工業(yè)機器人遠程監(jiān)控與故障診斷研究綜述*

陳 濤

（湖南機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410151）

工業(yè)機器人的應用綜合了人工智能、計算機、機械以及電子等眾多方面的技術內容，進一步代替了人工完成綜合性的工作。從現階段工業(yè)生產制造領域中工業(yè)機器人的應用情況來看，控制工業(yè)機器人運行的系統由信號采集處理模塊、遠程監(jiān)控系統以及故障診斷模塊共同組成，其中遠程監(jiān)控與故障診斷技術相結合，可以實現工業(yè)機器人運行數據實時采集與處理，為日常維護以及故障診斷等提供更為充足的參考數據，既能提升工業(yè)機器人故障診斷效率，又能減少此方面成本投入，以保障企業(yè)生產制造活動安全穩(wěn)定進行，助推企業(yè)高質量發(fā)展。

1 工業(yè)機器人信號處理系統

1.1 運行原理

信號處理系統主要負責對工業(yè)機器人運行過程中的數據信號進行采集、處理與融合，在實際運行過程當中，通過對底層繁多的信號加以采集并集中進行處理，直接向遠程監(jiān)控系統提供最為精準的數據信息，進而促使故障診斷效率有效提升。遠程監(jiān)控系統在接收到信號處理系統的數據后，將狀態(tài)信號指令發(fā)送到故障診斷系統，然后在故障診斷系統的詳細數據分析中，促使遠程監(jiān)控系統控制工業(yè)機器人的當前應用狀態(tài)，形成遠程控制效果[1]。

對于工業(yè)機器人的應用而言，實施故障診斷工作能夠更好地預防故障與處理故障。而這工作的前提則是建立在對工業(yè)機器人的應用基礎上實現數據的采集、處理與融合等，進而在有效的故障信號處理的基礎上，完成對工業(yè)機器人的故障處理。使用多傳感器在現場直接獲取的信號無法直接用于對工業(yè)機器人故障的診斷、評估等，這是由于工業(yè)機器人的運行流程相對較為復雜，多傳感器所獲得的數據量較為龐大，每一信息之間可能會存在著冗余或矛盾等現象[2]。若不能夠對這樣的數據加以處理，則無法直接用于故障分析。因此，通過數據信號的集中處理、變換與融合，能夠更好地對信號特征加以總結，從中提取出直接反映工業(yè)機器人運行狀態(tài)的信號特征，便于映射故障、性能與壽命之間的關系，確?？煽孔R別工業(yè)機器人的具體使用狀態(tài)。

1.2 技術研究現狀

在工業(yè)機器人遠程監(jiān)控與故障診斷系統不斷發(fā)展的過程當中，不斷完善信號采集與處理系統，促使其形成了更加卓越的信號處理功能。在信號采集等方面，通過相關研究結果的調查發(fā)現，形成了一種通過陀螺儀或加速度器構成的新型傳感器，從而采集機器人的振動信號。在中科院張興悟等的研究中，對工業(yè)機器人的信息采集系統進行模塊設計時，提出了基于數字信號處理核心的技術應用，同時與當代智能傳感器相互結合，形成了全新的信號處理與采集技術應用表現，通過更加廣泛的工業(yè)機器人智能信號采集處理及其應用設計，形成了更具適應性的使用表現。

浙江大學的胡旭東對遠程信號采集處理加以研究，提出了基于網絡存在的先進信號處理方式[3]。同時，Yamamoto等為信號處理技術的應用提出了更加智能的應用方式，建立在多DSP控制的基礎上，結合各類非視覺傳感器的應用，形成了更加智能的應用表現。而在當前階段的研究中，更是研究出了基于信號處理器原理以及具體實現應用的方法。信號數據采集與處理系統應用中獲得了更加強大的技術研究支撐，在華北理工大學王俊等的研究中，對工業(yè)機器人中高精度的全新多功能種類加以介紹，其中涉及六維腕力傳感器以及信號處理系統，從而實時檢測機械手腕的力矩信號等。在中科院沈陽分院自動化研究所實驗室中，馬玉龍等對機器人的智能化應用提出了想法，探究增強信號處理速度的有效方式，選擇無色卡爾曼濾波法加以應用，這樣能夠促使工業(yè)機器人的故障診斷具有較高的數據信息采集速度，有效提高故障診斷速率。

