REVIEW OF APPROACHES TO MANAGEMENT AND PROGRAMMING OF INDUSTRIAL ROBOTS

УДК 681.518.5

АННОТАЦИЯ

В настоящее время производственные предприятия должны уметь адаптировать процессы, быстро реагируя на требования клиентов, сохраняя при этом эффективность. Поэтому промышленные роботы (ПР) благодаря своей многофункциональности занимают важное место в современном производстве и обеспечивают гибкое и переналаживаемое производство. Однако существующие системы управления и программирования коммерческих роботов препятствуют их эффективному использованию, особенно в сложных и динамичных средах. Это обстоятельство способствует развитию новых, более эффективных технологий управления и программирования. Целью данного исследования является выявление и оценка основных подходов, предложенных в научной и промышленной сферах за последние годы. В нем критически анализируется традиционная система управления роботом и обобщаются характеристики, возможности применения и ограничения существующих альтернативных решений.

ABSTRACT

Currently, manufacturing enterprises must be able to adapt processes, responding quickly to customer requirements while maintaining efficiency. Therefore, industrial robots (IR) occupy an important place in modern production due to their multifunctionality and provide flexible and reconfigurable production. However, existing control and programming systems for commercial robots hinder their effective use, especially in complex and dynamic environments. This circumstance contributes to the development of new, more effective management and programming technologies. The aim of this study is to identify and evaluate the main approaches proposed in scientific and industrial fields in recent years. It critically analyzes the traditional robot control system and summarizes the characteristics, application possibilities, and limitations of existing alternative solutions.

Ключевые слова: Индустрия 4.0, промышленные роботы, архитектура роботоконтроллера, интерфейсы робота, ROS-Industrial, интерфейс роботодатчика (RSI), интеграция робота и датчика

Keywords: Industry 4.0, industrial robots, robot controller architecture, robot interfaces, ROS-Industrial, robot sensor interface (RSI), robot and sensor integration

Введение. Индустрия 4.0 (И4.0) существенно изменила промышленность, внедрив цифровые и кибер-физические технологии в производственные процессы. В результате предприятия должны обеспечивать выпуск продукции с минимальными затратами и быстро адаптироваться к изменениям производственных мощностей и рыночных требований. Современное производство ориентировано на индивидуализацию, поэтому автоматизированные системы и интеллектуальные машины должны быть гибкими и эффективно взаимодействовать для достижения высокой производительности и качества.

За последние десятилетия промышленные роботы стали важной частью «умных» заводов, выполняя широкий спектр задач - от обработки материалов до сборки и упаковки. Однако их контроллеры, как правило, имеют закрытую архитектуру, что ограничивает гибкость, интеграцию и совместимость с другими системами. Дополнительные трудности создаёт зависимость от проприетарных языков программирования и различия между платформами разных производителей.

Современные производственные системы требуют динамичного и адаптивного управления, что усложняет процессы программирования и эксплуатации роботов. В связи с этим активно разрабатываются новые подходы, основанные на открытых, модульных и независимых от производителя архитектурах. Цель данного исследования - проанализировать существующие методы управления и программирования промышленных роботов, оценить их преимущества и недостатки, а также определить перспективные направления дальнейших исследований.

Материалы и методы исследования. Для получения результатов в данной работе был проведён анализ научной и отраслевой литературы с целью выявления ключевых проблем и потребностей в области управления и программирования промышленных роботов, а также обоснования существующих подходов и инструментов. В отличие от широких обзоров, исследование сосредоточено только на работах, имеющих практическое значение для промышленности, исключая чисто теоретические исследования, не проверенные на реальных системах.

Анализ проводился с использованием баз данных Scopus, Google Scholar и Web of Science. Поиск осуществлялся по ключевым словам, связанным с управлением и программированием роботов. На первом этапе было отобрано около 100 научных статей, которые затем оценивались не по количеству цитирований, а по их соответствию теме и практической применимости.

Кроме научных публикаций, были также рассмотрены современные промышленные решения от ведущих производителей роботов. Анализ проводился на основе открытых технических данных и специализированной документации. Основное внимание уделялось возможностям интерфейсов, протоколам связи, настройкам контроллеров и доступу пользователя к системе.

