碼垛機器人健康狀態(tài)評估與診斷方法研究

周明，劉軍，，胡曉青

（1.北京物資學(xué)院信息學(xué)院；2.北京物資學(xué)院物流技術(shù)工程研究中心，北京 101149）

1 設(shè)備健康狀態(tài)評估與診斷的發(fā)展

由于計算機技術(shù)的不斷提高，物流設(shè)備越來越自動化和智能化，其內(nèi)部構(gòu)造也變得越來越復(fù)雜，由于過大負載或長時間工作，任何機器的性能都會不斷地發(fā)生退化，最終會出現(xiàn)功能失效等問題。物流設(shè)備健康狀態(tài)評估與診斷是指實時監(jiān)測設(shè)備運行動作和狀態(tài)，根據(jù)物流設(shè)備的運行狀態(tài)和動作判斷該設(shè)備的健康狀態(tài)，設(shè)備健康狀態(tài)的評估與診斷經(jīng)歷了3個階段。第一階段主要以基于故障的事后維修或定期維修為主，維修作為一種維護設(shè)備健康狀態(tài)的有效方式，在一定程度上可以保證設(shè)備的健康程度。起初，當機器發(fā)生故障停止運作之后再進行診斷和維修，這樣既影響工作效率又增加了維修成本。隨后又出現(xiàn)了計劃檢修，是基于每隔一段時間對設(shè)備進行一次檢查對其健康狀態(tài)進行評估。第二階段主要是傳統(tǒng)的基于設(shè)備狀態(tài)的維修(conditionbasedmaintenance,CBM)，這種維修方式通過實時監(jiān)測當前設(shè)備的健康狀態(tài)，并采用簡單的閾值法作為評判當前設(shè)備健康狀態(tài)的標準，以閾值為界限，低于閾值不進行維修操作繼續(xù)監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)指標，高于閾值，馬上進行維修。這種只在出現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)后才進行的合理維修，可以較大程度地減少維修費用和維修帶來的停機時間。這種維修方式有效避免了維修過度和時效性差等問題，隨著CBM理論以及設(shè)備預(yù)測與健康管理技術(shù)的發(fā)展，第三階段主要是基于狀態(tài)的故障預(yù)測維修，設(shè)備預(yù)測和健康管理技術(shù)最初是用于修復(fù)飛行器與原部件狀態(tài)的技術(shù)。設(shè)備預(yù)測和健康管理技術(shù)主要是利用傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和智能算法分析技術(shù)等，提取數(shù)據(jù)科學(xué)地分析出設(shè)備當前的健康狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測其走向，為接下來設(shè)備的健康管理措施提供依據(jù)。設(shè)備預(yù)測與健康管理技術(shù)一般用在機械設(shè)備的健康狀態(tài)評估中，在風(fēng)力發(fā)電機的健康狀態(tài)評估中，航空發(fā)動機的健康狀態(tài)評估中，電力設(shè)備的健康狀態(tài)評估中以及基于狀態(tài)監(jiān)測的車輛技術(shù)狀態(tài)評估中也都有應(yīng)用，主要采用的方法有模型法、層次分析法、模糊綜合評估法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)發(fā)等；設(shè)備健康狀態(tài)評估基于的參數(shù)主要包括傳感器所提取的特征參數(shù)、設(shè)備的規(guī)格參數(shù)、設(shè)備的歷史運行參數(shù)等；設(shè)備健康狀態(tài)的評估主要是利用設(shè)備的當前狀態(tài)參數(shù)和歷史運行參數(shù)，選擇合適的評估方法對其健康狀態(tài)進行分析和綜合，得到一個反應(yīng)設(shè)備當前狀態(tài)的結(jié)果。從而達到設(shè)備健康管理的目的。

