基于Python的UR10机械臂可视化仿真平台设计*

2021-01-22郑怡廷赵琛王一帆陶泽勇

数字技术与应用 2020年12期

郑怡廷赵琛王一帆陶泽勇

(国核电站运行服务技术公司，上海 200233)

0 引言

随着当今科技的快速发展，工业用机械臂已经成为工业生产、运输、无损检测等多种领域不可或缺的设备。尤其是在高温、高辐射、有毒气体等恶劣环境中，机械臂能够代替操作人员进行现场工作，使得操作人员可在安全位置进行远程操控[1-3]。

各类机械臂厂商会提供响应的操作界面，但有时其使用受到各类限制且使用起来不甚方便，故而厂商也提供了各类接口供操作人员进行二次开发，通过二次开发，可定制各类特定功能以方便现场的各类操作[4-7]。机械臂在实际使用过程中，如果直接在某些场合使用，会造成碰撞等事故，对现场设备和机械臂本身造成损坏。再者，操作过程中有时操作人员收现场条件限制，无法准确观测现场情况，需要借助仿真软件辅助推断现场情况。故而机械臂仿真软件对于机械臂的使用起到极其重要的作用。

本文介绍使用Python语言对优傲公司生产的UR10机械臂进行二次开发，实现对UR10机械臂进行远程操控，同时连接V-REP EDU仿真软件，实现同步仿真功能。

1 UR10机械臂简介

1.1 UR10机械臂

优傲公司(Universal Robots，简称UR)是一家专业从事生产多功能、协作式工业机械臂的丹麦公司，主要产品包括台式的机械臂UR3、UR3e，中小型机械臂UR5、UR5e、UR10、UR10e，重型机械臂UR16e。所有的型号都是六关节机械臂，依照不同型号支持不同的负载。优傲公司生产的机械臂在多种场合广泛运用，为了在现场的环境中能够更好的使用，有必要对其进行仿真的开发研究[8]。

本软件采用了UR10型号的机械臂作为研究对象。该机械臂拥有1300mm半径移动范围，有效荷载10千克和六个轴，所有轴转动范围都支持正负360°，支持Modbus-TCP，EthernetIP以及Profinet三种主线。同时，UR10支持多个通讯接口，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，执行机器人初始化、加载程序、开始和暂停程序、运行以及设置用户角色等，该接口需要上位机主动发送Dashboard命令字符串后返回相应数据；Primary接口使用30001端口，主要发送机器人状态以及附加信息，会以10HZ的频率向上位机发送相关信息，当接口在收到上位机脚本指令字符串后会立即中断当前运行的程序，然后运行收到的指令。Secondary接口使用30002端口，与Primary接口相似，但发送的信息中只包括机器人状态而不包括附加信息。Realtime，接口使用30003端口，与Primary、Secondary接口相似，以125HZ的频率向上位机发送详细状态信息。RTDE接口使用3004端口，RTDE接口不能接收脚本信息，只能以125HZ频率发送机器人的详细状态信息。Socket 通讯通过Socket相关脚本指令与上位机进行通讯。XML-RPC通讯通过XML格式传输数据。Modbus-TCP通过Modbus协议传输数据。UR10机械臂支持三种运动模式：关节运动、线性运动、圆周运动。关节运动(MoveJ)，通过输入6个关节的弧度值来确定移动位置，移动采用曲线路径。线性运动(MoveL)，通过输入6个参数，其中3个参数代表位置，3个参数代表姿态来确定移动位置，移动采用线性方式，使工具保持在线性路径上。圆周运动(MoveP)同样通过输入6个参数，3个参数代表位置，3个参数代表姿态来确定移动位置，但是是以恒定速度通过圆形混合区进行移动。

1.2 URScript脚本编程

UR机械臂有三种种编程方式：Polyscope编程、URScript脚本编程以及C-API编程，本文中UR10为更好通过Python来呈现，降低延迟率，故选用UR公司自有的URScript脚本级机器人编程语言。和大部分脚本编程语言一样，URScript支持布尔值、整数、浮点、字符串、null等基本类型，此外有独有的姿态类型，用来表示机械臂的位姿。URScript支持自定义函数、控制流语句、多线程功能[9]。

2 UR10运动编程环境构建

在UR10机械臂运动编程仿真环境中，基于通讯接口Realtime来开发，可以将不同语言开发的模型集成在一个平台上运行，实现低延迟操控和仿真。通过对UR10机械臂、空间环境、运动策略等参数进行配置，能够快速构建适用于所需空间和运动操控的任务，如图1所示。

