5G背景下基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉湘黔

摘要：在5G背景下建立高效的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以極大地提升生產(chǎn)線的效率和智能化水平，是工業(yè)界亟須解決的問(wèn)題之一?；诖?，文章研究了5G背景下基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。文章旨在探討如何利用5G和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一種高效、穩(wěn)定、智能的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在總框架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、5G云端數(shù)據(jù)處理模塊以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度、處理能力和傳輸速率，可以滿足工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性的要求。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)機(jī)器人；遠(yuǎn)程監(jiān)控；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)正逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一部分［1］。其中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)機(jī)器人是近年來(lái)備受關(guān)注的領(lǐng)域，它們的出現(xiàn)和發(fā)展為制造業(yè)帶來(lái)了巨大的變革和發(fā)展機(jī)遇。5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，具有超高速、超低延遲、大連接等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐［2］。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合5G技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量等目標(biāo)。而工業(yè)機(jī)器人作為生產(chǎn)線的重要組成部分，具有自動(dòng)化程度高、精度高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，在提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線智能化水平上發(fā)揮著重要作用［3］。因此，研究基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊前景。本文旨在探討如何利用5G和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一種高效、穩(wěn)定、智能的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在總框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、5G云端數(shù)據(jù)處理模塊以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊。工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為工業(yè)界提供一種高效、智能的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，為工業(yè)智能化水平的提升和生產(chǎn)效率的提高提供了重要支持，將5G和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)中具有重要的研究?jī)r(jià)值和推廣價(jià)值。

1 工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，可以分為機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、5G云端數(shù)據(jù)處理模塊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊三個(gè)部分，如圖1所示。

機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊：通過(guò)傳感器、攝像頭等設(shè)備，采集工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括機(jī)器人狀態(tài)、工作狀態(tài)、生產(chǎn)效率、能源消耗等。

5G云端數(shù)據(jù)處理模塊：通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行處理和分析。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)機(jī)器人的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、優(yōu)化和預(yù)測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋給操作員。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制，系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位等操作，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序更新等操作。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊：該模塊為用戶提供一個(gè)可視化的界面，方便用戶對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。用戶不僅可以通過(guò)電腦、手機(jī)、平板等設(shè)備訪問(wèn)系統(tǒng)界面，還可以通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警、故障診斷、異常處理等功能。

總體而言，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率、降低成本，為工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化和可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持。

2 各功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊

針對(duì)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)器人數(shù)據(jù)采集模塊，可以采用傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。需要選擇合適的傳感器：根據(jù)機(jī)器人的工作特性和需要采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型，選擇合適的溫度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等。將傳感器安裝在機(jī)器人的關(guān)鍵部位，保證其能夠準(zhǔn)確地采集到傳感器采集機(jī)器人的工作數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫嘶蚍?wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，提取有用信息。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)可視化手段呈現(xiàn)給用戶，能夠幫助用戶更好地了解機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)［4］。溫度傳感器可以采集機(jī)器人的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；溫度傳感器的電壓輸出與溫度呈線性關(guān)系，具體計(jì)算如公式（1）所示。

Rt=R0［1+A（t-T0）］（1）

公式（1）中：Rt為溫度為t ℃時(shí)的電阻值，R0為溫度為T(mén)0 ℃時(shí)的電阻值，A為溫度系數(shù)，一般為0.003 85～1 ℃。根據(jù)歐姆定律，電阻R和電流I、電壓U之間的關(guān)系如式（2）所示。

R=UI（2）

溫度t ℃時(shí)的電壓輸出Vt可以用公式（3）表示。

Vt=U0RtRt+Rs（3）

公式（3）中：U0為電源電壓，Rs為電路中串聯(lián)的電阻。將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫嘶蚍?wù)器，系統(tǒng)將進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理、去噪處理、異常值檢測(cè)等操作處理溫度數(shù)據(jù)，將處理后的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)溫度變化曲線、溫度分布圖等可視化手段呈現(xiàn)給用戶，幫助用戶更好地了解機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)。在采集過(guò)程中，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型可以選擇不同的傳感器進(jìn)行采集，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析，最終將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，幫助用戶更好地了解機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)。

2.2 5G云端數(shù)據(jù)處理模塊

通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，系統(tǒng)可以采集機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、速度、功率等，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。在云端服務(wù)器上對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪、濾波、采樣等操作，以此提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性?；诠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中5G云端數(shù)據(jù)處理模塊的流程，如圖2所示。