2 碼垛機器人的運行故障分析

碼垛機器人作為物流生產(chǎn)線的核心設(shè)備之一，負責(zé)物品的分揀、揀選和碼垛，在貨物的流通過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，碼垛機器人發(fā)生故障，將影響物流倉儲生產(chǎn)線的正常作業(yè)。了解碼垛機器人運作過程中有哪些部件易發(fā)生故障以及發(fā)生故障的類型，對碼垛機器人在健康狀態(tài)評估和使用過程中該如何維護該設(shè)備具有重要的意義。碼垛機器人一個搬運工作周期的動作，具體如下：手臂放下→手爪抓包→手臂上升→腰部旋轉(zhuǎn)→腕部旋轉(zhuǎn)→手臂放下→手爪放包→手臂抬起→腰部旋轉(zhuǎn)→腕部旋轉(zhuǎn)，箱體碼垛運動過程中存在的故障總結(jié)分析如下。

2.1 抓取包故障

抓取包故障是指碼垛機器人在手爪抓包和放包的作業(yè)過程中，由于箱體的傾斜或定位裝置故障導(dǎo)致定位不準以至于機器人手爪抓取貨物的位置不準從而造成故障，以及在碼垛的過程中當箱體傾斜到一定程度時可能出現(xiàn)箱提掉落等情況導(dǎo)致不能繼續(xù)碼箱等。再者，由于碼垛機制故障，箱體碼錯位置，繼續(xù)進行碼垛作業(yè)，可能發(fā)生撞箱如果監(jiān)測到這幾種故障，應(yīng)該立即采取措施并及時糾正。

2.2 手臂升降故障

物流倉儲下的碼垛機器人主要負責(zé)使生產(chǎn)線上的物品在脫離生產(chǎn)線后堆放到指定位置供下一個環(huán)節(jié)使用。碼垛機器人的起升降機構(gòu)主要由驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、減速器、鋼絲繩、卷筒和滑輪等部分組成。機械臂的升降主要通過電機驅(qū)動鋼絲繩作用聯(lián)軸器帶動機械臂實現(xiàn)箱體的抓放和箱體的移動等工作。機械臂在升降過程中鋼絲繩斷裂及運行不穩(wěn)定產(chǎn)生的晃動現(xiàn)象不可避免，這對碼垛機器人機械臂抓取的箱體產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)抓手松動，箱體掉落等現(xiàn)象。

2.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)故障

碼垛機器人的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由減速器輸出軸帶動標準直齒輪副進而帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運動。主要有腰部旋轉(zhuǎn)和腕部旋轉(zhuǎn)兩個動作。目的是把生產(chǎn)線上的貨物通過碼垛機器人抓取到碼垛的區(qū)域內(nèi)進行碼垛。齒輪長時間運作、摩擦，過熱可能導(dǎo)致齒輪故障。如果在正常的使用過程中碼垛機器人的機械臂停止旋轉(zhuǎn)且時間過長，系統(tǒng)若監(jiān)視到這種情況后，判斷為設(shè)備已經(jīng)故障，發(fā)出故障信號，提示相關(guān)人員注意并檢查設(shè)備健康情況。

2.4 電機故障

電動機的故障根據(jù)部件是否帶電可分為電氣故障和機械故障。電氣故障是指帶電體及其附屬機構(gòu)，包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、電刷等故障；機械故障是指非帶電體的故障，包括軸承、轉(zhuǎn)軸、端蓋、機殼、風(fēng)扇等故障，造成電動機不能正常運作的原因主要包括：（1）電源電壓不符合額定電壓。電壓過低于額定電壓，導(dǎo)致電機啟動后達不到額定轉(zhuǎn)速，以至于電機電流過大，繞組溫度升高，甚至冒煙燒毀；電壓過高超出額定電壓，導(dǎo)致電機超速工作，長時間使電機過熱而損壞。（2）電機負載不符合規(guī)格。由于貨物本身太大，電機負載超過額定值，或者碼垛機器人其他部分出現(xiàn)卡頓，阻止電機動作致使電機負載過大。如果電機長時間過載運行，將會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速過低、電流變大、繞組的溫度隨之升高，最終導(dǎo)致電機故障。因此必須經(jīng)常監(jiān)視電動機的電流，防止過載。

