Universal Robots 机器人控制技能 - URSim 仿真 + URScript + RTDE

支持Universal Robots仿真与控制，包含URSim仿真、URScript指令发送及RTDE数据通信接口，支持关节与笛卡尔空间运动。

UR Robot - Universal Robots 控制技能

技能版本: v1.0.0
适用机器人: Universal Robots (UR3/UR5/UR10/UR10e, CB3/e-Series)
仿真器: URSim Docker
通信协议: RTDE + URScript (Secondary Socket)

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💡 Windows 用户须知

为符合 ClawHub 平台要求，已移除 2 个 PowerShell 脚本 (.ps1)

移除的脚本	替代方案	位置
fix-and-test.ps1	Python 测试脚本	test_*.py
setup-docker-d-drive.ps1	手动配置 Docker	见 WINDOWS_SCRIPTS_NOTE.md

核心功能不受影响 - 所有 Python 脚本和文档保留 ✅

详细说明：WINDOWS_SCRIPTS_NOTE.md

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⚠️ 重要安全声明

🧪 测试状态

项目	状态	说明
URSim 仿真	✅ 已验证	所有功能在 URSim e-Series 中测试通过
真机验证	❌ 未验证	尚未在真实机器人上测试

⚠️ 真机使用警告

本技能包仅在 URSim 仿真器中完成测试，未在真实机器人上验证！

在真机使用前必须：

1. ✅ 重新验证所有命令 - 仿真与真机可能存在差异
2. ✅ 低速测试 - 首次运行使用最低速度 (v=0.1)
3. ✅ 安全检查 - 确认急停按钮、工作范围、碰撞检测
4. ✅ 专业人员监督 - 必须由持证机器人操作员监督
5. ✅ 风险评估 - 进行全面的风险评估和安全分析

因直接使用本技能包于真机导致的任何损失，作者不承担责任！

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📋 功能概览

功能类别	支持命令	状态
关节运动	movej()	✅
直线运动	movel()	✅
圆弧运动	movec()	✅
速度控制	speedj(), speedl()	✅
IO 控制	set_digital_out()	✅
状态读取	RTDE 数据订阅	✅
力控模式	force_mode()	✅

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🔄 仿真 → 真机迁移指南

配置修改

python

# 仿真配置 (当前默认)
ROBOT_HOST = "localhost"

# 真机配置 (需要修改)
ROBOT_HOST = "192.168.1.100"  # 机器人实际 IP

安全参数调整

参数	仿真值	真机建议值
速度 (v)	0.5 m/s	0.1-0.3 m/s
加速度 (a)	0.2 m/s²	0.1-0.2 m/s²
工作范围检查	不需要	必须
急停确认	不需要	必须

真机使用流程

bash

# 1. 网络连接确认
ping 192.168.1.100

# 2. 修改配置文件
# 编辑 robot_config.json 设置真机 IP

# 3. 低速测试
python skills/ur-robot/examples/real_robot_test.py

# 4. 确认安全后正式运行

推荐添加的安全检查

python

# 真机专用安全检查脚本
def safety_check_before_move():
    """真机运动前安全检查"""
    # 1. 确认机器人状态
    # 2. 确认工作范围
    # 3. 确认急停按钮可用
    # 4. 确认人员安全距离
    # 5. 人工确认签字
    pass

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🚀 快速开始

1. 启动 URSim 仿真器

bash

docker run -d --name ursim \
  -p 6080:6080 -p 5900:5900 \
  -p 30001:30001 -p 30002:30002 \
  -p 30003:30003 -p 30004:30004 \
  universalrobots/ursim_e-series

2. 访问 URSim Web 界面

text

http://localhost:6080/vnc.html

3. 初始化机器人

1. 点击 ON 按钮（启动电源）
2. 点击 START 按钮（启动程序）
3. 点击 Program → Empty Program
4. 点击 Play (▶) 按钮

4. 运行测试脚本

bash

# 关节运动测试
python skills/ur-robot/test_motion_simple.py

# RTDE 数据读取
python skills/ur-robot/test_rtde_official.py

# 连续运动测试
python skills/ur-robot/test_continuous_motion.py

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📚 URScript 命令参考

运动控制

movej() - 关节空间运动

python

# 语法
movej(q, a=1.4, v=1.05, t=0, r=0)

# 参数
# q      - 关节角度 [J1, J2, J3, J4, J5, J6] (弧度)
# a      - 关节加速度 (rad/s²)
# v      - 关节速度 (rad/s)
# t      - 时间 (s)，为 0 表示不限制
# r      -  blends 半径 (m)