Результаты и обсуждения. Автоматизированные производственные предприятия функционируют на основе надёжных систем управления, которые требуют минимального или вовсе не требуют участия человека. Промышленный контроллер передаёт команды оборудованию для выполнения заданных процессов и получает обратную связь, позволяющую контролировать правильность их выполнения.

Современные системы обычно включают несколько контроллеров: программируемые логические контроллеры (ПЛК), координирующие общий процесс (обмен данными, последовательность операций), а также отдельные блоки управления для машин и подсистем (например, промышленных роботов, приводов, актуаторов и датчиков). При этом управление на нижнем уровне осуществляется локально каждым контроллером.

Контроллер промышленного робота имеет специализированную архитектуру, включающую модули реального и нереального времени, что позволяет одновременно обрабатывать команды и реализовывать сложные алгоритмы управления движением.

Рисунок 1. Схема контроллера традиционного промышленного робота.

В соответствии с традиционным подходом к управлению промышленными роботами, их задача - выполнение заранее заданного цикла операций и движений - определяется программным кодом, написанным на фирменном языке производителя и загружаемым непосредственно в контроллер. Такие инструкции последовательно интерпретируются и проходят через модули планирования траектории и формирования движения. Модуль планирования определяет оптимальный путь, связывающий начальную конфигурацию робота с конечной позицией исполнительного органа. Генератор траектории объединяет геометрические и временные параметры, решая задачу обратной кинематики и формируя закон движения в пространстве суставов. Затем рассчитанные позиции передаются сервоприводам, которые в замкнутом контуре, используя обратную связь от энкодеров, регулируют подачу тока на двигатели. Все эти процессы выполняются в шкафу управления роботом, где расположены сервоприводы и электроника. Офлайн и онлайн программирование роботов является одним из самых распространённых подходов в промышленности.

Однако такой жёсткий подход приводит к ряду проблем, ограничивающих эффективность и гибкость современных производственных систем:

1. Потеря времени - любое изменение программы требует остановки производства, ручного редактирования кода, его повторной загрузки и перезапуска системы, включая медленный стартовый цикл.
2. Дублирование кода - в производственных линиях с множеством роботов часто используются повторяющиеся программы, что усложняет обслуживание и увеличивает вероятность ошибок.
3. Ограниченность языков программирования - отсутствие единого стандарта между производителями (KUKA, ABB, Fanuc и др.) усложняет интеграцию систем и требует узкоспециализированных навыков; универсальные инструменты офлайн-программирования не покрывают весь функционал контроллеров.
4. Ограниченное управление движением - сложные траектории приходится разбивать на простые участки, что увеличивает вычислительную нагрузку и снижает скорость работы; доступ к закону движения и его параметрам для пользователя ограничен.
5. Невозможность подавления вибраций - из-за ограниченного доступа к низкоуровневым алгоритмам и аппаратным особенностям системы невозможно эффективно компенсировать динамические погрешности и высокочастотные колебания.
6. Устаревшее оборудование - контроллеры часто используют устаревшие процессоры и операционные системы, имеют ограниченную память, что требует постоянного контроля загружаемых программ и данных.

Таким образом, несмотря на широкое распространение, традиционные методы программирования промышленных роботов имеют существенные ограничения, препятствующие их полной адаптации к гибким и высокоавтоматизированным производственным системам.

Таблица 1.

Практические проблемы, встречающиеся в контроллерах традиционных промышленных роботов, и их существующие решения

В целях удовлетворения потребности в совместном выполнении задач промышленного робота, перенастройке и быстрой модификации, а также устранения существующих недостатков, в последнее десятилетие академическими исследованиями и производителями роботов были внедрены более гибкие альтернативы управления промышленными роботами.

Внешний координатор (рис. 2a): Данный подход позволяет передавать команды роботу с внешнего устройства (персонального компьютера или программируемого логического контроллера), при этом программа пишется на универсальном языке. В контроллере робота циклически выполняется интерпретатор, преобразующий полученные команды в фирменный язык робота. Далее команды обрабатываются, а планирование траектории выполняется в контроллере по традиционной схеме.

