基于Python的UR10機械臂可視化仿真平臺設計*

鄭怡廷 趙琛 王一帆 陶澤勇

(國核電站運行服務技術公司，上海 200233)

0 引言

隨著當今科技的快速發展，工業用機械臂已經成為工業生產、運輸、無損檢測等多種領域不可或缺的設備。尤其是在高溫、高輻射、有毒氣體等惡劣環境中，機械臂能夠代替操作人員進行現場工作，使得操作人員可在安全位置進行遠程操控[1-3]。

各類機械臂廠商會提供響應的操作界面，但有時其使用受到各類限制且使用起來不甚方便，故而廠商也提供了各類接口供操作人員進行二次開發，通過二次開發，可定制各類特定功能以方便現場的各類操作[4-7]。機械臂在實際使用過程中，如果直接在某些場合使用，會造成碰撞等事故，對現場設備和機械臂本身造成損壞。再者，操作過程中有時操作人員收現場條件限制，無法準確觀測現場情況，需要借助仿真軟件輔助推斷現場情況。故而機械臂仿真軟件對于機械臂的使用起到極其重要的作用。

本文介紹使用Python語言對優傲公司生產的UR10機械臂進行二次開發，實現對UR10機械臂進行遠程操控，同時連接V-REP EDU仿真軟件，實現同步仿真功能。

1 UR10機械臂簡介

1.1 UR10機械臂

優傲公司(Universal Robots，簡稱UR)是一家專業從事生產多功能、協作式工業機械臂的丹麥公司，主要產品包括臺式的機械臂UR3、UR3e，中小型機械臂UR5、UR5e、UR10、UR10e，重型機械臂UR16e。所有的型號都是六關節機械臂，依照不同型號支持不同的負載。優傲公司生產的機械臂在多種場合廣泛運用，為了在現場的環境中能夠更好的使用，有必要對其進行仿真的開發研究[8]。

本軟件采用了UR10型號的機械臂作為研究對象。該機械臂擁有1300mm半徑移動范圍，有效荷載10千克和六個軸，所有軸轉動范圍都支持正負360°，支持Modbus-TCP，EthernetIP以及Profinet三種主線。同時，UR10支持多個通訊接口，包括Dashboard、Primary、Secondary、Realtime、RTDE、Socket、XML-RPC等接口，主要使用的接口包括：Dashboard使用29999端口，執行機器人初始化、加載程序、開始和暫停程序、運行以及設置用戶角色等，該接口需要上位機主動發送Dashboard命令字符串后返回相應數據；Primary接口使用30001端口，主要發送機器人狀態以及附加信息，會以10HZ的頻率向上位機發送相關信息，當接口在收到上位機腳本指令字符串后會立即中斷當前運行的程序，然后運行收到的指令。Secondary接口使用30002端口，與Primary接口相似，但發送的信息中只包括機器人狀態而不包括附加信息。Realtime，接口使用30003端口，與Primary、Secondary接口相似，以125HZ的頻率向上位機發送詳細狀態信息。RTDE接口使用3004端口，RTDE接口不能接收腳本信息，只能以125HZ頻率發送機器人的詳細狀態信息。Socket 通訊通過Socket相關腳本指令與上位機進行通訊。XML-RPC通訊通過XML格式傳輸數據。Modbus-TCP通過Modbus協議傳輸數據。UR10機械臂支持三種運動模式：關節運動、線性運動、圓周運動。關節運動(MoveJ)，通過輸入6個關節的弧度值來確定移動位置，移動采用曲線路徑。線性運動(MoveL)，通過輸入6個參數，其中3個參數代表位置，3個參數代表姿態來確定移動位置，移動采用線性方式，使工具保持在線性路徑上。圓周運動(MoveP)同樣通過輸入6個參數，3個參數代表位置，3個參數代表姿態來確定移動位置，但是是以恒定速度通過圓形混合區進行移動。

1.2 URScript腳本編程

UR機械臂有三種種編程方式：Polyscope編程、URScript腳本編程以及C-API編程，本文中UR10為更好通過Python來呈現，降低延遲率，故選用UR公司自有的URScript腳本級機器人編程語言。和大部分腳本編程語言一樣，URScript支持布爾值、整數、浮點、字符串、null等基本類型，此外有獨有的姿態類型，用來表示機械臂的位姿。URScript支持自定義函數、控制流語句、多線程功能[9]。

2 UR10運動編程環境構建

在UR10機械臂運動編程仿真環境中，基于通訊接口Realtime來開發，可以將不同語言開發的模型集成在一個平臺上運行，實現低延遲操控和仿真。通過對UR10機械臂、空間環境、運動策略等參數進行配置，能夠快速構建適用于所需空間和運動操控的任務，如圖1所示。

