CN110733038A - 工业机器人远程监控及数据处理系统 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人远程监控及数据处理系统，包括处于工业现场的工业机器人系统、采集工业机器人数据到云服务器的上行数据采集系统、实现工业机器人控制的下行控制系统、对采集的数据做统一管理的数据处理系统以及可视化监控界面Web客户端；上行数据采集系统和下行控制系统都集成于嵌入式板中，嵌入式板通过无线或4G连接云服务器，实现与云服务器间数据交互，向上将获取的工业机器人系统全部数据上传至云服务器存储，向下实现对工业机器人位姿控制。本发明可以有效降低因故障停机所带来损失，通过查看数据和远程调试可以解决大部分简单故障问题，而无需特地安排工程师到现场，使得故障解决更加灵活。

Description

工业机器人远程监控及数据处理系统

技术领域

本发明涉及对机器人进行数据采集远程控制以及大数据分析预警的系统。

背景技术

随着信息技术的不断发展，智能制造业逐渐出现了它的身影。在如今工业4.0的潮流下，结合了信息技术的新一轮产业升级愈演愈烈。大数据、云计算以及物联网等各种技术逐渐融入到智能制造业当中，这不仅提高了生产效率，推动了企业的优化改革，这更是全球范围内的一次新的机遇，一次新的工业革命。

机器人工作站和机器人生产线的建成需要耗费大量的时间和资金，所以降低故障几率和加快故障解决速度是所有厂家追求的目标。传统的应对方式是将机器人历史数据现场保存，当机器人故障后，再组织人员对历史数据分析来诊断机器人故障，从而实施维修。这种方式是在机器人停机后再花费大量的时间来排除故障，严重降低了生产效率，同时对历史数据的利用不够，没有解放数据分析中的人力作用。

为解决上述问题，远程服务平台系统在国内很多科研单位已投入研发。赵影、刘继伟提出的工业机器人智能监控系统(赵影、刘继伟.工业机器人智能监控系统,CN109100992A.2018-12-28)，实现了数据采集与存储，并且通过客户端显示数据，但只是对数据进行存储与显示未做进一步处理。张杰、朱翠青、钱运涛等提出的一种基于工业机器人的智能监控控制系统(张杰、朱翠青、钱运涛等.一种基于工业机器人的智能监控控制系统,CN107368017A.2017-11-21)通过现场摄像头的图像数据对比来实现故障预警，但是对机器人本身的数据没有做任何处理，同时图像数据的处理存在较大的误差，无法应用于精确机器人工作。邱林新提出的用于多机器人的智能数据采集系统(邱林新.用于多机器人的智能数据采集系统,CN108732972A.2018-11-02)实现了多机器人的数据采集和数据分析平台，但是所使用的数据分析只是简单地设定数据阈值，没有充分利用大量的历史数据起到预测效果。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺陷和不足，提出了一种工业机器人远程监控及数据处理系统。

首先该系统利用嵌入式板实现工业机器人与云服务器间的交互，包括下行的控制信息和上行的机器人数据信息。嵌入式板通过以太网采集机器人数据，再通过4G或无线将数据上传至云服务器存储。下行的控制通过MQTT发布订阅机制来实现，Web客户端发布的控制消息通过MQTT代理，嵌入式板订阅该控制消息实现对机器人的控制。云端数据的存储采用Redis和MySQL相结合的方式，Redis作缓存作用，数据经过Redis存入MySQL，客户端使用数据时则先从Redis中查询，如果没有则再从MySQL中查找，大大提高了存取速度，以适用于多机器人工作环境和多客户端查询需求。同时利用SVM算法对存储的历史数据进行分析从而预测机器人故障并发出预警信息到Web客户端通知工程师及时查看机器人运行状况。

本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：

工业机器人系统通过以太网与嵌入式板相连接，嵌入式板则通过无线或4G建立与云服务器的双向通信，向上将获取的工业机器人系统数据传至云服务器，向下解析Web客户端控制命令，实现对工业机器人控制。

本发明的工业机器人远程监控及数据处理系统，包括处于工业现场的工业机器人系统、采集工业机器人数据到云服务器的上行数据采集系统、实现工业机器人控制的下行控制系统、对采集的数据做统一管理的数据处理系统以及可视化监控界面Web客户端；所述的工业机器人系统包括工业机器人和监控系统，所述的上行数据采集系统和下行控制系统集成于嵌入式板中，所述的数据处理系统和MQTT代理位于云服务器中；

