Программирование скоординированных перемещений двух роботов-манипуляторов на базе коллаборативного робота IRB 14000 YuMi

Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
(национальный исследовательский университет)»
В.В. Серебренный,  П.В. Леонидов
Программирование скоординированных 
перемещений двух роботов-манипуляторов 
на базе коллаборативного робота IRB 14000 YuMi
Учебное пособие

УДК 004.8+37
ББК 32.813+74
 
С32
Издание доступно в электронном виде по адресу
https://bmstu.press/catalog/item/6774/
Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Робототехнические системы и мехатроника»
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
Серебренный, В. В.
С32  
Программирование скоординированных перемещений двух роботов-манипуляторов на базе коллаборативного робота IRB 14000 YuMi : 

учебное пособие / В. В. Серебренный, П. В. Леонидов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 88, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5293-4
В издании описаны процесс программирования скоординированных перемещений двух роботов-манипуляторов на базе коллаборативного робота 

IRB 14000 YuMi и особенности конфигурирования контроллера IRC5. Рассмотрены общие вопросы безопасности, процесс работы с пультом управления FlexPendant, данные о калибровке робота, структура программы и программных данных, управление входами и выходами.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.06 — бакалавриат, 15.04.06 — магистратура и изучающих дисциплины «Микропроцессорные устройства управления, ч. 1», «Микропроцессорные устройства 
управления роботов».
УДК 004.8+37
ББК 32.813+74
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-5293-4 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Предисловие
Издание посвящено программированию скоординированных перемещений двух роботов-манипуляторов на базе коллаборативного робота 

IRB 14000 YuMi. В начале учебного пособия перечислены относящиеся к робототехнике термины с соответствующими ГОСТами и определениями. Во 
втором разделе большое внимание уделено системе безопасности промышленных роботов и защитным устройствам. Рассмотрены режимы работы роботов-манипуляторов, а также дана информация об инструментах, которыми они оснащены. В третьем показан процесс работы с пультом управления 
FlexPendant. В четвертом последовательно описан процесс программирования движений робота, приведены структура программ, синтаксис и пример 
использования основных данных. В пятом разделе рассмотрены общие эксплуатационные процедуры, включая резервное копирование и восстановление, процесс работы с журналом событий, управление входами и выходами. 
В заключение дан примера программы процесса функционирования робота 
IRB 14000 YuMi.
Дисциплина «Микропроцессорные устройства управления роботов» читается для магистров по направлению подготовки «Мехатроника и робототехника» (15.04.06), направленности «Промышленные и сервисные роботы». 
Цель данного учебного пособия — получение студентами компетенций и навыков, необходимых для программирования промышленных роботов (ПР), 
а также для конфигурирования системы. Освоение его основных положений 
позволит учащимся в дальнейшем технически грамотно и экономически 
целесообразно решать вопросы ввода в эксплуатацию практически любого 
робототехнического оборудования, в том числе сварочного, кузнечно-прессового, литейного и т. д.
В результате изучения пособия студент будет:
– уметь использовать современные методы расчета, создавать алгоритмы, создавать и отлаживать программное обеспечение (ПО) для управления робототехническими системами; разрабатывать программно-алгоритмическое обеспечение микропроцессорных устройств управления 
(МпУУ), выполнять его отладку для решения отдельных задач управления 
ПР и робототехническими комплексами (РТК); проводить отладку, испытания и модернизацию МпУУ по заданным программам и методикам, их 
перепрограммирование и интеграцию в единую автоматизированную систему CAD/CAM; создавать ПО для системы управления ПР; разрабатывать и отлаживать программы существующих ПР на роботоориентированных языках;
3

Предисловие
– владеть робото-ориентированными языками программирования, методами онлайн программирования и «обучения» роботов; навыками программирования и конфигурирования с использованием ПО пульта управления RobotStudio и определения последовательности создания систем 
управления ими, программирования простых движений и движений ПР в 
скоординированной системе, работы с журналом событий, а также управления входами и выходами на примере программирования движений IRB 
14000 YuMi;
– знать перечень подготовительных работ, проводимых до начала основных, типовые конструкции контроллеров и роботов-манипуляторов, последовательность основных операций, главные положения робототехнического оборудования современных РТК.
Достижение указанных результатов обеспечивается в рамках модуля 
программы дисциплины «МпУУ существующих промышленных роботов и 
РТК». Задача пособия — на примере конкретного промышленного робота 
изучить типовые конструкции контроллера и робота-манипулятора, общий 
процесс программирования роботов. Кроме сведений о подготовительных 
работах, проводимых до начала работ, в пособии большое внимание уделено 
конструкции узлов и механизмов, последовательности основных операций, 
методам их контроля.
Планируемый результат обучения — усвоить основные положений программирования робототехнического оборудования, работающего в современных автоматических комплексах.

