生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 爽，孟慶春

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，鄭州 451199）

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)入新工業(yè)時(shí)代，制造業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)全面完成4.0升級(jí)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出，將智能數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)通信融合應(yīng)用于制造業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面。制造業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人是上述思想的重要應(yīng)用，這種應(yīng)用可全方位地縮減了制造業(yè)生產(chǎn)成本，降低資源消耗。生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)直接影響制造業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，因此，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)，成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者 待解決的問題。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用研究較為常見：

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)短期記憶的機(jī)器人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法依據(jù)方差分析方法確定機(jī)器人狀態(tài)變化感應(yīng)信號(hào)。再使用主成分分析法對(duì)機(jī)器人多維傳感數(shù)據(jù)實(shí)施融合，通過(guò)融合數(shù)據(jù)與特征數(shù)據(jù)的相似度計(jì)算，獲取機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)。最后通過(guò)建立的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型完成機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的健康預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)終端的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該方法針對(duì)目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的形式單一問題，建立了以移動(dòng)終端為監(jiān)測(cè)平臺(tái)的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)Internet完成機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至用戶終端，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)、平板實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于TCP/IP協(xié)議的除草機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法依據(jù)TCP/IP原理建立了機(jī)器人狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件平臺(tái)框架。再對(duì)系統(tǒng)軟硬件開展具體分析；最后依據(jù)QT軟件完成了機(jī)器人狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

但上述系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)效果差。為解決上述機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新的生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

基于上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，完成生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

分析圖1可知，生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架分為移動(dòng)終端模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、報(bào)警模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)通信模塊硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要負(fù)責(zé)搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的通信，主要分為L(zhǎng)oRa基站傳輸模塊以及通信方式選擇模塊兩類。

LoRa基站傳輸模塊在LoRa選型時(shí)，需要選取LoRa時(shí)需要LoRa射頻為Sx1278，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為256Bytes，基站傳輸過(guò)程中，傳輸頻率在169至433M之間，傳輸速率在0.5至11kbit/s之間的LoRa基站。在類型選擇子模塊內(nèi)，管理員可選定多種基站傳輸類型備用，在傳輸過(guò)程中，依據(jù)機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定基站傳輸類型。最后通過(guò)建立的傳輸模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸模型結(jié)構(gòu)

1.2.1 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要負(fù)責(zé)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警、報(bào)警功能。搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)[5]，運(yùn)行參數(shù)會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)之間存在偏差時(shí)，該模塊會(huì)迅速調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)展開相關(guān)分析，通過(guò)分析結(jié)果確定是否開啟報(bào)警、預(yù)警信號(hào)。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取MySQL作為本系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)系統(tǒng)的主要需求，建立機(jī)器人靜態(tài)參數(shù)信息集合、動(dòng)態(tài)信息集合，工作狀態(tài)數(shù)據(jù)集合以及故障詳細(xì)信息數(shù)據(jù)集等分類集合，方便機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)的分類管理。

2 軟件相關(guān)算法設(shè)計(jì)

硬件模塊設(shè)計(jì)完成后，依據(jù)設(shè)計(jì)的硬件完成機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體軟件功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主功能示意圖

2.1 遠(yuǎn)程通信算法設(shè)計(jì)

短距離D2D無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可在既然遠(yuǎn)程報(bào)警中得到較好的應(yīng)用。其在已知信道條件的情況下，完成機(jī)器人遠(yuǎn)程上行鏈路通信，僅考慮單個(gè)無(wú)線網(wǎng)路范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶設(shè)備（User Equipment，UE）與其對(duì)等的UE之間可建立D2D鏈路，通過(guò)該鏈路完成接受數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)基站，在該過(guò)程中，每一個(gè)UE可在2個(gè)跳數(shù)內(nèi)完成。

短距離D2D無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中主要有機(jī)器人設(shè)備、無(wú)線鏈路以及D2D鏈路[8]，則該網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)的信道模型、信干燥比、能耗模型以及中繼選擇是網(wǎng)絡(luò)通信的主要部分。

1）信道模型：短距離D2D無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)存在兩種中衰落模型，且為大、小兩種尺度，分別用自由空間傳播模型和瑞利衰落表示。設(shè)x和y分別表示發(fā)射器和接收器，兩者之間的信道增益以及增益指數(shù)分別用hx，y、表示。則x和y之間距離為r時(shí)信號(hào)功率用hr-α表示，其中，α＞ 2表示路徑損耗指數(shù)。

