CN105759766A - 一种基于物联网的工业机器人产品装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,结合RFID技术和移动通信技术及嵌入式技术,搭建一个物联网及其通信网关,并通过其感知层将待装配的产品零件信息接入互联网,以实现生产制造过程中各个要素之间信息的获取、传输、交互;然后整合生产资源、客户产品需求及产品零件信息,构建一个信息管理中心,对待装配的产品零件信息、客户产品需求信息进行管理,并基于这些信息和数据生成产品零件装配的作业分配算法。本发明使工业机器人等生产资源的利用更加合理,以有效地提升生产效率和资源利用率及工业机器人作业的智能化程度,为未来的智能化工厂基本实现智能化和互联化提供一个可行的方案。
Description
技术领域
本发明涉及物联网应用领域,尤其是指一种基于物联网的工业机器人产品装配方法。
背景技术
自从20世纪60年代初期第一台工业机器人出现以来,它就一直是代替流水生产线上工人的最佳手段。经过半个多世纪的发展,工业机器人已经在越来越多的生产领域中发挥了巨大的作用。但是,简单地将工业机器人直接搭载到流水生产线上去完成作业具有很大的局限性。特别是随着信息技术的发展和更新,工业机器人通过传统的离线式编程和完成固定不变作业的生产方式已经越来越不能满足现在多品种少批量的生产需要。因为目前产品更新换代速度非常快,往往使得一些流水生产线上的工业机器人配置完成后不久,就又需要重新进行配置,甚至更新相关设备才能进行新产品生产。因此,要最大限度地将工人从流水生产线上解放出来,就必须要赋予工业机器人高效的感知能力和认知能力,以满足现代化大生产对流水生产线上的工业机器人及其智能化程度的急迫需求。
作为全球的工业机器人大国,日本对于工业机器人的研究始于1980年。在引入美国的机器人技术之后,日本很快就将工业机器人应用到以汽车工业为代表的制造业中。尤其是20世纪80年代中期到90年代中期,工业机器人应用数量迅速增长,使得日本在很长的一段时间里保持世界领先的工业机器人持有量。日本的工业机器人生产厂商主要有Fanuc、安川、那智不二越、松下、川崎等公司,这些公司都非常专注于工业机器人产品研究与应用开发。Fanuc智能化机床,所使用的上下料均采用工业机器人及其组件。德国Kuka机器人公司也是世界上顶级的工业机器人制造商之一。Kuka生产的工业机器人现在已经广泛应用于汽车、航天等领域中的装配、包装、焊接、表面修整等。基于协作的Kuka工业机器人系统已经被广泛地应用于大众汽车装配生产过程中。
上世纪70年代初期,我国也开始了工业机器人研究,现在已经掌握了工业机器人本体设计制造技术,开发出了一大批用于点焊、装配、搬运、切割作业的工业机器人,以及双足机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人等。尽管我国在工业机器人的结构设计、架构研发及零件制造等方面与国外产品有较大的差距,但是在智能化应用方面却与国外先进水平逐渐靠近。
2013年4月,德国政府在汉诺威工业博览会上,正式提出了其建立高度自由的数字化和个性化产品及服务的生产模式——工业4.0战略。工业4.0战略作为第四次工业革命,其最明显的标识就是信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)。CPS是整个计划的基础,充分利用其进行各类信息交互,以达到将制造业向智能化转型的目的。所以实施工业4.0战略的关键原因就在于实现智能工厂,主要是实现智能化生产系统及过程的网络化分布式生产。在智能工厂中,数字世界和物理世界(包括工业机器人、输送机、仓储系统、生产设施)能实现无缝融合,其最大的特点就是制造业中所有参与者及生产资源的高度技术互动,同时将个人客户及产品的独特特性融入到产品生产的各个阶段中。作为“世界工厂”的中国随着人口红利的不断消失,以及社会发展的需求,为应对外部环境对制造业的冲击,中国政府提出了我国信息化和工业化深度融合的发展战略——中国制造2025,这也标志着中国正式开展了以中国制造2025为指导的智能化制造,中国制造2025可以说为中国工业信息化和智能化发展及经济的又一次腾飞指明了方向。
根据中国制造2025战略,可以看出我国未来的工业发展方向主要是实现生产制造过程的智能化与生产要素的网络化。据此,本专利申请在智能制造和网络互联两个主要关注点上,提出了基于物联网技术和工业机器人技术的一个智能化产品装配方法:一方面搭建物联网及其通信网关实现生产相关的各个要素之间信息的互联,包括:客户、工业机器人装配系统、产品零件;另一方面,以工业机器人为基础,搭载物联网及通信网关,实现产品装配过程局部自治。工业机器人产品装配作业可以通过物联网实时地获取客户的产品定制信息,并根据这些数据自主切换装配方式或更换装配产品零件,从而实现产品生产过程自动切换。这种动态配置生产资源可以有效地避免整个生产链条中的资源浪费,增强工业机器人作业的智能化程度,使其能够根据作业环境自主地实施上层下达的产品零件装配作业。