2.1 Python編程軟件

Python語言作為當今最流行的程序開發語言之一，代碼優美易讀，開發效率高，擁有種類齊全豐富的開發庫。本文考慮語言通用性，采用版本Python3.6來進行語言編寫，其中，程序使用Tkinter8.6圖形界面接口庫，Tk是一個輕量級、跨平臺的圖形用戶開發包，Tkinter是其在Python上的接口。在開發時使用的集成開發環境(IDE)為JetBrains PyCharm，是著名的開發Python語言的IDE，界面簡潔，功能齊全，易于使用[10]。

圖1 UR10機械臂編程仿真結構

Python在官方網站下載即可，注意下載與本機操作系統和位數相符的安裝本，下載完成后默認安裝即可，注意需要勾選Add Python to PATH，否則安裝完成后需要手動配置環境變量。如果選擇自定義安裝，則一定要勾選td/tk and IDLE，Tkinter是Python的自帶庫，完成安裝后即搭建了開發環境。

2.2 V-REP仿真平臺

V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform EDU，虛擬機器人實驗平臺(教育版))是一款跨平臺的仿真軟件。V-REP軟件內自帶眾多機器人模型，同時也支持從外部文件導入模型。V-REP支持嵌入腳本、附加腳本或沙盒腳本、插件、遠程API、ROS節點。其中嵌入腳本、附加腳本或沙盒腳本、插件都支持Lua語言，遠程API支持C、Python、Java、Matlab、Octave和Lua等語言。V-REP軟件自帶UR10模型，可直接使用，但為了能和程序進行正常通訊，需要作一定的配置。首先，要在V-REP中新建場景，之后將UR10模型拖入場景中，然后需要編輯UR10的子腳本，在自動生成的子腳本下function sysCall_init()子函數中調用simRemoteApi.start函數，該函數可在指定端口上啟動API服務，用于與程序進行通訊，做循環判定，當simRemoteApi.start函數返回-1時則結束程序[11-12]。

為了更好地觀測仿真UR10的運動軌跡，需要在UR10的TCP處加入軌跡顯示，在UR10_link7節點新增Graph控件，在Graph控件的配置中新增三個記錄數據流(data stream to record)，分別對應UR10_link7在笛卡爾坐標系的X，Y，Z軸，配置完畢后，隨著機械臂在V-REP軟件內的移動，操作人員可在V-REP軟件內直觀觀察到過去一段時間機械臂的移動軌跡，當機械臂作一定功能的移動時，軌跡功能很好的輔助操作人員確認移動情況。

3 UR10可視化仿真平臺設計

UR10機械臂可視化仿真平臺由三個模塊組成，分別為數據接收模塊、數據發送模塊、仿真交互模塊。數據接收模塊接收UR10機械臂發出的狀態數據，數據發送模塊發送向機械臂發送指令使機械臂運動，仿真交互模塊與VREP交互數據實現仿真。

3.1 數據接收模塊

數據接收模塊使用Realtime接口，30003端口，采用TCP連接方式連接，連接后機械臂會以以125HZ的頻率發送詳細狀態信息。考慮到上位機的處理能力和資源配置情況，在時間精度要求不高的場合，不必拆解每一個包，可根據實際情況適當降低獲取的頻率。

Realtime接口每次發送1108個字節(UR10不同的內置軟件版本會有所不同，但主要數據格式不變)，發送的數據格式如表1：

表1中的笛卡爾坐標采用(X，Y，Z，Rx，Ry，Rz)表示，其中X，Y，Z表示位置，Rx，Ry，Rz表示姿態，UR10機械臂采用旋轉矢量法表示姿態。由于并非所有的數據都需要觀測，本程序僅選取較為重要的一些數據進行顯示。獲取數據后，使用struct.unpack函數，將tcp接收到的返回值轉換為指定格式，除了數據包總長度為int外其他所有的數據都為double，此外還需要注意，接收到的數據為大端格式，所以要按照">d"的格式轉換數據，無論有幾個值，數據最終都以元祖格式返回，后續處理時需自行轉換。

表1

如下示例獲取第一個軸的實際位置：

data = tcp_connect.get_tcp_recv()

position = struct.unpack(">d"，data[252：260])[0]

獲取的值是弧度，在程序中將其轉換為角度方便使用。在獲取到數據后，程序如上述例子數據處理并顯示到程序界面上供操作人員查看。

3.2 數據發送模塊

數據發送模塊負責將根據操作人員的操作生成的上位機指令發送到UR10機械臂，以實現對通過二次開發的本軟件對UR10機械臂的操控。數據發送模塊同樣采用30003端口，TCP協議發送，發送命令使用URScript語言。移動命令支持JOG、Move Pose、Move Location模式。JOG，即點動，按下鼠標左鍵后開始移動，移動過程中松開鼠標不放，鼠標放開后即停止。支持兩種方式，軸移動和位姿移動，軸移動采用關節運動方式，即MoveJ方式，位姿移動采用線性運動，即MoveL方式。