所述的上行数据采集系统包括：

数据采集模块：通过以太网与工业机器系统连接，实现工业机器人原始数据的获取和数据类型转换，所述的原始数据包括关节速度、加速度、温度和电流电压等工业机器人所有可获得的关键数据，获取的工业机器人原始数据为统一的byte数组格式，需要在数据采集模块中转换为可直观显示的bool、double等数据类型，这些数据将用于大数据处理，以实现对工业机器人运行状态的预测和监控，针对不同工业机器人品牌采用不同的通信协议获取数据，同时每一个工业机器人的数据采集都使用单独线程分隔；

存储模块：接收数据采集模块采集并且转换后的工业机器人数据，将数据按照所建立的云端数据库格式以表为单位打包成数据包，通过无线或4G和云端建立的连接将数据包存入云端数据库。

所述的下行控制系统包括：

MQTT消息订阅模块：订阅MQTT代理中Web客户端发布的工业机器位姿移动的命令消息，不同的命令被预先协议好为不同的消息内容，通过解析订阅到的消息确定需要执行的命令，将解析后的命令传至工业机器控制模块做进一步处理；

工业机器人控制模块：包括控制命令接收和控制命令的打包发送，所述的控制命令接收是指接收MQTT消息订阅模块解析的命令，然后将该命令根据具体的机器人类型和使用协议格式打包成对应报文，通过以太网与工业机器人系统建立的Socket连接发送到对应机器人实现对机器人的控制。

所述的数据处理系统对采集并且转换后的工业机器人系统数据的集中管理和大数据计算，数据存储与管理模块结合了Redis缓存和MySQL数据库，上行数据采集系统上传的数据首先以键值的形式存入Redis缓存，接着Redis缓存将数据持久化入MySQL中作为历史数据存储，Web客户端获取数据时首先从Redis缓存中查找数据，如果没有则转向MySQL数据库中查找，SVM大数据计算模块基于SVM算法，通过对存储的大量数据时刻进行分析，找到最优分类面，通过当前工业机器人的位姿和电压电流状况预测其下一阶段运行趋势，从而实现预警，并将故障警告信息发送到Web客户端的故障预警模块，监控视频存储模块接收通过上行数据采集系统上传的监控系统视频并存储，供Web客户端实时监控显示模块所调用。

所述的MQTT代理接收Web客户端发布的命令消息，同时接收来自下行控制系统的MQTT消息订阅模块的订阅请求，将接收到的Web客户端命令消息转发给MQTT消息订阅模块，实现Web客户端命令到下行控制系统的传输。

所述的Web客户端包括历史数据查询模块、实时数据显示模块、实时监控显示模块、故障预警模块和控制模块，其中历史数据查询模块根据用户选择的查询条件，首先从Redis中查找相关数据，Redis中查询无果则转向MySQL中查询，查询结束后将结果返回给Web客户端显示，实时数据显示模块根据用户需求选择需要显示的数据，直接从MySQL中获取最新存入的数据显示，实时监控显示模块则直接获取数据处理系统中监控视频存储模块的内容以供工程师实时查看工业机器人运行状况，故障预警模块接收并显示SVM大数据计算模块中预测的故障信息，控制模块将触发的工业机器人的关节控制命令发布到MQTT代理，同时用户可以通过Web客户端配置上行数据采集系统中数据采集的种类，以应对不同工业机器人系统的需求。

上行数据采集系统和下行控制系统都集成于嵌入式板中，嵌入式板通过无线或4G连接云服务器，实现与云服务器间数据交互，向上将获取的工业机器人系统全部数据上传至云服务器存储，向下实现对工业机器人位姿控制，其中上行数据采集系统和下行控制系统都采用.Net Core框架编写，所述的数据处理系统和MQTT代理位于云服务器中。

数据采集模块包含长连接和短连接两种模式通信连接方式，长连接建立唯一通信通道，所有通信请求通过这一个通道完成，而短连接则为避免信道占用，每次通信建立新的通道，通信结束则关闭该通道。

数据采集模块为保持对每个机器人的数据采集频率的可控性，在各自的线程中利用定时器实现数据连续采集，定时器时间通过读取xml文件来设定，通过Web客户端可以直接修改xml文件，从而实现对采集频率的控制。

Web客户端对于工程师和普通客户有不同的权限限制，工程师权限可以实现Web客户端的控制功能，包括对数据采集模块采集频率的控制，而普通客户权限则限制于历史数据查询和实时数据查看两部分。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明在云服务器端利用支持向量机SVM算法对大量的的工业机器人数据进行计算，预测可能存在的故障问题，并及时通知工程师查看工业机器人运行状况，在不被动停机的前提下解决故障问题，降低了因工业机器人故障停机所造成的巨大损失。

2、本发明利用MQTT发布订阅机制实现对工业机器人的远程控制，使得工程师在收到故障预警后可以通过Web客户端监控显示来远程调试工业机器人，在单独的远程调试无法解决问题时再派遣工程师到现场配合解决故障问题。