物联网(InternetofThings,IOT)被称为是继计算机、互联网之后世界IT产业发展的第三次浪潮,它指引着IT技术的发展方向。物联网发展可以追溯到20世纪90年代初,美国麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)的KevinAsh-ton教授以及微软创始人之一比尔·盖茨是这一领域内比较有代表性的先行者。但是,物联网真正走上历史舞台还是在1999年MIT建立了自动识别中心(Auto-ID)后,提出了“世间万物都可通过网络互联”的概念,同时阐明了物联网的基本含义。随着时间的推移,人们开始对物联网寄予厚望,斯坦福研究所创立的SRI(SRIInternational)关于物联网技术发展历程的研究和愿景的描述。早期的物联网主要是指基于RFID技术的物流网络,即MITAuto-ID中心对物联网的定义:把所有物品通过信息传感设备接入互联网,以实现智能化识别与管理。这就是说,物联网是以RFID技术为主的传感技术与互联网技术的融合。然而,随着IT技术的发展,物联网的内涵也随之不断的充实和完善。现在世界上关于物联网的通用定义是:国际电信联盟所发布的《ITU互联网报告2005:物联网》中对于物联网的定义:使用RFID、红外感应、GPS等信息传感设备,采集物体信息,然后通过各种中间网络,遵照一定的网络协议,将相应的物品接入到互联网上进行相关数据的交互,最终实现对物品的一系列智能化操作的网络,即为物联网。
尽管在定义上,物联网的概念现在还存在一些分歧。但在物联网的体系结构上,学术界和产业界现已基本达成了共识。物联网的基本体系架构,包括感知层、网络层和应用层三层,如图1-1所示。感知层就像物联网的皮肤和感知器官,主要用于识别物体和收集相关信息,通常包括2D条形码及其读取设备、RFID标签及读写器、摄像机、GPS、终端、各类传感器及相应的传感器网络等;网络层就像物联网的神经网络和大脑,其主要作用就是传输和处理信息,通常包括数据收集和处理模块、通信网络及其统一管理模块等;应用层就是大量应用各司其职,从而实现整个系统完全智能化,通常包括智能工厂等等。
发明内容
本发明的目的在于现有工业机器人的感知能力和认知能力严重不足,提供一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,以满足现代化大生产对流水生产线上工业机器人智能化的急迫需求。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,结合RFID技术和移动通信技术及嵌入式技术,搭建一个物联网及其通信网关,并通过其感知层将待装配的产品零件信息接入互联网,以实现生产制造过程中各个要素之间信息的获取、传输、交互;然后整合生产资源、客户产品需求及产品零件信息,构建一个信息管理中心,对待装配的产品零件信息、客户产品需求信息进行管理,并基于这些信息和数据生成产品零件装配的作业分配算法。
所述信息管理中心是物联网的关键部分,是客户需求与生产线信息交互的枢纽,客户在定制完自己所需要的产品信息后,信息管理中心则通过网络访问这些信息,生成产品零件的组成数据,同时,根据收集到产品的各种零件在流水生产线上的位置信息,建立零件分布图,然后在工业机器人装配状态及其位置信息和相关零件的分布信息的基础上,根据优化策略发布装配平台的产品加工作业。
所述信息管理中心引入进程调度算法中最高响应比优先策略来选择需要装配的产品零件;产品零件的响应比计算公式如下
rr=(pt+wt)/pt(1)
式中,rr为产品零件的响应比,pt表示产品零件作业加工时间,wt表示产品零件作业等待时间;pt的计算并不是指产品零件被工业机器人装配所需的时间,而主要是指工业机器人装配系统获取所有产品零件所需要的等待时间;设计该算法的主要思路是,当几个装配作业同时到达时,优先选择获得所有产品零件时间最短的作业;而随着时间的推移,等待越久的作业又会获得相应的优先权,这样选择装配作业在设备和效率上会更加合理;
具体计算方法如下所述:一方面,信息管理中心需要对产品零件进行需求分析,其中包括提取产品零件的种类信息,以及产品的各个零件装配顺序;然后根据装配顺序设定各个产品零件装配时间初始值pinitial,约定时间单位为1,则有
