浙江億雄智能科技有限公司 裘雄偉

在現(xiàn)代社會建設(shè)發(fā)展中，工業(yè)領(lǐng)域跟隨智能化技術(shù)和自動化技術(shù)推進，不僅研發(fā)設(shè)計出多類工業(yè)機器人，還被廣泛運用到汽車組裝、金融加工、機械制造等領(lǐng)域中，依據(jù)高度自動化工業(yè)生產(chǎn)模式取代了傳統(tǒng)人工操作模式。本文在了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)機器人的基本概念后，根據(jù)新時代下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)機器人行業(yè)中的應(yīng)用方向，重點研究以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的柔性管道巡檢機器人。最終實驗結(jié)果證明，整體系統(tǒng)設(shè)計要比傳統(tǒng)設(shè)計性能更佳，現(xiàn)已逐漸取代了傳感器系統(tǒng)設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)第三次革命性創(chuàng)新發(fā)展的最終成果，加快了信息化建設(shè)發(fā)展步伐，為新時代下行業(yè)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了技術(shù)支撐。在社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展中，智能手機、智能電腦、智能傳感器等理論設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，使社會環(huán)境變得更加智能化和數(shù)字化，這為新時期工業(yè)機器人的全面普及提供了有利條件。根據(jù)國家統(tǒng)計局收集的數(shù)據(jù)分析顯示，近年來，我國工業(yè)機器人的生產(chǎn)規(guī)模和數(shù)量呈現(xiàn)直線上升趨勢，工業(yè)制造題材依舊保持較高的關(guān)注度，行業(yè)增長發(fā)展趨勢非常顯著，因此，本文主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)機器人領(lǐng)域中的應(yīng)用方向和有效措施。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)機器人的基本概念分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)也被稱作萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是基于互聯(lián)網(wǎng)延伸拓展出來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，會有機結(jié)合信息傳感設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)平臺，隨時隨地實現(xiàn)人機物的互聯(lián)互通。從實踐應(yīng)用角度來看，物聯(lián)網(wǎng)基本特征主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）整體感知。能運用智能傳感器、二維碼、射頻識別等感知設(shè)備獲取物體的所有信息；（2）可靠傳輸。能在有效融合無線物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實時準(zhǔn)確傳遞物體信息，方便信息溝通交流；（3）智能處理。整合運用各類智能技術(shù)分析處理感知傳送數(shù)據(jù)信息，真正實現(xiàn)監(jiān)測管理的智能化發(fā)展目標(biāo)[1]。

1.2 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人作為應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的多關(guān)節(jié)或多自由度的機器裝置，能依靠自身的動力能源和控制能力，真正實現(xiàn)工業(yè)加工制造的基本功能[2]?，F(xiàn)如今，工業(yè)機器人主要應(yīng)用在化工、物流、電子等多個領(lǐng)域中，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計分為以下內(nèi)容：（1）機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。按照機械結(jié)構(gòu)劃分工業(yè)機器人主要分為兩種，一種是指串聯(lián)機器人；另一種是指并聯(lián)機器人；（2）驅(qū)動系統(tǒng)。按照動力源劃分，工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式分為四種：液壓式、氣壓室、電器室和機械式；（3）感知系統(tǒng)。這一系統(tǒng)設(shè)計會將機器人內(nèi)部信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳斫獾臄?shù)據(jù)信息；（4）機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)。這一系統(tǒng)設(shè)計能讓機器人和外部環(huán)境設(shè)備有效聯(lián)系和協(xié)調(diào)運行。

2 新時代下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)機器人行業(yè)中的應(yīng)用方向分析

2.1 普適機器人

這類機器人是基于普適計算理論提出的，主要具備三種基本功能：（1）行為功能；（2）引導(dǎo)功能；（3）感知功能。相比傳統(tǒng)專用機器人，普適機器人具有極強的通用性，在價格上能進入消費級區(qū)間，這代表著我國工業(yè)機器人研究已經(jīng)進入全新時代。根據(jù)我國掌握的技術(shù)研究成果來看，目前，普適機器人的研究主要是提高個性化服務(wù)質(zhì)量，而應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)需要借助軟件管理、語音識別、任務(wù)執(zhí)行管理等技術(shù)，以此在室內(nèi)工業(yè)環(huán)境中傳遞數(shù)據(jù)信息，真正滿足室內(nèi)空間的應(yīng)用需求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)機器人

