陳 濤

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151）

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用綜合了人工智能、計(jì)算機(jī)、機(jī)械以及電子等眾多方面的技術(shù)內(nèi)容，進(jìn)一步代替了人工完成綜合性的工作。從現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況來看，控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的系統(tǒng)由信號采集處理模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及故障診斷模塊共同組成，其中遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理，為日常維護(hù)以及故障診斷等提供更為充足的參考數(shù)據(jù)，既能提升工業(yè)機(jī)器人故障診斷效率，又能減少此方面成本投入，以保障企業(yè)生產(chǎn)制造活動安全穩(wěn)定進(jìn)行，助推企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 工業(yè)機(jī)器人信號處理系統(tǒng)

1.1 運(yùn)行原理

信號處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采集、處理與融合，在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中，通過對底層繁多的信號加以采集并集中進(jìn)行處理，直接向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供最為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而促使故障診斷效率有效提升。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在接收到信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，將狀態(tài)信號指令發(fā)送到故障診斷系統(tǒng)，然后在故障診斷系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析中，促使遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人的當(dāng)前應(yīng)用狀態(tài)，形成遠(yuǎn)程控制效果[1]。

對于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用而言，實(shí)施故障診斷工作能夠更好地預(yù)防故障與處理故障。而這工作的前提則是建立在對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與融合等，進(jìn)而在有效的故障信號處理的基礎(chǔ)上，完成對工業(yè)機(jī)器人的故障處理。使用多傳感器在現(xiàn)場直接獲取的信號無法直接用于對工業(yè)機(jī)器人故障的診斷、評估等，這是由于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行流程相對較為復(fù)雜，多傳感器所獲得的數(shù)據(jù)量較為龐大，每一信息之間可能會存在著冗余或矛盾等現(xiàn)象[2]。若不能夠?qū)@樣的數(shù)據(jù)加以處理，則無法直接用于故障分析。因此，通過數(shù)據(jù)信號的集中處理、變換與融合，能夠更好地對信號特征加以總結(jié)，從中提取出直接反映工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的信號特征，便于映射故障、性能與壽命之間的關(guān)系，確?？煽孔R別工業(yè)機(jī)器人的具體使用狀態(tài)。

1.2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

在工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)不斷發(fā)展的過程當(dāng)中，不斷完善信號采集與處理系統(tǒng)，促使其形成了更加卓越的信號處理功能。在信號采集等方面，通過相關(guān)研究結(jié)果的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，形成了一種通過陀螺儀或加速度器構(gòu)成的新型傳感器，從而采集機(jī)器人的振動信號。在中科院張興悟等的研究中，對工業(yè)機(jī)器人的信息采集系統(tǒng)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，提出了基于數(shù)字信號處理核心的技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)與當(dāng)代智能傳感器相互結(jié)合，形成了全新的信號處理與采集技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)，通過更加廣泛的工業(yè)機(jī)器人智能信號采集處理及其應(yīng)用設(shè)計(jì)，形成了更具適應(yīng)性的使用表現(xiàn)。

浙江大學(xué)的胡旭東對遠(yuǎn)程信號采集處理加以研究，提出了基于網(wǎng)絡(luò)存在的先進(jìn)信號處理方式[3]。同時(shí)，Yamamoto等為信號處理技術(shù)的應(yīng)用提出了更加智能的應(yīng)用方式，建立在多DSP控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合各類非視覺傳感器的應(yīng)用，形成了更加智能的應(yīng)用表現(xiàn)。而在當(dāng)前階段的研究中，更是研究出了基于信號處理器原理以及具體實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的方法。信號數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)應(yīng)用中獲得了更加強(qiáng)大的技術(shù)研究支撐，在華北理工大學(xué)王俊等的研究中，對工業(yè)機(jī)器人中高精度的全新多功能種類加以介紹，其中涉及六維腕力傳感器以及信號處理系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手腕的力矩信號等。在中科院沈陽分院自動化研究所實(shí)驗(yàn)室中，馬玉龍等對機(jī)器人的智能化應(yīng)用提出了想法，探究增強(qiáng)信號處理速度的有效方式，選擇無色卡爾曼濾波法加以應(yīng)用，這樣能夠促使工業(yè)機(jī)器人的故障診斷具有較高的數(shù)據(jù)信息采集速度，有效提高故障診斷速率。