由于涉及對信號的處理效果，則發(fā)現在以往的應用中，信號收集處理系統面臨著一定的復雜性問題，包括信號采集中存在著一定的噪聲問題，進而可能會對信號處理效果產生直接影響[4]。因此在相關研究中，提出了在腕力傳感器中應用多重小波變換的方式，實現對信號噪聲比的去除工作，并在浮動閾值法對噪聲去除的作用下，形成了傳統處理方式所不具備的優(yōu)勢性能表現。而且在同濟大學的CIMS研究中心中，更是針對信號處理器提出了全新的應用建議，基于對DSP以及CPLD的應用，能夠達到實時動態(tài)信號采集與同步處理的效果。這樣的研究結果調查論述表明，在工業(yè)機器人的應用發(fā)展中，信號采集、處理以及融合方式呈現出智能化發(fā)展趨勢，改變了以往單一的應用模式，在國內外研究中研究者均在積極探索智能化應用模式。

2 工業(yè)機器人遠程監(jiān)控系統

2.1 運行原理

遠程監(jiān)控系統建立在動態(tài)收集數據的基礎上，對工業(yè)機器人的現場運行狀況進行實時動態(tài)化的采集，并通過對數據的快速集中，完成狀態(tài)分析與故障處理，進而確保為工業(yè)機器人的整體系統調度、調控等工作提供更為可靠的數據保障[5]。作為工業(yè)機器人應用故障診斷的基礎，遠程監(jiān)控系統可以快速完成故障隱患排除工作，不間斷監(jiān)控，可以實現更準確的故障定位和處理，確保能夠在故障第一時間給出合理的解決方案。遠程監(jiān)控系統為故障診斷模塊提供服務，通過數據指令的傳遞，承擔故障診斷模塊與工業(yè)機器人之間的溝通銜接任務。

隨著當前科學技術水平的不斷提升，在工業(yè)機器人的應用領域中也逐漸應用到更加先進的互聯網進行協同管理，進而在遠程監(jiān)控系統中形成了更加智能化的應用表現。通過互聯網滿足遠程監(jiān)控需求，便于對工業(yè)機器人實現遠程異地監(jiān)控，基于超前診斷故障并進行維護，便于提升工業(yè)機器人的運行效率，降低故障發(fā)生概率，基于較高的維護速度以及處理能力，確保工業(yè)機器人在這樣的應用場景下獲得較高的應用價值。遠程監(jiān)控是在工業(yè)機器人廣泛應用中有效控制故障發(fā)生的重要舉措，在國外逐漸發(fā)展工業(yè)機器人遠程監(jiān)控服務系統的過程中，通過更加廣泛地應用網絡通信技術，實現智能通信作用下的監(jiān)控與控制，確保滿足工業(yè)機器人的正常應用需求，及時發(fā)現故障隱患，避免引發(fā)嚴重的故障問題。

2.2 技術研究現狀

隨著遠程監(jiān)控系統在工業(yè)制造領域的廣泛應用，世界各國都開始重視對這一技術的開發(fā)應用[6]。瑞典的ABB公司對遠程監(jiān)控技術加以研究，并開發(fā)出了遠程服務平臺，用于對工業(yè)機器人運行使用中的狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)控。建立數據分析處理以及故障預判等相應的功能，通過設置攜帶通信單元的服務箱，也能夠對眾多采集數據加以儲存，便于后續(xù)調取應用。日本FANUC公司同樣針對遠程監(jiān)控系統提出了相應的服務方案，不同于ABB公司的應用模式，FANUC提出的建議是建立在獨立運行的遠程監(jiān)控維護系統上所操作的，而并不需要設置服務箱。這樣的遠程監(jiān)控系統便于實現遠程通信溝通、故障分析，能夠在第一時間向技術工程師發(fā)送有關工業(yè)機器人的應用故障信息并加以維護處理。