2.1 Python编程软件

Python语言作为当今最流行的程序开发语言之一，代码优美易读，开发效率高，拥有种类齐全丰富的开发库。本文考虑语言通用性，采用版本Python3.6来进行语言编写，其中，程序使用Tkinter8.6图形界面接口库，Tk是一个轻量级、跨平台的图形用户开发包，Tkinter是其在Python上的接口。在开发时使用的集成开发环境(IDE)为JetBrains PyCharm，是著名的开发Python语言的IDE，界面简洁，功能齐全，易于使用[10]。

图1 UR10机械臂编程仿真结构

Python在官方网站下载即可，注意下载与本机操作系统和位数相符的安装本，下载完成后默认安装即可，注意需要勾选Add Python to PATH，否则安装完成后需要手动配置环境变量。如果选择自定义安装，则一定要勾选td/tk and IDLE，Tkinter是Python的自带库，完成安装后即搭建了开发环境。

2.2 V-REP仿真平台

V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform EDU，虚拟机器人实验平台(教育版))是一款跨平台的仿真软件。V-REP软件内自带众多机器人模型，同时也支持从外部文件导入模型。V-REP支持嵌入脚本、附加脚本或沙盒脚本、插件、远程API、ROS节点。其中嵌入脚本、附加脚本或沙盒脚本、插件都支持Lua语言，远程API支持C、Python、Java、Matlab、Octave和Lua等语言。V-REP软件自带UR10模型，可直接使用，但为了能和程序进行正常通讯，需要作一定的配置。首先，要在V-REP中新建场景，之后将UR10模型拖入场景中，然后需要编辑UR10的子脚本，在自动生成的子脚本下function sysCall_init()子函数中调用simRemoteApi.start函数，该函数可在指定端口上启动API服务，用于与程序进行通讯，做循环判定，当simRemoteApi.start函数返回-1时则结束程序[11-12]。

为了更好地观测仿真UR10的运动轨迹，需要在UR10的TCP处加入轨迹显示，在UR10_link7节点新增Graph控件，在Graph控件的配置中新增三个记录数据流(data stream to record)，分别对应UR10_link7在笛卡尔坐标系的X，Y，Z轴，配置完毕后，随着机械臂在V-REP软件内的移动，操作人员可在V-REP软件内直观观察到过去一段时间机械臂的移动轨迹，当机械臂作一定功能的移动时，轨迹功能很好的辅助操作人员确认移动情况。

3 UR10可视化仿真平台设计

UR10机械臂可视化仿真平台由三个模块组成，分别为数据接收模块、数据发送模块、仿真交互模块。数据接收模块接收UR10机械臂发出的状态数据，数据发送模块发送向机械臂发送指令使机械臂运动，仿真交互模块与VREP交互数据实现仿真。

3.1 数据接收模块

数据接收模块使用Realtime接口，30003端口，采用TCP连接方式连接，连接后机械臂会以以125HZ的频率发送详细状态信息。考虑到上位机的处理能力和资源配置情况，在时间精度要求不高的场合，不必拆解每一个包，可根据实际情况适当降低获取的频率。

Realtime接口每次发送1108个字节(UR10不同的内置软件版本会有所不同，但主要数据格式不变)，发送的数据格式如表1：

表1中的笛卡尔坐标采用(X，Y，Z，Rx，Ry，Rz)表示，其中X，Y，Z表示位置，Rx，Ry，Rz表示姿态，UR10机械臂采用旋转矢量法表示姿态。由于并非所有的数据都需要观测，本程序仅选取较为重要的一些数据进行显示。获取数据后，使用struct.unpack函数，将tcp接收到的返回值转换为指定格式，除了数据包总长度为int外其他所有的数据都为double，此外还需要注意，接收到的数据为大端格式，所以要按照">d"的格式转换数据，无论有几个值，数据最终都以元祖格式返回，后续处理时需自行转换。

表1

如下示例获取第一个轴的实际位置：

data = tcp_connect.get_tcp_recv()

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

获取的值是弧度，在程序中将其转换为角度方便使用。在获取到数据后，程序如上述例子数据处理并显示到程序界面上供操作人员查看。

3.2 数据发送模块

数据发送模块负责将根据操作人员的操作生成的上位机指令发送到UR10机械臂，以实现对通过二次开发的本软件对UR10机械臂的操控。数据发送模块同样采用30003端口，TCP协议发送，发送命令使用URScript语言。移动命令支持JOG、Move Pose、Move Location模式。JOG，即点动，按下鼠标左键后开始移动，移动过程中松开鼠标不放，鼠标放开后即停止。支持两种方式，轴移动和位姿移动，轴移动采用关节运动方式，即MoveJ方式，位姿移动采用线性运动，即MoveL方式。

