生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統設計

李 爽，孟慶春

（鄭州工業應用技術學院 軟件學院，鄭州 451199）

0 引言

隨著社會進入新工業時代，制造業生產方式已經全面完成4.0升級。工業物聯網的提出，將智能數據分析、移動通信融合應用于制造業生產的各個方面。制造業生產中，生產線重載搬運機器人是上述思想的重要應用，這種應用可全方位地縮減了制造業生產成本，降低資源消耗。生產線重載搬運機器人的運行狀態直接影響制造業生產的生產效率，因此，監測生產線重載搬運機器人實時狀態，成為相關領域學者 待解決的問題。針對工業機器人的應用研究較為常見：

文獻[1]設計了基于長短期記憶的機器人健康監測系統。該方法依據方差分析方法確定機器人狀態變化感應信號。再使用主成分分析法對機器人多維傳感數據實施融合，通過融合數據與特征數據的相似度計算，獲取機器人的運行狀態指數。最后通過建立的長短期記憶網絡模型完成機器人運行狀態的健康預測。文獻[2]設計了基于移動終端的工業機器人遠程監測與故障診斷系統設計。該方法針對目前監測系統中存在的形式單一問題，建立了以移動終端為監測平臺的機器人遠程監測系統。該系統依據Internet完成機器人的運行數據采集。通過服務器將數據上傳至用戶終端，使用戶能夠通過手機、平板實現機器人運行狀態的監測。文獻[3]設計了基于TCP/IP協議的除草機器人遠程監測系統。該方法依據TCP/IP原理建立了機器人狀態實時監測系統的總體框架以及軟硬件平臺框架。再對系統軟硬件開展具體分析；最后依據QT軟件完成了機器人狀態實時監測系統的監測界面設計，實現機器人運行狀態的實時監測。

但上述系統在狀態監測過程中的監測效果差。為解決上述機器人運行狀態監測系統中存在的問題，設計了一種新的生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統。

1 系統總體設計

1.1 系統整體框架設計

基于上述系統的設計要求，完成生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統的總體框架設計如圖1所示。

圖1 重載搬運機器人實時狀態監測系統總體框架設計

分析圖1可知，生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統的總體框架分為移動終端模塊、管理模塊、數據監測顯示模塊、網絡通信模塊、報警模塊以及數據庫模塊。

1.2 系統關鍵網絡通信模塊硬件設計

網絡通信模塊主要負責搬運機器人實時狀態監測系統中數據的通信，主要分為LoRa基站傳輸模塊以及通信方式選擇模塊兩類。

LoRa基站傳輸模塊在LoRa選型時，需要選取LoRa時需要LoRa射頻為Sx1278，數據緩沖區為256Bytes，基站傳輸過程中，傳輸頻率在169至433M之間，傳輸速率在0.5至11kbit/s之間的LoRa基站。在類型選擇子模塊內，管理員可選定多種基站傳輸類型備用，在傳輸過程中，依據機器人當前運行狀態數據，實時確定基站傳輸類型。最后通過建立的傳輸模型，實現系統的網絡實時傳輸，模型結構如圖2所示。

圖2 傳輸模型結構

1.2.1 報警模塊

報警模塊主要負責機器人實時狀態監測系統的預警、報警功能。搬運機器人發生故障時[5]，運行參數會同時發生變化，當機器人運行狀態與正常運行狀態之間存在偏差時，該模塊會迅速調閱歷史數據展開相關分析，通過分析結果確定是否開啟報警、預警信號。

1.2.2 數據庫模塊

機器人運行狀態實時監測系統選取MySQL作為本系統管理數據庫。依據系統的主要需求，建立機器人靜態參數信息集合、動態信息集合，工作狀態數據集合以及故障詳細信息數據集等分類集合，方便機器人運行數據的分類管理。

2 軟件相關算法設計

硬件模塊設計完成后，依據設計的硬件完成機器人運行狀態監測系統的軟件功能設計，監測系統具體軟件功能如圖3所示。

圖3 系統軟件主功能示意圖

2.1 遠程通信算法設計

短距離D2D無線通信網絡可在既然遠程報警中得到較好的應用。其在已知信道條件的情況下，完成機器人遠程上行鏈路通信，僅考慮單個無線網路范圍內，網絡邊緣的用戶設備（User Equipment，UE）與其對等的UE之間可建立D2D鏈路，通過該鏈路完成接受數據的中繼轉發，最終到達基站，在該過程中，每一個UE可在2個跳數內完成。

短距離D2D無線通信網絡中主要有機器人設備、無線鏈路以及D2D鏈路[8]，則該網絡通信時的信道模型、信干燥比、能耗模型以及中繼選擇是網絡通信的主要部分。

1）信道模型：短距離D2D無線通信網絡存在兩種中衰落模型，且為大、小兩種尺度，分別用自由空間傳播模型和瑞利衰落表示。設x和y分別表示發射器和接收器，兩者之間的信道增益以及增益指數分別用hx，y、表示。則x和y之間距離為r時信號功率用hr-α表示，其中，α＞ 2表示路徑損耗指數。