附图说明

图1是本发明的系统工作原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明。

一种工业机器人远程监控及数据处理系统，如附图1所示，由工业机器人系统、上行数据采集系统、下行控制系统、数据处理系统、Web客户端以及MQTT代理组成，其中工业机器人系统由UR5工业机器人、ABB IRB120工业机器人以及海康监控摄像头构成，上行数据采集系统和下行控制系统位于TI Cortex-A8AM335X嵌入式板中，板载Linux-arm系统，数据处理系统和MQTT代理位于云服务器，工业机器人系统通过工业以太网与嵌入式板连接实现数据交互，嵌入式板则通过无线或4G与云服务器实现远程连接，从而实现与云服务器的信息交互，客户可以通过Web客户端查看云服务器中存储的数据以及现场监控视频，工程师可以通过Web客户端实现对工业机器人的远程控制调试。

所述的上行数据采集系统和下行控制系统使用C#语言基于.Net Core框架编写，使得程序可以完全兼容嵌入式板的Linux-arm系统。

数据采集模块通过以太网与工业机器人建立Socket连接，连接有长连接和短连接两种模式，短连接每次读写都是一次单独请求，读写前都需要重新建立连接，长连接则创建一个公用的连接通道，所有的读写请求都通过这个通道完成。数据采集模块采用双线程分别对UR5和ABB IRB120进行数据采集，数据采集频率可以通过Web客户端设定。程序使用Modbus协议格式打包数据读取报文，通过建立的Socket连接发送报文到对应机器人，返回的数据包经过解析获取有效数据，解析后的数据为byte类型，需要根据实际需求转换为直观的double、int和bool等类型。

MQTT消息订阅模块订阅客户端发布的控制命令，将订阅的消息转换为具体的控制命令，工业机器人控制模块将转换后的控制命令按照具体的协议格式打包成报文，通过建立的Socket连接通道发送到工业机器人实现对机器人的有效控制，MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅轻量级传输协议，在该协议中共有三种身份：发布者、代理和订阅者，由于MQTT是双向协议，发布者也可以是订阅者，二者都是客户端，本发明由于只利用MQTT实现单向的控制作用，所以发布者为Web客户端，订阅者为嵌入式板，而代理则位于云服务器。

如图1所示，云服务器包括数据存储与管理模块、SVM的大数据计算模块、MQTT代理和监控视频存储模块。

数据存储与管理模块结合关系型数据库MySQL和非关系型Redis，上行数据采集系统采集的数据首先以键值形式存入Redis缓存中，接着Redis缓存将数据持久化入MySQL中作为历史数据存储；Web客户端获取数据时首先从Redis缓存中查找数据，如果没有则转向MySQL数据库中查找，同时服务器根据查询数据的热度，将高搜索热度的数据由MySQL中提取存入Redis中，大大提高多客户访问时的速度。

SVM大数据计算模块结合机器学习的SVM支持向量机算法，通过分析存储的大量历史数据，结合当前的实时数据，预测工业机器人运行状况，对可疑的故障结果发出预警，并且将故障预警消息以短信的形式发发送到工程师手机和Web客户端，及时通知工程师查看工业机器人运行状况，提前排除潜在故障风险，降低因故障停机带来的损失。

监控视频存储模块，通过无线或4G上传的监控视频实时存储在云服务器，Web客户端可以通过登录相应服务器查看当前监控视频，也可以通过Web客户端查看历史监控记录。

Web客户端包括历史数据查询模块、实时数据显示模块、实时监控显示模块、故障预警模块和控制模块，客户端对于普通用户和工程师具有不同的权限设置，通过对登录账号的识别来开放用户使用权限，普通用户只能查看数据而不能修改数据，包括监控视频、历史数据、实时数据和预警信息等，而工程师则可以执行数据修改，还可以通过Web客户端修改数据采集模块采集频率和具体的采集数据类型，除此之外，工程师还可以结合实时监控视频和Web客户端的下行控制功能，在收到故障预警消息，找出故障原因后首先尝试远程调试来解决问题，在远程调试无法解决问题的情况下再联系现场工程师配合调试。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种工业机器人远程监控及数据处理系统，其特征在于：包括处于工业现场的工业机器人系统、采集工业机器人数据到云服务器的上行数据采集系统、实现工业机器人控制的下行控制系统、对采集的数据做统一管理的数据处理系统以及可视化监控界面Web客户端；所述的工业机器人系统包括工业机器人和监控系统，所述的上行数据采集系统和下行控制系统集成于嵌入式板中，所述的数据处理系统和MQTT代理位于云服务器中；