由于涉及對信號的處理效果，則發(fā)現(xiàn)在以往的應(yīng)用中，信號收集處理系統(tǒng)面臨著一定的復(fù)雜性問題，包括信號采集中存在著一定的噪聲問題，進(jìn)而可能會對信號處理效果產(chǎn)生直接影響[4]。因此在相關(guān)研究中，提出了在腕力傳感器中應(yīng)用多重小波變換的方式，實(shí)現(xiàn)對信號噪聲比的去除工作，并在浮動閾值法對噪聲去除的作用下，形成了傳統(tǒng)處理方式所不具備的優(yōu)勢性能表現(xiàn)。而且在同濟(jì)大學(xué)的CIMS研究中心中，更是針對信號處理器提出了全新的應(yīng)用建議，基于對DSP以及CPLD的應(yīng)用，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)動態(tài)信號采集與同步處理的效果。這樣的研究結(jié)果調(diào)查論述表明，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展中，信號采集、處理以及融合方式呈現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢，改變了以往單一的應(yīng)用模式，在國內(nèi)外研究中研究者均在積極探索智能化應(yīng)用模式。

2 工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 運(yùn)行原理

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建立在動態(tài)收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)場運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)化的采集，并通過對數(shù)據(jù)的快速集中，完成狀態(tài)分析與故障處理，進(jìn)而確保為工業(yè)機(jī)器人的整體系統(tǒng)調(diào)度、調(diào)控等工作提供更為可靠的數(shù)據(jù)保障[5]。作為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用故障診斷的基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以快速完成故障隱患排除工作，不間斷監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的故障定位和處理，確保能夠在故障第一時(shí)間給出合理的解決方案。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為故障診斷模塊提供服務(wù)，通過數(shù)據(jù)指令的傳遞，承擔(dān)故障診斷模塊與工業(yè)機(jī)器人之間的溝通銜接任務(wù)。

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域中也逐漸應(yīng)用到更加先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同管理，進(jìn)而在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中形成了更加智能化的應(yīng)用表現(xiàn)。通過互聯(lián)網(wǎng)滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，便于對工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地監(jiān)控，基于超前診斷故障并進(jìn)行維護(hù)，便于提升工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行效率，降低故障發(fā)生概率，基于較高的維護(hù)速度以及處理能力，確保工業(yè)機(jī)器人在這樣的應(yīng)用場景下獲得較高的應(yīng)用價(jià)值。遠(yuǎn)程監(jiān)控是在工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用中有效控制故障發(fā)生的重要舉措，在國外逐漸發(fā)展工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)的過程中，通過更加廣泛地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能通信作用下的監(jiān)控與控制，確保滿足工業(yè)機(jī)器人的正常應(yīng)用需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免引發(fā)嚴(yán)重的故障問題。

2.2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，世界各國都開始重視對這一技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用[6]。瑞典的ABB公司對遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)加以研究，并開發(fā)出了遠(yuǎn)程服務(wù)平臺，用于對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行使用中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控。建立數(shù)據(jù)分析處理以及故障預(yù)判等相應(yīng)的功能，通過設(shè)置攜帶通信單元的服務(wù)箱，也能夠?qū)Ρ姸嗖杉瘮?shù)據(jù)加以儲存，便于后續(xù)調(diào)取應(yīng)用。日本FANUC公司同樣針對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提出了相應(yīng)的服務(wù)方案，不同于ABB公司的應(yīng)用模式，F(xiàn)ANUC提出的建議是建立在獨(dú)立運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)上所操作的，而并不需要設(shè)置服務(wù)箱。這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信溝通、故障分析，能夠在第一時(shí)間向技術(shù)工程師發(fā)送有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用故障信息并加以維護(hù)處理。

