備有力矩傳感器，可以測量關節(jié)受到的外部力。當檢測到的力矩超過預設閾值時，機器人會立即停止運動，以避免進一步的損害。2.1.2基于位置的檢測機器人在運動過程中，如果關節(jié)的位置偏差超過設定的閾值，系統(tǒng)會認為發(fā)生了碰撞，從而觸發(fā)安全停止。2.2UR機器人碰撞檢測設置在UR機器人中，碰撞檢測的設置主要通過URScript中的set_tcp_force和set_tcp_force_limits函數(shù)來實現(xiàn)。此外，還可以通過set_collision_behavior函數(shù)來調(diào)整碰撞后的行為。2.2.1設置TCP力set_tcp_force([Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]);Fx,Fy,Fz：分別代表TCP在X、Y、Z軸上的力閾值。Mx,My,Mz：分別代表TCP在X、Y、Z軸上的力矩閾值。2.2.2設置TCP力限制set_tcp_force_limits([Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz]);Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz：與set_tcp_force相同，但此函數(shù)用于設置力和力矩的硬限制，超過這些限制時，機器人將立即停止。2.2.3設置碰撞行為set_collision_behavior(stop_type,stop_time,stop_distance);stop_type：停止類型，可以是none、stop或slow。stop_time：停止時間，單位為秒。stop_distance：停止距離，單位為毫米。2.3編寫安全的碰撞避免代碼2.3.1示例代碼下面的代碼示例展示了如何在URScript中設置碰撞檢測，并編寫安全的碰撞避免代碼。#設置TCP力檢測

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

#設置碰撞行為

set_collision_behavior('stop',0.1,50);

#定義安全移動函數(shù)

defsafe_move(pose_target):

#嘗試移動到目標位置

try:

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

exceptURScriptErrorase:

#如果發(fā)生碰撞，打印錯誤信息并停止

print("Collisiondetected:",e)

stopl(0.5)

#定義目標位置

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

#調(diào)用安全移動函數(shù)

safe_move(target_pose)2.3.2代碼解釋設置TCP力檢測：通過set_tcp_force函數(shù)設置TCP在各軸上的力閾值為5N。設置碰撞行為：使用set_collision_behavior函數(shù)，當檢測到碰撞時，機器人將在0.1秒內(nèi)停止，并在距離障礙物50mm的位置停止。安全移動函數(shù)：定義了一個safe_move函數(shù)，該函數(shù)嘗試使用movej指令移動到目標位置。如果在移動過程中發(fā)生碰撞，函數(shù)將捕獲URScriptError異常，打印錯誤信息，并使用stopl指令以0.5m/s的速度停止機器人。通過上述設置和代碼，可以有效地在UR機器人操作中實現(xiàn)碰撞檢測和避免，提高生產(chǎn)安全性和效率。3高級安全編程技術3.1使用宏和函數(shù)增強安全性在URScript編程中，宏和函數(shù)是提升代碼可讀性、可維護性和安全性的關鍵工具。宏允許你定義可重復使用的代碼段，而函數(shù)則可以接受參數(shù)，執(zhí)行更復雜的邏輯，并返回結果。通過合理使用宏和函數(shù)，可以確保代碼的一致性，減少錯誤，同時在發(fā)生異常時提供更精細的控制。3.1.1宏示例假設我們需要在多個地方執(zhí)行相同的初始化安全檢查，可以定義一個宏來避免重復代碼：macroinit_safety_check()

{

//安全檢查：確認所有安全設備已連接

if(safety_device_connected()==0)

{

logi("Safetydevicenotconnected.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

}

else

{

logi("Safetycheckpassed.Robotcanproceed.");

}

}在程序中調(diào)用這個宏：init_safety_check();3.1.2函數(shù)示例函數(shù)可以接受參數(shù)，執(zhí)行更復雜的邏輯。例如，一個檢查機器人與障礙物距離的函數(shù)：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.");

}

}調(diào)用函數(shù)時，需要傳遞具體的參數(shù)：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集成外部安全設備UR機器人可以通過集成外部安全設備來增強其操作安全性。這些設備包括但不限于安全光幕、安全墊和緊急停止按鈕。URScript提供了與這些設備通信的接口，允許機器人在檢測到潛在危險時立即停止。3.2.1安全光幕示例安全光幕是一種常見的安全設備，用于檢測機器人工作區(qū)域內(nèi)的障礙物。當光幕被遮擋時，機器人應立即停止。在URScript中，可以通過讀取光幕的狀態(tài)來實現(xiàn)這一功能：//定義安全光幕的I/O地址

constintsafety_light_curtain=8;

//檢查安全光幕狀態(tài)

while(true)

{

if(digital_in(safety_light_curtain)==0)

{

logi("Safetylightcurtaintriggered.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

break;

}

else

{

//繼續(xù)執(zhí)行機器人任務

movej(p1);

movej(p2);

//...