網(wǎng)絡(luò)機器人主要以物聯(lián)網(wǎng)傳感器為技術(shù)依據(jù)，持續(xù)提高機器人的全局感，優(yōu)化工業(yè)機器人的智能系統(tǒng)行為和感知范圍，確保其具備跟蹤、導(dǎo)航、移動、定位等基本功能。在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前，工業(yè)機器人需要結(jié)合人工指令篩選物品，沒有真正實現(xiàn)自動化控制目標(biāo)，但是在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，工業(yè)機器人可以通過提高機器人端自動化水平，自主完成任務(wù)指令[3]。比如說，目前科研學(xué)者提出的無人車智能機器人，就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為系統(tǒng)運行提供技術(shù)保障。結(jié)合控制駕駛原理分析可知，將傳感器安裝在車體四周，大量收集車輛及周邊數(shù)據(jù)信息，在經(jīng)過車內(nèi)處理器的對比分析后，直接上傳到中央數(shù)據(jù)庫中，不僅能為機器人系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)依據(jù)，還可以為指令設(shè)計提供有效依據(jù)。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能更新處理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息，確保機器人系統(tǒng)在遇到突發(fā)事件時，可以及時保持車與車之間的距離，盡快做出有效的應(yīng)急判斷處理。

2.3 智能空間機器人

在現(xiàn)代社會建設(shè)發(fā)展中，以異構(gòu)數(shù)據(jù)和知識集成為核心的信息物理系統(tǒng)一直在不斷創(chuàng)新發(fā)展，國內(nèi)智能化制造水平越來越高，以云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)為核心的研究課題越來越多，其中最具代表性的就是智能空間機器人。為了真正實現(xiàn)特定環(huán)境下的信息管控，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能空間機器人研究設(shè)計中，可以得到遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多項功能，同時也可以提高工業(yè)機器人的環(huán)境識別能力，嚴(yán)格按照任務(wù)指令完成特定工作，比如說精準(zhǔn)投放、物品篩選等[4]。面對越發(fā)復(fù)雜的工業(yè)機器人工作環(huán)境，科研學(xué)者提出利用射頻識別技術(shù)、分布式傳感器、視覺技術(shù)等，全面提高智能空間機器人的識別能力，解決傳統(tǒng)單目攝像頭的技術(shù)缺陷，提高物品搜索、物品篩選、物品傳遞的效率和質(zhì)量。

3 案例分析

本文研究主要探討基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能管道巡檢機器人，其主要應(yīng)用在當(dāng)前建筑施工領(lǐng)域中，為管道布設(shè)、基坑檢測、管線巡查等提供技術(shù)依據(jù)。這種系統(tǒng)設(shè)計有效減少了人力資源成本支出，改變了傳統(tǒng)為特定檢測功能和檢測環(huán)境創(chuàng)造儀器設(shè)備的工作思路，能利用互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計理念集中傳輸數(shù)據(jù)信息。

3.1 智能控制系統(tǒng)

整體設(shè)計要符合現(xiàn)場全天候監(jiān)管需求，真正實現(xiàn)自動化巡回檢測目標(biāo)。如果在系統(tǒng)運行期間出現(xiàn)安全故障，就需要準(zhǔn)確判斷并及時上傳“故障信號”，以此提高系統(tǒng)功能和應(yīng)用裝置的可靠性，降低系統(tǒng)運行的安全風(fēng)險。本文研究的柔性管道巡檢機器人可以利用兩種方式設(shè)計管內(nèi)巡回路徑和停泊方案，一方面是指參數(shù)設(shè)計；另一方面是指示教寫入，有效結(jié)合兩種方式能幫助現(xiàn)場工作人員輕松設(shè)計機器人路徑，盡可能控制使用故障發(fā)生[5]。

系統(tǒng)自主巡回主要依靠機器人在管道系統(tǒng)中的位置分析，但因為管道系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜，且處在信號傳輸效率較低的地下空間或墻體內(nèi)部等屏蔽區(qū)域，所以要利用“運動計程”和“定位點定位”相結(jié)合的方式解決難題。從實踐應(yīng)用角度來看，工作人員要選擇適合的管道段安裝“定位套環(huán)”結(jié)構(gòu)，在機器人上安裝相關(guān)感應(yīng)器，這樣在機器人到達(dá)點位區(qū)域后，會觸發(fā)并上傳傳感信號，方便機器人準(zhǔn)確判斷自己的定位區(qū)域。而“運動計程”的定位方式是利用機器人的外部導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)，根據(jù)計量導(dǎo)向輪和管壁之間的相對轉(zhuǎn)動角度，在計算分析后明確機器人相對于管道的運行路徑。結(jié)合如圖1 所示的“運動計程”裝置結(jié)構(gòu)分析可知，工作人員要在定位輪上安裝磁體，在支持壁上安裝霍爾傳感器，這樣在定位輪轉(zhuǎn)動的情況下，磁場經(jīng)過霍爾傳感器的數(shù)量可以直接換算成兩者之間的旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 “運動計程”的定位裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of positioning device of "Kinetometer"

本文研究系統(tǒng)會利用實際結(jié)果和運行指令整合判斷，根據(jù)自身傳感系統(tǒng)收集采集結(jié)果，在兩者對應(yīng)理論結(jié)果不一致的情況下，可以判斷自動裝置出現(xiàn)故障。

