基于云服務器的工業機器人遠程監測系統

吳澤楓，李成剛，宋勇，儲亞東，陳飛翔，吳樹景

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國工業機器人發展起步于20世紀70年代初期，雖然發展較為迅速，但因為起步時間晚，核心技術基礎力量與國際同行相比仍較為薄弱。在工業機器人長年累月的作業過程中，由于工作環境可能突發變化或長時間工作零部件發生磨損等異常情況，都將導致機器人無法正常運行或無法按時保質保量地完成工作。鑒于此，若在機器人發生異常問題時能夠進行快速甄別并解決，將會極大地提高應用企業的經濟效益。通過遠程監測現場工業機器人的運動狀態數據，利用合理的模型分析方法，監測系統可及時監測工廠內機器人的運行狀態和任務完成情況，同時為后期對機器人的遠程控制、在線運動規劃、健康評估等功能奠定基礎。

瑞士某公司開發了機器人遠程服務系統[1]，如圖1所示。該系統通過在機器人終端安裝具有通信功能的服務箱，對機器人運動狀態數據進行遠程監控，并對數據進行處理分析，實現故障診斷和報警。工作人員可使用瀏覽器登錄Web網頁進行監測。但該系統的不足在于：1)服務箱不與本地工控機連接，工作人員無法直接進行現場監測，也不利于應用企業生產數據的保護；2)服務箱使用GPRS無線網絡通信，不適合大數據量傳輸。日本某公司開發了機器人遠程服務系統[2]，如圖2所示。該系統應用現場路由器將機器人控制系統連入互聯網，將機器人運動狀態數據傳輸到數據中心服務器進行存儲管理。工作人員可通過網頁對機器人進行遠程監測，同時可通過MTB控制軟件對機器人進行監控診斷。該系統的主要缺點是應用企業根據實際監控需求進行功能個性化定制能力較弱，且由于監測數據需共享到該公司的數據中心服務器中，使得應用企業的生產資料等數據受第三方監管，無法完全保密。

圖1 機器人遠程監控系統(瑞士)

圖2 機器人遠程監控系統(日本)

大連理工大學劉磊等人[1～3]與沈陽某公司合作設計了一種工業機器人遠程監控診斷服務系統，可對機器人進行遠程監控和故障維修等。該系統本地監控軟件基于C/S模式開發，而遠程監控診斷服務軟件基于B/S模式的Web數據開發。浙江大學駱曉娟等人[4～5]提出了一種基于AJAX和B/S構架的實時監測系統，利用ASP.Net結合C#語言進行開發設計，該系統直可接通過瀏覽器訪問網絡，實現對監測數據的Web遠程監控。內蒙古科技大學常瑞麗等人[6～7]研究和開發了一種智能移動機器人遠程監控系統，在本地使用WDS203串口服務器通過“隧道”方式將串行打包到以太網上，遠控計算機通過串口重定向軟件將WDS203的串口映射成虛擬串口獲取數據，實現對移動機器人工作狀態的遠程監控。但由于該系統需使用WDS203無線串口服務器，實施成本較高，同時，機器人在工廠這種復雜的環境中通過串口進行無線通信會出現工作不穩定、信號易受干擾的情況。南京航空航天大學趙慶濤等人[8-10]設計了一種基于ARM-Linux操作系統的嵌入式Web遠程監控系統，可對電機驅動的運行狀態、電壓、電流、電角度等重要參數進行實時監控和預警。

