工业机器人远程监控与故障诊断研究综述.pdf

2023 年 10 月下147Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备工业机器人远程监控与故障诊断研究综述*陈涛（湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151）摘要：为了更好地研究工业机器人在应用与维护过程中的技术手段，以调查工业机器人远程监控与故障诊断构成为例进行研究。笔者阐述了工业机器人信号处理系统、远程监控系统、故障诊断模块等的原理以及研究现状，展望了工业机器人远程监控与故障诊断未来发展前景。结果表明，随着科学技术的不断发展，工业机器人远程监控与故障诊断技术逐渐完善，融合网络技术、人工智能以及计算机系统等形成了具有高精度、高可靠性的远程监控与故障诊断应用，能够对工业机器人的应用起到良好保障作用。关键词：工业机器人；远程监控；故障诊断中图分类号：TP242.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.20.038工业机器人的应用综合了人工智能、计算机、机械以及电子等众多方面的技术内容，进一步代替了人工完成综合性的工作。从现阶段工业生产制造领域中工业机器人的应用情况来看，控制工业机器人运行的系统由信号采集处理模块、远程监控系统以及故障诊断模块共同组成，其中远程监控与故障诊断技术相结合，可以实现工业机器人运行数据实时采集与处理，为日常维护以及故障诊断等提供更为充足的参考数据，既能提升工业机器人故障诊断效率，又能减少此方面成本投入，以保障企业生产制造活动安全稳定进行，助推企业高质量发展。1 工业机器人信号处理系统1.1 运行原理信号处理系统主要负责对工业机器人运行过程中的数据信号进行采集、处理与融合，在实际运行过程当中，通过对底层繁多的信号加以采集并集中进行处理，直接向远程监控系统提供最为精准的数据信息，进而促使故障诊断效率有效提升。远程监控系统在接收到信号处理系统的数据后，将状态信号指令发送到故障诊断系统，然后在故障诊断系统的详细数据分析中，促使远程监控系统控制工业机器人的当前应用状态，形成远程控制效果1。对于工业机器人的应用而言，实施故障诊断工作能够更好地预防故障与处理故障。而这工作的前提则是建立在对工业机器人的应用基础上实现数据的采集、处理与融合等，进而在有效的故障信号处理的基础上，完成对工业机器人的故障处理。使用多传感器在现场直接获取的信号无法直接用于对工业机器人故障的诊断、评估等，这是由于工业机器人的运行流程相对较为复杂，多传感器所获得的数据量较为庞大，每一信息之间可能会存在着冗余或矛盾等现象2。若不能够对这样的数据加以处理，则无法直接用于故障分析。因此，通过数据信号的集中处理、变换与融合，能够更好地对信号特征加以总结，从中提取出直接反映工业机器人运行状态的信号特征，便于映射故障、性能与寿命之间的关系，确保可靠识别工业机器人的具体使用状态。1.2 技术研究现状在工业机器人远程监控与故障诊断系统不断发展的过程当中，不断完善信号采集与处理系统，促使其形成了更加卓越的信号处理功能。在信号采集等方面，通过相关研究结果的调查发现，形成了一种通过陀螺仪或加速度器构成的新型传感器，从而采集机器人的振动信号。在中科院张兴悟等的研究中，对工业机器人的信息采集系统进行模块设计时，提出了基于数字信号处理核心的技术应用，同时与当代智能传感器相互结合，形成了全新的信号处理与采集技术应用表现，通过更加广泛的工业机器人智能信号采集处理及其应用设计，形成了更具适应性的使用表现。浙江大学的胡旭东对远程信号采集处理加以研究，提出了基于网络存在的先进信号处理方式3。同时，Yamamoto等为信号处理技术的应用提出了更加智能的应用方式，建立在多DSP控制的基础上，结合各类非视觉传感器的应用，形成了更加智能的应用表基金项目：2021年度湖南省教育厅科学研究项目（21C1129）作者简介：陈涛（1987），女，湖南岳阳人，硕士研究生，讲师，研究方向为工业机器人工程。1482023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备现。而在当前阶段的研究中，更是研究出了基于信号处理器原理以及具体实现应用的方法。信号数据采集与处理系统应用中获得了更加强大的技术研究支撑，在华北理工大学王俊等的研究中，对工业机器人中高精度的全新多功能种类加以介绍，其中涉及六维腕力传感器以及信号处理系统，从而实时检测机械手腕的力矩信号等。在中科院沈阳分院自动化研究所实验室中，马玉龙等对机器人的智能化应用提出了想法，探究增强信号处理速度的有效方式，选择无色卡尔曼滤波法加以应用，这样能够促使工业机器人的故障诊断具有较高的数据信息采集速度，有效提高故障诊断速率。由于涉及对信号的处理效果，则发现在以往的应用中，信号收集处理系统面临着一定的复杂性问题，包括信号采集中存在着一定的噪声问题，进而可能会对信号处理效果产生直接影响4。