對管道巡檢機器人而言，運行指令包含前進和后退這兩種形式，對應(yīng)的運行結(jié)果為管道內(nèi)部位置改變。由于管道內(nèi)部運動路徑具有唯一性，對應(yīng)關(guān)系比較簡單，所以工作人員可以直接利用實際結(jié)果和運行指令實現(xiàn)自動化判定故障，具體流程如圖2 所示。

圖2 故障判斷的流程圖Fig.2 Flowchart of fault diagnosis

結(jié)合圖2 分析可知，判定系統(tǒng)會自動收集運動指令，查詢對應(yīng)表中預(yù)售的理論結(jié)果等待分析，同時借用管道內(nèi)部定位系統(tǒng)判定實際結(jié)果。在實際結(jié)果和理論結(jié)果完全不同的情況下，可以判斷裝置運行出現(xiàn)安全故障。

3.2 柔性檢測系統(tǒng)

在我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展提出智能制造理念后，建筑領(lǐng)域管道巡檢機器人基于模塊化設(shè)計思路構(gòu)成了柔性檢測系統(tǒng)，能將大量專用檢測設(shè)備濃縮成種類不多的通用設(shè)備。

（1）模塊化硬件設(shè)計。柔性管道巡檢機器人是基于人工智能的Agent 系統(tǒng)理論提出的，會將機器人系統(tǒng)中的所有模塊看作獨立存在的Agent，能與鄰近模塊或外界環(huán)境交互信息，具體設(shè)計包含了動力輸出模塊、供電通信模塊、專用傳感器模塊等。

分析整體模塊設(shè)計分析可知，動力輸出模塊和驅(qū)動輪模塊擁有多種規(guī)格隨意組合，可以在軟件設(shè)計上適應(yīng)不同負(fù)載程度和管道尺寸。供電通信模塊主要是為機器人提供電力和通信渠道，目前常見的模式分為兩種，一種是指無線通信；另一種是指有線通信。在單片機檢測到兩個電池模塊時，一個電池供電而另一個電池電量不足時，要控制充電系統(tǒng)為電池電量不足的電池模塊充電。專用傳感器模塊是基于管內(nèi)固定要求設(shè)計的傳感系統(tǒng)，目前包含了溫濕度檢測、影像檢測、傾角檢測等多項功能。為了保障整體模塊化設(shè)計可以有效應(yīng)用，要在不同模塊兩端設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)節(jié)插口和標(biāo)準(zhǔn)螺紋，讓機器人各模塊之間實現(xiàn)有效對接。

（2）柔性軟件架構(gòu)。在明確功能實踐的硬件系統(tǒng)后，要基于數(shù)據(jù)通信和控制通信實現(xiàn)自動對接[6]。在本文研究系統(tǒng)中，以一條通信總線為主，不管是數(shù)據(jù)通信信號還是控制信號都要以總線為主，按照問答式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)核心控制[7]。

結(jié)合分析可知，一方面硬件電線接口要求較低，只需要提供總線接口就可以在硬件上介入總線系統(tǒng)；另一方面系統(tǒng)擴展性較強，可以在整體系統(tǒng)中使用統(tǒng)一的通信規(guī)則，并沒有規(guī)定具體的模塊數(shù)量和應(yīng)用功能。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)適合應(yīng)用在數(shù)量龐大、種類繁多、實時性要求高的工業(yè)控制現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中，其中手機、電腦等常見終端設(shè)備都可以作為接入設(shè)備，直接運用到網(wǎng)絡(luò)體系中。本文研究的柔性管道巡檢機器人包含了三部分結(jié)構(gòu)，首先是指機器人及地面基站；其次是指傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；最后是指網(wǎng)關(guān)節(jié)點。由于機器人的安裝位置比較隨意，工程數(shù)量較為龐大的施工現(xiàn)場不適合大規(guī)模布線，所以工作人員提出利用工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有效通信，這為距離相對較近的工業(yè)機器人現(xiàn)場管理提供了便利條件。

4 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下的工業(yè)機器人系統(tǒng)，不僅改變了傳統(tǒng)單一的發(fā)展模式，還為工業(yè)機器人全面普及提供了技術(shù)支持。因此，在經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢下，面對新興技術(shù)帶來的機遇和挑戰(zhàn)，我國科研學(xué)者要從可持續(xù)發(fā)展角度入手，整合分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)機器人，積極解決傳統(tǒng)技術(shù)研究問題，提高核心技術(shù)競爭水平，讓工業(yè)機器人成為各領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的有效依據(jù)，以此為創(chuàng)造科技智能的社會環(huán)境貢獻(xiàn)力量。

引用

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[2] 文波.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程,2022(9):190-192.

[3] 李克龍,高宗輝,秦金.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,2021(7):100-101.

[4] 楊芳華.漫談工業(yè)自動化領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實際應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究,2021,3(11):150-152.

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[6] 張湘濤,黃杰波,陳澤翰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2022,40(9):120-122.

[7] 崔嘉偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下多機器人綜合管理系統(tǒng)設(shè)計[J].信息記錄材料,2021,22(8):205-207.