# 示例：移动到 Home 位置
movej([0, -1.57, 1.57, -1.57, -1.57, 0], a=0.5, v=0.5)

# 示例：J1 旋转 30 度
movej([0.52, 0, 0, 0, 0, 0], a=0.3, v=0.3)

movel() - 笛卡尔空间直线运动

python

# 语法
movel(pose, a=1.2, v=0.25, t=0, r=0)

# 参数
# pose   - TCP 位姿 [x, y, z, rx, ry, rz] (米和弧度)
# a      - 笛卡尔加速度 (m/s²)
# v      - 笛卡尔速度 (m/s)

# 示例：直线移动到目标位置
movel([0.3, 0.3, 0.5, 3.14, 0, 0], a=0.2, v=0.2)

# 示例：相对当前位置移动 (+200mm X 轴)
movel(pose_trans(get_actual_tcp_pose(), p[0.2, 0, 0, 0, 0, 0]), a=0.2, v=0.2)

movec() - 圆弧运动

python

# 语法
movec(pose_via, pose_to, a=1.2, v=0.25, t=0, r=0)

# 参数
# pose_via - 圆弧经过的中间点
# pose_to  - 圆弧终点

# 示例：画圆弧
movec(p[0.5, 0, 0.3, 0, 3.14, 0], p[0.6, 0, 0.2, 0, 3.14, 0], a=0.2, v=0.2)

speedj() - 关节速度控制

python

# 语法
speedj(qd, a=1.4, t=0)

# 参数
# qd     - 关节速度 [J1, J2, J3, J4, J5, J6] (rad/s)
# a      - 关节加速度 (rad/s²)
# t      - 持续时间 (s)，为 0 表示持续运行

# 示例：J1 轴以 0.5 rad/s 旋转 3 秒
speedj([0.5, 0, 0, 0, 0, 0], a=0.5, t=3)

# 示例：停止关节运动
stopj(a=0.5)

speedl() - 笛卡尔速度控制

python

# 语法
speedl(xd, a=1.2, t=0)

# 参数
# xd     - TCP 速度 [xd, yd, zd, rxd, ryd, rzd] (m/s, rad/s)

# 示例：TCP 沿 X 轴以 0.1 m/s 移动 2 秒
speedl([0.1, 0, 0, 0, 0, 0], a=0.2, t=2)

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IO 控制

set_digital_out() - 设置数字输出

python

# 语法
set_digital_out(pin, state)

# 参数
# pin    - 引脚编号 (0-7 基础 IO, 8-15 工具 IO)
# state  - True (高电平) / False (低电平)

# 示例：设置数字输出 0 为高电平
set_digital_out(0, True)

# 示例：关闭数字输出 0
set_digital_out(0, False)

# 示例：控制工具端数字输出
set_tool_digital_out(0, True)

get_digital_in() - 读取数字输入

python

# 语法
state = get_digital_in(pin)

# 示例：读取数字输入 0
input_state = get_digital_in(0)

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力控模式

force_mode() - 力控制

python

# 语法
force_mode(task_frame, selection_vector, wrench, type, limits)

# 参数
# task_frame       - 任务坐标系 [x, y, z, rx, ry, rz]
# selection_vector - 选择向量 [x, y, z, rx, ry, rz] (1=力控，0=位置控)
# wrench          - 目标力/力矩 [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz] (N, Nm)
# type            - 控制类型 (2=恒力模式)
# limits          - 速度/加速度限制

# 示例：Z 轴向下 5N 恒力
force_mode(p[0,0,0,0,0,0], [0,0,1,0,0,0], [0,0,-5,0,0,0], 2, [0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1])

# 退出力控模式
end_force_mode()

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状态读取

通过 RTDE 读取

python

import rtde.rtde as rtde

# 连接
con = rtde.RTDE("localhost", 30004)
con.connect()

# 设置输出
con.send_output_setup(["actual_q", "actual_TCP_pose"], frequency=10)

# 开始同步
con.send_start()

# 读取数据
data = con.receive()
print("关节角度:", data.actual_q)
print("TCP 位姿:", data.actual_TCP_pose)

# 暂停/断开
con.send_pause()
con.disconnect()

通过 URScript 读取

python

# 获取当前 TCP 位姿
pose = get_actual_tcp_pose()

# 获取当前关节角度
angles = get_actual_q()

# 获取关节速度
speeds = get_speed_q()

# 获取关节电流
currents = get_current()

# 获取 TCP 受力
forces = get_tcp_force()

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🛠️ Python 工具函数

发送 URScript 命令

python

import socket

def send_urscript(host="localhost", port=30003, command=""):
    """发送 URScript 命令到机器人"""
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.settimeout(5.0)
    try:
        sock.connect((host, port))
        full_command = command + "\n"
        sock.sendall(full_command.encode('utf-8'))
        time.sleep(0.1)
        response = sock.recv(1024).decode('utf-8', errors='ignore')
        return True, response
    except Exception as e:
        return False, str(e)
    finally:
        sock.close()

