徐江陵

工業(yè)機器人是一種集各種跨學(xué)科先進技術(shù)為一體的智能化設(shè)備，對提高我國制造業(yè)的發(fā)展水平有著十分重要的意義。目前，工業(yè)機器人在機械加工、噴涂、裝配、焊接、搬運等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。世界各工業(yè)強國都非常重視工業(yè)機器人技術(shù)的應(yīng)用研究，工業(yè)機器人的數(shù)量和質(zhì)量往往成為衡量一個國家制造業(yè)綜合實力的重要標志。

盡管工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)的作用越來越來明顯，但是由于工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是一個機械、電子以及通信技術(shù)的混合體，對維修人員業(yè)務(wù)水平要求很高，并且維修費用非常高。然而，目前大部分的工業(yè)機器人的應(yīng)用企業(yè)不具備自主維修的能力，往往通過外包來完成維修。以武漢地區(qū)為例，一個普通的工業(yè)機器人維修人員的日平均工資為1500元，這大大增加了工業(yè)機器人應(yīng)用企業(yè)的成本壓力。另外，在機器人出現(xiàn)故障的時候，往往要通過服務(wù)商到企業(yè)故障現(xiàn)場進行診斷和維修，在這個過程需要大量的等待時間。并且維修人員到達故障現(xiàn)場也只能通過示教器的故障代碼來了解故障機器人的運行情況，維修人員往往到達故障現(xiàn)場也不能對故障進行及時準確地診斷和處理，從而嚴重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，增加了企業(yè)的損失。因此，先進的故障診斷技術(shù)對保證工業(yè)機器人穩(wěn)定運行時十分重要。

云平臺也稱為云計算平臺，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力。云平臺隨著多媒體技術(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)機器人領(lǐng)域研究的熱點和重點。工業(yè)機器人通過云平臺實現(xiàn)對故障診斷技術(shù)的實施，可實現(xiàn)客戶端實時、可靠、準確對工業(yè)機器人進行遠程監(jiān)控和故障診斷。另外，對工業(yè)機器人的安全隱患也可以及早發(fā)現(xiàn)，并實時進行分析診斷，做到“運籌帷幄之中，決勝千里之外”，這對企業(yè)提升維護水平、降低故障率、減少企業(yè)成本有著非常重要的實用價值。

一、工業(yè)機器人云平臺系統(tǒng)的需求分析

要建立一個工業(yè)機器人云平臺故障診斷系統(tǒng)，主要取決于以下幾點需求：①提高企業(yè)本身的技術(shù)人員對工業(yè)機器人的現(xiàn)場維護維修水平;②降低工業(yè)機器人現(xiàn)場調(diào)試、維護、維修服務(wù)的人力財力支出;③為工業(yè)機器人質(zhì)量提升、產(chǎn)品優(yōu)化改進提供第一手現(xiàn)場運行數(shù)據(jù);④為客戶企業(yè)提供工業(yè)機器人的在線監(jiān)測、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)機器人云平臺故障診斷系統(tǒng)需要具備以下功能。①遠程監(jiān)測功能為機器人的生產(chǎn)商和客戶企業(yè)提供在線運行機器人的遠程實時監(jiān)測功能，需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)包括： 機器人運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)、機器人控制系統(tǒng)的預(yù)警和報警數(shù)據(jù)，機器人故障分析和故障預(yù)測的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等。②遠程診斷及維護功能。云平臺系統(tǒng)可以根據(jù)實時監(jiān)測的機器人數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)當前可能故障類型并查找故障處置方式。還可以通過在線監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)潛在問題，為機器人使用單位提供維護建議提示。同時，技術(shù)工程師能夠根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，遠程優(yōu)化調(diào)整運行參數(shù)。遠程診斷功能旨在當現(xiàn)場運行的機器人、機器人系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠通過遠程獲取的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)分析并給出診斷結(jié)果，同時通過手機APP提示給現(xiàn)場技術(shù)工程師。③遠程調(diào)測功能。云平臺系統(tǒng)的遠程調(diào)測功能旨在幫助技術(shù)工程師通過系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，獲取現(xiàn)場待測機器人的調(diào)試控制權(quán)，通過機器人控制系統(tǒng)預(yù)置的調(diào)測控制命令，并遠程監(jiān)測測試運行指標數(shù)據(jù)，遠程測試機器人的性能、運行指標，給出測試結(jié)果。遠程調(diào)測功能需輔助以遠程視頻監(jiān)控和語音互動等通訊功能，避免出現(xiàn)意外。④遠程預(yù)警和報警功能。云平臺的遠程預(yù)警和報警功能除了需要實時顯示報警信息外，還應(yīng)該具備故障預(yù)測功能。⑤遠程數(shù)據(jù)分析和管理功能。工業(yè)機器人的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、維護服務(wù)往往涉及到不同企業(yè)的不同團隊。使用企業(yè)也往往根據(jù)工業(yè)機器人的運行穩(wěn)定性、服務(wù)質(zhì)量去評價企業(yè)的各種團隊。隨著工業(yè)機器人云平臺的建立為企業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、維護提供了有益的參考。

