📚 课程目录第2章 UR力控系统架构与通信接口

2. UR力控系统架构与通信接口

UR机器人的力控能力并不是一个孤立功能，而是由控制器内部的实时力控模块、机器人状态发布通道以及外部通信接口共同构成的完整体系。理解这套架构，是后续做柔顺装配参数整定、上位机集成和PLC联调的前提。本章从控制器内部功能模块出发，沿着力/力矩数据流一路讲到RTDE、Dashboard接口以及与上位机、PLC的集成方式。

一、控制器内部的力控功能模块

在UR控制柜（CB3/CB3.1及e-Series）中，与力控直接相关的功能模块可以分成四层：

伺服与关节力矩层：每个关节驱动器输出关节力矩，控制器通过动力学模型将其映射到TCP处的六维力/力矩（Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz）。这是力控的物理基础。
力/力矩传感器层：e-Series内置的FT传感器（或外置力传感器）提供原始六维力信号，采样率约500Hz～1kHz，经滤波、重力补偿和工具负载补偿后得到“净接触力”。
力控算法层：包括力模式（Force）、柔顺模式（Compliant）、力-位混合控制等。算法层接收目标力/刚度/阻尼参数，输出位置或速度修正量给轨迹规划器。
安全与限幅层：对力、力矩、TCP速度、功率进行实时限幅，触发保护性停止或回退，保证装配过程不损伤工件和机器人。

这四层在控制器内部以实时任务方式运行，周期通常在1～8ms量级。外部程序（URScript或上位机）只能通过接口修改参数和读取状态，不能直接干预实时环。

二、RTDE与Dashboard接口的分工

UR提供两类主要外部接口，用途截然不同：

接口	方向	典型周期	主要用途
RTDE（Real-Time Data Exchange）	双向	125Hz～500Hz	实时读写力/力矩、TCP位姿、关节角、数字IO、力控参数
Dashboard Server	请求-响应	按需（秒级）	加载程序、播放/暂停、查询机器人模式、设置用户角色
Primary/Secondary Client	双向	10Hz左右	URScript下发、状态流、脚本级控制

做力控集成时，RTDE是主力通道：它支持“输入寄存器”和“输出寄存器”的订阅式配置，可以把actual_TCP_force、actual_TCP_pose、target_force等变量以固定周期推送给上位机，同时把上位机算出的力指令写回控制器。Dashboard则用于程序生命周期管理，例如在装配开始前加载force_assembly.urp，结束后停止程序。

RTDE的实时性依赖网络质量。建议上位机与控制器直连或走独立VLAN，避免与视觉相机、MES系统共用同一交换机端口，否则力数据抖动会直接影响柔顺效果。

三、力/力矩数据流

从传感器到上位机的完整数据流可以概括为：

FT传感器采样原始六维力 → 控制器内部滤波与重力/负载补偿；
力控算法层计算净接触力，并与目标力比较，生成修正量；
修正量送入轨迹规划器，更新TCP目标位姿；
同时，actual_TCP_force等变量被写入RTDE输出寄存器；
上位机通过RTDE以125Hz读取，用于监控、记录或闭环修正；
上位机可将新的目标力/刚度写入RTDE输入寄存器，控制器在下一个实时周期生效。

这条链路的关键在于延迟：从传感器采样到上位机看到数据，典型延迟约8～20ms；从上位机写指令到机器人执行，再叠加一个控制周期。因此，上位机闭环适合做“慢修正”（如力阈值判断、装配阶段切换），而快速力跟踪必须交给控制器内部的力控算法。

四、与上位机或PLC的集成方式

实际项目中，力控集成通常有三种典型模式：

模式A：上位机主导（PC + RTDE）。上位机用Python的rtde_receive和rtde_control库建立连接，以125Hz读取actual_TCP_force，在装配插入阶段监测Fz是否超过阈值（例如15N），一旦超过就通过RTDE输入寄存器把目标力从20N降到10N，或触发阶段切换。这种模式灵活，适合研发和中小批量。

模式B：PLC主导（Profinet/EtherNet-IP）。UR控制器作为从站接入PLC，PLC通过现场总线读写UR的IO和寄存器。力数据需要先在UR程序中映射到模拟量输出或通过RTDE转发给网关。这种模式实时性受总线周期限制（通常4～10ms），适合产线级集成，但力控参数调整不如上位机灵活。

模式C：混合模式。PLC负责安全联锁、工位节拍和结果判定，上位机负责力数据记录和参数优化，两者通过OPC UA或共享数据库交换装配结果。这是目前汽车零部件装配线较常见的做法。

无论哪种模式，都不要让上位机或PLC直接以高频（>50Hz）写目标力。UR控制器的力控算法本身已有闭环，外部高频写入会与内部环冲突，导致力振荡。建议外部修正周期不低于20ms，且每次修正量做限幅。

五、一个可参考的RTDE配置片段

下面是一个上位机读取力数据并写回目标力的最小示例（Python，ur_rtde库），参数为教学示例值：

import rtde_receive, rtde_control, time

rtde_r = rtde_receive.RTDEReceiveInterface("192.168.1.10")
rtde_c = rtde_control.RTDEControlInterface("192.168.1.10")

# 读取当前TCP力
force = rtde_r.getActualTCPForce()   # [Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz]
print("Fz =", force[2])

# 写入目标力（示例：Z向目标力10N，刚度500N/m）
rtde_c.forceMode("tool0", [0,0,1,0,0,0], [0,0,10,0,0,0], 2, [500,500,500,50,50,50])
time.sleep(0.5)
rtde_c.forceModeStop()

运行后应观察到机器人沿Z向施加约10N的力，getActualTCPForce()的Fz读数在10N附近波动，波动幅度与刚度设置和接触面刚度有关。若Fz持续偏离目标值超过20%，应检查工具负载是否已正确设置、重力补偿是否生效。

总结来看，UR力控系统架构的核心是“控制器实时环负责快速力跟踪，RTDE负责实时数据交换，Dashboard负责程序管理，上位机/PLC负责慢速决策与集成”。把这条数据流和接口分工理清楚，后续的柔顺装配参数整定和异常排查就有了明确的着力点。