# 使用示例
success, response = send_urscript(command="movej([0, -1.57, 1.57, -1.57, -1.57, 0], a=0.5, v=0.5)")

关节运动封装

python

def move_to_home():
    """移动到 Home 位置"""
    send_urscript("movej([0, -1.57, 1.57, -1.57, -1.57, 0], a=0.5, v=0.5)")

def move_joints(j1, j2, j3, j4, j5, j6, a=0.5, v=0.5):
    """关节空间运动"""
    cmd = "movej([{}, {}, {}, {}, {}, {}], a={}, v={})".format(
        j1, j2, j3, j4, j5, j6, a, v
    )
    send_urscript(cmd)

def move_linear(x, y, z, rx, ry, rz, a=0.2, v=0.2):
    """笛卡尔空间直线运动"""
    cmd = "movel([{}, {}, {}, {}, {}, {}], a={}, v={})".format(
        x, y, z, rx, ry, rz, a, v
    )
    send_urscript(cmd)

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📊 端口说明

端口	协议	用途
6080	HTTP	Web VNC 界面
5900	VNC	远程桌面
30001	RTDE	主客户端接口
30002	RTDE	实时客户端接口
30003	TCP	Secondary 客户端 (URScript)
30004	RTDE	RTDE 数据接口

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⚠️ 注意事项

安全

1. 测试前确保在仿真环境 - 真机操作需要额外的安全措施
2. 运动范围限制 - 确保目标位置在机器人工作范围内
3. 速度设置 - 测试时使用较低速度 (v=0.2-0.5)
4. 急停准备 - 随时准备点击 URSim 的停止按钮

URSim 使用

1. 程序模式 - 必须点击 Play 按钮启动程序
2. 外部命令 - 通过 30003 端口发送 URScript
3. 程序停止 - 每次命令执行后程序可能停止，需要重新启动
4. 持续运行程序 - 创建 endless + wait(0.1) 循环程序可避免频繁重启

常见问题

问题	原因	解决方法
机器人不动	程序未运行	点击 Play 按钮
连接失败	端口未映射	检查 Docker 端口配置
命令不执行	保护状态	重置安全状态
运动异常	奇异点	避开奇异点位置

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📁 文件结构

text

skills/ur-robot/
├── SKILL.md                      # 技能文档 (本文件)
├── README.md                     # 快速入门
├── URSIM_TEST_GUIDE.md           # URSim 测试指南
├── URSCRIPT_FEATURES.md          # URScript 功能清单
├── test_motion_simple.py         # 简单运动测试
├── test_rtde_official.py         # RTDE 数据读取测试
├── test_continuous_motion.py     # 连续运动测试
├── test_ur_real.py               # 真机测试 (待开发)
├── ur_robot.py                   # Python 封装库
└── examples/
    ├── basic_move.py             # 基础运动示例
    └── io_control.py             # IO 控制示例

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🔗 相关资源

• UR 官方文档: https://www.universal-robots.com/articles/ur/programming/
• URScript 手册: https://sdurobotics.gitlab.io/ur_rtde/
• RTDE 库: https://github.com/UniversalRobots/RTDE_Python_Client_Library
• URSim 下载: https://www.universal-robots.com/download/

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📝 更新日志

v1.0.0 (2026-04-02)

• ✅ URSim Docker 配置完成
• ✅ rtde 模块安装 (UR 官方库)
• ✅ URScript 命令发送 (端口 30003)
• ✅ 关节运动 movej() 测试
• ✅ 直线运动 movel() 测试
• ✅ 圆弧运动 movec() 测试
• ✅ 速度控制 speedj() 测试
• ✅ IO 控制 set_digital_out() 测试
• ✅ RTDE 状态读取测试
• ✅ 力控模式 force_mode() 测试

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Created: 2026-04-02
Author: 小橙 (Little Orange) 🍊