基于云服務(wù)器的工業(yè)機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)

吳澤楓，李成剛，宋勇，儲亞東，陳飛翔，吳樹景

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國工業(yè)機器人發(fā)展起步于20世紀70年代初期，雖然發(fā)展較為迅速，但因為起步時間晚，核心技術(shù)基礎(chǔ)力量與國際同行相比仍較為薄弱。在工業(yè)機器人長年累月的作業(yè)過程中，由于工作環(huán)境可能突發(fā)變化或長時間工作零部件發(fā)生磨損等異常情況，都將導致機器人無法正常運行或無法按時保質(zhì)保量地完成工作。鑒于此，若在機器人發(fā)生異常問題時能夠進行快速甄別并解決，將會極大地提高應(yīng)用企業(yè)的經(jīng)濟效益。通過遠程監(jiān)測現(xiàn)場工業(yè)機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用合理的模型分析方法，監(jiān)測系統(tǒng)可及時監(jiān)測工廠內(nèi)機器人的運行狀態(tài)和任務(wù)完成情況，同時為后期對機器人的遠程控制、在線運動規(guī)劃、健康評估等功能奠定基礎(chǔ)。

瑞士某公司開發(fā)了機器人遠程服務(wù)系統(tǒng)[1]，如圖1所示。該系統(tǒng)通過在機器人終端安裝具有通信功能的服務(wù)箱，對機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進行處理分析，實現(xiàn)故障診斷和報警。工作人員可使用瀏覽器登錄Web網(wǎng)頁進行監(jiān)測。但該系統(tǒng)的不足在于：1)服務(wù)箱不與本地工控機連接，工作人員無法直接進行現(xiàn)場監(jiān)測，也不利于應(yīng)用企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的保護；2)服務(wù)箱使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信，不適合大數(shù)據(jù)量傳輸。日本某公司開發(fā)了機器人遠程服務(wù)系統(tǒng)[2]，如圖2所示。該系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場路由器將機器人控制系統(tǒng)連入互聯(lián)網(wǎng)，將機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器進行存儲管理。工作人員可通過網(wǎng)頁對機器人進行遠程監(jiān)測，同時可通過MTB控制軟件對機器人進行監(jiān)控診斷。該系統(tǒng)的主要缺點是應(yīng)用企業(yè)根據(jù)實際監(jiān)控需求進行功能個性化定制能力較弱，且由于監(jiān)測數(shù)據(jù)需共享到該公司的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，使得應(yīng)用企業(yè)的生產(chǎn)資料等數(shù)據(jù)受第三方監(jiān)管，無法完全保密。

圖1 機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)(瑞士)

圖2 機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)(日本)

大連理工大學劉磊等人[1～3]與沈陽某公司合作設(shè)計了一種工業(yè)機器人遠程監(jiān)控診斷服務(wù)系統(tǒng)，可對機器人進行遠程監(jiān)控和故障維修等。該系統(tǒng)本地監(jiān)控軟件基于C/S模式開發(fā)，而遠程監(jiān)控診斷服務(wù)軟件基于B/S模式的Web數(shù)據(jù)開發(fā)。浙江大學駱曉娟等人[4～5]提出了一種基于AJAX和B/S構(gòu)架的實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用ASP.Net結(jié)合C#語言進行開發(fā)設(shè)計，該系統(tǒng)直可接通過瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的Web遠程監(jiān)控。內(nèi)蒙古科技大學常瑞麗等人[6～7]研究和開發(fā)了一種智能移動機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在本地使用WDS203串口服務(wù)器通過“隧道”方式將串行打包到以太網(wǎng)上，遠控計算機通過串口重定向軟件將WDS203的串口映射成虛擬串口獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對移動機器人工作狀態(tài)的遠程監(jiān)控。但由于該系統(tǒng)需使用WDS203無線串口服務(wù)器，實施成本較高，同時，機器人在工廠這種復雜的環(huán)境中通過串口進行無線通信會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定、信號易受干擾的情況。南京航空航天大學趙慶濤等人[8-10]設(shè)計了一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可對電機驅(qū)動的運行狀態(tài)、電壓、電流、電角度等重要參數(shù)進行實時監(jiān)控和預警。

本文提出一種基于云服務(wù)器的工業(yè)機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢：

1)使用以太網(wǎng)通信，可極大地增加數(shù)據(jù)的傳輸量，提高響應(yīng)速度；

2)整個監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單、穩(wěn)定可靠且開發(fā)成本低，適用于中小型企業(yè)的機器人監(jiān)測。同時，能夠確保企業(yè)的數(shù)據(jù)不被第三方監(jiān)管，整個生產(chǎn)過程和生產(chǎn)數(shù)據(jù)都是安全保密的；

3)云服務(wù)器具有大容量和強計算等優(yōu)勢，通過在云服務(wù)器中安裝MySQL數(shù)據(jù)庫，可存儲大量的機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，有利于后期對數(shù)據(jù)進行分析處理與系統(tǒng)功能擴展。

1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成與實現(xiàn)

工業(yè)機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)(圖3)的運行過程如下：

圖3 工業(yè)機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)框架

2)使用SQL語句將數(shù)據(jù)上傳到現(xiàn)場工控機中的數(shù)據(jù)庫進行存儲管理；

3)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議經(jīng)工控機經(jīng)過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器中創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫中，并完成存儲、管理和分析；