MoveJ方式：movej([j1，j2，j3，j4，j5，j6]，a，v)，其中j1-j6代表UR10机械臂的六个轴，a代表关节加速度(rad/s^2)，v代表关节速度(rad/s)，还有两个可选参数时间和交融半径可选，本程序不用。点动时，操作人员选择要动的轴，程序通过拼接字符串将命令拼接好发送至UR10机械臂。

MoveL方式：movel([x，y，z，Rx，Ry，Rz]，a，v)，其中x，y，z代表三轴的位置，Rx，Ry，Rz代表姿态，其他与MoveJ类似。

Move Pose方式，即由操作人员输入6轴的位置，UR10机械臂通过内部算法直接移动到响应位置。

Move Location方式，与Move Pose类似，操作人员输入位姿的6个参数，UR10机械臂通过内部算法直接移动到响应位置。

当需要机械臂停止时，发送停止命令即可，stopj命令对应MoveJ运动方式，stopl命令对应MoveL移动方式。本程序还定制了一些现场实际使用的特定模式，例如三点间的循环运动，机械臂与每个点停留一定时间，之后向下个点运动。脚本直接存放于程序下，可根据现场的实际情况实施修改。

3.3 仿真交互模块

仿真交互模块负责程序与V-REP交互，主要功能是将UR10机械臂的位置数据反馈到V-REP中，使得操作者能够观测仿真环境。在使用前，需要对程序进行配置才可使Python程序正常链接V-REP。在V-REP安装目录下programming emoteApiBindingspythonpython目录中找到vrep.py、vrepConst.py、remoteApi.dll这三个文件，将其拷贝到本程序的同级目录下，之后在Python程序头部导入vrep模块即可。随后需要考虑链接V-REP的功能，使用vrep.simxStar函数，该函数作用是启动一个通信线程与V-REP相连，注意函数中的端口号要与V-REP子脚本中配置的端口号一致。

图2 UR10机械臂可视化平台操控界面

使用时分为仿真模式和实时同步模式，仿真模式时只在V-REP中驱动仿真界面不操作实际机械臂，实时同步模式实际操作机械臂，通过数据接收模块读取UR10机械臂的实际位置后将其反馈给V-REP。仿真模式较为简单，由于无需与UR10机械臂交互，当操作人员点击按钮后，只要算出移动后的位置，将移动位置传输给V-REP接口即可。实时同步模式中，当操作人员点击按钮后，首先通过数据发送模块将命令传送给UR10机械臂，然后通过数据接收模式获取UR10机械臂的实时位置反馈，最后通过仿真交互模块将位置数据传给V-REP以实现仿真功能。

在连接成功后，通过vrep.simxGetObjectHandle函数获取UR10和UR10各个关节轴的句柄，将其存于一个变量之中以供之后调用。当用户操作后程序获取位置时，将各轴位置通过vrep.simxSetJointTargetPosition函数通知VREP程序，调用时将各轴位置和之前获取的句柄一一对应。simxSetJointTargetPosition中的各轴位置使用的是弧度，源程序使用的角度，需要在程序中进行转换。

4 UR10仿真交互控制结果

基于Python的UR10机械臂可视化平台操控界面如图2所示。

首先，打开V-REP软件，打开先前设置好的V-REP场景，并启动模拟环境。之后打开操作程序，点击V-REP连接按钮，当程序提示成功后，如果使用仿真模式即可直接操作，在V-REP上查看仿真运动轨迹。如果使用实时同步模式还需要点击机械臂连接按钮，之后即可各种操作，观察UR10机械臂的运动情况和V-REP中的仿真情况。操作人员按下各个JOG+、JOG-按钮即可对相应的轴或者位姿进行点动，放开鼠标即停止点动，为了安全原因，每次点动最多移动90°，移动超过90°后会自动停止，需要继续移动要松开鼠标并再次按下鼠标。经过测试，本软件能够顺利操控机械臂，延迟时间低，在实时同步模式下UR10机械臂与VREP软件延迟低于0.1s，能够使操作人员较好的利用仿真环境操控实际机械臂，实现了UR机械臂模拟的需求。