工業機器人云平臺在故障診斷系統的應用

徐江陵

工業機器人是一種集各種跨學科先進技術為一體的智能化設備，對提高我國制造業的發展水平有著十分重要的意義。目前，工業機器人在機械加工、噴涂、裝配、焊接、搬運等諸多領域有著非常廣泛的應用。世界各工業強國都非常重視工業機器人技術的應用研究，工業機器人的數量和質量往往成為衡量一個國家制造業綜合實力的重要標志。

盡管工業機器人在現代制造業的作用越來越來明顯，但是由于工業機器人結構非常復雜，是一個機械、電子以及通信技術的混合體，對維修人員業務水平要求很高，并且維修費用非常高。然而，目前大部分的工業機器人的應用企業不具備自主維修的能力，往往通過外包來完成維修。以武漢地區為例，一個普通的工業機器人維修人員的日平均工資為1500元，這大大增加了工業機器人應用企業的成本壓力。另外，在機器人出現故障的時候，往往要通過服務商到企業故障現場進行診斷和維修，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的正常生產，增加了企業的損失。因此，先進的故障診斷技術對保證工業機器人穩定運行時十分重要。

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，提供計算、網絡和存儲能力。云平臺隨著多媒體技術、信息技術以及現代通訊技術的飛速發展，逐步成為工業機器人領域研究的熱點和重點。工業機器人通過云平臺實現對故障診斷技術的實施，可實現客戶端實時、可靠、準確對工業機器人進行遠程監控和故障診斷。另外，對工業機器人的安全隱患也可以及早發現，并實時進行分析診斷，做到“運籌帷幄之中，決勝千里之外”，這對企業提升維護水平、降低故障率、減少企業成本有著非常重要的實用價值。

一、工業機器人云平臺系統的需求分析

要建立一個工業機器人云平臺故障診斷系統，主要取決于以下幾點需求：①提高企業本身的技術人員對工業機器人的現場維護維修水平;②降低工業機器人現場調試、維護、維修服務的人力財力支出;③為工業機器人質量提升、產品優化改進提供第一手現場運行數據;④為客戶企業提供工業機器人的在線監測、管理、診斷、故障預警等服務。

依照以上需求，所建立的工業機器人云平臺故障診斷系統需要具備以下功能。①遠程監測功能為機器人的生產商和客戶企業提供在線運行機器人的遠程實時監測功能，需要監控的數據包括： 機器人運行的狀態數據、機器人控制系統的預警和報警數據，機器人故障分析和故障預測的關鍵數據、現場實時視頻監控數據等。②遠程診斷及維護功能。云平臺系統可以根據實時監測的機器人數據，及時發現當前可能故障類型并查找故障處置方式。還可以通過在線監測的歷史數據、狀態數據分析發現潛在問題，為機器人使用單位提供維護建議提示。同時，技術工程師能夠根據在線監測數據的分析，遠程優化調整運行參數。遠程診斷功能旨在當現場運行的機器人、機器人系統發生故障時，系統能夠通過遠程獲取的現場運行數據、報警數據分析并給出診斷結果，同時通過手機APP提示給現場技術工程師。③遠程調測功能。云平臺系統的遠程調測功能旨在幫助技術工程師通過系統的遠程實時監控網絡，獲取現場待測機器人的調試控制權，通過機器人控制系統預置的調測控制命令，并遠程監測測試運行指標數據，遠程測試機器人的性能、運行指標，給出測試結果。遠程調測功能需輔助以遠程視頻監控和語音互動等通訊功能，避免出現意外。④遠程預警和報警功能。云平臺的遠程預警和報警功能除了需要實時顯示報警信息外，還應該具備故障預測功能。⑤遠程數據分析和管理功能。工業機器人的設計、生產、安裝、調試、維護服務往往涉及到不同企業的不同團隊。使用企業也往往根據工業機器人的運行穩定性、服務質量去評價企業的各種團隊。隨著工業機器人云平臺的建立為企業的設計、生產、安裝、調試、維護提供了有益的參考。

二、工業機器人云平臺系統設計總體架構

根據系統的總體需求分析，需要設計一種云平臺系統的系統架構。將整個工業機器人云平臺診斷系統分成三層架構，分別是：設備層（數據采集控制系統）、傳輸層（信息網絡系統）和云平臺層（故障系統診斷系統）。整個系統的原理框圖如圖所示。

①設備層與工業機器人直接相連，設備層的數據采集系統包括：安裝于機器人各關鍵部位的無線輔助傳感器組和數據采集控制器所組成，負責采集機器人運行數據，進行機器人調測，并具備本地和遠程的數據傳輸功能。

②傳輸層介于平臺層和設備層之間。它的主要任務是解決企業中不同的工業機器人之間各種需要協調工作的通信。從通信的需要角度來說，要求通信網絡能夠高速傳遞大量信息數據和少量控制數據，同時具有較強的實時性。對傳輸層網絡，主要解決方案是使用工業以太網。

③云平臺層通過工業機器人云平臺進行數據接入、存儲、管理與分析，利用大數據架構進行工業機器人故障檢測建模。運用數據挖掘與分析技術對數據進行處理，應用面向分析的數據存儲和快速檢索技術，實現工業機器人的實時狀態監控和故障檢測。

三、工業機器人云平臺系統的關鍵技術

1.設備層的關鍵技術。設備層位于工業機器人系統的運行現場，其職能是將工業機器人的關鍵監測信息、運行狀態信息、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控系統，并能夠接收遠程調測命令和配置命令。由于工業機器人種類繁多，控制系統信號接口也不同，因此，設備層將面臨與現行工業機器人系統的數據通訊接口的確定——類型、數量、兼容，同時確定與之對應的通訊協議的任務。

2.傳輸層的關鍵技術。工業機器人系統與平臺層的信息傳輸/組網模式的設計、選擇、兼容是系統傳輸層開發、研究的重點與關鍵，其關鍵技術包括： 傳輸層的網絡架構的設計，視頻、監測、報警、命令信息傳輸的網絡統籌與協同設備層的上行網絡通訊方式的多元化設計。

3.云平臺層的關鍵技術。基于現場運行的工業機器人的關鍵運行數據監測、報警數據、輔助診斷數據，在對工業機器人故障機理、診斷建模理論方法明確的前提下，遠程監控中心需要為工業機器人的生產商和客戶企業提供在線診斷技術服務。

4.云平臺系統的診斷系統關鍵技術。云平臺系統的診斷系統關鍵技術是提高工業機器人生產企業技術服務水平、服務質量的關鍵技術和保障。遠程維護的過程需要企業現場技術人員與遠端技術人員的信息互動、需要遠端技術人員遠程對工業機器人進行測試、操控。在遠程調測過程中，遠程技術人員需要接管現場機器人的操控權。調測過程需要遠程實時監測機器人運行的關鍵信息，需要現場與遠端視頻信息、語音信息的互動。

四、總結

本文對工業機器人云平臺的故障診斷系統做了一些有益的探索，并展望了未來的發展前景。在傳統的制造業和云技術相互融合的今天，由原來的現場故障診斷到目前的云診斷，工業機器人的故障診斷技術取得了新的突破。但是隨著工業機器人的各種技術的不斷提高，同樣對故障診斷也提出了更高的要求，需要更多的技術人員對工業機器人的故障診斷進行研究和探索。[項目名稱：武漢科技大學城市學院科研項目項目編號：2019CYYBKY002]

（作者單位：武漢科技大學城市學院）