淺析物聯網技術在工業機器人領域的應用

浙江億雄智能科技有限公司 裘雄偉

在現代社會建設發展中，工業領域跟隨智能化技術和自動化技術推進，不僅研發設計出多類工業機器人，還被廣泛運用到汽車組裝、金融加工、機械制造等領域中，依據高度自動化工業生產模式取代了傳統人工操作模式。本文在了解物聯網技術和工業機器人的基本概念后，根據新時代下物聯網技術在工業機器人行業中的應用方向，重點研究以物聯網技術為核心的柔性管道巡檢機器人。最終實驗結果證明，整體系統設計要比傳統設計性能更佳，現已逐漸取代了傳感器系統設備。

物聯網作為信息產業第三次革命性創新發展的最終成果，加快了信息化建設發展步伐，為新時代下行業企業創新發展提供了技術支撐。在社會經濟和科學技術飛速發展中，智能手機、智能電腦、智能傳感器等理論設備的開發應用，使社會環境變得更加智能化和數字化，這為新時期工業機器人的全面普及提供了有利條件。根據國家統計局收集的數據分析顯示，近年來，我國工業機器人的生產規模和數量呈現直線上升趨勢，工業制造題材依舊保持較高的關注度，行業增長發展趨勢非常顯著，因此，本文主要研究物聯網技術在工業機器人領域中的應用方向和有效措施。

1 物聯網技術和工業機器人的基本概念分析

1.1 物聯網技術

物聯網也被稱作萬物相連的互聯網，是基于互聯網延伸拓展出來的網絡技術，會有機結合信息傳感設備和網絡平臺，隨時隨地實現人機物的互聯互通。從實踐應用角度來看，物聯網基本特征主要體現在以下幾點：（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網和互聯網的基礎上，實時準確傳遞物體信息，方便信息溝通交流；（3）智能處理。整合運用各類智能技術分析處理感知傳送數據信息，真正實現監測管理的智能化發展目標[1]。

1.2 工業機器人

工業機器人作為應用在工業領域中的多關節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，真正實現工業加工制造的基本功能[2]。現如今，工業機器人主要應用在化工、物流、電子等多個領域中，具體結構設計分為以下內容：（1）機械結構系統。按照機械結構劃分工業機器人主要分為兩種，一種是指串聯機器人；另一種是指并聯機器人；（2）驅動系統。按照動力源劃分，工業機器人驅動系統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。這一系統設計會將機器人內部信息從信號轉變為可以理解的數據信息；（4）機器人—環境交互系統。這一系統設計能讓機器人和外部環境設備有效聯系和協調運行。

2 新時代下物聯網技術在工業機器人行業中的應用方向分析

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）引導功能；（3）感知功能。相比傳統專用機器人，普適機器人具有極強的通用性，在價格上能進入消費級區間，這代表著我國工業機器人研究已經進入全新時代。根據我國掌握的技術研究成果來看，目前，普適機器人的研究主要是提高個性化服務質量，而應用物聯網需要借助軟件管理、語音識別、任務執行管理等技術，以此在室內工業環境中傳遞數據信息，真正滿足室內空間的應用需求。

2.2 網絡機器人

網絡機器人主要以物聯網傳感器為技術依據，持續提高機器人的全局感，優化工業機器人的智能系統行為和感知范圍，確保其具備跟蹤、導航、移動、定位等基本功能。在應用物聯網技術前，工業機器人需要結合人工指令篩選物品，沒有真正實現自動化控制目標，但是在應用物聯網技術后，工業機器人可以通過提高機器人端自動化水平，自主完成任務指令[3]。比如說，目前科研學者提出的無人車智能機器人，就是利用物聯網技術為系統運行提供技術保障。結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據信息，在經過車內處理器的對比分析后，直接上傳到中央數據庫中，不僅能為機器人系統運行提供數據依據，還可以為指令設計提供有效依據。與此同時，物聯網技術還能更新處理數據庫數據信息，確保機器人系統在遇到突發事件時，可以及時保持車與車之間的距離，盡快做出有效的應急判斷處理。

2.3 智能空間機器人

在現代社會建設發展中，以異構數據和知識集成為核心的信息物理系統一直在不斷創新發展，國內智能化制造水平越來越高，以云計算、大數據、互聯網等高新技術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。為了真正實現特定環境下的信息管控，將物聯網技術應用到智能空間機器人研究設計中，可以得到遠程控制、遠程監控等多項功能，同時也可以提高工業機器人的環境識別能力，嚴格按照任務指令完成特定工作，比如說精準投放、物品篩選等[4]。面對越發復雜的工業機器人工作環境，科研學者提出利用射頻識別技術、分布式傳感器、視覺技術等，全面提高智能空間機器人的識別能力，解決傳統單目攝像頭的技術缺陷，提高物品搜索、物品篩選、物品傳遞的效率和質量。