Внешний генератор траектории (рис. 2b): Планирование движения осуществляется внешним устройством (например, промышленным ПК с системой реального времени или ПЛК). Благодаря высокоскоростной связи вычисленный профиль движения передаётся роботу, а обратная связь поступает через модули ввода-вывода. В этом случае не-реaltime модуль контроллера не участвует в планировании движения, но может использоваться для обработки логики и других команд.

Открытая система управления (рис. 2c): Ограниченный доступ к низкоуровневому управлению в стандартных контроллерах приводит к необходимости частичной или полной замены системы на открытую архитектуру. Это позволяет создать гибкую и адаптивную систему управления, соответствующую требованиям «Индустрии 4.0». Для достижения высокой точности могут заменяться не только контроллеры, но и приводы, сервомоторы и датчики.

В последующих разделах будут рассмотрены и проанализированы решения, предложенные как производителями промышленных роботов, так и научным сообществом.

Рисунок 2. Схема инновационных подходов к управлению промышленными роботами. (а) Внешний координатор, (b) Генератор внешней траектории и (c) Открытая система управления

Внешний координатор: Подходы, основанные на направленной передаче потока команд в контроллер робота, обеспечивают оператору интуитивно понятную среду программирования и позволяют сократить использование специализированных языков, привязанных к конкретным производителям. В этом случае программирование выполняется на внешнем устройстве (например, в среде PLC или на языке Python), а сформированные команды последовательно передаются в контроллер робота. Внутри контроллера работает интерпретатор, преобразующий полученные команды в его внутренний язык. Поскольку такой обмен не требует жёсткого реального времени, его можно реализовать даже с использованием обычного персонального компьютера.

В последние годы активно развиваются технологии, обеспечивающие обмен данными и командами между роботами и внешними устройствами. Их можно условно разделить на коммерческие и исследовательские решения. Так, программный пакет Fanuc PCDK обеспечивает взаимодействие между ПК и контроллером робота, включая работу с переменными и регистрами, управление входами/выходами, обработку позиций, а также загрузку и сохранение программ. Аналогичные решения предлагаются и компанией ABB.

Современные технологии, такие как mxAutomation (KUKA), motoLogix (YASKAWA), uniVAL (Stäubli) и PLC Motion Interface (Fanuc), позволяют динамически передавать команды роботу с внешнего управляющего устройства. Это открывает возможность централизованного управления всеми роботами и оборудованием из единой системы.

Как правило, такие системы состоят из двух основных компонентов: серверной части, работающей на контроллере робота, и координирующей программы на внешнем устройстве. Команды формируются в специальном формате, передаются по сети (через fieldbus, UDP или TCP/IP), интерпретируются контроллером, выполняются и сопровождаются обратной передачей данных и сообщений.

В результате использование централизованной и надёжной среды управления повышает гибкость производства, упрощает внедрение сложных систем и снижает затраты на установку и техническое обслуживание.

Рисунок 3. Сравнение традиционной системы с несколькими параллельными контроллерами и подхода, использующего централизованный ПЛК-координатор для управления производственным предприятием.

В работе описана технология KUKA mxAutomation, позволяющая автоматически генерировать KRL-код и передавать команды роботу с внешнего компьютера. Несмотря на задержки, связанные с файловым подходом, система обеспечивает полный обмен командами и обратной связью, что делает её перспективной.

На её основе разработаны различные решения с использованием ПК и универсальных языков (MATLAB, Python), где команды передаются через TCP/IP и интерпретируются контроллером. Среди них - адаптивные системы управления, ROS-Industrial и инструменты для работы с переменными робота (например, JOpenShowVar). Однако многие из них ограничены по функционалу, не всегда работают в реальном времени и пока не полностью соответствуют промышленным требованиям безопасности.

В целом промышленные решения ориентированы на надёжность и простоту, а научные - на гибкость и расширенный контроль. При этом большинство систем остаются зависимыми от конкретных производителей и имеют ограниченный доступ к внутренним функциям. Важной нерешённой задачей остаётся эффективная обработка ошибок, требующая дальнейших исследований.

Таблица 2.

Примеры внешних координаторов

Генератор внешней траектории: B промышленности часто возникают задачи, требующие точного управления движением робота - например, при обработке материалов, работе с хрупкими объектами, высокоточной сборке и инспекции. В таких случаях внешний координатор оказывается недостаточным, поскольку он ограничен стандартными командами движения и использует закрытые алгоритмы планирования траектории внутри контроллера.