而在相關領域的學術研究中，辛辛那提大學的相關人員對此提出了明確的研究成果，在工業(yè)機器人的應用中，同時也可以將遠程預測在健康管理中加以應用，進而通過對工業(yè)機器人的溫度信號、扭矩等相關參數的分析，對機械臂的運行特征進行預測，從而更好地對故障加以整合。西澳大利亞大學Taylor等通過遠程監(jiān)控基于互聯網連接的具有6個自由度的工業(yè)機器人，發(fā)現在遠程監(jiān)控作用下便于搭建更加有效的運行模型，成功抓取并完成物體的搬運。同時，對FANUC公司的工業(yè)機器人進行研究，分析基于控制器與網絡的接入設計，成功研發(fā)了關于遠程控制工業(yè)機器人的原型網絡。

為實現遠程監(jiān)控更加智能的應用表現，分析在自動攝像頭控制下的工業(yè)機器人應用模式，對遠程監(jiān)控結合加權偽逆冗余解決方法加以應用，從而提出了全新的遠程監(jiān)控解決方式，并且將這一模式應用在庫卡KR16的機械臂上。通過遠程監(jiān)控畫面，可以更加直觀地對其進行有效監(jiān)控管理。同時當前研究成果中，涉及在Web用戶的基礎上實現對工業(yè)機器人的遠程監(jiān)控，以完成安全監(jiān)控以及及時的遠程維護工作。在信息化的時代發(fā)展中，各種信息化應用逐漸涌出，以信息化智能控制系統為例，其便于對工業(yè)機器人的工作數據以及周期等加以處理，便于直觀展示處理數據。為了便于人工對遠程監(jiān)控系統加以操作，利用觸覺信息創(chuàng)建了智能化觸屏監(jiān)控系統，就目前階段工業(yè)機器人的遠程監(jiān)控系統發(fā)展的實際成果而言，主要是朝向智能化的發(fā)展趨勢加以準備，包括互聯網、計算機以及虛擬現實技術等，均對遠程監(jiān)控起到良好的輔助作用[7]。

3 工業(yè)機器人故障診斷模塊

3.1 運行原理

在工業(yè)機器人的遠程監(jiān)控與故障診斷技術處理流程中，故障診斷模塊的主要作用實現了數據性的移動，并非人的移動。通過對工業(yè)機器人應用過程中的設備參數進行監(jiān)控[8]，從而對設備的異常狀態(tài)加以掌握，更好地對工業(yè)機器人加以維護，在故障發(fā)生前加以預防，或是能夠在故障發(fā)生后第一時間消除不利影響。在故障診斷模塊當中，清晰直觀地展現故障位置與故障狀態(tài)，通過緊密聯系故障模式識別、故障程度預測以及故障狀態(tài)檢測等，充分滿足了基于工業(yè)機器人應用過程中的全方位故障檢測需求，是今后工業(yè)機器人遠程監(jiān)控與故障診斷應用的重要發(fā)展趨勢。

工業(yè)機器人的故障診斷模塊一般屬于檢測故障存在和確定故障定位功能的組合手段。故障診斷模塊對于工業(yè)機器人的應用能夠實現更加便捷的故障檢測，在借助了計算機技術、通信技術等前沿技術之后，故障診斷在工業(yè)機器人的應用中獲得了更加良好的應用成效。作為一種典型的先進故障診斷方式，故障診斷的遠程模式便于節(jié)約人力成本，無需技術人員深入工業(yè)制造現場親自診斷故障問題，不僅能夠提升故障檢驗效率，同時也能夠對技術人員的人身安全起到一定的保障作用，降低故障檢驗成本。在故障診斷過程中，通過遠程監(jiān)控系統所收集的數據信息完成集中處理之后，形成了更加完整的運行信號，隨后通過將故障診斷系統與正常運行數據加以對比，分析工業(yè)機器人與各數據對應的運行結構是否存在故障問題，分析故障發(fā)生的原因，并進行準確的故障定位[9]。