pinitial[n]={0,–1,–2,...,–(n–1)}(2)
同时,信息管理中心在收到产品零件信息后,实时更新产品零件分布图,然后根据内置的工业机器人分布图,计算相应产品零件到达装配点时间距离pbetween,时间单位也设为1,则
pbetween[n]={t0,t1,t2,...,t–(n–1)}(3)
在获取这两个数值之后,将两者对应项相加,为负数则取0,得到当前产品的各个零件到达装配点的综合时延ptime
ptime[n]=pinitial[n]+pbetween[n](4)
那么产品零件作业加工时间pt则为其产品零件综合时延之和,即
当某个工业机器人装配系统申请装配作业时,信息管理中心就会遍历所有的产品零件装配作业,以找出其中在此装配系统上对应响应比最高的产品零件进行加工,这样既可以保证产品及时装配,同时还能够保证生产的效率。
所述物联网采用的RFID系统由读写器、RFID及高层软件三个部份组成,其工作流程为:当RFID进入感应范围内时,通过天线发送特定频率的射频信号,获取感应电流产生激活能量,然后RFID就将自身的信息返回,读写器获得信息后,通过解调和解码操作,识别RFID数据及其合法性;所述物联网所用到的RFID硬件系统是超高频RFID读写器,它能够通过网线直连或网络交换机两种方式与PC或嵌入式终端实现TCP/IP方式的信息交互,在使用RFID读写器读取信息之前,需要对其相关属性进行配置,包括网络属性、读写模式,配置成功后就根据设定模式对RFID进行搜索:DualTarget模式,即循环扫描RFID标签或者SingleTargetwithSuppression模式,即所有RFID标签只读一次;对于被搜索到的RFID标签,就能够获取其中数据,然后再提取需要的信息用于进一步的操作。
所述RFID标签的内存格式主要包含用户USER、标签号TID、电子产品编码EPC和RESERVED四个部分;其中EPC字段是主要关注的对象,制作RFID标签的过程主要就是修改RFID标签信息,即存储产品信息的EPC字段,该EPC字段采用96编码方式,其格式为:版本号占8位,域名管理占28位,序列号占36位,剩下24位为对象分类,能够标记的对象数量为260个;对于要生产的产品其各个零件尺寸组件,采取的编码方式为修改最后几位序列号的方式,将序列号进行分段设置:前面4位标识产品颜色,中间16位标识产品组件类别,最后16位标识产品尺寸。
所述物联网的网络层上存在多种数据传输网络,具体分为两层:一个是与感知层紧密相连的底层数据采集网络,这个部分的网络主要包括各类小范围的通信网络,另一个就是与应用层密切联系的上层服务网络,这主要是指当前广泛覆盖的互联网;由于上下层的网络协议不同,不能直接通信,所以联系这两者的网络中间层就应运而生,也即物联网通信网关,其主要功能就是对上下层网络的通信进行一个对应协议转换,从而实现两者顺利通信;所述物联网通信网关是基于TQ6410嵌入式开发板和通信分组无线服务GPRS模块进行设计的,RFID通过网线或者交换机接入到物联网通信网关进行数据交互,将RFID读写器所得到的产品零件信息整合打包,经由GPRS模块搭建的移动通信网络发送到信息管理中心。
所述TQ6410嵌入式开发板是基于三星s3c6410芯片设计的,采用基于ARM1176JZF-S处理器芯片,其稳定的工作主频是667MHZ,具有2D图像支持和3D图像加速,集成MFC支持MPEG4、H.263、H.264编解码、SD/D1>30fps、矩阵键盘接口、TVout、音频输入输出、支持有线和无线网络、支持24bit真彩触摸屏特性。
所述GPRS模块为SIM900A,搭载必要的电路、天线部件而生成数据收发端;GPRS技术是GSM系统中提供分组业务的一种方式,是移动通信技术2G向3G过渡的一种中间技术;该GPRS模块中数据传输到信息管理中心的过程为:首先GPRS模块与GSM基站建立连接,然后数据通过基站转发到服务支持节点;接着数据经过骨干网中转至移动通信网络与互联网通信网关处,该网关就按照互联网协议重新打包数据,最终传送到信息管理中心。
所述RFID读写器获取的零件信息发至数据接收模块,接着该数据接收模块将数据传递到数据解析模块,该数据解析模块的主要功能则是进行数据拆解,得到数据中的各组成部分,然后提取出其中有用的字段用于数据整合;而该数据解析模块转移过来的数据由数据转换模块按与信息管理中心约定的数据格式进行数据封装,其核心部分是与后台约定的数据传输格式,数据解析模块转移过来的数据加上数据头部{Length:Time},就能够生成信息管理中心可识别的数据包,其中Length为Data的长度,Time为以“yyyymmddhhmmsszzz”为格式的定长字符串;
