4. UR机器人负载与重心参数设置
为什么负载与重心参数会改变停止表现
UR 控制器的运动规划不仅依赖关节位置，还依赖一套描述工具末端“有多重、重心在哪”的动力学参数。当机器人从运动状态减速停止时，控制器需要根据这些参数计算各关节应施加的力矩，以抵消工具惯性带来的冲击。如果负载质量或重心位置设置得比实际偏小，控制器会低估惯性，停止时关节会因实际惯性过大而出现明显抖动或过冲；设置偏大则会导致控制器过度补偿，表现为停止生硬、电机发热增加。
UR 示教器中与本节直接相关的参数有三个：
- 负载质量（Payload Mass）：末端执行器及所夹持工件的总质量，单位 kg。
- 重心位置（CoG）：工具重心在 TCP 坐标系下的 X、Y、Z 坐标，单位 mm。
- 负载惯量（Payload Inertia）：可选参数，当工具形状细长或质量分布远离重心时，需要额外填写惯量矩阵。
这三个参数共同决定了控制器在加减速阶段对工具惯性的补偿量。本节的任务是：根据一个实际夹爪工具的真实质量与重心，在示教器中正确填写这些参数，并通过对比实验观察参数正确与错误时停止稳定性的差异。
获取工具真实质量与重心
在设置参数之前，需要先获得夹爪工具的真实质量与重心位置。有两种常用方法：
- 称重法：将夹爪从机器人法兰上拆下，用电子秤称量总质量。重心位置可通过悬挂法或三维模型软件（如 SolidWorks）查询质心坐标。
- 示教器负载识别：UR 部分型号支持“负载识别”功能，在安装设置中点击“识别负载”，机器人会执行一段缓慢的摆动动作，通过关节力矩反推负载质量与重心。该方法适合无法拆下工具的场景，但精度受关节摩擦影响，建议作为初值再手动微调。
本节以一台实际夹爪为例：称重得到总质量 1.8 kg，通过三维模型查询到重心在 TCP 坐标系下为 (0, 0, 85) mm。注意：UR 的 TCP 坐标系原点在法兰中心，Z 轴指向工具末端方向，因此重心 Z 值为正表示重心在法兰前方 85 mm 处。
在示教器中填写参数
进入 UR 示教器主界面，依次点击：安装设置 → 工具/负载 → 负载。在负载设置页面中：
- 将“质量”字段修改为 1.8 kg。
- 将“重心”的 X、Y、Z 分别填写为 0、0、85 mm。
- 如果夹爪形状细长或质量分布明显偏离重心，展开“惯量”选项，填写惯量矩阵；本例夹爪结构紧凑，可暂不填写。
- 点击“应用”保存参数。
UR 示教器中负载参数属于“安装设置”的一部分，修改后需要保存安装文件，否则断电重启后会恢复默认值。建议在修改前先另存一份安装文件备份。
对比实验：观察停止稳定性差异
为了直观感受参数错误带来的影响，可以设计一组对比实验。实验使用同一个示教点程序，让机器人以相同速度从 A 点运动到 B 点，然后在 B 点停止，观察停止瞬间的关节表现。
| 实验组 | 负载质量 | 重心 Z | 预期停止表现 |
|---|---|---|---|
| A（正确） | 1.8 kg | 85 mm | 平稳减速，无过冲，定位准确 |
| B（负载偏小） | 0.5 kg | 85 mm | 减速末端抖动，关节轻微过冲 |
| C（重心偏大） | 1.8 kg | 200 mm | 停止生硬，冲击感强，电机电流偏高 |
实验时建议将示教器切换到“关节”视图，观察停止瞬间各关节的角度曲线。参数正确时，角度曲线在停止点平滑收敛；参数偏小时，曲线在末端出现小幅振荡；参数偏大时，曲线在停止点出现尖锐拐点。
对比实验应在低速（建议 100 mm/s 以下）和空载或轻载条件下进行，避免因参数严重错误导致机器人剧烈抖动或触发保护性停止。实验过程中手不要离开急停按钮。
参数验证与微调
填写参数后，可以通过以下方法验证设置是否合理：
- 手动模式下，将机器人移动到几个不同姿态，观察停止时是否平稳。如果某个姿态下停止抖动明显，说明该姿态下重力矩与惯性矩的补偿不匹配，可能需要微调重心 Z 值。
- 在“负载识别”功能可用的情况下，运行一次识别，将识别结果与手动填写值对比。如果差异超过 10%，检查称重或重心测量是否有误。
- 如果夹爪需要夹持不同工件，且工件质量不可忽略，应将工件质量计入总负载，并重新计算组合重心。组合重心公式为：
CoG_combined = (m_tool × CoG_tool + m_workpiece × CoG_workpiece) / (m_tool + m_workpiece)
完成设置后，建议保存安装文件并记录参数值，便于后续更换工具时快速恢复。