MoveJ方式：movej([j1，j2，j3，j4，j5，j6]，a，v)，其中j1-j6代表UR10機械臂的六個軸，a代表關節加速度(rad/s^2)，v代表關節速度(rad/s)，還有兩個可選參數時間和交融半徑可選，本程序不用。點動時，操作人員選擇要動的軸，程序通過拼接字符串將命令拼接好發送至UR10機械臂。

MoveL方式：movel([x，y，z，Rx，Ry，Rz]，a，v)，其中x，y，z代表三軸的位置，Rx，Ry，Rz代表姿態，其他與MoveJ類似。

Move Pose方式，即由操作人員輸入6軸的位置，UR10機械臂通過內部算法直接移動到響應位置。

Move Location方式，與Move Pose類似，操作人員輸入位姿的6個參數，UR10機械臂通過內部算法直接移動到響應位置。

當需要機械臂停止時，發送停止命令即可，stopj命令對應MoveJ運動方式，stopl命令對應MoveL移動方式。本程序還定制了一些現場實際使用的特定模式，例如三點間的循環運動，機械臂與每個點停留一定時間，之后向下個點運動。腳本直接存放于程序下，可根據現場的實際情況實施修改。

3.3 仿真交互模塊

仿真交互模塊負責程序與V-REP交互，主要功能是將UR10機械臂的位置數據反饋到V-REP中，使得操作者能夠觀測仿真環境。在使用前，需要對程序進行配置才可使Python程序正常鏈接V-REP。在V-REP安裝目錄下programming emoteApiBindingspythonpython目錄中找到vrep.py、vrepConst.py、remoteApi.dll這三個文件，將其拷貝到本程序的同級目錄下，之后在Python程序頭部導入vrep模塊即可。隨后需要考慮鏈接V-REP的功能，使用vrep.simxStar函數，該函數作用是啟動一個通信線程與V-REP相連，注意函數中的端口號要與V-REP子腳本中配置的端口號一致。

圖2 UR10機械臂可視化平臺操控界面

使用時分為仿真模式和實時同步模式，仿真模式時只在V-REP中驅動仿真界面不操作實際機械臂，實時同步模式實際操作機械臂，通過數據接收模塊讀取UR10機械臂的實際位置后將其反饋給V-REP。仿真模式較為簡單，由于無需與UR10機械臂交互，當操作人員點擊按鈕后，只要算出移動后的位置，將移動位置傳輸給V-REP接口即可。實時同步模式中，當操作人員點擊按鈕后，首先通過數據發送模塊將命令傳送給UR10機械臂，然后通過數據接收模式獲取UR10機械臂的實時位置反饋，最后通過仿真交互模塊將位置數據傳給V-REP以實現仿真功能。

在連接成功后，通過vrep.simxGetObjectHandle函數獲取UR10和UR10各個關節軸的句柄，將其存于一個變量之中以供之后調用。當用戶操作后程序獲取位置時，將各軸位置通過vrep.simxSetJointTargetPosition函數通知VREP程序，調用時將各軸位置和之前獲取的句柄一一對應。simxSetJointTargetPosition中的各軸位置使用的是弧度，源程序使用的角度，需要在程序中進行轉換。

4 UR10仿真交互控制結果

基于Python的UR10機械臂可視化平臺操控界面如圖2所示。

首先，打開V-REP軟件，打開先前設置好的V-REP場景，并啟動模擬環境。之后打開操作程序，點擊V-REP連接按鈕，當程序提示成功后，如果使用仿真模式即可直接操作，在V-REP上查看仿真運動軌跡。如果使用實時同步模式還需要點擊機械臂連接按鈕，之后即可各種操作，觀察UR10機械臂的運動情況和V-REP中的仿真情況。操作人員按下各個JOG+、JOG-按鈕即可對相應的軸或者位姿進行點動，放開鼠標即停止點動，為了安全原因，每次點動最多移動90°，移動超過90°后會自動停止，需要繼續移動要松開鼠標并再次按下鼠標。經過測試，本軟件能夠順利操控機械臂，延遲時間低，在實時同步模式下UR10機械臂與VREP軟件延遲低于0.1s，能夠使操作人員較好的利用仿真環境操控實際機械臂，實現了UR機械臂模擬的需求。

5 結論

基于對UR10機械臂可視化仿真平臺設計分析，敘述了Python語言編寫的操控及仿真的機構、設計和實現，通過仿真結果來驗證該設計方案的可行性，體現了平臺的通用性和可擴展性，為進一步優化、研究機械臂仿真和操控打下了基礎。