3 碼垛機器人健康評估與診斷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王海靜的基于多傳感器信息融合的碼垛過程監(jiān)控與故障診斷的研究中，提出了將視覺和內(nèi)部傳感器信號感知信息融合監(jiān)控診斷的方法。分析了單獨使用視覺或內(nèi)部傳感器進行系統(tǒng)監(jiān)控的不足之處，在此基礎(chǔ)上，針對碼垛機器人的碼垛過程、產(chǎn)品的安全性等要求，將多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用到碼垛系統(tǒng)中，并以信息融合技術(shù)理論知識為基礎(chǔ)，總結(jié)得到碼垛系統(tǒng)的多傳感器信息融合的基本原理圖、所采用的結(jié)構(gòu)形式以及信息融合故障檢測方法。針對碼垛機器人多傳感器系統(tǒng)的特性和現(xiàn)場環(huán)境特點，總結(jié)出系統(tǒng)常見的故障類型，并采用模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法實現(xiàn)對碼垛系統(tǒng)的故障監(jiān)控和診斷。

劉久富、陳珂等人基于含不可觀變遷Petri網(wǎng)的碼垛機器人零件加工系統(tǒng)故障檢測方法，對Petri網(wǎng)在機器系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用進行了研究，建立了Petri網(wǎng)系統(tǒng)模型，應(yīng)用基本可達樹故障檢測算法進行檢測。

王瑞芳、劉林等在機器人系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)研究提到將故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)應(yīng)用到機器人系統(tǒng)的維護中。論述了PHM關(guān)鍵技術(shù)——故障預(yù)測技術(shù)的特點和研究內(nèi)容。對故障預(yù)測技術(shù)進行分類和分析，總結(jié)出各種預(yù)測方法的特點。最后提出了基于統(tǒng)計過程控制(SPC)進行故障預(yù)測的方法。

上述學(xué)者將健康狀態(tài)評估與診斷技術(shù)應(yīng)用于碼垛機器人運行監(jiān)測之中，取得了一定的成果，為以后的學(xué)者研究該設(shè)備的健康狀態(tài)評估與診斷指導(dǎo)了一個新的發(fā)展方向。然而相對于健康狀態(tài)的評估與診斷技術(shù)在航空飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用，其在碼垛機器人上的運用還處于探索階段，真正投入到物流上碼垛機器人健康狀態(tài)診斷的實例并不多，該技術(shù)在碼垛機器人上的運用仍然需要更多的研究和創(chuàng)新。

4 碼垛機器人健康管理系統(tǒng)的設(shè)計方案

用于碼垛機器人健康狀態(tài)評估的健康管理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該包括設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、健康評估系統(tǒng)、故障時間預(yù)測系統(tǒng)以及維修決策系統(tǒng)組成。

（1）設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)主要是對當前設(shè)備的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測，由多傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控，其位置的安放應(yīng)該有效覆蓋整個設(shè)備涉及到的應(yīng)檢測的零件和局部部位，并且將所測實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端，由于用于物流生產(chǎn)線的設(shè)備體型較大，且1臺終端所能外擴的數(shù)據(jù)采集模塊有限，故采用1臺檢測機對應(yīng)管理1個傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由兩部分組成，首先在傳感器采集設(shè)備的特征信號（振動信號，溫濕度信號，視覺圖像信號）時，進行初步的數(shù)據(jù)處理，在提取特征信號時，利用成熟的技術(shù)手段，算法等降低噪聲或者其他干擾信號的影響。然后對終端接收到的數(shù)據(jù)進行處理，首先是驗證數(shù)據(jù)是否正確。通過于本地服務(wù)器數(shù)據(jù)進行校驗，若服務(wù)器中存在該設(shè)備信息，則接入反應(yīng)該碼垛機器人狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)。