2）信干燥比：設(shè)dth表示距離閾值，該值的確定可依據(jù)信道的衰落的條件完成；在該范圍為UE用CUE表示，則構(gòu)建實(shí)現(xiàn)D2D鏈路通信的D2DCUE。由于短距離D2D無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能夠復(fù)用上行鏈路資源，則表示使用同一個(gè)信道的鏈路之間會(huì)發(fā)生干擾。結(jié)合短距離D2D無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)UE之間距離較小的特點(diǎn)，則對(duì)D2D無(wú)線通信的最大發(fā)射功率實(shí)行控制，并引入自干擾消除因子ξ，以此實(shí)現(xiàn)該干擾的有效控制。結(jié)合該干擾確定x至y之間鏈路的信干燥比的計(jì)算公式為：

式(1)中：px和Lx，y分別表示x的傳輸功率和x至y之間的鏈路距離；干擾源的集合用Φy表示；δ2表示噪聲功率；t表示時(shí)刻。

3）能耗模型：如果短距離D2D無(wú)線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小為L(zhǎng)，此時(shí)所需的能耗計(jì)算公式為：

式(2)中：通信過(guò)程中，實(shí)行信息發(fā)送或者接收時(shí)電路的消耗能量用Eelec表示；ptx表示發(fā)射器的發(fā)射功率；信息通信過(guò)程中所需的時(shí)隙長(zhǎng)度用Nts表示；τ表示單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度；N ts·τ表示整個(gè)傳輸?shù)目倳r(shí)間。

2.2 最優(yōu)功率分配實(shí)現(xiàn)

基于上述小節(jié)的分析得出，如果為提升短距離D2D無(wú)線通信數(shù)據(jù)的通信成功率，需考慮能耗和通信成功率之間的關(guān)聯(lián)，并獲取兩者之間的折中結(jié)果，在保證通信成功率的前提下使能耗最小。此時(shí)，定義效用函數(shù)，其計(jì)算公式為：

式(3)中：E和S分別表示通信能耗和傳輸成功率，Emax為E的最大值；smin表示s的最小值；ω表示權(quán)重因子。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體有效性，在某生產(chǎn)線廠間對(duì)重載搬運(yùn)機(jī)器人布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通信包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)和兩個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)是由一個(gè)遠(yuǎn)程的服務(wù)平臺(tái)連接的，遠(yuǎn)程的服務(wù)平臺(tái)調(diào)用MATLAB。LoRa采用433MHz頻段，發(fā)射功率為22dBm。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別采用本文的生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（所提系統(tǒng)）、基于TCP/IP協(xié)議的除草機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)）、基于移動(dòng)終端的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)）測(cè)試。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人

機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在開展機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果的優(yōu)劣能夠直觀表現(xiàn)出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能。選定機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度、角速度以及監(jiān)測(cè)時(shí)間為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能測(cè)試指標(biāo)，以此測(cè)試上述三種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。

3.2 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度測(cè)試

選定機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度為測(cè)試指標(biāo)，采用上述三種系統(tǒng)開展機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)試三種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同系統(tǒng)的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度監(jiān)測(cè)結(jié)果

分析圖5可知，所提系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度位移曲線監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度位移曲線相接近，而文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)測(cè)試出機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度與實(shí)際結(jié)果相差較大，這主要是因?yàn)樗嵯到y(tǒng)在建立系統(tǒng)時(shí)，采用LoRa傳輸基站完成了機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，所以該方法的監(jiān)測(cè)精度高。

3.3 角速度測(cè)試

選取機(jī)器人角速度輸出值為測(cè)試指標(biāo)，繼續(xù)對(duì)三種機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果展開測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)的機(jī)器人角速度測(cè)試結(jié)果

分析圖6可知，所提系統(tǒng)測(cè)試出的機(jī)器人角速度與時(shí)間機(jī)器人角速度較為接近，而其他兩種方法的角速度測(cè)試結(jié)果與實(shí)際角速度之間相差較大，由此可知，所提系統(tǒng)在開展機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)的監(jiān)測(cè)效果高于文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測(cè)時(shí)間測(cè)試

基于上述測(cè)試結(jié)果，選定不同的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對(duì)所提系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)展開測(cè)試，測(cè)試三種系統(tǒng)在機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)的監(jiān)測(cè)時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

表1 不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知，隨著監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷上升，三種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間都呈現(xiàn)出不同的上升趨勢(shì)。但是所提系統(tǒng)是三種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)時(shí)間最短的，由此表明所提系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率較高。

通過(guò)上述所有測(cè)試結(jié)果，可證明所提系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能高于其他兩種系統(tǒng)，且具備有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人的普遍和應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人開展必要的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，就顯得尤為重要。為有效提高生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能，設(shè)計(jì)了基于LoRa基站的生產(chǎn)線重載搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)硬件、軟件的結(jié)合，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并提高生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能。