}

}3.2.2安全墊示例安全墊是一種壓力敏感設備，當有人或物體踩在上面時，會觸發(fā)信號。UR機器人可以配置為在檢測到安全墊信號時停止：//定義安全墊的I/O地址

constintsafety_mat=9;

//檢查安全墊狀態(tài)

while(true)

{

if(digital_in(safety_mat)==1)

{

logi("Safetymattriggered.Stoppingrobot.");

stopl(0.5);

break;

}

else

{

//繼續(xù)執(zhí)行機器人任務

movej(p1);

movej(p2);

//...

}

}3.3案例分析：安全編程在實際應用中的作用3.3.1案例描述在汽車制造工廠中，UR機器人被用于組裝線上的零件搬運。為了確保操作員的安全，機器人配備了安全光幕和安全墊。當操作員進入機器人工作區(qū)域時，安全光幕會檢測到并立即停止機器人，防止碰撞。同時，安全墊可以檢測到操作員的腳部，提供額外的安全層。3.3.2安全編程實現(xiàn)//定義安全設備的I/O地址

constintsafety_light_curtain=8;

constintsafety_mat=9;

//定義安全檢查宏

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();

//執(zhí)行機器人任務

movej(p1);

movej(p2);

//...

}3.3.3安全效果通過集成安全光幕和安全墊，并使用宏進行安全檢查，該工廠顯著降低了操作員與機器人之間的碰撞風險。在實際操作中，一旦操作員接近機器人工作區(qū)域，機器人立即停止，確保了操作員的安全。此外，由于宏和函數(shù)的使用，代碼更加整潔，易于維護，進一步提高了系統(tǒng)的整體安全性。通過上述示例，我們可以看到，URScript中的高級安全編程技術，如宏和函數(shù)的使用，以及與外部安全設備的集成，對于確保工業(yè)機器人操作的安全性和效率至關重要。在實際應用中，這些技術的合理應用可以有效預防事故，保護操作員和設備的安全。4URScript中的安全編程實踐4.1編寫可重復使用的安全代碼片段在URScript編程中，創(chuàng)建可重復使用的安全代碼片段是提高效率和減少錯誤的關鍵。這些代碼片段通常涉及機器人運動控制、安全檢查和異常處理，確保機器人在執(zhí)行任務時不會對操作員或環(huán)境造成傷害。4.1.1例：安全運動代碼片段#定義一個安全移動到目標位置的函數(shù)

defsafe_move_to(target_x,target_y,target_z):

"""

該函數(shù)安全地移動機器人到指定的XYZ坐標。

在移動前，它會檢查當前位置與目標位置之間的距離，

如果距離過近，則直接移動；如果距離過遠，則采用更慢的速度移動，

以避免突然的加速可能導致的碰撞。

"""

#獲取當前機器人位置

current_pose=get_forward()

current_x=current_pose.x

current_y=current_pose.y

current_z=current_pose.z

#計算目標位置與當前位置之間的距離

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

#根據(jù)距離設置移動速度

ifdistance>0.1:

speed=0.1#較慢的速度

else:

speed=0.5#較快的速度

#安全移動到目標位置

movej([target_x,target_y,target_z,0,0,0],a=1.4,v=speed,t=0,r=0)4.1.2解釋上述代碼定義了一個safe_move_to函數(shù)，該函數(shù)接受目標位置的XYZ坐標作為參數(shù)。函數(shù)首先獲取機器人當前的位置，然后計算目標位置與當前位置之間的距離。如果距離大于0.1米，機器人將以較慢的速度移動，以減少碰撞風險；如果距離小于或等于0.1米，機器人將以較快的速度移動，以提高效率。通過這種方式，我們確保了機器人在移動時的安全性，同時保持了代碼的可重復使用性。4.2安全編程的調(diào)試與測試安全編程不僅涉及代碼的編寫，還包括了對代碼的徹底測試和調(diào)試，以確保在所有預期和非預期情況下，機器人都能安全運行。4.2.1例：使用URScript進行安全測試#定義一個測試函數(shù)，用于檢查機器人在特定環(huán)境下的安全移動

deftest_safe_movement():

"""

該測試函數(shù)將機器人移動到一系列預設的位置，

并在每次移動后檢查機器人是否處于安全狀態(tài)。

如果檢測到任何不安全狀態(tài)，測試將失敗并輸出錯誤信息。

"""

#列出一系列測試位置

test_positions=[

[0.1,0.2,0.3],

[0.4,0.5,0.6],

[0.7,0.8,0.9]

]

#遍歷測試位置

forpositionintest_positions:

#安全移動到測試位置

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

#檢查機器人是否處于安全狀態(tài)

ifnotis_robot_in_safe_state():