二、工業(yè)機器人云平臺系統(tǒng)設(shè)計總體架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的總體需求分析，需要設(shè)計一種云平臺系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。將整個工業(yè)機器人云平臺診斷系統(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)）和云平臺層（故障系統(tǒng)診斷系統(tǒng)）。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。

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

②傳輸層介于平臺層和設(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說，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)，同時具有較強的實時性。對傳輸層網(wǎng)絡(luò)，主要解決方案是使用工業(yè)以太網(wǎng)。

③云平臺層通過工業(yè)機器人云平臺進行數(shù)據(jù)接入、存儲、管理與分析，利用大數(shù)據(jù)架構(gòu)進行工業(yè)機器人故障檢測建模。運用數(shù)據(jù)挖掘與分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，應(yīng)用面向分析的數(shù)據(jù)存儲和快速檢索技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)機器人的實時狀態(tài)監(jiān)控和故障檢測。

三、工業(yè)機器人云平臺系統(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)機器人系統(tǒng)的運行現(xiàn)場，其職能是將工業(yè)機器人的關(guān)鍵監(jiān)測信息、運行狀態(tài)信息、故障信息、輔助傳感器的測量信息同時上傳至本地和遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并能夠接收遠程調(diào)測命令和配置命令。由于工業(yè)機器人種類繁多，控制系統(tǒng)信號接口也不同，因此，設(shè)備層將面臨與現(xiàn)行工業(yè)機器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊接口的確定——類型、數(shù)量、兼容，同時確定與之對應(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)機器人系統(tǒng)與平臺層的信息傳輸/組網(wǎng)模式的設(shè)計、選擇、兼容是系統(tǒng)傳輸層開發(fā)、研究的重點與關(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，視頻、監(jiān)測、報警、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。

3.云平臺層的關(guān)鍵技術(shù)?；诂F(xiàn)場運行的工業(yè)機器人的關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)、輔助診斷數(shù)據(jù)，在對工業(yè)機器人故障機理、診斷建模理論方法明確的前提下，遠程監(jiān)控中心需要為工業(yè)機器人的生產(chǎn)商和客戶企業(yè)提供在線診斷技術(shù)服務(wù)。

4.云平臺系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。云平臺系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是提高工業(yè)機器人生產(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。遠程維護的過程需要企業(yè)現(xiàn)場技術(shù)人員與遠端技術(shù)人員的信息互動、需要遠端技術(shù)人員遠程對工業(yè)機器人進行測試、操控。在遠程調(diào)測過程中，遠程技術(shù)人員需要接管現(xiàn)場機器人的操控權(quán)。調(diào)測過程需要遠程實時監(jiān)測機器人運行的關(guān)鍵信息，需要現(xiàn)場與遠端視頻信息、語音信息的互動。

四、總結(jié)

本文對工業(yè)機器人云平臺的故障診斷系統(tǒng)做了一些有益的探索，并展望了未來的發(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，由原來的現(xiàn)場故障診斷到目前的云診斷，工業(yè)機器人的故障診斷技術(shù)取得了新的突破。但是隨著工業(yè)機器人的各種技術(shù)的不斷提高，同樣對故障診斷也提出了更高的要求，需要更多的技術(shù)人員對工業(yè)機器人的故障診斷進行研究和探索。[項目名稱：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院科研項目項目編號：2019CYYBKY002]

（作者單位：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院）