因此在相关研究中，提出了在腕力传感器中应用多重小波变换的方式，实现对信号噪声比的去除工作，并在浮动阈值法对噪声去除的作用下，形成了传统处理方式所不具备的优势性能表现。而且在同济大学的CIMS研究中心中，更是针对信号处理器提出了全新的应用建议，基于对DSP以及CPLD的应用，能够达到实时动态信号采集与同步处理的效果。这样的研究结果调查论述表明，在工业机器人的应用发展中，信号采集、处理以及融合方式呈现出智能化发展趋势，改变了以往单一的应用模式，在国内外研究中研究者均在积极探索智能化应用模式。2 工业机器人远程监控系统2.1 运行原理远程监控系统建立在动态收集数据的基础上，对工业机器人的现场运行状况进行实时动态化的采集，并通过对数据的快速集中，完成状态分析与故障处理，进而确保为工业机器人的整体系统调度、调控等工作提供更为可靠的数据保障5。作为工业机器人应用故障诊断的基础，远程监控系统可以快速完成故障隐患排除工作，不间断监控，可以实现更准确的故障定位和处理，确保能够在故障第一时间给出合理的解决方案。远程监控系统为故障诊断模块提供服务，通过数据指令的传递，承担故障诊断模块与工业机器人之间的沟通衔接任务。随着当前科学技术水平的不断提升，在工业机器人的应用领域中也逐渐应用到更加先进的互联网进行协同管理，进而在远程监控系统中形成了更加智能化的应用表现。通过互联网满足远程监控需求，便于对工业机器人实现远程异地监控，基于超前诊断故障并进行维护，便于提升工业机器人的运行效率，降低故障发生概率，基于较高的维护速度以及处理能力，确保工业机器人在这样的应用场景下获得较高的应用价值。远程监控是在工业机器人广泛应用中有效控制故障发生的重要举措，在国外逐渐发展工业机器人远程监控服务系统的过程中，通过更加广泛地应用网络通信技术，实现智能通信作用下的监控与控制，确保满足工业机器人的正常应用需求，及时发现故障隐患，避免引发严重的故障问题。2.2 技术研究现状随着远程监控系统在工业制造领域的广泛应用，世界各国都开始重视对这一技术的开发应用6。瑞典的ABB公司对远程监控技术加以研究，并开发出了远程服务平台，用于对工业机器人运行使用中的状态进行实时动态监控。建立数据分析处理以及故障预判等相应的功能，通过设置携带通信单元的服务箱，也能够对众多采集数据加以储存，便于后续调取应用。日本FANUC公司同样针对远程监控系统提出了相应的服务方案，不同于ABB公司的应用模式，FANUC提出的建议是建立在独立运行的远程监控维护系统上所操作的，而并不需要设置服务箱。这样的远程监控系统便于实现远程通信沟通、故障分析，能够在第一时间向技术工程师发送有关工业机器人的应用故障信息并加以维护处理。而在相关领域的学术研究中，辛辛那提大学的相关人员对此提出了明确的研究成果，在工业机器人的应用中，同时也可以将远程预测在健康管理中加以应用，进而通过对工业机器人的温度信号、扭矩等相关参数的分析，对机械臂的运行特征进行预测，从而更好地对故障加以整合。西澳大利亚大学Taylor等通过远程监控基于互联网连接的具有6个自由度的工业机器人，发现在远程监控作用下便于搭建更加有效的运行模型，成功抓取并完成物体的搬运。同时，对FANUC公司的工业机器人进行研究，分析基于控制器与网络的接入设计，成功研发了关于远程控制工业机器人的原型网络。为实现远程监控更加智能的应用表现，分析在自2023 年 10 月下149Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备动摄像头控制下的工业机器人应用模式，对远程监控结合加权伪逆冗余解决方法加以应用，从而提出了全新的远程监控解决方式，并且将这一模式应用在库卡KR16的机械臂上。通过远程监控画面，可以更加直观地对其进行有效监控管理。同时当前研究成果中，涉及在Web用户的基础上实现对工业机器人的远程监控，以完成安全监控以及及时的远程维护工作。在信息化的时代发展中，各种信息化应用逐渐涌出，以信息化智能控制系统为例，其便于对工业机器人的工作数据以及周期等加以处理，便于直观展示处理数据。为了便于人工对远程监控系统加以操作，利用触觉信息创建了智能化触屏监控系统，就目前阶段工业机器人的远程监控系统发展的实际成果而言，主要是朝向智能化的发展趋势加以准备，包括互联网、计算机以及虚拟现实技术等，均对远程监控起到良好的辅助作用7。3 工业机器人故障诊断模块3.1 运行原理在工业机器人的远程监控与故障诊断技术处理流程中，故障诊断模块的主要作用实现了数据性的移动，并非人的移动。通过对工业机器人应用过程中的设备参数进行监控8，从而对设备的异常状态加以掌握，更好地对工业机器人加以维护，在故障发生前加以预防，或是能够在故障发生后第一时间消除不利影响。在故障诊断模块当中，清晰直观地展现故障位置与故障状态，通过紧密联系故障模式识别、故障程度预测以及故障状态检测等，充分满足了基于工业机器人应用过程中的全方位故障检测需求，是今后工业机器人远程监控与故障诊断应用的重要发展趋势。工业机器人的故障诊断模块一般属于检测故障存在和确定故障定位功能的组合手段。