3 案例分析

本文研究主要探討基于物聯網傳感器技術的智能管道巡檢機器人，其主要應用在當前建筑施工領域中，為管道布設、基坑檢測、管線巡查等提供技術依據。這種系統設計有效減少了人力資源成本支出，改變了傳統為特定檢測功能和檢測環境創造儀器設備的工作思路，能利用互聯網設計理念集中傳輸數據信息。

3.1 智能控制系統

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

系統自主巡回主要依靠機器人在管道系統中的位置分析，但因為管道系統設計比較復雜，且處在信號傳輸效率較低的地下空間或墻體內部等屏蔽區域，所以要利用“運動計程”和“定位點定位”相結合的方式解決難題。從實踐應用角度來看，工作人員要選擇適合的管道段安裝“定位套環”結構，在機器人上安裝相關感應器，這樣在機器人到達點位區域后，會觸發并上傳傳感信號，方便機器人準確判斷自己的定位區域。而“運動計程”的定位方式是利用機器人的外部導向輪結構，根據計量導向輪和管壁之間的相對轉動角度，在計算分析后明確機器人相對于管道的運行路徑。結合如圖1 所示的“運動計程”裝置結構分析可知，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，這樣在定位輪轉動的情況下，磁場經過霍爾傳感器的數量可以直接換算成兩者之間的旋轉角度。

圖1 “運動計程”的定位裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of positioning device of "Kinetometer"

本文研究系統會利用實際結果和運行指令整合判斷，根據自身傳感系統收集采集結果，在兩者對應理論結果不一致的情況下，可以判斷自動裝置出現故障。

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，對應的運行結果為管道內部位置改變。由于管道內部運動路徑具有唯一性，對應關系比較簡單，所以工作人員可以直接利用實際結果和運行指令實現自動化判定故障，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

結合圖2 分析可知，判定系統會自動收集運動指令，查詢對應表中預售的理論結果等待分析，同時借用管道內部定位系統判定實際結果。在實際結果和理論結果完全不同的情況下，可以判斷裝置運行出現安全故障。

3.2 柔性檢測系統

在我國經濟建設發展提出智能制造理念后，建筑領域管道巡檢機器人基于模塊化設計思路構成了柔性檢測系統，能將大量專用檢測設備濃縮成種類不多的通用設備。

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

分析整體模塊設計分析可知，動力輸出模塊和驅動輪模塊擁有多種規格隨意組合，可以在軟件設計上適應不同負載程度和管道尺寸。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固定要求設計的傳感系統，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計可以有效應用，要在不同模塊兩端設計標準節插口和標準螺紋，讓機器人各模塊之間實現有效對接。

（2）柔性軟件架構。在明確功能實踐的硬件系統后，要基于數據通信和控制通信實現自動對接[6]。在本文研究系統中，以一條通信總線為主，不管是數據通信信號還是控制信號都要以總線為主，按照問答式的系統結構實現核心控制[7]。

結合分析可知，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；另一方面系統擴展性較強，可以在整體系統中使用統一的通信規則，并沒有規定具體的模塊數量和應用功能。

3.3 物聯網傳感系統

物聯網傳感器系統適合應用在數量龐大、種類繁多、實時性要求高的工業控制現場網絡中，其中手機、電腦等常見終端設備都可以作為接入設備，直接運用到網絡體系中。本文研究的柔性管道巡檢機器人包含了三部分結構，首先是指機器人及地面基站；其次是指傳輸網絡節點；最后是指網關節點。由于機器人的安裝位置比較隨意，工程數量較為龐大的施工現場不適合大規模布線，所以工作人員提出利用工業無線通信網絡實現有效通信，這為距離相對較近的工業機器人現場管理提供了便利條件。

4 結語

綜上所述，物聯網技術背景下的工業機器人系統，不僅改變了傳統單一的發展模式，還為工業機器人全面普及提供了技術支持。因此，在經濟全球化發展趨勢下，面對新興技術帶來的機遇和挑戰，我國科研學者要從可持續發展角度入手，整合分析物聯網技術和工業機器人，積極解決傳統技術研究問題，提高核心技術競爭水平，讓工業機器人成為各領域創新發展的有效依據，以此為創造科技智能的社會環境貢獻力量。

引用

[1] 解增輝,梅斌,畢偉堯,等.一種輕量化五軸全并聯加工機器人研發與應用[J].物聯網學報,2021,5(3):10-20.

[2] 文波.物聯網技術在工業自動化中的應用研究[J].中國設備工程,2022(9):190-192.

[3] 李克龍,高宗輝,秦金.物聯網技術在工業自動化中的應用研究[J].現代工業經濟和信息化,2021(7):100-101.

[4] 楊芳華.漫談工業自動化領域物聯網技術的實際應用[J].工程技術研究,2021,3(11):150-152.

[5] 王家.智能化控制系統在散糧裝火車中的應用[J].現代食品,2022(16):14-18+24.

[6] 張湘濤,黃杰波,陳澤翰.物聯網技術在工業自動化中的應用[J].數字技術與應用,2022,40(9):120-122.

[7] 崔嘉偉.物聯網技術下多機器人綜合管理系統設計[J].信息記錄材料,2021,22(8):205-207.