Введение
На производстве для решения задач, которые невозможно полностью 
автоматизировать, целесообразно применять коллаборативные роботы (далее коботы). Эти автоматические устройства способны работать совместно 
с человеком для создания или производства различных продуктов. Как и 
ПР, коботы состоят из манипулятора и перепрограммируемого устройства 
управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора.
Промышленные роботы запрограммированы выполнять определенные 
операции без учета работающих рядом с ними людей, поэтому на производстве они могут угрожать жизни и здоровью человека. Известны случаи 
гибели людей из-за промышленных роботов. Поэтому их устанавливают 
в специально отведенных местах, окрашивают в яркие цвета и монтируют 
ограждения в зоне действия ПР, чтобы не подвергать опасности людей. При 
любом физическом взаимодействии человека с промышленным роботом 
механизм необходимо предварительно отключить.
Коллаборативные роботы оснащены датчиками, которые контролируют 
положение человека, чтобы ему не было причинено вреда. Следует отметить, что некоторые модели можно устанавливать непосредственно на рабочих местах. Как правило, управление коботами и их программирование 
гораздо проще, чем у промышленных роботов. Кроме того, для них предусмотрены и элементы ручного управления. Также они дешевле и не требуют 
дополнительных производственных площадей.
В машиностроительной отрасли производственный цикл пока еще требует, чтобы человек в течение рабочей смены постоянно наблюдал за станком с ЧПУ, выдувной машиной или другим подобным устройством и всегда 
был готов обеспечить потребности производственного процесса и механизмов. Это может быть, например, смена инструмента и замена сырья — процессы долгие и утомительные, а один коллаборативный робот может не 
только освобождать оператора, но и обслуживать несколько машин, что, 
естественно, повышает производительность. В таком случае ему может потребоваться интерфейс ввода-вывода (I/O), специфичный для такого робота. Оборудование ввода-вывода укажет ему, каким будет следующий цикл 
или когда потребуется пополнить или заменить материал. С помощью коботов на производстве можно совершать самые разные операции.
Выбор и размещение. Взять предмет руками и переложить его на другое 
место — одни из наиболее часто повторяющихся действий, выполняемых работниками. Они зачастую могут приводить к ошибкам, а в случае быстрых, 
часто повторяющихся движений — даже к травме. Использовать кобот для 
5

Введение
выбора и размещения объекта — хороший старт для тех, кто впервые решил 
его применить. Задача перемещения может быть любой, например, заготовку нужно забрать и поместить в другое место или упаковать и отсортировать из лотка либо с конвейера. Следует отметить, что более поздние и более 
сложные версии подобной задачи часто требуют усовершенствованных систем машинного зрения. Так, для стандартных функций выбора и размещения понадобится умеющий захватить объект конечный манипулятор, совершающий это механически либо с помощью вакуумной чаши.
Упаковка и паллетирование. Широкое поле для применения коботов — 
упаковка и погрузка продукции на паллеты. Перед тем как покинуть заводские стены, любые изделия должны быть надлежащим образом подготовлены к отправке. Например, их бывает нужно упаковывать в термоусадочную 
пленку, собрать и загрузить в коробки, сортировать или размещать коробки 
на поддоне для отгрузки. Такие повторяющиеся операции выполняются с 
небольшой нагрузкой, в связи с чем они идеальны для коботов. Быстрое 
переключение является основной задачей для любого производства, где 
сочетаются объемы продукции на высоком и на низком уровне. При этом 
требуется отслеживать функционирование конвейера для синхронизации 
движений робота. Следует заметить, что в случае продукции ассиметричной 
формы может возникнуть необходимость в системе машинного зрения.
Контактное взаимодействие. Решение контактных задач требует непосредственного контакта инструмента с заготовкой, например, при выполнении таких операций, как склеивание, подача или сварка. В процессе 
проведения каждой из них инструмент многократно перемещается по определенному пути. Обучение работников подобным действиям может занять 
продолжительное время, а коботам достаточно лишь программно задать 
нужный алгоритм работы, причем с учетом изменения технологического 
процесса. Кроме того, кобот избавляет человека от долгого монотонного 
труда, а также снижает количество брака. Например, разработать традиционные сварочные роботизированные системы значительно сложнее — для этого требуются опыт в программировании роботов и знание методов сварки.
Преимуществом многих систем коботов является простота программирования с помощью либо специализированных пультов управления, либо 
путем традиционного программирования CAD/CAM. Это позволяет любому работнику, имеющему, например, опыт проведения сварочных работ, запрограммировать кобот. Интерфейс ввода-вывода помогает поддерживать 
неизменную скорость TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей). Это гарантирует постоянный расход материала для роботов. 
Рабочие инструменты в таких случаях должны быть уникальны, поскольку в 
них необходимо совмещать сварочную горелку, герметик, клей или паяльную пасту.
Конечная обработка. Когда люди выполняют окончательную обработку изделий, зачастую им приходится пользоваться инструментами вручную, прилагая большие усилия. Вибрации инструмента могут привести к 
травме оператора, а кобот автоматически обеспечивает усилие, повторение 
6