故障诊断模块对于工业机器人的应用能够实现更加便捷的故障检测，在借助了计算机技术、通信技术等前沿技术之后，故障诊断在工业机器人的应用中获得了更加良好的应用成效。作为一种典型的先进故障诊断方式，故障诊断的远程模式便于节约人力成本，无需技术人员深入工业制造现场亲自诊断故障问题，不仅能够提升故障检验效率，同时也能够对技术人员的人身安全起到一定的保障作用，降低故障检验成本。在故障诊断过程中，通过远程监控系统所收集的数据信息完成集中处理之后，形成了更加完整的运行信号，随后通过将故障诊断系统与正常运行数据加以对比，分析工业机器人与各数据对应的运行结构是否存在故障问题，分析故障发生的原因，并进行准确的故障定位9。3.2 技术研究现状故障诊断技术在近年来的研究中呈现出更加前沿的发展趋势，通过建立在互联网的基础上，形成了IRD技术，并获得了国内外的广泛深入研究。基于多种实验活动，已经充分累积出了更为先进的应用方式。发现在工业机器人的应用中，最为常见的故障形式包括气动系统故障、执行系统故障、控制系统故障等形式，而在故障检测与诊断的相关研究中，国外相关领域的研究最早是在美国的明尼苏达大学中所提出的。随后在世界各国快速发展起故障诊断技术，印度相关研究中提出工业机器人的故障诊断，可利用云计算环境作为故障诊断的定位主体，从而对工业机器人的运行实现远程集群计算，满足智能维护应用需求。或是在Halderr的研究下，采用鲁棒非线性解析冗余方式完成故障检测以及分离应用。随着现代信息技术的发展，可广泛应用网络解决工业机器人的故障问题，包括简单环境下的温湿度变化等引发的故障问题等，实现更加简单的故障识别处理效果。而哥伦比亚大学的相关研究人员，提出了基于高斯空间状态的模型离子应用方式。而在我国，相关研究人员研发出了多模型评估的神经网络故障诊断技术以及视觉模块的可视化故障算法等，通过在焊接机器人的故障诊断中应用数字电视的方式，促使故障诊断系统能够更好地连接焊接机系统，进而弥补了以往仅仅是通过网络完成故障诊断的弊端。智能诊断可能会面临着自适应性相对较差或是数据不准确等问题，进而对诊断结果产生影响10。在今后的机器人远程故障诊断中，通过数据挖掘、虚拟现实与信息融合等技术的应用，将会实现对工业机器人的远程异地数据共享，便于更好地完成对工业机器人的故障诊断处理。4 工业机器人远程监控与故障诊断未来发展前景基于在工业机器人中所应用到的远程监控以及故障诊断技术等，充分突破了以往在时间以及空间上数据传递、交换的限制，为工业机器人的正常应用起到良好的调控与预防作用，在工业制（下转第155页）2023 年 10 月下155Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备机械领域有着非常广阔的应用前景。参考文献：1 任天乐.基于机器视觉的农业机器人自主作业研究J.南方农机，2020，51(16)：26-27.2 胡锦欣，秦工，裴思垚，等.基于Linux的图像采集及通信系统J.电子世界，2020(22)：131-132+135.3 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结语综上所述，在工业机器人的应用领域，基于远程监控与故障诊断的技术流程，包括信息采集处理系统、远程监控系统以及故障诊断模块，在跟随现代科学技术不断发展的过程当中，将会形成更加智能的应用表现。融合网络技术、人工智能以及计算机系统等形成了具有高精度、高可靠性的远程监控与故障诊断应用，将会为工业机器人的应用提供更加良好的保障。参考文献：1 王晓蓥，李帅永.基于参数联合优化VMD-SVM的工业机器人旋转部件故障诊断方法J.计算机测量与控制，2023，31(5)：62-72.2 徐淑琼，袁从贵，甘伟.基于协同模糊支持向量机的工业机器人故障诊断研究J.现代制造技术与装备，2023，59(3)：196-199.3 胡旭东.基于网络的异构工业机器人集成技术研究D 杭州：浙江大学，2004.4 康晋.基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统设计J.计算机测量与控制，2022，30(9)：119-124+132.5 禹鑫燚，应皓哲，郑坤.虚实结合的低延时工业机器人监控调试系统J.高技术通讯，2022，32(12)：1273-1282.6 朱文玲.工业机器人故障诊断技术的发展趋势J.南方农机，2020，51(20)：185-186.7 傅贵武，田英，王兴波.基于SDK通信接口的工业机器人远程监控系统设计J.机床与液压，2020，48(17)：29-33.8 关金祥，王国乾，刘杰.基于视觉检测的机器人分拣系统及其远程监控的设计J.自动化应用，2019(9)：78-79.9 陈亮，杨晓艳，彭林.工业机器人在线控制和远程监测系统设计与实现J.机电工程技术，2019，48(9)：121-123+170.10 侯智，陈进.工业机器人远程监控与故障诊断研究综述J.机床与液压，2018，46(15)：172-176+168.（上接第149页）