工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)在故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

徐江陵

工業(yè)機(jī)器人是一種集各種跨學(xué)科先進(jìn)技術(shù)為一體的智能化設(shè)備，對(duì)提高我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展水平有著十分重要的意義。目前，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工、噴涂、裝配、焊接、搬運(yùn)等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)都非常重視工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用研究，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量和質(zhì)量往往成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。

盡管工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)的作用越來(lái)越來(lái)明顯，但是由于工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是一個(gè)機(jī)械、電子以及通信技術(shù)的混合體，對(duì)維修人員業(yè)務(wù)水平要求很高，并且維修費(fèi)用非常高。然而，目前大部分的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用企業(yè)不具備自主維修的能力，往往通過(guò)外包來(lái)完成維修。以武漢地區(qū)為例，一個(gè)普通的工業(yè)機(jī)器人維修人員的日平均工資為1500元，這大大增加了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)的成本壓力。另外，在機(jī)器人出現(xiàn)故障的時(shí)候，往往要通過(guò)服務(wù)商到企業(yè)故障現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行診斷和維修，在這個(gè)過(guò)程需要大量的等待時(shí)間。并且維修人員到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)也只能通過(guò)示教器的故障代碼來(lái)了解故障機(jī)器人的運(yùn)行情況，維修人員往往到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)也不能對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地診斷和處理，從而嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，增加了企業(yè)的損失。因此，先進(jìn)的故障診斷技術(shù)對(duì)保證工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)十分重要。

云平臺(tái)也稱為云計(jì)算平臺(tái)，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)能力。云平臺(tái)隨著多媒體技術(shù)、信息技術(shù)以及現(xiàn)代通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，逐步成為工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷技術(shù)的實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)客戶端實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。另外，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的安全隱患也可以及早發(fā)現(xiàn)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行分析診斷，做到“運(yùn)籌帷幄之中，決勝千里之外”，這對(duì)企業(yè)提升維護(hù)水平、降低故障率、減少企業(yè)成本有著非常重要的實(shí)用價(jià)值。

一、工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)系統(tǒng)的需求分析

要建立一個(gè)工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)故障診斷系統(tǒng)，主要取決于以下幾點(diǎn)需求：①提高企業(yè)本身的技術(shù)人員對(duì)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)維修水平;②降低工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)、維修服務(wù)的人力財(cái)力支出;③為工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量提升、產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)提供第一手現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù);④為客戶企業(yè)提供工業(yè)機(jī)器人的在線監(jiān)測(cè)、管理、診斷、故障預(yù)警等服務(wù)。

依照以上需求，所建立的工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)故障診斷系統(tǒng)需要具備以下功能。①遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能為機(jī)器人的生產(chǎn)商和客戶企業(yè)提供在線運(yùn)行機(jī)器人的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)包括： 機(jī)器人運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)器人控制系統(tǒng)的預(yù)警和報(bào)警數(shù)據(jù)，機(jī)器人故障分析和故障預(yù)測(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。②遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)功能。云平臺(tái)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的機(jī)器人數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前可能故障類型并查找故障處置方式。還可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，為機(jī)器人使用單位提供維護(hù)建議提示。同時(shí)，技術(shù)工程師能夠根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。遠(yuǎn)程診斷功能旨在當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的機(jī)器人、機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程獲取的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)分析并給出診斷結(jié)果，同時(shí)通過(guò)手機(jī)APP提示給現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工程師。③遠(yuǎn)程調(diào)測(cè)功能。云平臺(tái)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)測(cè)功能旨在幫助技術(shù)工程師通過(guò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，獲取現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)機(jī)器人的調(diào)試控制權(quán)，通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)預(yù)置的調(diào)測(cè)控制命令，并遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)測(cè)試運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程測(cè)試機(jī)器人的性能、運(yùn)行指標(biāo)，給出測(cè)試結(jié)果。遠(yuǎn)程調(diào)測(cè)功能需輔助以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和語(yǔ)音互動(dòng)等通訊功能，避免出現(xiàn)意外。④遠(yuǎn)程預(yù)警和報(bào)警功能。云平臺(tái)的遠(yuǎn)程預(yù)警和報(bào)警功能除了需要實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息外，還應(yīng)該具備故障預(yù)測(cè)功能。⑤遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析和管理功能。工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、維護(hù)服務(wù)往往涉及到不同企業(yè)的不同團(tuán)隊(duì)。使用企業(yè)也往往根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性、服務(wù)質(zhì)量去評(píng)價(jià)企業(yè)的各種團(tuán)隊(duì)。隨著工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)的建立為企業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、維護(hù)提供了有益的參考。