所述的上行数据采集系统包括：

数据采集模块：通过以太网与工业机器系统连接，实现工业机器人原始数据的获取和数据类型转换，所述的原始数据包括关节速度、加速度、温度和电流电压等工业机器人所有可获得的关键数据，获取的工业机器人原始数据为统一的byte数组格式，需要在数据采集模块中转换为可直观显示的bool、double等数据类型，这些数据将用于大数据处理，以实现对工业机器人运行状态的预测和监控，针对不同工业机器人品牌采用不同的通信协议获取数据，同时每一个工业机器人的数据采集都使用单独线程分隔；

存储模块：接收数据采集模块采集并且转换后的工业机器人数据，将数据按照所建立的云端数据库格式以表为单位打包成数据包，通过无线或4G和云端建立的连接将数据包存入云端数据库；

所述的下行控制系统包括：

MQTT消息订阅模块：订阅MQTT代理中Web客户端发布的工业机器位姿移动的命令消息，不同的命令被预先协议好为不同的消息内容，通过解析订阅到的消息确定需要执行的命令，将解析后的命令传至工业机器控制模块做进一步处理；

工业机器人控制模块：包括控制命令接收和控制命令的打包发送，所述的控制命令接收是指接收MQTT消息订阅模块解析的命令，然后将该命令根据具体的机器人类型和使用协议格式打包成对应报文，通过以太网与工业机器人系统建立的Socket连接发送到对应机器人实现对机器人的控制；

所述的数据处理系统对采集并且转换后的工业机器人系统数据的集中管理和大数据计算，数据存储与管理模块结合了Redis缓存和MySQL数据库，上行数据采集系统上传的数据首先以键值的形式存入Redis缓存，接着Redis缓存将数据持久化入MySQL中作为历史数据存储，Web客户端获取数据时首先从Redis缓存中查找数据，如果没有则转向MySQL数据库中查找，SVM大数据计算模块基于SVM算法，通过对存储的大量数据时刻进行分析，找到最优分类面，通过当前工业机器人的位姿和电压电流状况预测其下一阶段运行趋势，从而实现预警，并将故障警告信息发送到Web客户端的故障预警模块，监控视频存储模块接收通过上行数据采集系统上传的监控系统视频并存储，供Web客户端实时监控显示模块所调用；

所述的MQTT代理接收Web客户端发布的命令消息，同时接收来自下行控制系统的MQTT消息订阅模块的订阅请求，将接收到的Web客户端命令消息转发给MQTT消息订阅模块，实现Web客户端命令到下行控制系统的传输；

所述的Web客户端包括历史数据查询模块、实时数据显示模块、实时监控显示模块、故障预警模块和控制模块，其中历史数据查询模块根据用户选择的查询条件，首先从Redis中查找相关数据，Redis中查询无果则转向MySQL中查询，查询结束后将结果返回给Web客户端显示，实时数据显示模块根据用户需求选择需要显示的数据，直接从MySQL中获取最新存入的数据显示，实时监控显示模块则直接获取数据处理系统中监控视频存储模块的内容以供工程师实时查看工业机器人运行状况，故障预警模块接收并显示SVM大数据计算模块中预测的故障信息，控制模块将触发的工业机器人的关节控制命令发布到MQTT代理，同时用户可以通过Web客户端配置上行数据采集系统中数据采集的种类，以应对不同工业机器人系统的需求；

所述的上行数据采集系统和下行控制系统都集成于嵌入式板中，嵌入式板通过无线或4G连接云服务器，实现与云服务器间数据交互，向上将获取的工业机器人系统全部数据上传至云服务器存储，向下实现对工业机器人位姿控制。

2.根据权利要求书1所述的一种工业机器人远程监控及数据处理系统，其特征在于：上行数据采集系统和下行控制系统都采用.Net Core框架编写，所述的数据处理系统和MQTT代理位于云服务器中。

3.根据权利要求书1所述的一种工业机器人远程监控及数据处理系统，其特征在于：所述的数据采集模块包含长连接和短连接两种模式通信连接方式，长连接建立唯一通信通道，所有通信请求通过这一个通道完成，而短连接则为避免信道占用，每次通信建立新的通道，通信结束则关闭该通道。

4.根据权利要求书1所述的一种工业机器人远程监控及数据处理系统，其特征在于：所述的数据采集模块为保持对每个机器人的数据采集频率的可控性，在各自的线程中利用定时器实现数据连续采集，定时器时间通过读取xml文件来设定，通过Web客户端可以直接修改xml文件，从而实现对采集频率的控制。

5.根据权利要求书1所述的一种工业机器人远程监控及数据处理系统，其特征在于：所述的Web客户端对于工程师和普通客户有不同的权限限制，工程师权限可以实现Web客户端的控制功能，包括对数据采集模块采集频率的控制，而普通客户权限则限制于历史数据查询和实时数据查看两部分。

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