所述数据转换模块封装好的数据包由TCP/IP通信模块使用GPRS模块发送给信息管理中心的服务器程序;TCP/IP通信模块基于跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架中网络库进行设计的,考虑到TCP字节流特性,通过改变套接口发送缓冲区SO_SNDBUF的大小为TCP套接字设定一个定长的发送缓冲区;当进程调用write时,内核从该应用进程的缓冲区复制所有数据到所写套接字的发送缓冲区;如果该套接字的发送缓冲区容纳不下该应用进程的所有数据或应用进程的缓冲区大于套接字的发送缓冲区,或套接字的发送缓冲区中已有其他数据,则该应用进程将被挂起,直到发送缓冲区可用为止。
所述物联网根据LinuxPPPHOWTO中对拨号脚本进行设计,然后使用命令“pppdcallgprs-script”实现拨号上网,具体是采用点对点协议PPP拨号模块按照相应协议通过GPRS模块进行拨号上网,PPP协议建立网络连接的过程为:首先,根据链路控制协议向网络供应商发送或接收对应的信息或指令,通过密码认证成功实现登陆;然后调用选定的网络控制协议,从供应商处获得内部IP地址及其配置信息;最后,嵌入式系统中的数据就能够实现与互联网进行通信,在连接终止时,临时IP地址会被回收。
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
本发明方法着眼于将工人从繁重的工业生产中真正地解放出来,提升我国工业制造的核心竞争力,结合RFID技术、移动通信技术及嵌入式系统,实现物联网感知层对零部件信息的获取、传输。此外,本发明方法提出了信息管理中心对零部件信息、客户产品需求信息的管理,并基于这些数据生成产品装配的任务分配方案,从而使得工业机器人的利用更加合理,更有效地提升生产效率和资源利用率及工业机器人作业的智能化程度,为未来的工业制造智能化和网络互联化,以及工业4.0的顺利实施提供一个可行的方案。
附图说明
图1-1为物联网及通信网关组成原理图。
图1-2为RFID基本工作原理图。
图1-3为信息管理中组成及装配作业分配算法图。
图2为RFID读写器连接方式图。
图3为RFID标签内存格式图。
图4为基于TQ6410的物联网通信网关架构图。
图5为GPRS无线通信系统结构图。
图6为数据字段格式图。
图7为PPP会话流程图。
图8为作业分配算法流程图。
图9为GPRS模块联网图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的基于物联网的工业机器人产品装配方法,具体是结合RFID技术和移动通信技术及嵌入式技术,搭建一个物联网及其通信网关,并通过其感知层将待装配的产品零件信息接入互联网,以实现生产制造过程中各个要素之间信息的获取、传输、交互;然后整合生产资源、客户产品需求及产品零件信息,构建一个信息管理中心,对待装配的产品零件信息、客户产品需求信息进行管理,并基于这些信息和数据生成产品零件装配的作业分配算法,以及合理地分配生产资源。
RFID是一种无线通信技术,它能在没有机械或光学接触的情况下对目标进行数据读写操作。一套完整的RFID系统如图1-2所示,它是由读写器、RFID及高层软件三个部份组成,其基本工作流程为:当RFID进入感应范围内时,通过天线发送特定频率的射频信号,获取感应电流产生激活能量,然后RFID就将自身的信息返回。读写器获得信息后,通过一系列的解调和解码等操作,识别RFID数据及其合法性。本专利申请所用到的RFID硬件系统是超高频RFID读写器,它可以通过网线直连或网络交换机两种方式与PC(图2所示)或嵌入式终端实现TCP/IP方式的信息交互。在使用RFID读写器读取信息之前,需要对其相关属性进行配置,包括网络属性、读写模式等。配置成功后就可根据设定模式对RFID进行搜索:DualTarget模式(循环扫描RFID标签)或者SingleTargetwithSuppression模式(所有RFID标签只读一次)。对于被搜索到的RFID标签,就可以获取其中数据,然后可以再提取需要的信息用于进一步的操作。
本专利申请采用的RFID标签内存格式如图3所示,可以看出主要包含用户(USER)、标签号(TID)、电子产品编码(ElectronicProductCode,EPC)和RESERVED(保留字段)四个部分。其中EPC字段是主要关注的对象,制作RFID标签的过程主要就是修改RFID标签信息,即存储产品信息的EPC字段。由图3可知,该EPC字段采用96编码方式,其格式为:版本号占8位,域名管理占28位,序列号占36位,剩下24位为对象分类。可以标记的对象数量为260个,远远超过了世界上最大消费品生产商的生产能力。在本专利申请中,对于要生产的产品其各个零件尺寸组件,采取的编码方式为修改最后几位序列号的方式,将序列号进行分段设置:前面4位标识产品颜色,中间16位标识产品组件类别,最后16位标识产品尺寸。