二、工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的總體需求分析，需要設(shè)計(jì)一種云平臺(tái)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。將整個(gè)工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)診斷系統(tǒng)分成三層架構(gòu)，分別是：設(shè)備層（數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)）、傳輸層（信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）和云平臺(tái)層（故障系統(tǒng)診斷系統(tǒng)）。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。

①設(shè)備層與工業(yè)機(jī)器人直接相連，設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：安裝于機(jī)器人各關(guān)鍵部位的無(wú)線輔助傳感器組和數(shù)據(jù)采集控制器所組成，負(fù)責(zé)采集機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)器人調(diào)測(cè)，并具備本地和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸功能。

②傳輸層介于平臺(tái)層和設(shè)備層之間。它的主要任務(wù)是解決企業(yè)中不同的工業(yè)機(jī)器人之間各種需要協(xié)調(diào)工作的通信。從通信的需要角度來(lái)說(shuō)，要求通信網(wǎng)絡(luò)能夠高速傳遞大量信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)傳輸層網(wǎng)絡(luò)，主要解決方案是使用工業(yè)以太網(wǎng)。

③云平臺(tái)層通過(guò)工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)、管理與分析，利用大數(shù)據(jù)架構(gòu)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人故障檢測(cè)建模。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘與分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用面向分析的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速檢索技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和故障檢測(cè)。

三、工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.設(shè)備層的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)備層位于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，其職能是將工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息、輔助傳感器的測(cè)量信息同時(shí)上傳至本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并能夠接收遠(yuǎn)程調(diào)測(cè)命令和配置命令。由于工業(yè)機(jī)器人種類繁多，控制系統(tǒng)信號(hào)接口也不同，因此，設(shè)備層將面臨與現(xiàn)行工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊接口的確定——類型、數(shù)量、兼容，同時(shí)確定與之對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議的任務(wù)。

2.傳輸層的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與平臺(tái)層的信息傳輸/組網(wǎng)模式的設(shè)計(jì)、選擇、兼容是系統(tǒng)傳輸層開(kāi)發(fā)、研究的重點(diǎn)與關(guān)鍵，其關(guān)鍵技術(shù)包括： 傳輸層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，視頻、監(jiān)測(cè)、報(bào)警、命令信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌與協(xié)同設(shè)備層的上行網(wǎng)絡(luò)通訊方式的多元化設(shè)計(jì)。

3.云平臺(tái)層的關(guān)鍵技術(shù)?；诂F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警數(shù)據(jù)、輔助診斷數(shù)據(jù)，在對(duì)工業(yè)機(jī)器人故障機(jī)理、診斷建模理論方法明確的前提下，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要為工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)商和客戶企業(yè)提供在線診斷技術(shù)服務(wù)。

4.云平臺(tái)系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。云平臺(tái)系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是提高工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)服務(wù)水平、服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)和保障。遠(yuǎn)程維護(hù)的過(guò)程需要企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員與遠(yuǎn)端技術(shù)人員的信息互動(dòng)、需要遠(yuǎn)端技術(shù)人員遠(yuǎn)程對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試、操控。在遠(yuǎn)程調(diào)測(cè)過(guò)程中，遠(yuǎn)程技術(shù)人員需要接管現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的操控權(quán)。調(diào)測(cè)過(guò)程需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵信息，需要現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)端視頻信息、語(yǔ)音信息的互動(dòng)。

四、總結(jié)

本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)的故障診斷系統(tǒng)做了一些有益的探索，并展望了未來(lái)的發(fā)展前景。在傳統(tǒng)的制造業(yè)和云技術(shù)相互融合的今天，由原來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)故障診斷到目前的云診斷，工業(yè)機(jī)器人的故障診斷技術(shù)取得了新的突破。但是隨著工業(yè)機(jī)器人的各種技術(shù)的不斷提高，同樣對(duì)故障診斷也提出了更高的要求，需要更多的技術(shù)人員對(duì)工業(yè)機(jī)器人的故障診斷進(jìn)行研究和探索。[項(xiàng)目名稱：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院科研項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)：2019CYYBKY002]

（作者單位：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院）