而在相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究中，辛辛那提大學(xué)的相關(guān)人員對此提出了明確的研究成果，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中，同時(shí)也可以將遠(yuǎn)程預(yù)測在健康管理中加以應(yīng)用，進(jìn)而通過對工業(yè)機(jī)器人的溫度信號、扭矩等相關(guān)參數(shù)的分析，對機(jī)械臂的運(yùn)行特征進(jìn)行預(yù)測，從而更好地對故障加以整合。西澳大利亞大學(xué)Taylor等通過遠(yuǎn)程監(jiān)控基于互聯(lián)網(wǎng)連接的具有6個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人，發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控作用下便于搭建更加有效的運(yùn)行模型，成功抓取并完成物體的搬運(yùn)。同時(shí)，對FANUC公司的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究，分析基于控制器與網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計(jì)，成功研發(fā)了關(guān)于遠(yuǎn)程控制工業(yè)機(jī)器人的原型網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控更加智能的應(yīng)用表現(xiàn)，分析在自動攝像頭控制下的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用模式，對遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)合加權(quán)偽逆冗余解決方法加以應(yīng)用，從而提出了全新的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方式，并且將這一模式應(yīng)用在庫卡KR16的機(jī)械臂上。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面，可以更加直觀地對其進(jìn)行有效監(jiān)控管理。同時(shí)當(dāng)前研究成果中，涉及在Web用戶的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以完成安全監(jiān)控以及及時(shí)的遠(yuǎn)程維護(hù)工作。在信息化的時(shí)代發(fā)展中，各種信息化應(yīng)用逐漸涌出，以信息化智能控制系統(tǒng)為例，其便于對工業(yè)機(jī)器人的工作數(shù)據(jù)以及周期等加以處理，便于直觀展示處理數(shù)據(jù)。為了便于人工對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)加以操作，利用觸覺信息創(chuàng)建了智能化觸屏監(jiān)控系統(tǒng)，就目前階段工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的實(shí)際成果而言，主要是朝向智能化的發(fā)展趨勢加以準(zhǔn)備，包括互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，均對遠(yuǎn)程監(jiān)控起到良好的輔助作用[7]。

3 工業(yè)機(jī)器人故障診斷模塊

3.1 運(yùn)行原理

在工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)處理流程中，故障診斷模塊的主要作用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)性的移動，并非人的移動。通過對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用過程中的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控[8]，從而對設(shè)備的異常狀態(tài)加以掌握，更好地對工業(yè)機(jī)器人加以維護(hù)，在故障發(fā)生前加以預(yù)防，或是能夠在故障發(fā)生后第一時(shí)間消除不利影響。在故障診斷模塊當(dāng)中，清晰直觀地展現(xiàn)故障位置與故障狀態(tài)，通過緊密聯(lián)系故障模式識別、故障程度預(yù)測以及故障狀態(tài)檢測等，充分滿足了基于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用過程中的全方位故障檢測需求，是今后工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢。

工業(yè)機(jī)器人的故障診斷模塊一般屬于檢測故障存在和確定故障定位功能的組合手段。故障診斷模塊對于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)更加便捷的故障檢測，在借助了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等前沿技術(shù)之后，故障診斷在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中獲得了更加良好的應(yīng)用成效。作為一種典型的先進(jìn)故障診斷方式，故障診斷的遠(yuǎn)程模式便于節(jié)約人力成本，無需技術(shù)人員深入工業(yè)制造現(xiàn)場親自診斷故障問題，不僅能夠提升故障檢驗(yàn)效率，同時(shí)也能夠?qū)夹g(shù)人員的人身安全起到一定的保障作用，降低故障檢驗(yàn)成本。在故障診斷過程中，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)信息完成集中處理之后，形成了更加完整的運(yùn)行信號，隨后通過將故障診斷系統(tǒng)與正常運(yùn)行數(shù)據(jù)加以對比，分析工業(yè)機(jī)器人與各數(shù)據(jù)對應(yīng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)是否存在故障問題，分析故障發(fā)生的原因，并進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位[9]。

