📚 课程目录第4章 UR Force Mode编程基础

4. UR Force Mode编程基础

UR 的 Force Mode（力模式）不是一条“打开力控”的开关，而是一组协同工作的脚本指令：force_mode() 负责进入力控并定义任务坐标系、期望力/力矩与约束轴；force_mode_set_gain() 调整力控回路的刚度与阻尼；force_mode_set_damping() 单独修正阻尼；end_force_mode() 退出力控；force_mode_set_max_joint_speed() 限制力控期间关节速度；force_mode_set_max_tcp_speed() 限制 TCP 速度。理解这些指令的参数语义，是写出安全、可复现柔顺装配程序的前提。

4.1 force_mode 的参数结构

典型调用形式如下：

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

五个参数各有明确职责：

task_frame：任务坐标系位姿（pose），力控的“方向”全部相对它定义。装配场景常把 Z 轴指向插入方向，原点放在工件接触面附近。
selection_vector：6 元素数组，对应 task_frame 的 [x, y, z, rx, ry, rz]。1 表示该轴受“力/力矩控制”，0 表示该轴受“位置控制”。例如 [0,0,1,0,0,0] 表示只在 Z 向做力控，其余五轴仍走位置。
wrench：6 元素数组，给出各轴期望力/力矩，单位 N 与 N·m。只有 selection_vector 为 1 的轴才生效。
type：力控参考系类型，常用 force_mode_type.base（相对基座）或 force_mode_type.tcp（相对工具）。
limits：6 元素数组，限制各轴速度或偏差，防止力控轴失控。

一个典型的轴孔装配进入段可以写成：

force_mode(p[0,0,0.1,0,0,0], [0,0,1,0,0,0],
           [0,0,-15,0,0,0], force_mode_type.base,
           [0.1,0.1,0.05,0.2,0.2,0.2])

含义是：在任务坐标系 Z 向施加 -15 N（压向工件），Z 向速度上限 0.05 m/s，其余轴保持位置控制并限制速度。注意力的正负号必须与 task_frame 的 Z 轴方向一致，方向定义错误会导致机器人“顶开”而不是“压入”。

4.2 增益与阻尼：force_mode_set_gain

force_mode_set_gain(gain) 设置力控回路的比例增益，取值范围通常为 0～2，默认约 0.5。增益越大，机器人对力偏差响应越快、越“硬”，但过高会引起振荡；增益越小越柔顺，但跟踪期望力变慢。对于刚性金属件压装，可先用 0.3～0.5 起步；对于易碎或弹性工件，宜降到 0.1～0.3。

force_mode_set_damping(damping) 设置阻尼，范围 0～1，默认约 0.1。阻尼用于抑制振荡，与增益配合：增益提高时适当提高阻尼，可让系统更快稳定而不抖动。调试顺序建议“先定 selection_vector 与 wrench，再调 gain，最后用 damping 压振”。

4.3 速度限制与安全配置

力控期间机器人仍会运动，因此必须限制速度：

force_mode_set_max_joint_speed(speed)：限制关节速度（rad/s），防止力控轴带动整臂快速摆动。
force_mode_set_max_tcp_speed(speed)：限制 TCP 速度（m/s），对装配插入更直观。

安全配置还包括：在 force_mode() 前用 set_payload() 正确设置负载，否则力控基准错误；用 set_tcp() 设置工具中心点；在力控段前后用 end_force_mode() 明确退出；配合 freedrive_mode() 或 protective_stop 做异常保护。力控不是替代安全评估，而是需要在安全配置下使用的能力。

4.4 脚本程序结构

一个完整的力控装配脚本通常遵循“准备—进入—保持—退出—复位”的结构：

set_tcp(p[0,0,0.15,0,0,0])
set_payload(1.2, [0,0,0.05,0,0,0])
movej(approach, a=1.2, v=0.25)

force_mode_set_gain(0.4)
force_mode_set_damping(0.15)
force_mode_set_max_tcp_speed(0.05)

force_mode(p[0,0,0.1,0,0,0], [0,0,1,0,0,0],
           [0,0,-15,0,0,0], force_mode_type.base,
           [0.1,0.1,0.05,0.2,0.2,0.2])

# 保持力控，等待插入到位或力/位置条件满足
wait(0.5)
end_force_mode()

movej(retract, a=1.2, v=0.25)

结构要点：进入力控前完成坐标系、负载、TCP 设置；力控段内只做必要的等待或条件判断；退出后恢复位置控制再抬升。若在力控段内直接调用 movel 等位置指令，可能因力控与位置控制冲突导致异常，应避免。

4.5 参数与安全关系总览

下面的 SVG 以“参数—作用—安全约束”的关系图形式，把本节核心指令与参数组织在一起，便于对照记忆。

4.6 常见参数错误与判断

实际编程中，几类错误最常出现：一是 selection_vector 与 wrench 不匹配，例如选了 Z 轴力控却把力写在 X 分量上，结果机器人“不动”或“乱动”；二是力的正负号与 task_frame 方向相反，表现为机器人远离工件而非压入；三是 gain 过大导致接触瞬间抖动，可通过降低 gain 或提高 damping 观察是否改善；四是忘记 end_force_mode()，后续位置运动异常。判断方法很直接：先看力控轴是否按预期方向运动，再看接触后力是否稳定在设定值附近，最后看退出后能否正常恢复位置控制。

建议在首次调试时把 force_mode_set_max_tcp_speed() 设得较小（如 0.03 m/s），并让机器人从距离工件 5～10 mm 处开始力控，观察接触瞬间的力变化，再逐步调整 gain 与 damping。

掌握以上指令、参数与安全配置后，就可以在 UR 脚本中构建可复现的柔顺装配动作。下一阶段将结合具体装配任务，讨论力控参数如何随工件材料、配合公差与插入深度进行整定。