采用嵌入式技术设计通信网关。前面阐述了基于RFID读写器获取产品零件信息的过程,现在设计物联网通信网关,以便将获得的数据发送到信息管理中心。物联网的网络层上存在多种数据传输网络,总体来说可以分为两层:一个是与感知层紧密相连的底层数据采集网络,这个部分的网络主要包括各类小范围的通信网络,如ZigBee,wifi等。另一个就是与应用层密切联系的上层服务网络,这主要是指当前广泛覆盖的互联网。由于上下层的网络协议不同,不能直接通信,所以联系这两者的网络中间层就应运而生,也即物联网通信网关。其主要功能就是对上下层网络的通信进行一个对应协议转换,从而实现两者顺利通信。
本专利设计的物联网通信网关总体架构如图4所示,该通信网关是基于TQ6410嵌入式开发板和通信分组无线服务(GeneralPacketRadioService,GPRS)模块进行设计的。RFID设备可以通过网线或者交换机接入到物联网通信网关进行数据交互。将RFID读写器所得到的产品零件信息整合打包,经由GPRS模块搭建的移动通信网络发送到信息管理中心。
TQ6410嵌入式开发板是基于三星s3c6410芯片设计的,采用基于ARM1176JZF-S处理器芯片,其稳定的工作主频是667MHZ,具有2D图像支持和3D图像加速,集成MFC(Multi-FormatVideoCodec)支持MPEG4、H.263、H.264编解码、SD/D1>30fps、矩阵键盘接口、TVout、音频输入输出、支持有线和无线网络、支持24bit真彩触摸屏等特性。采用它作为物联网通信网关使用,可以使物联网通信网关具有低功耗、高性价比、通信接口丰富、高性能等特性,能满足多种网络接入需求。
GPRS模块为SIM900A,搭载必要的电路、天线等部件而生成数据收发端。GPRS技术是GSM系统中提供分组业务的一种方式,是移动通信技术2G向3G过渡的一种中间技术。由于目前GPRS技术已经相当成熟,在全国范围内的覆盖也相当广泛,所以它是一种有效的解决移动通信与互联网结合的技术方案。尽管当今时代已经是3G和4G网络时代,数据传输速率与通信服务质量已经大大提高,但是对于移动通信网络的应用来说,三者还是具有相当的统一性。GPRS无线通信系统结构如图5所示,该系统中数据传输到信息管理中心的过程为:首先GPRS模块与GSM基站建立连接,然后数据通过基站转发到服务支持节点。接着数据经过骨干网中转至移动通信网络与互联网通信网关处,该网关就按照互联网协议重新打包数据,最终传送到信息管理中心。这一阶段的通信由网络供应商提供,正是由于有这个优势,移动通信网络正逐步成为物联网发展的重要组成部分。
数据接收模块负责接收来自RFID读写器获取的零件信息,并将数据传递到数据解析模块。数据解析模块的主要功能则是进行数据拆解,得到数据中的各组成部分,然后提取出其中有用的字段用于数据整合。数据转换模块主要负责将数据解析模块转移过来的数据按与信息管理中心约定的数据格式进行数据封装。其核心部分是与后台约定的数据传输格式,具体如图6所示。数据解析模块转移过来的数据加上数据头部{Length:Time},就可生成信息管理中心可识别的数据包。其中Length为Data的长度,Time为以“yyyymmddhhmmsszzz”为格式的定长字符串。
TCP/IP通信模块主要功能是将数据转换模块封装好的数据包使用GPRS模块发送给信息管理中心的服务器程序。TCP/IP通信模块基于跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架中网络库进行设计的,考虑到TCP字节流特性,通过改变套接口发送缓冲区SO_SNDBUF的大小为TCP套接字设定一个定长的发送缓冲区。当进程调用write时,内核从该应用进程的缓冲区复制所有数据到所写套接字的发送缓冲区。如果该套接字的发送缓冲区容纳不下该应用进程的所有数据(或应用进程的缓冲区大于套接字的发送缓冲区,或套接字的发送缓冲区中已有其他数据),则该应用进程将被挂起,直到发送缓冲区可用为止。