2）信干燥比：設dth表示距離閾值，該值的確定可依據信道的衰落的條件完成；在該范圍為UE用CUE表示，則構建實現D2D鏈路通信的D2DCUE。由于短距離D2D無線通信網絡能夠復用上行鏈路資源，則表示使用同一個信道的鏈路之間會發生干擾。結合短距離D2D無線通信網絡中，兩個UE之間距離較小的特點，則對D2D無線通信的最大發射功率實行控制，并引入自干擾消除因子ξ，以此實現該干擾的有效控制。結合該干擾確定x至y之間鏈路的信干燥比的計算公式為：

式(1)中：px和Lx，y分別表示x的傳輸功率和x至y之間的鏈路距離；干擾源的集合用Φy表示；δ2表示噪聲功率；t表示時刻。

3）能耗模型：如果短距離D2D無線通信傳輸的數據量大小為L，此時所需的能耗計算公式為：

式(2)中：通信過程中，實行信息發送或者接收時電路的消耗能量用Eelec表示；ptx表示發射器的發射功率；信息通信過程中所需的時隙長度用Nts表示；τ表示單個時隙長度；N ts·τ表示整個傳輸的總時間。

2.2 最優功率分配實現

基于上述小節的分析得出，如果為提升短距離D2D無線通信數據的通信成功率，需考慮能耗和通信成功率之間的關聯，并獲取兩者之間的折中結果，在保證通信成功率的前提下使能耗最小。此時，定義效用函數，其計算公式為：

式(3)中：E和S分別表示通信能耗和傳輸成功率，Emax為E的最大值；smin表示s的最小值；ω表示權重因子。

3 實驗測試

為了驗證設計的生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統的整體有效性，在某生產線廠間對重載搬運機器人布設一個監測系統。遠程通信包括一個網關和兩個采集子節點，網關是由一個遠程的服務平臺連接的，遠程的服務平臺調用MATLAB。LoRa采用433MHz頻段，發射功率為22dBm。

3.1 實驗結果及分析

分別采用本文的生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統設計（所提系統）、基于TCP/IP協議的除草機器人遠程監測系統設計（文獻[2]系統）、基于移動終端的工業機器人遠程監測與故障診斷系統設計（文獻[3]系統）測試。

圖4 實驗現場機器人

機器人實時狀態監測系統在開展機器人狀態監測時，狀態監測效果的優劣能夠直觀表現出監測系統的監測性能。選定機器人旋轉角度、角速度以及監測時間為系統監測性能測試指標，以此測試上述三種系統的監測效果。

3.2 機器人旋轉角度測試

選定機器人旋轉角度為測試指標，采用上述三種系統開展機器人實時狀態監測，測試三種監測系統的監測精度，結果如圖5所示。

圖5 不同系統的機器人旋轉角度監測結果

分析圖5可知，所提系統監測出的機器人旋轉角度位移曲線監測結果與實際機器人旋轉角度位移曲線相接近，而文獻[2]系統與文獻[3]系統測試出機器人旋轉角度與實際結果相差較大，這主要是因為所提系統在建立系統時，采用LoRa傳輸基站完成了機器人運行狀態的數據傳輸，所以該方法的監測精度高。

3.3 角速度測試

選取機器人角速度輸出值為測試指標，繼續對三種機器人運行狀態監測系統的監測效果展開測試，測試結果如圖6所示。

圖6 不同系統的機器人角速度測試結果

分析圖6可知，所提系統測試出的機器人角速度與時間機器人角速度較為接近，而其他兩種方法的角速度測試結果與實際角速度之間相差較大，由此可知，所提系統在開展機器人狀態監測時的監測效果高于文獻[2]系統以及文獻[3]系統。

3.4 監測時間測試

基于上述測試結果，選定不同的監測節點繼續對所提系統、文獻[2]系統以及文獻[3]系統展開測試，測試三種系統在機器人實時狀態監測時的監測時間，結果如表1所示。

表1 不同監測系統的監測時間測試結果

通過表1測試數據可知，隨著監測節點數量的不斷上升，三種狀態監測系統的監測時間都呈現出不同的上升趨勢。但是所提系統是三種監測系統中監測時間最短的，由此表明所提系統的監測效率較高。

通過上述所有測試結果，可證明所提系統監測性能高于其他兩種系統，且具備有效性。

4 結語

隨著制造業自動化生產線的發展，搬運機器人的普遍和應用越來越多，對搬運機器人開展必要的狀態監測，就顯得尤為重要。為有效提高生產線搬運機器人狀態監測性能，設計了基于LoRa基站的生產線重載搬運機器人實時狀態監測系統。該方法依據系統的設計要求完成了監測系統的硬件、軟件設計，最后通過硬件、軟件的結合，能夠有效實現對機器人的實時狀態監測，并提高生產線搬運機器人狀態監測性能。