Введение
и точность, необходимые для завершающих работ. Чистовая обработка (отделочная) может заключаться, например, в полировании, шлифовании и 
удалении заусенцев. Робота можно обучать как вручную, так и с помощью 
методов компьютерного программирования. Коллаборативные роботы, 
имеющие контроль силы, могут помочь роботу стать надежнее, что позволит ему взаимодействовать с деталями различных размеров. Такая возможность обеспечивается датчиками измерения сил или посредством рабочего 
инструмента либо рассчитывается по математическим формулам системой 
управления.
Проверка качества. Последней операцией, которую можно выполнить 
с применением робота, является проверка качества деталей. Этот процесс 
обычно включает как полную проверку готовых деталей, изображения с высоким разрешением для систем с точной обработкой заготовок, так и проверку продукции на выходе с применением моделей САПР (CAD). Установкой 
нескольких камер с высоким разрешением на кобота можно автоматизировать процесс, для того чтобы быстрее получать результаты. Проверка также 
может быть записана в цифровом виде, после чего произойдет сравнение 
с компьютерной моделью (эталоном качества). Использование коллаборативных роботов для проверки обеспечит более эффективный контроль, что 
приведет к повышению качества отгружаемой продукции. Для проведения 
контроля могут потребоваться рабочие инструменты с камерами высокого разрешения, а также специальные системы и программное обеспечение.
Задача скоординированного перемещения. Потребность в таком перемещении впервые возникла в традиционной промышленной робототехнике. 
В частности, для автоматизированного высокоскоростного и высокопроизводительного фрезерования деталей сложной формы можно использовать 
исполнительное устройство, состоящее из манипулятора инструмента и манипулятора детали, построенных с применением подходов параллельной 
кинематики. Такое решение сочетает в себе высокую жесткость и разделение движений между инструментом и обрабатываемой деталью (двухканальность управления), присущие обрабатывающим центрам с высокой кинематической маневренностью и относительно малой массой звеньев, которые 
свойственны технологическим роботам. Кроме того, система обладает высокой динамичностью приводов, высокой скоростью относительного перемещения детали и инструмента, высокой жесткостью благодаря замыканию 
кинематической цепи, а также стабильностью температурных параметров 
и возможностью эффективной реализации статической разгрузки.
В настоящее время цель скоординированных движений реализуется 
с использованием одного контроллера для управления одновременно несколькими роботами. Это позволяет осуществлять оперативную координацию между различными роботами и другие механическими устройствами 
(внешними осями, позиционерами и пр.). 
Можно выделить три прикладные задачи скоординированных движений:
• несколько роботов работают над одним и тем же движущимся рабочим объектом;
7