3.2 技術研究現狀

故障診斷技術在近年來的研究中呈現出更加前沿的發(fā)展趨勢，通過建立在互聯網的基礎上，形成了IRD技術，并獲得了國內外的廣泛深入研究?；诙喾N實驗活動，已經充分累積出了更為先進的應用方式。發(fā)現在工業(yè)機器人的應用中，最為常見的故障形式包括氣動系統故障、執(zhí)行系統故障、控制系統故障等形式，而在故障檢測與診斷的相關研究中，國外相關領域的研究最早是在美國的明尼蘇達大學中所提出的。隨后在世界各國快速發(fā)展起故障診斷技術，印度相關研究中提出工業(yè)機器人的故障診斷，可利用云計算環(huán)境作為故障診斷的定位主體，從而對工業(yè)機器人的運行實現遠程集群計算，滿足智能維護應用需求?；蚴窃贖alderr的研究下，采用魯棒非線性解析冗余方式完成故障檢測以及分離應用。

隨著現代信息技術的發(fā)展，可廣泛應用網絡解決工業(yè)機器人的故障問題，包括簡單環(huán)境下的溫濕度變化等引發(fā)的故障問題等，實現更加簡單的故障識別處理效果。而哥倫比亞大學的相關研究人員，提出了基于高斯空間狀態(tài)的模型離子應用方式。而在我國，相關研究人員研發(fā)出了多模型評估的神經網絡故障診斷技術以及視覺模塊的可視化故障算法等，通過在焊接機器人的故障診斷中應用數字電視的方式，促使故障診斷系統能夠更好地連接焊接機系統，進而彌補了以往僅僅是通過網絡完成故障診斷的弊端。智能診斷可能會面臨著自適應性相對較差或是數據不準確等問題，進而對診斷結果產生影響[10]。在今后的機器人遠程故障診斷中，通過數據挖掘、虛擬現實與信息融合等技術的應用，將會實現對工業(yè)機器人的遠程異地數據共享，便于更好地完成對工業(yè)機器人的故障診斷處理。

4 工業(yè)機器人遠程監(jiān)控與故障診斷未來發(fā)展前景

基于在工業(yè)機器人中所應用到的遠程監(jiān)控以及故障診斷技術等，充分突破了以往在時間以及空間上數據傳遞、交換的限制，為工業(yè)機器人的正常應用起到良好的調控與預防作用，在工業(yè)制 造中深受關注與重視。我國提出了制造2025規(guī)劃以及國際上工業(yè)4.0戰(zhàn)略的發(fā)展，全球制造行業(yè)已經呈現出智能化的發(fā)展趨勢。工業(yè)智能化生產制造的模式勢必會取代傳統制造業(yè)以往陳舊落后的生產制造模式，在工業(yè)生產中將會更加廣泛地應用智能機床、工業(yè)機器人以及打印機等智能設備，進而在智能產品與設備的應用下形成更加先進的表現。

在工業(yè)智能化的發(fā)展趨勢下，包括理念、技術、裝備以及產品上的創(chuàng)新，將會促使制造企業(yè)實現轉型升級，充分節(jié)約生產成本并提升生產制造效率。作為智能工廠以及智能生產的代名詞，工業(yè)機器人的應用是工業(yè)智能化的前沿應用手段，并且實現了更加有效的生產制造，作為智能化基礎，工業(yè)機器人的存在是智能化工業(yè)生產車間的基礎設施應用。而在工業(yè)機器人之間呈現出更加復雜的智能化發(fā)展趨勢的背景下，對于遠程監(jiān)控以及故障診斷技術等提出了更高的要求，為更好地為智能化生產提供保障，在進入到大數據時代之后，應對遠程監(jiān)控以及故障診斷技術加以創(chuàng)新，促使其逐漸呈現出智能化的應用趨勢，在今后的發(fā)展中能夠更好地為工業(yè)機器人以及工業(yè)智能化生產領域提供服務。

5 結語

綜上所述，在工業(yè)機器人的應用領域，基于遠程監(jiān)控與故障診斷的技術流程，包括信息采集處理系統、遠程監(jiān)控系統以及故障診斷模塊，在跟隨現代科學技術不斷發(fā)展的過程當中，將會形成更加智能的應用表現。融合網絡技術、人工智能以及計算機系統等形成了具有高精度、高可靠性的遠程監(jiān)控與故障診斷應用，將會為工業(yè)機器人的應用提供更加良好的保障。