Более эффективным решением является интеграция внешнего генератора траектории, который при наличии интерфейсов реального времени обеспечивает быструю циклическую связь между роботом и внешним устройством (ПК или ПЛК). При этом рассчитанные позиции, в том числе с учётом данных датчиков (положения, силы), передаются в контроллер в замкнутом контуре. Однако из-за отсутствия встроенных защитных алгоритмов возможны ошибки и опасные ситуации, поэтому необходимы дополнительные меры безопасности.

Среди промышленных решений выделяются KUKA RSI, ABB EGM и Fanuc DPM. Они позволяют в реальном времени корректировать траекторию движения робота: RSI - с высокой частотой (до 4–12 мс), EGM - в режимах позиционного управления и коррекции пути, DPM - через модификацию траектории. Эти технологии широко применяются в научных и прикладных задачах.

Практика показывает, что использование внешних датчиков (например, систем зрения или силомоментных датчиков) и онлайн-компенсации позволяет значительно повысить точность (до 0,05 мм) и снизить ошибки позиционирования до 90%. Это особенно важно для сложных производственных операций и задач совместной работы человека и робота.

Рисунок 4. Закрытое положение в реальном времени и направленные движения на основе силы. Слева - образец точного расположения робота с обратной связью лазерного трекера; справа - применение ручного направления в промышленном роботе с высокой полезной нагрузкой.

Таблица 3.

Примеры генераторов внешней траектории

Эти примеры подтверждают преимущества управления роботом с учётом конкретных прикладных задач. Использование датчиков, способных направлять или защищать робота в процессе движения, позволяет заменить специализированные станки, традиционно применяемые на производственных линиях.

Однако ответственность за настройку таких параметров, как скорость, ускорение, положение и стратегии интерполяции, ложится на пользователя. Любая ошибка может привести к механическим повреждениям оборудования и создать серьёзную угрозу для безопасности. Кроме того, при использовании неоптимизированного кода возможны нежелательные эффекты, например вибрации в движении робота.

К другим ограничениям относятся узкий набор функций и входов/выходов, а также необходимость значительных финансовых затрат на приобретение соответствующих программных пакетов.

Открытая система управления: Большинство современных решений основано на PC-архитектуре, поскольку персональный компьютер является гибкой и универсальной платформой. Часто используются гибридные системы PC–FPGA, где PC выполняет вычислительные задачи (интерполяция траекторий, кинематика, обмен данными), а FPGA - обработку сигналов и формирование управляющих воздействий. Подобный подход также реализуется в системах на базе CompactRIO и LabVIEW.

Применение PLC-ориентированных решений в промышленности позволяет использовать существующую инфраструктуру, снижать затраты и упрощать обслуживание, а также облегчает интеграцию оборудования за счёт стандартных интерфейсов связи.

Примером является роботизированная ячейка, где несколько устройств (конвейеры, дозаторы и др.) работают совместно с роботом. Использование минимального числа контроллеров снижает сложность системы и упрощает её настройку и запуск.

Среди распространённых открытых платформ управления выделяются Siemens Sinumerik, Bosch IndraMotion и Beckhoff TwinCAT, причём последняя позволяет реализовать PLC-функции на обычном ПК в режиме реального времени. Однако полная замена штатных контроллеров ограничена высокой стоимостью внедрения и требованиями промышленной безопасности, а также возможной потерей сертифицированных защитных функций.

Заключение. В данной работе исследуются подходы к управлению и программированию промышленных роботов в условиях производственных систем Индустрии 4.0, направленные на расширение их функциональных возможностей и производительности. Установлено, что основные ограничения ранних промышленных контроллеров связаны с трудностями перенастройки и повторного использования программного кода, а также с низкой гибкостью управления.

Эти проблемы обусловили повышенный интерес к альтернативным методам управления и программирования. В рамках исследования был проведён обзор литературы и современных промышленных решений, на основе которого выделены три основные категории: внешние координаторы, внешние генераторы траекторий и открытые контроллеры. Проведён сравнительный анализ данных подходов по техническим характеристикам, преимуществам и недостаткам. Показано, что их эффективность зависит от области применения робота, а также от доступных аппаратных и программных ресурсов. Отмечено, что внедрение данных решений в промышленную практику требует дальнейших исследований и разработок. Особое внимание должно быть уделено повышению уровня интероперабельности промышленных систем и валидации предложенных решений в реальных производственных условиях.