Введение
• один робот может перемещать рабочий объект в то время, когда другие роботы работают над ним;
• несколько роботов могут работать совместно, чтобы поднимать тяжелые предметы.
Концепция применения коллаборативного двурукого робота IRB 14000 
YuMi для сборки малогабаритных изделий может служить примером практической реализации представленной технологической системы. Такое решение включает как самого робота, так и системы подачи деталей, систему локализации деталей, основанную на техническом зрении, передовую систему 
управления. Робот разработан для новой эры автоматизации, например, 
процесса сборки небольших деталей, где люди и роботы работают бок о бок, 
решая одни и те же задачи.
Скоординированные движения робота и человека вытекают из самой концепции коллаборативных роботов. Однако на практике при определенных 
условиях коботы могут осуществлять некоторые действия и без участия человека. При этом задача обеспечения согласованности действий не одного, 
а нескольких манипуляторов является чрезвычайно актуальной.
Поскольку разработка конструкций и систем управления роботами является задачей проектировщиков, для инженеров по применению на первый 
план выходит задача грамотного использования современных робототехнических систем в производстве, специальной робототехнике, сельском хозяйстве, медицине и многих других областях. Наряду с обязательным знанием 
конструкции и принципов управления роботами важнейшим навыком является умение программировать их, причем в специально разработанных для 
таких задач средах.
Технологический процесс программирования роботов является частью общего технологического процесса введения в эксплуатацию промышленного 
оборудования, в котором работам по монтажу этого оборудования предшествуют работы по изготовлению фундамента для его установки, а по завершении монтажных работ выполняются пусконаладочные работы и программирование.

1. Основные термины
Манипулятор (manipulator) — машина, механизм которой обычно состоит из последовательности сегментов. Сегменты могут быть соединены, 
а могут перемещаться относительно друг друга. Они могут захватывать 
и  (или) перемещать объекты (заготовки или инструменты) с  некоторой 
степенью свободы. Манипулятор может управляться оператором, программируемым электронным контроллером или логической системой (например, кулачковым устройством, проводным устройством и т. п.). В состав манипулятора рабочий орган робота (инструмент) не включается. 

(ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Автономность (autonomy) — способность выполнять задачи по предназначению, основанная на текущем состоянии изделия и особенностях считывания данных без вмешательства человека. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Перепрограммируемый (reprogrammable) — механизм, работающий таким образом, что его запрограммированные движения или вспомогательные функции можно изменить без физических преобразований устройства. 
(ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Физическое преобразование (physical alteration) — преобразование механической системы, не включающей в себя среду хранения информации, 
оперативную память и т. д. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Многоцелевой (multipurpose) — допускающий адаптацию к различным 
приложениям путем физических преобразований. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Робот (robot) — приводной механизм, программируемый по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению. Робот включает в себя систему управления и интерфейс системы управления. 
(ГОСТ Р ИСО 8373–2014).
Система управления (control system) — набор функций логического управления и силовых функций, позволяющих проводить мониторинг, управление механической конструкцией робота и осуществлять связь с окружающей средой (оборудованием и пользователями). 

(ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Роботизированное устройство (robotic device) — приводной механизм, 
имеющий характеристики промышленного робота или обслуживающего робота. Может иметь непрограммируемые оси или недостаточную степень автономности. Примеры — усилительное устройство; устройство с телеуправлением; двухосный промышленный манипулятор. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
9

1. Основные термины
Промышленный робот (industrial robot) — автоматически управляемый, 
перепрограммируемый, многоцелевой манипулятор, программируемый по 
трем и более осям. Он может быть либо зафиксирован в заданном месте, 
либо может иметь возможность передвижения для выполнения промышленных задач по автоматизации. Промышленный робот включает в себя манипулятор, включая исполнительные механизмы (инструмент); контроллер, 
включая подвесной пульт программирования и интерфейс связи (электронное оборудование и программное обеспечение). (ГОСТ Р ИСО 8373–2014).
Пример промышленного робота приведен на рис. 1.
Рис. 1. Промышленный робот:
а — контроллер IRC5 с пультом управления; б — манипулятор IRB6700; 
в — инструмент — клещи для точечной сварки
Робототехническая система (robot system) — система, включающая роботов, рабочие органы роботов, а также машины, оборудование, устройства и датчики, поддерживающие роботов во время работы. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Промышленная робототехническая система (industrial robot system) — 
система, включающая промышленных роботов, рабочие органы роботов, 
машины, оборудование, устройства, внешние вспомогательные оси и датчики, поддерживающие роботов во время работы. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Оператор (operator) — человек, осуществляющий запуск, мониторинг 
и остановку работ по предназначению робота (2.6) или робототехнической 
системы. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Программист (programmer) — человек, разрабатывающий рабочие программы. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Инсталляция (installation) — операция, включающая установку робота 
на рабочее место, подключение его к электрической сети, добавление компонентов инфраструктуры при необходимости. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
Пусконаладка (commissioning) — процесс настройки и проверки робототехнической системы с последующей верификацией функций робота после 
инсталляции. (ГОСТ Р ИСО 8373—2014).
10