#如果機器人不安全，輸出錯誤信息并停止測試

print("Error:Robotisnotinasafestateatposition:",position)

return

#如果所有測試位置都通過了安全檢查，輸出測試成功信息

print("Alltestpositionspassedsafetychecks.")4.2.2解釋test_safe_movement函數(shù)用于測試機器人在一系列預設位置上的安全移動。它首先定義了一個包含多個位置的列表，然后遍歷這些位置，使用safe_move_to函數(shù)移動機器人。在每次移動后，函數(shù)會調(diào)用is_robot_in_safe_state函數(shù)（假設這是一個檢查機器人安全狀態(tài)的函數(shù)）來確保機器人沒有進入不安全狀態(tài)。如果在任何位置檢測到不安全狀態(tài)，測試將失敗并輸出錯誤信息。如果所有位置都通過了安全檢查，測試將成功完成。4.3持續(xù)集成與安全編程持續(xù)集成（CI）是一種軟件開發(fā)實踐，通過自動化構建和測試，確保代碼的持續(xù)質(zhì)量和安全性。在URScript編程中，持續(xù)集成可以幫助團隊及時發(fā)現(xiàn)和修復安全問題。4.3.1例：使用持續(xù)集成進行URScript安全檢查在持續(xù)集成環(huán)境中，可以設置自動化腳本來運行URScript的安全測試。例如，使用Jenkins或GitLabCI，可以創(chuàng)建一個構建作業(yè)，每次代碼提交時自動運行安全測試腳本。#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解釋上述GitLabCI配置文件示例展示了如何設置一個持續(xù)集成作業(yè)，用于運行URScript的安全測試。當代碼提交到默認分支時，safe_test作業(yè)將被觸發(fā)。作業(yè)首先將機器人移動到一個安全的初始位置，然后運行test_safe_movement函數(shù)來執(zhí)行一系列安全測試。如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)任何安全問題，持續(xù)集成系統(tǒng)將立即通知開發(fā)團隊，以便他們可以快速修復問題，確保代碼的安全性和質(zhì)量。通過遵循這些安全編程實踐，工業(yè)機器人編程人員可以創(chuàng)建更安全、更可靠的URScript代碼，從而提高生產(chǎn)效率，同時減少潛在的安全風險。5安全編程的未來趨勢與URScript發(fā)展5.1工業(yè)4.0與安全編程在工業(yè)4.0的背景下，安全編程成為工業(yè)機器人應用中的關鍵議題。隨著機器人與人類在生產(chǎn)環(huán)境中的交互日益頻繁，確保機器人操作的安全性變得至關重要。URScript，作為UniversalRobots（UR）機器人的一種專用編程語言，其設計初衷即包含了對安全性的考量。UR機器人以其協(xié)作性著稱，能夠在人類工作區(qū)域內(nèi)安全運行，這得益于其內(nèi)置的安全功能和URScript的編程支持。5.1.1URScript的安全特性URScript提供了多種安全功能，包括但不限于速度限制、力矩限制、碰撞檢測和緊急停止機制。例如，速度限制可以確保機器人在接近人類操作員時自動減速，從而減少潛在的傷害風險。力矩限制則允許機器人在檢測到與外部物體的接觸力超過預設閾值時自動停止，避免對物體或機器人本身造成損害。5.1.1.1示例代碼：速度限制#設置機器人速度限制為100mm/s

speed(100)

#移動到目標位置

movej(p1,a=1.0,v=100,t=0,r=0)在上述代碼中，speed(100)函數(shù)用于設置機器人全局速度限制，而movej函數(shù)中的v=100參數(shù)則用于設置關節(jié)運動的速度限制。這種速度控制機制是URScript中實現(xiàn)安全編程的基礎之一。5.2URScript的更新與安全功能增強隨著UR機器人技術的不斷進步，URScript也在持續(xù)更新，以增強其安全功能。最新的URScript版本引入了更高級的碰撞檢測算法，能夠更精確地識別機器人與環(huán)境中的物體接觸，并即時做出反應。此外，URScript還支持實時監(jiān)控和調(diào)整機器人的運行狀態(tài)，確保在復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中，機器人能夠持續(xù)安全運行。5.2.1碰撞檢測算法URScript的碰撞檢測算法基于實時傳感器數(shù)據(jù)和機器人的運動學模型。當機器人在執(zhí)行任務時，算法會持續(xù)監(jiān)測其與周圍環(huán)境的相對位置和接觸力。一旦檢測到潛在的碰撞風險，機器人會立即減速或停止，以避免碰撞發(fā)生。5.2.1.1示例代碼：碰撞檢測#啟用碰撞檢測

set_cobotta_collision_detection(True)

#設置碰撞檢測閾值

set_collision_threshold(15)

#執(zhí)行任務

movej(p2,a=1.0,v=100,t=0,r=0)在本例中，set_cobotta_collision_detection(True)用于啟用碰撞檢測功能，而set_collision_threshold(15)則用于設置碰撞檢測的力矩閾值。一旦機器人在運動過程中檢測到與外部物體的接觸力超過15Nm，它將自動