增强现实技术在工业机器人故障诊断中的应用.pdf

109工 艺 与 装 备增强现实技术在工业机器人故障诊断中的应用李雪婧（襄阳职业技术学院，襄阳 441050）摘要：工业机器人作为自动化生产的重要组成部分，扮演着越来越重要的角色。然而，随着工业机器人系统的复杂性日益增加，故障诊断和维修变得越来越困难。传统的故障诊断方法主要包括基于模型的诊断方法、基于数据的诊断方法和基于经验的诊断方法。这些方法在实际应用中存在一定的局限性，如依赖于复杂的数学模型、需要大量的训练数据或者严重依赖技术人员的经验等。因此，寻找一种新的、高效的、可靠的工业机器人故障诊断技术成为当前研究的热点和趋势。针对工业机器人齿轮箱的故障信号难以准确识别的问题，提出一种基于增强现实（Augmented Reality，AR）技术的故障诊断方法。实验结果表明：在单一工况和复杂工况下，采用 AR 技术对工业机器人齿轮箱进行故障诊断，并得到不同数量障碍点情况下人工故障检测与 AR 检测的识别精度数据，证明了 AR 在工业机器人故障检测中的有效性，即相较于常规检测方法具有更高的准确性和 鲁棒性。关键词：增强现实（AR）技术；工业机器人；机器人故障诊断The Application of Augmented Reality Technology in Industrial Robot Fault DiagnosisLI Xuejing(Xiangyang Vocational and Technical Collage,Xiangyang 441050)Abstract:Industrial robots play an increasingly important role as a vital component of automated production.However,with the growing complexity of industrial robot systems,fault diagnosis and maintenance have become increasingly challenging.Traditional fault diagnosis methods mainly include model-based diagnosis,data-based diagnosis,and experience-based diagnosis.These methods have certain limitations in practical applications,such as reliance on complex mathematical models,the need for a large amount of training data,or heavy dependence on the experience of technical personnel.Therefore,finding a new,efficient,and reliable fault diagnosis technology for industrial robots has become a hot topic and trend in current research.In response to the problem of difficulty in accurately identifying fault signals in industrial robot gearboxes,a fault diagnosis method based on augmented reality technology is proposed.The experimental results show that the fault diagnosis of industrial robot gearbox is carried out by using AR technology under single and complex working conditions,the recognition accuracy data of artificial fault detection and AR detection under different number of obstacle points are obtained,which proves the effectiveness of AR in fault detection of industrial robots,that is,compared with conventional detection methods have higher accuracy and robustness.Keywords:Augmented Reality(AR)technology;industrial robots;robot fault diagnosis增强现实（Augmented Reality，AR）技术通过将计算机生成的虚拟信息叠加到真实世界，使用户能够在真实环境中感知到虚拟信息，从而为人机交互提供全新的方式。近年来，AR 技术在许多领域得到了广泛应用，如娱乐、医疗、教育等。在工业领域，尤其是工业机器人的故障诊断中，AR 技术显示出了巨大潜力。AR 技术可以帮助技术人员在现场直观了解机器的运行状态和故障信息，从而提高故障诊断的效率和精度。本文详细探讨增强现实技术在工业机器人故障诊断中的应用，包括应用流程、改进故障诊断策略等，同时讨论 AR 技术在故障诊断方面的发展前景，包括未来的发展趋势、诊断过程中的应用和挑战等。通过对 AR 技术在工业机器人故障诊断中的研究，期望能够为工业机器人的故障诊断提供新的视角和解决方案。1研究背景与研究意义1.1工业机器人的发展工业机器人在现代工业生产中扮演着重要角色，广泛应用于汽车、电子、食品、医疗、航空航天等行业。随着科技的发展，工业机器人在精度、速度、灵活性等方面的性能不断提升，促使其在生产线上的任务从简单的重复劳动转变为复杂的精细操作。这大大提高了生产效率，减轻了人工劳动强度，但也对机器人的稳定性和可靠性提出了更高要求。1.2AR 技术AR 技术正在各个行业发挥着越来越重要的作用，基金项目：2022年襄阳职业技术学院青年基金项目“高职课堂革命的研究与实践以 工业机器人操作与编程 课为例”（XYZY202222）。