3.2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

故障診斷技術(shù)在近年來的研究中呈現(xiàn)出更加前沿的發(fā)展趨勢，通過建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，形成了IRD技術(shù)，并獲得了國內(nèi)外的廣泛深入研究。基于多種實(shí)驗(yàn)活動，已經(jīng)充分累積出了更為先進(jìn)的應(yīng)用方式。發(fā)現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中，最為常見的故障形式包括氣動系統(tǒng)故障、執(zhí)行系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障等形式，而在故障檢測與診斷的相關(guān)研究中，國外相關(guān)領(lǐng)域的研究最早是在美國的明尼蘇達(dá)大學(xué)中所提出的。隨后在世界各國快速發(fā)展起故障診斷技術(shù)，印度相關(guān)研究中提出工業(yè)機(jī)器人的故障診斷，可利用云計(jì)算環(huán)境作為故障診斷的定位主體，從而對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集群計(jì)算，滿足智能維護(hù)應(yīng)用需求?；蚴窃贖alderr的研究下，采用魯棒非線性解析冗余方式完成故障檢測以及分離應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，可廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)解決工業(yè)機(jī)器人的故障問題，包括簡單環(huán)境下的溫濕度變化等引發(fā)的故障問題等，實(shí)現(xiàn)更加簡單的故障識別處理效果。而哥倫比亞大學(xué)的相關(guān)研究人員，提出了基于高斯空間狀態(tài)的模型離子應(yīng)用方式。而在我國，相關(guān)研究人員研發(fā)出了多模型評估的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)以及視覺模塊的可視化故障算法等，通過在焊接機(jī)器人的故障診斷中應(yīng)用數(shù)字電視的方式，促使故障診斷系統(tǒng)能夠更好地連接焊接機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而彌補(bǔ)了以往僅僅是通過網(wǎng)絡(luò)完成故障診斷的弊端。智能診斷可能會面臨著自適應(yīng)性相對較差或是數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題，進(jìn)而對診斷結(jié)果產(chǎn)生影響[10]。在今后的機(jī)器人遠(yuǎn)程故障診斷中，通過數(shù)據(jù)挖掘、虛擬現(xiàn)實(shí)與信息融合等技術(shù)的應(yīng)用，將會實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程異地?cái)?shù)據(jù)共享，便于更好地完成對工業(yè)機(jī)器人的故障診斷處理。

4 工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷未來發(fā)展前景

基于在工業(yè)機(jī)器人中所應(yīng)用到的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障診斷技術(shù)等，充分突破了以往在時(shí)間以及空間上數(shù)據(jù)傳遞、交換的限制，為工業(yè)機(jī)器人的正常應(yīng)用起到良好的調(diào)控與預(yù)防作用，在工業(yè)制 造中深受關(guān)注與重視。我國提出了制造2025規(guī)劃以及國際上工業(yè)4.0戰(zhàn)略的發(fā)展，全球制造行業(yè)已經(jīng)呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢。工業(yè)智能化生產(chǎn)制造的模式勢必會取代傳統(tǒng)制造業(yè)以往陳舊落后的生產(chǎn)制造模式，在工業(yè)生產(chǎn)中將會更加廣泛地應(yīng)用智能機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人以及打印機(jī)等智能設(shè)備，進(jìn)而在智能產(chǎn)品與設(shè)備的應(yīng)用下形成更加先進(jìn)的表現(xiàn)。

在工業(yè)智能化的發(fā)展趨勢下，包括理念、技術(shù)、裝備以及產(chǎn)品上的創(chuàng)新，將會促使制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，充分節(jié)約生產(chǎn)成本并提升生產(chǎn)制造效率。作為智能工廠以及智能生產(chǎn)的代名詞，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是工業(yè)智能化的前沿應(yīng)用手段，并且實(shí)現(xiàn)了更加有效的生產(chǎn)制造，作為智能化基礎(chǔ)，工業(yè)機(jī)器人的存在是智能化工業(yè)生產(chǎn)車間的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。而在工業(yè)機(jī)器人之間呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的智能化發(fā)展趨勢的背景下，對于遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障診斷技術(shù)等提出了更高的要求，為更好地為智能化生產(chǎn)提供保障，在進(jìn)入到大數(shù)據(jù)時(shí)代之后，應(yīng)對遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障診斷技術(shù)加以創(chuàng)新，促使其逐漸呈現(xiàn)出智能化的應(yīng)用趨勢，在今后的發(fā)展中能夠更好地為工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)智能化生產(chǎn)領(lǐng)域提供服務(wù)。

5 結(jié)語

綜上所述，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，基于遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷的技術(shù)流程，包括信息采集處理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及故障診斷模塊，在跟隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程當(dāng)中，將會形成更加智能的應(yīng)用表現(xiàn)。融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等形成了具有高精度、高可靠性的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷應(yīng)用，將會為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提供更加良好的保障。