В заключение подчёркивается, что тесное взаимодействие между научным сообществом и промышленностью является ключевым фактором ускоренного внедрения инновационных методов управления в современные производственные системы.

Список литературы:

1. Х.Н.Юсупов "Программное обеспечение для инженерных расчетов," Учебник, Ideal press-2024.
2. See Robotics Industries Association RIA): https://www.automate.org/robotics
3. Юлдашев З.Х. Промышленные роботы и манипуляторы. Ташкент: Учитель, 2018.
4.  Чжун Р.Ю.; Сюй, Х.; Клотц, Э.; Ньюмен С.Т. Интеллектуальное производство в контексте индустрии 4.0: обзор. Инженерия 2017, 3, 616–630. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.015.
5. Pietro B, Juliana S, Roberto R, Margherita P и Marcello P как обзор подходов к управлению и программированию промышленных роботов. Прил. Sci. 2023, 13, 2582. https://doi.org/10.3390/app13042582.
6. Аренц Дж.; Грейтенс М. Тенденции, вызовы и возможности управления умными промышленными роботами в производстве. Прил. Sci. 2022, 12, 937.
7. Системное программное обеспечение KUKA Deutschland GmbH 8.7 — Инструкции по эксплуатации и программированию системных интеграторов. Доступно в Интернете: www.kuka.com (доступно 13 февраля 2023 г.).
8. Техническое пособие по робототехнике ABB - РАПИД-обзор. Доступно в Интернете: www.abb.com/robotics (доступно 13 февраля 2023 г.).
9. FANUC Robotics FANUC Robotics SYSTEM J-30iB Controller KAREL Справочное пособие. Доступно в Интернете: www.fanucamerica.com (доступно 13 февраля 2023 г.).

References:

1. Yusupov Kh.N. Software for Engineering Calculations [Программное обеспечение для инженерных расчетов]. Textbook. — Ideal Press, 2024. (In Russ.).
2. Robotics Industries Association RIA. URL: https://www.automate.org/robotics (In Eng.).
3. Yuldashev Z.Kh. Industrial Robots and Manipulators [Промышленные роботы и манипуляторы]. — Tashkent: Uchitel, 2018. (In Russ.).
4. Zhang R.Yu., Xu H., Klotz E., Newman S.T. Intelligent Manufacturing in the Context of Industry 4.0: A Review [Интеллектуальное производство в контексте индустрии 4.0: обзор]. Engineering 2017, 3, 616–630. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.015. (In Eng.).
5. Pietro B., Juliana S., Roberto R., Margherita P., Marcello P. A Review of Approaches to the Control and Programming of Industrial Robots [Обзор подходов к управлению и программированию промышленных роботов]. Appl. Sci. 2023, 13, 2582. https://doi.org/10.3390/app13042582. (In Eng.).
6. Arentz J., Greitens M. Trends, Challenges, and Opportunities in Controlling Smart Industrial Robots in Manufacturing [Тенденции, вызовы и возможности управления умными промышленными роботами в производстве]. Appl. Sci. 2022, 12, 937. (In Eng.).
7. KUKA Deutschland GmbH. System Software KUKA 8.7 — Operating Instructions and Programming of System Integrators [Системное программное обеспечение KUKA Deutschland GmbH 8.7 — Инструкции по эксплуатации и программированию системных интеграторов]. Available online: www.kuka.com (accessed on 13 February 2023). (In Russ.).
8. ABB Robotics. Technical Guide to Robotics - RAPID Overview [Техническое пособие по робототехнике ABB - РАПИД-обзор]. Available online: www.abb.com/robotics (accessed on 13 February 2023). (In Russ.).
9. FANUC Robotics. FANUC Robotics SYSTEM J-30iB Controller KAREL Reference Guide [FANUC Robotics SYSTEM J-30iB Controller KAREL Справочное пособие]. Available online: www.fanucamerica.com (accessed on 13 February 2023). (In Eng.).