本文提出一種基于云服務器的工業機器人遠程監測系統，具有如下優勢：

1)使用以太網通信，可極大地增加數據的傳輸量，提高響應速度；

2)整個監測系統結構更為簡單、穩定可靠且開發成本低，適用于中小型企業的機器人監測。同時，能夠確保企業的數據不被第三方監管，整個生產過程和生產數據都是安全保密的；

3)云服務器具有大容量和強計算等優勢，通過在云服務器中安裝MySQL數據庫，可存儲大量的機器人運動狀態數據，有利于后期對數據進行分析處理與系統功能擴展。

1 監測系統構成與實現

工業機器人遠程監測系統(圖3)的運行過程如下：

圖3 工業機器人遠程監測系統框架

2)使用SQL語句將數據上傳到現場工控機中的數據庫進行存儲管理；

3)基于TCP/IP網絡傳輸協議經工控機經過以太網將數據傳輸到云服務器中創建的MySQL數據庫中，并完成存儲、管理和分析；

4)基于數據庫訪問技術(SQL語句)，監測處理系統經過以太網連接云服務器中的MySQL數據庫獲取現場機器人的運動狀態數據，實現對數據的操作(增、刪、改、查)；

5)工作人員通過在遠程PC上使用客戶端監測工廠內機器人的運動狀態數據和工作完成情況，并可實現歷史查詢和超值報警等功能。

監測系統的技術路線如圖4所示。該系統主要分為3大部分：現場機器人系統、云服務器和監測處理系統，整套系統可實現對工業機器人的遠程監測功能。

圖4 監測系統技術路線

1.1 現場機器人系統

現場機器人系統主要實現現場機器人運動狀態數據采集并上傳數據到云服務器的功能。其硬件主要包括工業機器人本體、各種傳感器(角位移傳感器、力矩傳感器等)、驅動系統(伺服電機和伺服驅動器)、dSPACE控制板和工控機。

現場機器人系統中的dSPACE控制板利用安裝在機器人本體上的各類傳感器(角位移傳感器、力矩傳感器等)，采集工業機器人的運動狀態數據；工控機與dSPACE控制板通過PCIe接口連接后獲取數據；同時，在現場工控機上創建MySQL數據庫對機器人的運動狀態數據進行存儲與管理，方便工作人員在現場直接對數據調度和監控；利用C#面向對象編程技術在Visual Stuidio中開發，工控機基于TCP/IP網絡傳輸協議經過以太網創建Socket通信接口作為客戶端，通過尋址云服務器公網IP和端口號，向云服務器端發起連接請求Connect()，經過TCP三次握手建立連接后，現場機器人系統將數據打包由Send()發送到云服務器,發送完成后，利用Close()關閉Socket接口結束通信。

1.2 云服務器

云服務器是數據的存儲管理中心和中轉站，主要負責接收現場機器人系統的數據，經解析后將數據存儲到云服務器中的MySQL數據庫中進行管理。

圖5 機器人肩關節J2對應的運動狀態數據表tb_robot1_j2

1.3 監測處理系統

監測處理系統(圖6)主要負責在客戶端上遠程顯示和處理現場機器人的運動狀態數據，實現對機器人的遠程監測、歷史查詢和超值報警等。

圖6 監測處理系統人機交互界面

利用C#面向對象編程技術，在Visual Studio中利用Windows Forms窗體設計人機交互界面，監測處理系統通過數據庫訪問技術(SQL語句)連接云服務器中的MySQL數據庫，實現對數據的操作(增、刪、改、查)，實現應用企業通過遠程PC完成客戶端的登錄，并獲取機器人的運動狀態數據；利用窗體繪圖控件設計，對機器人運動狀態數據進行曲線繪制，可動態查看機器人的各項運動數據，具有良好的可視化效果；同時，根據日期選擇可對機器人的歷史數據進行查詢，并按照現場實際情況設定機器人運動數據的閾值，監測機器人運行是否正常。若由于環境突變等因素導致機器人工作數據出現異常，監測系統報警窗口會及時亮紅報警，提醒工作人員及時處理。工作人員可調用超值窗口查詢所有的超值行記錄，以便對異常數據進行分析和快速甄別。排除異常后，工作人員可在超值行中的情況記錄列進行記錄，對異常情況解釋說明，所記錄內容將在線存儲到云服務器中，為今后排查相似的問題提供思路。

2 結語

工業機器人遠程監測系統通過現場機器人系統采集機器人運動數據，進行現場存儲并上傳到云服務器中的數據庫進行存儲管理后，監測處理系統通過遠程訪問云服務器獲取數據，實現應用企業在PC上登錄客戶端，方便對現場機器人進行遠程監測，突破了距離的限制，能夠隨時隨地對機器人的運動狀態和工作完成情況進行監管。利用監測處理系統人機交互界面，應用企業可經過機器人運動狀態數據變化曲線直觀清晰地了解機器人當前的工作狀態，并在歷史窗口和超值窗口中查看歷史數據、各項運動指標超值情況和異常數據的情況記錄。整個系統結構簡單且實施成本低，應用企業使用該系統遠程監測機器人既不受第三方監管，也有利于提高企業的生產效益。