点对点协议(PointtoPointProtocol,PPP)拨号模块主要功能是按照相应协议通过GPRS模块进行拨号上网。本专利根据LinuxPPPHOWTO中对拨号脚本进行设计,然后使用命令“pppdcallgprs-script”实现拨号上网。PPP协议建立网络连接的过程为:首先,根据链路控制协议向网络供应商发送或接收对应的信息或指令,通过密码认证成功实现登陆;然后调用选定的网络控制协议,从供应商处获得内部IP地址及其配置信息;最后,嵌入式系统中的数据就可以实现与互联网进行通信。一个完整的PPP会话流程如图7所示,在连接终止时,临时IP地址会被回收。
如图1-3所示,所述信息管理中心,其特征在于信息管理中心是数据处理的核心,它整合了生产资源、客户产品需求及零件信息,对零件信息、客户产品需求信息等进行管理,并且基于这些数据来生成产品装配的作业分配方案,以及合理地分配生产资源。信息管理中心是物联网的关键部分,是客户需求与生产线信息交互的枢纽。客户在定制完自己所需要的产品信息后,信息管理中心则通过网络访问这些信息,生成产品零件的组成数据,如产品零件的种类、尺寸、花纹、颜色等。同时,根据收集到产品的各种零件在流水生产线上的位置信息,建立零件分布图。然后在工业机器人装配状态及其位置信息和相关零件的分布信息的基础上,根据优化策略发布装配平台的产品加工作业。信息管理中心的数据处理流程如图1-3所示。
本专利申请的目标是让客户能够按照个人需求定制产品生产选项,使用户直接参与到产品生产当中。然而如果仅仅按照客户提交申请的时间顺序来生产产品,那么必定会引起装配资源的浪费。虽然流水生产线的复杂度会大大降低,工业机器人只需要等待装配作业,得到作业后开始等待产品零件,最后对产品零件进行装配。但是可以看出,作业分配得不合理可能会导致等待产品零件的时间大大加长,而且这也使得获取到的产品零件信息没有什么实际价值。所以,为了最优化资源分配,本专利申请中引入了进程调度算法中最高响应比优先策略来选择需要装配的产品零件。产品零件的响应比计算公式如下:
rr=(pt+wt)/pt(1)
式中,rr为产品零件的响应比,pt表示产品零件作业加工时间,wt表示产品零件作业等待时间;pt的计算并不是指产品零件被工业机器人装配所需的时间,而主要是指工业机器人装配系统获取所有产品零件所需要的等待时间。设计该算法的主要思路是,当几个装配作业同时到达时,优先选择获得所有产品零件时间最短的作业。而随着时间的推移,等待越久的作业又会获得相应的优先权,这样选择装配作业在设备和效率上会更加合理。
具体计算方法如下所述:一方面,信息管理中心需要对产品零件进行需求分析,其中包括提取产品零件的种类信息,以及产品的各个零件装配顺序。然后根据装配顺序设定各个产品零件装配时间初始值pinitial,这里为了方便起见,约定时间单位为1,则有
pinitial[n]={0,–1,–2,...,–(n–1)}(2)
同时,信息管理中心在收到产品零件信息后,实时更新产品零件分布图,然后根据内置的工业机器人分布图,计算相应产品零件到达装配点时间距离pbetween,时间单位也设为1,则
pbetween[n]={t0,t1,t2,...,t–(n–1)}(3)
在获取这两个数值之后,将两者对应项相加,为负数则取0,得到当前产品的各个零件到达装配点的综合时延ptime
ptime[n]=pinitial[n]+pbetween[n](4)
那么产品零件作业加工时间pt则为其产品零件综合时延之和,即
当某个工业机器人装配系统申请装配作业时,加工作业分配算法的流程如图8所示。信息管理中心就会遍历所有的产品零件装配作业,以找出其中在此装配系统上对应响应比最高的产品零件进行加工,既可以保证产品及时装配,同时还能够保证生产的效率。
本实验通过TQ6410嵌入式系统搭载GPRS模块来实现一个物联网通信网关,以此来实现产品零件和工业机器人与信息管理中心之间的信息交互。RFID读写器识别流水生产线上通过的产品零件,通过物联网通信网关将产品零件的EPC发送到信息管理中心;工业机器人需要请求信息管理中心分配装配作业,接收相关产品零件及其识别所需信息,产品零件的EPC用于匹配RFID读写器响应当前流水生产线上的产品零件,匹配则可以直接推送到装配平台,装配完成后返回产品图片信息到信息管理中心。
基于PPP协议的拨号上网过程如图9所示,运行拨号指令“sudopppdcallgprs”,然后通过PPPd对链路连接进行认证,从而建立和配置IP。此时就可以实现将产品零件信息,通过嵌入式系统接入互联网中,相当于建立了一个物联网通信网关。
在进行数据传输测试实验,通过搭建的物联网通信网关交替性地向信息管理中心发送与接收10Kb的数据,记录每10次发送成功到顺利收取数据所需要的时间取平均值,估算网关上行与下行的带宽。统计数据如下表1所示。
表1数据传输时间统计