4)基于數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)(SQL語句)，監(jiān)測處理系統(tǒng)經(jīng)過以太網(wǎng)連接云服務(wù)器中的MySQL數(shù)據(jù)庫獲取現(xiàn)場機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作(增、刪、改、查)；

5)工作人員通過在遠程PC上使用客戶端監(jiān)測工廠內(nèi)機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)和工作完成情況，并可實現(xiàn)歷史查詢和超值報警等功能。

監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖4所示。該系統(tǒng)主要分為3大部分：現(xiàn)場機器人系統(tǒng)、云服務(wù)器和監(jiān)測處理系統(tǒng)，整套系統(tǒng)可實現(xiàn)對工業(yè)機器人的遠程監(jiān)測功能。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)路線

1.1 現(xiàn)場機器人系統(tǒng)

現(xiàn)場機器人系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)采集并上傳數(shù)據(jù)到云服務(wù)器的功能。其硬件主要包括工業(yè)機器人本體、各種傳感器(角位移傳感器、力矩傳感器等)、驅(qū)動系統(tǒng)(伺服電機和伺服驅(qū)動器)、dSPACE控制板和工控機。

現(xiàn)場機器人系統(tǒng)中的dSPACE控制板利用安裝在機器人本體上的各類傳感器(角位移傳感器、力矩傳感器等)，采集工業(yè)機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)；工控機與dSPACE控制板通過PCIe接口連接后獲取數(shù)據(jù)；同時，在現(xiàn)場工控機上創(chuàng)建MySQL數(shù)據(jù)庫對機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存儲與管理，方便工作人員在現(xiàn)場直接對數(shù)據(jù)調(diào)度和監(jiān)控；利用C#面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)在Visual Stuidio中開發(fā)，工控機基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議經(jīng)過以太網(wǎng)創(chuàng)建Socket通信接口作為客戶端，通過尋址云服務(wù)器公網(wǎng)IP和端口號，向云服務(wù)器端發(fā)起連接請求Connect()，經(jīng)過TCP三次握手建立連接后，現(xiàn)場機器人系統(tǒng)將數(shù)據(jù)打包由Send()發(fā)送到云服務(wù)器,發(fā)送完成后，利用Close()關(guān)閉Socket接口結(jié)束通信。

1.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器是數(shù)據(jù)的存儲管理中心和中轉(zhuǎn)站，主要負責接收現(xiàn)場機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)解析后將數(shù)據(jù)存儲到云服務(wù)器中的MySQL數(shù)據(jù)庫中進行管理。

圖5 機器人肩關(guān)節(jié)J2對應(yīng)的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)表tb_robot1_j2

1.3 監(jiān)測處理系統(tǒng)

監(jiān)測處理系統(tǒng)(圖6)主要負責在客戶端上遠程顯示和處理現(xiàn)場機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)測、歷史查詢和超值報警等。

圖6 監(jiān)測處理系統(tǒng)人機交互界面

利用C#面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，在Visual Studio中利用Windows Forms窗體設(shè)計人機交互界面，監(jiān)測處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)(SQL語句)連接云服務(wù)器中的MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作(增、刪、改、查)，實現(xiàn)應(yīng)用企業(yè)通過遠程PC完成客戶端的登錄，并獲取機器人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)；利用窗體繪圖控件設(shè)計，對機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)進行曲線繪制，可動態(tài)查看機器人的各項運動數(shù)據(jù)，具有良好的可視化效果；同時，根據(jù)日期選擇可對機器人的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，并按照現(xiàn)場實際情況設(shè)定機器人運動數(shù)據(jù)的閾值，監(jiān)測機器人運行是否正常。若由于環(huán)境突變等因素導致機器人工作數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，監(jiān)測系統(tǒng)報警窗口會及時亮紅報警，提醒工作人員及時處理。工作人員可調(diào)用超值窗口查詢所有的超值行記錄，以便對異常數(shù)據(jù)進行分析和快速甄別。排除異常后，工作人員可在超值行中的情況記錄列進行記錄，對異常情況解釋說明，所記錄內(nèi)容將在線存儲到云服務(wù)器中，為今后排查相似的問題提供思路。

2 結(jié)語

工業(yè)機器人遠程監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場機器人系統(tǒng)采集機器人運動數(shù)據(jù)，進行現(xiàn)場存儲并上傳到云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進行存儲管理后，監(jiān)測處理系統(tǒng)通過遠程訪問云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)應(yīng)用企業(yè)在PC上登錄客戶端，方便對現(xiàn)場機器人進行遠程監(jiān)測，突破了距離的限制，能夠隨時隨地對機器人的運動狀態(tài)和工作完成情況進行監(jiān)管。利用監(jiān)測處理系統(tǒng)人機交互界面，應(yīng)用企業(yè)可經(jīng)過機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)變化曲線直觀清晰地了解機器人當前的工作狀態(tài)，并在歷史窗口和超值窗口中查看歷史數(shù)據(jù)、各項運動指標超值情況和異常數(shù)據(jù)的情況記錄。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且實施成本低，應(yīng)用企業(yè)使用該系統(tǒng)遠程監(jiān)測機器人既不受第三方監(jiān)管，也有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。