现 代 制 造 技 术 与 装 备1102023 年第 7 期总第 320 期特别是在现代化工厂中，正在逐步深入技术、工业生产的各个方面，形成了人机交互的新模式。首先，培训与提升技能。AR 解决方案可帮助企业解决培训和提升技能的挑战，有利于各级别的企业和工人。数字化的 AR 工作指导可以适应企业的需求，无论是对个人，还是全企业的培训。其次，数字化工作指导。AR 工作指导可以引导工人按照标准化流程进行操作。相比于阅读纸质指导，AR 可以直接将工作指导投影到工作表面，引导工人一步步进行，大大减少了错误和工人的认知负荷1。最后，质量保证。AR 解决方案可以在不影响周期时间的情况下，将快速检查步骤融入任何步骤。AR 软件甚至可以与 3D 视觉相机和机器学习技术整合，识别错误，如正确的扭矩、正确的线路布局等，并将所有的检查信息和过程数据存储起来确保每一个步骤都无误。2工业机器人故障诊断的常用方法工业机器人在生产过程中可能会出现各种故障，因此准确快速地进行故障诊断对于提高生产效率和降低成本非常重要。目前，工业机器人故障诊断主要采用基于模型的故障诊断方法、基于数据的故障诊断方法和基于经验的故障诊断方法。然而，这些方法在实际应用中存在一些局限性。基于模型的故障诊断方法是一种常见的故障诊断方法，主要通过建立机器人系统的物理模型或数学模型识别故障。这种方法可以通过模拟机器人的运动、力学和动力学行为来检测和诊断故障。它通常需要先对机器人系统进行建模和仿真，然后通过与实际数据比较来诊断故障。尽管基于模型的方法可以提供较高的精度和准确性，但在实际应用中存在一些挑战。一方面建立精确的模型需要大量的时间和精力，另一方面模型可能无法准确捕捉到机器人系统的复杂性和不确定性2。3AR 技术在工业机器人故障诊断中的应用3.1应用趋势AR 技术在工业机器人故障诊断中的未来发展趋势是实现更高质量、更智能化、更全面的故障诊断解决方案。随着硬件技术、算法技术和其他先进技术的进步，AR 技术将提供更强大的可视化能力、与其他技术的融合能力以及智能化的故障诊断能力，进一步提升工业机器人故障诊断的效率、准确性和可靠性，也可以进一步提升 AR 技术在工业机器人故障诊断中的可视化能力。随着硬件设备的不断升级和算法的不断优化，AR 技术可以提供更高质量、更逼真的虚拟信息显示，使得故障现象和诊断信息更加清晰和直观，提高故障诊断的准确性和效率。AR 技术与其他先进技术相结合，可实现更全面的故障诊断解决方案。随着人工智能、物联网和大数据技术的迅猛发展，AR技术可以与这些技术相互融合，实现更智能化和自动化的故障诊断3。3.2改进故障诊断策略传统的故障诊断策略需要依赖操作人员的经验和专业知识，通过观察和判断定位和识别故障。而 AR技术可以通过虚拟对象的显示和标记，直观指示故障所在的位置和部件。操作人员可以通过 AR 设备观察机器人系统，并通过实时的虚拟信息快速定位故障源。这种直观的定位和识别策略可以大大减少故障排查的时间和成本。AR 技术可以将专家的知识和经验以虚拟对象的形式叠加在真实环境中，使新手操作人员能够实时获得专家的指导和培训。然而，当前 AR 技术的发展水平完全不足以覆盖各种工业生产场景，需要进一步研究和发展其在不同应用场景下的具体实施策略，以实现其在工业机器人故障诊断中的最大潜力4-5。4实验测试基于单一工况，验证了AR技术在工业机器人故障诊断上的有效性。搭建的实验平台基于拥有 1 500 mm 臂展的 6 自由度工业机器人，其中一轴、二轴和三轴被称为机器人的手臂，四轴、五轴和六轴被称为机器人的手腕。机械臂的运动是将交流伺服电机作为动力源，机械臂与机械臂之间通过旋转矢量（Rotary Vector，RV）减速器连接，最终保证机械臂精确、可靠运行。图 1 为基于 AR 技术的故障诊断系统结构图。在单一工况下采集工业机器人的 6 种故障模式对应的振动信号，每种故障模式采集 819 个数据点，设置样本长度为 8 192，构建 61008 192 的样本特征矩阵。然后，对每个样本进行 5 层小波包变换，并在每层的计算中获得 7 个统计参数。因此，经过小波包变换后的样本维度为 5 400441，即 5 400 个样本，每个样本长度为 441，最终得到特征矩阵大小为600441。所有实验的训练和测试过程均使用 Matlab 2020b 编程，并在配置 Inteli 5 处理器和 16 GB 随机存储器（Random Access Memory，RAM）的电脑上执行，得到基于单一工况的故障诊断精度，如图 2 所示。通过数据分析发现，在故障点个数极小的情况下，AR 检测效率较高，故障点较多时（超过 300 个后），AR 检测相较于人工优势更加明显。111工 艺 与 装 备图 1基于 AR 技术的故障诊断系统结构图 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.40100200AR 检测精度人工检测精度300400500故障点个数/个故障诊断精度图 2基于单一工况的故障诊断精度5结语AR 技术作为一种融合虚拟信息和真实环境的技术，具有巨大的潜力，在工业机器人故障诊断领域得到了广泛应用。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，AR 技术在故障诊断中的应用能力将进一步增强。通过将计算机生成的虚拟信息与真实环境相融合，AR 技术为工业机器人故障诊断提供了新的视角和解决方案。针对工业机器人齿轮箱故障诊断的挑战，提出了基于 AR 技术的方法，并在实验中取得了显著的识别率。研究表明，AR 技术能够提供直观、准确和高效的故障诊断过程，提高了诊断的准确性和鲁棒性。未来 AR 技术的发展趋势将集中在进一步提升可视化能力、与其他先进技术的融合、远程协作和智能化故障诊断等方面。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（5）：62-72.2 喻其炳，孔丽杰，白云，等.基于深度玻尔兹曼机的工业机器人齿轮箱故障诊断 J.兵器装备工程学报，2023（4）：163-171.3 季成丞，王锴，袁德成.工业机器人故障诊断与健康预 测 方 法 研 究 J.自 动 化 技 术 与 应 用，2023（2）：1-9.4 韩特，李彦夫，雷亚国，等.融合图标签传播和判别特征增强的工业机器人关键部件半监督故障诊断方法 J.机械工程学报，2022（17）：116-124.5 徐天贇.工业机器人关节关键部件局部故障诊断方法研究 D.昆明：昆明理工大学，2022.