从实验结果可以看出,通过GPRS移动通信网络,基本上可以满足本专利申请所述的通信需求,从而证明了移动通信网络应用于物联网及通信网关搭建的适用性和可行性。随着3G、4G移动通信技术的不断成熟,网络覆盖面的不断扩大,移动通信网络将成为物联网中的一个重要组成部分。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:结合RFID技术和移动通信技术及嵌入式技术,搭建一个物联网及其通信网关,并通过其感知层将待装配的产品零件信息接入互联网,以实现生产制造过程中各个要素之间信息的获取、传输、交互;然后整合生产资源、客户产品需求及产品零件信息,构建一个信息管理中心,对待装配的产品零件信息、客户产品需求信息进行管理,并基于这些信息和数据生成产品零件装配的作业分配算法。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述信息管理中心是物联网的关键部分,是客户需求与生产线信息交互的枢纽,客户在定制完自己所需要的产品信息后,信息管理中心则通过网络访问这些信息,生成产品零件的组成数据,同时,根据收集到产品的各种零件在流水生产线上的位置信息,建立零件分布图,然后在工业机器人装配状态及其位置信息和相关零件的分布信息的基础上,根据优化策略发布装配平台的产品加工作业。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述信息管理中心引入进程调度算法中最高响应比优先策略来选择需要装配的产品零件;产品零件的响应比计算公式如下
rr=(pt+wt)/pt(1)
式中,rr为产品零件的响应比,pt表示产品零件作业加工时间,wt表示产品零件作业等待时间;pt的计算并不是指产品零件被工业机器人装配所需的时间,而主要是指工业机器人装配系统获取所有产品零件所需要的等待时间;设计该算法的主要思路是,当几个装配作业同时到达时,优先选择获得所有产品零件时间最短的作业;而随着时间的推移,等待越久的作业又会获得相应的优先权,这样选择装配作业在设备和效率上会更加合理;
具体计算方法如下所述:一方面,信息管理中心需要对产品零件进行需求分析,其中包括提取产品零件的种类信息,以及产品的各个零件装配顺序;然后根据装配顺序设定各个产品零件装配时间初始值pinitial,约定时间单位为1,则有
pinitial[n]={0,–1,–2,...,–(n–1)}(2)
同时,信息管理中心在收到产品零件信息后,实时更新产品零件分布图,然后根据内置的工业机器人分布图,计算相应产品零件到达装配点时间距离pbetween,时间单位也设为1,则
pbetween[n]={t0,t1,t2,...,t–(n–1)}(3)
在获取这两个数值之后,将两者对应项相加,为负数则取0,得到当前产品的各个零件到达装配点的综合时延ptime
ptime[n]=pinitial[n]+pbetween[n](4)
那么产品零件作业加工时间pt则为其产品零件综合时延之和,即
当某个工业机器人装配系统申请装配作业时,信息管理中心就会遍历所有的产品零件装配作业,以找出其中在此装配系统上对应响应比最高的产品零件进行加工,这样既能够保证产品及时装配,同时还能够保证生产的效率。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述物联网采用的RFID系统由读写器、RFID及高层软件三个部份组成,其工作流程为:当RFID进入感应范围内时,通过天线发送特定频率的射频信号,获取感应电流产生激活能量,然后RFID就将自身的信息返回,读写器获得信息后,通过解调和解码操作,识别RFID数据及其合法性;所述物联网所用到的RFID硬件系统是超高频RFID读写器,它能够通过网线直连或网络交换机两种方式与PC或嵌入式终端实现TCP/IP方式的信息交互,在使用RFID读写器读取信息之前,需要对其相关属性进行配置,包括网络属性、读写模式,配置成功后就根据设定模式对RFID进行搜索:DualTarget模式,即循环扫描RFID标签或者SingleTargetwithSuppression模式,即所有RFID标签只读一次;对于被搜索到的RFID标签,就能够获取其中数据,然后再提取需要的信息用于进一步的操作。