（3）健康評估系統(tǒng)用于判斷當前的健康狀況，一般設(shè)置為定期或不定期地對設(shè)備狀態(tài)做出評估，以規(guī)則庫為核心，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入特定的應(yīng)用程序，由程序中的規(guī)則庫對讀取的數(shù)據(jù)進行處理。如果數(shù)據(jù)正常，按常規(guī)規(guī)律波動，則說明設(shè)備良好，若數(shù)據(jù)波動較理論數(shù)據(jù)波動較大或完全不一樣，做出故障判斷信息，根據(jù)設(shè)備性能衰退趨勢的分析和決定設(shè)備隱形故障的關(guān)鍵因素（時間，工作強度）制定出設(shè)備健康狀態(tài)分級標準，以便之后在此標準下進行維修保養(yǎng)等操作。

（4）維修決策系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，存儲著大量的設(shè)備維修解決方案，這些方案的設(shè)定來源基于不同的歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)致的健康評估分級指標，對于每次健康評估分級指標，若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中有匹配的信息，系統(tǒng)直接調(diào)用其解決方案進行設(shè)備的維修決策。若系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中沒有與之匹配的信息，則報警，由設(shè)備管理員根據(jù)健康評估分級指標提出設(shè)備的維修方案進行維修，觀察后效，如果效果明顯，則把維修方案添加到數(shù)據(jù)庫中，供以后使用。

碼垛機器人是機械和計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，對于碼垛機器人的研究重點更多的是在其路徑的優(yōu)化和運動學(xué)等方面，就其設(shè)備監(jiān)測方面研究較少。本文主要采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行特征信號的提取，然后利用健康管理系統(tǒng)進行設(shè)備的健康狀態(tài)的評估和維修決策。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行計算軟件和硬件技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其是人工智能技術(shù)的進步，利用多傳感器融合技術(shù)來提取碼垛機器人的狀態(tài)信息更準確，多傳感器數(shù)據(jù)融合將成為未來復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)智能檢測與數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大。

多傳感器融合技術(shù)有以下兩點優(yōu)勢，①可以克服利用一種信息判斷機器故障和不可靠現(xiàn)象。②避免不同的故障可能以同一征兆形式表現(xiàn)出來誤判斷操作。對同一部位多中特征信息綜合得到的結(jié)果更能反映當前設(shè)備的真實情況。只有從多方面獲得關(guān)于同一對象的多維信息，并加以綜合利用，才能對設(shè)備進行更可靠更準確地診斷。多傳感器數(shù)據(jù)融合不是一門單一的技術(shù)，而是一門跨學(xué)科的綜合理論和方法，并且是一個不太成熟的新研究領(lǐng)域，尚處在不斷變化和發(fā)展過程中

5 結(jié)語

本文首先介紹了碼垛機器人運行過程中健康狀態(tài)評估與診斷技術(shù)的發(fā)展歷程，從最初的人工維修、計劃檢修發(fā)展到基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的健康管理系統(tǒng)。分析了碼垛機器人使用期間可能出現(xiàn)故障的部位以及常見故障產(chǎn)生的原因，在國內(nèi)外設(shè)備健康評估與診斷的研究基礎(chǔ)之上介紹了碼垛機器人的監(jiān)測與診斷研究現(xiàn)狀。設(shè)備健康狀態(tài)的評估與診斷理論研究及應(yīng)用已經(jīng)相當成熟，最早廣泛用于航天飛行器的健康狀態(tài)監(jiān)測上，碼垛機器人很多研究是關(guān)于其軌跡和路徑的優(yōu)化以及運動學(xué)等方面，而對碼垛機器人的健康狀態(tài)評估與診斷的應(yīng)用起步比較晚，理論及應(yīng)用還不夠成熟，仍然有很大的發(fā)展空間。