由圖2可知，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)傳感器采集機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G網(wǎng)絡(luò)。云端服務(wù)器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析和建模，以優(yōu)化機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)，云端服務(wù)器還可以將機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給操作員，并進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位等操作，以及進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序更新等操作。最終，通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、優(yōu)化和預(yù)測(cè)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊需要設(shè)計(jì)一個(gè)易于使用的圖形化界面，用于展示機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)和參數(shù)。界面設(shè)計(jì)需要考慮用戶的使用習(xí)慣和需求，以便用戶能夠便捷地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要采集機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集可以通過(guò)傳感器、PLC等設(shè)備實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕梢圆捎脭?shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)冗余備份等技術(shù)。線性回歸是一種用于建立線性模型的算法，可以通過(guò)對(duì)輸入變量和輸出變量進(jìn)行擬合，來(lái)預(yù)測(cè)未知的輸出變量。線性回歸計(jì)算如公式（4）所示。

Y=aX+b（4）

公式（4）中，Y表示輸出變量，X表示輸入變量，a和b是回歸系數(shù)，通過(guò)最小二乘法可以求出回歸系數(shù)。對(duì)系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，以提取有價(jià)值的信息，并為用戶提供決策支持。數(shù)據(jù)處理和分析可以采用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行定制化處理和分析。工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)報(bào)警和故障診斷功能，以及異常處理和預(yù)測(cè)等功能。系統(tǒng)的報(bào)警和故障診斷功能可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)和參數(shù)實(shí)現(xiàn)，異常處理和預(yù)測(cè)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和建模功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊需要支持多設(shè)備訪問(wèn)和控制，用戶可以通過(guò)電腦、手機(jī)、平板等設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)和操作。同時(shí)，系統(tǒng)可以采用用戶認(rèn)證和權(quán)限管理等技術(shù)，以保證用戶數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為測(cè)試搭5G背景下基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，首先，需要建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，連接ABB IRB1200工業(yè)機(jī)器人、?？低旾PC2224-VR5-DPZ攝像頭和華為5G CPE Pro2路由器，將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)中進(jìn)行處理和分析。采用戴爾PowerEdge R740服務(wù)器，選擇Windows Server 2016操作系統(tǒng)，使用ROS和Python編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)的收集和傳輸。實(shí)驗(yàn)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)速度、處理能力、數(shù)據(jù)傳輸速率等性能指標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試實(shí)驗(yàn)挑選了5個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)做比較，對(duì)比5G背景下基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度、處理能力、傳輸速率，不同運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

從表1可以得知，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度一直保持在500 ms以內(nèi)，處理能力和傳輸速率逐漸提高，穩(wěn)定在每秒100個(gè)請(qǐng)求和1.2 Gbps。其中，響應(yīng)速度和處理能力受到服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的限制，傳輸速率則受到網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的影響。在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試中，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性均得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了先決條件，5G技術(shù)的引入進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的傳輸速率和響應(yīng)速度。同時(shí)，系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也得到了充分的應(yīng)用，為機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、優(yōu)化和預(yù)測(cè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。本文利用5G和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一種高效、穩(wěn)定、智能的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)總框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)器人遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊、5G云端數(shù)據(jù)處理模塊以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶界面模塊。期望可以為工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供一定的參考和指導(dǎo)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和多樣性，還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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（編輯 姚 鑫）

Research on industrial robot remote monitoring system based on Industrial Internet of Things

under the background of 5G

Liu? Xiangqian

（Hunan Vocational Institute of Safety Technology， Changsha 410151， China）

Abstract：? Under the background of 5G， the establishment of an efficient industrial robot remote monitoring system can greatly improve the efficiency and intelligent level of the production line， which is one of the urgent problems to be solved in the industry. Based on this， this paper studies the industrial robot remote monitoring system based on the Industrial Internet of Things under the background of 5G. This paper aims to discuss how to use 5G and industrial Internet of things technology to build an efficient， stable and intelligent remote monitoring system for industrial robots. Based on the general framework， the robot remote data acquisition module， 5G cloud data processing module and industrial Internet of Things user interface module are designed. The experimental results show that the system has high response speed， processing capacity and transmission rate， and can meet the requirements of real-time， accuracy and reliability of the industrial robot remote monitoring system.

Key words： 5G technology; industrial internet of things; industrial robot; remote monitoring; monitoring system