5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述RFID标签的内存格式主要包含用户USER、标签号TID、电子产品编码EPC和RESERVED四个部分;其中EPC字段是主要关注的对象,制作RFID标签的过程主要就是修改RFID标签信息,即存储产品信息的EPC字段,该EPC字段采用96编码方式,其格式为:版本号占8位,域名管理占28位,序列号占36位,剩下24位为对象分类,能够标记的对象数量为260个;对于要生产的产品其各个零件尺寸组件,采取的编码方式为修改最后几位序列号的方式,将序列号进行分段设置:前面4位标识产品颜色,中间16位标识产品组件类别,最后16位标识产品尺寸。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述物联网的网络层上存在多种数据传输网络,具体分为两层:一个是与感知层紧密相连的底层数据采集网络,这个部分的网络主要包括各类小范围的通信网络,另一个就是与应用层密切联系的上层服务网络,这主要是指当前广泛覆盖的互联网;由于上下层的网络协议不同,不能直接通信,所以联系这两者的网络中间层就应运而生,也即物联网通信网关,其主要功能就是对上下层网络的通信进行一个对应协议转换,从而实现两者顺利通信;所述物联网通信网关是基于TQ6410嵌入式开发板和通信分组无线服务GPRS模块进行设计的,RFID通过网线或者交换机接入到物联网通信网关进行数据交互,将RFID读写器所得到的产品零件信息整合打包,经由GPRS模块搭建的移动通信网络发送到信息管理中心。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述TQ6410嵌入式开发板是基于三星s3c6410芯片设计的,采用基于ARM1176JZF-S处理器芯片,其稳定的工作主频是667MHZ,具有2D图像支持和3D图像加速,集成MFC支持MPEG4、H.263、H.264编解码、SD/D1>30fps、矩阵键盘接口、TVout、音频输入输出、支持有线和无线网络、支持24bit真彩触摸屏特性。
8.根据权利要求6所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述GPRS模块为SIM900A,搭载必要的电路、天线部件而生成数据收发端;GPRS技术是GSM系统中提供分组业务的一种方式,是移动通信技术2G向3G过渡的一种中间技术;该GPRS模块中数据传输到信息管理中心的过程为:首先GPRS模块与GSM基站建立连接,然后数据通过基站转发到服务支持节点;接着数据经过骨干网中转至移动通信网络与互联网通信网关处,该网关就按照互联网协议重新打包数据,最终传送到信息管理中心。
9.根据权利要求4所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述RFID读写器获取的零件信息发至数据接收模块,接着该数据接收模块将数据传递到数据解析模块,该数据解析模块的主要功能则是进行数据拆解,得到数据中的各组成部分,然后提取出其中有用的字段用于数据整合;而该数据解析模块转移过来的数据由数据转换模块按与信息管理中心约定的数据格式进行数据封装,其核心部分是与后台约定的数据传输格式,数据解析模块转移过来的数据加上数据头部{Length:Time},就能够生成信息管理中心可识别的数据包,其中Length为Data的长度,Time为以“yyyymmddhhmmsszzz”为格式的定长字符串;
所述数据转换模块封装好的数据包由TCP/IP通信模块使用GPRS模块发送给信息管理中心的服务器程序;TCP/IP通信模块基于跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架中网络库进行设计的,考虑到TCP字节流特性,通过改变套接口发送缓冲区SO_SNDBUF的大小为TCP套接字设定一个定长的发送缓冲区;当进程调用write时,内核从该应用进程的缓冲区复制所有数据到所写套接字的发送缓冲区;如果该套接字的发送缓冲区容纳不下该应用进程的所有数据或应用进程的缓冲区大于套接字的发送缓冲区,或套接字的发送缓冲区中已有其他数据,则该应用进程将被挂起,直到发送缓冲区可用为止。
10.根据权利要求1或4或6所述的一种基于物联网的工业机器人产品装配方法,其特征在于:所述物联网根据LinuxPPPHOWTO中对拨号脚本进行设计,然后使用命令“pppdcallgprs-script”实现拨号上网,具体是采用点对点协议PPP拨号模块按照相应协议通过GPRS模块进行拨号上网,PPP协议建立网络连接的过程为:首先,根据链路控制协议向网络供应商发送或接收对应的信息或指令,通过密码认证成功实现登陆;然后调用选定的网络控制协议,从供应商处获得内部IP地址及其配置信息;最后,嵌入式系统中的数据就能够实现与互联网进行通信,在连接终止时,临时IP地址会被回收。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160713 |